[發(fā)明專利]一種含氣土的固結(jié)試驗裝置及試驗方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810023038.9
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN107941604A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王勇;黃林;汪明元;王艷麗;白傳鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/12
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所42001
• 代理人: 余曉雪,王敏鋒

1.一種含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述含氣土的固結(jié)試驗裝置包括支架（14）、壓力筒（12）、活塞（17）、頂帽（2）、多孔板（3）、導桿（9）、位移傳感器（22）、總應(yīng)力傳感器（16）、水氣測量裝置、待測土樣上下表面孔隙水壓力測量裝置、進水口（23）以及導管（7）；所述壓力筒（12）豎直固定在支架（14）上；所述活塞（17）置于壓力筒（12）中并可沿壓力筒（12）的軸向自如移動；所述活塞（17）將壓力筒（12）自上而下依次分為固結(jié)室以及壓力室（20）；所述導桿（9）設(shè)置在活塞（17）底部并與活塞（17）同步運動；所述位移傳感器（22）置于支架（14）底部并與穿過支架（14）底部的導桿（9）相連；所述頂帽（2）以及多孔板（3）自上而下依次設(shè)置在固結(jié)室上；所述總應(yīng)力傳感器（16）設(shè)置在活塞（17）的上表面上；所述水氣測量裝置設(shè)置在頂帽（2）上并與頂帽（2）內(nèi)部相貫通；所述壓力室（20）的側(cè)壁上設(shè)置有進水口（23）；所述活塞（17）上沿活塞（17）的軸向設(shè)置有導管（7）；所述進水口（23）與壓力室（20）相連通；所述固結(jié)室通過多孔板（3）與頂帽（2）內(nèi)部相連通；待測土樣（25）置于多孔板（3）和活塞（17）之間的固結(jié)室中；所述待測土樣上下表面孔隙水壓力測量裝置分別與待測土樣（25）的上下表面相連通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述水氣測量裝置包括接口閥（15）、量液管（21）以及排氣閥（1）；所述接口閥（15）以及排氣閥（1）分別置于頂帽（2）上；所述量液管（21）與接口閥（15）相連通。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述接口閥（15）設(shè)置在頂帽（2）的側(cè)壁上；所述排氣閥（1）置于頂帽（2）的頂部。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述待測土樣上下表面孔隙水壓力測量裝置包括第一孔隙水壓力傳感器（4）以及第二孔隙水壓力傳感器（13）；所述第一孔隙水壓力傳感器（4）以及第二孔隙水壓力傳感器（13）分別與待測土樣（25）的上下表面相連通。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述導管（7）包括第一導管以及與第一導管并行的第二導管；所述第一導管的上端設(shè)置有排氣塞（24），第一導管的下端與壓力室（20）相貫通；所述第二導管的上端部設(shè)置有透水石（6），第二導管的下端部設(shè)置有接口螺栓（8）以及與接口螺栓（8）相連的尼龍管（10）；所述第一孔隙水壓力傳感器（4）設(shè)置在頂帽（2）的側(cè)壁上；所述第二孔隙水壓力傳感器（13）與尼龍管（10）相連通。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述含氣土的固結(jié)試驗裝置還包括設(shè)置在壓力筒（12）和支架（14）之間的基座（11）；所述壓力筒（12）通過基座（11）設(shè)置在支架（14）上；所述基座（11）上設(shè)置有導桿通孔以及與導桿通孔同心的限位凹槽；所述導桿（9）穿過基座（11）上的導桿通孔；所述壓力筒（12）鑲嵌在限位凹槽中。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述含氣土的固結(jié)試驗裝置還包括設(shè)置在基座（11）且與壓力筒（12）并行的地腳螺栓（19）；所述地腳螺栓（19）是三個呈品字型并行設(shè)置在壓力筒（12）外部；所述頂帽（2）以及壓力筒（12）通過地腳螺栓（19）固定設(shè)置在基座（11）上。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述含氣土的固結(jié)試驗裝置還包括設(shè)置在頂帽（2）上并與地腳螺栓（19）相連的壓環(huán)（26）；所述多孔板（3）與壓力筒（12）之間、活塞（17）與壓力筒（12）之間、導桿（9）與基座（11）之間以及壓力筒（12）與基座（11）之間均設(shè)置有一道或多道O型橡膠圈（5）。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置，其特征在于：所述活塞（17）底部設(shè)置有軸襯（18）；所述導桿（9）通過軸襯（18）固定在活塞（17）底部并與活塞（17）同步移動；所述導桿（9）是中空的桿體；所述導桿（9）內(nèi)部設(shè)置有與總應(yīng)力傳感器（16）相連的總應(yīng)力傳感器引線（27）；所述多孔板（3）與待測土樣（25）之間設(shè)置有濾紙。

