CN110231457B - 一种结构性黏土弹性模量的测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构性黏土弹性模量的测试系统和方法。所述测试系统装置包括恒压围压装置、压力调节筒、带有水位监测的固结水收集筒、非金属底座、外加压框架、侧压室和轴压加压装置，侧压室内有乳胶膜隔成密封侧压腔和中空试样腔，侧压腔通过压力调节筒与恒压围压装置连接，轴压加压装置包括升降机构、升降板和轴压架。在装入试样后，计算出待测试样轴向应力和围压应力，对黏土试样进行K0固结，然后在围压应力状态下测试出其破坏强度σf，通过控制轴压加压装置按照按照的应力水平分多级加荷和卸荷，计算分离出结构性黏土弹性变形量。本发明的加压和卸压过程中精度更高更快，能够更加准确测试强结构性和触变性明显的黏土的弹性模量。
Description
技术领域
本发明主要针对结构性黏土的弹性模量测试，具体地说是一种结构性黏土弹性模量的测试系统及方法。
背景技术
目前，弹性模量的测试设备主要是应力式控制三轴仪，试样规格是直径为39.1mm、高度为80mm的圆柱体。但是针对结构性黏土测试时，该设备与测试方法存在许多不足之处：黏土具有强结构性、高塑性和明显的触变性，采用三轴的取样规格和测试方式，其一无法完全地分离出塑性变形；其二活塞和压力室摩擦阻力影响测试精度；其三加荷反映不灵敏使土体产生的流变变形较大，诸多因素导致无法有效的测出结构性黏土的弹性模量。
发明内容
本发明的目的是设计一种针对结构性黏土的弹性模量的测试装置及方法，该装置通过电动或液压升降机构加压和卸压，确保加压过程中精度更高更快，采用K0固结方式能够使固结应力条件尽量接近实际，经过多次加荷和卸载分离出真实结构性黏土弹性变形，能够更加准确测试强结构性和触变性明显的结构性黏土的弹性模量。
本发明提供的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述测试系统包括恒压围压装置、压力调节筒、带有水位监测的固结水收集筒、底座、外加压框架、侧压室和轴压加压装置，在侧压室内设有中空腔体，并在中空腔体内由乳胶膜分隔成密封的侧压腔和中空试样腔；所述底座包括上支撑板、下支撑板和置于上、下支撑板之间的加压腔，上支撑板和下支撑板的外围通过环形支撑面或多个支撑杆固定连接；所述轴压加压装置安装在加压腔内，具体包括升降机构、升降板和设置在升降板上的位移传感器，升降机构固定安装在下支撑板上，升降板安装在升降机构的顶升端；所述外加压框架包括至少两根支撑杆、固定在支撑杆顶部的下压架和安装在下压架中心位置的轴压传感器，在试样腔内装入黏土试样时，外加压框架通过中心位置的轴压传感器与置于黏土试样顶面中心位置的加压件触接；所述外加压框架的支撑杆下端穿过上支撑板的顶面伸入加压腔内与升降板固定连接，并在升降机构的作用下升降板带动外加压框架相对于底座下压或上升，且升降板在正常状态下处于最高位；所述侧压室固定安装在底座上，在侧压腔的下部设有与压力调节筒连接的进水管，上部设有带控制阀的排气排水管；所述压力调节筒为内部装有水的密封筒，通过压力管与恒压围压装置，并在围压恒压装置的作用下向侧压腔内注水增压；在底座对应试样腔的位置设有开设有多个透水孔的试样台，多个透水孔通过排水管与固结水收集筒连通。
本发明较优的技术方案：所述测试装置还包括数据采集控制装置，所述数据采集控制装置内设有数据采集模块、控制模块和显示模块，数据采集模块的信号输出端分别与控制模块和显示模块连接；所述位移传感器、轴压传感器、固结水收集筒的水位检测器的信号输出端均与采集控制装置内数据采集模块的信号输入端连接，所述采集控制装置内的控制模块与升降机构的控制端连接。
本发明较优的技术方案：所述侧压室包括圆柱形外壳，所述侧压腔的上下腔口分别开设在圆柱形壳体上下端面，且侧压腔为中部直径大于上下腔口直径的外凸式腔体，所述乳胶膜中空圆筒状或中部直径大两端直径小的中空圆筒状，乳胶膜置于侧压腔内，其两端分别伸出侧压腔的上下腔口，分别通过上密封盖板和下密封盖板密封盖紧后，再通过上压板和下压板固定压紧，并在试样腔内装入黏土试样时，所述乳胶膜贴附在黏土试样的表面，在上压板和下压板之间设有多根锁紧螺杆。
