一种多功能土柱固结渗透模型试验系统的制作方法

1.本发明属于土工试验测量装置技术领域，尤其是涉及一种多功能土柱固结渗透模型试验系统。


背景技术：

2.在岩土工程中，固结沉降与渗透过程对土体工程特性的影响至关重要。土体在荷载作用下会发生排水固结与渗透作用，其中压缩指数、固结系数以及渗透系数是表征土体固结变形和渗透性的重要物理指标，同时也是工程建设、施工的关键技术参数。固结与渗透试验是获得上述重要指标的有效手段，以往的固结与渗透试验是通过固结仪与渗透仪分别独立完成的，虽然固结与渗透试验技术已经相当成熟，但常规的固结试验只能反映土体固结变形性质，不能反映孔隙水在土体中的渗透作用；而传统的渗透试验不能考虑土体变形引起的孔隙比变化，而以往的研究表明，孔隙比与土体的渗透系数呈正相关。另外，现有试验设备较少涉及土柱模型试验的固结变形和渗透特性的测试，而尺寸效应也会对土体压缩固结与渗透试验的精度造成严重影响。因此，亟待研发一套能够开展不同尺寸土柱模型的固结渗透耦合试验系统，获得能够描述土体体变与渗透耦合作用下的关键物理指标，为相关工程建设提供更为科学、合理、可靠的基础数据。
3.传统的固结试验装置主要为wg型三联单杠杆固结仪，其轴向加载系统利用杠杆原理，通过砝码对土样进行加卸载，而随着土体变形，杠杆由于会失去原有平衡而产生一定偏移，造成土样上的荷载发生变化，且在传动过程中仪器本身的摩擦也会进一步影响额定荷载的准确性；试验过程中只能根据经验或者把加载的砝码数作为施加的轴向荷载；当开展复杂应力路径试验时，需要不断的搬运砝码加卸载，不易根据试验需要调节应力路径，加载范围十分有限。虽然目前固结仪的轴向加载系统可用电机、液压等形式施加，但难以施加恒定的固结压力，且加载活塞密封圈与侧壁之间的摩擦难以克服，不能考虑土体尺寸效应，测试效率低，成本高。
4.常规渗透试验装置主要采用渗透仪开展常水头或者变水头渗透试验，主要以水压驱动孔隙水渗流，通过水头差来计算渗透参数，无法模拟不同固结压力下的渗透过程；且试验结果不能反映土体渗透系数与变形稳定后的孔隙比之间的关系；无法直观给出非饱和渗流过程孔隙水在土中的迁移情况，而且现有试验装置大多不能开展考虑尺寸效应的土柱模型渗透试验。
5.因此，为了克服现有设备不能满足测试精度要求，测试成本高，不能开展土柱模型固结与渗透试验等诸多局限，阻碍获得更精确的试验测试结果，亟待研制一套操作简单、测试成本低，且能够同时开展土体固结与渗透的模型试验装置。


技术实现要素：

6.为解决现有固结与渗透试验设备的局限性，本发明提供一种通过弹性橡皮膜转化压力，利用气压实现轴向加载功能的土柱固结渗透模型试验系统。利用气压加载，较传统杠
杆式固结仪省时省力，压力稳定；土柱模型可考虑尺寸效应，根据试验需要调整模型尺寸。轴向荷载通过压力室的气压表显示，某一级加载稳定后再施加下一级荷载；由于压力室为有机玻璃材料，可在试验过程中从不同侧面架设高精度相机进行图像采集，从而计算出固结过程土体孔隙比的变化；可开展考虑土柱尺寸效应的常水头或变水头渗透试验，获得不同性质土柱渗透系数。
7.为达到所述发明目的，本发明采用下述技术方案：一种多功能土柱固结渗透模型试验系统，所述多功能土柱固结渗透模型试验系统包括轴向加载系统、变尺寸土柱模型压力室、密封胶圈、数字图像采集系统、真空泵、供水系统、排水系统、带刻度水头导管、导管、压力表、真空负压表、阀门、透水石、螺杆与螺母；通过法兰螺栓将底座与变尺寸土柱模型压力室中的第一节压力室安装在一起，并将透水石放置于底座凹槽内；在变尺寸土柱模型压力室内采用分层击实法制样，可根据试验需求制作不同尺寸试样，每层土样高度为土柱总高度的1/15，制样完成后将透水石置于试样顶部，通过法兰螺栓安装顶盖；按规范进行抽真空饱和，待土样完全浸泡于饱和溶液中后，打开顶盖安装橡皮膜，进行轴向加载，开展土柱固结渗透试验；所述轴向加载系统包括气压泵、阀门、气压表及橡皮膜，通过气压泵提供气压源，利用橡皮膜将气压转换为土柱固结压力，通过压力室顶盖的气压表显示施加的轴压；所述数字图像采集系统包括多个自动采集图像功能的相机，多个自动采集图像功能的相机分别架设在变尺寸土柱模型压力室的多个侧面以在固结渗透试验过程中对土柱试样进行