一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置

摘要

本发明涉及一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，属于软黏土分析装置技术领域，包括框架、加载板、带孔压测试功能的微型十字板剪切仪、扭力计、试样室、测量单元和升降机构；加载板设置在试样室的上方，加载板或试样室通过升降机构设置在框架上；测量单元包括用于采集孔隙水压力、土压力、位移等信息的传感器；本发明不仅可以单独研究无体变作用时的剪切破坏机制或者无孔压作用时的剪切破坏机制，而且能同时研究体变、孔压耦合作用下的剪切破坏机制，实验类型更加丰富；还可研究在软黏土加载和固结过程中伴随土体变形和孔压变化引起的抗剪强度变化，研究伴随着整个研究过程的抗剪强度参数随固结过程的变化规律。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，属于软黏土分析装置技术领域。

背景技术

软黏土的抗剪强度会随着固结过程中孔压消散、有效应力增加而增加，地基的稳定性也将随着加载过程和抗剪强度的变化而动态发展。因此，软黏土地基的稳定性分析时，需要考虑加载和固结过程中伴随土体变形和孔压变化引起的抗剪强度变化，以开展从加载施工期的短期稳定性渐变过渡到正常使用期的长期稳定性，即整个全寿命周期的稳定性分析。软黏土地基失稳破坏及稳定性分析的工程案例表明，排水固结引起的变形和孔压的发展对于软黏土抗剪强度的动态变化有着极其重要的影响。充分认识这两个因素共同作用下软黏土的抗剪强度特性是开展软黏土地基稳定性分析的重要前提。

目前，揭示土的抗剪强度特性的室内实验手段主要有直剪试验和三轴试验，通常有如下三种类型：不固结不排水（UU）、固结不排水（CU）、以及固结排水（CD）。其中，UU和CU实验可以测定某剪前固结有效应力和孔隙比条件下的不排水抗剪强度（而非强度指标），适用于φ = 0法地基稳定性分析；CU实验可以测定总应力抗剪强度指标，适用于总应力法地基稳定性分析；CU和CD实验可以测定有效应力抗剪强度指标，适用于有效应力法地基稳定性分析。UU和CU实验剪切过程中，土样完全不排水，体变ε_v>

直剪仪、三轴仪虽然可以通过不同剪前固结有效应力条件下的实验，反映土体的抗剪强度随剪前固结有效应力增加而增加的特性，但是与实际工程中软黏土地基固结同时剪切，即体变和孔压耦合作用下的剪切破坏机制并不一致，而且，也不能反映软黏土的抗剪强度从不排水状态过渡到排水状态的渐变过程。因此，十分有必要研制一种可以开展固结过程中软黏土的抗剪强度特性研究的试验装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，用于模拟、研究在饱和软黏土固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散、抗剪强度等的变化规律，使得技术人员能够更直观、更准确的采集到饱和软黏土固结过程中的抗剪强度变化特性。

为达到上述目的，本发明提供一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，其特征在于，包括框架、加载板、若干个带孔压测试功能的微型十字板剪切仪、扭力计、用于放置试样的试样室、测量单元和升降机构；

所述试样室内设置有排水装置；

所述加载板设置在所述试样室的上方，所述加载板或所述试样室通过所述升降机构设置在所述框架上；

所述测量单元包括传感器数据采集装置、若干个用于测量试样中孔隙水压力的孔隙水压力传感器、若干个用于测量试样中土压力的土压力传感器和若干个用于测量位于所述试样室中试样高度变化的位移传感器；

所述加载板的下表面上分别设置有若干个所述孔隙水压力传感器和若干个所述土压力传感器，所述试样室内设置有若干个所述土压力传感器；所述位移传感器设置在所述试样室的侧壁旁；所述孔隙水压力传感器、所述土压力传感器和所述位移传感器的输出端均与所述传感器数据采集装置的输入端电连接；

若干个微型十字板剪切仪对称地设置在所述加载板上，所述微型十字板剪切仪均转动连接所述加载板；所述扭力计可拆卸地卡合连接微型十字板剪切仪的上端。

优先地，所述排水装置包括排水板和排水管；所述排水板设置在所述试样室的底部，所述排水板和所述试样室的底部形成一个排水腔，所述排水管的一端连通所述排水腔，所述排水管位于所述试样室的外部。

