一种用于水气分离监测的固结试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种用于水气分离监测的固结试验系统及方法。

背景技术

高速铁路路基“毫米级”沉降控制是保证列车高速、平稳、安全运行的关键核心技术。TB10077—2019《铁路工程岩土分类标准》将压缩系数为0.1～0.3MPa

固结试验的目的在于测定高铁地基土体的沉降变形，了解土体在侧限条件下的变形与时间-压力的关系，模拟土体在实际工程中所受到的荷载变化过程，进一步研究土体的固结性质，为估算高铁地基沉降量及历经不同时间的固结度提供必备的计算参数，揭示高铁地基的变形机理。由于土体孔隙中气体的存在，致使高铁地基土体的固结过程变得更为复杂，并且气体对于土体压缩固结过程的影响不可忽视。目前，已有研究大多仅考虑了土体中的水相流动与土的一维固结计算的理论研究。同时，现有固结仪的测试功能基本集中在监测土体的竖向变形和试件内部水分排出情况，忽略了试件内部的气相流动，即无法实现土体孔隙内部气体变化的量测，从而无法全面分析评价高铁地基土固结过程的孔隙压缩变化情况，无法计算考虑水气变化、更加符合实际的压缩与固结系数，进而无法揭示中低压缩性土高铁地基沉降快速收敛的变形机理以及准确进行沉降预测。

发明内容

针对未解决工程难题和现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于水气分离监测的固结试验系统及方法，有效地实现固结过程中水气的分离监测，通过考虑固结变形过程中的排水和排气现象，进一步进行压缩系数和固结系数的计算，能够更加全面、有效地分析土体的压缩及固结特性，对于后续基础沉降的正确预测和揭示中低压缩性土高铁地基沉降快速收敛的变形机理有着关键的意义。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一个方面，本发明提供了一种用于水气分离监测的固结试验系统。

一种用于水气分离监测的固结试验系统，包括固结试验模块、水气输出及量测模块、气源及气体输入控制模块和数据采集及显示模块，所述固结试验模块包括压力室和位于压力室上方施加轴压的轴压传感器，所述压力室分别连接排水模块、进气模块和排气模块，所述排水模块和排气模块均连接水气输出及量测模块，所述进气模块连接气源及气体输入控制模块，所述排水模块、排气模块和水气输出及量测模块均连接数据采集及显示模块；

所述固结试验模块用于进行固结试验，所述水气输出及量测模块用于测量固结试验的排水量和排气量，所述气源及气体输入控制模块用于控制土体的基质吸力，所述数据采集及显示模块用于采集排水量和排气量并显示；

其中，所述排气模块包括连通压力室的排气管道，所述排气管道上套设有气体流量监控阀门和气体流量计，所述气体流量计上安装有控制手柄，所述气体流量计内位于控制手柄下端连接隔气垫，在气体流量监控阀门关闭时，隔气垫隔绝气体通过。

进一步地，所述排水模块包括第一排水管、第一高进气值陶土板、第一孔压传感器、第二排水管道、第二高进气值陶土板和第二孔压传感器，所述压力室的顶部和底部设有第一高进气值陶土板和第二高进气值陶土板，所述第一高进气值陶土板与第一排水管连通，所述第一排水管连通上设有第一孔压传感器，所述第二高进气值陶土板与第二排水管连通，所述第二排水管连通上设有第二孔压传感器。

进一步地，所述进气模块包括设置在压力室底部的第二半透膜，所述第二半透膜连通进气管道的一端，所述进气管道上设有第二阀门和气压调节阀，所述进气管道的另一端连接空气压缩机。

进一步地，所述排气模块还包括第一半透膜，所述第一半透膜连通排气管道。

进一步地，所述水气输出及量测模块包括第一阀门、第三阀门、第一量筒、第二量筒、第一电子天平和第二电子天平；所述第一阀门与第一排水管相连接，通过第一阀门的开闭控制试件水分的排出；第一排水管连接大气的一端下部放置第一量筒和第一电子天平，用于测量排水量；第三阀门与第二排水管相连接，通过第三阀门的开闭控制试件水分的排出；第二排水管连接大气的一端下部放置第二量筒和第二电子天平，用于测量排水量。

进一步地，所述水气输出及量测模块还包括气体流量监控阀门、显示屏和气体压力传感器，气体流量监控阀门和气体压力传感器通过排气管道相连接；通过气体流量监控阀门的开闭控制气体的排出，气体压力传感器用于孔隙气压变化的实时监测。

