全文摘要
一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，属于岩土工程试验技术领域，包括固结制样系统、监测与控制系统、反力加载系统。固结制样系统在一定水头条件下，经上部加压，在双面排水情况下固结土样，并测试出土样的密度。监测与控制系统可以通过设置在土样固结区与上部加载区的传感器，实时监控土样的状态变化，得到土样的各种物理力学参数，包括：含水量、土压力、孔隙水压力、孔隙比等。反力加载系统可对土样固结区施加平稳且均匀的固结压力，并能减小甚至消除偏压的影响。三大系统协同工作，实现实时互馈，当达到所需的制样标准，制样结束。本实用新型装置适用性强；连接容易，操作简便；制样整体性好，均匀一致；对海底软土与超软土样制备同样适用。
主设计要求
1.一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的海底软土层制备装置包括固结制样系统、监测与控制系统、反力加载系统；三大系统协同工作，实现实时互馈：固结制样系统在一定水头条件下，经上部加压，在双面排水情况下固结土样，并测试出土样的密度；监测与控制系统通过设置在土样固结区与上部加载区的传感器，实时监控土样的状态变化，得到土样的各种物理力学参数；反力加载系统对土样固结区施加平稳且均匀的固结压力，减小甚至消除偏压影响；所述的固结制样系统包括可调节支撑立柱(1)、带刻度的双层有机玻璃隔板(2)、带滚轮的自平衡排水板(3)、土样固结区(4)、固定排水板(5)、上覆水层(6)、排水口(7)、导流板(8)、导流管(9)、储水箱(11)；所述的可调节支撑立柱(1)垂直设于装置的四角，四个带刻度的双层有机玻璃隔板(2)设于可调节支撑立柱(1)之间；其中一个双层有机玻璃隔板(2)的内侧玻璃由多块玻璃板拼接而成，该内侧有机玻璃板通过调整其拼接玻璃板的组合，设置不同尺寸与形状的排水口(7)，实现排水口(7)可缩放与移动功能；且该侧双层有机玻璃隔板(2)内部、固定排水板(5)上方设有导流板(8)，导流板(8)通过导流管(9)与储水箱(11)相连；所述的带滚轮的自平衡排水板(3)设于四个双层有机玻璃隔板(2)围成的内部空间内；所述的土样固结区(4)为放置土样或高含水量泥流的区域，位于自平衡排水板(3)下方，固定排水板(5)上方；所述的固定排水板(5)设于双层有机玻璃隔板(2)底部；所述的上覆水层(6)覆盖在土样固结区(4)之上形成具有一定水头的制样环境，保证土样固结过程中始终处于饱和状态，上覆水层(6)内多余的水经排水口(7)自动流向导流板(8)，再经导流管(9)进入储水箱(11)中；所述的监测与控制系统包括微型计算机(16)，及与其通过数据传输线(15)连接的力学特性传感器(12)、物理特性传感器(13)、位移与压力传感器(14)；所述的力学特性传感器(12)与物理特性传感器(13)埋设于土样固结区(4)内，实时监控土样固结区(4)内土样的状态，并指导反力加载系统调整加载过程；所述的位移与压力传感器(14)实时监控施加在土样上的荷载与土样压缩情况；所述的反力加载系统设于土样上方，包括反力架框架(17)、液压系统(18)、可伸缩传力杆(19)、量力环(20)、传力垫块(21)、传力板(22)、平衡稳力架(23)；所述的反力架框架(17)设置在固结制样系统外围，与液压系统(18)结合，组成反力源头，液压系统(18)通过位移与压力传感器(14)控制，维持设定的荷载；所述的可伸缩传力杆(19)两端分别与液压系统(18)、量力环(20)连接，量力环(20)设于传力垫块(21)上方，传力垫块(21)位于传力板(22)上；所述的传力板(22)边缘设有平衡稳力架(23)；该系统中，可伸缩传力杆(19)将反力源头施加到量力环(20)处，经位移与压力传感器(14)记录后，将力分散到传力垫块(21)，传力垫块(21)再将力分散到平衡稳力架(23)上，最后施加给土样。
设计方案
1.一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的海底软土层制备装置包括固结制样系统、监测与控制系统、反力加载系统；三大系统协同工作，实现实时互馈：固结制样系统在一定水头条件下，经上部加压，在双面排水情况下固结土样，并测试出土样的密度；监测与控制系统通过设置在土样固结区与上部加载区的传感器，实时监控土样的状态变化，得到土样的各种物理力学参数；反力加载系统对土样固结区施加平稳且均匀的固结压力，减小甚至消除偏压影响；
