一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法
2023-06-05 11:59:31 2
一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法，該裝置包括壓力室、荷載託盤、加壓系統以及孔壓量測系統，該荷載託盤固定於該壓力室頂部的活塞杆上，土樣固定於該壓力室中，該加壓系統通過該壓力室內的水向該土樣傳遞均勻的圍壓，該孔壓量測系統用於測量該壓力室內的徑向壓力，該荷載託盤的豎向偏壓通過一可度量的壓力產生系統產生，本發明不僅可以控制水平方向上的圍壓，而且使用簡易的裝置施加垂直方向上的荷載實現了全應力控制式三軸蠕變試驗的目的。
【專利說明】一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及巖土工程土工試驗領域，特別是涉及一種新型的全應力控制式三軸蠕變試驗的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]軟黏土通常具有大孔隙、高黏粒含量和高含水量等特點，這使黏性土的力學性質具有較強的流變性，如蠕變、加載速率效應和應力鬆弛現象，直接影響軟土工程的長期變形不穩定性。因此，分析軟黏土的蠕變特性顯得尤為重要。三軸蠕變試驗要求保持試樣的徑向和軸向應力恆定，直接測量豎向變形隨時間的發展關係。目前的常規三軸試驗裝置無法直接進行螺變試驗，且英國 GDS 公司(Geotechnical Digital Systems Instruments Ltd)研製生產的GDS裝置較為複雜昂貴，對豎向荷載的控制不能做到簡易的操作。
【發明內容】
[0003]為克服上述現有技術存在的不足，本發明之目的在於提供一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法，其不僅可以控制水平方向上的圍壓，並使用簡易的裝置施加垂直方向上的荷載實現了全應力控制式三軸蠕變試驗的目的。
[0004]為達上述及其它目的，本發明提出一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其中，該裝置包括壓力室、荷載託盤、加壓系統以及孔壓量測系統，該荷載託盤固定於該壓力室頂部的活塞杆上，土樣固定於該壓力室中，該加壓系統通過該壓力室內的水向該土樣傳遞均勻的圍壓，該孔壓量測系統用於測量該壓力室內的徑向壓力，該荷載託盤的豎向偏壓通過一可度量的壓力產生系統產生。
[0005]進一步地，該荷載託盤上架設位移傳感器，用於測量該荷載託盤的位移，該荷載託盤的豎向偏壓通過豎向施加砝碼來實現。
[0006]進一步地，該荷載託盤為一圓盤，該圓盤底板圓心處有一個凸出的凹形槽，該凹形槽內徑等於該壓力室頂部的活塞杆直徑，使該活塞杆可以穩定地固定在該凹形槽內。
[0007]進一步地，該荷載託盤為剛度較大的鋁製圓盤。
[0008]進一步地，該加壓系統與周圍壓力閥、排水管及排水閥相連，該孔壓量測系統與孔壓傳感器、量管閥、量管及孔壓閥相連。
[0009]為達到上述及其他目的，本發明還提供一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，包括如下步驟:
[0010]步驟一，按土工試驗規範製備試樣；
[0011]步驟二，將試樣固定於壓力室內；
[0012]步驟三，安裝壓力室罩，向該壓力室內注滿水，利用三軸圍壓系統向該壓力室內土樣施加圍壓，對試樣進行固結；
[0013]步驟四，將荷載託盤固定在該壓力室的活塞杆上；
[0014]步驟五，通過一可度量的壓力產生系統於荷載託盤上產生豎向偏壓，進行逐級加載下全應力三軸蠕變實驗。
[0015]進一步地，於步驟五中，通過於荷載託盤上施加砝碼產生豎向偏壓，進行逐級加載下的全應力三軸蠕變試驗。
[0016]進一步地,步驟二包括如下步驟:
[0017]開孔隙水壓力閥和量管閥，對孔壓量測系統及壓力室底座充水排氣後，關孔隙水壓力閥和量管閥；
