一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置及方法。

背景技术

土工试验是为岩土工程勘察、设计与施工提供科学依据的必要的手段。固结试验是一种模拟地基土体(或堆筑土体)受到附加应力(或自重应力)后随时间产生相应变形的室内缩尺模型试验。随着新的岩土工程勘察规范的颁布及更新，有关勘察、设计部门对固结试验及其土体的变形特性指标的选用要求越来越高。简单的用压缩试验所得的压缩性指标近似代替固结特性指标进行建筑物或构筑物设计可能会导致对重要建筑物及超高堆筑坝体随时间的沉降变形产生误判进而酿成事故制成无可挽回的损失。由此可见，固结特性指标必须通过固结试验来确定。

但是现有技术中，进行固结试验之后，往往需要等待固结容器内部水分完全干燥之后才能够进行下一次的试验，由于其内部引导水流部分相对密闭，自然干燥的速度较慢，而固结试验往往又需要多组数据来进行分析，这无疑就会使得整个试验过程的速度被拖延，基于此，本方案提供了一种能够不间断进行固结试验的固结试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置及方法，能够不间断的进行固结试验，极大程度上减少整个固结试验的时间。

本发明采取的技术方案具体如下：

一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置，包括：

竖向荷载施加装置，所述竖向荷载施加装置的上方设置有固结容器，所述竖向荷载施加装置的上方还设置有位移传感器，所述位移传感器设置于所述固结容器的顶端，所述固结容器的内部装配有液体压力传感器，所述位移传感器和所述液体压力传感器均通过导线电性连接有静态电阻应变仪；

导流模组，所述导流模组设置于固结容器的内部，包括多个导流管，多个所述导流管均用于引导所述固结容器内部流出的水分；

干燥模组，所述干燥模组也设置于所述固结容器的内部，用于干燥排出水分的导流模组；

其中，在执行固结试验时，其中一个所述导流管的下端口与所述液体压力传感器平齐，且在切换所述导流管时，所述干燥模组能向所述导流管的内部吹入干燥气体。

在一种优选方案中，所述固结容器包括底座、环刀、上透水板和下透水板，所述底座设置于竖向荷载施加装置的上方，所述底座的顶端开设有透水孔，所述透水孔的内部嵌设有引流管，且所述引流管与所述导流模组相连通，所述环刀设置于所述底座的上表面，所述上透水板滑动设置于所述环刀内部的顶端，所述下透水板设置于所述环刀内部的底端；

其中，所述固结容器的底部套接有护环，所述护环与所述底座固定连接，所述护环和所述环刀之间设置有用于密封固结容器底端的密封圈。

在一种优选方案中，所述竖向荷载施加装置包括操作平台、加压活塞台板和加压框架，所述操作平台设置于所述底座的下方，所述加压活塞台板设置于所述底座的底端，所述加压框架固定在所述操作平台的上方。

在一种优选方案中，所述操作平台的上表面固定安装有位移传感器支架，所述位移传感器支架的中部开设有贯穿孔，所述贯穿孔的内部设置有与所述位移传感器底端相连接的位移传感器导杆。

在一种优选方案中，所述固结容器还包括导向环，所述导向环通过紧固螺栓与所述护环的上表面固定连接，所述导向环的内部设置有传压承载板，所述传压承载板装配于所述位移传感器导杆和所述上透水板之间。

在一种优选方案中，所述底座的内部还开设有位于多个所述导流管外侧的环形避让腔室，所述环形避让腔室的内部固定有多个引导块，多个所述导流管面向所述引导块的一端均设置为与引导块相对应的弧面状，所述底座与引导块的内部均开设有相平齐的换气孔，当所述导流管与所述换气孔相平齐时，所述干燥模组挤压出的干燥气体能够将所述导流管内部参与水分吹出。

