一种化学力学耦合大变形固结仪及其试验方法
阅读说明：本技术 一种化学力学耦合大变形固结仪及其试验方法 (Chemical mechanical coupling large-deformation consolidation apparatus and test method thereof ) 是由 于海浩 陈俊霖 白志霄 颜荣涛 何来 于 2021-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及土木工程土工试验领域,尤其涉及一种化学力学耦合大变形固结仪及其试验方法,包括水头支架,水头支架上放置有集液瓶,集液瓶底部连通有固结仪；固结仪包括加载框架,加载框架底部内侧固定连接有底座,底座上设置有试样室,试样室内侧底部设有下过滤板,试样室内侧上部设有上过滤板,上过滤板顶部接触设置有加载活塞的底端,加载活塞顶端穿过加载框架顶部,加载活塞上设有电子荷重器,试样室与集液瓶连通,底座连通有排水部,试样室上设有压力检测装置。本发明适用于化学—力学作用下,环境复杂的矿泥固结试验。(The invention relates to the field of civil engineering soil tests, in particular to a chemical mechanical coupling large deformation consolidometer and a test method thereof, wherein the chemical mechanical coupling large deformation consolidometer comprises a water head support, a liquid collecting bottle is placed on the water head support, and the bottom of the liquid collecting bottle is communicated with the consolidometer; the consolidation apparatus comprises a loading frame, a base is fixedly connected to the inner side of the bottom of the loading frame, a sample chamber is arranged on the base, a lower filter plate is arranged at the bottom of the inner side of the sample chamber, an upper filter plate is arranged on the upper portion of the inner side of the sample chamber, the top of the upper filter plate is in contact with the bottom end of a loading piston, the top end of the loading piston penetrates through the top of the loading frame, an electronic load device is arranged on the loading piston, the sample chamber is communicated with a liquid collecting bottle, a water discharging portion is communicated with the base, and a pressure detection device is arranged on the sample chamber. The invention is suitable for the slurry consolidation test with complex environment under the chemical-mechanical action.)
技术领域
本发明涉及土木工程土工试验领域，尤其涉及一种化学力学耦合大变形固结仪及其试验方法。
背景技术
目前，随着工程中的环境问题越来越突出，越来越多的学者开始研究各种环境问题带来的岩土工程新领域。自然环境中由于矿泥收到化学侵蚀的同时还受到力的耦合作用，如何模拟在此条件下矿泥的固结成为了一个关键问题。虽然矿泥的力学固结已经有前人研究，但是受样品的限制和环境的影响，在化学—力学耦合条件下矿泥的固结，鲜有人通过仪器进行矿泥固结，而两种影响因素的单纯叠加不具有参考价值。相反，用此种装置研究化学—力学耦合作用下矿泥固结沉降，试验结果具有较高参考价值；而且试样的化学-力学条件可控，便于特定的试验研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学力学耦合大变形固结仪及其试验方法，以解决上述问题，适用于化学—力学作用下，环境复杂的矿泥固结试验。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种化学力学耦合大变形固结仪，包括水头支架，所述水头支架上放置有集液瓶，所述集液瓶底部连通有固结仪；
