专利名称：室内测定软土次固结系数的方法及用于该方法的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程勘查测试，具体说是一种室内测定软土次固结系数的方法。
本发明还涉及岩土工程勘查试验设备，具体说是一种用于室内测定软土次固结系数的测量装置。
背景技术：
软土地基的最终沉降量由瞬时沉降量、固结沉降量和次固结沉降量组成。土的次固结沉降是指土样在主固结过程(超静孔隙水压力消散过程)结束后，有效应力不变的情况下，土的骨架仍然随着时间继续发生的缓慢变形。次固结系数是反映软粘土在恒载下随着时间的增长而变形的一个重要特征指数。通过次固结系数预估基础达到最终沉降量所需要的时间或者预估建筑物完工后经过某一段时间可能产生的沉降量，即基础沉降与时间关系，结合建筑物的使用年限，就能推测工程稳定性范围。
目前国内缺乏测试次固结系数有效手段和相关的试验设备，表现在1)国家标准《土工试验方法标准》和其他地方、行业规范中都没有次固结系数测试方法和要求；2)按次固结系数物理意义及常规加荷24小时稳定法测试，某些荷载下次固结系数曲线仅反映出前端主固结段，后端次固结部分未出现；3)采用传统杠杆式固结仪试验设备进行试验，存在测试精度低，出力滞后现象；4)人工加荷对试样产生瞬间冲击力；5)加荷与计时、人工记录数据不同步；6)资料整理繁琐及试验周期长。
因此，岩土工程勘察技术领域需要一种新的测试方法，通过利用室内常规测试手段，能有效、便捷、准确地得到次固结系数。同时，也需要一种专用于测试方法的试验设备，以克服上述现有技术中的缺陷与不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种室内测定软土次固结系数的方法，能实现能有效、便捷、准确地得到次固结系数。
本发明采用以下技术方案 一种室内测定软土次固结系数的方法，包括底座，底座内设活塞，所述底座一侧的悬臂支架末端设有支点，还包括位移传感器，所述支点上方设有位移传感器，该传感器固定于装有试样的容器的一侧表架上，并与控制系统连接，按以下步骤进行 (1)将容器置于底座上，将支点与容器上盖接触，传感器的触点与支点弹性接触； (2)活塞通气，将容器、传感器顶起，在顶升过程中，触点下降，并与支点始终接触； (3)触点下降距离为Δh，传感器采集后送至控制系统，通过公式
求出孔隙比e，其中，e0为土的天然孔隙比是常量，h0为试样在零荷载时的高度； (4)触点随时间延长不断下降，控制系统实时计算出孔隙比，最终生成次固结系数(时间对数-孔隙比)曲线图，所述曲线完整包括上部曲线段、中部直线段、下部直线段； (5)计算次固结曲线下部直线段斜率，求出次固结系数Ca。
优选地，在步骤(4)中，延长时间＞24小时。
优选地，在步骤(1)中，底座上设有工作平台，容器置于工作平台中心，所述传感器触点、支点、容器中心共线。
优选地，在步骤(1)与步骤(2)之间，旋转支点螺母，直至与悬臂支架上表面接触。
本发明具有以下有益效果通过在每级荷重下增加时间读数，使整个曲线得以延长，次固结线段更清楚地反映出土体随时间的增长而变化的规律。根据曲线趋势推算出建筑物最终沉降量，即基础沉降与时间关系，结合建筑物的使用年限，就能推测工程稳定性范围，确保工程的安全性。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种专用于室内测定软土次固结系数的测试装置，能配合所述方法有效得到次固结系数。
本发明采用以下技术方案 一种室内测定软土次固结系数的测量装置，包括底座，底座内设活塞，容器设于活塞上，所述底座一侧的悬臂支架末端设有支点，所述支点上方设有位移传感器，该传感器固定于容器的一侧表架上，并与控制系统连接，所述触点与支点弹性接触。
优选地，所述容器内腔为水漕，且为多层结构，包括由外至内的大导环、小护环和小导环，其中小导环底部设有凸缘，小护环外套在凸缘上，凸缘下设有大透水石，凸缘与大透水石共同套于大导环内，大透水石上方设有小透水石，大、小透水石间构成装试样的空间，小透水石套于小护环内。
优选地，所述小透水石上设有上盖，所述上盖中央设有一钢球。
优选地，所述支点包括穿设于悬臂支架的支点螺杆帽，所述支点螺杆帽的下端为半球凹面，与所述钢球配合，支点螺杆帽的螺纹段上套有支点螺母。
