室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置，包括以下部分：軸向加壓裝置；壓力室固定在升降臺(tái)上，壓力室內(nèi)設(shè)有環(huán)形壓板、上透水板、下透水板，所述環(huán)形壓板、上透水板分別連接外傳力桿和內(nèi)傳力桿，外傳力桿和內(nèi)傳力桿與軸向加壓裝置相連接；剪切控制器用于驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)；周?chē)鷫毫刂破魍ㄟ^(guò)圍壓管道與壓力室連通，圍壓管道上設(shè)有圍壓傳感器；反壓力控制器通過(guò)頂部管道與環(huán)形壓板的上透水孔連接；頂部管道上設(shè)有反壓力傳感器；孔隙壓力傳感器通過(guò)底部管道與試樣內(nèi)部相通；數(shù)據(jù)采集器；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分別與數(shù)據(jù)采集器、剪切控制器、周?chē)鷫毫刂破骱头磯毫刂破飨噙B接。
【專利說(shuō)明】室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)原位K3tl測(cè) 試基床系數(shù)的土工試驗(yàn)自動(dòng)化裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 1867年Winkler在研宄鐵路路基上部結(jié)構(gòu)時(shí)，提出彈性地基的假設(shè)：地基上任意 一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度P與該點(diǎn)的地基沉降量s成正比，表述為：K=P/s。工程上常將直徑 為30cm的承壓板產(chǎn)生0. 125cm沉降時(shí)的壓力強(qiáng)度P與沉降量s(0. 125cm)之比，稱標(biāo)準(zhǔn)基床 系數(shù)K3tl?；蚕禂?shù)作為一種地基壓縮性大小的參數(shù)，率先在彈性地基上的梁板計(jì)算中得到 應(yīng)用，而后應(yīng)用于承受橫向荷載的結(jié)構(gòu)物內(nèi)力分析、地基抗力計(jì)算等。目前，基床系數(shù)已被 我國(guó)設(shè)計(jì)人員廣泛應(yīng)用于境內(nèi)外城市軌道交通、鐵路路基、沉管隧道等一系列工程計(jì)算中， 并被國(guó)標(biāo)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013)、《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001，2009年 版）等規(guī)范列入及指導(dǎo)應(yīng)用。若基床系數(shù)設(shè)計(jì)取值比實(shí)際值偏小，會(huì)使設(shè)計(jì)方案趨于保守， 造成工程浪費(fèi)；若基床系數(shù)設(shè)計(jì)取值比實(shí)際值偏大，會(huì)使所采用的工程措施安全性降低，并 可能危及工程安全。
[0003] 現(xiàn)有測(cè)定基床系數(shù)的方法主要有：1)原位測(cè)試IW法（簡(jiǎn)稱K3tl),現(xiàn)場(chǎng)在K3tl載荷 剛性壓板上逐級(jí)加荷，測(cè)定地基的變形與荷載變化的關(guān)系，根據(jù)載荷與沉降（P?s)曲線確 定基床系數(shù)；2)室內(nèi)三軸法，室內(nèi)先對(duì)試樣進(jìn)行飽和及固結(jié)處理，然后在不同應(yīng)力路徑下 進(jìn)行固結(jié)排水剪三軸試驗(yàn)，繪制A〇 /?Ahtl曲線，根據(jù)曲線初始切線模量或某一割線模 量得到基床系數(shù)。
[0004] K3tl法作為獲取基床系數(shù)的首選，適應(yīng)測(cè)定表層土和施工階段基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi) 的土體，但易受試驗(yàn)方法的局限及現(xiàn)場(chǎng)條件限制。近年來(lái)，由于地下空間的開(kāi)發(fā)利用，基礎(chǔ) 和地下工程的埋置深度呈現(xiàn)向深層發(fā)展的趨勢(shì)。勘察階段對(duì)不開(kāi)挖的表層以下各土層很難 直接通過(guò)實(shí)測(cè)測(cè)定，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)必須有提供反力的設(shè)施，實(shí)施起來(lái)耗費(fèi)人力物力較大，從而限 制了K3tl法的大規(guī)模應(yīng)用，水運(yùn)工程受限尤為顯著。
