渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，该设备包括：其内布置有桩土试样的三轴围压室，所述桩土试样具有桩体和土体的接触面；对所述接触面切应力加载的竖向加卸荷平台；对所述接触面法向应力加载的围压控制系统；控制桩土试样内部渗流参数的渗流控制系统；以及采集所述三轴仪围压室中桩土试样的变形数据的数据采集系统。本发明这种试验设备能够更方便地研究土体在渗流与复杂应力耦合作用下的桩土接触面受力特性。
【专利说明】渗流条件下粧土接触面三轴模型试验设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土工试验【技术领域】的三轴模型试验仪器，具体是一种渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备。
【背景技术】
[0002]基坑开挖降水会导致坑底桩的受力特性受到影响，研究土体在渗流与复杂应力变化的耦合作用下桩土接触面相互作用机理有助于深入认识与评估坑底桩的性能和安全情况，并可指导实际工程。
[0003]目前在解决该方面问题的方法上主要有模型法、监测法和室内试验法。模型法需要建立土体渗流场和应力场模型，参数多，工作量大，且需要室内试验对其进行必要的验证才能得以使用。监测法成本过高不经济，室内试验能比较准确又直观地反应渗流对桩土界面特性的影响，操作简单，成本又低。对现有技术文献检索，尚未发现研究渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备。
【发明内容】
[0004]本发明目的是:针对上述问题，提出一种渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，以让人们能够更方便地研究土体在渗流与复杂应力耦合作用下的桩土接触面受力特性。
[0005]本发明的技术方案是:所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备包括:
[0006]其内布置有桩土试样的三轴围压室，所述桩土试样具有桩体和土体的接触面，
[0007]对所述接触面切应力加载的竖向加卸荷平台，
[0008]对所述接触面法向应力加载的围压控制系统，
[0009]控制桩土试样内部渗流参数的渗流控制系统，
[0010]以及采集所述三轴仪围压室中桩土试样的变形数据的数据采集系统。
[0011]本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选技术方案:
[0012]所述三轴围压室包括围压室底座、围压室上盖、有机玻璃筒、围压室拉杆、位移传感器固定架、围压进气孔、上排水孔、下排水孔、排气孔以及双套活塞，所述桩土试样布置在围压室底座上，双套活塞分别对应桩土试样的桩顶和土顶安置，且双套活塞与竖向加卸荷平台相连，围压进气孔与围压控制系统相连，上排水孔和下排水孔与渗流控制系统相连。
[0013]所述的竖向加卸荷平台包括双套活塞反力架和带变速器的单轴压力机，所述双套活塞反力架与双套活塞相连，单轴压力机布置在围压室底座下面以上抬三轴围压室。
[0014]所述围压控制系统包括空气压缩机、以及将该空气压缩机与所述三轴围压室上的围压进气孔气相连通的气管，且所述气管上安装有精密调压阀和精密压力表。
[0015]所述渗流控制系统包括恒压液压控制设备、以及将该恒压液压控制设备与所述三轴围压室上的上排水孔和下排水孔液相连通的气管。
[0016]所述数据采集系统包括土层位移传感器、桩土相对位移计、桩顶压力传感器和土顶压力传感器，其中土层位移传感器安装在所述三轴围压室的位移传感器固定架上，桩土相对位移计设于所述双套活塞反力架与围压室上盖之间，桩顶压力传感器和土顶压力传感器分别布置于对应的双套活塞反力架之上。
[0017]所述桩土试样由土样、模型桩乳胶膜、上透水石、下透水石、滤纸和上帽盖构成。
[0018]所述土层位移传感器包括位移传感器本体、无线发射盒、无线接收器以及计算机，所述位移传感器本体具有插入土样中的、用于探测土层变形情况的插针，所述无线发射盒与位移传感器本体信号连接以接受位移传感器本体探测的土层变形信息，所述无线接收器通过无线传输的方式接收无线发射盒内的土层变形信息，并将其接收到的土层变形传输给计算机，通过计算机上的采集软件将该信息显示出来。
[0019]本发明的优点是:(I)本设备可完成土体在复杂应力路径下桩土接触面相互作用的三轴试验，室内试验可重复性好；(2)本设备可考虑降水渗流的作用，更加符合工程实际。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍:
[0021]图1为本发明实施例的结构简图；
【具体实施方式】