优选地，所述表架包括表杆和相对于表杆升降的支架。
优选地，底座上设有可升降的工作平台，工作平台的中心为容器，所述触点、支点螺杆帽、钢球、容器中心共线。
优选地，所述测量装置有多个且并排设置，每个测量装置的底座上设有支路管道，各支路管道均与气压管道连接；每个测量装置的位移传感器上设有数据线，各数据线均与采集器连接。
本发明具有以下有益效果表现在加荷出力同步、通过活塞加荷不会对试样产生瞬间冲击力、计时与人工采集数据同步等方面，提高了测试精度。通过控制系统与位移传感器、数据线、通道选择器结合成为采集系统，解决了人工采集数据、整理及计算的繁琐，加快了室内测试的工期，提高了试验成果质量。
图1为本发明所涉及的室内测定软土次固结系数的测量装置的剖面结构示意图 图2为本发明所涉及的次固结系数Ca曲线图。
图3为装有试样的容器的剖面结构示意图。
图4为本发明所涉及的多联测量装置的结构示意图。
图5为试样受到荷载后的高度变化剖面示意图。
具体实施例方式 为了更进一步了解本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，为本发明的剖面结构原理图示，通过本图示可以看出本发明各部件的连接关系。实施步骤叙述如下把安装好试样20的容器12放置在固结仪底座9上的工作平台13上并居中(安装试样的过程见图3)，先旋松支点螺母6，旋转悬臂支架7上的支点螺杆帽5，使其下端半球凹面与钢球16上凸半球面轻微接触，再拧紧支点螺母6，直到支点螺母6与悬臂支架7上臂面接触为止，使支点螺杆帽5与试样20中心在同心。将位移传感器2安置在表架3前部，并拧紧表架3前部的螺母10，在本实施例中，表架3包括表杆11和相对于表杆11升降的支架26。传感器的触点即导杆触点4，将位移传感器导杆轻轻向上推(使导杆向下延伸时量程最大)，使表内小指针归零，将表架3后部的螺母10拧紧使其固定在表杆11上，导杆触头垂直于支点螺杆帽5中心点。工作时荷载气压通过气压管道8进入气缸15产生向上的压力推进活塞14及工作平台13上升，由于悬臂支架7的固定作用，活塞14及工作平台13带动固结容器12上升，根据作用力和反作用力的原理，相当于试样20受到一个向下的轴向压力，试样20受压后产生高度变化。活塞14及工作平台13上升，相应地带动容器12、表杆11、表架3和位移传感器2同时上升，位移传感器2内弹簧张力使得导杆触点4下降，并始终保持导杆触点4与支点螺杆帽5接触，导杆触点4下降距离等于试样20高度变化量，同时以模数转换方式通过数据线1不断传递到通道选择器、采集器、计算机存储空间。试样20受压后的高度变化值由计算机处理软件换算成孔隙比，并和时间对数形成图2关系曲线，显示在计算机屏幕上。
如图2所示，根据次固结系数公式
Ca即为e～lgt曲线中的下部直线段的斜率。采用常规24小时稳定后加压测定法，某些荷载下曲线反映在Y轴上为ds～e1和X轴上0.1～t2区间内只有上部曲线段和中部直线段，下部直线段没有显示，无法得到Ca。增加若干测点(t0t1......tn)后曲线反映在Y轴上ds～e2和X轴上0.1～tn区间内的完整曲线，下部直线段得以延长并得到准确的次固结系数Ca。本发明根据“测定沉降速率”要求，按时间顺序测定试样20沉降变形量，依据软土特性，打破规范要求的24小时测定法，再延长若干测定时间，保证了次固结曲线的完整性，使得室内测定软土的次固结系数精确、客观、真实可靠。当软土含水率较高时，如淤泥、淤泥质土，当压力(荷载)刚超过土的前期固结压力时，若仅进行24小时测定，曲线仅反映出主固结线段，次固结沉降段并不存在，故计算次固结系数，延长6小时或更长时间，使曲线反映出完整的趋势才能保证取得次固结系数。当软土含水率较低时，适当延长些时间或小于6小时即可。
如图3所示，为试样20安装示意图，根据工程需要选取保持天然状态的原状土样，将环刀21刃口向下放在土样上，将环刀21垂直下压，并用切土刀沿环刀21外侧切削土样，边压边削至土样略高出环刀21，用钢丝弓和切土刀整平环刀21上下两端土样，擦净环刀21外壁，称重后在试样20两端面贴上滤纸，图3所示贴有滤纸的试样20和环刀21简称为制备好的试样。