[0005] 現(xiàn)有《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307-2012)(簡(jiǎn)稱城交規(guī)范）針對(duì)室 內(nèi)三軸法推薦了二個(gè)應(yīng)用實(shí)例：1)鐵三院中心試驗(yàn)室在常規(guī)三軸儀上對(duì)試樣按深度固結(jié)， 恢復(fù)土的原始狀態(tài)，通過(guò)土的靜止側(cè)壓力系數(shù)Ktl計(jì)算出圍壓〇 3，施加圍壓〇3后對(duì)試樣進(jìn) 行壓縮剪切，試驗(yàn)得到應(yīng)變?yōu)镮. 25_時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，這樣得到的基床系數(shù)值較為接近經(jīng)驗(yàn) 值；2)上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研宄院根據(jù)取樣深度確定固結(jié)壓力，采用傳統(tǒng)三軸儀，進(jìn)行 等向固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后，用三軸固結(jié)排水剪得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，試驗(yàn)結(jié)果也較為接近經(jīng) 驗(yàn)值。室內(nèi)三軸法因快捷、簡(jiǎn)便、低成本、無(wú)環(huán)境限制等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了M去的缺陷，但試驗(yàn)時(shí) 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線初始直線段不明顯或離散性較大，試驗(yàn)結(jié)果比K3tl獲取的試驗(yàn)結(jié)果大2? 8倍，以致設(shè)計(jì)無(wú)法直接采納?！冻墙灰?guī)范》在鼓勵(lì)創(chuàng)新的同時(shí)，建議室內(nèi)三軸法取值應(yīng)按各 地區(qū)K3tl法或經(jīng)驗(yàn)值綜合確定基床系數(shù)。
[0006] 另，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)CN101377079A已公開(kāi)了"一種室內(nèi)測(cè)定基床系 數(shù)的方法"。對(duì)土體直徑39. 1mm、高度80mm試樣，通過(guò)控制〇3不變，來(lái)滿足Ao3/A〇1 = 0這一種試驗(yàn)條件，采用室內(nèi)固結(jié)排水三軸法獲取基床系數(shù)，取得有益嘗試。但現(xiàn)有公知常 識(shí)已在公開(kāi)文獻(xiàn)及國(guó)家規(guī)范中清楚表明，并非控制〇 3不變而逐步增大〇 :加荷試驗(yàn)，而應(yīng) 按不同的應(yīng)力路徑控制圍壓增量，這樣的結(jié)果最為接近K3tl值；另外，CN101377079A所繪制 E?Ae曲線，需按土性選取基床系數(shù)，更顯得試驗(yàn)結(jié)果的不確定性。
[0007] 又，中國(guó)實(shí)用新型專利200920227682. 4公開(kāi)了一種"基床系數(shù)試驗(yàn)測(cè)試裝置"，采 用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的壓力艙方式，通過(guò)側(cè)向加壓恢復(fù)自重壓力狀態(tài)，然后豎向加壓直接測(cè)定土的 基床系數(shù)，為室內(nèi)快速測(cè)定基床系數(shù)取得了有益的突破。但由于采用水頭飽和法，對(duì)軟粘土 存在飽和不足現(xiàn)象；受室內(nèi)試驗(yàn)邊界條件限制，無(wú)法測(cè)出試樣軸向加載側(cè)壁剪應(yīng)力，以致影 響基床系數(shù)的準(zhǔn)確性。
[0008] 現(xiàn)有室內(nèi)三軸法所存在的缺陷：1)實(shí)際壓縮沉降影響深度超過(guò)試樣高度，以至測(cè) 得的沉降量s偏小；2)無(wú)法測(cè)出試樣軸向加載〇i產(chǎn)生的側(cè)壁剪應(yīng)力f，造成試樣軸向荷載 P(P= 〇i_f)偏大。上述原因使得試驗(yàn)結(jié)果與K3tl比較偏差過(guò)大，以至設(shè)計(jì)無(wú)法直接采納。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以在室內(nèi)快速、準(zhǔn)確地測(cè)出基床系數(shù)的自 動(dòng)化裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自 動(dòng)化裝置，包括以下部分：軸向加壓裝置，包括一個(gè)基座、可以相對(duì)于基座上下運(yùn)動(dòng)的升降 臺(tái)和固定在基座上的加壓支架，還包括用于測(cè)量所述升降臺(tái)相對(duì)于基座的位移的位移傳感 器，所述加壓支架上設(shè)有壓力桿，壓力桿上設(shè)有荷載傳感器；壓力室，固定在升降臺(tái)上，用于 放置試樣，壓力室內(nèi)設(shè)有位于試樣底部的底座和位于試樣頂部的環(huán)形壓板，環(huán)形壓板上設(shè) 有上透水孔，環(huán)形壓板的內(nèi)圈設(shè)有上透水板，底座上設(shè)有下透水孔，底座的上面設(shè)有下透水 板，所述環(huán)形壓板、上透水板分別連接外傳力桿和內(nèi)傳力桿，所述外傳力桿和內(nèi)傳力桿與所 述加壓支架上的壓力桿相連接；剪切控制器，與所述升降臺(tái)傳動(dòng)連接，用于驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)上下 運(yùn)動(dòng)；周?chē)鷫毫刂破?