图像采集，通过计算软件将数字图像进行二值化处理，以监测土柱固结变形量；所述供水系统包括马氏瓶、阀门和带刻度水头导管及导管，供水系统通过导管和阀门将马氏瓶与带刻度水头导管连接，水头导管通过阀门和导管与变尺寸土柱模型压力室的底板连接，用于开展土柱渗透试验和土柱抽真空饱和供水；所述排水系统包括带刻度集水量筒、排水阀门和导管，所述排水系统用于收集固结或渗透过程排出的孔隙水；所述带刻度水头导管为带刻度有机玻璃管，水头导管一端与水头供水马氏瓶相连，一端与变尺寸土柱模型压力室的底座相连，通过定时读取水头导管水位刻度值可计算水头损失和渗透系数。
8.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的优选技术方案：所述变尺寸土柱模型压力室由六个有机玻璃管节和顶板、底板组成，通过法兰螺栓相互连接，底板设有补排水通道，并预留透水石安装槽，通过螺栓与管节连接；顶板预留压力表安装孔位及导气孔位，顶部管节预留密封胶圈与橡皮膜安装槽。
9.作为本发明的优选技术方案：所述变尺寸土柱模型压力室内各管节侧壁预留导管与传感器安装螺纹孔，可安装水头导管以及温度、压力、波速等传感器作为本发明的优选技术方案：每个压力室管节内径ф=150 mm，高h=100 mm，管节壁厚d=10 mm。
10.作为本发明的优选技术方案：所述密封胶圈为o型橡胶圈，内径156 mm，线径3 mm。
11.作为本发明的优选技术方案：所述真空泵为无油免维护真空泵，一级真空度0.093 mpa，二级真空度0.098 mpa，通过真空阀门与管路相连接。
12.作为本发明的优选技术方案：所述压力表量程为0~40 mpa气压表，精度为0.01 mpa，通过气压表读取所施加的轴压。
13.作为本发明的优选技术方案：所述真空负压表量程为-0.1~0 mpa，精度为0.02 mpa，用于抽真空饱和过程监测压力室真空度。
14.作为本发明的优选技术方案：所述螺母与螺杆均优先选择304不锈钢材质，型号为m6，螺杆为内六角。
15.本发明提供一种多功能土柱固结渗透模型试验系统，能够同时开展土柱固结和渗透的模型试验，该试验系统通过橡皮膜转化压力，实现利用气压进行土柱的轴向加载，且最大施加荷载可达20 mpa；可根据试验要求进行固结与渗透试验，试验过程中在不同侧面进行数字图像采集，以获得土柱固结过程的体积变化；可根据试验要求调整土柱尺寸，以实现考虑尺寸效应下的土体固结与渗透试验；压力室侧壁预留传感器安装孔，可进行土柱温度、孔隙水压力、弹性波速等相关指标的测定，还可进行土柱抽真空饱和。本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统价格低廉，占用空间小，可直接放置在试验台上，构件可拆卸，构造简单，易于组装，操作方便。
16.与现有技术相比较，本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：（1）、本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统不仅可以开展土柱模型压缩固结试验，还可以同时开展土柱模型渗透试验。
17.（2）、本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统采用简单便捷的加载系统，土柱固结压缩与渗透试验过程中，避免加载砝码法复杂的步骤，克服传统杠杆式加卸载压力不稳定的弊端，使加卸载压力稳定，省时省力。由于wg型单杠杆固结仪易发生偏斜等固有弊端的影响，致使其测量结果存在较大误差，本发明运用气压加载，可提供更精确的恒定荷载。
18.（3）、本发明可根据需要实现复杂应力路径下的固结压缩和渗透试验。土柱模型可考虑尺寸效应，可开展更大荷载作用范围下的固结压缩试验；本发明可开展不同土柱尺寸的渗透试验，并可根据土性不同，开展常水头或变水头渗透试验。
19.（4）、本发明的固结压力室（变尺寸土柱模型压力室）采用有机玻璃加工而成，可进行数字图像采集，获得固结过程土柱体积变化。
20.（5）、本发明在压力室侧壁预留接入传感器通道，可连接温度、压力及弹性波速等传感器。
