一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置及其使用方法

1.本发明属于岩土工程试验技术领域，尤其是涉及一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置及其使用方法。


背景技术：

2.加固后的珊瑚礁砂地基在常压应力下，往往具备较高的强度与承载能力。由于珊瑚砂处在复杂的海洋环境中，必然会受到波浪、交通等循环荷载，以及台风、海啸、地震等荷载作用。钙质砂具有强度硬度低、内孔隙比高、形状极不规则的特点，在外力作用下的颗粒破碎，直接引起粒径的演化，其物理力学特性也会发生较大变化。
3.近年来，动静荷载下珊瑚砂的颗粒破碎特性有了较多的研究成果，目前，国内外学者主要通过传统的筛分法或者图像处理方法对钙质砂破碎后的颗粒分布进行分析，由于珊瑚砂颗粒易破碎，因此在筛分过程中难免会发生颗粒破碎。另外，加载过程中颗粒破碎的研究是通过不同加载应变时停止试验，然后再进行筛分，无法动态测试其破碎程度。往往比较麻烦，本专利试通过电阻的视角来研究固结试验下对钙质砂破碎的监测。
4.对于土体电阻试验，现有设备没有采用监测电阻来表征饱和钙质砂在固结过程中的破碎变化情况。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置及使用方法，该系统能够实现饱和钙质砂样的固结过程中力学特性与以及从电阻的视角来表征颗粒固结破碎的情况。
6.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.本发明所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，包括真空泵、真空罩、真空管、真空压力表、顶板、上部定位螺栓、底座、下部定位螺栓、上部测力机构、上部力学传感器、固结气压装置、气压泵吸气口阀门、气压泵出气口阀门、试样台、有机玻璃层压板、方形护壁、进水管、流量计、孔压传感器、电极铜片、导线、电阻测试仪、及计算机采集系统；
8.在所述真空泵上连接有真空管，所述的真空泵通过安设的真空管与所述顶板相连接；
9.所述顶板安设在真空罩的上端，在所述顶板与真空罩之间均布安设有若干个上部定位螺栓，所述顶板通过安设的上部定位螺栓与真空罩的上部相互连接；
10.所述底座安设在真空罩的下端，在所述底座与真空罩之间均布安设有若干个下部定位螺栓，所述底座通过安设的下部定位螺栓与真空罩的下部紧密相嵌。
11.进一步的，在所述顶板的上端还安设有上部测力机构，在所述上部测力机构上安设有上部力传感器；
12.所述上部测力机构通过顶板上开设的螺孔连接有有机玻璃层压板。
13.进一步的，在所述底座上开设有至少三个预制孔，在其中一个预制孔中穿设有气
压泵吸气口阀门及气压泵出气口阀门，
14.在第二个预制孔中穿设有进水管，在所述进水管远离底座的另一端安设有流量计；
15.在第三个预制孔中穿设有孔压传感器，所述孔压传感器通过开设的预制孔与计算机采集系统相连接。
16.进一步的，在所述底座的内部安设有固结气压装置，所述固结气压装置分别与气压泵吸气口阀门级气压泵出气口阀门相连接；
17.在所述固结气压装置的上方安设有试样台，在所述试样台的上端安设有方形护壁；
18.在所述方形护壁的内壁上相对的两侧分别安设有电极铜片；
19.在两侧所述的电极铜片上连接有导线，所述导线的另一端穿过顶板上开设的导线孔后连接在所述电阻测试仪上，所述电阻测试仪通过导线连接在所述计算机采集系统上。
20.进一步的，在所述上部测力机构与连接的有机玻璃层压板之间安设有螺杆，所述螺杆穿过开设的螺孔后一端连接在所述上部测力机构上，另一端与有机玻璃层压板相连接；
