一种用于室内测试碎石桩排水抗液化通道淤堵特性的装置的制作方法

1.本发明属于地基处理排水抗液化技术领域，具体涉及一种用于室内测试碎石桩排水抗液化通道淤堵特性的装置。


背景技术：

2.对位于强震区的地基处理工程，常采用碎石桩复合地基排水抗液化地基处理。碎石桩排水抗液化作用主要通过在地基体提供竖向排水通道，以快速消散地震作用产生的超孔隙水压力。当选定固定置换率时，碎石桩体渗透系数是影响孔压消散快速关键因素，但碎石桩排水通道渗透系数容易受到周边土颗粒移动淤堵，导致桩体渗透系数降低，进而影响碎石桩排水通道长期服役性能。在碎石桩抗液化地基处理设计过程，往往是根据碎石级配选取一个合适的排水通道渗透系数，但在成桩后或者长期服役过程，排水通道其原有级配已产生变化，渗透系数已偏离原有设计值，因此需要在设计阶段对排水通道淤堵后排水性能有个合理评估。
3.目前获取排水通道淤堵特性常用方法是基于现场钻芯取样，并在室内开展级配分析以及渗透系数测定来评定排水通道淤堵后性能，但由于扰动样无法观测砂土颗粒淤堵的形态分布，且所取的芯样级配也易受到干扰，而如选用无扰动取样法，则费用昂贵，另外现场取样也无法获取排水通道在不同围压及孔压比作用下的淤堵特性。
4.因此，有待开发一种方便检测排水通道淤堵特性的装置，可以准确获得排水通道周边土体颗粒对桩体的淤堵形态及渗透系数变化，合理评价碎石桩淤堵后的排水功能。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种用于室内测试碎石桩排水抗液化通道淤堵特性的装置，该装置可用于观测碎石桩抗液化通道在不同围压及孔压比作用下的淤堵形态，并可测试淤堵稳定后的渗透系数。
6.本发明是由以下技术方案实现：
7.一种用于室内测试碎石桩排水抗液化通道淤堵特性的装置，其包括：
8.土样室，其为底部封闭的透明圆筒结构，其侧壁上设有刻度，内部设有透水底板和透水隔板，所述透水隔板垂直设置在土样室底部；所述透水底板位于透水隔板上部，其用于装填土样；所述土样室顶部开设有出水口，底部开设有进水口；
9.竖向加载系统，包括反力架和加压机构，所述土样室置于所述反力架中，所述加压机构设于所述反力架顶部，且穿入反力架与土样室中的土样接触，以对土样施加竖向压力；
10.孔压加载系统，与所述出水口和所述进水口相连通，用于在土样室进行渗透淤堵试验时提供不同的孔压；
11.动力系统，分别与所述竖向加载系统和孔压加载系统电连接，为竖向加载系统和孔压加载系统提供动力源。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.1、本发明采用透明的圆筒作为实验装置，其具有良好的稳定性，不易受到外部环境的干扰，可方便观测砂土颗粒淤堵的形态分布和在不同压力下土样的移动汇聚情况，获得淤堵厚度与时间的关系，有效减少试验误差。
14.2、本发明采用土样室结合竖向加载系统和孔压加载系统，可对土试样同时施加围压和孔压，可用于模拟不同深度位置和不同孔压的环境条件，测试土试样组合在不同围压和孔压作用下的渗透系数。
15.进一步地，所述反力架包括底板、顶板和若干根反力拉杆，所述反力拉杆的两端分别与所述顶板和底板固定连接，且顶板上还开设有容许所述加压机构通过的通孔。反力架的作用是为加压机构提供支座反力，支撑加压机构。顶板和底板之间由多根反力拉杆螺旋连接，形成反力架，土样室从反力架顶部放入其中，加压机构中的气压缸设置在反力架的顶部，对土样室进行竖向施压。
16.进一步地，所述加压机构包括气压缸、传力杆和透水加载板；所述气压缸设于所述顶板上，其底部与顶板固接，且覆盖在所述通孔上；所述透水加载板设置在所述土样室内；所述传力杆一端设于所述气压缸中，另一端穿过通孔进入到土样室，与设于土样上方的透水加载板固接。气压缸设置在反力架顶部，由动力系统施加压力值，通过传力杆和透水加载板实现对土样的竖向加压，并且可模拟土样在不同深度位置的围压。
17.进一步地，所述孔压加载系统包括水箱、气液转换器和量筒；所述水箱与气液转换器通过一三通开关连通，以实现气压转换水压，所述三通开关另一端口连接到所述土样室底部的进水口；所述量筒用于承接从土样室顶部出水口排出的水。水箱、气液转换器通过三通开关与土样室相连接，实现水箱、气液转换器、土试样室三者之间相互联通和闭合；在试验过程中，操作人员先旋转三通开关连通土样室和水箱，水箱中的水从土样室底部的进水口进入土样室中，待水漫过土样从出水口溢出时，旋转三通开关连通气液转换器和土样室，动力系统向气液转换器提供试验气压，与此同时，气液转换器中的水在气压的作用下流入土样室，从出水口流出到量筒，在此过程中，观测土样在孔压作用下的移动淤堵情况及记录相关数据。
18.进一步地，所述动力系统采用双出口空压机，其一出口连接气压缸，另一出口连接气液转换器。
19.进一步地，所述双出口空压机与所述气压缸之间、所述双出口空压机与所述气液转换器之间，均串联有气动定值器和气压表。气动定值器的作用是稳压调节，配合气压表精确控制施加在气压缸和气液转换器上的压力值。
20.进一步地，所述透水底板与透水隔板焊接固定，且在所述透水底板上铺设有透水石层。透水底板与透水隔板焊接，形成带有一定空腔的组合件，透水底板和透水隔板和自由移出土样室，方便试验后清洗桶内底部残留的砂土颗粒。组合件置于土样室底部，土样室的进水口开设在形成的空腔中，水从底部进入土样室，依次漫过组合件、透水石、土样、透水加载板，最后从出水口溢出到量筒。透水底板与透水隔板形成空腔可确保水压均匀施加与土样底部，且可传递上部加载的压力，底板上放置透水石层可传递孔压且可阻挡砂土散落。