试样20安装步骤如下在容器水漕25中放置大导环24、大透水石23、小导环22，将制备好的试样刃口向下装入小导环22内，环刀21上部套上小护环19，试样20上放小透水石18和加压上盖17及钢球16。
如图4所示，为多联高压气压固结试验采集系统结构示意图，由多个固结试验装置排列组成，每个装置上都设有气压管道8，多路管道并成一路，通过调压阀与气源连接；每个位移传感器2也都设有采集通道，各采集通道将数据送至采集器A，并与计算机联机，受到计算机实时控制。
如图5所示，试样20受到荷载后的高度变化剖面示意图当试样20受到荷载为0时，试样20的高度为h0(图5上)；当试样20受到初始荷载P1，试样20固结后高度变化为Δh1，试样20固结后的高度为hl＝h0-Δh1(图5中)；试样20在某级荷载Pi作用下，试样20的高度变化为Δhi，试样20固结后的高度为hi＝h0-Δhi(图5下)。通过计算公式
为土的天然孔隙比是常量，i为某级荷重)，将试样20受压后的高度变化值转换为相应的孔隙比ei，图5反映出受压前后试样高度变化示意图。
由以上介绍可知，当试验装置工作时，先是由气体通过气压管道8进入气缸15，从而产生推进活塞14、工作平台13、容器12整体上升的力，根据力的传递原理，容器12底部继而对大透水石23、试样20、小透水石18、加压上盖17、钢球16和支点螺杆帽5底部产生向上作用力；随后由于支点螺杆帽5固定在悬臂支架7上，而悬臂支架7又和固结仪底座9固定连接，根据作用力和反作用力的原理，气压又通过支点螺杆帽5传递至钢球16、加压上盖17、小透水石18、试样20上，试样20受压产生变形；另外，活塞14推动工作平台13、容器12整体上升，容器12又带动表杆11、表架3、表架螺母10、位移传感器2一起上升，支点螺杆帽5和导杆触点4之间产生间隙，但位移传感器2内弹簧弹力使导杆触点4向下延伸(在位移传感器量程范围内)始终与支点螺杆帽5表面接触(延伸长度等于试样20的沉降变形量)，试样20的高度变化量通过位移传感器2模数转化后通过数据线1传递到采集器A和计算机。由此形成数据采集。
工作前，旋松支点螺母6，旋紧支点螺杆帽5直至支点螺杆帽5下端凹面与钢球16上端凸面轻微接触为止，然后旋紧支点螺母6直至与悬臂支架7上表面接触为止，将位移传感器2安置在表架3上，通过二个对称的表架螺母10上下左右调准后固定，并使传感器导杆触点4垂直于支点螺杆帽5中心点。表架3通过表架螺母10和表杆11与容器12连接成一体，并居中放置在固结仪底座9、活塞14及工作平台13上，使导杆触点4、支点螺杆帽5、钢球16、试样20和容器12保持在一条垂心线上。
应当理解的是，上述对图例的详细说明仅为了理解本发明，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，只要是达到此目的的所有改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种室内测定软土次固结系数的方法，包括底座(9)，底座(9)内设活塞(14)，所述底座(9)一侧的悬臂支架(7)末端设有支点，还包括位移传感器(2)，所述支点上方设有位移传感器(2)，该传感器(2)固定于装有试样(20)的容器(12)的一侧表架(3)上，并与控制系统连接，其特征是按以下步骤进行
(1)将容器(12)置于底座(9)上，将支点与容器上盖(17)接触，传感器(2)的触点与支点弹性接触；
(2)活塞(14)通气，将容器(12)、传感器(2)顶起，在顶升过程中，触点下降，并与支点始终接触；
(3)触点下降距离为Δh，传感器(2)采集后送至控制系统，通过公式
求出孔隙比e，其中，e0为土的天然孔隙比是常量，h0为试样(20)在零荷载时的高度；
(4)触点随时间延长不断下降，控制系统实时计算出孔隙比，最终生成次固结系数(时间对数-孔隙比)曲线图，所述曲线完整包括上部曲线段、中部直线段、下部直线段；
(5)计算次固结曲线下部直线段斜率，求出次固结系数Ca。
2.根据权利要求1所述的室内测定软土次固结系数的方法，其特征是在步骤(4)中，延长时间＞24小时。
3.根据权利要求2所述的室内测定软土次固结系数的方法，其特征是在步骤(1)中，底座(9)上设有工作平台(13)，容器(12)置于工作平台(13)中心，所述传感器触点、支点、容器(12)中心共线。
