一种室内干湿循环压缩试验装置与方法与流程

1.本发明涉及土壤性能测试领域，具体为一种室内干湿循环压缩试验装置与方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在隧道、基坑开挖等工程现场，裂隙土区域通常水位较高，需要通过抽水降低水位，使得裂隙土区域存在干湿循环交替的工况，干湿循环交替对裂隙土区域的性能产生影响，进而影响到施工现场，因此现有技术通过土壤的干湿循环试验测试裂隙土干湿循环期间的性能变化。
4.现有技术通常利用环刀制备土样，抽气饱和后放入烘箱通过设定温度烘干或是在自然条件下烘干，使土壤达到干燥状态，再重新回到湿润状态，通过干湿交替状态观察土壤的性能和状态，采用烘箱烘干时，烘干温度是固定值与实际的自然环境差异较大，而自然条件烘干虽然贴合实际工程现场，但会受到试验环境的影响，难以准确对应季节变化对时间带来的影响，并且上述两种方式中土样在干燥过程中会收缩，干燥后重新回到湿润状态需要反复挪动土壤，导致收缩状态的土样缺少固定容易倾倒而损坏，使得试验数据不准确。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种室内干湿循环压缩试验装置与方法，将固结仪压缩部分设计成套筒形式，用于放置初始土样。与传统固结装置不同，固结仪盒子为可排水装置，以便实现干湿循环；下透水石不直接接触盒子，放置在可拆卸托盘上，便于取出干燥。此外，设置与环刀紧密贴合薄壁环刀，实现沿环刀内壁逐个放置的目的，进而固定收缩的土样。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种室内干湿循环压缩试验装置，包括布置在固结盒内部的底座，底座上布置外环筒，底座的下底面镂空，外环筒内部布置上透水石和下透水石，两块透水石之间的空间设有同轴嵌套布置的多组薄壁环刀，薄壁环刀围合的空间内用于容纳制备完毕的试样，上透水石顶部设有压盖。
8.固结盒顶部开口，固结盒下底面内侧设有容纳底座的凹槽；固结盒连接进水管和排水管，进水管和排水管上均设有止水夹。
9.试样内的水依次经下透水石和底座的镂空区域流至底座外部空间，并通过固结盒的出水口排出。
10.制备完毕的试样为土体通过环刀制备得到的圆柱形土样，土样圆周外侧连接环刀，即本实施例中的环刀试样5。
11.制备完毕的试样位于下透水石上方，二者之间设有滤纸。
12.制备完毕的试样上方设有上部定位环，上部定位环连接在外环筒内壁上，以固定
多组薄壁环刀的位置。
13.底座与固结盒内部为可拆卸连接。
14.每一组薄壁环刀的内直径不同。
15.薄壁环刀的内直径根据试样干燥后的脱水收缩情况选择。
16.试样脱水干燥后，同轴嵌套布置的多组薄壁环刀依次嵌入到环刀与收缩后的试样之间，填充环刀圆周方向内壁面和试样圆周方向外壁面之间的间隙。
17.本发明的第二个方面提供基于上述装置实现土壤干湿循环压缩试验的方法，包括以下步骤：
18.底座与固结盒内部的预制凹槽连接后，将外环筒连接在底座上方，再将下部透水石放置在位于外环筒内部的底座；
19.利用环刀制备土壤试样，将制备得到的环刀试样底面垫滤纸后放置在下透水石上方，组装上部定位环、上透水石和压盖；
20.根据试验需求执行注水压缩；
21.需要干湿循环时，关闭固结盒进水管上的止水夹，并打开排水管上的止水夹，使水放空，利用底座取出固结盒内部的所有部件，根据试验需要选择是否移开压盖以完成干燥过程；
22.干燥完成后，根据试验需要进行饱和开展试验或无膨胀压缩试验。
23.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
24.1、通过底座的设计，将被测试的土壤样品连同制备样品时的环刀，填充侧向空间的多组薄壁环刀，提供轴向力的压盖以及容纳上述部件的外环筒整体转移，使得试样的轴向和径向(侧向)在均被保护的情况下，实现环刀土样无损取出并进行干湿循环试验流程，减小传统方法对土样本体的损伤，尤其是粉质黏土。
