气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统

摘要

本发明公开了一种气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，可用于岩土工程中重塑粘性土的大尺寸圆柱试样或空心圆柱试样制作，也可用于大型粘土试样的一维固结试验，该仪器包括位移测量系统，组合式压力腔室，孔压测量系统，排水体积测量系统，气压加载系统，轴向加紧构件。该仪器通过气压进行加载，加压稳定、均匀、可测、可控，并且加载压力可达1.6MPa以上，有效解决了砝码加载难于施加高压的缺点；该仪器通过刚性透明套筒上内嵌竖向金属透水石作为竖向排水通道，克服了传统固结设备排水通道单一、固结速度慢的缺点；该仪器的压力腔刚性透明套筒，具有可视性，克服了传统固结仪不可视的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，该装置为岩土工程制样装置，属于岩土工程测量仪器制造技术领域，适用于制作大型重塑粘土试样，尤其是空心扭剪试验中的空心圆柱粘土试样。

背景技术

土工测试是获得土体物理力学参数的主要手段，中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）是我国勘察、设计领域中关于土工测试的指导性规范。在土工测试中，试样的获取和制备是土工测试的第一步，同时也是最重要的一步，如果试样制备不科学、规范，则之后测得的各种物理力学参数就缺乏可信性，并有可能对进一步的勘察、设计、施工起到误导作用。同时，在科学研究方面，土体的室内单元试验对试样的要求更高，一个制备科学、精良、规范的试样往往是试验研究成功的一半。

土体试样一般包括原状土试样、扰动土试样和重塑土试样。在《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）中只是介绍了原状土试样和扰动土试样的制作方法。重塑土是一种介于原状土和扰动土之间的土样，它是由扰动土而来，通过人工仿真的试验用土。它的详细定义可以表述为：重塑土是经过人工有目的的塑造，具有仿真原状土土体外观基本特性的扰动土体结构，是一种应用于某种测试目的的试验土体。目前，基于以下两个方面的原因，重塑土在土工测试中使用越来越频繁：首先，在某些情况下，很难取得原状土，或者获取成本过高，而如果使用完全扰动土代替原状土进行土工测试则会可能引起过大的测试误差；其次，在科学研究中，经常需要对测试结果进行对比，因此要求测试土样具有较好的均匀性和可比性，而重塑土试样的均匀性和可比性明显优于原状土试样和扰动土试样。

同时，随着土工仪器的发展，越来越多土工仪器需要特殊形状的试样，其中最具代表性的是空心扭剪试验中所需的空心圆柱试样。这种试样体积较大，如果通过原状土制作则十分繁琐而且成样困难，通过规范中建议的击捣等方法制作则难以满足饱和度、均匀性等方面的要求，因此亟需一种能够直接制作空心圆柱样的仪器，以满足日趋增多的空心扭剪试验要求。

超固结土的研究目前正在日益增多。天然的超固结土带有很大偶然性和地域性，很难获得，因此需要人工制作超固结土。之前人工制作超固结土需要在测试仪器中进行，花费大量时间，而且效果不佳。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种排水更加顺畅、具有可视性且实验精度更高的气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统。

本发明提供了一种气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，包括刚性透明套筒、底座和顶盖，所述刚性透明套筒配置有竖向设置的竖向透水石，所述刚性透明套筒的上端与顶盖的下表面上开设的上套筒槽插接并密封配合、下端嵌入底座上表面上的下套筒槽中并密封配合；隔气端承板将顶盖、刚性透明套筒和底座围成的空间分隔为上部的气室和下部的加载室，所述隔气端承板下方配置有横向透水石；所述隔气端承板上固定连接一刚性连杆，刚性连杆通过顶盖上的刚性连杆通孔向上伸出所述顶盖，所述刚性连杆向上伸出的部分安装上端承板，竖向刚性连杆与通孔动密封配合；所述外层刚性透明套筒的周围设置有轴向夹紧构件，轴向夹紧构件向顶盖和底座加持夹紧力促使刚性透明套筒被顶盖和底座夹紧并固定；所述顶盖上表面设有固定位移计和进气孔，所述固定位移计的测量端抵在所述上端承板上，所述进气孔通过阀门与加压装置相连；所述顶盖上还设置有排气孔和测压孔，测压孔通过阀门与气压测量装置相连接，所述底座上以轴心为原点由内而外依次分布有多个圆形排水槽，圆形排水槽由十字交叉排水凹槽分隔成四个部分，所述底座侧部设置有孔压测量孔、底板排水孔和底板备用孔，所述孔压测量孔、底板排水孔和底板备用孔均与所述加载室导通，所述底板排水孔通过阀门外接导水管及孔隙水体积测量装置；所述孔压测量孔通过阀门外接孔隙水压测量装置，所述底座的圆形排水槽和十字交叉排水凹槽与所述底板排水孔导接。