优先地，所述升降机构包括空气压缩机、气缸和气压调节器；所述空气压缩机的输出端连接所述气压调节器的输入端，所述气压调节器的输出端连接所述气缸的输入端。

优先地，还包括固定装置、升降平台和若干个轴杆；若干个所述轴杆对称设置在所述框架上，所述升降平台滑动连接所述轴杆，所述试样室设置在所述升降平台上，所述升降平台的下方设置有垫块，所述垫块固定设置在所述升降平台的下表面上，所述气缸位于所述垫块下方，所述气缸竖向设置在所述框架的下端；所述加载板通过所述固定装置固定连接所述框架；当所述气缸顶升时，所述气缸的活塞杆卡合连接所述垫块从而带动所述升降平台向上运动。

优先地，所述气缸竖向固定设置在所述框架上，所述气缸位于所述加载板上方，所述气缸的活塞杆固定连接所述加载板；所述试样室固定设置在所述框架上。

优先地，还包括可调节轨道、气缸支撑框架、滑动平台和摇杆；所述气缸支撑框架设置在所述框架上，所述可调节轨道设置在所述气缸支撑框架上，所述可调节轨道位于所述升降平台的下方，所述滑动平台通过所述摇杆转动连接所述可调节轨道，所述气缸设置在所述滑动平台上。

优先地，还包括U型止水项圈；所述U型止水项圈缠绕在所述加载板的侧壁上。

优先地，所述微型十字板剪切仪还包括所述孔隙水压力传感器；所述孔隙水压力传感器通过透明橡胶塞固定设置在所述微型十字板剪切仪的底端。

优先地，所述排水板上开设有若干个均匀分布的排水孔，排水板下设置有加筋支撑。

优先地，所述框架的材质为不锈钢金属。

本发明所达到的有益效果：

（1）通过本发明装置不仅可以单独研究无体变作用时的剪切破坏机制或者无孔压作用时的剪切破坏机制，而且能同时研究体变、孔压耦合作用下的剪切破坏机制，记录试样固结过程中土体孔压、土压、沉降及抗剪强度等数据，进而定量分析固结效果，实验类型更加丰富；

（2）本发明可研究在软黏土加载和固结过程中伴随土体变形和孔压变化引起的抗剪强度变化，能反映软黏土的抗剪强度从不排水状态过渡到排水状态的渐变过程，以开展从加载施工期的短期稳定性渐变过渡到正常使用期的长期稳定性分析，研究伴随着整个研究过程的变化规律，采集的数据更加具有普遍性，对推动研究软黏土教学和科研试验装置的发展具有卓越的贡献。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的仰视图。

附图标记中含义，1-框架；2-加载板；3-带孔压测试功能的微型十字板剪切仪；4-加载板固定装置；5-试样室；6-透水板；7-排水管；8-孔隙水压力传感器；9-土压力传感器；10-位移传感器；11-轴杆；12-升降平台；13-试样室支撑框架；14-气缸；15-可调节轨道；16-气缸支撑框架；17-摇杆；18-气压调节器；19-U型止水项圈；20-活塞杆；21-垫块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

本发明涉及到一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，包括框架1、加载板2、六个带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3、一个扭力计、用于放置试样的试样室5、测量单元和升降机构；

试样室5的底部内设置有排水装置，排水装置包括排水板6和排水管7；试样室5为圆柱体，排水板6为直径与试样室5内直径相等的圆板；

排水板6设置在试样室5的底部，排水板6和试样室5的底部形成一个排水腔，排水管7的一端转动连通排水腔，排水管7的另一端可调整到与试样室5的顶壁齐高，排水管7位于试样室5的外部；排水板6上开设有多个均匀分布的排水孔，水可以通过排水孔流入排水管7中，排水板6下设置有加筋支撑以防止被压坏而且可拆卸更换，使用方便。