在一种优选方案中，所述底座的内部开设有安装腔室，所述安装腔室的内部转动连接有转动盘，多个所述导流管呈环形阵列固定于所述转动盘的下表面，所述转动盘的底端固定安装有步进电机，所述转动盘转动套接于所述引流管的外侧，所述转动盘的内部开设有与多个导流管相连通的导流通道，且所述导流通道与所述引流管的内部相连通。

在一种优选方案中，所述导流管包括固定段和活动段，所述活动段滑动套接于所述固定段的外侧，且所述活动段的内部固定有与所述固定段端部相贴合的复位弹簧；

其中，所述固定段和所述活动段的上表面均开设有贯穿孔，且当所述导流管与所述换气孔相平齐时，两个所述贯穿孔相互对齐。

在一种优选方案中，所述干燥模组包括活塞杆、排气管和回位弹簧，所述活塞杆滑动套设于所述底座的内部，所述排气管固定嵌设于所述底座的内部，所述回位弹簧固定于所述底座的内部，且所述回位弹簧的一端与所述活塞杆的一端固定连接；

其中，所述活塞杆面向所述转动盘的一端加工为球面状，所述转动盘的外侧一体成型有多个与活塞杆相对应的弧形凸块。

本发明提供了，一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验方法，应用于上述的针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置，包括：

获取未经真空饱和处理的第一试验土样；

对所述第一试验土样进行抽真空处理，得到真空饱和的第二试验土样；

将所述第二试验土样置于固结容器内，并利用竖向荷载施加装置对第二试验土样施加瞬时荷载，其中，所述竖向荷载施加装置为杠杆式和气缸式中的一种；

所述第二试验土样受压后的变形量和底部的孔隙水压力通过传感器发送至数据终端，其中，所述传感器包括位移传感器和液体压力传感器，所述数据终端包括静态电阻应变仪和计算机；

获取所述第二试验土样的预设荷载率，所述竖向荷载施加装置根据预设荷载率逐级施加下一级荷载。

本发明取得的技术效果为：

本发明通过设置可切换的导流管，能够在当前试验完成的前提下对导流管进行切换，使得下一次进行试验时无需等待导流管干燥，并且切换后的导流管内部处于干燥状态，内壁上不会残留水分，后续通过该导流管到达液体压力传感器感应端的干扰性较小，进而也就保证了下次试验的结果误差性会被降低，同时配合干燥模组的作用，能够加快导流管内部水分的干燥速度，进而便能够进一步的降低试验结果的误差性。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的整体装置的示意图；

图2是本发明的实施例所提供的整体装置的前视图；

图3是本发明的实施例所提供的固结容器的爆炸示意图；

图4是本发明的实施例所提供的底座内部的剖视图；

图5是本发明的实施例所提供的底座内部的剖面示意图；

图6是本发明的实施例所提供的转动盘内部的剖面示意图；

图7是本发明的实施例所提供的导流管的爆炸示意图；

图8是本发明的实施例所提供的转动盘的示意图；

图9是本发明图8中A处的放大示意图；

图10是本发明的方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、竖向荷载施加装置；101、操作平台；102、加压活塞台板；103、加压框架；

2、固结容器；201、底座；2011、引流管；2012、环形避让腔室；2013、换气孔；2014、引导块；202、环刀；203、上透水板；204、下透水板；205、导向环；206、传压承载板；

3、位移传感器；301、位移传感器导杆；

4、液体压力传感器；

5、静态电阻应变仪；

6、护环；

7、密封圈；

8、位移传感器支架；

9、导流模组；901、导流管；902、复位弹簧；

10、步进电机；

11、转动盘；1101、导流通道；1102、弧形凸块；

12、干燥模组；1201、活塞杆；1202、排气管；1203、回位弹簧。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个较佳的实施方式中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

如图1至图9所示，本发明提供了一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置，包括竖向荷载施加装置1，竖向荷载施加装置1的上方设置有固结容器2，竖向荷载施加装置1的上方还设置有位移传感器3，位移传感器3设置于固结容器2的顶端，固结容器2的内部装配有液体压力传感器4，位移传感器3和液体压力传感器4均通过导线电性连接有静态电阻应变仪5；