21.（6）、本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统可进行土柱试样的抽真空饱和。
22.（7）、本发明所占据的空间小，可直接放置在试验台上，构件可拆卸，构造简单，易于组装，操作方便。
附图说明
23.图1为本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统的结构示意图。
24.图2为变尺寸土柱模型压力室中单个压力室管节的俯视图。
25.图3为底板的剖面图。
26.图中：1-气压泵；2-真空泵；3-真空负压表；4-气泵压力表；5-真空阀门；6-加压阀门；7-导管；8-压力室顶板；9-压力室气压表；10-密封胶圈；11-内六角螺杆；12-螺母；13-压力室管节；14-橡皮膜；15-蒸馏水；16-透水石；17-预留传感器接口；18-土柱试样；19-马氏瓶；20-支架；21-导管；22-供水阀门；23-水头阀门；24-水头导管；25-底板进水阀门；26-透水石；27-底板螺栓；28-底板；29-底板排水阀门；30-导管；31-量筒；32-渗透排水阀门；33-导管；34-量筒；35-相机；36-相机；37-密封胶圈与橡皮膜安装槽；38-底板中间预留透水石安装槽。
具体实施方式
27.下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细说明：一种多功能土柱固结渗透模型试验系统，包括轴向加载系统、变尺寸土柱模型压力室、数字图像采集系统、真空泵2、供水系统、排水系统、水头导管24、导管、气泵压力表4、真空负压表3、密封胶圈10、阀门、内六角螺杆11与螺母12、透水石16。通过底座螺栓27完成底座与第一节压力室的安装，并将透水石26放置于底座凹槽内。在压力室内采用分层击实法制样，层数可取土柱总高度的1/15，每层击实后“刮毛”以免试样出现分层，可根据试验需求制作不同尺寸试样，制样完成后将透水石16置于试样顶部，通过法兰螺栓安装压力室顶板8。
28.进行抽真空饱和，土柱试样抽真空饱和时须预先拆下橡皮膜14，同时打开真空阀门5和加压阀门6，关闭供水阀门25和底板排水阀门29，启动真空泵2进行土柱抽真空10小时。待真空负压表指针稳定在-0.1mpa达到规定时长后，关闭真空泵2、真空阀门5、加压阀门6，打开供水阀门25，待压力室管节13中透水石16被水浸没后，关闭供水阀门25，再次重复抽真空4小时，后浸泡试样10小时，以使土柱完全饱和。打开压力室顶板8安装橡皮膜14，安装压力室顶板8，通过轴向加载系统进行轴向加载，开展土柱固结试验。
29.在本实施例中，所述轴向加载系统包括气压泵1，气泵压力表4、加压阀门6、压力室顶板8、压力室气压表9、密封胶圈10、橡皮膜14，以及内六角螺杆11和螺母12。气压泵1通过加压管路与气泵压力表4、加压阀门6以及压力室顶板8连接，通过气压泵1提供气压源，关闭真空阀门5，打开加压阀门6，启动气压泵1进行加压，利用橡皮膜14（参照图2，是周侧的压力）受压变形将气压转化为土柱试样18的轴向压力，通过压力室顶板8上的压力室气压表9监测轴向压力，当轴向压力达到预定值时关闭加压阀门6停止加压，可根据试验需要改变应力路径，进行加卸载试验。
30.在本实施例中，所述变尺寸土柱模型压力室包括若干相同压力室管节13，管节数量可根据试验土柱高度确定，压力室顶板8、底板26、每个管节侧壁预留相同的传感器接口17。各管节通过内六角螺杆11与螺母12相互连接，其中与顶板相连的管节13预留有密封胶圈与橡皮膜安装槽37，管节侧壁预留传感器接口17可安装温度、压力、波速等其他传感器。底板设有供排水通道，供水端通过导管21、供水阀门22、底板进水阀门25与马氏瓶19连接，底板排水端通过底板排水阀门29和导管30与量筒31连接，底板中间预留透水石安装槽38，通过底板螺栓27与管节连接。压力室顶板8通过导管7、加压阀门6、真空阀门5、与气压泵和
真空泵相连，用于施加轴向荷载与土柱抽真空饱和。压力室气压表9用于显示压力室轴压大小，真空负压表3用于显示压力室真空度。
