一种低应力软土固结的试验装置

本技术涉及岩土工程土工试验领，尤其涉及一种低应力软土固结的试验装置。

背景技术：

1、近些年来，随着我国水利防洪标准的提高，每年均会产生大量的河道疏浚泥。将废弃物堆填之后，为加快土中水的排出，常采用循环振动、真空预压或者堆载等方法。由于软土存在含水率高，孔隙比大、压缩性高的特点。传统的饱和土固结理论在计算过程中没有考虑土体参数的变化，同时为了方便计算，在参数上进行了一定的简化。为了进一步揭示软土非线性固结特性，需要开展相应的饱和土固结试验。

2、在实际工程应用中，疏浚土在真空预压过程中所受到的荷载较小，土体顶部施加的外荷载介于0到100kpa之间。现有固结理论的研究中的初始有效应力往往在50kpa左右，与实际工程存在较大的偏差。因此低应力下的软土固结过程需要进行相关的试验研究。

3、传统的固结仪尺寸较小，在固结过程中存在较大的边界约束，无法真实的模拟堆载过程中土体的应力状态与固结状态。同时因为尺寸的原因，固结过程中土体的应变大小难以进行精确测量。另外，传统的土工固结仪因为机械结构的特点，只能进行较大应力范围内的逐级加载，无法实现循环荷载下的土体固结试验。

4、因此，需开发一种低应力软土固结的试验装置。

技术实现思路

1、有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种低应力软土固结的试验装置，是一种适用于低应力下软土非线性固结的大尺寸试验装置，在试验过程中利用其大尺寸特点还原软土在真空预压过程中的固结性状变化；同时在固结容器上安装孔隙水压力传感器，用以实现在固结过程中测量渗透系数和土体应变的目的。在渗透固结试验结束后可以打开固结容器取出土样进行土性参数分析，为研究饱和土固结理论提供了相关试验结果。

2、为了实现上述的技术目的，本实用新型所采用的技术方案为：本实用新型的一种低应力软土固结的试验装置，包括：机架、固结容器、导向机构、传力机构、加荷机构和传感器机构；所述固结容器安装于机架中部；所述导向机构可升降地连接在机架的上部；所述传力机构竖直安装在导向机构的中部，所述传力机构的顶端与加荷机构相连，所述传力机构的底端与固结容器的顶端相对设置，且所述传力机构的底端在试验时与固结容器的顶端相接触；所述传感器机构分别安装在传力机构和固结容器上；由所述加荷机构排出空气对传力机构施加荷载，并通过传力机构将载荷传递至固结容器的顶端，再由传感器机构实时监测固结过程中的应力、应变和渗透系数的变化。

3、进一步的，所述机架包括固定座和两立柱，所述两立柱的下端分别安装于固定座的两端，所述立柱具有外螺纹结构，用于与所述导向机构螺纹连接。

4、进一步的，所述固结容器包括容器侧板和容器底板，所述容器侧板和容器底板之间围成向上开口的第一腔体，所述第一腔体内设有第一容纳腔，所述第一容纳腔内从下到上依次设置有第一透水板、第一滤布、土样、第二滤布和第二透水板；所述容器底板安放于固定座上；所述第一透水板通过管道连通有排水阀。

5、进一步的，所述导向机构包括固定架和两调节螺母，所述两调节螺母螺纹连接于两立柱上端，所述两调节螺母位于同一水平线上；所述固定架两端套装于两立柱上端，并抵设于两调节螺母上；所述固定架中部设置有中心孔，用于传力机构穿过；通过所述两调节螺母在两立柱上旋转来调节固定架的高度，进而带动传力机构升降。

6、进一步的，所述传感器机构包括气体压力传感器、位移传感器和多个孔隙水压力传感器，所述多个孔隙水压力传感器分别设置在容器侧板的不同高度位置处，所述气体压力传感器和位移传感器设置在传力机构上。