，通過(guò)圍壓管道與壓力室連通，圍壓管道上設(shè)有圍壓傳感器；反壓力 控制器，通過(guò)頂部管道與所述環(huán)形壓板的上透水孔連接；頂部管道上設(shè)有反壓力傳感器； 孔隙壓力傳感器，通過(guò)底部管道與所述底座的下透水孔連接；數(shù)據(jù)采集器，分別與所述位移 傳感器、荷載傳感器、圍壓傳感器、反壓力傳感器和孔隙壓力傳感器相連接；計(jì)算機(jī)控制系 統(tǒng)，分別與所述數(shù)據(jù)采集器、剪切控制器、周?chē)鷫毫刂破骱头磯毫刂破飨噙B接。
[0011] 優(yōu)選地，還包括一個(gè)上端開(kāi)口的排水管，所述排水管的下端通過(guò)第一三通閥與頂 部管道相連接。
[0012] 優(yōu)選地，還包括一個(gè)上端開(kāi)口的量管，所述量管的下端通過(guò)第二三通閥與底部管 道相連接。
[0013] 優(yōu)選地，所述剪切控制器、周?chē)鷫毫刂破骱头磯毫刂破骶鶠橐簤核欧姍C(jī)，所 述液壓伺服電機(jī)包括依次連接的伺服電機(jī)、定量泵和液壓缸。
[0014] 優(yōu)選地，所述位移傳感器設(shè)置在傳力桿與壓力室之間。
[0015] 優(yōu)選地，所述壓力桿通過(guò)一個(gè)變徑控制器與外傳力桿、內(nèi)傳力桿相連接。
[0016] 優(yōu)選地，所述圍壓管道、頂部管道和底部管道均采用橡膠軟管。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0018] 1、本發(fā)明裝置根據(jù)國(guó)標(biāo)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999)設(shè)計(jì)，可采用變 徑加壓方式，能在室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)K3tl的應(yīng)力路徑及邊界條件，模擬軸向加載時(shí)土體產(chǎn)生的側(cè) 壁剪應(yīng)力€對(duì) 〇1的影響，自動(dòng)繪制A〇i'?e試驗(yàn)曲線，并計(jì)算得到基床系數(shù)。
[0019] 2、本發(fā)明裝置具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣的孔隙水壓力、周?chē)鷫毫头磯毫ψ兓闆r，自 動(dòng)執(zhí)行反壓力飽和、排水固結(jié)、剪切試驗(yàn)；實(shí)時(shí)檢測(cè)軸向荷載和試樣沉降的軸向變形，自動(dòng) 判斷試樣是否產(chǎn)生剪切破壞或者剪切過(guò)程是否應(yīng)該終止。
[0020] 3、本發(fā)明裝置采用通用的測(cè)力及位移傳感器，各模塊組件的通用性好，從而可降 低整個(gè)裝置的成本。
[0021] 4、本發(fā)明裝置具備較高的自動(dòng)化水平，試驗(yàn)人員只需通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè) 置好試驗(yàn)流程，設(shè)定好試驗(yàn)參數(shù)，就能以無(wú)人干預(yù)的方式高精度地自動(dòng)完成基床系數(shù)測(cè)試。 該裝置不僅大大地縮短了試驗(yàn)時(shí)間，也節(jié)約了大量的人力和物力資源，具有顯著的現(xiàn)實(shí)意 義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。也為今后《城交規(guī)范》室內(nèi)三軸法基床系數(shù)章節(jié)修編，提供了有益的參考。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置的組成示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣飽和時(shí)的示意圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣固結(jié)時(shí)的示意圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣剪切時(shí)的示意圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明自動(dòng)化裝置生成的一種A〇 /?e曲線圖。
[0027]圖6為本發(fā)明自動(dòng)化裝置中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖。