本发明较优的技术方案：所述侧压室固定安装在底座上，在试样腔内从下至上依次设有透水石、黏土试样和不透水板，透水石置于试样台上，在黏土试样的外围竖向设有多个滤纸条，且多个滤纸条的下端与下透水石接触；在不透水板上部设有承压板，所述加压件为球形或圆柱形或多个球形连接的长条形，在承压板的中心位置设有与加压件匹配的加压槽，所述加压件在试样腔内装入黏土试样后，置于承压板中心部位的加压槽内对黏土试样进行加压。
本发明较优的技术方案：所述升降机构为电动或液压升降机构，设置有一个或多个，当设置有多个时，均匀分布在升降板的底部，且多个升降机构同时升降；所述升降板在加压腔内的升降高度大于黏土试样在加荷下压至破坏时的高度位移。
本发明较优的技术方案：所述压力调节筒，为内部装有水的密封式压力筒，压力调节筒通过压力管与外部围压恒压装置连接，在压力调节筒上设有压力监测器，在压力管上设有电磁控制阀；所述围压恒压装置为空压机；所述压力监测器的信号输出端与数据采集控制装置的信号输入端连接，其数据采集控制装置的信号输出端与电磁控制阀的信号输入端连接。
本发明较优的技术方案：在试样台内设有与多个透水孔连通的水槽，在水槽的底面设有下凹式出水口，且下凹式出水口与排水管连通；所述固结水收集筒为带有刻度值的透明圆筒体，在固结水收集筒内装入水，其筒体内原始水量大于排水管和水槽的总水量，所述水位检测其为设置在固结水收集筒底面设有液位传感器；所述固结水收集筒的底面高度大于或等于试样腔内黏土试样的底面高度，排水管通向固结水收集筒的底部，并在排水管上设有排水控制阀。
本发明提供的一种结构性黏土弹性模量的测试方法，其特征在于所述测试过程采用上述结构性黏土弹性模量测试装置针对饱和状态下且塑性指数大于30的结构性黏土进行测试，所述饱和黏土试验，即试验开始前对试样进行真空抽气饱和测试，本发明中的结构性黏土弹性模量具体测试步骤如下：
(1)在底座中央位置设有高出底座上表面的试样台，并在试样台的上表面均匀开设有透水孔，试样台内设有带下凹式出水口的水槽，水槽的出水口设有伸出底座的排水管，将侧压室固定在底座上，其试样台正对中空试样腔；
(2)将排水管与装有水的固结水收集筒连接，固结水收集筒的筒底位置高于试样台的台面高度，并在固结水收集筒底部设有液位传感器，在排水管上设有排水控制阀，打开排水管上的排水控制阀，使固结水收集筒内的水自动从排水管流入水槽内，通过透水孔观察水槽内的水满后，将排水控制阀关闭，然后通过液位传感器监测此时的水位，并记录为初始水位；
(3)将压力调节筒通过压力管与围压恒压装置连接，在压力调节筒内设有压力传感器，在压力管上设有电磁阀，控制电磁阀打开围压恒压装置，并同时开启侧压室的上排气排水管和下进水管，向侧压腔内压入水排除侧压腔内的气体，并通过观察乳胶膜与侧压腔内壁之间是否有气泡判断侧压腔内的气体是否全部排除；
(4)当乳胶膜与侧压腔内壁无气泡时，关闭上排气排水管和下进水管，同时关闭围压恒压装置，在乳胶膜内壁抹润滑剂，然后在中空试样腔内的试样台上依次放置下透水石、滤纸、黏土试样、不透水板、传压板和加压件，其滤纸竖向设置在黏土试样的外围，底端与透水石接触，并安装外加压框架的下压架，使其中部的轴压传感器与加压件相接触；
(5)根据待测黏土的土质分析测试的数据，按照以下公式①和公式②分别计算待测试黏土试样的轴向应力σ1和围压应力σ3：
σ1＝γ'h ①
σ3＝K0γ'h ②
上述公式中：σ1——轴向应力，kPa；γ'——土的天然有效重度，kN/cm3；h——上覆土层厚度；σ3——围压应力，kPa；K0——土的静止侧压力系数；
(6)再次开启围压恒压装置，并打开下进水管上的控制阀，向测压室内注水增压，通过压力调节筒内的压力传感器和压力管上的电磁阀控制侧压室的围压应力为步骤(4)中计算的值σ3；同时控制升降机构工作带动升降板8下降，从而带动外加压框架下压，并开启控制装置通过外加压框上的轴压传感器控制其轴压应力达到步骤(4)中计算的值σ1，对黏土试样进行 K0固结；
(7)在K0固结过程中，打开排水管上的排水控制阀，使试样在轴压和围压的作用下进入排水至固结水收集筒，并通过固结水收集筒内液位传感器监测其液位变化量，固结时间不得少于12个小时，直到每小时液位上升量不大于0.01mm时，其K0固结完成，关闭排水管和升降机构；
