CN104897464A - 一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，包括：装有土样且设有用于连接加载装置的加载板的固结仪容器；对称设置在固结仪容器左右侧面、上下侧面内壁的两对薄膜压力传感器；对称设置在固结仪容器六个侧面槽洞中的三对弯曲元波速测试元件；内嵌于固结仪容器前侧面的有机玻璃观测窗。与现有技术相比，本发明可同时量测土体水平和竖直方向上的应力并确定土体静止土压力系数，以及在完全侧限加卸载过程中不同初始各向异性土体的小应变剪切模量的演化，并可利用有机玻璃观测窗和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土体组构各向异性的发展情况，具有操作简便、功能多样、测试精度高、误差小等优点。

Description

一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪

技术领域

本发明涉及岩土试验研究技术领域，尤其是涉及一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪。

背景技术

随着我国城市建设的飞速发展，城市化的进程促进了大城市在数量和规模上的急剧发展。人们将不断拓展新的生存空间，开发不断深入岩土体的地下空间并修建越来越高的超高层建筑。为这些工程保障安全性和经济性，在计算分析时需要的精度越来越高，提高计算精度所需考虑的因素众多，其中一个关键且丞待研究的因素就是各向异性对土体性状的影响。

土体是大自然的产物，在重力作用下沉积形成时会产生一定的初始各向异性。初始各向异性对于土的变形和强度具有较大的影响。此外，目前对由于应力加卸载等引起的诱发各向异性以及初始各向异性和诱发各向异性间的内在联系缺乏科学的认识。

在日益复杂的工程背景下，如何定量描述两种不同的各向异性并恰当合理地区分两种不同各向异性下土体的特性，是土力学科学研究的重要内容，也是解决工程实际问题的迫切需要。目前以小应变剪切模量的各向异性来定量表征土体的各向异性程度是一种适合的方法，但是对小应变剪切模量的各向异性特性与土体应力各向异性、土体结构初始各向异性和诱发各向异性的内在联系的认识非常有限。

此外，由传统试验仪器确定静止土压力系数这一重要参数时存在几个较为突出的问题，包括：文献“Okochi,Y.,Tatsuoka,F.:Some factors affecting K0-values ofsand measured in triaxial cell.Soils Found.24(3),52–68(1984)”提到的三轴仪或平面应变固结仪中侧边应变过大而不能实现完全侧限条件，文献“Takashi,T,Yoshiaki,K.:K0consolidation of undisturbed clays by means of triaxial cell.Soils Found.31(3),127–137(1991)”提到的三轴仪的橡皮膜与土样之间的排水壁纸柔度过大，文献“Yamamuro,J.A.,Bopp,P.A.,Lade,P.V.:One-dimensional compression of sands athigh pressures.J.Geotech.Eng.122(2),147–154(1996)”提到的固结仪不能较精确地测定水平向应力且在卸载过程中环体存在残余应变等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单、功能多样、试验精度高、误差小的可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪包括：

装有土样且设有用于连接加载装置的加载板的固结仪容器；

对称设置在固结仪容器左右侧面、上下侧面内壁的两对薄膜压力传感器；

对称设置在固结仪容器六个侧面槽洞中的三对弯曲元波速测试元件；

内嵌于固结仪容器前侧面的有机玻璃观测窗；

通过薄膜压力传感器量测土体水平和竖直方向上的应力并得到土体静止土压力系数，通过弯曲元波速测试元件测量土体剪切波速并得到各向异性土体的小应变剪切模量，通过有机玻璃观测窗观察试验过程中土体组构各向异性的发展情况。

所述固结仪容器为立方体结构，还包括容器主体和可拆卸侧板，所述容器主体由三块固定侧板和一块固定底板组成，构成固结仪容器的前后侧面、左侧面和下侧面，所述可拆卸侧板与容器主体连接，构成固结仪容器的右侧面，所述加载板设于固结仪容器中土样上部，构成固结仪容器的上侧面。

所述可拆卸侧板与容器主体通过若干垂直于固定侧板的螺栓相连接。

所述三对弯曲元波速测试元件通过相应的槽洞调节***土样的深度。

所述两对薄膜压力传感器通过胶水粘贴于固结仪容器内壁。

所述固结仪容器各侧面和有机玻璃观测窗的厚度均为15-20mm。

所述加载板通过中心处的加载凸起杆连接加载装置。

还包括配合有机玻璃观测窗进行土样观测的数码相机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)固结仪容器采用容器主体、可拆卸侧板以及加载板的可自由拆卸组合结构，可利用此特点通过在填制土样时旋转容器生成不同初始各向异性的土样。

2)固结仪在三个应力主方向上设有三对弯曲元波速测试元件，测量土体剪切波速即小应变剪切模量的各向异性。一方面可用于分析一维固结中土体各向异性对小应变剪切模量的影响，另一方面可利用小应变剪切模量各向异性来定量表征土样的各向异性，包括初始各向异性和诱发各向异性。

3)固结仪采用贴于容器内壁的薄膜压力传感器直接测定水平和竖向压力并计算静止土压力系数，很好地解决了传统固结仪存在的问题。

4)固结仪容器一侧装有透明有机玻璃，配合高清数码相机和PIV图像处理技术，可通过微观土力学理论中二阶组构张量来定量描述加卸载过程中土体组构各向异性的发展以及不同初始各向异性对诱发各向异性的影响，并和小应变剪切模量各向异性表征的土体组构各向异性进行比较。