7、进一步的，所述传力机构包括第一气压表、通气管、直线轴承、传力杆、固定块和容器顶盖，所述第一气压表连通于通气管的上端，所述通气管的进气孔与加荷机构连通；所述通气管的下端安装于中心孔内，使得中心孔内形成空气通道；所述中心孔的下端设有限位块，所述限位块上端设有第一限位槽，所述直线轴承卡设于第一限位槽内；所述限位块上端设有第二限位槽，所述气体压力传感器卡设于第二限位槽内；所述限位块的中部设有通孔，所述传力杆的上端竖向依次穿过第二限位槽、通孔、直线轴承和中心孔；所述传力杆的下端依次固定连接气体压力传感器、固定块和容器顶盖；所述位移传感器设置在容器顶盖上。

8、进一步的，所述加荷机构包括底座、多个侧板支架、顶板、储气瓶、空压机、第二气压表和排气控制面板，所述底座、多个侧板支架和顶板之间围成第二腔体，所述第二腔体内设有第二容纳腔，所述储气瓶和空压机安装于第二容纳腔内，所述空压机的进气孔与储气瓶的排气孔相连，所述空压机的排气孔与通气管的进气孔相连；所述第二气压表安装于顶板外表面，并与空压机的排气孔连通；所述排气控制面板安装于顶板外表面，并与空压机连接。

9、进一步的，所所述侧板支架的下端通过螺栓可拆卸地连接于底座上，所述侧板支架的上端通过螺栓可拆卸地连接于顶板上。

10、进一步的，所述空压机的进气孔通过橡胶管与储气瓶的排气孔相连；所述空压机的进气孔与橡胶管的连接处缠绕有多圈橡皮套。

11、进一步的，所述容器侧板为有机玻璃板；所述第一腔体的直径范围为450-550mm，高度范围为650-750mm；所述固定座中部设置有与容器底板尺寸相匹配的向下凹陷的凹槽或向上凸起的凸环，且所述凹槽或凸环的位置与容器顶盖对齐，所述容器底板安装于凹陷或凸环内。

12、采用上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，其具有的有益效果为：

13、本实用新型通过一种低应力软土固结装置克服了传统土工固结仪在边界条件和应力路径上的缺陷，能够精确模拟实际工程中堆载场软土的现实条件，更为真实的测定低应力下软土的固结性状变化。通过安装在固结容器上的孔隙水压力传感器测定不同标高处渗透系数的变化，通过容器顶盖上的位移传感器和和传力杆上的气体压力传感器，可以精确测量固结过程中土样的应力应变变化。在试验结束后取出固结容器内不同位置处的土样进一步测定土性参数，为固结理论的研究提供了第一手试验数据，可以对软土固结特性进行深入研究。为了试验过程中保证稳定加载，设定导向机构和限位块确保传力杆竖直稳定，增大了试验的安全性。本实用新型具有结构简单易于操作、自动化程度高、人力成本低、使用灵活等优点。通过本实用新型所提出的软土固结装置开展试验，并总结出低应力下软土固结试验方法，为软土非线性固结特性的研究打下坚实基础，并为沿海地区软土地基处理和疏浚泥堆载过程研究提供了科技支撑。

技术特征：

1.一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，包括：机架、固结容器、导向机构、传力机构、加荷机构和传感器机构；所述固结容器安装于机架中部；所述导向机构可升降地连接在机架的上部；所述传力机构竖直安装在导向机构的中部，所述传力机构的顶端与加荷机构相连，所述传力机构的底端与固结容器的顶端相对设置，且所述传力机构的底端在试验时与固结容器的顶端相接触；所述传感器机构分别安装在传力机构和固结容器上；由所述加荷机构排出空气对传力机构施加荷载，并通过传力机构将载荷传递至固结容器的顶端，再由传感器机构实时监测固结过程中的应力、应变和渗透系数的变化。

2.如权利要求1所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述机架包括固定座和两立柱，所述两立柱的下端分别安装于固定座的两端，所述立柱具有外螺纹结构，用于与所述导向机构螺纹连接。