(8)计算出待测黏土的破坏强度σf值，通过控制器控制轴压加压装置依次按照的应力水平分多级加荷和卸荷，其中an＝3， a1、a2、an-1均大于an，每次加荷卸荷时间间隔一分钟，每级应力反复进行多次，到的加荷过程压至黏土试样破坏，结束试验；在加荷卸荷过程中，记录通过金属板上的位移传感器采集每次加荷卸载轴向变形量；
(9)通过步骤(7)中采集的每次加荷卸载轴向变形量，绘制加压卸压与轴向变形量的关系曲线Δh-p，将最后一个滞回圈的两端点连成直线，其斜率即为弹性模量，并按照公式③计算出待测黏土的弹性模量：
公式③中：E—试样的弹性模量，kPa；
Δp—每级轴向荷载，N；
∑Δh—相应于总压力下的弹性变形，mm；
A0—试样初始面积，cm2；；
hc—试样固结后的高度，mm；
10—单位换算系数。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中待测黏土的破坏强度σf为在步骤(6)中计算得到的围压值σ3下，对待测黏土按照标准的试验方法进行三轴剪切试验，直至试样破坏时的剪切强度。
本发明较优的技术方案：所述步骤(8)中通过控制器控制轴压加压装置依次按照的应力水平分三级加荷和卸荷，每级加荷分四次完成，四次加荷完成后再分四次卸荷，完成一个加荷卸荷循环，且加荷和卸荷的时间间隔一分钟，每级加荷卸荷循环进行5次，在一级的5次加荷卸荷循环完成后进行下一级的加荷卸荷过程，依次重复，直到的加荷过程压至黏土试样破坏结束试验。
本发明可对直径为79.8mm、高度为160mm规格的试样进行试验，试样规格更具有实际土体结构的代表性。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过对升降机构的控制使加压和卸压过程中精度更高更快；
(2)本发明中采用K0固结方式，能够使固结应力条件尽量接近实际，更加准确的模拟土体的应力状态；
(3)本发明中的测试方法经过多次加荷和卸载的方式进行试验，最大有效的消除了取样过程中应力释放带来的结构变化，更好的分离出塑性变形，测试的弹性模量值更加准确；
(4)本发明中的加压件与轴向传感器相连接，克服了应力式三轴仪活塞与压力室摩擦阻力影响精度的因素；
(5)本发明可以对直径为79.8mm、高度为160mm规格的试样进行试验，试样规格更具有实际土体结构的代表性。
附图说明
图1是本发明中黏土弹性模量的装置未装试样的结构示意图；
图2是本发明中黏弹性模量的装置装入试样的结构示意图；
图3是本发明中黏土弹性模量的装置俯视图；
图4是本发明中侧压室中未装入试样的结构示意图；
图5是本发明中侧压室内装入试样后的结构示意图；
图6是本发明的控制原理图；
图7实施例中湛江组黏土加压卸压与轴向变形量的关系曲线图；
图8是采用三轴仪对湛江组黏土加压卸压与轴向变形量的关系曲线图。图中：1—压力调节筒，2—非金属底座，2-1—上支撑板，2-2—下支撑板， 2-3—加压腔，3—外加压框架，3-1—支撑杆，3-2—下压架，3-3—加压件， 3-4—轴压传感器，4—侧压室，4-1—进水管，4-2—排气排水管，4-3—圆柱形外壳，4-4—侧压腔，4-5—上密封盖板，4-6—下密封盖板，4-7—上压板， 4-8—下压板，4-9—锁紧螺杆，5—乳胶膜，6—中空试样腔，7—拉升机构， 8—升降板，9—排水管，10—透水石，11—透水孔，11-1—排水控制阀， 12—黏土试样，13—固结水收集筒，13-1—液位传感器，14—位移传感器， 15—采集控制装置，16—试样台，17—滤纸条，18—水槽，19—围压恒压装置，20—不透水板，21—电磁控制阀，22—承压板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图5均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例中使用的结构性黏土弹性模量的测试系统，具体如图1至图3所示，包括恒压围压装置19、压力调节筒1、带有水位监测的固结水收集筒13、非金属底座2、外加压框架3、侧压室4、轴压加压装置和数据采集控制装置15，所述数据采集控制装置15内设有数据采集模块、控制模块和显示模块，数据采集模块的信号输出端分别与控制模块和显示模块连接。