[0028] 圖中：
[0029] 1、試樣 2、橡皮膜 3、環(huán)形壓板
[0030] 4、注水口 5、外傳力桿 6、內(nèi)傳力桿
[0031] 7、上透水板 8、壓力室 9、下透水板
[0032] 10、剪切控制器 11、基座 12、加壓支架
[0033] 13、荷載傳感器 14、壓力桿 15、位移傳感器
[0034]16、變徑控制器 17、底座 18、升降臺(tái)
[0035] 19、活動(dòng)閘板 20、反壓力控制器 21、反壓力傳感器
[0036] 22、第一三通閥 23、頂部管道 24、排水管
[0037] 25、排水閥 30、周?chē)鷫毫刂破?31、圍壓傳感器
[0038] 32、圍壓管道 40、數(shù)據(jù)采集器 50、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
[0039] 61、孔隙壓力傳感器62、第二三通閥 63、底部管道
[0040] 64、量管 65、量管閥

【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。這些實(shí)施方式僅用于 說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。
[0042]如圖1所示，本發(fā)明一種室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置，包括軸向加壓裝置、剪 切控制器10、壓力室8、周?chē)鷫毫刂破?0、反壓力控制器20和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50等。
[0043] 其中，軸向加壓裝置包括一個(gè)固定安裝的基座11、一個(gè)升降臺(tái)18和一個(gè)加壓支架 12,升降臺(tái)18與所述剪切控制器10相連接，在剪切控制器10的驅(qū)動(dòng)下，升降臺(tái)18可以相 對(duì)于基座11上下運(yùn)動(dòng)，加壓支架12固定在基座11上，加壓支架12上設(shè)有一根向下延伸的 壓力桿14。該軸向加壓裝置還包括位移傳感器15和荷載傳感器13,位移傳感器15用于測(cè) 量升降臺(tái)18相對(duì)于基座11的位移，位移傳感器15優(yōu)選地設(shè)置在傳力桿與壓力室8之間； 荷載傳感器13設(shè)置在所述壓力桿14上，用于測(cè)量軸向加壓的荷載。
[0044] 壓力室8是一個(gè)下端開(kāi)口的殼體，壓力室8的下端可以通過(guò)螺栓與升降臺(tái)18的頂 面密封連接，從而與升降臺(tái)18共同圍成一個(gè)封閉的空間，用于放置待測(cè)試樣1。在壓力室8 內(nèi)設(shè)有位于試樣1底部的底座17和位于試樣1頂部的環(huán)形壓板3,環(huán)形壓板3上設(shè)有上透 水孔，環(huán)形壓板3的外徑與試樣1的直徑相同，環(huán)形壓板3相有一內(nèi)孔，環(huán)形壓板3的內(nèi)孔 中設(shè)有上透水板7,上透水板7的直徑與環(huán)形壓板3的內(nèi)孔直徑相同；底座17固定在升降 臺(tái)18上，底座17上設(shè)有下透水孔，底座17的上面墊有下透水板9,所述環(huán)形壓板3、上透水 板7分別連接外傳力桿5和內(nèi)傳力桿6,外傳力桿5是一根空心桿，內(nèi)傳力桿6位于外傳力 桿5的內(nèi)孔中，外傳力桿5和內(nèi)傳力桿6的上端從壓力室8頂部的孔中穿出，并通過(guò)一個(gè)變 徑控制器16與壓力桿14相連接，該變徑控制器16可以使壓力桿14上的荷載通過(guò)外傳力 桿5和/或內(nèi)傳力桿6傳遞給壓力室8中的試樣1。在本優(yōu)選實(shí)施例中，變徑控制器16是 一個(gè)具有活動(dòng)閘板19 (參加圖3、圖4)的聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器連接外傳力桿5和壓力桿14,當(dāng) 變徑控制器16關(guān)閉時(shí)，其中的活動(dòng)閘板19關(guān)閉，壓力桿14上的荷載可同時(shí)通過(guò)外傳力桿 5、內(nèi)傳力桿6及環(huán)形壓板3、上透水板7傳遞給壓力室8中的試樣1 ;當(dāng)變徑控制器16打開(kāi) 時(shí)，其中的活動(dòng)閘板19打開(kāi)，壓力桿14上的荷載僅通過(guò)內(nèi)傳力桿6和上透水板7傳遞給壓 力室8中的試樣1。變徑控制器16的開(kāi)、關(guān)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50控制。顯然，外傳力桿5 與壓力室8的孔壁之間，以及外傳力桿5與內(nèi)傳力桿6之間應(yīng)當(dāng)有密封措施。