25.2、不同尺寸的薄壁环刀为干燥收缩后的土样提供了侧向限制，提供探究持续侧限条件下固结压缩性质的条件，可与干燥后不增加侧限条件形成对比，实现综合分析。
26.3、不同尺寸的上透水石，为干燥收缩后的土样使用薄壁环刀进行持续侧限试验提供准确轴压。
27.4、固结盒有排水孔，可实现盒内原位水位升降，进而实现盒内干湿循环或者模拟现场降水条件。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1是本发明一个或多个实施例提供的室内干湿循环压缩试验装置整体结构示意图；
30.图2是本发明一个或多个实施例提供的室内干湿循环压缩试验装置中底座和外环筒的结构示意图；
31.图3是本发明一个或多个实施例提供的室内干湿循环压缩试验装置中底座的俯视结构示意图；
32.图4是本发明一个或多个实施例提供的室内干湿循环压缩试验装置中多组薄壁环
刀嵌套的结构示意图；
33.图中：1-固结盒，2-底座，3-下透水石，4-外环筒，5-环刀试样，6-上部定位环，7-第一薄壁环刀，8-第二薄壁环刀，9-上透水石，10-压盖。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.正如背景技术中所描述的，现有的土壤干湿循环试验中，土样在干燥过程中会收缩，干燥后重新回到湿润状态需要反复挪动土壤导致干燥状态的土样容易损坏，使得试验数据不准确。
38.因此，以下实施例给出一种室内干湿循环压缩试验装置，适配不需移动的干湿循环装置，更好地完成干湿循环条件下土体的压缩性质测定，同时可以根据参数需求控制干湿循环的模拟工况。具体而言，将固结仪压缩部分设计成套筒形式，用于放置初始土样。与传统固结装置不同，固结仪盒子为可排水装置，以便实现干湿循环；下透水石不直接接触盒子，放置在可拆卸托盘上，便于取出干燥。此外，设置与环刀紧密贴合薄壁环刀，实现沿环刀内壁逐个放置的目的，进而固定收缩的土样。
39.实施例一：
40.如图1-4所示，一种室内干湿循环压缩试验装置，包括布置在固结盒内部的底座，底座上布置外环筒，底座的下底面镂空，外环筒内部布置上透水石和下透水石，两块透水石之间的空间设有同轴嵌套布置的多组薄壁环刀，薄壁环刀围合的空间内用于容纳制备完毕的试样，上透水石顶部设有压盖。
41.固结盒顶部开口，固结盒下底面内侧设有容纳底座的凹槽。固结盒连接进水管和排水管，进水管和排水管上均设有止水夹。
42.试样内的水依次经下透水石和底座的镂空区域流至底座外部空间，并通过固结盒的出水口排出。
43.制备完毕的试样为土体通过环刀制备得到的圆柱形土样，土样圆周外侧连接环刀，即本实施例中的环刀试样5。
44.制备完毕的试样位于下透水石上方，二者之间设有滤纸。
45.制备完毕的试样上方设有上部定位环，上部定位环连接在外环筒内壁上，以固定多组薄壁环刀的位置。
46.底座与固结盒内部为可拆卸连接。
47.每一组薄壁环刀的内直径不同。
48.薄壁环刀的内直径根据试样干燥后的脱水收缩情况选择。
49.试样脱水干燥后，同轴嵌套布置的多组薄壁环刀依次嵌入到环刀与收缩后的试样之间，填充环刀圆周方向内壁面和试样圆周方向外壁面之间的间隙。
50.具体的：
51.(1)装置分为两部分，一部分为位于外侧的固结盒1，一部分为内部组合装置，可通过自由搭配实现不同程度土样收缩下的固结压缩试验。
52.(2)在使用过程中，将固结盒1放置在试验台面上，关闭止水夹。
53.(3)将底座2放置在固结盒1内部的预制凹槽内，底座2的特点是镂空，允许水流从各个方向穿过，配合可拆卸结构，便于随时完整取出环刀土样。
54.(4)将外环筒4放置在底座2上方，作用是实现整体内部装置的定位。
55.(5)将底部透水石3放置在底座2上、外环筒4内部，作用是提供全面积支撑以及透水，实现土样的饱和与压缩。