21.在所述螺杆的外壁开设有外螺纹，在所述顶板中央内嵌的螺孔的内壁开设有与所述外螺纹相适配的内螺纹，所述螺杆与顶板中央内嵌的螺孔相适应；
22.在所述上部测力机构上还安设有导线，所述上部测力机构通过连接的导线连接在所述计算机采集系统上。
23.进一步的，所述上部力传感器安设在上部测力机构朝向顶板一侧开设的下部孔压传感器定位环内，在所述上部力传感器的上部还安设有传感器垫片。
24.进一步的，所述方形护壁的下端嵌合在所述试样台中、且所述方形护壁的体积与所述试样台的体积相等。
25.进一步的，所述的方形护壁是采用四周封闭的亚克力材料制成；
26.所述电极铜片与方形护壁内部的两相对面相贴合。
27.进一步的，在所述真空罩的环形外壳上边缘开设有上螺栓孔，所述真空罩与顶板通过安设在上螺栓孔中的上部定位螺栓相互连接；
28.所述真空罩的下边缘与底座通过嵌入卡合，在所述真空罩的环形外壳下边缘的侧面开设有下螺栓孔，所述真空罩与底座通过安设在下螺栓孔中的下部定位螺栓相互连接；
29.在所述顶板上还安设有真空压力表。
30.进一步的，一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置的使用方法，具体操作步骤如下：
31.步骤(1)：对现场钙质砂进行采样，在实验室内对样品进行小型试验，从而测得钙质砂的比重gs、初始孔隙比e、干密度ρd、方形护壁的高度及底面边长；
32.其中，所述方形护壁的高度为5cm，其底面边长为5cm；
33.将钙质砂样品装进方形护壁内，通过真空泵将真空罩内的空气抽出，当安设的真空压力表的示数范围为72-76cmhg时，则关闭真空管上开设的抽气阀门；
34.步骤(2)：打开流量计上连接的阀门，
35.根据饱和度要求：sr＝w
·gs
/e＝gs·m水
/v(g
s-ρd)，m
水＝
sr·v·
(g
s-ρd)/gs；
36.计算出所需通入自来水的质量，在压强差的作用下将自来水从进水管输送进入钙质砂样内并静置两个小时；
37.其中，sr表示饱和度；gs表示比重；e表示初始孔隙比；ρd表示干密度；v表示方形护壁的内体积；
38.步骤(3)：通过旋转上部测力机构使有机玻璃层压板与钙质砂样上部进行接触，打开电阻测试仪，同时通过计算机采集系统调节固结气压装置的荷载参数，然后开始对钙质砂样进行不同荷载固结并由计算机采集系统采集固结过程中的数据。
39.有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：1、通过抽真空与控制进水量方法相结合，在抽真空的过程中，使试样通过电脑观察孔隙水压力的数值，待压力以及缸内压强稳定后，通入与饱和度相对应质量的蒸馏水并静止两个小时以实现饱和度要求；2、上部层压板采用有机高强度玻璃材料，绝缘材质在与试样上部接触，在固结的过程中对电阻的影响较小；3、监测结果的输出具有连续性和实时性，有利于通过电阻的变化来表征钙质砂破碎情况；4、本装置利用固结加载采用气压，有利于数据的稳定，传统的固结仪精度较低操作不便；5、钙质砂饱和后装入，容易发生扰动，且饱和度不会达到所需要要求，试验的可重复性不能够得到保证，本装置可减少饱和土的装样过程中的扰动。
附图说明
40.图1是本发明的总体结构示意图；
41.图2是本发明中方形刚性护环及电极铜片的结构示意图；
42.图3是本发明中真空罩及定位螺孔的结构示意图；
43.图4是本发明中底座的结构示意图；
44.图5是本发明中固结气压装置、气压泵吸气口阀门及气压泵出气口阀门的结构示意图；
45.图中1是真空泵，2是真空罩，21是真空管，3是真空压力表，4是顶板，5是上部定位螺栓，6是底座，601是下部定位螺栓，7是上部测力机构，701是上部力学传感器，8是固结气压装置，801是气压泵吸气口阀门，802是气压泵出气口阀门，803是试样台，9是有机玻璃层压板，10是方形护壁，11是进水管，1101是流量计，12是孔压传感器，13是电极铜片，14是导线，15是电阻测试仪，16是计算机采集系统。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