加载板2设置在试样室5的上方，加载板2通过升降机构设置在框架1上；

测量单元包括传感器数据采集装置、若干个用于采集试样中孔隙水压力的孔隙水压力传感器8、若干个用于采集试样中土压力的土压力传感器9和一个位移传感器10，两个孔隙水压力传感器8和两个土压力传感器9分别对称设置在加载板2的下表面上，监测固结过程中孔隙水压力和土压力变化情况，两种传感器的位置固定且可拆卸；

排水板6上表面由轴心向外沿圆周方向对称地设置有三个土压力传感器9，用于实时监测固结加载过程中土压力的变化，并可根据计算试样上下表面的土压力差值得出试样室5中侧壁摩阻力的大小；位移传感器10设置在试样室5的侧壁旁，位移传感器10一端固定于外部金属框架1上，另一端则在试验开始时沿平行于试样室5的轴线方向设置；

孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和位移传感器10的输出端均与传感器数据采集装置的输入端电连接；即孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和位移传感器10测得的数据通过导线传送到传感器数据采集装置进行记录，方便后续的分析。

测量单元可以实时监测试样在固结过程中孔隙水压力、土压力、沉降量及抗剪强度的变化，进而定量分析固结效果，为实际工程中饱和软黏土固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散、抗剪强度等的变化规律的分析提供依据。

六个带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3对称地设置在加载板2上，带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3均转动连接加载板2；微型十字板剪切仪3包括设置在其自身底端的孔隙水压力传感器8，孔隙水压力传感器8通过透明橡胶塞固定在带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3上。

扭力计设置在带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3的上端，带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3的下端均设置有孔隙水压力传感器8，孔隙水压力传感器8通过透明橡胶塞固定于微型十字板剪切仪3的轴杆的底端内，并将550 mm长带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3按轴压杆原理固定于距离金属加载板2底部150 mm位置处。

带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3配合扭力计，用于测试饱和软黏土固结过程中的抗剪强度及由剪切引起的试样扰动处的孔压。带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3上部做成六边形螺栓状，而扭力计的上部正好可以套在其上进行扭转，且只需一个扭力计即可，在每次需要进行带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3剪切时，套在带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3上端即可使用，用完即可卸下。加载板2为圆柱体，加载板2的直径等于试样室5的内直径。

升降机构包括空气压缩机、气缸14和气压调节器18；空气压缩机的输出端连接气压调节器18的输入端，气压调节器18的输出端连接气缸14。

气缸14竖向固定设置在框架1上，气缸14位于加载板2上方，气缸14的活塞杆20固定连接加载板2；试样室5固定设置在框架1上，试样室5为圆柱体，试样室5的尺寸为直径474 mm，高550 mm；试样室5整体由10 mm厚透明的钢化有机玻璃板和肋板胶结而成。升降机构和外部不锈钢金属框架1之间形成可进行模拟加载的容腔。气缸14固定于框架1顶部正中央，加载时将加载板2通过气缸14下降，当加载板2运动至试样上表面刚好与加载板2的下表面接触时，将气压调节器18的值调零，此时气缸14停止，然后进行后续各级荷载的施加。

本发明还包括可调节轨道15、气缸支撑框架16、滑动平台和摇杆17；气缸支撑框架16设置在框架1的顶部，可调节轨道15设置在气缸支撑框架16上，可调节轨道15位于气缸14的上方，滑动平台通过摇杆17转动连接可调节轨道15，气缸14的顶部设置在滑动平台上。

本发明还包括U型止水项圈19；加载板2本身不透水，U型止水项圈19缠绕在加载板2的侧壁上，使得做实验时加载板2可视为不透水边界。在U型止水项圈19上和试样室5上端的内壁上均匀涂抹一层凡士林用于减小阻力。

框架1的材质为不锈钢金属，加载板2的材质为金属。

本发明的具体工作过程：

步骤一：摇动摇杆17从而通过滑动平台带动气缸14移动至框架1顶部的中心处；将位移传感器10的一端固定在框架1上，另一端在实验开始时保持与试样室5的轴线平行；

步骤二：在试样室5的侧壁上贴上坐标纸用于测量已装土样的高度；将试样室5固定于框架1上，即加载板2的正下方；关闭排水管7，然后在排水板6处铺设一层滤纸；

步骤三：向试样室5中注水直到水面高度高出排水板6约30mm，将配制的某含水率的饱和土样即试样填入试样室5中，每次填入约30 mm高的试样，试样一直淹没在水面以下，装样保证均匀且土中无气泡，每次装样后静置约10 min；