所述的固结制样系统包括可调节支撑立柱(1)、带刻度的双层有机玻璃隔板(2)、带滚轮的自平衡排水板(3)、土样固结区(4)、固定排水板(5)、上覆水层(6)、排水口(7)、导流板(8)、导流管(9)、储水箱(11)；所述的可调节支撑立柱(1)垂直设于装置的四角，四个带刻度的双层有机玻璃隔板(2)设于可调节支撑立柱(1)之间；其中一个双层有机玻璃隔板(2)的内侧玻璃由多块玻璃板拼接而成，该内侧有机玻璃板通过调整其拼接玻璃板的组合，设置不同尺寸与形状的排水口(7)，实现排水口(7)可缩放与移动功能；且该侧双层有机玻璃隔板(2)内部、固定排水板(5)上方设有导流板(8)，导流板(8)通过导流管(9)与储水箱(11)相连；所述的带滚轮的自平衡排水板(3)设于四个双层有机玻璃隔板(2)围成的内部空间内；所述的土样固结区(4)为放置土样或高含水量泥流的区域，位于自平衡排水板(3)下方，固定排水板(5)上方；所述的固定排水板(5)设于双层有机玻璃隔板(2)底部；所述的上覆水层(6)覆盖在土样固结区(4)之上形成具有一定水头的制样环境，保证土样固结过程中始终处于饱和状态，上覆水层(6)内多余的水经排水口(7)自动流向导流板(8)，再经导流管(9)进入储水箱(11)中；
所述的监测与控制系统包括微型计算机(16)，及与其通过数据传输线(15)连接的力学特性传感器(12)、物理特性传感器(13)、位移与压力传感器(14)；所述的力学特性传感器(12)与物理特性传感器(13)埋设于土样固结区(4)内，实时监控土样固结区(4)内土样的状态，并指导反力加载系统调整加载过程；所述的位移与压力传感器(14)实时监控施加在土样上的荷载与土样压缩情况；
所述的反力加载系统设于土样上方，包括反力架框架(17)、液压系统(18)、可伸缩传力杆(19)、量力环(20)、传力垫块(21)、传力板(22)、平衡稳力架(23)；所述的反力架框架(17)设置在固结制样系统外围，与液压系统(18)结合，组成反力源头，液压系统(18)通过位移与压力传感器(14)控制，维持设定的荷载；所述的可伸缩传力杆(19)两端分别与液压系统(18)、量力环(20)连接，量力环(20)设于传力垫块(21)上方，传力垫块(21)位于传力板(22)上；所述的传力板(22)边缘设有平衡稳力架(23)；该系统中，可伸缩传力杆(19)将反力源头施加到量力环(20)处，经位移与压力传感器(14)记录后，将力分散到传力垫块(21)，传力垫块(21)再将力分散到平衡稳力架(23)上，最后施加给土样。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的固结制样系统还包括集水槽(10)，所述的集水槽(10)设于固定排水板(5)下方，收集土样固结过程中固定排水板(5)排出的水，经另一导流管(9)进入储水箱(11)中。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的自平衡排水板(3)自上而下由带孔排水板、土工布与滤纸组成，其中，滤纸可替换成透水石与滤纸；自平衡排水板(3)四周设有滚轮，用于减少其与带刻度的双层有机玻璃隔板(2)的摩擦作用。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的固定排水板(5)自上而下由滤纸、土工布与带孔排水板组成，其中，带孔排水板可替换为滤纸与透水石。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的力学特性传感器(12)包括孔压传感器、土压力传感器，所述的物理特性传感器(13)包括温度传感器、含水量传感器、电阻率传感器。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，其特征在于，所述的平衡稳力架(23)由四角垫块与连接四角垫块的刚性细杆组成，用于减少甚至消除偏压，将力均匀平稳的施加于土样之上。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于岩土工程试验技术领域，涉及土工模型试验与单元试验中饱和软土与超软土试样的制备，尤其针对需要进行不同规模的大尺寸物理模型试验海底超软土试样的制备。
背景技术
