【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及巖土工程，尤其是一種用于水氣分離監測的固結試驗系統及方法。
技術介紹
1、高速鐵路路基“毫米級”沉降控制是保證列車高速、平穩、安全運行的關鍵核心技術。tb10077—2019《鐵路工程巖土分類標準》將壓縮系數為0.1～0.3mpa-1的土定義為中低壓縮性土。已有大量研究表明壓縮系數為0.1～0.3mpa-1的地基土體具有變形快速收斂的特性，僅經過一定技術處理即可作為高鐵路基結構持力層。然而，關于中低壓縮性土作為高鐵地基，其沉降能夠快速收斂的變形機理尚未可知。
2、固結試驗的目的在于測定高鐵地基土體的沉降變形，了解土體在側限條件下的變形與時間-壓力的關系，模擬土體在實際工程中所受到的荷載變化過程，進一步研究土體的固結性質，為估算高鐵地基沉降量及歷經不同時間的固結度提供必備的計算參數，揭示高鐵地基的變形機理。由于土體孔隙中氣體的存在，致使高鐵地基土體的固結過程變得更為復雜，并且氣體對于土體壓縮固結過程的影響不可忽視。目前，已有研究大多僅考慮了土體中的水相流動與土的一維固結計算的理論研究。同時，現有固結儀的測試功能基本集中在監測土體的豎向變形和試件內部水分排出情況，忽略了試件內部的氣相流動，即無法實現土體孔隙內部氣體變化的量測，從而無法全面分析評價高鐵地基土固結過程的孔隙壓縮變化情況，無法計算考慮水氣變化、更加符合實際的壓縮與固結系數，進而無法揭示中低壓縮性土高鐵地基沉降快速收斂的變形機理以及準確進行沉降預測。
技術實現思路
1、針對未解決工程難題和現有技術存在
2、為了實現上述目的，本專利技術是通過如下的技術方案來實現：
3、第一個方面，本專利技術提供了一種用于水氣分離監測的固結試驗系統。
4、一種用于水氣分離監測的固結試驗系統，包括固結試驗模塊、水氣輸出及量測模塊、氣源及氣體輸入控制模塊和數據采集及顯示模塊，所述固結試驗模塊包括壓力室和位于壓力室上方施加軸壓的軸壓傳感器，所述壓力室分別連接排水模塊、進氣模塊和排氣模塊，所述排水模塊和排氣模塊均連接水氣輸出及量測模塊，所述進氣模塊連接氣源及氣體輸入控制模塊，所述排水模塊、排氣模塊和水氣輸出及量測模塊均連接數據采集及顯示模塊；
5、所述固結試驗模塊用于進行固結試驗，所述水氣輸出及量測模塊用于測量固結試驗的排水量和排氣量，所述氣源及氣體輸入控制模塊用于控制土體的基質吸力，所述數據采集及顯示模塊用于采集排水量和排氣量并顯示；
6、其中，所述排氣模塊包括連通壓力室的排氣管道，所述排氣管道上套設有氣體流量監控閥門和氣體流量計，所述氣體流量計上安裝有控制手柄，所述氣體流量計內位于控制手柄下端連接隔氣墊，在氣體流量監控閥門關閉時，隔氣墊隔絕氣體通過。
7、進一步地，所述排水模塊包括第一排水管、第一高進氣值陶土板、第一孔壓傳感器、第二排水管道、第二高進氣值陶土板和第二孔壓傳感器，所述壓力室的頂部和底部設有第一高進氣值陶土板和第二高進氣值陶土板，所述第一高進氣值陶土板與第一排水管連通，所述第一排水管連通上設有第一孔壓傳感器，所述第二高進氣值陶土板與第二排水管連通，所述第二排水管連通上設有第二孔壓傳感器。
8、進一步地，所述進氣模塊包括設置在壓力室底部的第二半透膜，所述第二半透膜連通進氣管道的一端，所述進氣管道上設有第二閥門和氣壓調節閥，所述進氣管道的另一端連接空氣壓縮機。
9、進一步地，所述排氣模塊還包括第一半透膜，所述第一半透膜連通排氣管道。
10、進一步地，所述水氣輸出及量測模塊包括第一閥門、第三閥門、第一量筒、第二量筒、第一電子天平和第二電子天平；所述第一閥門與第一排水管相連接，通過第一閥門的開閉控制試件水分的排出；第一排水管連接大氣的一端下部放置第一量筒和第一電子天平，用于測量排水量；第三閥門與第二排水管相連接，通過第三閥門的開閉控制試件水分的排出；第二排水管連接大氣的一端下部放置第二量筒和第二電子天平，用于測量排水量。