[0022]图1示出了本发明这种渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备的一个具体实施例，该设备包括:
[0023]其内布置有桩土试样I的三轴围压室，所述桩土试样I具有桩体和土体的接触面，
[0024]对所述接触面切应力加载的竖向加卸荷平台(切应力即指顺着接触面方向的应力)，
[0025]对所述接触面法向应力加载的围压控制系统切应力(法向应力即指垂直于接触面方向的应力)，
[0026]控制桩土试样I内部渗流参数的渗流控制系统，
[0027]以及采集所述三轴仪围压室中桩土试样I的变形数据的数据采集系统。
[0028]本实施例中，所述三轴围压室的具体结构如下:它包括围压室底座2、围压室上盖
3、有机玻璃筒4、围压室拉杆5、位移传感器固定架6、围压进气孔7、上排水孔8、下排水孔
9、排气孔10和双套活塞11。所述桩土试样I布置在围压室底座2上，双套活塞11分别对应桩土试样I的桩顶和土顶安置，且双套活塞11与竖向加卸荷平台相连，用于顺接触面向应力加载。围压进气孔7与围压控制系统相连，用于接触面法向应力加载。上排水孔8和下排水孔9与渗流控制系统相连，用于控制桩土试样I内部渗流参数。
[0029]所述的竖向加卸荷平台包括双套活塞反力架12和带变速器的单轴压力机13。其中，双套活塞反力架12与双套活塞11相连，用于提供桩土试样I的桩顶和土顶的反力来实现顺接触面向应力的加载。单轴压力机13布置在围压室底座2下面，以用于上抬三轴围压室。
[0030]所述围压控制系统包括空气压缩机15、以及将该空气压缩机与所述三轴围压室上的围压进气孔7气相连通的气管14，且所述气管14上安装有精密调压阀16和精密压力表17，使用时通过调节精密调压阀16来实现接触面法向应力的加载。本例中该气管14为高强度气管。
[0031]本例中，空气压缩机15的气压采用0.6MPa，可以根据需要调大气压最大值。精密压力表17的测量范围为O?IMPa，测量精度为0.005MPa，使用前需要调零。
[0032]所述渗流控制系统包括恒压液压控制设备29、以及将该恒压液压控制设备与所述三轴围压室上的上排水孔8和下排水孔9均液相连通的气管14。通过调节设备29来控制桩土试样I内部孔压形成渗流。
[0033]所述数据采集系统包括土层位移传感器、桩土相对位移计18、桩顶压力传感器和土顶压力传感器19。其中，土层位移传感器为无线传感器，其安装在所述三轴围压室的位移传感器固定架6上。桩土相对位移计18设于所述双套活塞反力架12与围压室上盖3之间。桩顶压力传感器和土顶压力传感器19分别布置于对应的双套活塞反力架12之上。
[0034]所述桩土试样I由土层20、模型桩21、乳胶膜22、下透水石23a、上透水石23b、滤纸24和上帽盖25构成。
[0035]所述土层位移传感器包括位移传感器本体30、无线发射盒27、无线接收器以及计算机28。其中，位移传感器本体30具有插入土层20中的插针26，以用于探测土层变形情况。无线发射盒27与位移传感器本体30信号连接以接受位移传感器本体30探测到的土层变形信息。无线接收器通过无线传输的方式接收无线发射盒内的土层变形信息，并将其接收到的土层变形传输给计算机28，通过计算机上的采集软件将该信息显示出来。所述位移传感器本体30量程为10mm，精度为0.01mm。
[0036]再结合图1所示，现将本实施例这种三轴模型试验设备的使用方法介绍如下，该方法主要包括以下几个步骤:
[0037](I)制作桩土试样1，桩土试样I是在对开圆模内制成的，先将模型桩21插入围压室底座2中心圆盘上的圆孔内，将乳胶膜22套在围压室底座2的中心圆盘上，在乳胶膜22外套上土样制备模具，然后在乳胶膜22里由下至上按照下透水石23a、滤纸24、土样20、滤纸24、上透水石23b以及上帽盖25的顺序放置，乳胶膜22上下端用橡皮筋扎紧以防漏水漏气，制成的桩土试样放于围压室底座2上。
[0038](2)对桩土试样I抽气，在桩土试样I内形成负压保证拆除桩土试样I制作模具时桩土试样I不会坍塌。然后拆掉桩土试样I外的模具。
[0039](3)对位移传感器本体30进行标定，完成后将其安置在位移传感器固定架6上，并将土层位移传感器上的插针26插入桩土试样I中，插针26插入桩土试样I中后，会穿破乳胶膜22，在穿破乳胶膜22的地方进行密封处理，以防止漏水漏气。位移传感器本体30安装完毕后，将土层位移传感器的数据输出端连接到无线数据发射盒27上。
[0040](4)在围压室底座2上套上有机玻璃筒4，再套上围压室上盖3，用围压室拉杆5将三轴围压室固定紧，以防止三轴围压室漏气。然后将整套三轴围压室安置在竖向加卸荷平台上。
[0041](5)用气管14将空气压缩机15与围压室的围压进气孔7连通，并在该气管14上设置精密调压阀16和精密压力表17。然后对精密压力表17进行调零，完毕后打开精密调压阀16，通过适当的围压以保持桩土试样不坍塌，此时关闭并拆除真空泵。