5)固结仪容器采用容器主体、可拆卸侧板、加载板和有机玻璃观测窗的厚度均为15-20mm，保证完全侧限的刚度要求。

附图说明

图1为本发明中固结仪容器结构立体示意图；

图2为本发明固结仪结构透视示意图。

图中：1、容器主体，2、可拆卸侧板，3、加载板，4、左侧薄膜压力传感器，5、后侧弯曲元波速测试元件，6、有机玻璃观测窗，7、左侧弯曲元波速测试元件，8、下侧薄膜压力传感器，9、下侧弯曲元波速测试元件，10、前侧弯曲元波速测试元件，11、螺栓，12、右侧薄膜压力传感器，13、右侧弯曲元波速测试元件，14、上侧弯曲元波速测试元件，15、加载凸起杆，16、上侧薄膜压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示，一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪包括固结仪容器、用于量测水平和竖向土压力的薄膜压力传感器、用于量测三个主应力方向的小应变剪切模量的弯曲元波速测试元件和可方便观察实验中土体组构各向异性发展情况的有机玻璃观测窗6，以及与有机玻璃观测窗6结合的高清数码相机，其中，固结仪容器为立方体结构，包括容器主体1、可拆卸侧板2和供外荷载施加的加载板3，薄膜压力传感器为两对共四片，包括左侧薄膜压力传感器4、右侧薄膜压力传感器12、上侧薄膜压力传感器16和下侧薄膜压力传感器8，弯曲元波速测试元件为三对共六个，包括前侧弯曲元波速测试元件10、后侧弯曲元波速测试元件5、左侧弯曲元波速测试元件7、右侧弯曲元波速测试元件13、上侧弯曲元波速测试元件14和下侧弯曲元波速测试元件9。具体连接为：

容器主体1由三块固定侧板和一块固定底板组成，构成固结仪容器的前后侧面、左侧面和下侧面，可拆卸侧板2与容器主体1通过三对垂直于固定侧板的螺栓11相连接，构成固结仪容器的右侧面，加载板3设于固结仪容器中土样上部，构成固结仪容器的上侧面，加载板3通过中心处的加载凸起杆15连接外部加载装置，两对薄膜压力传感器通过金属塑料多功能防水胶水对称粘贴于固结仪容器的左右侧面、上下侧面内壁，三对侧弯曲元波速测试元件对称设置在固结仪容器的前后侧面、左右侧面、上下侧面的槽洞中，可通过相应的槽洞调节侧弯曲元波速测试元件***土样的深度，有机玻璃观测窗6内嵌于固结仪容器的前侧面，固结仪容器各侧面和有机玻璃观测窗6的厚度取值范围均为15-20mm。

本实施例中，容器主体1、可拆卸侧板2和加载板3的壁厚均为15mm，容器主体1、可拆卸侧板2和加载板3所围成的固结仪容器长为150mm、宽为150mm、高为150mm。有机玻璃观测窗6长为60mm、高为60mm、厚度为15mm的立方体。嵌置弯曲元波速测试元件的槽洞半径为8mm、深度为15mm。弯曲元波速测试元件半径为7.4mm、厚度为20mm，嵌置在槽洞中。螺栓11长度为50mm。容器主体1、可拆卸侧板2、加载板3和有机玻璃观测窗6厚度保证完全侧限的刚度要求。

工作过程：

1)固结仪容器内土样采用落雨法制备，土样的相对密度通过落雨法下落高度控制，土样的初始各向异性通过容器主体1左侧面相对于水平面的倾角控制。

2)制备完土样将可拆卸侧板2与容器主体1通过螺栓11相连，将容器主体1水平放置，并将加载板3水平放置与土样上，加载板3上加载凸起杆15与外部加载装置相连，通过控制外部加载装置可对土样进行一维加卸载。

3)在试验过程中利用薄膜压力传感器量测土样水平和竖向土压力，可计算静止土压力系数和应力各向异性程度。同时，在试验过程中利用三对弯曲元波速测试元件分别量测三个方向上的剪切波速，并计算相应的小应变剪切模量；在试验过程中可用高清数码相机通过有机玻璃观测窗6对土样进行局部拍照，并通过PIV图像处理技术获取土体组构信息，真实定量分析土体组构各向异性的发展。

Claims (8)

1.一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，包括：

装有土样且设有用于连接加载装置的加载板的固结仪容器；

对称设置在固结仪容器左右侧面、上下侧面内壁的两对薄膜压力传感器；

对称设置在固结仪容器六个侧面槽洞中的三对弯曲元波速测试元件；

内嵌于固结仪容器前侧面的有机玻璃观测窗；

通过薄膜压力传感器量测土体水平和竖直方向上的应力并得到土体静止土压力系数，通过弯曲元波速测试元件测量土体剪切波速并得到各向异性土体的小应变剪切模量，通过有机玻璃观测窗观察试验过程中土体组构各向异性的发展情况。

2.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述固结仪容器为立方体结构，还包括容器主体和可拆卸侧板，所述容器主体由三块固定侧板和一块固定底板组成，构成固结仪容器的前后侧面、左侧面和下侧面，所述可拆卸侧板与容器主体连接，构成固结仪容器的右侧面，所述加载板设于固结仪容器中土样上部，构成固结仪容器的上侧面。

3.根据权利要求2所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述可拆卸侧板与容器主体通过若干垂直于固定侧板的螺栓相连接。

4.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述三对弯曲元波速测试元件通过相应的槽洞调节***土样的深度。

5.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述两对薄膜压力传感器通过胶水粘贴于固结仪容器内壁。

6.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述固结仪容器各侧面和有机玻璃观测窗的厚度均为15-20mm。

7.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，所述加载板通过中心处的加载凸起杆连接加载装置。

8.根据权利要求1所述的一种可量测静止土压力系数和小应变剪切模量的固结仪，其特征在于，还包括配合有机玻璃观测窗进行土样观测的数码相机。