[0045] 周?chē)鷫毫刂破?0通過(guò)圍壓管道32與壓力室8內(nèi)部連通，圍壓管道32上設(shè)有圍 壓傳感器31。反壓力控制器20通過(guò)頂部管道23與所述環(huán)形壓板3的上透水孔連接，頂部 管道23上設(shè)有反壓力傳感器21 ;在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案中，還包括一個(gè)上端開(kāi)口的排水 管24,排水管24的下端通過(guò)第一三通閥22與頂部管道23相連接。在排水管24和第一三 通閥22之間還設(shè)有一個(gè)排水閥25。一個(gè)量管64的下端通過(guò)第二三通閥62與底部管道63 相連接，底部管道63與所述底座17的下透水孔連接，量管64的上端開(kāi)口，底部管道63上 還通過(guò)第二三通閥62連接一個(gè)孔隙壓力傳感器61。在量管64和第二三通閥62之間還設(shè) 有一個(gè)量管閥65。
[0046] 上述圍壓管道32、頂部管道23和底部管道63優(yōu)選地采用橡膠軟管。
[0047] 上述位移傳感器15、荷載傳感器13、圍壓傳感器31、反壓力傳感器21和孔隙壓力 傳感器61分別與一個(gè)數(shù)據(jù)采集器40相連接，數(shù)據(jù)采集器40與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50相連接， 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50又分別與所述剪切控制器10、周?chē)鷫毫刂破?0、反壓力控制器20、第 一三通閥22、第二三通閥62和變徑控制器16相連接。
[0048] 優(yōu)選地，所述剪切控制器10、周?chē)鷫毫刂破?0和反壓力控制器20均為液壓伺 服電機(jī)，所述液壓伺服電機(jī)是一種現(xiàn)有的產(chǎn)品，它包括依次連接的伺服電機(jī)、定量泵和液壓 缸。伺服電機(jī)帶動(dòng)定量泵工作，定量泵將定量的液壓油打入液壓缸中，使液壓缸的活塞產(chǎn)生 一個(gè)相應(yīng)的位移。其中，對(duì)于剪切控制器10而言，液壓缸中活塞的位移就帶動(dòng)升降臺(tái)18上 下運(yùn)動(dòng)；對(duì)于周?chē)鷫毫刂破?0而言，液壓缸中活塞的位移會(huì)壓縮圍壓管道32和壓力室8 中的水，從而控制壓力室8中的試樣周?chē)鷫毫?；?duì)于反壓力控制器20而言，液壓缸中活塞的 位移會(huì)壓縮頂部管道23和試樣孔隙中的水，從而使試樣1中的孔隙水排出。
[0049] 一些設(shè)計(jì)參數(shù)：
[0050] 試樣 1 的尺寸：直徑0= 39.IXn(mm),高度hQ= 80Xn(mm)，n= 1. 5 ?2倍；
[0051] 軸向荷載（〇D范圍：0_10kN，誤差±1% ;
[0052] 周?chē)鷫毫Γī?3)范圍：0_2MPa，誤差± 1 % ;
[0053] 反壓力（〇b)范圍：0_lMPa，誤差 ± 1 % ;
[0054] 軸向位移（Ah)量程為0?30 (mm)。
[0055] 荷載傳感器13、圍壓傳感器31、反壓力傳感器21、孔隙壓力傳感器61和位移傳感 器15可采用電阻式、電感式或電容式等類型的壓力及位移傳感器，現(xiàn)有技術(shù)中種類繁多， 只要滿足設(shè)計(jì)量程和精度要求均可。
[0056] 利用本發(fā)明自動(dòng)化裝置在室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的步驟如下。
[0057] 1、試樣安裝
[0058] 如圖1所示，在升降臺(tái)18上面的底座17上依次放置下透水板9、試樣1和上透水 板7,試樣1的上下兩端貼有濕濾紙，試樣1周?chē)操N浸水濾紙若干條，試樣1外面套有橡皮 膜2。用橡皮圈將橡皮膜2下端與底座17扎緊。從底部管道63向試樣1中通水，比如可 以在量管64中加入一定量的水，打開(kāi)量管閥65,使水緩慢地從試樣1底部流入，排除試樣1 與橡皮膜2之間的氣泡，然后放上環(huán)形壓板3,用橡皮圈將橡皮膜2上端與環(huán)形壓板3扎緊， 關(guān)閉量管閥65。放下壓力室8,使壓力桿14與內(nèi)傳力桿6對(duì)準(zhǔn)，并使內(nèi)傳力桿6對(duì)準(zhǔn)試樣 1中心，然后擰緊壓力室8下端的連接螺母，使壓力室8與升降臺(tái)18密封連接，從壓力室8 頂部的注水口 4向壓力室8內(nèi)注滿純水，然后擰緊注水口 4。
[0059] 2、試樣飽和
[0060] 如圖1、圖2所示，頂部管道23中也預(yù)先加滿水，由于頂部管道23與環(huán)形壓板3 相連，從而將水通過(guò)環(huán)形壓板3、上透水板7與試樣1孔隙中的水連為一體。關(guān)閉第二三通 閥62 (即，使試樣孔隙中的水通過(guò)底部管道63與孔隙壓力傳感器61連通，而與量管64斷 開(kāi)）；打開(kāi)第一三通閥22 (即，使反壓力控制器20、反壓力傳感器21通過(guò)頂部管道23與試 樣孔隙中的水連通，而排水管24與試樣孔隙中的水?dāng)嚅_(kāi)），反壓力控制器20可通過(guò)頂部管 道23向試樣1上部施加反壓力，通過(guò)反壓力傳感器21可測(cè)得反壓力值 〇 b;周?chē)鷫毫刂?器30通過(guò)圍壓管道32與壓力室8內(nèi)部連通，圍壓管道32上的圍壓傳感器31用以測(cè)量壓 力室8中的水壓力，也就是施加于試樣1的周?chē)鷫毫Ι?3;然后反壓力控制器20與周?chē)鷫毫?控制器30-起以預(yù)定的增量（A〇b、A〇 3)逐級(jí)加載，對(duì)試樣1實(shí)施反壓力飽和，并通過(guò) 孔隙壓力傳感器61測(cè)出試樣1中的孔隙水壓力u，當(dāng)孔隙水壓力增量Au與周?chē)鷫毫υ隽?A〇3之比達(dá)到一定值時(shí)，試樣1達(dá)到充分飽和，否則繼續(xù)加載（A〇b、A〇3)，測(cè)出新的孔 隙水壓力u，循環(huán)這一過(guò)程，直至試樣1充分飽和。