导流模组9，导流模组9设置于固结容器2的内部，包括多个导流管901，多个导流管901均用于引导固结容器2内部流出的水分；

干燥模组12，干燥模组12也设置于固结容器2的内部，用于干燥排出水分的导流模组9；

其中，在执行固结试验时，其中一个导流管901的下端口与液体压力传感器4平齐，且在切换导流管901时，干燥模组12能向导流管901的内部吹入干燥气体。

本发明中，在进行固结试验时，操作人员首先需要在固结容器2的顶端安装位移传感器3，在底座201上安装液体压力传感器4，而后再将盛有试验土样的环刀202置于底座201的上方，并且在此状态下，密封圈7稳定的套接在环刀202底端的外侧，从而在竖向荷载施加装置1在动作时，试验土样内部排出的水分不会从环刀202和底座201的接触面流出，能够保证试验土样排出的水分均通过下透水板204流出，流出的水分挤压液体压力传感器4之后，液体压力传感器4发送电信号至静态电阻应变仪5，静态电阻应变仪5将此信号转换为数字信号进行显示，而在后续需要立即进行下一组试验土样的试验时，操作者只需运行步进电机10，便可带动转动盘11转动，转动盘11带动导流管901转动并实现切换动作，使得后续试验不会受到上一个导流管901内部水分的影响，并且导流管901在切换的过程中，干燥模组12能够向导流管901的内部挤压气体，从而使得导流管901内壁上粘附的水渍能够更快的排出，相应的，也就能够更为快速的使导流管901的内部干燥，进而就不会影响其后续的使用。

在一个较佳的实施方式中，请参阅图1至图3，固结容器2包括底座201、环刀202、上透水板203和下透水板204，底座201设置于竖向荷载施加装置1的上方，底座201的顶端开设有透水孔，透水孔的内部嵌设有引流管2011，且引流管2011与导流模组9相连通，在试验土样内部的水分被挤出之后，引流管2011会将该水分导入至导流模组9中，导流模组9将此水分引入至液体压力传感器4的感应端处，随着水分的增加，会对液体压力传感器4的感应端施加一个挤压力，最终通过静态电阻应变仪5显示出孔隙水压力，环刀202设置于底座201的上表面，上透水板203滑动设置于环刀202内部的顶端，下透水板204设置于环刀202内部的底端，环刀202内部的试验土样均不会从上透水板203和下透水板204中渗出；

其中，固结容器2的底部套接有护环6，护环6与底座201固定连接，护环6和环刀202之间设置有用于密封固结容器2底端的密封圈7，护环6通过螺栓与底座201固定在一起，用于将密封圈7卡紧在环刀202底端的外侧。

具体的，在进行固结试验时，操作人员首先需要在固结容器2的顶端安装位移传感器3，在底座201上安装液体压力传感器4，而后再将盛有试验土样的环刀202置于底座201的上方，并且在此状态下，密封圈7稳定的套接在环刀202底端的外侧，从而在竖向荷载施加装置1在动作时，试验土样内部排出的水分不会从环刀202和底座201的接触面流出，能够保证试验土样排出的水分均通过下透水板204流出，流出的水分挤压液体压力传感器4之后，液体压力传感器4发送电信号至静态电阻应变仪5，静态电阻应变仪5将此信号转换为数字信号进行显示。

其次，请再次参阅图1，竖向荷载施加装置1包括操作平台101、加压活塞台板102和加压框架103，操作平台101设置于底座201的下方，加压活塞台板102设置于底座201的底端，加压框架103固定在操作平台101的上方。

上述中，加压活塞台板102用于将底座201向上顶起，顶起后的底座201带动试验土样上升，试验土样在上透水板203和下透水板204的作用下，将会向逐渐被压缩固结，其内部的水分也就会逐渐地被挤出，直至试验土样不再挤出水分并液体压力为零终止。