室内岩土工程试验包括常规的土工单元试验、常重力物理模型试验与超重力离心物理模型试验等。这些岩土工程试验的展开，是认识土体这种复杂材料物理与力学特性的前提，也是各类岩土工程测试仪器验证、标定与检测的基础，更是解决现实中各类复杂岩土工程问题的关键。岩土工程试验的操作对象就是待测土样。因此，岩土工程试验的有效开展，离不开土工试样的制备。土样的精确性、均匀性、批量可重复性等，是保证岩土工程试验成功的前提条件。然而，在实际操作中，该前提条件往往被研究者们忽视，导致出现各类异常的试验结果。此外，对于难以成型的软土、超软土甚至泥流来说，制样更是困难。
为了解决更为复杂的岩土工程问题，常常需要开展系统地定性与定量化探究，这不可避免的需要进行大量的可重复性试验，包括：不同设定工况、不同试验环境、不同围压条件等。以全流动贯入仪的标定试验为例，全流动贯入仪需要以不同的贯入速度插入待测土样中(以达到不同的剪切速率)，并要求两次贯入点位间距离要大于一定值，以消除前一次贯入对后一次贯入的影响，更要开展不同仪器如十字板剪切仪、静力触探仪等相关试验的相互验证(这些试验也需要大于一定距离)，这就要求制备大规模(满足测试的空间要求)且均匀性(物理特性与力学特性)一致的土样。此外，对于海底软土与超软土，尤其是处于深海区的土样，它们的形成环境难以模拟，目前制备这种低强度、高含水量、高灵敏度、强结构性的深海软土更是难上加难。
实用新型内容
为了解决当前岩土工程试验中饱和软土与超软土试样制备的不足，提供一种能制备规模大、均匀性好、可靠性高的海底软土物理模型试验的制样装置，其具有制备满足不同试验要求的功能，并详细阐述其使用方法，以期满足各类岩土工程试验包括土工单元试验、常重力物理模型试验与超重力离心模型试验的需要。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：
一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备装置，包括固结制样系统，监测与控制系统，反力加载系统。固结制样系统在一定水头条件下，经上部加压，在双面排水情况下固结土样，并测试出土样的密度。监测与控制系统可以通过设置在土样固结区与上部加载区的传感器，实时监控土样的状态变化，得到土样的各种物理力学参数，包括：含水量、土压力、孔隙水压力、孔隙比等。反力加载系统可对土样固结区施加平稳且均匀的固结压力，并能减小甚至消除偏压的影响。三大系统协同工作，实现实时互馈，当达到所需的制样标准，制样结束。
所述的固结制样系统包括可调节支撑立柱1、带刻度的双层有机玻璃隔板2、带滚轮的自平衡排水板3、土样固结区4、固定排水板5、上覆水层6、可缩放与移动的排水口7、导流板8、导流管9、集水槽10、储水箱11。所述的四个可调节支撑立柱1垂直设于装置的四角，具有调平与稳定装置的作用；所述的四个带刻度的双层有机玻璃隔板2设于可调节支撑立柱1之间，双层有机玻璃隔板2与可调节支撑立柱1组成上下开口的长方体结构；其中一个双层有机玻璃隔板2的内侧玻璃由多块玻璃板拼接而成，该内侧有机玻璃板本身通过调整其拼接玻璃板的组合，出现不同尺寸与形状的排水口7，实现排水口7可缩放与移动的功能；且该侧双层有机玻璃隔板2内部、固定排水板5上方设有导流板8，导流板8通过导流管9与储水箱11相连，其中，导流管9穿过双层有机玻璃隔板2底部开设的通孔，连通导流板8与储水箱11。所述的带滚轮的自平衡排水板3为方形，设于四个双层有机玻璃隔板2围成的内部空间内，其自上而下由带孔排水板、土工布与滤纸组成，其中，滤纸可替换成透水石与滤纸，自平衡排水板3四周设有滚轮，可有效减少甚至忽略与带刻度的双层有机玻璃隔板2的摩擦作用。所述的土样固结区4为放置土样或高含水量泥流的区域，位于自平衡排水板3下方，固定排水板5上方。所述的固定排水板5设于双层有机玻璃隔板2底部，自上而下由滤纸、土工布与带孔排水板组成，其中，带孔排水板可替换为滤纸与透水石。所述的上覆水层6覆盖在土样固结区4之上，使得土样上方具有一定的水头，保证土样固结过程中始终处于饱和状态，并可收集土样固结过程中由上方带滚轮的自平衡排水板3排出的水，上覆水层6内多余的水会经可缩放与移动的排水口7自动流向导流板8，再经导流管9进入储水箱11中。所述的集水槽10设于固定排水板5下方，收集土样固结过程中由固定排水板5排出的水，集水槽10内的水经导流管9进入储水箱11中。