[0061] 3、試樣固結(jié)
[0062] 如圖1、圖3所示，首先測(cè)定孔隙水壓力初值Ui (即試樣1飽和終止時(shí)的孔隙水壓 力），然后關(guān)閉第一三通閥22 (S卩，使試樣1孔隙中的水通過(guò)頂部管道23與排水管24連通， 而與反壓力控制器20、反壓力傳感器21斷開(kāi)），打開(kāi)第二三通閥62 (S卩，使試樣1孔隙中的 水通過(guò)底部管道63與量管64連通，而與孔隙壓力傳感器61斷開(kāi)），施加一個(gè)周?chē)鷫毫υ隽?A〇 3，關(guān)閉變徑控制器16,在剪切控制器10的驅(qū)動(dòng)下，升降臺(tái)18上升，軸向加壓裝置對(duì)試 樣1施加軸向主應(yīng)力〇 :，壓力桿14上的荷載同時(shí)通過(guò)外傳力桿5、內(nèi)傳力桿6、環(huán)形壓板3 和上透水板7傳遞給壓力室8中的試樣1，試樣孔隙水沿上下兩個(gè)方向排出到排水管24和 量管64,這樣可以加快固結(jié)。經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)間，關(guān)閉第二三通閥62,使孔隙水壓力 施加在孔隙壓力傳感器61上，測(cè)出孔隙水壓力值ut。根據(jù)Ui、Ut值計(jì)算孔隙壓力消散百分 數(shù)D。，若D。達(dá)到一個(gè)定值，則試樣1固結(jié)完成，否則再打開(kāi)第二三通閥62,再施加一個(gè)軸向 主應(yīng)力增量△ 〇1和周?chē)鷫毫υ隽俊?〇 3進(jìn)行排水，然后再關(guān)閉第二三通閥62,測(cè)孔隙水壓 力值ut，重復(fù)上述過(guò)程直至固結(jié)完成。其中，孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)D。的公式為：D。= (l-ut/ Ui)X1〇〇,式中UpUt分別為孔隙水壓力初值及tmin后的孔隙水壓力值。通常當(dāng)D。彡95% (默認(rèn)值）時(shí)，可以認(rèn)為試樣1固結(jié)完成，這一默認(rèn)值可通過(guò)參數(shù)設(shè)置改變。
[0063] 4、試樣剪切試驗(yàn)
[0064] 如圖1、圖4所示，首先打開(kāi)變徑控制器16,使壓力桿14上的荷載僅通過(guò)內(nèi)傳力桿 6和上透水板7傳遞給壓力室8中的試樣1。在剪切控制器10的驅(qū)動(dòng)下，升降臺(tái)18上升，軸 向加壓裝置對(duì)試樣1實(shí)施軸向加壓。由于軸向荷載僅施加在上透水板7的面積范圍內(nèi)，因 此會(huì)對(duì)試樣1沉降過(guò)程中的試樣側(cè)壁產(chǎn)生一個(gè)向上的剪應(yīng)力f，使得室內(nèi)測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng) 載荷試驗(yàn)結(jié)果相符。壓力桿14上安裝的荷載傳感器13,可以測(cè)出軸向主應(yīng)力（軸向荷載） 〇 :，設(shè)置在傳力桿與壓力室8之間的位移傳感器15,可以測(cè)出傳力桿相對(duì)于壓力室8的位 移，也就是試樣1的軸向變形Ah。試樣剪切過(guò)程中，也要關(guān)閉第一三通閥22并打開(kāi)第二三 通閥62,使試樣1中的水可同時(shí)排到排水管24和量管64中。試樣剪切過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)50控制周?chē)鷫毫刂破?0和剪切控制器10按設(shè)置的應(yīng)力路徑（A〇3/A〇J加載， 對(duì)應(yīng)于試樣1軸向變形的每一個(gè)增量（比如0. 1或0. 2_)，采集一次軸向主應(yīng)力〇 ^直，依 此重復(fù)，根據(jù)試樣1的初始長(zhǎng)度b和軸向變形Ah，根據(jù)e=AhAtlXlOO^計(jì)算出試樣1 的應(yīng)變e，根據(jù)算式〇1' = 〇1-u計(jì)算出有效應(yīng)力〇1'，并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示A〇1'?e 曲線（其中A〇 /為〇 /與固結(jié)終止時(shí)的軸向主應(yīng)力的差值），直至e= 10?20%時(shí) 終止，顯示出完整的A〇 /?e關(guān)系曲線，計(jì)算出Ah=I. 25mm時(shí)的應(yīng)變e(此時(shí)e= I. 25/hJ所對(duì)應(yīng)的A〇/，計(jì)算得到基床系數(shù)值。