56.(6)将环刀试样5放置在透水石3上方，二者中间需垫滤纸。
57.(7)将上部定位环6放置在环刀5上方，作用是固定环刀位置，使其居中。
58.(8)将上部透水石9放置在环刀5上方，再放置压盖10，完成初始步骤，之后可注水开始压缩。期间压盖10提供压缩所需的轴向压力。
59.(9)需要实现干湿循环时，打开固结盒1的止水夹，使水放空。利用底座2取出内部装置(即连同底座、环刀试样5、压盖和多组薄壁环刀形成的整体)，根据试验需要可选择是否移开压盖10来完成干燥过程。
60.(10)干燥完成后，土体会有一定程度的径向收缩和纵向收缩。根据试验需要，可直接进行饱和开展试验，也可利用本装置实现无膨胀压缩。即先取出压盖10和透水石9，根据收缩程度选取一定数量的薄壁环刀7、8或者更多型号逐步嵌入环刀5和土样之间，使二者之间的空隙尽可能减小，以实现无径向膨胀。之后选取尺寸配套的透水石9放置于土样之上，再放置压盖10。开始后续压缩试验。
61.(11)如还有多轮干湿循环，重复(9)(10)步骤即可。
62.(12)试验完成后，逆序拆除即可。
63.固结盒侧边的排水管控制盒内水的留存。
64.薄壁环刀的内径大小不同且数量不受限制，在样干燥收缩后，土壤外径缩小会从环刀的内壁面上脱离从而失去侧向限制和保护，因此将不同内直径的多组薄壁环刀嵌入到土样外壁和环刀内壁之间，填充这部分间隙从而使收缩后的土壤侧向(径向方向)存在限制和保护，防止损坏。
65.上透水石的尺寸不受限制，根据不同尺寸的上透水石9实现准确的轴压传递，不同内径的薄壁环刀也需要搭配不同尺寸的透水石。
66.固结盒排水后，在不改变轴压的情况下，能够模拟工程现场抽水与静压联合作用效果。
67.固结盒排水后，在不改变轴压的情况下，能够模拟工程现场不撤离静压的条件下的干湿循环。
68.本实施例中，以某地区的裂隙土作为试验土样，开展干湿循环试验，在使用传统固结装置开展干湿循环试验时，大约有40％的试样会显著破坏，其中约60％在取出试样进行干湿循环过程中有边角残缺等质量损失，对实验结果带来严重影响，而采用上述装置实现
了几乎百分百的干湿循环过程中无损，显著提高了室内试验的可靠性。
69.试样干燥后会收缩并且脆化易损，干湿循环试验需要反复搬运试样到不同的环境从而导致其容易损坏。因此通过底座的设计，将被测试的土壤样品连同制备样品时的环刀，填充侧向空间的多组薄壁环刀，提供轴向力的压盖以及容纳上述部件的外环筒整体转移，使得试样的轴向和径向(侧向)在均被保护的情况下，实现环刀土样无损取出并进行干湿循环试验流程，减小传统方法对土样本体的损伤，尤其是粉质黏土。
70.不同尺寸的薄壁环刀为干燥收缩后的土样提供了侧向限制，提供探究持续侧限条件下固结压缩性质的条件，可与干燥后不增加侧限条件形成对比，综合分析。
71.不同尺寸的上透水石，为干燥收缩后的土样使用薄壁环刀进行持续侧限试验提供准确轴压。
72.固结盒有排水孔，可实现盒内原位水位升降，进而实现盒内干湿循环或者模拟现场降水条件。
73.实施例二：
74.基于实施例一的装置实现土壤干湿循环压缩试验的方法，包括以下步骤：
75.底座与固结盒内部的预制凹槽连接后，将外环筒连接在底座上方，再将下部透水石放置在位于外环筒内部的底座；
76.利用环刀制备土壤试样，将制备得到的环刀试样底面垫滤纸后放置在下透水石上方，组装上部定位环、上透水石和压盖；
77.根据试验需求执行注水压缩；
78.需要干湿循环时，关闭固结盒进水管上的止水夹，并打开排水管上的止水夹，使水放空，利用底座取出固结盒内部的所有部件，根据试验需要选择是否移开压盖以完成干燥过程；
79.干燥完成后，根据试验需要进行饱和开展试验或无膨胀压缩试验。
80.将固结仪压缩部分设计成套筒形式，用于放置初始土样。与传统固结装置不同，固结仪盒子为可排水装置，以便实现干湿循环；下透水石不直接接触盒子，放置在可拆卸托盘上，便于取出干燥。此外，设置与环刀紧密贴合薄壁环刀，实现沿环刀内壁逐个放置的目的，进而固定收缩的土样。