所述底座2为圆形底座，包括上支撑板2-1、下支撑板2-2和置于上、下支撑板之间的加压腔2-3，上支撑板2-1和下支撑板2-2的外围通过环形支撑面或多个支撑杆固定连接，在上支撑板2-1中央位置设有高出底座上表面的试样台16。所述轴压加压装置安装在加压腔2-3内，具体包括升降机构7和升降板8，升降机构7固定安装在下支撑板2-2上，升降板8安装在升降机构7的顶升端；升降机构7为电动或液压升降机构，可以直接采用升降电机或液压千斤顶，并将其控制端与数据采集控制装置15连接，通过数据采集控制装置15的控制模块设定对升降机构7进行控制，能够随时调整其轴压力。所述升降板8在加压腔内升降的高度大于黏土试样12在加荷下压至破坏时的高度位移，能够保证在试验过程中，升降板8在加压腔内上移的距离达到试验要求，且升降板8在正常状态是处于升降机构7的顶升的最高位，并通过控制升降机构7带动升降板8下降进行加压。在升降板8上设有一个或多个位移传感器14，所述位移传感器14的信号输出端均与采集控制装置15内数据采集模块的信号输入端连接，所述采集控制装置 15内的控制模块与升降机构7的控制端连接，可以通过采集控制装置15采集升降板8的位移信号，从而得到黏土的变形量，并对其进行记录。
如图3所示，本发明实施例中的外加压框架3包括三根支撑杆3-1和固定在支撑杆3-1顶部的下压架3-2，所述下压架3-2是由三根长度相等的水平支撑板组成，三根水平支撑板其中一端连为一体，另外一端向外成放射状，且三根水平支撑板之间的夹角相等，三根支撑杆3-1下端穿过上支撑板 2-1的顶面伸入加压腔2-3内与升降板8固定连接，上端穿过水平支撑板通过螺栓锁紧，并在三根水平支撑板中心连接部位的下方设有轴压传感器 3-4，并在试样腔6内装入黏土试样12时，外加压框架3通过中心位置的轴压传感器3-4与置于黏土试样12顶面中心位置的加压件3-3触接，然后通过升降机构7控制升降板8升降从而带动外加压框架3相对于底座2下压或上升。所述轴压传感器3-4的信号输出端均与采集控制装置15内数据采集模块的信号输入端连接，能够通过采集控制装置15对试验过程中的轴压进行监测。
实施例中使用的结构性黏土弹性模量的测试系统，其侧压腔4-4的结构，如图4和图5所示，包括圆柱形外壳4-3，在侧压室4内设有中部直径大于上下腔口直径的外凸式腔体，并在中空腔体内由乳胶膜5分隔成密封的侧压腔4-4和中空试样腔6；所述乳胶膜5中空圆筒状或中部直径大两端直径小的中空圆筒状，乳胶膜5置于侧压腔4-4内，其两端分别伸出侧压腔 4-4的上下腔口，分别通过上密封盖板4-5和下密封盖板4-6密封盖紧后，再通过上压板4-7和下压板4-8固定压紧，然后在上压板4-7和下压板4-8 之间设有6根锁紧螺杆4-9将其锁紧。在侧压腔4-4的下部设有与压力调节筒1连接的进水管4-1，上部设有带控制阀的排气排水管4-2，其压力调节筒1与围压恒压装置19连接，在试样腔6内装入黏土试样12时，通过压力管与恒压围压装置19，在围压恒压装置19的作用下向侧压腔4-4内注水增压，使乳胶膜5贴附在黏土试样12的表面，并对黏土试样12施加恒定的围压。
实施例中的压力调节筒1为内部装有水的密封筒式压力筒，压力调节筒1通过压力管1-2与外部围压恒压装置19连接，在压力调节筒1上设有压力监测器1-1，在压力管1-2上设有电磁控制阀21；所述围压恒压装置 19为空压机；所述压力监测器1-1的信号输出端与数据采集控制装置15的信号输入端连接，其数据采集控制装置15的信号输出端与电磁控制阀21 的信号输入端连接；压力监测器1-1对压力调节筒1内的压力进行监测，并将监测结果输送到数据采集控制装置15，由其对数据进行采集分析，并针对采集的压力与设定的压力进行对比，从而控制电磁控制阀21来调整围压恒压装置19的压力，从而保证围压的恒定。