10.一種基于如權(quán)利要求9所述的含氣土的固結(jié)試驗裝置的含氣土的固結(jié)試驗方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1）將基座（11）固定在支架（14）上，將壓力筒（12）安裝到基座（11）上，在活塞（17）與壓力筒（12）內(nèi)壁之間墊上O型橡膠圈（5）；通過導桿（9）移動活塞（17）至預(yù)定高度，固定導桿（9）不動；

2）打開活塞（17）上的上表面的排氣塞（24），通過進水口（23）向壓力室（20）中注水，當排盡壓力室（20）中的空氣后，關(guān)閉排氣塞（24）；

3）將制備好的含氣待測土樣（25）裝入活塞（17）上面的固結(jié)室內(nèi)，在待測土樣（25）上放上濾紙，再將多孔板（3）放置在壓力筒（12）上面，在多孔板（3）與壓力筒（12）之間安裝O型橡膠圈（5），蓋上頂帽（2）和壓環(huán)（26），并打開頂帽（2）上的排氣閥（1）；用地腳螺栓（19）通過壓環(huán)（26）將頂帽（2）與基座（11）連接起來，擰緊地腳螺栓（19），壓緊壓力筒（12）；

4）在壓力筒（12）下部的進水口（23）連接外部加壓設(shè)備，松開導桿（9），向壓力室（20）內(nèi)施加水壓，推動活塞（17）在壓力筒（12）內(nèi)向上移動，使待測土樣（25）上表面與多孔板（3）接觸，停止加壓；利用頂帽（2）上的接口閥（15）向頂帽（2）內(nèi)的圓錐形槽內(nèi)注水，直至水從頂帽（2）上部的排氣閥（1）中溢出，關(guān)閉接口閥（15）并停止注水；將量液管（21）內(nèi)充水，通過接口閥（15）將量液管（21）與頂帽（2）連接，關(guān)閉排氣閥（1），打開接口閥（15）；

5）利用外接加壓設(shè)備向壓力室（20）內(nèi)施加水壓力，推動壓力筒（12）內(nèi)活塞（17）向上移動，對固結(jié)室內(nèi)待測土樣（25）施加固結(jié)壓力，使待測土樣（25）排水排氣、固結(jié)變形；

6）對排水排氣以及固結(jié)變形后的待測土樣（25）分別進行固結(jié)過程中固結(jié)應(yīng)力的量測、固結(jié)過程中土樣體積變化量的量測、固結(jié)過程中孔隙水壓力的量測以及固結(jié)過程中水和氣的體積量測；

所述固結(jié)過程中固結(jié)應(yīng)力的量測的具體實現(xiàn)方式是：通過活塞（17）頂端的總應(yīng)力傳感器（16）直接測讀固結(jié)過程中施加在待測土樣（25）上的固結(jié)總應(yīng)力；

所述固結(jié)過程中土樣體積變化量的量測的具體實現(xiàn)方式是：通過位移傳感器（22）測量固結(jié)過程中待測土樣（25）高度的變化量，通過待測土樣（25）的高度變化量乘以壓力筒（12）的橫截面積，可得出固結(jié)過程中待測土樣（25）總體積的變化量；

所述固結(jié)過程中孔壓的量測的具體實現(xiàn)方式是：在活塞（17）上表面透水石（6）下的第二導管的通道中和與接口螺栓（8）相連的尼龍管（10）中充滿除氣水，通過與尼龍管（10）相連的第二孔隙水壓力傳感器（13），測讀固結(jié)試驗中待測土樣（25）下表面處的孔隙水壓變化；通過頂帽（2）上的第一孔隙水壓力傳感器（4）測讀待測土樣（25）上表面處的孔隙水壓變化；

所述固結(jié)過程中水和氣的體積量測的具體實現(xiàn)方式是：

每級固結(jié)試驗前，開啟接口閥（15），保持量液管（21）與頂帽（2）內(nèi)的水連通，記錄量液管（21）內(nèi)水的初始體積讀數(shù)V_i；試驗過程中，待測土樣（25）中排出的水通過頂帽（2）流入量液管（21），體積為V_iw，排出的氣聚集在頂帽（2）圓錐形槽的頂部，體積為V_ig；每級加載固結(jié)穩(wěn)定后，記錄穩(wěn)定后量液管（21）內(nèi)水的體積讀數(shù)為V_i+1，所述V_i+1-V_i為固結(jié)過程中排出待測土樣（25）水和氣的總體積，即：V_i+1-V_i=V_iw+V_ig；打開頂帽（2）上部的排氣閥（1），在不排水的情況下待完全排除聚集在頂帽（2）圓錐形槽頂部的氣體后，關(guān)閉排氣閥（1）；記錄此時量液管（21）內(nèi)的體積讀數(shù)，其排氣前后的變化量為△V_i+1，即有△V_i+1=V_ig，相應(yīng)的排出水體積量為V_iw= V_i+1-V_i-△V_i+1。