CN109682741A - 一种固结渗透试验装置及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固结渗透试验装置及其操作方法，属于土工试验领域。主要包括渗透固结仪、压力传感器、百分表、加载装置、注射泵、孔压传感器和计算机。渗透固结仪由底座、套筒、密封橡胶圈、上盖、气缸活塞构成，通过加载装置对土样加压，使其固结；土样固结完成后，保持加载恒定，对土样进行渗透试验，通过孔压传感器测出水压大小，通过计算机调节注射泵提供稳定水压。本装置实现试验过程中数据自动化测量，借助气缸活塞降低装置内部的摩擦力，在固结完成后，直接进行渗透试验，避免土样再次扰动，该装置操作方便、且试验结果较好。
Description
技术领域
本发明涉及土工试验研究领域，特别涉及一种固结渗透试验装置及其操作方法。
背景技术
在饱和黏性土地区进行基础工程施工时，地基或路基常常出现较大的沉降。为了研究及控制地基或路基的沉降，需要研究饱和黏性土地区的地基土或路基土的固结特性和渗透特性。传统的方法是使用固结仪进行固结试验，研究土体的固结特性，使用渗透仪进行渗透试验来研究土体的渗透特性，而常规的渗透试验并不能反映土样在不同固结压力下的渗透性，但是不同固结压力下土样的渗透性是不同的，将固结试验与渗流试验单独做，使用的土样并不是同一个，并且保证两个土样结构性相同并不容易，最终导致试验结果仍然与实际情况存在较大误差，并且现有的固结试验和渗透试验往往采用人工读数，难免会产生较大的读数误差，因此，亟待对现有装置进行改进。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种固结渗透试验装置及其操作方法。
本发明提供的固结渗透试验装置，主要包括渗透固结仪、压力传感器、百分表、加载装置、抽滤瓶、天平、注射泵、集水瓶、孔压传感器和计算机；渗透固结仪由底座、套筒、上密封橡胶圈、下密封橡胶圈、上盖、气缸活塞组成；所述底座中间凸起，凸起部分直径等于所述的套筒内径，底座周边依次设有密封橡胶圈固定槽、两个螺钉孔和两个螺杆孔，且此处螺钉孔和螺杆孔都为内螺纹孔，底座设有进水孔；所述的气缸活塞主要由传力杆、气缸、密封橡胶套和气缸底座构成；所述的套筒下部带裙边，裙边上设有螺钉孔；所述的上盖设有排气孔、排水孔、密封橡胶圈固定槽和螺杆孔；所述的套筒内部由下至上依次为下透水石、下滤纸、土样、上滤纸、上透水石和试样帽；所述的试样帽上设有承压槽和透水孔；所述的传力杆底部连接压力传感器，压力传感器底部与所述的承压槽相吻合；所述的集水瓶的上端与安装后套筒的上端平齐；所述的注射泵为活塞推进式，注射泵通过注射管与底座上的进水孔相连，注射管上分出两个支管分别连接孔压传感器和集水瓶；注射泵、孔压传感器、天平、百分表分别通过注射泵数据线、孔压数据线、水量数据线和位移数据线与计算机相连接，压力传感器通过压力数据线与配套的压力测量仪相连；所述的加载装置由固定在台座上的支撑杆、与支撑杆铰连的杠杆、砝码盘组成。所述的固结渗透试验装置的操作方法，包括下述的操作步骤：
步骤1: 准备1个环刀，内表面涂抹一层凡士林，用环刀从已经重塑的土块上取土样；
步骤2: 将带环刀的土样放入真空缸中，在真空缸和真空缸的盖之间涂一薄层凡士林，盖紧，使用抽气机对真空缸抽气，使压力表读数接近一个大气压，继续抽气1个小时，然后通过真空缸上的注水管缓慢注水，完全浸泡土样，关闭抽气机，缸内压力保持稳定，静置10小时；
步骤3: 将台座放置在平整的试验台面上，将底座放置在台座上，在套筒内壁涂一层凡士林，将上密封橡胶圈和下密封橡胶圈分别放入套筒的上固定槽和下固定槽，用螺钉穿过套筒螺钉孔，连接底座螺钉孔，然后拧紧，保证底座与套筒紧密连接；在套筒底部依次放入下透水石和下滤纸，关闭注射管上的阀门和连接孔压传感器水管上的阀门，通过套筒上口向套筒中注满蒸馏水；
