室內(nèi)測試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及巖土工程測試技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種室內(nèi)模擬現(xiàn)場原位 K3tl測試基床系數(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。基床系數(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)有測定基床系數(shù)的方法主要有：1)原位測試IW法（簡稱K3tl),現(xiàn)場在K 3tl載荷 剛性壓板上逐級(jí)加荷，測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Δ 〇1'?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)測定表層土和施工階段基坑開挖深度范圍內(nèi) 的土體，但易受試驗(yàn)方法的局限及現(xiàn)場條件限制。近年來，由于地下空間的開發(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?？辈祀A段對不開挖的表層以下各土層很難 直接通過實(shí)測測定，同時(shí)現(xiàn)場必須有提供反力的設(shè)施，實(shí)施起來耗費(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)(簡稱城交規(guī)范）針對室 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)三軸儀上對試樣按深度固結(jié)， 恢復(fù)土的原始狀態(tài)，通過土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K tl計(jì)算出圍壓σ 3，施加圍壓O3后對試樣進(jìn) 行壓縮剪切，試驗(yàn)得到應(yīng)變?yōu)镮. 25_時(shí)對應(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、簡便、低成本、無環(huán)境限制等優(yōu)勢，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)無法直接采納。《城交規(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)K 3tl法或經(jīng)驗(yàn)值綜合確定基床系數(shù)。
[0006] 另，中國發(fā)明專利申請公開說明書CN101377079A已公開了"一種室內(nèi)測定基床系 數(shù)的方法"。對土體直徑39. 1mm、高度80mm試樣，通過控制〇3不變，來滿足Δ σ 3/Λ O1 = 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)已在公開文獻(xiàn)及國家規(guī)范中清楚表明，并非控制〇 3不變而逐步增大〇 Jp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 Ε?Λ ε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，中國實(shí)用新型專利200920227682. 4公開了一種"基床系數(shù)試驗(yàn)測試裝置"，采 用結(jié)構(gòu)簡單的壓力艙方式，通過側(cè)向加壓恢復(fù)自重壓力狀態(tài)，然后豎向加壓直接測定土的 基床系數(shù)，為室內(nèi)快速測定基床系數(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，無法測出試樣軸向加載側(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試樣高度，以至測 得的沉降量s偏?。?)無法測出試樣軸向加載 〇 i產(chǎn)生的側(cè)壁剪應(yīng)力f，造成試樣軸向荷載 P(P= O1-D偏大。上述原因使得試驗(yàn)結(jié)果與K3tl比較偏差過大，以至設(shè)計(jì)無法直接采納。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種可以在室內(nèi)快速、準(zhǔn)確地測出基床系數(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)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種室內(nèi)測試基床系數(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，還包括用于測量所述升降臺(tái)相對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)；周圍壓力控制器，通過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、周圍壓力控制器和反壓力控制器相連接。
[0011] 優(yōu)選地，還包括一個(gè)上端開口的排水管，所述排水管的下端通過第一三通閥與頂 部管道相連接。
[0012] 優(yōu)選地，還包括一個(gè)上端開口的量管，所述量管的下端通過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、周圍壓力控制器和反壓力控制器均為液壓伺服電機(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。
[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，本實(shí)用新型具有以下有益效果：
[0018] 1、本實(shí)用新型裝置根據(jù)國標(biāo)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999)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O 1的影響，自動(dòng)繪制Λ 〇 /?ε試驗(yàn)曲線，并計(jì)算得到基床系數(shù)。
[0019] 2、本實(shí)用新型裝置具有實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣的孔隙水壓力、周圍壓力和反壓力變化情 況，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程是否應(yīng)該終止。
[0020] 3、本實(shí)用新型裝置采用通用的測力及位移傳感器，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、本實(shí)用新型裝置具備較高的自動(dòng)化水平，試驗(yàn)人員只需通過計(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)，就能以無人干預(yù)的方式高精度地自動(dòng)完成基床系數(shù) 測試。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。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本實(shí)用新型室內(nèi)測試基床系數(shù)的自動(dòng)化裝置的組成示意圖。
[0023] 圖2為本實(shí)用新型自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣飽和時(shí)的示意圖。
[0024] 圖3為本實(shí)用新型自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣固結(jié)時(shí)的示意圖。
[0025] 圖4為本實(shí)用新型自動(dòng)化裝置在進(jìn)行試樣剪切時(shí)的示意圖。
[0026] 圖5為本實(shí)用新型自動(dòng)化裝置生成的一種Λ 〇 i'?ε曲線圖。
[0027] 圖6為本實(shí)用新型自動(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