81.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：包括布置在固结盒内部的底座，底座上布置外环筒，底座的下底面镂空，外环筒内部布置上透水石和下透水石，两块透水石之间的空间设有同轴嵌套布置的多组薄壁环刀，薄壁环刀围合的空间内用于容纳制备完毕的试样，上透水石顶部设有压盖。2.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述固结盒顶部开口，固结盒下底面内侧设有容纳底座的凹槽；固结盒连接进水管和排水管，进水管和排水管上均设有止水夹。3.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述制备完毕的试样为土体通过环刀制备得到的圆柱形土样，土样圆周外侧连接环刀，形成环刀试样。4.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述制备完毕的试样位于下透水石上方，二者之间设有滤纸。5.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述制备完毕的试样上方设有上部定位环，上部定位环连接在外环筒内壁上，以固定多组薄壁环刀的位置。6.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述底座与固结盒内部为可拆卸连接。7.如权利要求1所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：每一组薄壁环刀的内直径不同。8.如权利要求8所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：所述薄壁环刀的内直径根据试样干燥后的脱水收缩情况选择。9.如权利要求8所述的一种室内干湿循环压缩试验装置，其特征在于：试样脱水干燥后，同轴嵌套布置的多组薄壁环刀依次嵌入到环刀与收缩后的试样之间，填充环刀圆周方向内壁面和试样圆周方向外壁面之间的间隙。10.基于权利要求1-9任一项所述装置实现土壤干湿循环压缩试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：底座与固结盒内部的预制凹槽连接后，将外环筒连接在底座上方，再将下部透水石放置在位于外环筒内部的底座；利用环刀制备土壤试样，将制备得到的环刀试样底面垫滤纸后放置在下透水石上方，组装上部定位环、上透水石和压盖；根据试验需求执行注水压缩；需要干湿循环时，关闭固结盒进水管上的止水夹，并打开排水管上的止水夹，使水放空，利用底座取出固结盒内部的所有部件，根据试验需要选择是否移开压盖以完成干燥过程；干燥完成后，根据试验需要进行饱和开展试验或无膨胀压缩试验。

技术总结
本发明涉及一种室内干湿循环压缩试验装置与方法，包括布置在固结盒内部的底座，底座上布置外环筒，底座的下底面镂空，外环筒内部布置上透水石和下透水石，两块透水石之间的空间设有同轴嵌套布置的多组薄壁环刀，薄壁环刀围合的空间内用于容纳制备完毕的试样，上透水石顶部设有压盖。将固结仪压缩部分设计成套筒形式，用于放置初始土样。与传统固结装置不同，固结仪盒子为可排水装置，以便实现干湿循环；下透水石不直接接触盒子，放置在可拆卸托盘上，便于取出干燥。此外，设置与环刀紧密贴合薄壁环刀，实现沿环刀内壁逐个放置的目的，进而固定收缩的土样。固定收缩的土样。固定收缩的土样。


技术研发人员：宿庆伟 王洪祯 吴佳伟 丁庆忠 梁海方 胡建波 黄薛 张计业
受保护的技术使用者：山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队（山东省地矿工程勘察院）
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19