进一步地，所述压力室的侧壁设有的张力计，用于测量基质吸力。

进一步地，所述压力室的顶端固定设有轴向位移传感器，用于实时量测固结试验过程中试件轴向变形量。

第二个方面，本发明提供了一种用于水气分离监测的固结试验方法。

一种用于水气分离监测的固结试验方法，采用第一个方面所述的用于水气分离监测的固结试验系统，包括：

在试验开始前，将压力室内注满水，使用空气压缩机作为气源，对高进气值陶土板进行饱和；

制备试验所需的试件，将试件放置于压力室内，固定好张力计；

使用空气压缩机作为气源，设置目标气压，对试件提供基质吸力；

使用轴压传感器提供轴压，对试件逐级施加目标轴压；

计算机实时测量并记录每级轴压下试件的排气及排水量和超净孔压的变化情况。

进一步地，分别计算土体的压缩系数和土体的固结系数；

其中，土体的压缩系数为：

式中：M

进一步地，土体的固结系数为：

式中：C

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过固结试验模块、水气输出及量测模块、数据采集及显示模块和气源及气体输入控制模块配合作业，开展控制基质吸力的固结试验，控制部分采用多功能闭环测控系统和数据处理软件，可实现试验过程中数据的高速采集，实时记录，及时显示，智能调整控制等功能。

(2)本发明通过压力室顶底部固定的高进气值陶土板与半透膜固定和水气输出及量测模块，实现固结试验过程中土体内部孔隙水、孔隙气排出的分离监测，在压力室内部能够更加全面、有效地分析的固结特性。

(3)本发明采用高精度气体流量监控阀门，可以同步实现气体管道的开关和气体流量的实时显示与监测，简化了试验系统的组装步骤，缩短了监测气体流量的传输距离，避免了普通阀门由于气密性差导致的气体溢出现象，提升了气体流量监测的准确性。

附图说明

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。

图1是本发明实施例中用于水气分离监测的固结试验系统的结构图。

图2是本发明实施例中固结试验模块的结构图；

图3是本发明实施例中压力室主视图；

图4是本发明实施例中高精度气体流量监控阀门关闭时的示意图；

图5是本发明实施例中高精度气体流量监控阀门开启时的示意图；

其中：1、轴压传感器，2、第一排水管道，3、排气管道，4、第一高进气值陶土板，5、第一孔压传感器，6、第一半透膜，7、轴向位移传感器，8、张力计，9、压力室，10、进气管道，11、第二半透膜，12、第二孔压传感器，13、第二高进气值陶土板，14、第二排水管道，15、第一阀门，16、高精度气体流量监控阀门，17、显示屏，18、气体压力传感器，19、第二阀门，20、第三阀门，21、第一量筒，22、第一高精度电子天平，23、第二高精度电子天平，24、第二量筒，25、气压调节阀，26、计算机，27、空气压缩机，28、控制手柄，29、高精度气体流量计，30、橡胶密封圈，31、排气管接口，32、隔气垫。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明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。

实施例一

参考图1所示，本实施例提供了一种用于水气分离监测的固结试验系统，包括固结试验模块、水气输出及量测模块、数据采集及显示模块和气源及气体输入控制模块。通过气体输入控制模块控制土体的基质吸力；同时固结试验模块、水气输出及量测模块和数据采集及显示模块配合作业，实现土体固结过程中孔隙水和孔隙气排出的分离及实时监测。

其中，固结试验模块包括可提供轴向应力的轴压传感器1和压力室9；轴压传感器1设置于压力室9顶部的中心位置，可实现不同等级轴向应力的施加；压力室9包括第一排水管2、排气管道3、第一高进气值陶土板4、第一孔压传感器5、第一半透膜6、轴向位移传感器7、张力计8、进气管道10、第二半透膜11、第二孔压传感器12、第二高进气值陶土板13和第二排水管道14。

具体地，如图2和图3所示，第一半透膜6和第一高进气值陶土板4对称固定于压力室顶部；第二半透膜11和第二高进气值陶土板13对称固定于压力室底部；排气管道3和第一半透膜6连接，气体通过排气管道10输出；进气管道10和第二半透膜11连接，气体通过进气管道10输入并作用于至压力室9内部的试件；第一孔压传感器5放置于第一高进气值陶土板4的上部，通过第一排水管道2相连接，可实现试验过程中孔隙水压变化的实时监测；第二孔压传感器12放置于第二高进气值陶土板13的下部，通过第二排水管道14相连接，可实现试验过程中孔隙水压变化的实时监测；固结过程中试件排出的水分通过第一排水管道2和第二排水管道14流出；可测量基质吸力的张力计8安装固定于压力室9的侧壁，与试件充分接触，可实现固结过程中试件基质吸力变化的实时监测；可测量轴向位移的轴向位移传感器7放置于压力室9顶面的一侧，可实现固结试验过程中试件轴向变形的实时量测。