31.在本实施例中，数字图像采集系统包括两台高精度相机35和36，分别架设于压力室的两个不同侧面的固定位置，设定相机图像采集频率，实现自动采集土柱试样18固结压缩过程高度变化图像，利用数字图像处理软件进行二值化处理，计算土柱固结压缩过程的体积变化，获得固结压缩系数等测试指标。。
32.在本实施例中，所述真空泵1为无油免维护真空泵，一级真空度0.093mpa，二级真空度0.098mpa，通过真空阀门5与其他构件相连接。
33.在本实施例中，所述供水系统包括马氏瓶19、支架20、导管21、供水阀门22和水头阀门23、水头导管24以及底板进水阀门25组成，分为水头供水系统与饱和供水系统。水头供水系统通过水头供水阀门23、水头导管24、底板进水阀门25组成，用于开展土柱渗透试验；饱和供水系统通过马氏瓶19、支架20、导管21、供水阀门22、底板进水阀门25与压力室底座28连接，为土柱真空饱和过程供水。
34.在本实施例中，所述排水系统包括固结排水系统和渗透排水系统组成。固结排水系统包括底板排水阀门27、导管30和量筒31组成，用于收集固结过程排出的孔隙水；渗透排水系统包括渗透排水阀门32、导管33、量筒34组成。
35.在本实施例中，所述水头导管24为带刻度有机玻璃管，一端与马氏瓶相连，一端通过水头阀门22、底板进水阀门25以及导管与底板26相连，通过读取水头导管24的水位刻度值可计算水头损失和渗透系数。
36.在本实施例中，所述导管为有机玻璃管。
37.在本实施例中，所述压力室气压表9量程为0~40mpa气压表，精度为0.01mpa，通过压力室气压表9读取所施加的轴压。
38.在本实施例中，所述真空负压表3量程为-0.1~0mpa，精度为0.02mpa，用于抽真空饱和过程监测压力室真空度。
39.在本实施例中，所述内六角螺杆11与螺母12均优先选择型号m6的304不锈钢材质，且可拆卸。
40.本发明所提供的多功能土柱固结渗透模型试验系统适用于开展不同高度的土柱模型固结压缩与渗透特性测试试验，可根据需要直接在模型压力室中进行制样，并进行抽真空饱和，具体试验过程如下：1、土柱固结试验：（1）、根据需要确定模型土柱高度，采用分层击实法进行制样，每击实一层需进行“刮毛”，以免土样出现分层现象。
41.（2）、将透水石26置于底座凹槽内，用底板螺栓27将底板28与压力室管节连接。完成制样后将透水石16置于试样顶部，并与试样紧密接触，连接顶部管节13与压力室顶板8。开展饱和土固结试验时由于需要抽真空饱和，试样饱和前不安装橡皮模14。
42.（3）、打开真空阀门5和加压阀门6，关闭供水阀门25和底板排水阀门28，启动真空泵2进行土柱抽真空10小时。待真空负压表指针稳定在-0.1mpa达到规定时长后，关闭真空泵2、真空阀门5、加压阀门6，打开供水阀门25，待压力室管节13中透水石16被水浸没后，关闭供水阀门25，再次重复抽真空4小时，后浸泡试样10小时，以使土柱完全饱和。打开压力室
顶板8安装橡皮膜14，安装压力室顶板8。
43.（4）、关闭真空阀门，打开加压阀门6与底板排水阀门27，启动气压泵1，利用橡皮膜14将气压转换成土柱试样18的轴向压力，通过压力室气压表9控制加载。采用数字图像处理技术判断土柱变形是否稳定，待变形小于0.01mm时，认为固结变形稳定，调节加压阀门施加下一级荷载，通过多级加载变形数据，可获得压缩指数、固结系数等指标，并可根据试验需要进行加卸载复杂应力路径固结压缩试验。
44.、土柱渗透试验：当进行土柱饱和渗透试验时，在固结试验步骤3的基础上，打开供水阀门22、水头阀门23，关闭底板进水阀门25，向水头导管24中注入一定量水。打开渗透排水阀门32，关闭底板排水阀门27，即可开展常水头或变水头土柱模型渗透试验。根据不同时间水头导管的刻度读数、时间间隔、土柱面积、排水量等数值，根据达西定律即可计算土柱渗透系数。
45.以上结合附图对本发明实施例进行了文字说明，但本发明不仅限于所述实施例，还可以根据本发明的目的做出多种变化。凡依据本发明技术方案的精神实质和原理所做的改变、修饰、组合、替代、简化，均应认为是等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的宗旨，与本发明测膨胀力的试验系统的技术原理和发明构思相同或相似，都属于本发明的保护范围。