一种测量钙质砂静止土压力系数的装置及使用方法

本发明属于岩土工程试验，涉及了一种测量钙质砂静止土压力系数的装置及其使用方法。

背景技术：

1、钙质砂具有形状不规则、内孔隙发育且易破碎的特点，其内摩擦角大，压缩变形小。土体静止土压力系数是岩土工程中非常重要的力学参数，对结构设计的可靠性和稳定性具有重要意义。静止土压力系数的定义为土体在无侧向变形的条件下侧向有效应力和竖向有效应力之比。

2、近年来，静止土压力系数的测定有了较多的研究成果，目前，国内外学者确定静止土压力系数的方法主要有经验公式、室内试验和现场试验三种。室内试验主要包括固结仪法与三轴仪法，现场试验通过埋设土压力盒的方式测定，试验过程中钙质砂颗粒易破碎，因此无论是室内还是现场试验误差都比较大。另外，在加载过程中测定钙质砂静止土压力系数的同时，无法暂停完成颗粒破碎的测定，无法实时监测其破碎程度。试验结束后的卸样与筛分工作也较为复杂难以进行，传统的卸样会影响钙质砂后续破碎得测定。本专利试通过fbg传感器光栅变化和实时电阻变化的视角来完成固结条件下钙质砂在任意颗粒破碎情况下静止土压力系数的监测，并通过振动台配合预制可移动板块和弹簧卡扣结构完成卸样筛分工作。

3、对于钙质砂静止土压力系数测定试验，现有研究发明中没有考虑钙质砂的实时颗粒破碎情况，也没有考虑后续便捷卸样与筛分。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种测量钙质砂静止土压力系数的装置及其使用方法，本发明能够测量钙质砂样的静止土压力系数以及实时监测钙质砂的颗粒破碎对于静止土压力系数的影响，试验完成后，可保留钙质砂的固结完成后的颗粒状态，快速便捷的卸样与筛分。

2、本发明的技术方案是：本发明所述的一种测量钙质砂静止土压力系数的装置；包括反力架(1)、电阻测试仪(12)、光栅解调仪(14)及计算机采集系统(15)；

3、所述反力架(1)包括底板、安置在底板上端两侧的侧板及安置在两侧侧板顶端的顶板；

4、在所述底板的上侧安置有振动平台(19)，在所述振动平台(19)上端的中心位置分别插设有位于外侧的方形护壁(4)及位于方形护壁(4)内侧两端的、至少四根支撑柱(18)；

5、在两侧所述支撑柱(18)的上端安置有底座(6)，两侧所述支撑柱(18)的上端与所述底座(6)的下部相连，在所述底座(6)的内部安置有fbg传感器(13)；

6、在两侧所述方形护壁(4)的左右两侧分别嵌入有隔板(5)，在所述两侧所述隔板(5)与方形护壁(4)之间各安置有fbg传感器(13)、且所述fbg传感器(13)的表面与隔板(5)水平安置。

7、进一步的，在所述隔板(5)与方形护壁(4)之间存有空隙；

8、两侧所述的fbg传感器(13)通过导线(11)串联，再由所述底座(6)上开设的预制孔穿出后，穿过隔板(5)与方形护壁(4)之间的空隙后再穿过方形护壁(4)上开设的导线孔与光栅解调仪(14)相连；

9、所述底座(6)的fbg传感器(13)通过导线(11)串联，再由底座(6)上开设的预制孔穿出后通过方形护壁(4)上开设的导线孔与光栅解调仪(14)相连；

10、所述光栅解调仪(14)则通过导线(11)连接在计算机采集系统(15)上。

11、进一步的，在所述隔板(5)上开设有可移动板块孔，在所述可移动板块孔中穿设有相适配的可移动板块(9)

12、进一步的，在两侧隔板(5)之间的上端安置有有机玻璃层压板(3)，在所述有机玻璃层压板(3)的上壁上安置有位移计(7)及压力传感器(8)，在所述压力传感器(8)的上侧连接有液压千斤顶(2)；所述液压千斤顶(2)的顶部与压力传感器(8)相连，其底部连接在反力架(1)的顶板上。

13、进一步的，在所述隔板(5)的内壁相对的两侧安置有电极铜片(10)；在两侧所述电极铜片(10)上连接有导线(11)，所述导线(11)的另一端穿过一侧的方形护壁(4)上开设的导线孔后连接在所述电阻测试仪(12)上，所述电阻测试仪(12)通过安置的导线(11)连接在计算机采集系统(15)上。