4.根据权利要求3所述的室内测定软土次固结系数的方法，其特征是所述支点上设有支点螺杆帽(5)，容器上盖(17)设有钢球(16)，所述支点螺杆帽(5)下端半球凹面与钢球(16)上凸半球面接触。
5.根据权利要求4所述的室内测定软土次固结系数的方法，其特征是在步骤(1)与步骤(2)之间，旋转支点螺母(6)，直至与悬臂支架(7)上表面接触。
6.一种室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是包括底座(9)，底座(9)内设活塞(14)，容器(12)设于活塞(14)上，所述底座(9)一侧的悬臂支架(7)末端设有支点，所述支点上方设有位移传感器(2)，该传感器(2)固定于容器(12)的一侧表架(3)上，并与控制系统连接，所述触点与支点弹性接触。
7.根据权利要求6所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是所述容器(12)内腔为水漕(25)，且为多层结构，包括由外至内的大导环(24)、小护环(19)和小导环(22)，其中小导环(22)底部设有凸缘，小护环(19)外套在凸缘上，凸缘下设有大透水石(23)，凸缘与大透水石(23)共同套于大导环(24)内，大透水石(23)上方设有小透水石(18)，大、小透水石(23、18)间构成装试样(20)的空间，小透水石(18)套于小护环(19)内。
8.根据权利要求7所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是所述小透水石(18)上设有上盖(17)，所述上盖(17)中央设有一钢球(16)。
9.根据权利要求8所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是所述支点包括穿设于悬臂支架(7)的支点螺杆帽(5)，所述支点螺杆帽(5)的下端为半球凹面，与所述钢球(16)配合，支点螺杆帽(5)的螺纹段上套有支点螺母(6)。
10.根据权利要求9所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是所述表架(3)包括表杆(11)和相对于表杆(11)升降的支架(26)。
11.根据权利要求10所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是底座(9)上设有可升降的工作平台(13)，工作平台(13)的中心为容器(12)，所述触点、支点螺杆帽(5)、钢球(16)、容器(12)中心共线。
12.根据权利要求6～11中任一项所述的室内测定软土次固结系数的测量装置，其特征是所述测量装置有多个且并排设置，每个测量装置的底座(9)上设有支路管道，各支路管道均与气压管道(8)连接；每个测量装置的位移传感器(2)上设有数据线(1)，各数据线(1)均与采集器连接。
全文摘要
本发明涉及一种室内测定软土次固结系数的方法，按以下步骤进行(1)将容器(置于底座上，将支点与容器上盖接触，传感器的触点与支点弹性接触；(2)活塞通气，将容器、传感器顶起，在顶升过程中，触点下降，并与支点始终接触；(3)触点下降距离为Δh，传感器采集后送至控制系统，通过公式求出孔隙比e，其中，e0为土的天然孔隙比是常量，h0为试样在零荷载时的高度；(4)触点随时间延长不断下降，控制系统实时计算出孔隙比，最终生成次固结系数(时间对数-孔隙比)曲线图，所述曲线完整包括上部曲线段、中部直线段、下部直线段；(5)计算次固结曲线下部直线段斜率，求出次固结系数Ca。本发明通过在每级荷重下增加时间读数，使整个曲线得以延长，次固结线段更清楚地反映出土体随时间的增长而变化的规律。根据曲线趋势推算出建筑物最终沉降量，即基础沉降与时间关系，结合建筑物的使用年限，就能推测工程稳定性范围，确保工程的安全性。
文档编号G01N33/24GK101813691SQ20101017047
公开日2010年8月25日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者冯蓓蕾, 钮建定, 胡建平 申请人:中交第三航务工程勘察设计院有限公司