所述的监测与控制系统包括力学特性传感器12、物理特性传感器13、位移与压力传感器14、数据传输线15、微型计算机16。所述的力学特性传感器12与物理特性传感器13埋设于土样固结区4内，可根据实际情况设置传感器的种类、数量与位置，并经数据传输线15传输到微型计算机16内，实时监控土样固结区4内土样的状态，并指导反力加载系统调整加载的过程，实现互馈，保证土样达到设定要求。所述的位移与压力传感器14设于固定排水板5上，经数据传输线15传输到微型计算机16内，实时监控施加在土样上的荷载与土样的压缩情况。所述的力学特性传感器包括孔压传感器、土压力传感器等，所述的物理特性传感器：温度传感器、含水量传感器、电阻率传感器等。
所述的反力加载系统设于土样上方，包括反力架框架17、液压系统18、可伸缩传力杆19、量力环20、传力垫块21、传力板22、平衡稳力架23。所述的反力架框架17设置在固结制样系统外围，包括水平和垂直框架结构，其水平框架与液压系统18结合，组成反力源头，其中，液压系统18的工作情况通过位移与压力传感器14控制，用以维持设定的荷载；所述的可伸缩传力杆19两端分别与液压系统18、量力环20连接，量力环20设于传力垫块21上方，传力垫块21位于传力板22上；所述的传力板22边缘设有平衡稳力架23，所述的平衡稳力架23由四角垫块与连接四角垫块的刚性细杆组成，目的减少甚至消除偏压，以达到将力均匀平稳的施加于土样之上。该系统中，可伸缩传力杆19将反力源头施加到量力环20处，经位移与压力传感器14记录后，将力分散到传力垫块21，传力垫块21再将力分散到平衡稳力架23上，最后施加给土样。
一种大尺寸物理模型试验的海底软土层制备方法，使用上述装置包括以下步骤：
首先，将固定排水板5清理干净，可缩放与移动的排水口7放置在指定位置，并检查导流板8、导流管9、集水槽10与储水箱11；将相关的力学特性传感器12、物理特性传感器13、位移与压力传感器14布设在指定区域，再经数据传输线15与微型计算机16相连接。
其次，将土样固结区4内装满无气水，然后再将经真空搅拌釜拌制的饱和土样，在无气水环境下缓慢滑入土样固结区4内(若制备多层\/分层土样可分批缓慢滑入)；盖上带滚轮的自平衡排水板3，再将反力架框架17、液压系统18、可伸缩传力杆19、量力环20、传力垫块21、传力板22与平衡稳力架23依次放好；将位移与压力传感器14经数据传输线15传输到微型计算机16，启动微型计算机16与液压系统18，开始土样的制备。
最后，通过该装置准确监控土样固结区4内土样固结过程中的微小变化，进而通过数据传输线15反馈到液压系统18中，实现实时互馈，改变液压系统18施加的位移与荷载，当达到所设定的制样标准时，断电并拆除相关装置，结束制样。所述的固结制样系统可根据带刻度的双层有机玻璃隔板2计算土样固结区4的体积，根据滑入土样固结区4内土料的质量与原土样固结区4内存储的无气水质量之和，再减去储水箱11收集废水的质量，得到土样固结区4内土样的净质量，进而得到土样固结区4内土样的密度。根据土样固结区4内的力学特性传感器12与物理特性传感器13连接到微型计算机16的数据，结合计算出的土样密度，得到土样的孔隙比、含水量、密度、电阻率、孔压、土层压力等参数。
本实用新型的效果和益处是：该装置规模巨大，可制备大型试验所需土样，适用性强；连接较为容易，操作简便；制样整体性好，均匀一致，饱和度高；对于海底软土与超软土样制备同样适用，并可模拟具有一定水头的土样制备；还可实时反馈试样内部物理与力学特性的变化情况，与加载系统实现互馈控制，制样效果更佳。
附图说明
图1是装置的整体示意图；
图2是装置的固结制样系统示意图；
图3是装置的监测与控制系统示意图；
图4是装置的反力加载系统示意图；
图中：1可调节支撑立柱；2带刻度的双层有机玻璃隔板；3带滚轮的自平衡排水板；4土样固结区；5固定排水板；6上覆水层；7排水口；8导流板；9导流管；10集水槽；11储水箱；12力学特性传感器；13物理特性传感器；14位移与压力传感器；15数据传输线；16微型计算机；17反力架框架；18液压系统；19可伸缩传力杆；20量力环；21传力垫块；22传力板；23平衡稳力架。
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本实用新型的具体实施方式。
一种海底软土层制备装置包括固结制样系统，监测与控制系统，反力加载系统。