47.如图所述，本发明所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，包括抽真空系统、固结系统及电阻监测系统；
48.所述抽真空系统：
49.根据饱和度要求：sr＝w
·gs
/e＝gs·m水
/v(g
s-ρd)，m
水
＝sr·v·
(g
s-ρd)/gs；通过真空泵1将真空罩2内的空气抽出，当真空压力表3的示数范围为72-76cmhg时，关闭真空管21上的阀门，打开进水管11上的阀门，在压强差的作用下使得自来水进入钙质砂样内，由于砂样容易受到扰动，渗透性大，自来水通入2h后基本可以达到所需饱和度要求；
50.其包括真空罩2、上部定位螺栓5，所述真空罩上顶板内有螺孔，上部测力机构7利用螺栓与有机玻璃层压板9相连，并且可通过旋转使得有机玻璃层压板9达到升降效果，即有机玻璃层压板9接触到钙质砂样上部；打开真空泵1和真空管21上的阀门，当真空压力表3的示数范围为72-76cmhg时，打开进水管11的阀门，通过调节进水管11的阀门的开合程度来控制进入水的流量并通过流量计显示，防止进水流量过快，导致钙质砂样冲破；
51.所述固结系统具体包括底座6，方形护壁10、上部的有机玻璃层压板9，孔压传感器12、试样台803、下部的固结气压装置8，在所述顶板4上设有螺孔，有机玻璃层压板9与上部测力机构7通过连接的螺杆相连；固结气压装置8即采用气泵，通过不同的气压来产生不同的底部压强来实现不同固结荷载；
52.其通过底座6内部的固结气压装置8吸气，使其下部产生不同压强，来使得试样台803上升，达到对钙质砂样进行竖向固结的目的；
53.所述电阻监测系统，通过绝缘的导线14将钙质砂样两侧的电极铜片13与电阻测试仪15相连，电极铜片13通过绝缘防水胶与方形护壁10相贴合，在竖向固结的过程中，方形护壁10随着试样台803上升；
54.使用绝缘防水的导线14使得方形护壁10两侧的电极铜片13与电阻测试仪15相连，钙质砂样放置在方形护壁10的内部，通过电阻测试仪15采集到计算机采集系统16上的数据来达到对电阻进行监测的目的；
55.具体的，本发明主要包括真空泵1、真空罩2、真空管21、真空压力表3、顶板4、上部定位螺栓5、底座6、下部定位螺栓601、上部测力机构7、上部力学传感器701、固结气压装置8、气压泵吸气口阀门801、气压泵出气口阀门802、有机玻璃层压板9、方形护壁10、进水管11、流量计1101、孔压传感器12、电极铜片13、导线14、电阻测试仪15及计算机采集系统16；
56.其中，真空泵1通过真空管21与真空缸的真空罩2相连；上部定位螺栓5用于将真空罩2与顶板4紧密的贴在一起，防止漏气；
57.其中，底座6通过下部定位螺栓601与真空罩2的下部紧密相嵌；
58.其中，上部测力机构7包括上部力学传感器701和传感器垫片，
59.上部力学传感器701安装在所述上部测力机构7的下方，在所述上部力学传感器701的上部安设了传感器垫片；
60.其中，固结气压装置8置于底座6的内部，采用高密度膜制成与气压泵吸气口阀门801及气压泵出气口阀门气压泵出气口阀门802相连；
61.所述有机玻璃层压板9与试样上部接触，即通过螺栓连接在所述上部测力机构7上；
62.其中，所述方形护壁10为了防止在试样固结的过程中产生的侧向力使试样发生横向变形并且其两侧与电极铜片13相贴合；
63.其中，所述进水管11与底座6的下部相连，在所述进水管11上还安设有流量计1101；
64.其中，所述孔压传感器12通过底座6下部开设的预制孔与计算机采集系统16相连；