本发明提供的气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统通过气压进行加载，加压稳定、均匀、可测、可控，避免了传统砝码加载方式易受外界干扰、繁琐、可控性差等缺点，并且加载压力可达1.6 MPa以上，有效解决了砝码加载难于施加高压的缺点；该仪器通过刚性透明套筒上内嵌竖向金属透水石作为竖向排水通道，克服了传统固结设备排水通道单一、固结速度慢的缺点；该仪器的压力腔刚性透明套筒，具有可视性，克服了传统固结仪不可视的缺点。

附图说明：

图1为本发明第一种实施例提供的气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统的结构示意图

图2为图1中的大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统沿底板中心线的剖视示意图。

图3为本发明第二种实施例提供的大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统沿底板中心线的剖视示意图。

图4为图1中的底座的结构示意图。

图5为图1中的顶盖的结构示意图。

图6为图5的背面的结构示意图。

图7为图2中的带有刚性连杆的隔气端承板的结构示意图。

图8为图3中的带有刚性连杆的隔气端承板的结构示意图。

图9为图2中的外套筒、中套筒和内套筒的组合状态立体结构示意图。

图10为图2中的圆形状横向透水石的结构示意图。

图11为图3中的环形状横向透水石的结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选的实例结合附图详述如下：

本发明为一种气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，实施试验过程中可根据要求制作不同形状、尺寸的试样。本发明可以制作大尺寸圆柱试样，并可用于进一步制作较小尺寸的试样，如真三轴试验中的长方体试样，动三轴实验中的圆柱试样等。同时本发明可以用来制作空心圆柱试样，并经简单切割即可进行圆柱扭剪实验。本发明实施例一为大尺寸圆柱试样制作，实施例二为空心圆柱试样制作。