实施例中使用的结构性黏土弹性模量的测试系统，如图1和图2所示，所述侧压室4固定安装在底座2上，其试样腔6正对试样台16，且侧压室 4的下压板4-8固定在底座2的上支撑板2-1上，在试样台16上均匀开设有多个透水孔11，在试样台16内设有与多个透水孔11连通的水槽18，在水槽18的底面设有下凹式出水口，且下凹式出水口与排水管9连通，排水管9外部与固结水收集筒13连通，并在排水管9上设有排水控制阀11-1。所述固结水收集筒13为带有刻度值的透明圆筒体，在筒体内装入一定量的水，其装入的水量大于排水管9和水槽18的总水量，并在固结水收集筒13 底面设有液位传感器13-1。所述固结水收集筒13的底面高度大于或等于试样腔6内黏土试样12的底面高度，排水管11通向固结水收集筒13的底部，并在排水管9上设有排水控制阀11-1，在试样装入之前，打开排水控制阀 11-1，其固结水收集筒13内的水可以自动流入排水管9和水槽18内，并通过透水孔11观察水槽18内的水是否装满，在透水孔11向外冒水时，证明其水槽18和排水管9内均充满了水，便可关闭排水控制阀11-1，此时液位传感器13-1监测的液位便是原始液位。液位传感器13-1的信号输出端与数据采集控制装置15的数据采集模块信号输出端连接，数据采集控制装置15 的控制模块信号输出端连接，在对黏土试样进行固结时，可以通过液位传感器13-1监测固结水收集筒13内水位变化从而判断是否达到了K0固结。
实施例中使用的结构性黏土弹性模量的测试系统，在进行装样时，如图2和图5所示，在试样腔6内从下至上依次设有透水石10、黏土试样12 和不透水板20，透水石10置于试样台16上，在黏土试样12的外围竖向设有多个滤纸条17，且多个滤纸条17的下端与下透水石10接触；在不透水板12上部设有承压板22，所述加压件3-3为球形或圆柱形或多个球形连接的长条形，在承压板14的中心位置设有与加压件3-3匹配的加压槽，所述加压件3-3在试样腔6内装入黏土试样12后，置于承压板14中心部位的加压槽内对黏土试样12进行加压。
下面结合具体测试实例对本发明进一步说明，实施例中针对湛江组结构性黏土，湛江结构性黏土的特点为高孔隙比、低压缩性、高强度，一经结构破坏后强度值瞬降，具有较高的灵敏度，塑性指数(IP)大于30，胶结作用是其具有较高的结构强度的根本原因，结构性黏土在弹性模量测试之前进行饱和黏土试验，所述饱和黏土试验即试验开始前对试样进行真空抽气饱和测试，本发明对湛江组结构性黏土的弹性模量测试具体如下：
(1)将侧压腔4-4的排水管9与装有水的固结水收集筒13连接，打开排水管9上的排水控制阀11-1，使固结水收集筒13内的水自动从排水管9 流入水槽18内，通过透水孔11观察水槽18内的水满后，将排水控制阀11-1 关闭，然后通过液位传感器13-1监测此时的水位，并记录为原始水位；
(2)将压力调节筒1通过压力管与围压恒压装置19连接，控制电磁阀 21打开围压恒压装置19，并同时打开侧压室的上排气排水管4-2和下进水管4-1，向侧压腔4-4内压入水排除侧压腔4-4内的气体，在加压过程中，并通过观察乳胶膜与侧压腔内壁之间是否有气泡判断侧压腔内的气体是否全部排除，当出现气泡时可以通过倾斜侧压室4用手将气泡挤压到侧压腔的上部，然后通过注入水气泡完全消失；
(3)当乳胶膜5与侧压腔4-4内壁无气泡时，关闭上排气排水管4-2和下进水管4-1，同时关闭围压恒压装置19，在乳胶膜内壁抹润滑剂(具体可以直接抹茶香肥皂水)，然后在中空试样腔6内的试样台16上依次放置下透水石10、滤纸17、黏土试样12、不透水板20、传压板22和加压件3-3 (其加压件3-3为顶珠)，其滤纸17竖向设置在黏土试样12的外围，底端与透水石10接触，并安装外加压框架的下压架3-2，使其中部的轴压传感器3-4与加压件3-3相接触；其黏土试样12直径为79.8mm、高度为160mm；
(4)根据湛江组黏土的土质分析测试的数据，按照以下公式分别计算待测试黏土试样的轴向应力σ1为208kPa和围压应力σ3为118.56kPa，其计算过程如下：
σ1＝γ'h
＝6.5×32＝208kPa
σ3＝K0γ'h
＝0.57×6.5×32
＝118.56kPa
上述公式中：σ1——轴向应力，kPa；γ'——土的天然有效重度，kN/cm3；h——上覆土层厚度；σ3——围压应力，kPa；K0——土的静止侧压力系数；
(5)再次开启围压恒压装置19，并打开下进水管4-1上的控制阀，向测压腔4-4内注水增压，通过压力调节筒1内的压力传感器1-1和压力管上的电磁阀21控制侧压室的围压应力为步骤(4)中计算的值σ3；同时打开电动或液压升降机构的开关，开启电动或液压升降机构的控制器，通过电动或液压升降机构控制升降板8下降，从而带动外加压框架下压，通过轴压传感器3-4对其轴压进行监测，并控制轴压应力达到步骤(4)中计算的值σ1，对黏土试样进行K0固结；