11、進一步地，所述水氣輸出及量測模塊還包括氣體流量監控閥門、顯示屏和氣體壓力傳感器，氣體流量監控閥門和氣體壓力傳感器通過排氣管道相連接；通過氣體流量監控閥門的開閉控制氣體的排出，氣體壓力傳感器用于孔隙氣壓變化的實時監測。
12、進一步地，所述壓力室的側壁設有的張力計，用于測量基質吸力。
13、進一步地，所述壓力室的頂端固定設有軸向位移傳感器，用于實時量測固結試驗過程中試件軸向變形量。
14、第二個方面，本專利技術提供了一種用于水氣分離監測的固結試驗方法。
15、一種用于水氣分離監測的固結試驗方法，采用第一個方面所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，包括：
16、在試驗開始前，將壓力室內注滿水，使用空氣壓縮機作為氣源，對高進氣值陶土板進行飽和；
17、制備試驗所需的試件，將試件放置于壓力室內，固定好張力計；
18、使用空氣壓縮機作為氣源，設置目標氣壓，對試件提供基質吸力；
19、使用軸壓傳感器提供軸壓，對試件逐級施加目標軸壓；
20、計算機實時測量并記錄每級軸壓下試件的排氣及排水量和超凈孔壓的變化情況。
21、進一步地，分別計算土體的壓縮系數和土體的固結系數；
22、其中，土體的壓縮系數為：
23、
24、式中：maw為土體的壓縮系數；uw為氣體壓力傳感器測得的超凈孔隙水壓；ua為孔壓傳感器測得的超凈孔隙氣壓；p為標準大氣壓；sr為土體飽和度；σ為施加的軸壓；
25、進一步地，土體的固結系數為：
26、
27、
28、式中：cv為土體的固結系數；e為孔隙比；γw為水的重度；k為滲水系數的函數，試驗用土對應的函數需通過滲透試驗獲得；kc為試驗用土的滲透系數；θg為高精度氣體流量監控閥門測得的排氣量；b、c、n為擬合參數。
29、上述本專利技術的有益效果如下：
30、(1)本專利技術通過固結試驗模塊、水氣輸出及量測模塊、數據采集及顯示模塊和氣源及氣體輸入控制模塊配合作業，開展控制基質吸力的固結試驗，控制部分采用多功能閉環測控系統和數據處理軟件，可實現試驗過程中數據的高速采集，實時記錄，及時顯示，智能調整控制等功能。
31、(2)本專利技術通過壓力室頂底部固定的高進氣值陶土板與半透膜固定和水氣輸出及量測模塊，實現固結試驗過程中土體內部孔隙水、孔隙氣排出的分離監測，在壓力室內部能夠更加全面、有效地分析的固結特性。
32、(3)本專利技術采用高精度氣體流量監控閥門，可以同步實現氣體管道的開關和氣體本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，包括固結試驗模塊、水氣輸出及量測模塊、氣源及氣體輸入控制模塊和數據采集及顯示模塊，所述固結試驗模塊包括壓力室和位于壓力室上方施加軸壓的軸壓傳感器，所述壓力室分別連接排水模塊、進氣模塊和排氣模塊，所述排水模塊和排氣模塊均連接水氣輸出及量測模塊，所述進氣模塊連接氣源及氣體輸入控制模塊，所述排水模塊、排氣模塊和水氣輸出及量測模塊均連接數據采集及顯示模塊；
2.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述排水模塊包括第一排水管、第一高進氣值陶土板、第一孔壓傳感器、第二排水管道、第二高進氣值陶土板和第二孔壓傳感器，所述壓力室的頂部和底部設有第一高進氣值陶土板和第二高進氣值陶土板，所述第一高進氣值陶土板與第一排水管連通，所述第一排水管連通上設有第一孔壓傳感器，所述第二高進氣值陶土板與第二排水管連通，所述第二排水管連通上設有第二孔壓傳感器。
3.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述進氣模塊包括設置在壓力室底部的第二半透膜，所述第二半透膜連通進氣管道的一端，所述進氣
4.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述排氣模塊還包括第一半透膜，所述第一半透膜連通排氣管道。