步骤4：打开与孔压传感器相连接水管上的阀门，当有水从该水管的顶部连续冒出后，安装孔压传感器；
步骤5：通过套筒口向套筒内补满水，打开注射管上的阀门和补水管上的阀门，排出管内空气，关闭补水管上的阀门，向集水瓶加满水，将带有土样的环刀对准套筒上口，将土样推入套筒内,在土样上表面依次放入上滤纸和上透水石及试样帽；
步骤6:将内部带有密封橡胶套的气缸活塞拧入气缸底座，拧紧后将上盖置于套筒上，使螺杆穿过上盖螺杆孔，并拧紧螺帽，使用导水管连接排水孔至抽滤瓶，抽滤瓶置于天平上；
步骤7：将下端连接有压力传感器的传力杆***气缸活塞，安装百分表；
步骤8：调整砝码盘中的砝码，使压力传感器的测试仪上的数值达到试验设定值；
步骤9：当孔压传感器的读数小于孔压初始值的5%时，认为土样已经固结完成，得出孔压及土样竖向变形随时间的变化曲线；
步骤10：通过与排气孔相连的排气管向套筒内注水，至有水连续流入抽滤瓶，关闭排气管上的阀门，关闭补水管上的阀门，打开注射泵开关，开始注水，计算机将读取的孔压与设定值比较，调节注射泵，使注射管内的水压为设定值；
步骤11：待有水从导水管内流入抽滤瓶中开始读数，每间隔1个小时记录抽滤瓶中水的变化量，计算出该渗透压力下的渗透系数，待计算的渗透系数值稳定后，结束渗透试验；
优选地，所述的传力杆表面光滑，气缸底座与上盖是一体的，气缸与气缸底座间通过螺纹连接，并在其连接处表面涂有密封材料，密封橡胶套与所接触的传力杆外表面及气缸内表面紧密接触，不透水。
优选地，所述的压力传感器为防水的，已与压力测量仪配套标定。
优选地，所述的上透水石、下透水石、试样帽的外径比套筒的内径小0.02毫米。
优选地，所述的孔压传感器的下端与土样的下端平齐。
优选地，在所述的固结渗透试验装置的操作方法中，步骤11的实施过程中，注射泵一个行程结束后，关闭注射管上的阀门，打开补水管上的阀门，注射泵活塞回程，为注射泵补水，再关闭补水管上的阀门，打开注射管上的阀门，继续进行渗透试验。
优选地，所述的底座、套筒、上盖、气缸、传力杆的材质均为不锈钢，试样帽的材质为有机玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用该试验装置及其操作方法，可以测出不同固结压力下，同一个土样的固结特性和渗透系数；通过压力传感器得到作用在土样的固结压力，排出了摩擦力的影响，使试验结果更加准确；适用于10毫米至50毫米不同高度的试样；试验过程中，利用计算机实时采集试验数据，避免人工读数产生的较大误差，试验数据精确可靠；利用计算机控制注射泵，使注射管中的水压为设定值，自动实现了渗透压力的恒定；该装置操作方便，试验过程简单、快捷、高效。
附图说明
图1 本发明的结构示意图。
图2 上盖横断面示意图。
图3 套筒横断面示意图。
图4 底座横断面示意图。
图5 试样帽示意图。
图中标识：1-台座;2-底座;3-螺钉;4-上橡胶密封圈;4a-下橡胶密封圈;5-上透水石;5a-下透水石;6-上滤纸;6a-下滤纸;7-土样;8-试样帽;9-压力传感器;10-透水孔;11-上盖;12-排气孔;13-阀门A;13a-阀门B;13b-阀门C;13c-阀门D;14-进水孔;15-螺杆;16-套筒;17-螺帽;18-排水孔;19-密封橡胶套;20-气缸活塞;21-挡片;22-百分表固定架;23-百分表;24-支撑杆;25-橡胶塞;26-砝码盘;27-传力杆;28-连接铰;29-杠杆;30-天平;31-抽滤瓶;32-注射泵;33-补水管;34-孔压传感器;35-集水瓶;36-注射泵数据线;36a-孔压数据线;36b-水量数据线;36c-位移数据线;36d-压力数据线;37-计算机;38-上盖橡胶密封圈固定槽;38a-上固定槽;38b-下固定槽;38c-底座橡胶密封圈固定槽;39-上盖螺杆孔;39a-底座螺杆孔;40-承压槽;41-气缸底座;42-套筒螺钉孔;42a-底座螺钉孔;43-气缸;44-注射管;45-压力测量仪。