再其次，请参阅图1和图2，操作平台101的上表面固定安装有位移传感器支架8，位移传感器支架8的中部开设有贯穿孔，贯穿孔的内部设置有与位移传感器3底端相连接的位移传感器导杆301，位移传感器导杆301的移动量即为试验土样固结之后的变形量。

进一步的，固结容器2还包括导向环205，导向环205通过紧固螺栓与护环6的上表面固定连接，导向环205的内部设置有传压承载板206，导向环205、护环6和加压活塞台板102的移动具有同步性，传压承载板206装配于位移传感器导杆301和上透水板203之间，传压承载板206用于限制上透水板203，使得上透水板203受到试验土样的挤压之后，不会从环刀202的内部滑出，可保证试验土样的固结效果不会受到影响，同时，在试验土样固结之后，传压承载板206能够挤压上透水板203沿着环刀202的内壁下滑，同时就会带动位移传感器导杆301下降，且此下降量即为在对试验土样施加荷载之后的变形量。

再其次，请一并参阅图4、图5和图7，底座201的内部还开设有位于多个导流管901外侧的环形避让腔室2012，环形避让腔室2012的内部固定有多个引导块2014，多个导流管901面向引导块2014的一端均设置为与引导块2014相对应的弧面状，底座201与引导块2014的内部均开设有相平齐的换气孔2013，当导流管901与换气孔2013相平齐时，干燥模组12挤压出的干燥气体能够将导流管901内部参与水分吹出，多个导流管901的设置，可以连续性的使用，在一组试验土样试验结束之后，可以通过调整导流管901的位置，无需等待导流管901干燥，便能够立即进行下一组试验土样的试验；

进一步的，导流管901包括固定段和活动段，活动段滑动套接于固定段的外侧，且活动段的内部固定有与固定段端部相贴合的复位弹簧902；

其中，固定段和活动段的上表面均开设有贯穿孔，且当导流管901与换气孔2013相平齐时，两个贯穿孔相互对齐；

根据上述结构，在导流管901进行切换时，其会在环形避让腔室2012的内部进行转动，并且会受到引导块2014的挤压，进而活动段会向固定段的方向移动，并且活动段会逐渐挤压复位弹簧902，复位弹簧902收缩并蓄力，同时固定段与活动段上的贯穿孔也会相互对齐，后续干燥模组12内部的气体也就能够被挤压至导流管901的内部，以此来加快导流管901的干燥速度，使其后续使用过程中不会受到影响。

在一个较佳的实施方式中，请参阅图5和图6，底座201的内部开设有安装腔室，安装腔室的内部转动连接有转动盘11，多个导流管901呈环形阵列固定与转动盘11的下表面转动盘11的底端固定安装有步进电机10，步进电机10与外部电源电性连接，步进电机10每次动作的角度为90度，转动盘11转动套接于引流管2011的外侧，转动盘11的内部开设有与多个导流管901相连通的导流通道1101，且导流通道1101与引流管2011的内部相连通。

在该实施方式中，在对试验土样进行固结试验时，试验土样渗出的水分经由引流管2011进入导流通道1101的内部，导流通道1101内部的水分流入至导流管901的内部，随后导流管901排出的水分挤压液体压力传感器4的感应端，而在该试验土样的固结试验结束之后，操作者控制步进电机10运转，步进电机10带动转动盘11进行转动，转动盘11带动导流管901在环形避让腔室2012的内部进行转动，从而完成导流管901的切换动作，后续进行试验的试验土样渗出的水分不会受到上一个导流管901内部水分的影响，以此便可使得试验结果的误差能够相对降低。

需要说明的是，环形避让腔室2012内部的底端设置为倾斜状，且远离液体压力传感器4设置为较低的一端，此端部开设有与外界相连通的排水孔。

进一步的，请参阅图8和图9，干燥模组12包括活塞杆1201、排气管1202和回位弹簧1203，活塞杆1201滑动套设于底座201的内部，排气管1202固定嵌设于底座201的内部，回位弹簧1203固定于底座201的内部，且回位弹簧1203的一端与活塞杆1201的一端固定连接；