5.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述水氣輸出及量測模塊包括第一閥門、第三閥門、第一量筒、第二量筒、第一電子天平和第二電子天平；所述第一閥門與第一排水管相連接，通過第一閥門的開閉控制試件水分的排出；第一排水管連接大氣的一端下部放置第一量筒和第一電子天平，用于測量排水量；第三閥門與第二排水管相連接，通過第三閥門的開閉控制試件水分的排出；第二排水管連接大氣的一端下部放置第二量筒和第二電子天平，用于測量排水量。
6.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述水氣輸出及量測模塊還包括氣體流量監控閥門、顯示屏和氣體壓力傳感器，氣體流量監控閥門和氣體壓力傳感器通過排氣管道相連接；通過氣體流量監控閥門的開閉控制氣體的排出，氣體壓力傳感器用于孔隙氣壓變化的實時監測。
7.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述壓力室的側壁設有的張力計，用于測量基質吸力。
8.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述壓力室的頂端固定設有軸向位移傳感器，用于實時量測固結試驗過程中試件軸向變形量。
9.一種用于水氣分離監測的固結試驗方法，其特征在于，采用權利要求1-8任一項所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，包括：
10.根據權利要求9所述的用于水氣分離監測的固結試驗方法，其特征在于，在固結試驗結束后，分別計算土體的壓縮系數和土體的固結系數；
...【技術特征摘要】
1.一種用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，包括固結試驗模塊、水氣輸出及量測模塊、氣源及氣體輸入控制模塊和數據采集及顯示模塊，所述固結試驗模塊包括壓力室和位于壓力室上方施加軸壓的軸壓傳感器，所述壓力室分別連接排水模塊、進氣模塊和排氣模塊，所述排水模塊和排氣模塊均連接水氣輸出及量測模塊，所述進氣模塊連接氣源及氣體輸入控制模塊，所述排水模塊、排氣模塊和水氣輸出及量測模塊均連接數據采集及顯示模塊；
2.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述排水模塊包括第一排水管、第一高進氣值陶土板、第一孔壓傳感器、第二排水管道、第二高進氣值陶土板和第二孔壓傳感器，所述壓力室的頂部和底部設有第一高進氣值陶土板和第二高進氣值陶土板，所述第一高進氣值陶土板與第一排水管連通，所述第一排水管連通上設有第一孔壓傳感器，所述第二高進氣值陶土板與第二排水管連通，所述第二排水管連通上設有第二孔壓傳感器。
3.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述進氣模塊包括設置在壓力室底部的第二半透膜，所述第二半透膜連通進氣管道的一端，所述進氣管道上設有第二閥門和氣壓調節閥，所述進氣管道的另一端連接空氣壓縮機。
4.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的固結試驗系統，其特征在于，所述排氣模塊還包括第一半透膜，所述第一半透膜連通排氣管道。
5.根據權利要求1所述的用于水氣分離監測的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：余雷，蔣紅光，劉依依，王祥，周先才，薛元，楊為民，姚成志，王亞飛，姚瑞珽，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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