具体实施方式
以下是本发明专利的具体实施例，并结合附图对本发明专利的技术方案进行了描述，但本发明专利并不限于这个实施例。
实施例1
该实施例以直径61.8毫米、高40毫米的饱和重塑黏性土样的固结渗透试验为例。主要包括渗透固结仪、压力传感器9、百分表23、加载装置、抽滤瓶31、天平30、注射泵32、集水瓶35、孔压传感器34和计算机37；渗透固结仪由底座2、套筒16、上密封橡胶圈4、下密封橡胶圈4a、上盖11、气缸活塞20组成；所述底座2中间凸起，凸起部分直径等于所述的套筒16内径，底座2周边依次设有密封橡胶圈固定槽38c、两个螺钉孔42a和两个螺杆孔39a，且此处螺钉孔42a和螺杆孔39a都为内螺纹孔，底座2设有进水孔14；所述的气缸活塞20主要由传力杆27、气缸43、密封橡胶套19和气缸底座41构成；所述的套筒16下部带裙边，裙边上设有螺钉孔42；所述的上盖11设有排气孔12、排水孔18、密封橡胶圈固定槽38和螺杆孔39；所述的套筒16内部由下至上依次为下透水石5a、下滤纸6a、土样7、上滤纸6、上透水石5和试样帽8；所述的试样帽8上设有承压槽40和透水孔10；所述的传力杆27底部连接压力传感器9，压力传感器9底部与所述的承压槽40相吻合；所述的集水瓶35的上端与安装后套筒16的上端平齐；所述的注射泵32为活塞推进式，注射泵32通过注射管44与底座上的进水孔14相连，注射管44上分出两个支管分别连接孔压传感器34和集水瓶35；注射泵32、孔压传感器34、天平30、百分表固定架22上百分表23分别通过注射泵数据线36、孔压数据线36a、水量数据线36b和位移数据线36c与计算机37相连接，压力传感器34通过压力数据线36d与配套的压力测量仪45相连；传力杆27上有挡片21，下部为中空的，压力数据线36d从中穿过，出传力杆27处有橡胶塞25。加载装置由固定在台座1上的支撑杆24、与支撑杆24通过连接铰28与杠杆29连接、砝码盘26组成。底座2、套筒16、上盖11、气缸43、传力杆27的材质均为不锈钢，试样帽8的材质为有机玻璃。套筒16内径为61.8毫米，高度100毫米，壁厚度10毫米，下部带裙边，裙边宽10毫米，均匀布两个内径5毫米的套筒螺钉孔42，上固定槽38a、下固定槽38b、底座橡胶密封圈固定槽38c和上盖橡胶密封圈固定槽38的宽度为6毫米、槽深4毫米。上橡胶密封圈4和下橡胶密封圈4a的宽度为6毫米、高度为10毫米。上透水石5、下透水石5a的直径为61.78毫米，厚10毫米，上滤纸6、下滤纸6a的直径为61.8毫米。土样7的直径为61.8毫米，高40毫米。底座2中间凸起部分直径61.8毫米，高度10毫米，底座螺钉孔42a、套筒螺钉孔42均为直径为5毫米的内螺纹孔，底座螺杆孔39a、上盖螺杆孔39均为直径8毫米的内螺纹孔。试样帽8的直径为61.78毫米，厚20毫米，上面均匀置8个直径为3毫米的透水孔10，中心位置的承压槽40直径为18毫米。气缸活塞20中的气缸43的内径为22毫米，壁厚2.5毫米，密封橡胶套19内径10毫米，壁厚3毫米，传力杆27的直径为18毫米，长度为100毫米。抽滤瓶31的容积为250毫升，天平30的精度为0.001毫克。补水管33、注射管44的直径均为5毫米。上盖11的内径为81.8毫米，上盖11上的排气孔12、排水孔18和底座2的进水孔14的直径均为5毫米。孔压传感器34的最大量程为2兆帕，精度为0.001兆帕，且为防水的，孔压传感器34的下端与土样7的下端平齐。压力传感器9的最大量程为6千牛，精度为0.1牛。试验的操作步骤如下：
步骤1: 准备1个直径为61.8毫米，高为40毫米的环刀，内表面涂抹一层凡士林，用环刀从已经重塑的土块上取土样7；