14、进一步的，在所述电极铜片(10)的内侧安设有用于控制电极铜片(10)与方形护壁(4)内壁保持水平安置的垫片。

15、进一步的，在两侧所述支撑柱(18)之间均布安置有至少三个筛网(17)，在所述筛网(17)上连接有筛网弹簧卡扣(16)，

16、所述筛网弹簧卡扣(16)包括连接在筛网(17)上的上方滑动环(163)，所述筛网(17)通过开设的预制槽孔与上方滑动环(163)卡合；

17、在所述上方滑动环(163)的下方通过连接的环柱安置有下方固定环(161)，在所述上方滑动环(163)与下方固定环(161)之间固定连接有弹簧(162)；

18、所述筛网(17)通过安置的筛网弹簧卡扣(16)连接在两侧的支撑柱(18)上。

19、进一步的，所述护壁(4)及支撑柱(18)的底部均与振动平台(19)相连。

20、进一步的，所述的方形护壁(4)与隔板(5)均是采用四周封闭的亚克力材料制成。

21、进一步的，一种测量钙质砂静止土压力系数的装置的使用方法，其操作步骤如下：

22、(1)：固定反力架(1)，确定钙质砂基本物理参数，根据方形护壁(4)的可装样体积，计算钙质砂质量，将钙质砂样均匀撒入方形护壁(4)内，调整有机玻璃层压板(3)位置，使有机玻璃层压板(3)位于钙质砂样表面，调整位移计(7)位置，确定位移计初始读数，调整压力传感器(8)位置，将压力传感器(8)置于有机玻璃层压板(3)中心位置，上端与液压千斤顶(2)相连；

23、(2)：通过控制液压千斤顶(2)进行加载，通过有机玻璃层压板(3)上方的压力传感器(8)测定土体表面压力，确定加载荷载大小；通过位移计(7)测定土体压缩变形量；待位移计(7)显示读数稳定后进行下一级荷载加载；

24、(3)：打开电阻测试仪(12)，根据电阻测试仪(12)实时监测电阻率变化，表征钙质砂的破碎情况；

25、在计算机采集系统(15)上设置电阻的采样频率，两者同时开始工作，通过计算机采集系统(15)采集钙质砂在固结过程中电阻的动态变化情况，计算机采集系统(15)自动生成在不同固结荷载下的电阻及电阻随着竖向位移变化的曲线表征钙质砂的颗粒破碎情况；

26、(4)：打开光栅解调仪(14)，采集光栅变化位移δλ；根据光栅变化位移δλ和fbg传感器(13)的压力敏感系数kp计算钙质砂的水平土压力与竖向应力，根据静止土压力系数计算公式：k0＝σh/σv，计算钙质砂在不同荷载下的静止土压力系数；

27、(5)：根据实时采集计算的钙质砂颗粒破碎情况与静止土压力系数，计算静止土压力系数随颗粒破碎的改变，得到不同荷载任意破碎条件下钙质砂的静止土压力系数；

28、(6)：试验完成后，调整隔板(5)底部安置的可移动板块(9)位置控制出砂速度，同时打开振动平台(19)，调整振动频率；

29、钙质砂从底座(6)的两侧卸出进入下方的筛网(17)进行筛分，所述筛网(17)与支撑柱(18)通过筛网弹簧卡扣(16)相连；筛网(17)通过筛网弹簧卡扣(16)持续振捣后完成试验后钙质砂的筛分工作。

30、本发明的有益效果是：本发明的特点是：1、通过液压千斤顶分级加载的方式，在加载过程中，通过压力传感器确定竖向加载大小，待位移计显示的土体压缩变形量稳定后，进行下一级荷载加载；2、有机玻璃层压板上表面中心位置开设圆形孔，压力传感器与液压千斤顶相连嵌入孔内，确保竖向荷载均匀分布在土体表面，有机玻璃层压板采用有机高强度玻璃材料，绝缘材质在与试样上部接触，在固结的过程中对电阻的影响较小；3、监测结果的输出具有连续性和实时性，有利于实时观测侧向与竖向fbg传感器中光栅的变化与电阻的变化；4、本装置利用液压千斤顶分级加载，有利于数据的稳定；传统的k0固结仪精度较低，操作不便且不能考虑到颗粒破碎；本装置在测定钙质砂静止土压力系数的同时还考虑到不同荷载下颗粒的破碎，方便研究颗粒破碎对静止土压力系数的影响；5、钙质砂在固结过程中，颗粒容易发生破碎，对完成固结的时间把控不易掌握，本装置通过位移计测沉降的方法，确定每级荷载加载的时间；6、传统模型试验的卸样工作复杂，处理过程还会影响钙质砂的颗粒状态，影响测得破碎率的真实性；本装置在试验结束后可快速卸样与筛分，快速确认与验证颗粒破碎情况；7、固结完成的钙质砂容易产生结块的情况，在避免破坏颗粒状态的条件下进行筛分，过程中容易产生堵塞，影响筛分速度，可通过打开下方振动平台配合可移动板块位置完成卸样，解决容器中钙质砂结块等状况，振动平台再配合设计的筛网弹簧卡扣上下振捣，加快筛分的节奏防止筛分的堵塞。