[0065] 上述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50中的基床系數(shù)程序包括五項(xiàng)主要功能：初始化和參數(shù)設(shè) 置、反壓力飽和計(jì)算、排水固結(jié)計(jì)算、剪切計(jì)算、數(shù)據(jù)寫(xiě)入及采集處理模塊。其中，參數(shù)設(shè)置 包括飽和判別值、固結(jié)判別值、應(yīng)力路徑n=A〇3/A〇1、反壓力增量、周?chē)鷫毫υ隽?、主?yīng) 力增量、剪切速率、傳感器數(shù)據(jù)采集間隔、Ah采樣終止值等，由試驗(yàn)人員通過(guò)人機(jī)對(duì)話方式 輸入；反壓力飽和計(jì)算功能，可持續(xù)讀取試樣孔隙水壓力值數(shù)據(jù)及計(jì)算飽和度，若孔隙水壓 力增量與周?chē)鷫毫υ隽恐華u/A〇3多設(shè)定的飽和判別值，則試樣飽和；排水固結(jié)功能， 用于測(cè)定試樣固結(jié)程度，首先讀取孔隙水壓力初值，待施加一個(gè)周?chē)鷫毫υ隽糠€(wěn)定后，再讀 取孔隙水壓力值ut，計(jì)算孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)D。，若D。多設(shè)定的固結(jié)判別值，則試樣固結(jié)完 成，否則再施加一個(gè)周?chē)鷫毫υ隽?，再讀取孔隙水壓力值ut，重復(fù)上述過(guò)程，直至固結(jié)完成； 試樣剪切功能，按設(shè)置的應(yīng)力路徑加載，讀取試樣軸向變形Ah和軸向應(yīng)力〇1值，以此重 復(fù)，直至e達(dá)10?20%時(shí)終止，并計(jì)算出應(yīng)變e=1.25/心時(shí)的基床系數(shù)值。
[0066] 圖6所示為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)50中基床系數(shù)程序的運(yùn)行流程圖，它包括：?jiǎn)?dòng)處理 系統(tǒng)、執(zhí)行初始化和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、讀取初始值、反壓力飽和計(jì)算、排水固結(jié)計(jì)算、剪切試驗(yàn) 計(jì)算、采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入處理和繪圖打印等處理。
[0067] 其中參數(shù)設(shè)置包含：〇 b、〇 3和〇 1的初始值及其增量值A(chǔ)〇b、A〇 3和A〇 1;試 樣直徑0、試樣高度飽和判別值Sl;應(yīng)力路徑n;固結(jié)判別值；剪切速率；傳感器數(shù)據(jù)采 集間隔和穩(wěn)定時(shí)間tmin等值；
[0068] 讀取初始值包括：傳感器初始數(shù)值歸零，讀取已設(shè)定的參數(shù)；
[0069] 反壓力飽和計(jì)算：持續(xù)讀取試樣孔隙水壓力u及判別飽和度，若滿足Au/ A〇 3彡S1，則試樣飽和完成，Sl的默認(rèn)值為0. 98,若不滿足Au/A〇 3彡S1，則增加一個(gè) 〇 3增量，再讀取孔隙水壓力u，再判別飽和度Sl，直至滿足上述條件；
[0070] 排水固結(jié)計(jì)算用于測(cè)定試樣固結(jié)程度，首先測(cè)定孔隙水壓力初值Ui。施加一個(gè)〇 3 增量，經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)間，讀取孔隙水壓力值ut，計(jì)算孔隙壓力消散百分?jǐn)?shù)D。，若D。多 設(shè)定的固結(jié)判別值，固結(jié)判別值一般取95%，則試樣固結(jié)完成，否則再增加一個(gè)〇 3增量，再 讀取孔隙水壓力值ut，再判別消散百分?jǐn)?shù)D。，直至滿足上述條件；
[0071] 剪切試驗(yàn)計(jì)算功能按設(shè)置的應(yīng)力路徑加載，讀取試樣軸向變形Ah和軸向荷載〇 : 值，以此重復(fù)，直至e= 10?20%終止，實(shí)時(shí)繪制A〇 /?e曲線，并計(jì)算出應(yīng)變e= 1.25/hQ時(shí)的基床系數(shù)值；其中應(yīng)力路徑n=A〇3/A〇1(其中n= 〇. 〇,〇.l，〇. 2,0. 3由用 戶設(shè)置，默認(rèn)值〇. 2);剪切速率宜采用每分鐘應(yīng)變0. 002?0. 015%，由用戶在參數(shù)設(shè)置過(guò) 程中根據(jù)土性設(shè)定。
[0072]圖5所示為本發(fā)明裝置生成的一種計(jì)算基床系數(shù)的A〇 /?e曲線圖。