21.进一步地，所述加压机构还包括压力传感器，所述压力传感器固定在所述传力杆上，以测量传力杆的压力。压力传感器设置在传力杆上，反馈施加荷载。
22.进一步地，所述底板上开设有直径与所述土样室一致的限位凹槽，用以土样室的
对中和限位。土样室放置在限位凹槽中，防止左右移动，减少试验误差。
23.进一步地，所述反力拉杆的一端设有外螺纹，所述底板的边缘位置开设有与所述反力拉杆相匹配的内螺纹，反力拉杆与底板通过外螺纹螺旋固定连接；所述顶板上开设有与所述反力拉杆对应的圆孔，反力拉杆的另一端穿过圆孔与顶板通过螺帽固定连接。
附图说明
24.图1为本发明的测试装置的结构示意图；
25.图2为本发明的测试装置中透水底板的俯视图；
26.图3为本发明的测试装置中透水隔板的侧视图；
27.图4为本发明的测试装置中反力架的结构示意图；
28.图5为本发明的测试装置中反力架的侧视图。
29.其中，附图说明，1
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土样室；2
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反力架；3
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加压机构；4
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气液转换器；5
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水箱；6
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三通开关；7
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量筒；8
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双出口空压机；9
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气动定值器；10
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气压表；11
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进水口；12
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出水口；13
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透水底板；14
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透水隔板；15
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透水石；21
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底板；22
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顶板；23
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反力拉杆；24
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螺母；25
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限位卡槽；31
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气压缸；32
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传力杆；33
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透水加载板；34
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压力传感器；41
‑
气液转换器排气口；51
‑
水箱出口。
具体实施方式
30.下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于此。
31.请参考图1，本发明提供一种用于室内测试碎石桩排水抗液化通道淤堵特性的装置，其由土样室1、竖向加载系统、孔压加载系统和动力系统四部分组成；
32.所述土样室1为底部封闭的透明圆筒结构，筒壁上设有刻度，顶部侧壁开设有出水口12，底部侧壁开设有进水口11，内部设置有透水底板13和透水隔板14，透水底板13与透水隔板14顶部焊接成组合件，放置在土样室1的底部，透水隔板14将透水底板13与土样室1底部隔开，形成一定的空腔，如图2和图3所示；土样室1底部侧壁的进水口11开设在形成的空腔中，水从底部进入土样室1，并渐渐漫过土样从出水口12溢出。此外，透水隔板14隔开形成的空腔可确保水压均匀施加于土试样1底部，且可传递上部加载的压力，在透水底板13上放置透水石15，在传递孔压的同时，可阻挡砂土散落。