实施例一

参见图1、图2、图4、图5、图6、图7、图9、图10所示，本发明提供的一种气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，包括刚性透明套筒、底座1和顶盖2，所述刚性透明套筒配置有竖向设置的竖向透水石3，所述刚性透明套筒的上端与顶盖2的下表面上开设的上套筒槽4插接并密封配合、下端嵌入底座1上表面上的下套筒槽5中并密封配合，上套筒槽4为圆环形凹槽，凹槽内安放橡皮圈，所述下套筒槽5为圆环形凹槽，凹槽内安放橡皮圈；隔气端承板6将顶盖2、刚性透明套筒和底座1围成的空间分隔为上部的气室和下部的加载室，所述隔气端承板6下方配置有横向透水石7，本实施例中刚性透明套筒为处于外围的外套筒8，所述隔气端承板6和横向透水石7均呈与外套筒匹配的圆形；所述隔气端承板6上固定连接一刚性连杆9，刚性连杆9通过顶盖2上的刚性连杆通孔10向上伸出所述顶盖2，所述刚性连杆9向上伸出的部分安装上端承板11，刚性连杆9与刚性连杆通孔10动密封配合；所述外层刚性透明套筒的周围设置有轴向夹紧构件12，轴向夹紧构件12向顶盖2和底座1加持夹紧力促使刚性透明套筒被顶盖2和底座1夹紧并固定，所述轴向夹紧构件12包括四个手拧螺杆，螺杆穿过顶盖2与所述底座1上对应的螺孔螺纹连接；所述顶盖2上表面设有固定位移计13和进气孔14，所述固定位移计13的测量端抵在所述上端承板11上，顶盖2上方设置有顶盖固定杆15，顶盖固定杆15上横向固定有水平杆件，所述固定位移计13设置于水平杆件上，所述进气孔14通过阀门与加压装置相连，所述加压装置包括空压机17和稳压器18，空压机17通过管道与稳压器18相连，稳压器18通过管道与阀门相连，阀门安装在顶盖2的进气孔14上，阀门为带有旋转按钮的截止阀，可以控制气流的接通与截断状态；所述顶盖2上还设置有排气孔19和测压孔，测压孔通过阀门与气压测量装置30相连接，所述底座1上以轴心为原点由内而外依次分布有多个圆形排水槽21，圆形排水槽21由十字交叉排水凹槽22分隔成四个部分，所述底座1侧部设置有孔压测量孔23、底板排水孔24和底板备用孔，所述孔压测量孔23、底板排水孔24和底板备用孔均与所述加载室导通，底板备用孔可以用作加快排气的排气孔，也可以用作双进气孔的另一个进气孔，所述底板排水孔24通过阀门外接导水管及孔隙水体积测量装置；所述孔压测量孔23通过阀门外接孔隙水压测量装置，所述底座1的圆形排水槽21和十字交叉排水凹槽22与所述底板排水孔24导接，所述孔隙水体积测量装置为一大量程量筒，量程为1000 ML，所述底板排水孔24接导水管，导水管的末端放入量筒内，量筒的高度位置低于底部排水孔的孔口。

实施例一提供的气压式大型重塑粘土制作及一维固结试验耦合系统，可以用来制作高450 mm，直径250 mm的大型固结试样的制作，同时进行一维固结试验，绘制e-p曲线，获得粘土的压缩指数、压缩系数等压缩指标。

实施例二

实施例二为空心圆柱试样制作，与第一个实施例基本相同，所不同之处在于：

参见图3、图8、图11，实施例一大型固结试样制作实验用的隔气端承板6是圆形加载板，该圆形加载板为实心钢板，而本实施例二使用的隔气端承板6是环形加载板，其上设置环形加载板螺栓孔，与刚性连杆9螺纹相连，与环形加载板直接接触的是环形透水石，而环形透水石则放置于空心圆柱土样上方。环形加载板厚度13 mm，外径100 mm，内径60 mm。

参见图4、图8、图11，本实施例二与实施例一的第二个不同之处在于，所述刚性透明套筒包括外套筒8、中套筒28和内套筒29，外套筒8、中套筒28和内套筒29均沿圆周向均匀设置八个竖向分布的透水石凹槽，所述透水石凹槽内放置有竖向透水石3；所述隔气端承板6和横向透水石7均呈与中套筒28和内套筒29包围形成的空间横截面匹配的圆环状，外套筒8起到稳定实验仪器的作用，三个套筒分别放置在底座1与顶盖2对应的套筒槽中；外套筒8的高度470 mm,内径250 mm，外径270 mm，其竖向透水石3高度470 mm，厚度3 mm，宽度为弧形15度角。中套筒28的高度470 mm，内径100 mm，外径120 mm，其竖向透水石3厚度高度470 mm，厚度3 mm，宽度为弧形15度角，内套筒29的高度470mm,内径40mm，外径60mm，其竖向透水石3的厚度高度470mm，厚度3mm，宽度为弧形15度角。

在实际操作中，刚性透明套筒均包括外套筒8、中套筒28和内套筒29，如果制作大实心圆柱试样就撤除中套筒28和内套筒29，仅以外套筒8包围试样模腔；如果制作小实心圆柱试样就保留外套筒8和中套筒28和内套筒29中的一个，其中外套筒8作为支承稳定作用，而中套筒28或内套筒29包围试样模腔；如果制作空心圆柱试样就全部保留外套筒8、中套筒28和内套筒29，其中中套筒28和内套筒29包围试样模腔。