[0018]於壓力室底座上依次放上透水板、溼濾紙、試樣、溼濾紙、透水板，試樣周圍貼浸水的濾紙條,固定試樣；
[0019]打開孔隙水壓力閥和量管閥，使水從試樣底部流入，將氣泡排除後關閉孔隙水壓力閥和量管閥；
[0020]將試樣帽放置在透水板上，用橡皮圈將橡皮膜上端與試樣帽紮緊，降低排水管，吸除試樣與橡皮膜之間的餘水，關閉排水閥。
[0021]進一步地,步驟三包括如下步驟:
[0022](I)安裝壓力室罩，向壓力室內注滿水，將活塞對準試樣頂部；
[0023](2)利用三軸圍壓系統向該壓力室中的試樣逐級施加等量的圍壓，在每級圍壓下，直到土樣的變形和排水穩定為止，然後加下一級圍壓；
[0024](3)然後重複步驟(2)，直至達到預定大小的圍壓。
[0025]進一步地，步驟五還包括如下步驟:
[0026]試驗開始時，先將荷載託盤調試平衡，使該荷載託盤水平。
[0027]剪切過程中，首先確定第一級加載的荷載大小，在該荷載託盤上放置一定質量的砝碼，保持荷載加載時間數天，測量土體位移隨時間的變化曲線；然後再加第二級荷載，直至土樣的位移發生急劇變化，發生破壞。
[0028]與現有技術相比，本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法，通過實現一種全應力控制式三軸蠕變簡易試驗裝置，不僅可以控制水平方向上的圍壓，而且通過使用簡易的裝置施加垂直方向上的荷載實現了全應力控制式三軸蠕變試驗的目的，本發明操作方法簡單，設備易於維護和安裝，有很強的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明較佳實施例中荷載託盤的結構示意圖；
[0031]圖3為本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下通過特定的具體實例並結合【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾與變更。
[0033]圖1為本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置的結構示意圖。如圖1所示，本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，包括壓力室(I)、荷載託盤(2)、加壓系統(7)以及孔壓量測系統(U)。
[0034]其中荷載託盤(2)設置在壓力室(I)上，具體的說，荷載託盤(2)固定在壓力室頂部的活塞杆(3)上，荷載託盤上架設位移傳感器(4)，用於測量託盤的位移。在本發明較佳實施例中，荷載託盤(2 )通過凹形槽固定在壓力室頂部的活塞杆(3 )上。
[0035]在本發明較佳實施例中，荷載託盤(2)為剛度較大的鋁製圓盤(5)，如圖2所示。圓盤直徑為170cm,厚度為IOcm,但不以此為限。圓盤底板圓心處有一個凸出的凹形槽(6),凸出的凹形槽高度(20cm)，槽外環直徑(30cm)，內徑等於壓力室頂部的活塞杆直徑，使活塞杆(3)可以穩定地固定在凹形槽(6)內
[0036]在本發明中，壓力室(I)與常規應變控制式三軸儀的壓力室相似，土樣(8)固定於壓力室(I)內。
[0037]加壓系統(7)的圍壓由常規三軸剪力儀的圍壓系統產生，通過壓力室(I)內的水向土樣(8)傳遞均勻的圍壓。加壓系統(7)與周圍壓力閥(13)、排水管(14)及排水閥(12)相連。
[0038]孔壓測試系統(11)與孔壓傳感器(15)、量管閥(10)、量管(16)及孔壓閥(9)相連，用於測量壓力室(I)內的徑向壓力。
[0039]荷載託盤(2)的豎向偏壓通過一可度量的壓力產生系統產生，在本發明較佳實施例中，荷載託盤(2)的豎向偏壓通過豎向施加砝碼來實現，保證形成蠕變的應力條件，即圍壓不變的條件下，產生恆定的偏壓力，位移傳感器(4)，可以監測託盤的位移。但本發明不以此為限，也可採用例如壓力計產生豎向偏壓。