(6)在K0固结过程中，打开排水管9上的排水控制阀11-1，使试样在轴压和围压的作用下排水至固结水收集筒，固结水收集筒的初始水位保证与试样的中心位置对齐，通过固结水收集筒13内液位传感器监测其液位变化量，固结时间不得少于12个小时，直到每小时液位上升量不大于0.01mm 时，其K0固结完成，关闭排水管；
(7)采用待测的湛江组黏土按照标准试验方法进行三轴剪切试验，试验过程中其围压控制在步骤(5)中计算得到的围压值σ3，在试样破坏时的剪切强度即为湛江组黏土的破坏强度σf值，其计算得到的σf为300kPa；控制轴压加压装置依次按照的应力水平分三级加荷卸荷，每级加荷分四次完成，四次加荷完成后再分四次卸荷，完成一个加荷卸荷循环，且加荷和卸荷的时间间隔一分钟，每级加荷卸荷循环进行5次，在一级的5次加荷卸荷循环完成后进行下一级的加荷卸荷过程，依次重复，直到的加荷过程压至黏土试样破坏结束试验；在加荷卸荷过程中，记录通过金属板上的位移传感器采集每次加荷卸载轴向变形量；
(9)通过步骤(7)中采集的每次加荷卸载轴向变形量，绘制加压卸压与轴向变形量的关系曲线Δh-p，具体如图7所示，将最后一个滞回圈的两端点连成直线，其斜率即为弹性模量，并按照以下公式计算出湛江组黏土的弹性模量E，其计算过程如下：
上述公式中：E—试样的弹性模量，kPa；
Δp—每级轴向荷载，N；
∑Δh—相应于总压力下的弹性变形，mm；
A0—试样初始面积，cm2；；
hc—试样固结后的高度，mm；
10—单位换算系数。
实施中的方法最后得到的湛江组黏土的弹性模量为E＝16.4MPa。
同时，采用规范取直径为39.1mm、高度为80mm的试样用三轴仪进行试验，其试验过程中绘制的加压卸压与轴向变形量的图纸如图8所示，计算得出的弹性模E＝((100/12)/((0.235-0.21)/7.7))×10＝25666.7kPa＝25.7MPa，由图7可见，因湛江组结构性黏土的特性导致最后一个滞回圈弹性变形和塑性变形没有完全剥离开，测试结果偏大；通过本装置和试验方法测试的结果得出E＝16.4MPa，经过三级加压、减荷后，由图可见湛江组结构性黏土在最后一个滞回圈内弹性变形和塑性变形已经完全剥离开，测试结果更加符合真实值。
本发明采用K0固结方式能够使固结应力条件尽量接近实际，经过多次加荷和卸载分离出真实的湛江组结构性黏土弹性变形，能够更加准确测试强结构性和触变性明显的湛江组结构性黏土的弹性模量。
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述测试系统包括恒压围压装置(19)、压力调节筒(1)、带有水位监测的固结水收集筒(13)、底座(2)、外加压框架(3)、侧压室(4)和轴压加压装置，在侧压室(4)内设有中空腔体，并在中空腔体内由乳胶膜(5)分隔成密封的侧压腔(4-4)和中空试样腔(6)；所述底座(2)包括上支撑板(2-1)、下支撑板(2-2)和置于上、下支撑板之间的加压腔(2-3)，上支撑板(2-1)和下支撑板(2-2)的外围通过环形支撑面或多个支撑杆固定连接；所述轴压加压装置安装在加压腔(2-3)内，具体包括升降机构(7)、升降板(8)和设置在升降板(8)上的位移传感器(14)，升降机构(7)固定安装在下支撑板(2-2)上，升降板(8)安装在升降机构(7)的顶升端；所述外加压框架(3)包括至少两根支撑杆(3-1)、固定在支撑杆(3-1)顶部的下压架(3-2)和安装在下压架(3-2)中心位置的轴压传感器(3-4)，在试样腔(6)内装入黏土试样(12)时，外加压框架(3)通过中心位置的轴压传感器(3-4)与置于黏土试样(12)顶面中心位置的加压件(3-3)触接；所述外加压框架(3)的支撑杆(3-1)下端穿过上支撑板(2-1)的顶面伸入加压腔(2-3)内与升降板(8)固定连接，并在升降机构(7)的作用下升降板(8)带动外加压框架(3)相对于底座(2)下压或上升，且升降板(8)在正常状态下处于最高位；所述侧压室(4)固定安装在底座(2)上，在侧压腔(4-4)的下部设有与压力调节筒(1)连接的进水管(4-1)，上部设有带控制阀的排气排水管(4-2)；所述压力调节筒(1)为内部装有水的密封筒，通过压力管与恒压围压装置(19)连接，并在恒压围压装置(19)的作用下向侧压腔(4-4)内注水增压；在底座(2)对应试样腔(6)的位置设有开设有多个透水孔(11)的试样台(16)，多个透水孔(11)通过排水管(9)与固结水收集筒(13)连通；