[0073] 從A〇1'?e曲線上取e= 1.25/hQ臨近左右?guī)c(diǎn)建立方程，方程式可取拉格 朗日多項(xiàng)式、牛頓插值多項(xiàng)式、分段插值等算法均可，應(yīng)變e=1.25/1?代入方程式，得到 對(duì)應(yīng)的△ 〇 /，△ 〇 //1. 25即為本裝置測(cè)得的基床系數(shù)。本發(fā)明的自動(dòng)化裝置在很大程度 上還原了試樣的原始應(yīng)力狀態(tài)，但需考慮到尺寸效應(yīng)，并且本發(fā)明中所采用的承壓板直徑 與原位測(cè)試K3tl法的承壓板直徑并不一致，因此，需要對(duì)本發(fā)明測(cè)得的基床系數(shù)進(jìn)行修正， 才能得到標(biāo)準(zhǔn)基床系數(shù)K3tl，修正式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種室內(nèi)測(cè)試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置，其特征是，包括以下部分： 軸向加壓裝置，包括一個(gè)基座（11)、可以相對(duì)于基座（11)上下運(yùn)動(dòng)的升降臺(tái)（18)和固 定在基座上的加壓支架（12)，還包括用于測(cè)量所述升降臺(tái)相對(duì)于基座的位移的位移傳感器 (15)，所述加壓支架（12)上設(shè)有壓力桿（14)，壓力桿（14)上設(shè)有荷載傳感器（13); 壓力室（8)，固定在升降臺(tái)（18)上，用于放置試樣（1)，壓力室（18)內(nèi)設(shè)有位于試樣底 部的底座（17)和位于試樣頂部的環(huán)形壓板（3)，環(huán)形壓板（3)上設(shè)有上透水孔，環(huán)形壓板 (3)的內(nèi)圈設(shè)有上透水板（7)，底座（17)上設(shè)有下透水孔，底座（17)的上面設(shè)有下透水板 (9) ，所述環(huán)形壓板（3)、上透水板（7)分別連接外傳力桿（5)和內(nèi)傳力桿（6)，所述外傳力 桿（5)和內(nèi)傳力桿（6)與所述加壓支架（12)上的壓力桿（14)相連接； 剪切控制器（10)，與所述升降臺(tái)（18)傳動(dòng)連接，用于驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)（18)上下運(yùn)動(dòng)； 周?chē)鷫毫刂破鳎?0)，通過(guò)圍壓管道（32)與壓力室（8)連通，圍壓管道（32)上設(shè)有圍 壓傳感器（31); 反壓力控制器（20)，通過(guò)頂部管道（23)與所述環(huán)形壓板（3)的上透水孔連接；頂部管 道（23)上設(shè)有反壓力傳感器（21); 孔隙壓力傳感器（61)，通過(guò)底部管道（63)與所述底座（17)的下透水孔連接； 數(shù)據(jù)采集器（40)，分別與所述位移傳感器（15)、荷載傳感器（13)、圍壓傳感器（31)、反 壓力傳感器（21)和孔隙壓力傳感器（61)相連接； 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（50)，分別與所述數(shù)據(jù)采集器（40)、剪切控制器（10)、周?chē)鷫毫刂?器（30)和反壓力控制器（20)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，還包括一個(gè)上端開(kāi)口的排水管（24)， 所述排水管（24)的下端通過(guò)第一三通閥（22)與頂部管道（23)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，還包括一個(gè)上端開(kāi)口的量管（64)，所 述量管（64)的下端通過(guò)第二三通閥（62)與底部管道（63)相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，所述剪切控制器（10)、周?chē)鷫毫刂?器（30)和反壓力控制器（20)均為液壓伺服電機(jī)，所述液壓伺服電機(jī)包括依次連接的伺服 電機(jī)、定量泵和液壓缸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，所述位移傳感器（15)設(shè)置在傳力桿 (10) 與壓力室⑶之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，所述壓力桿（14)通過(guò)一個(gè)變徑控制 器（16)與外傳力桿（5)、內(nèi)傳力桿（6)相連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)化裝置，其特征是，所述圍壓管道（32)、頂部管道（23) 和底部管道（60)均采用橡膠軟管。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK104515700SQ201410768169
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】胡建平, 成利民, 陳智勇, 黃國(guó)弟 申請(qǐng)人:中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司