[0040]圖3為本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法的步驟流程圖。如圖3所示，本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，包括如下步驟:
[0041 ] 步驟301，按土工試驗規範製備試樣(8 )。
[0042]步驟302，放置試樣，將試樣固定在壓力室(I)內。
[0043]步驟303，安裝壓力室罩，向壓力室內注滿水，利用三軸圍壓系統(7)向壓力室內土樣(8)施加圍壓，對試樣進行固結。
[0044]步驟304，安裝荷載託盤(2 )，將荷載託盤的凹形槽(6 )固定在壓力室的活塞杆(3 )上，檢查荷載託盤(2)的穩定性。
[0045]步驟305，全應力蠕變試驗。通過一可度量的壓力產生系統於荷載託盤上產生豎向偏壓，以進行逐級加載下全應力三軸蠕變實驗，在本發明較佳實施例中，可通過於荷載託盤(2 )上施加砝碼來產生豎向偏壓，來進行逐級加載下的全應力三軸蠕變試驗。
[0046]以下將配合一具體實施例來進一步說明本發明。
[0047]具體實施例:
[0048]1.製備試樣(8)，按照土工試驗標準製備試樣。
[0049]2.放置試樣:
[0050]I)開孔隙水壓力閥(9)和量管閥(10)，對孔隙水壓力系統(11)及壓力室(I)底座充水排氣後，關孔隙水壓力閥(9 )和量管閥(10 )。
[0051]2)壓力室底座上依次放上透水板、溼濾紙、試樣、溼濾紙、透水板，試樣周圍貼浸水的濾紙條，固定試樣。
[0052]3)打開孔隙水壓力閥(9)和量管閥(10)，使水從試樣底部流入，將氣泡排除後關閉孔隙水壓力閥(9 )和量管閥(10 )。
[0053]4)將試樣帽放置在透水板上，用橡皮圈將橡皮膜上端與試樣帽紮緊，降低排水管，吸除試樣與橡皮膜之間的餘水，關閉排水閥(12 )。
[0054]3.試樣施加圍壓，固結排水:
[0055]I)安裝壓力室罩，向壓力室(I)內注滿水，將活塞(3)對準測試樣(8)頂部。
[0056]2)利用三軸圍壓系統(7)向壓力室(I)中的試樣逐級施加等量的圍壓:每級圍壓為25kPa，在每級圍壓下，直到土樣的變形和排水穩定為止，穩定標準為:體變連續2h不超過0.01cm3,排水連續2h不超過0.01cm3，排水連續2h不超過0.01cm3且歷時不少於48h，然後加下一級圍壓。
[0057]3)然後重複步驟(2)。直至達到預定大小(如200kPa)的圍壓。
[0058]4.安裝荷載託盤並調試設備:
[0059]I)將荷載託盤(2)底部的凹形槽(6)固定在壓力室頂部的活塞杆(3)，荷載託盤上架設位移傳感器(4)來測量託盤的位移。
[0060]2)放置砝碼時保證盤面水平，以防止盤面傾斜造成荷載偏移。
[0061]5.蠕變試驗:
[0062]I)試驗開始時，先將加載託盤調試平衡，使荷載託盤(2 )水平。
[0063]2)剪切過程中，首先確定第一級加載的荷載大小，在荷載託盤(2)上放置一定質量的砝碼，保持荷載加載時間數天，在本發明較佳實施例中為7天，測量土體位移隨時間的變化曲線。然後再加第二級荷載，直至土樣的位移發生急劇變化，發生破壞。
[0064]綜上所述，本發明一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置及方法，通過實現一種全應力控制式三軸蠕變簡易試驗裝置，不僅可以控制水平方向上的圍壓，而且通過使用簡易的裝置施加垂直方向上的荷載實現了全應力控制式三軸蠕變試驗的目的，本發明操作方法簡單，設備易於維護和安裝，有很強的實用性。
[0065]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域技術人員均可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
【權利要求】