所述固结仪包括加载框架，所述加载框架底部内侧固定连接有底座，所述底座上设置有试样室，所述试样室内侧底部设有下过滤板，所述试样室内侧上部设有上过滤板，所述上过滤板顶部接触设置有加载活塞的底端，所述加载活塞顶端穿过所述加载框架顶部，所述加载活塞上设有电子荷重器，所述试样室与所述集液瓶连通，所述底座连通有排水部，所述试样室上设有压力检测装置。
优选的，试样室顶部扣接有试样帽，所述试样帽中心开设有加载活塞孔，所述试样帽上开设有出液孔，所述排水部穿过所述出液孔且部分伸入至所述试样室内侧上部，所述试样帽、底座靠近与所述试样室的一侧设有密封部。
优选的，所述密封部包括开设在所述试样帽底面的第一环形槽、开设在所述底座顶面的第二环形槽，所述第一环形槽、第二环形槽内分别设置有密封圈，所述密封圈截面为凹字形结构，所述凹字形结构直径与所述试样室直径相匹配。
优选的，所述底座开设有两个出液孔和一个进液孔，所述排水部与其中一个所述出液孔连通，所述集液瓶底部连通有橡胶导管的一端，所述橡胶导管另一端与所述进液孔连通。
优选的，所述压力检测装置包括至少三个孔隙水压力探测器，其中两个所述孔隙水压力探测器设置在所述试样室侧壁，所述底座的另一个所述出液孔连通有第二排水管的一端，所述第二排水管另一端设有剩余的一个所述孔隙水压力探测器。
优选的，所述排水部包括第一排水管，所述第一排水管一端穿过所述出液孔且部分伸入至所述试样室内侧上部，所述第一排水管另一端与所述底座的其中一个所述出液孔连通。
优选的，所述水头支架包括两个侧板，两个所述侧板之间竖直滑动连接有若干承重板，若干所述承重板竖向等间隔排列，所述集液瓶放置在任意一个所述承重板上。
优选的，所述加载框架包括下横板，所述下横板顶面固定连接有至少两个圆柱形立柱的底面，所述圆柱形立柱顶端设有上横板，所述圆柱形立柱顶端穿过所述上横板，所述圆柱形立柱顶端螺纹连接有紧固螺丝。
一种化学力学耦合大变形固结仪的试验方法，包括如下步骤：
制样，采用击实法、压实法或泥浆制样法制备圆柱试样；
装样，在所述底座上铺设下过滤板，将所述试样室放置在所述底座上，将制备好的所述试样装入所述试样室内，在所述试样顶部贴合所述上过滤板，并用所述加载活塞压至所述上过滤板顶面；
调整所述集液瓶，将所述集液瓶底部与所述试样室连通，根据装入所述试样的性质，调整所述集液瓶在水头支架上的高度；
化学—力学耦合固结，先使所述集液瓶内的化学溶液流入所述试样室，待所述试样室顶部排出所述化学溶液时，进行机械力加载，通过所述电子荷重器检测机械力的大小，并通过所述压力检测装置检测试样室内的水压；
固结判稳，在固结一定时间后用电导率仪测量所述固结仪滤出的所述化学溶液的导电率，对比滤出的所述化学溶液导电率与集液瓶内所述化学溶液导电率的大小是否相接近，来判断是否已经浸润达到平衡；并通过所述压力检测装置观测孔隙水压力大小，当其数值不变时，加载活塞的相对位移维持恒定可判定试样固结达到稳定。
本发明具有如下技术效果：
水头支架上放置集液瓶，根据固结矿泥的种类可调节合适的集液瓶高度，避免化学液对试样的过度冲蚀。
以往制备受化学侵蚀的试样都是用直接侵泡的方法，该方法不仅需要比较长的时间，而且很难判断侵入试样溶液中的化学浓度。使用集液瓶浸润，强制置换试样中的孔隙溶液，可以快速的到达所需的化学浓度，而且可以通过测量滤出液的浓度来判断是否完成置换。
以往都是单纯地化学浸泡后进行试样固结或是单独进行机械力作用固结，没有两种因素的耦合作用下的尾矿固结试验装置，而本发明的固接仪不仅有效模拟现实环境中尾矿同时受到化学—力学作用下的固结沉降，而且保证了试样在固结过程中的充收到分化学液浸润的作用。
该装置构造简单，容易操作，大大节约了水土化学试验时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明水头支架结构示意图；
图3为本发明固结仪结构示意图；
图4为试样帽仰视结构示意图；
图5为底座俯视结构示意图；
图6为本发明实施例二结构示意图。
其中，1、侧板；101、承重板；2、集液瓶；201、橡胶导管；3、固结仪；301、紧固螺丝；302、上横板；303、电子荷重器；304、加载活塞；305、试样帽；306、上过滤板；307、密封圈；308、圆柱形立柱；309、试样室；310、第一排水管；311、孔隙水压力探测器；313、下横板；314、下过滤板；315、底座；316、第二排水管；3051、加载活塞孔；3052、出液孔；3053、第一环形槽；3151、出液孔；3152、进液孔；3153、第二环形槽；4、滑块；5、丝杠；6、电机。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图1-5所示，本实施例提供一种化学力学耦合大变形固结仪，包括水头支架，水头支架上放置有集液瓶2，集液瓶2底部连通有固结仪3；