65.其中，电阻测试装置15的一端通过导线14与电极铜片13相连，其另一端通过导线14与计算机采集系统16相连接；
66.进一步的，所述顶板4和底座6下方都设有孔，分别用于上部测力机构7和连接电阻
测试装置的导线14、底部的孔压传感器12和试样底部的进水管11的管道；
67.所述的螺杆突出顶板4的上部，通过螺纹连接与顶板4中央内嵌螺孔相适应，并且螺杆的一侧与上部测力机构7相接触，其另一侧连接在所述有机玻璃层压板9上；
68.所述有机玻璃层压板9顶部设有螺孔与上部测力机构7的下端螺纹可通过螺杆旋转紧密相连，在固结的过程中上部的有机玻璃层压板9保持不动并与试样充分接触并起到绝缘的作用；
69.上部力学传感器701用于实施监测所受到的固结荷载，便于关闭固结气压装置的吸气阀门；
70.所述上部力学传感器701设于上部测力机构定位环内，还安设有传感器垫片，用于试样饱和度的监测；
71.所述底座6的内部安装有固结气压装置8，通过吸气进行固结加载，出气来释放压强；所述方形护壁10的边长与试样台803的边长相同以实现卡合固定；
72.所述方形护壁10是由高密度有机材料制成的四周绝缘封闭的护壁；
73.所述电极铜片13与方形护壁10内部的两侧相贴合，并在上部与导线14相连，导线14通过顶板4的预制孔与外面的电阻测试仪15相连；
74.在所述真空罩2的环形外壳上边缘设有螺孔，与顶板4边缘通过上部定位螺栓5将二者紧密连接起来，
75.所述环形外壳与底座6通过嵌入卡合，并从侧面通过下部定位螺栓601进行相互固定；
76.一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置的使用方法，具体操作步骤如下：
77.步骤(1)：对现场钙质砂进行采样，在实验室内对样品进行小型试验，从而测得钙质砂的比重gs、初始孔隙比e、干密度ρd、方形护壁10的高度及底面边长；
78.其中，所述方形护壁10的高度为5cm，其底面边长为5cm；
79.将钙质砂样装进方形护壁10内，通过真空泵1将真空罩2内的空气抽出，当真空罩2上安设的真空压力表3的示数范围为72-76cmhg时，关闭真空管21上的阀门；
80.步骤(2)：打开底座6底端的进水管11上的阀门，根据饱和度要求：sr＝w
·gs
/e＝gs·m水
/v(g
s-ρd)，m
水
＝sr·v·
(g
s-ρd)/gs；计算所需通入自来水的质量，在压强差的作用下将自来水从进水管11输送进入钙质砂样内并静置两个小时使钙质砂样满足饱和要求；
81.其中，sr表示饱和度；gs表示比重；e表示初始孔隙比；ρd表示干密度；v表示方形护壁(10)的内体积；
82.步骤(3)：通过旋转上部测力机构7使有机玻璃层压板9与钙质砂样上部进行接触，打开电阻测试仪15，同时通过计算机采集系统16调节固结气压装置8的荷载参数，然后开始对钙质砂样进行不同荷载固结并由计算机采集系统16采集固结过程中的数据。
83.实施例
84.对现场钙质砂进行采样，在实验室内对样品进行小试试验，通过比重试验测得0.5-1mm粒径钙质砂比重为2.79，该试样的初始可装样体积为125cm3，当密实度为0.6时，其干密度为1.29g/cm3，通过计算机采集系统16可计算出饱和时所需加入水的质量；将干砂试样装入方形护壁10中，打开真空泵1，当真空罩2上安设的真空压力表3的示数范围为72-76cmhg时，关闭真空管21上的阀门，打开进水管11的阀门，在压强差的作用下使自来水进入
钙质砂样内，静置2h后可以达到饱和度要求；
85.再将绝缘的导线14穿过顶板4上的预制孔分别与钙质砂样两侧的电极铜片13和电阻测试仪15相连，随即打开固结气压装置8下方的吸气阀门801，通过观察计算机，当达到所需固结荷载时，关闭吸气阀门801；打开电阻测试仪15，在计算机采集系统16上设置电阻的采样频率，两者同时开始工作，通过计算机采集系统16，采集饱和的钙质砂在固结过程中电阻的动态变化情况，计算机采集系统16自动生成在不同固结荷载下的电阻、以及电阻随着竖向位移变化等曲线来表征钙质砂的颗粒破碎情况。