1.一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其特徵在於:該裝置包括壓力室、荷載託盤、加壓系統以及孔壓量測系統，該荷載託盤固定於該壓力室頂部的活塞杆上，土樣固定於該壓力室中，該加壓系統通過該壓力室內的水向該土樣傳遞均勻的圍壓，該孔壓量測系統用於測量該壓力室內的徑向壓力，該荷載託盤的豎向偏壓通過一可度量的壓力產生系統產生。
2.如權利要求1所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其特徵在於:該荷載託盤上架設位移傳感器，用於測量該荷載託盤的位移，該荷載託盤的豎向偏壓通過豎向施加砝碼來實現。
3.如權利要求1所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其特徵在於:該荷載託盤為一圓盤，該圓盤底板圓心處有一個凸出的凹形槽，該凹形槽內徑等於該壓力室頂部的活塞杆直徑，使該活塞杆可以穩定地固定在該凹形槽內。
4.如權利要求3所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其特徵在於:該荷載託盤為剛度較大的鋁製圓盤。
5.如權利要求1所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗裝置，其特徵在於:該加壓系統與周圍壓力閥、排水管及排水閥相連，該孔壓量測系統與孔壓傳感器、量管閥、量管及孔壓閥相連。
6.一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，包括如下步驟: 步驟一，按土工試驗規範製備試樣； 步驟二，將試樣固定於壓力室內； 步驟三，安裝壓力室罩，向該壓力室內注滿水，利用三軸圍壓系統向該壓力室內土樣施加圍壓，對試樣進行固結； 步驟四，將荷載託盤固定在該壓力室的活塞杆上； 步驟五，通過一可度量的壓力產生系統於荷載託盤上產生豎向偏壓，進行逐級加載下全應力三軸蠕變實驗。
7.如權利要求6所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，其特徵在於:於步驟五中，通過於荷載託盤上施加砝碼產生豎向偏壓，進行逐級加載下的全應力三軸蠕變試驗。
8.如權利要求7所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，其特徵在於，步驟二包括如下步驟: 開孔隙水壓力閥和量管閥，對孔壓量測系統及壓力室底座充水排氣後，關孔隙水壓力閥和量管閥； 於壓力室底座上依次放上透水板、溼濾紙、試樣、溼濾紙、透水板，試樣周圍貼浸水的濾紙條，固定試樣； 打開孔隙水壓力閥和量管閥，使水從試樣底部流入，將氣泡排除後關閉孔隙水壓力閥和量管閥； 將試樣帽放置在透水板上，用橡皮圈將橡皮膜上端與試樣帽紮緊，降低排水管，吸除試樣與橡皮膜之間的餘水，關閉排水閥。
9.如權利要求8所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，其特徵在於，步驟三包括如下步驟: (O安裝壓力室罩，向壓力室內注滿水，將活塞對準試樣頂部；(2)利用三軸圍壓系統向該壓力室中的試樣逐級施加等量的圍壓，在每級圍壓下，直到土樣的變形和排水穩定為止，然後加下一級圍壓； (3)然後重複步驟(2)，直至達到預定大小的圍壓。
10.如權利要求9所述的一種全應力控制式三軸蠕變試驗方法，其特徵在於，步驟五還包括如下步驟: 試驗開始時，先將荷載託盤調試平衡，使該荷載託盤水平。 剪切過程中，首先確定第一級加載的荷載大小，在該荷載託盤上放置一定質量的砝碼，保持荷載加載時間數天，測量土體位移隨時間的變化曲線；然後再加第二級荷載，直至土樣的位移發生急劇變化，發生破壞.。
【文檔編號】G01N3/12GK103471929SQ201310429141
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】尹振宇, 吳則祥, 金銀富, 李豔玲, 朱啟銀, 夏雲龍 申請人:上海交通大學