其中，活塞杆1201面向转动盘11的一端加工为球面状，转动盘11的外侧一体成型有多个与活塞杆1201相对应的弧形凸块1102。

需要说明的是，排气管1202的底端套设有球形塞块，初始状态下，球形塞块对排气管1202的内部形成密封效果，在导流管901移动至排气管1202的下方时，会向上挤压球形塞块，进而导流管901便可与排气管1202的内部相连通；

根据上述结构，在切换导流管901的过程中，转动盘11会带动弧形凸块1102同步转动，并且弧形凸块1102会逐渐挤压活塞杆1201，活塞杆1201则会挤压回位弹簧1203，并且会使得排气管1202的内部压强增加，后续在导流管901切换至指定位置之后，球形塞块会被挤压至排气管1202的内部，从而解除其密封效果，并且排气管1202内部的气体会输入至导流管901的内部，从而来加快其内部水分的干燥。

本发明还提供了，一种针对全尾矿料的快速加荷固结试验方法，应用于上述的针对全尾矿料的快速加荷固结试验装置，包括：

S1、获取未经真空饱和处理的第一试验土样；

S2、对第一试验土样进行抽真空处理，得到真空饱和的第二试验土样；

S3、将第二试验土样置于固结容器2内，并利用竖向荷载施加装置1对第二试验土样施加瞬时荷载，其中，竖向荷载施加装置1为杠杆式和气缸式中的一种；

S4、第二试验土样受压后的变形量和底部的孔隙水压力通过传感器发送至数据终端，其中，传感器包括位移传感器3和液体压力传感器4，数据终端包括静态电阻应变仪5和计算机；

S5、获取第二试验土样的预设荷载率，竖向荷载施加装置1根据预设荷载率逐级施加下一级荷载。

如上述步骤S1-S5所述，在获取第一试验土样时，需要按照《土工试验规程》的规定进行采取工作，并将所采取的第一试验土样切削成直径7.98cm，高度2cm的圆饼状，而后通过真空罐对其进行抽真空饱和，从而便可得到第二试验土样，将第二试验土样置于固结容器2的内部，再通过竖向荷载施加装置1的作用对其进行挤压即可，在此过程中每隔五分钟记录一次静态电阻应变仪和计算机所输出的数据，持续五次之后，继续施加下一级的荷载即可，相较于传统每间隔24小时对试样施加一级荷载增量，加荷后按一定的时间间隔读取固结试样的变形量的操作而言，此过程更为短暂，在保证试验精度的前提下可使试验历时减少96％；

进一步的，静态电阻应变仪5可选用BZ2205C型静态电阻应变仪，适用电阻应变片阻值为60～1000Ω，分辨率为1με，精度为0.1％±1με，测点数为20，它具有数字显示功能，且与液体压力传感器4和位移传感器3连接，用以测试试验土样底部孔隙水压力和竖向变形等信号。

本发明的工作原理为：在进行固结试验时，操作人员首先需要在固结容器2的顶端安装位移传感器3，在底座201上安装液体压力传感器4，而后再将盛有试验土样的环刀202置于底座201的上方，并且在此状态下，密封圈7稳定的套接在环刀202底端的外侧，从而在竖向荷载施加装置1在动作时，试验土样内部排出的水分不会从环刀202和底座201的接触面流出，能够保证试验土样排出的水分均通过下透水板204流出，流出的水分挤压液体压力传感器4之后，液体压力传感器4发送电信号至静态电阻应变仪5，静态电阻应变仪5将此信号转换为数字信号进行显示，而在后续需要立即进行下一组试验土样的试验时，操作者只需运行步进电机10，便可带动转动盘11转动，转动盘11带动导流管901转动并实现切换动作，使得后续试验不会受到上一个导流管901内部水分的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。