步骤四：重复步骤三，直至试样的高度达到位于排水板6上方约42 cm处；

步骤五：转动排水管7使排水管7的出口与试样的顶面平齐，打开排水管7排出试样室5中超出试样顶面的水；试样在固结过程中始终浸没在水中，从而保证试样在固结过程中始终饱和，排水板6和排水管7相当于自由排水边界；使试样在自重和渗流作用下初步固结24小时，初步固结完成时试样的初始高度约为40 cm；

步骤六：将加载板2在气缸14的带动下下降，直至加载板2的下表面接触到试样，加载板2与试样室5内壁之间密封形成不透水边界；将由于试样与试样室5自重，及加载板2与试样室5的侧壁摩阻力共同产生的压力值通过气压调节器18调零；

步骤七；按照加载计划实施加载，通过测量单元实时监测试样在固结过程中孔压、土压力及沉降量的变化，通过将扭力计逐个放置在微型十字板剪切仪3的顶端上测量试样中的剪切力，记录试样固结过程中土体孔压、土压、沉降及抗剪强度等数据，进而定量分析固结效果，达到某个固结度时用扭力计进行带孔压测试功能的微型十字板剪切试验以得到固结过程中土体抗剪强度的变化规律，模拟饱和软黏土固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散、抗剪强度等的变化规律。

实施例二

如图1所示，一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置，包括框架1、加载板2、六个带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3、扭力计、用于放置试样的试样室5、测量单元和升降机构；

试样室5的底部设置有排水装置，排水装置包括排水板6和排水管7；排水板6设置在试样室5的底部，排水板6和试样室5的底部形成一个排水腔，排水管7的一端转动连通排水腔，排水管7的另一端可调整到与试样室5的顶壁齐高，排水管7位于试样室5的外部；试样室5为圆柱体，排水板6为直径与试样室5内直径相等的圆板；

排水板6上开设有多个均匀分布的排水孔，水可以通过排水孔流入排水管7中，排水板6下设置有加筋支撑以防止被压坏而且可拆卸更换，使用方便。

加载板2设置在试样室5的正上方，试样室5通过升降机构设置在框架1上；

升降机构包括升降平台12、空气压缩机、气缸14和气压调节器18；空气压缩机的输出端连接气压调节器18的输入端，气压调节器18的输出端连接气缸14。气缸14固定于框架1底部正中央，加载时将试样室5通过升降平台12顶升，当试样室5被顶升至试样上表面刚好与加载板2的下表面接触时，将气压调节器18的值调零，此时气缸14停止，然后进行后续各级荷载的施加。

如图2所示，测量单元包括传感器数据采集装置、孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和位移传感器10，加载板2的下表面上分别对称设置有两个孔隙水压力传感器8和两个土压力传感器9，监测固结过程中孔隙水压力和土压力变化情况，两种传感器的位置固定且可拆卸；

排水板6上表面由轴心向外沿圆周方向对称地设置有三个土压力传感器9，用于实时监测固结加载过程中土压力的变化，并可根据计算试样上下表面的土压力差值得出试样室5中侧壁摩阻力的大小；位移传感器10设置在试样室5的侧壁旁，位移传感器10一端固定于外部金属框架1上，另一端则在试验开始时沿平行于试样室5的轴线方向设置即升降平台12上；孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和位移传感器10的输出端均与传感器数据采集装置的输入端电连接；即孔隙水压力传感器8、土压力传感器9和位移传感器10测得的数据通过导线传送到传感器数据采集装置进行记录，方便后续的分析。

测量单元可以实时监测试样在固结过程中孔隙水压力、土压力、沉降量及抗剪强度的变化，进而定量分析固结效果，为实际工程中饱和软黏土固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散、抗剪强度等的变化规律分析提供依据。

如图4所示，六个带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3对称地设置在加载板2上，带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3均转动连接加载板2；微型十字板剪切仪3包括设置在其自身底端的孔隙水压力传感器8，孔隙水压力传感器8通过透明橡胶塞固定在带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3的底部内。