所述的固结制样系统：四个可调节支撑立柱1垂直设于装置的四角，四个带刻度的双层有机玻璃隔板2设于可调节支撑立柱1之间；其中一个双层有机玻璃隔板2的内侧玻璃由多块玻璃板拼接而成，该内侧有机玻璃板通过调整其拼接玻璃板的组合，设置不同尺寸与形状的排水口7，实现排水口7可缩放与移动功能；且该侧双层有机玻璃隔板2内部、固定排水板5上方设有导流板8，导流板8通过导流管9与储水箱11相连。带滚轮的自平衡排水板3设于四个双层有机玻璃隔板2围成的内部空间内。土样固结区4为放置土样或高含水量泥流的区域，位于自平衡排水板3下方，固定排水板5上方。固定排水板5设于双层有机玻璃隔板2底部。上覆水层6覆盖在土样固结区4之上形成具有一定水头的制样环境，上覆水层6内多余的水经排水口7自动流向导流板8，再经导流管9进入储水箱11中。集水槽10设于固定排水板5下方，收集土样固结过程中固定排水板5排出的水，经另一导流管9进入储水箱11中。
所述的监测与控制系统包括微型计算机16，及与其通过数据传输线15连接的力学特性传感器12、物理特性传感器13、位移与压力传感器14。所述的力学特性传感器12与物理特性传感器13埋设于土样固结区4内。
所述的反力加载系统设于土样上方：反力架框架17设置在固结制样系统外围，与液压系统18结合，组成反力源头；可伸缩传力杆19两端分别与液压系统18、量力环20连接，量力环20设于传力垫块21上方，传力垫块21位于传力板22上；传力板22边缘设有平衡稳力架23。
固结制样系统中可调节支撑立柱1与带刻度的双层有机玻璃隔板2可根据实际情况调整尺寸与规格，可调节支撑立柱1建议选择钢材。带刻度的双层有机玻璃隔板2中的一个隔板内侧安放可缩放与移动的排水口7，可缩放与移动的排水口7可在双层有机玻璃隔板2内任意移动并拼接。带刻度的双层有机玻璃隔板2可根据面积与刻度的体积计算出土样的体积。土样固结区4内预装的无气水与真空搅拌釜拌制的饱和土样总质量减去储水箱11内水的质量，便可得到制备好的土样的质量。土样的质量与土样的体积之比可得到土样的密度。监测与控制系统中相关的力学特性传感器12、物理特性传感器13与位移与压力传感器14的种类、数量与位置，可根据实际需要灵活布置，以得到土样固结区4内土样的各种物理力学参数的动态变化情况，为结束制样过程提供真实可靠的数据支撑。反力加载系统中的反力架框架17、液压系统18、可伸缩传力杆19、量力环20、传力垫块21、传力板22与平衡稳力架23根据实际制样情况的需要，选择合适的经济规格与尺寸，其材料建议为压缩性较小、耐腐蚀性好的钢材。微型计算机16将力学特性传感器12、物理特性传感器13与位移与压力传感器14传输的数据进行处理，以控制液压系统18的工作状态，实现互馈机制。
使用该装置时，首先将装置各部分清洗干净，组合安放完好；再将相关的力学特性传感器12、物理特性传感器13与位移与压力传感器14经数据传输线布设在指定区域，再经数据传输线15与微型计算机16相连接；将土样固结区4内装满无气水(也可为无气的盐溶液等其他液体)，然后再将经真空搅拌釜拌制的饱和土样，在无气水环境下缓慢滑入土样固结区4内(若要制备多层\/分层土样可分批缓慢滑入)；盖上带滚轮的自平衡排水板3，再将反力架框架17、液压系统18、可伸缩传力杆19、量力环20、传力垫块21、传力板22与平衡稳力架23依次放好，启动微型计算机16与液压系统18，开始土样的制备，过程中根据微型计算机16的结果不断调整液压系统18施加的力与位移；最后，当微型计算机16实时反馈的结果满足要求时，结束制样试验，断电整理，拆除相关装置。
以上所述实施例仅表达本实用新型的实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920006048.1
申请日:2019-01-03
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:91(大连)
授权编号:CN209416803U
授权时间:20190920
主分类号:G01N 1/28
专利分类号:G01N1/28
范畴分类:31E;
申请人:大连理工大学
第一申请人:大连理工大学
申请人地址:116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
发明人:年廷凯;郭兴森;谷忠德;范宁;赵维
第一发明人:年廷凯
当前权利人:大连理工大学
代理人:李晓亮;潘迅
代理机构:21200
代理机构编号:大连理工大学专利中心
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计