33.本实施例的土样室1采用底部封闭的透明有机玻璃圆筒，其内径为300mm，内高为400mm，壁厚为10mm，参照《土工试验方法标准》(gbt50123
‑
2019)，渗透试验圆筒内径与最大粒径比不应小于5:1，因此本实施例的圆筒可用于测试最大粒径为60mm的碎石料。
34.所述竖向加载系统包括反力架2和加压机构3，所述反力架2有圆形的顶板22、底板21和八根反力拉杆23组成，如图1、图4和图5所示，顶板22上沿着圆周均匀开设有与反力拉杆23相匹配的圆孔，反力拉杆23一端穿过圆孔与顶板22上的螺帽24固定连接，从而连接固定到顶板22，其另一端设有外螺纹，底板21的相应位置上开设有与外螺纹相匹配的内螺纹，反力拉杆23的另一端与底板21螺旋连接固定，整体形成反力架2，为加压机构3提供支座反力；所述加压机构3包括气压缸31、传力杆32和透水加载板33，气压缸31固定在反力架顶板
22中部位置，且顶板22上开设有容许传力杆32通过的通孔，通孔设于顶板22圆心位置，传力杆32一端设置在气压缸31内，另一端穿过通孔与置于土样上方的透水加载板33固接；反力架2为气压缸31提供支座反力，传力杆32和透水加载板33对土样施加竖向的压力，模拟土样在不同深度位置的围压。
35.本实施例中，顶板22采用直径480mm，厚度20mm的圆形钢板，其圆周上均匀分布8个直径为20mm的圆孔；底板21采用厚度为50mm的钢板，与圆孔对应的位置内开有直径20mm，深度30mm的内螺纹；反力拉杆23采用直径为20mm的高强度拉杆。
36.本实施例中，透水加载板33、透水底板13和透水隔板14均采用开孔的钢板，其厚度为10mm，开孔率为40％
‑
60％，开孔直径为2mm，以确保土样室1的水无阻碍漫过所有土样。
37.在一实施例中，反力架2的底板21上开设有深度为2mm的限位卡槽25，其直径与土样室1的直径一致，限位卡槽25的中心点位于底板21的圆心，使用时，土样室1放置在限位卡槽25中，不容易移动，避免测试过程中受到外部影响，造成试验偏差。
38.在一实施例中，在传力杆32上还设置有压力传感器34，压力传感器34可以随时监测传力杆32的压力，并收集数据，方面后续的数据处理。
39.所述孔压加载系统包括水箱5、气液转换器4和量筒7；如图1所示，水箱5、气液转换器4和土样室1的进水口11通过一三通开关6相连通，实现水箱5、气液转换器4、土样室1三者之间的相互连通和闭合；量筒7置于反力架2侧边，用于承接从土样室1顶部出水口12排出的水。
40.优选地，水箱出口51与气液转换器4顶部高度一致。
41.所述动力系统采用双出口空压机8，其一出口连接到气压缸31，为气压缸31提供压力，另一出口连接到气液转换器4，为气液转换器4提供气压，且在双出口空压机8与气压缸31和气液转换器4之间，均还串联有气动定值器9和气压表10，气压缸31通过气动定值器9与双出口空压机8串联，可精确控制施加在土体上的压力值，气液转换器4通过气动定值器9与双出口空压机8串联，实现气液转换，将气压转换为水压，配合气压表10精准施加孔压。
42.基于上述方案，本发明的试验过程如下：
43.1)将土样室1取出，按照顺序分别放置透水底板13与透水隔板14组合件、透水石15，并分层铺设砂土和碎石层，将土样室1放置于反力架底板21的限位凹槽25中，调节传力杆32与透水加载板33使其与碎石土顶面接触；然后将三通开关6旋转连接水箱5和土样室1，待水从出水口12溢流1
‑
2min，以充分饱和土体，接着将三通开关6旋转连接水箱5和气液转换器4，打开气液转换器排气孔41，待气液转换器4的水位与水箱5水位等高，关闭三通开6。
44.2)启动双出口空压机8，打开与竖向加载系统联通开关，通过气动定值器9施加固定压力值，提供试验围压值，待压缩土体稳定后，打开双出口空压机8与孔压加载系统联通开关，通过气动定值器9施加固定压力值，提供试验用孔压，同时旋转三通开关6联通气液转换器4与土样室1，此时气液转换器4中的水在超孔压作用下流入土样室1，按照从下到上顺序，水流分别经过透水底板13、透水石15和透水加载板33，并由出水口13溢出，流入量筒7。
45.3)当出水口13溢流稳定后，可观测砂土颗粒在超孔压作用下缓慢移动淤堵过程，在观测同时间隔一定时间记录淤堵层厚度h2，当淤堵高度不再变化时，开始采用秒表记录单位时间内量筒7接受的流量，反复测量三次，并计算此时的渗透系数k。
46.试验开始前分别获取砂土渗透系数k1和碎石土渗透系数k3，并根据竖直渗流的水
流连续原理，将土层分别看成砂层、淤堵层和碎石层，高度可测量得到为h1、h3，由流经各土层流速与流经等效土层的流速相同，可计算出淤堵层渗透系数k2。根据获取的淤堵层厚度h2及渗透系数k2，可对排水通道淤堵后排水抗液化特性进行评估。
47.由上述可知，本发明提供的测试装置同时设置竖向加载系统和孔压加载系统，可实现同时对土样施加围压和孔压，方便测试碎石排水通道在不同围压和孔压作用下淤堵厚度及淤堵稳定后渗透系数，合理评价碎石桩淤堵后排水功能。
48.本发明提供的测试装置操作方便，具有良好的稳定性，可在室内开展级配分析以及渗透系数测定来评定排水通道淤堵后性能，不受施工现场环境的影响，可推广使用。
49.以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限定本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，应当包含在本发明的保护范围内。