所述侧压室(4)固定安装在底座(2)上，在试样腔(6)内从下至上依次设有透水石(10)、黏土试样(12)和不透水板(20)，透水石(10)置于试样台(16)上，在黏土试样(12)的外围竖向设有多个滤纸条(17)，且多个滤纸条(17)的下端与下透水石(10)接触；在不透水板(20)上部设有承压板(22)，所述加压件(3-3)为球形或圆柱形或多个球形连接的长条形，在承压板(22)的中心位置设有与加压件(3-3)匹配的加压槽，所述加压件(3-3)在试样腔(6)内装入黏土试样(12)后，置于承压板(22)中心部位的加压槽内对黏土试样(12)进行加压。
2.根据权利要求1所述的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括数据采集控制装置(15)，所述数据采集控制装置(15)内设有数据采集模块、控制模块和显示模块，数据采集模块的信号输出端分别与控制模块和显示模块连接；所述位移传感器(14)、轴压传感器(3-4)、固结水收集筒(13)的水位检测器的信号输出端均与数据采集控制装置(15)内数据采集模块的信号输入端连接，所述数据采集控制装置(15)内的控制模块与升降机构(7)的控制端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述侧压室(4)包括圆柱形外壳(4-3)，所述侧压腔(4-4)的上下腔口分别开设在圆柱形外壳(4-3)上下端面，且侧压腔(4-4)为中部直径大于上下腔口直径的外凸式腔体，所述乳胶膜(5)中空圆筒状或中部直径大两端直径小的中空圆筒状，乳胶膜(5)置于侧压腔(4-4)内，其两端分别伸出侧压腔(4-4)的上下腔口，分别通过上密封盖板(4-5)和下密封盖板(4-6)密封盖紧后，再通过上压板(4-7)和下压板(4-8)固定压紧，并在试样腔(6)内装入黏土试样(12)时，所述乳胶膜(5)贴附在黏土试样(12)的表面，在上压板(4-7)和下压板(4-8)之间设有多根锁紧螺杆(4-9)。
4.根据权利要求1或2所述的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述升降机构(7)为电动或液压升降机构，设置有一个或多个，当设置有多个时，均匀分布在升降板(8)的底部，且多个升降机构(7)同时升降；所述升降板(8)在加压腔(2-3)内的升降高度大于黏土试样(12)在加荷下压至破坏时的高度位移。
5.根据权利要求2所述的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：所述压力调节筒(1)，为内部装有水的密封式压力筒，压力调节筒(1)通过压力管(1-2)与外部恒压围压装置(19)连接，在压力调节筒(1)上设有压力监测器(1-1)，在压力管(1-2)上设有电磁控制阀(21)；所述恒压围压装置(19)为空压机；所述压力监测器(1-1)的信号输出端与数据采集控制装置(15)的信号输入端连接，其数据采集控制装置(15)的信号输出端与电磁控制阀(21)的信号输入端连接。
6.根据权利要求2所述的一种结构性黏土弹性模量的测试系统，其特征在于：在试样台(16)内设有与多个透水孔(11)连通的水槽(18)，在水槽(18)的底面设有下凹式出水口，且下凹式出水口与排水管(9)连通；所述固结水收集筒(13)为带有刻度值的透明圆筒体，在固结水收集筒(13)内装入水，其筒体内原始水量大于排水管(9)和水槽(18)的总水量，所述水位检测器为设置在固结水收集筒(13)底面设有液位传感器(13-1)；所述固结水收集筒(13)的底面高度大于或等于试样腔(6)内黏土试样(12)的底面高度，排水管(9)通向固结水收集筒(13)的底部，并在排水管(9)上设有排水控制阀(11-1)。