步骤2: 将带环刀的土样7放入真空缸中，在真空缸和真空缸的盖之间涂一薄层凡士林，盖紧，使用抽气机对真空缸抽气，使压力表读数接近一个大气压，继续抽气1个小时，然后通过真空缸上的注水管缓慢注水，完全浸泡土样7，关闭抽气机，缸内压力保持稳定，静置10小时；
步骤3: 将台座1放置在平整的试验台面上，将底座2放置在台座1上，在套筒16内壁涂一层凡士林，将上密封橡胶圈4和下密封橡胶圈4a分别放入套筒16的上固定槽38a和下固定槽38b，用螺钉3穿过套筒螺钉孔42，连接底座螺钉孔42a，然后拧紧，保证底座2与套筒16紧密连接；在套筒16底部依次放入下透水石5a和下滤纸6a，关闭注射管44上的阀门13b和连接孔压传感器34水管上的阀门13a，通过套筒16上口向套筒16中注满蒸馏水；
步骤4：打开与孔压传感器34相连接水管上的阀门B13a，当有水从该水管的顶部连续冒出后，安装孔压传感器34；
步骤5：通过套筒16口向套筒16内补满水，打开注射管44上的阀门C13b和补水管33上的阀门D13c，排出管内空气，关闭补水管33上的阀门D13c，向集水瓶35加满水，将带有土样7的环刀对准套筒16上口，将土样7推入套筒16内,在土样7上表面依次放入上滤纸6和上透水石5及试样帽8；
步骤6:将内部带有密封橡胶套19的气缸活塞20拧入气缸底座41，拧紧后将上盖11置于套筒16上，使螺杆15穿过上盖螺杆孔39，并拧紧螺帽17，使用导水管连接排水孔18至抽滤瓶31，抽滤瓶31置于天平30上；
步骤7：将下端连接有压力传感器9的传力杆27***气缸活塞20，安装百分表23；
步骤8：调整砝码盘26中的砝码，使压力测量仪45上的数值达到试验设定值；
步骤9：当孔压传感器34的读数小于孔压初始值的5%时，认为土样7已经固结完成，得出孔压及土样竖向变形随时间的变化曲线；
步骤10：通过与排气孔12相连的排气管向套筒16内注水，至有水连续流入抽滤瓶31，关闭排气孔12上方的阀门A13，关闭补水管33上的阀门D13c，打开注射泵32的开关，开始注水，计算机37将读取的孔压与设定值比较，调节注射泵33，使注射管44内的水压为设定值；
步骤11：待有水从导水管内流入抽滤瓶31中开始读数，每间隔1个小时记录抽滤瓶31中水的变化量，计算出该渗透压力下的渗透系数，待计算的渗透系数值稳定后，结束渗透试验。
实施例2
本实施例目的在于测试不同固结压力下土样的固结与渗透特性，固结压力由小到大分级加载，该实施例中的试验装置与实施例1中的固结渗透试验装置相同。对于最初一级固结压力试验中的操作步骤与实施例1中的操作步骤相同。随后的各级固结压力下的固结渗透试验，按照实施例1中的步骤8至步骤11操作。试验过程中，当注射泵32一个行程结束后，关闭注射管44上的阀门C13b，打开补水管33上的阀门D13c，注射泵32活塞回程，为注射泵32补水，再关闭补水管33上的阀门D13c，打开注射管44上的阀门C13b，继续进行渗透试验。
Claims (8)
1.一种固结渗透试验装置，其特征在于：主要包括渗透固结仪、压力传感器、百分表、加载装置、抽滤瓶、天平、注射泵、集水瓶、孔压传感器和计算机；渗透固结仪由底座、套筒、上密封橡胶圈、下密封橡胶圈、上盖、气缸活塞组成；所述底座中间凸起，凸起部分直径等于所述的套筒内径，底座周边依次设有密封橡胶圈固定槽、两个螺钉孔和两个螺杆孔，且此处螺钉孔和螺杆孔都为内螺纹孔，底座设有进水孔；所述的气缸活塞主要由传力杆、气缸、密封橡胶套和气缸底座构成；所述的套筒下部带裙边，裙边上设有螺钉孔；所述的上盖设有排气孔、排水孔、密封橡胶圈固定槽和螺杆孔；所述的套筒内部由下至上依次为下透水石、下滤纸、土样、上滤纸、上透水石和试样帽；所述的试样帽上设有承压槽和透水孔；所述的传力杆底部连接压力传感器，压力传感器底部与所述的承压槽相吻合；所述的集水瓶的上端与安装后套筒的上端平齐；所述的注射泵为活塞推进式，注射泵通过注射管与底座上的进水孔相连，注射管上分出两个支管分别连接孔压传感器和集水瓶；注射泵、孔压传感器、天平、百分表分别通过注射泵数据线、孔压数据线、水量数据线和位移数据线与计算机相连接，压力传感器通过压力数据线与配套的压力测量仪相连；所述的加载装置由固定在台座上的支撑杆、与支撑杆铰连的杠杆、砝码盘组成。