[0042](6)将围压室的上下排水孔8、9分别连接至恒压液压控制设备29，采用反压法对桩土试样I进行饱和。通过恒压液压控制设备29在上下排水孔8、9处加载不同的孔压实现桩土土试样I的渗流。
[0043](7)桩土试样I饱和后，打开计算机28中的数据采集软件，进行初始数据的采集以及对仪器进行调试。
[0044](8)根据试验要求调节精密调压阀16给桩土试样I加载围压。
[0045](9)启动单轴压力机13对围压室进行上抬，利用双套活塞反力架12产生的反力，通过双套活塞11给桩顶以及土顶进行顺接触面向的加卸荷。
[0046](10)打开桩顶压力传感器与土顶压力传感器19以及桩土相对位移计18进行数据的米集。
[0047]当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于该设备包括: 其内布置有桩土试样(I)的三轴围压室，所述桩土试样(I)具有桩体和土体的接触面， 对所述接触面切应力加载的竖向加卸荷平台， 对所述接触面法向应力加载的围压控制系统， 控制桩土试样(I)内部渗流参数的渗流控制系统， 以及采集所述三轴仪围压室中桩土试样(I)的变形数据的数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述三轴围压室包括围压室底座(2)、围压室上盖(3)、有机玻璃筒(4)、围压室拉杆(5)、位移传感器固定架(6)、围压进气孔(7)、上排水孔(8)、下排水孔(9)、排气孔(10)以及双套活塞(11)，所述桩土试样(I)布置在围压室底座(2)上，双套活塞(11)分别对应桩土试样(I)的桩顶和土顶安置，且双套活塞(11)与竖向加卸荷平台相连，围压进气孔(7)与围压控制系统相连，上排水孔(8)和下排水孔(9)与渗流控制系统相连。
3.根据权利要求2所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述的竖向加卸荷平台包括双套活塞反力架(12)和带变速器的单轴压力机(13)，所述双套活塞反力架(12)与双套活塞(11)相连，单轴压力机(13)布置在围压室底座(2)下面以上抬三轴围压室。
4.根据权利要求3所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述围压控制系统包括空气压缩机(15)、以及将该空气压缩机与所述三轴围压室上的围压进气孔(7)气相连通的气管(14)，且所述气管(14)上安装有精密调压阀(16)和精密压力表(17)。
5.根据权利要求4所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述渗流控制系统包括恒压液压控制设备(29)、以及将该恒压液压控制设备与所述三轴围压室上的上排水孔(8)和下排水孔(9)液相连通的气管(14)。
6.根据权利要求5所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述数据采集系统包括土层位移传感器、桩土相对位移计(18)、桩顶压力传感器和土顶压力传感器(19)，其中土层位移传感器安装在所述三轴围压室的位移传感器固定架(6)上，桩土相对位移计(18)设于所述双套活塞反力架(12)与围压室上盖(3)之间，桩顶压力传感器和土顶压力传感器(19)分别布置于对应的双套活塞反力架(12)之上。
7.根据权利要求1所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述桩土试样(I)由土样(20)、模型桩(21)、乳胶膜(22)、下透水石(23a)、上透水石(23b)、滤纸(24)和上帽盖(25)构成。
8.根据权利要求1所述的渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备，其特征在于:所述土层位移传感器包括位移传感器本体(30)、无线发射盒(27)、无线接收器以及计算机(28)，所述位移传感器本体(30)具有插入土样(20)中的、用于探测土层变形情况的插针(26)，所述无线发射盒(27)与位移传感器本体(30)信号连接以接受位移传感器本体(30)探测的土层变形信息，所述无线接收器通过无线传输的方式接收无线发射盒内的土层变形信息，并将其接收到的土层变形传输给计算机(28)，通过计算机上的采集软件将该信息显示出来。
【文档编号】G01N3/00GK104165797SQ201410438668
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】陈锦剑, 王建华, 邬俊杰 申请人:上海交通大学