7.一种结构性黏土弹性模量的测试方法，其特征在于所述测试方法采用如权利要求1或2中所述的结构性黏土弹性模量的测试系统针对饱和状态下的塑性指数大于30的结构性黏土进行测试，其具体测试步骤如下：
(1)在底座中央位置设有高出底座上表面的试样台，并在试样台的上表面均匀开设有透水孔，试样台内设有带下凹式出水口的水槽，水槽的出水口设有伸出底座的排水管，将侧压室固定在底座上，其试样台正对中空试样腔；
(2)将排水管与装有水的固结水收集筒连接，固结水收集筒的筒底位置高于试样台的台面高度，并在固结水收集筒底部设有液位传感器，在排水管上设有排水控制阀，打开排水管上的排水控制阀，使固结水收集筒内的水自动从排水管流入水槽内，通过透水孔观察水槽内的水满后，将排水控制阀关闭，然后通过液位传感器监测此时的水位，并记录为初始水位；
(3)将压力调节筒通过压力管与恒压围压装置连接，在压力调节筒内设有压力传感器，在压力管上设有电磁阀，控制电磁阀打开恒压围压装置，并同时开启侧压室的上排气排水管和下进水管，向侧压腔内压入水排除侧压腔内的气体，并通过观察乳胶膜与侧压腔内壁之间是否有气泡判断侧压腔内的气体是否全部排除；当出现气泡时通过倾斜侧压室用手将气泡挤压到侧压腔的上部，然后通过注入水使气泡完全消失；
(4)当乳胶膜与侧压腔内壁无气泡时，关闭上排气排水管和下进水管，同时关闭恒压围压装置，在乳胶膜内壁抹润滑剂，然后在中空试样腔内的试样台上依次放置下透水石、滤纸、黏土试样、不透水板、传压板和加压件，其滤纸竖向设置在黏土试样的外围，底端与透水石接触，并安装外加压框架的下压架，使其中部的轴压传感器与加压件相接触；
(5)根据待测黏土的土质分析测试的数据，按照以下公式①和公式②分别计算待测试黏土试样的轴向应力σ1和围压应力σ3：
σ1＝γ'h ①
σ3＝K0γ'h ②
上述公式中：σ1——轴向应力，kPa；γ'——土的天然有效重度，kN/cm3；h——上覆土层厚度；σ3——围压应力，kPa；K0——土的静止侧压力系数；
(6)再次开启恒压围压装置，并打开下进水管上的控制阀，向测压室内注水增压，通过压力调节筒内的压力传感器和压力管上的电磁阀控制侧压室的围压应力为步骤(4)中计算的值σ3；同时控制升降机构工作带动升降板下降，从而带动外加压框架下压，并开启控制装置通过外加压框上的轴压传感器控制其轴压应力达到步骤(4)中计算的值σ1，对黏土试样进行K0固结；
(7)在K0固结过程中，打开排水管上的排水控制阀，使试样在轴压和围压的作用下进入排水至固结水收集筒，并通过固结水收集筒内液位传感器监测其液位变化量，固结时间不得少于12个小时，直到每小时液位上升量不大于0.01mm时，其K0固结完成，关闭排水管和升降机构；
(8)计算出待测黏土的破坏强度σf值，通过控制器控制轴压加压装置依次按照的应力水平分多级加荷和卸荷，其中an＝3，a1、a2、an-1均大于an，每次加荷卸荷时间间隔一分钟，每级应力反复进行多次，到的加荷过程压至黏土试样破坏，结束试验；在加荷卸荷过程中，记录通过金属板上的位移传感器采集每次加荷卸载轴向变形量；
(9)通过步骤(8)中采集的每次加荷卸载轴向变形量，绘制加压卸压与轴向变形量的关系曲线Δh-p，将最后一个滞回圈的两端点连成直线，其斜率即为弹性模量，并按照公式③计算出待测黏土的弹性模量：
公式③中：E—试样的弹性模量，kPa；
Δp—每级轴向荷载，N；
∑Δh—相应于总压力下的弹性变形，mm；
A0—试样初始面积，cm2；
hc—试样固结后的高度，mm；
10—单位换算系数。
8.根据权利要求7所述的一种结构性黏土弹性模量的测试方法，其特征在于：所述步骤(8)中待测黏土的破坏强度σf为在步骤(6)中计算得到的围压值σ3下，对待测黏土按照标准的试验方法进行三轴剪切试验，直至试样破坏时的剪切强度。
9.根据权利要求7所述的一种结构性黏土弹性模量的测试方法，其特征在于：所述步骤(8)中通过控制器控制轴压加压装置依次按照 的应力水平分三级加荷和卸荷，每级加荷分四次完成，四次加荷完成后再分四次卸荷，完成一个加荷卸荷循环，且加荷和卸荷的时间间隔一分钟，每级加荷卸荷循环进行5次，在一级的5次加荷卸荷循环完成后进行下一级的加荷卸荷过程，依次重复，直到的加荷过程压至黏土试样破坏结束试验。
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