86.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：包括真空泵(1)、真空罩(2)、真空管(21)、真空压力表(3)、顶板(4)、上部定位螺栓(5)、底座(6)、下部定位螺栓(601)、上部测力机构(7)、上部力学传感器(701)、固结气压装置(8)、气压泵吸气口阀门(801)、气压泵出气口阀门(802)、试样台(803)、有机玻璃层压板(9)、方形护壁(10)、进水管(11)、流量计(1101)、孔压传感器(12)、电极铜片(13)、导线(14)、电阻测试仪(15)及计算机采集系统(16)；在所述真空泵(1)上连接有真空管(21)，所述的真空泵(1)通过安设的真空管(21)与所述顶板(4)相连接；所述顶板(4)安设在真空罩(2)的上端，在所述顶板(4)与真空罩(2)之间均布安设有若干个上部定位螺栓(5)，所述顶板(4)通过安设的上部定位螺栓(5)与真空罩(2)的上部相互连接；所述底座(6)安设在真空罩(2)的下端，在所述底座(6)与真空罩(2)之间均布安设有若干个下部定位螺栓(601)，所述底座(6)通过安设的下部定位螺栓(601)与真空罩(2)的下部紧密相嵌。2.根据权利要求1所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：在所述顶板(4)的上端还安设有上部测力机构(7)，在所述上部测力机构(7)上安设有上部力学传感器(701)；所述上部测力机构(7)通过顶板(4)上开设的螺孔连接有有机玻璃层压板(9)。3.根据权利要求1所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：在所述底座(6)上开设有至少三个预制孔，在其中一个预制孔中穿设有气压泵吸气口阀门(801)及气压泵出气口阀门(802)，在第二个预制孔中穿设有进水管(11)，在所述进水管(11)远离底座(6)的另一端安设有流量计(1101)；在第三个预制孔中穿设有孔压传感器(12)，所述孔压传感器(12)通过开设的预制孔与计算机采集系统(16)相连接。4.根据权利要求1或3所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：在所述底座(6)的内部安设有固结气压装置(8)，所述固结气压装置(8)分别与气压泵吸气口(801)阀门级气压泵出气口阀门(802)相连接；在所述固结气压装置(8)的上方安设有试样台(803)，在所述试样台的上端安设有方形护壁(10)；在所述方形护壁(10)的内壁上相对的两侧分别安设有电极铜片(13)；在两侧所述的电极铜片(13)上连接有导线(14)，所述导线(14)的另一端穿过顶板(4)上开设的导线孔后连接在所述电阻测试仪(15)上，所述电阻测试仪(15)通过导线(14)连接在所述计算机采集系统(16)上。5.根据权利要求2所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：在所述上部测力机构(7)与连接的有机玻璃层压板(9)之间安设有螺杆，所述螺杆穿过开设的螺孔后一端连接在所述上部测力机构(7)上，另一端与有机玻璃层压板(9)相连接；在所述螺杆的外壁开设有外螺纹，在所述顶板(4)中央内嵌的螺孔的内壁开设有与所述外螺纹相适配的内螺纹，所述螺杆与顶板(4)中央内嵌的螺孔相适应；