在本实施例中，水气输出及量测模块包括第一阀门15、高精度气体流量监控阀门16、显示屏17、气体压力传感器18、第二阀门19、第三阀门20、第一量筒21、第一高精度电子天平22、第二高精度电子天平23和第二量筒24；第一阀门15与第一排水管2相连接，通过第一阀门15的开闭控制试件水分的排出；第一排水管2连接大气的一端下部放置第一量筒1和第一高精度电子天平22，可实现排水量的实时高精度量测；第三阀门20与第二排水管14相连接，通过第三阀门20的开闭控制试件水分的排出；第二排水管14连接大气的一端下部放置第二量筒24和第二高精度电子天平25，可实现排水量的实时高精度量测；高精度气体流量监控阀门16和气体压力传感器18通过排气管道3相连接；通过高精度气体流量监控阀门16的开闭控制气体的排出，可实现气体排出量的实时显示与监测；气体压力传感器18可实现孔隙气压变化的实时监测。

具体的，如图4和图5所示，显示屏17安装于高精度气体流量计29的右上方，可实现气体流量数据的实时显示；控制手柄28安装于高精度气体流量计29的左上方，通过90°旋转控制手柄28实现高精度气体流量监控阀门16的开启与关闭；控制手柄28下端连接的隔气垫32，隔气垫32位于高精度气体流量计29的内部，在隔气垫32的四周封有一圈橡胶密封圈30，在高精度气体流量监控阀门16关闭时，控制手柄28的顶部旋钮与气体传播方向垂直，橡胶密封圈30与高精度气体流量计29内壁紧密相贴，可以隔绝气体通过。

在本实施例中，气源及气体输入控制模块包括气压调节阀25和空气压缩机27；空气压缩机27作为气源给试件提供孔隙气压，通过调节气压调节阀25设置目标基质吸力所需的孔隙气压。

在本实施例中，数据采集及显示模块包括数据传输线和计算机26。计算机26通过数据传输线与轴向位移传感器7、第一孔压传感器5、第二孔压传感器12、气体压力传感器18、高精度气体流量计29、第一高精度电子天平22和第二高精度电子天平23相连接，实时监测并获取各项试验数据。

实施例二

本实施例提供了一种用于水气分离监测的固结试验方法，包括：

在试验开始前，将压力室9内注满水，使用空气压缩机27作为气源，设置压力为300kPa，对第一高进气值陶土板4和第二高进气值陶土板13进行饱和。

制备试验所需的试件，将试件放置于压力室9内，使试件的四周紧贴压力室的内壁，在试件一侧固定好张力计8，使张力计8与试件紧密贴合。

基质吸力稳定过程，将第一阀门15、高精度气体流量监控阀门16、第二阀门19和第三阀门20关闭，启动空气压缩机27，使用空气压缩机作为气源，调节气压调节阀25，设置目标气压值，建议该气压值与试件初始含水率状态所对应的基质吸力值一致。压力输出稳定后，打开第二阀门19、第一阀门15和第三阀门20，对试件提供基质吸力。观察第一高精度电子天平22和第二高精度电子天平23读数的变化情况，待2h内读数变化小于0.01g时，认为试件在该吸力等级下达到稳定状态。

固结试验过程，将第一阀门15、第二阀门19和第三阀门20关闭，使用轴压传感器1对试件施加目标轴压，后将第一阀门15、高精度气体流量监控阀门16和第三阀门20打开，随后轴压施加瞬时产生的超净孔压开始逐渐消散，试件内部的孔隙气体与孔隙水开始逸出，由显示屏17可以实时观察气体流量值。第一高精度电子天平22、第二高精度电子天平23、气体压力传感器18和高精度气体流量计29与计算机26连接，由计算机26实时监测并记录轴压施加瞬时产生的超净孔压(超净孔隙水压和超净孔隙气压)消散过程和固结过程中试件孔隙中的排水、排气变化情况。每级轴压进行24h的施加及记录过程，后重复上述步骤进行下一等级的轴压施加。

计算压缩系数和固结系数；

土体孔隙的压缩由气体压缩和水的压缩两部分组成，

进一步简化为

式中：M

固结系数计算公式为

式中：C

压缩系数可以用来描述土体受压后的压缩特性，是反映土体压缩性的重要指标。固结系数可以反映土体固结速率的快慢和土层的固结特性，是一项重要的土体试验指标。固结系数有效、准确的获取对进一步正确预测基础沉降有着决定性的意义。

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。