2.如权利要求1所述的固结渗透试验装置的操作方法，包括下述的操作步骤：
步骤1: 准备1个环刀，内表面涂抹一层凡士林，用环刀从已经重塑的土块上取土样；
步骤2: 将带环刀的土样放入真空缸中，在真空缸和真空缸的盖之间涂一薄层凡士林，盖紧，使用抽气机对真空缸抽气，使压力表读数接近一个大气压，继续抽气1个小时，然后通过真空缸上的注水管缓慢注水，完全浸泡土样，关闭抽气机，缸内压力保持稳定，静置10小时；
步骤3: 将台座放置在平整的试验台面上，将底座放置在台座上，在套筒内壁涂一层凡士林，将上密封橡胶圈和下密封橡胶圈分别放入套筒的上固定槽和下固定槽，用螺钉穿过套筒螺钉孔，连接底座螺钉孔，然后拧紧，保证底座与套筒紧密连接；在套筒底部依次放入下透水石和下滤纸，关闭注射管上的阀门和连接孔压传感器水管上的阀门，通过套筒上口向套筒中注满蒸馏水；
步骤4：打开与孔压传感器相连接水管上的阀门，当有水从该水管的顶部连续冒出后，安装孔压传感器；
步骤5：通过套筒口向套筒内补满水，打开注射管上的阀门和补水管上的阀门，排出管内空气，关闭补水管上的阀门，向集水瓶加满水，将带有土样的环刀对准套筒上口，将土样推入套筒内,在土样上表面依次放入上滤纸和上透水石及试样帽；
步骤6:将内部带有密封橡胶套的气缸活塞拧入气缸底座，拧紧后将上盖置于套筒上，使螺杆穿过上盖螺杆孔，并拧紧螺帽，使用导水管连接排水孔至抽滤瓶，抽滤瓶置于天平上；
步骤7：将下端连接有压力传感器的传力杆***气缸活塞，安装百分表；
步骤8：调整砝码盘中的砝码，使压力传感器的测试仪上的数值达到试验设定值；
步骤9：当孔压传感器的读数小于孔压初始值的5%时，认为土样已经固结完成，得出孔压及土样竖向变形随时间的变化曲线；
步骤10：通过与排气孔相连的排气管向套筒内注水，至有水连续流入抽滤瓶，关闭排气管上的阀门，关闭补水管上的阀门，打开注射泵开关，开始注水，计算机将读取的孔压与设定值比较，调节注射泵，使注射管内的水压为设定值；
步骤11：待有水从导水管内流入抽滤瓶中开始读数，每间隔1个小时记录抽滤瓶中水的变化量，计算出该渗透压力下的渗透系数，待计算的渗透系数值稳定后，结束渗透试验。
3.如权利要求1所述的固结渗透试验装置，其特征在于：所述的传力杆表面光滑，气缸底座与上盖是一体的，气缸与气缸底座间通过螺纹连接，并在其连接处表面涂有密封材料，密封橡胶套与所接触的传力杆外表面及气缸内表面紧密接触，不透水。
4.如权利要求1所述的固结渗透试验装置，其特征在于：所述的压力传感器为防水的，已与压力测量仪配套标定。
5.如权利要求1所述的固结渗透试验装置，其特征在于：所述的上透水石、下透水石、试样帽的外径比套筒的内径小0.02毫米。
6.如权利要求1所述的固结渗透试验装置，其特征在于：所述的孔压传感器的下端与土样的下端平齐。
7.如权利要求2所述的固结渗透试验装置的操作方法，步骤11的实施过程中，当注射泵一个行程结束后，关闭注射管上的阀门，打开补水管上的阀门，注射泵活塞回程，为注射泵补水，再关闭补水管上的阀门，打开注射管上的阀门，继续进行渗透试验。
8.如权利要求1所述的固结渗透试验装置，其特征在于：所述的底座、套筒、上盖、气缸、传力杆的材质均为不锈钢，试样帽的材质为有机玻璃。
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