在所述上部测力机构(7)上还安设有导线(14)，所述上部测力机构(7)通过连接的导线(14)连接在所述计算机采集系统(16)上。6.根据权利要求2所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：所述上部力学传感器(701)安设在上部测力机构(7)朝向顶板(4)一侧开设的下部孔压传感器定位环内，在所述上部力学传感器(701)的上部还安设有传感器垫片。7.根据权利要求4所述一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置及使用方法，其特征在于：所述方形护壁(10)的下端嵌合在所述试样台(803)中、且所述方形护壁(10)的体积与所述试样台(803)的体积相等。8.根据权利要求4所述一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置及使用方法，其特征在于：所述的方形护壁(10)是采用四周封闭的亚克力材料制成；所述电极铜片(13)与方形护壁(10)内部的两相对面相贴合。9.根据权利要求1所述一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置，其特征在于：在所述真空罩(2)的环形外壳上边缘开设有上螺栓孔，所述真空罩(2)与顶板(4)通过安设在上螺栓孔中的上部定位螺栓(5)相互连接；所述真空罩(2)的下边缘与底座(6)通过嵌入卡合，在所述真空罩(2)的环形外壳下边缘的侧面开设有下螺栓孔，所述真空罩(2)与底座(6)通过安设在下螺栓孔中的下部定位螺栓(601)相互连接；在所述顶板(4)上还安设有真空压力表(3)。10.如权利要求1-9所述的一种饱和钙质砂固结破碎动态监测装置的使用方法，其特征在于，具体操作步骤如下：步骤(1)：对现场钙质砂进行采样，在实验室内对样品进行小型试验，从而测得钙质砂的比重g
s
、初始孔隙比e、干密度ρ
d
、方形护壁(10)的高度及底面边长；其中，所述方形护壁(10)的高度为5cm，其底面边长为5cm；将钙质砂样品装进方形护壁10内，通过真空泵1将真空罩2内的空气抽出，当安设的真空压力表3的示数范围为72-76cmhg时，则关闭真空管21上开设的抽气阀门；步骤(2)：打开流量计1101上连接的阀门，根据饱和度要求：s
r
＝w
·
g
s
/e＝g
s
·
m
水
/v(g
s-ρ
d
)，m
水＝
s
r
·v·
(g
s-ρ
d
)/g
s
；计算出所需通入自来水的质量，在压强差的作用下将自来水从进水管11输送进入钙质砂样内并静置两个小时；其中，s
r
表示饱和度；g
s
表示比重；e表示初始孔隙比；ρ
d
表示干密度；v表示方形护壁10的内体积；步骤(3)：通过旋转上部测力机构7使有机玻璃层压板9与钙质砂样上部进行接触，打开电阻测试仪15，同时通过计算机采集系统16调节固结气压装置8的荷载参数，然后开始对钙质砂样进行不同荷载固结并由计算机采集系统16采集固结过程中的数据。

技术总结
本发明公开了一种饱和度钙质砂固结破碎动态监测装置及其使用方法。属于岩土工程试验技术领域，所述包括抽真空系统、固结系统和电阻监测系统；所述抽真空系统包括真空泵、真空罩和上部的顶板，上部的顶板通过上部定位螺栓作用与真空罩上部边缘紧密贴合；所述固结系统包括固结气压装置和孔压传感器等设备，孔压传感器连接的导线通过底座的预制孔与计算机采集系统相连接；所述电阻测试系统包括导线、电极铜片及电阻测试仪，导线穿过上部顶板的预制孔与外部的电阻测试仪相连；本发明装置通过电阻率的视角监测饱和钙质砂的固结破碎情况，且装置体积小、可拆卸，操作智能方便。操作智能方便。操作智能方便。


技术研发人员：李天翔 侯贺营 王青 杨林 姜朋明 李晓道 陆祖成 陈慧斌
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/7/5