3.如权利要求2所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述固结容器包括容器侧板和容器底板，所述容器侧板和容器底板之间围成向上开口的第一腔体，所述第一腔体内设有第一容纳腔，所述第一容纳腔内从下到上依次设置有第一透水板、第一滤布、土样、第二滤布和第二透水板；所述容器底板安放于固定座上；所述第一透水板通过管道连通有排水阀。

4.如权利要求3所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述导向机构包括固定架和两调节螺母，所述两调节螺母螺纹连接于两立柱上端，所述两调节螺母位于同一水平线上；所述固定架两端套装于两立柱上端，并抵设于两调节螺母上；所述固定架中部设置有中心孔，用于传力机构穿过；通过所述两调节螺母在两立柱上旋转来调节固定架的高度，进而带动传力机构升降。

5.如权利要求4所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述传感器机构包括气体压力传感器、位移传感器和多个孔隙水压力传感器，所述多个孔隙水压力传感器分别设置在容器侧板的不同高度位置处，所述气体压力传感器和位移传感器设置在传力机构上。

6.如权利要求5所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述传力机构包括第一气压表、通气管、直线轴承、传力杆、固定块和容器顶盖，所述第一气压表连通于通气管的上端，所述通气管的进气孔与加荷机构连通；所述通气管的下端安装于中心孔内，使得中心孔内形成空气通道；所述中心孔的下端设有限位块，所述限位块上端设有第一限位槽，所述直线轴承卡设于第一限位槽内；所述限位块上端设有第二限位槽，所述气体压力传感器卡设于第二限位槽内；所述限位块的中部设有通孔，所述传力杆的上端竖向依次穿过第二限位槽、通孔、直线轴承和中心孔；所述传力杆的下端依次固定连接气体压力传感器、固定块和容器顶盖；所述位移传感器设置在容器顶盖上。

7.如权利要求6所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述加荷机构包括底座、多个侧板支架、顶板、储气瓶、空压机、第二气压表和排气控制面板，所述底座、多个侧板支架和顶板之间围成第二腔体，所述第二腔体内设有第二容纳腔，所述储气瓶和空压机安装于第二容纳腔内，所述空压机的进气孔与储气瓶的排气孔相连，所述空压机的排气孔与通气管的进气孔相连；所述第二气压表安装于顶板外表面，并与空压机的排气孔连通；所述排气控制面板安装于顶板外表面，并与空压机连接。

8.如权利要求7所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所所述侧板支架的下端通过螺栓可拆卸地连接于底座上，所述侧板支架的上端通过螺栓可拆卸地连接于顶板上。

9.如权利要求7所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述空压机的进气孔通过橡胶管与储气瓶的排气孔相连；所述空压机的进气孔与橡胶管的连接处缠绕有多圈橡皮套。

10.如权利要求6所述的一种低应力软土固结的试验装置，其特征在于，所述容器侧板为有机玻璃板；所述第一腔体的直径范围为450-550mm，高度范围为650-750mm；所述固定座中部设置有与容器底板尺寸相匹配的向下凹陷的凹槽或向上凸起的凸环，且所述凹槽或凸环的位置与容器顶盖对齐，所述容器底板安装于凹陷或凸环内。

技术总结
本技术公开了一种低应力软土固结的试验装置，包括：机架、固结容器、导向机构、传力机构、加荷机构和传感器机构；所述固结容器安装于机架中部；所述导向机构可升降地连接在机架的上部；所述传力机构竖直安装在导向机构的中部，所述传力机构的顶端与加荷机构相连，所述传力机构的底端与固结容器的顶端相对设置，且所述传力机构的底端在试验时与固结容器的顶端相接触；所述传感器机构分别安装在传力机构和固结容器上；由所述加荷机构排出空气对传力机构施加荷载，并通过传力机构将载荷传递至固结容器的顶端，再由传感器机构实时监测固结过程中的应力、应变和渗透系数的变化。本技术能够真实反映低应力大尺寸下饱和软土固结特性。

技术研发人员：王恒,陈希茂,倪清华,陈军浩,张宏闽,林朝阳,黄婷婷,叶树,江式杰
受保护的技术使用者：福建理工大学
技术研发日：20230816
技术公布日：2024/1/15