扭力计设置在带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3的上端，并将550 mm长带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3按轴压杆原理固定于距离金属加载板2底部150 mm位置处。

带孔压测试功能的微型十字板剪切仪3配合扭力计，用于测试饱和软黏土固结过程中的抗剪强度及由剪切引起的试样扰动处的孔压。微型十字板剪切仪3上部做成六边形螺栓状，而扭力计的上部正好可以套在其上进行扭转，且只需一个扭力计即可，在每次需要进行微型十字板剪切仪3剪切时，套在微型十字板剪切仪3上端即可使用，用完即可卸下。

如图3所示，本发明还包括固定装置4、升降平台12和四个轴杆11；四个轴杆11对称设置在框架1上，升降平台12滑动连接轴杆11，试样室5设置在升降平台12上，试样室5为圆柱体，试样室5的尺寸为直径474 mm，高550 mm；试样室5整体由10 mm厚透明的钢化有机玻璃板和肋板胶结而成。

升降平台12的下方设置有垫块21，垫块21固定设置在升降平台12的正下方，通过气缸14的顶升作用使得活塞杆20与垫块21卡合连接。升降平台12和外部不锈钢金属框架1之间形成可进行模拟加载的容腔；气缸14竖向设置在框架1上，气缸14位于垫块21下方；加载板2通过固定装置4固定连接框架1。

如图5所示，本发明还包括可调节轨道15、气缸支撑框架16、滑动平台和摇杆17；气缸支撑框架16设置在框架1上，可调节轨道15设置在气缸支撑框架16上，可调节轨道15位于升降平台12的下方，滑动平台通过摇杆17转动连接可调节轨道15，气缸14设置在滑动平台上。

本发明还包括U型止水项圈19；加载板2本身不透水，U型止水项圈19缠绕在加载板2的侧壁上，使得在做实验时加载板2可视为不透水边界。

框架1的材质为不锈钢金属，加载板2的材质为金属。

本发明的具体工作过程：

步骤一：摇动摇杆17从而通过滑动平台带动气缸14移动至框架1底部的中心处；将位移传感器10的一端固定在框架1上，另一端在实验开始时保持与试样室5的轴线平行；

步骤二：在试样室5的侧壁上贴上坐标纸用于测量已装土样的高度；将试样室5放置在升降平台12上，即加载板2的正下方；关闭排水管7，然后在排水板6处铺设一层滤纸；

步骤三：向试样室5中一次性注水直到水面高度高出排水板6约30mm，将配制的某含水率的饱和土样即试样填入试样室5中，每次填入约30 mm高的试样，此时试样一直淹没在水面以下，装样保证均匀且土中无气泡，每次装样后静置约10 min；

步骤四：重复步骤三，直至试样的高度达到位于排水板6上方约42 cm处；

步骤五：转动排水管7使排水管7的出口与试样的顶面平齐，打开排水管7排出试样室5中超出试样顶面的水，保持试样在固结过程中始终浸没在水中从而保证试样在固结过程中始终饱和，排水板6和排水管7相当于自由排水边界；使试样在自重和渗流作用下初步固结24小时，初步固结完成时试样的初始高度约为40 cm；

步骤六：将试样室5在气缸14的带动下顶升，直至试样接触到加载板2的下表面，加载板2与试样室5内壁之间密封形成不透水边界；将由于试样与试样室5自重，及加载板2与试样室5的侧壁摩阻力共同产生的压力值通过气压调节器18调零；

步骤七；按照加载计划实施加载，通过测量单元实时监测试样在固结过程中孔压、土压力及沉降量的变化，通过将扭力计逐个放置在微型十字板剪切仪3的顶端上测量试样中的剪切力，记录试样固结过程中土体孔压、土压、沉降及抗剪强度等数据，进而定量分析固结效果，达到某个固结度时用扭力计进行带孔压测试功能的微型十字板剪切试验以得到固结过程中土体抗剪强度的变化规律，模拟饱和软黏土固结过程中土体沉降发展、孔隙水压力消散、抗剪强度等的变化规律。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。