固结仪3包括加载框架，加载框架底部内侧固定连接有底座315，底座315上设置有试样室309，试样室309内侧底部设有下过滤板314，试样室309内侧上部设有上过滤板306，上过滤板306顶部接触设置有加载活塞304的底端，加载活塞304顶端穿过加载框架顶部，加载活塞304上设有电子荷重器303，试样室309与集液瓶2连通，底座315连通有排水部，试样室309上设有压力检测装置。
试验时将集液瓶2放置在水头支架上，依据试验需求，放置不同高度的集液瓶2，集液瓶2内的溶液通入至试样室309内，在固结过程中，集液瓶2内的溶液将试样中溶解的溶液进行替换，电子荷重器303用于检测机械力，压力检测装置用于检测固结过程的水压，上过滤板306和下过滤板314，不仅可以透过水也能过滤不同的化学溶液，从而达到尾矿固结过程排液以及测孔隙水压的目的，通过本发明的装置进行固结不仅有效模拟现实环境中尾矿同时受到化学—力学作用下的固结沉降，而且保证了试样在固结过程中的充收到分化学液浸润的作用。
进一步优化方案，试样室309顶部扣接有试样帽305，试样帽305中心开设有加载活塞孔3051，试样帽305上开设有出液孔3052，排水部穿过出液孔3052且部分伸入至试样室309内侧上部，试样帽305、底座315靠近与试样室309的一侧设有密封部。
进一步优化方案，密封部包括开设在试样帽305底面的第一环形槽3053、开设在底座315顶面的第二环形槽3153，第一环形槽3053、第二环形槽3153内分别设置有密封圈307，密封圈307截面为凹字形结构，凹字形结构直径与试样室309直径相匹配。
通过密封圈307固定试样室309内各个部件连接，同时密封试样室309不让液体在边缘渗出，让整个样品能在化学—力学耦合作用固结时保持其连接部件的稳定。
进一步优化方案，底座315开设有两个出液孔3151和一个进液孔3152，排水部与其中一个出液孔3151连通，集液瓶2底部连通有橡胶导管201的一端，橡胶导管201另一端与进液孔3152连通。
进一步优化方案，压力检测装置包括至少三个孔隙水压力探测器311，其中两个孔隙水压力探测器311设置在试样室309侧壁，底座315的另一个出液孔3151连通有第二排水管316的一端，第二排水管316另一端设有剩余的一个孔隙水压力探测器311。
电子荷重器303可度量加载系统力的大小，为后面试样固结提供直观机械力数据。孔隙水压力探测器311可实时探测水压力，让试样能充分在化学溶液浸润下进行耦合固结。
进一步优化方案，排水部包括第一排水管310，第一排水管310一端穿过出液孔3052且部分伸入至试样室309内侧上部，第一排水管310另一端与底座315的其中一个出液孔3151连通。
进一步优化方案，水头支架包括两个侧板1，两个侧板1之间竖直滑动连接有若干承重板101，若干承重板101竖向等间隔排列，集液瓶2放置在任意一个承重板101上。两个侧板1相对的内侧壁开设有竖直滑槽，承重板101两端设有与竖直滑槽相匹配的凸起，承重板101与侧板1之间通过螺钉进行固定。
进一步优化方案，加载框架包括下横板313，下横板313顶面固定连接有至少两个圆柱形立柱308的底面，圆柱形立柱308顶端设有上横板302，圆柱形立柱308顶端穿过上横板302，圆柱形立柱308顶端螺纹连接有紧固螺丝301。
一种化学力学耦合大变形固结仪的试验方法，包括如下步骤：
制样，采用击实法、压实法或泥浆制样法制备圆柱试样；
装样，在底座315上铺设下过滤板314，将试样室309放置在底座315上，将制备好的试样装入试样室309内，在试样顶部贴合上过滤板306，并用加载活塞304压至上过滤板306顶面；
调整集液瓶2，将集液瓶2底部与试样室309连通，根据装入试样的性质，调整集液瓶2在水头支架上的高度；
将集液瓶2和固结仪3分别安置在不同的高程，使得二者之间存在一个外部水头梯度差，并在此水头梯度差的作用下，使化学液透过土体，替换掉土体原始的孔隙溶液成分，到达所需的化学浓度。优点在于能快速、准确地改变孔隙溶液成分且制得的试样内部孔隙溶液浓度分布均匀。
化学—力学耦合固结，先使集液瓶2内的化学溶液流入试样室309，待试样室309顶部排出化学溶液时，进行机械力加载，通过电子荷重器303检测机械力的大小，并通过压力检测装置的孔隙水压力探测器311检测试样室309内的水压；
固结判稳，在固结一定时间后用电导率仪测量固结仪3滤出的化学溶液的导电率，对比滤出的化学溶液导电率与集液瓶2内化学溶液导电率的大小是否相接近，来判断是否已经浸润达到平衡；并通过压力检测装置的孔隙水压力探测器311观测孔隙水压力大小，当其数值不变时，加载活塞304的相对位移维持恒定可判定试样固结达到稳定。
实施例二：
参照图6所示，本实施例的化学力学耦合大变形固结仪与实施例一的区别仅在于，承重板101数量为一个，承重板101一侧固定连接有滑块4，滑块4穿过其中一个侧板1且与侧板1滑动连接，与滑块4配合的侧板1外侧转动连接有丝杠5，丝杠5一端轴接有电机6的输出轴，电机6与侧板1固定连接，丝杠5与滑块4螺纹连接。通过设置丝杠5与滑块4的共同配合，控制电机6转动滑块4带动丝杠5转动，可以推动滑块4实现上下移动，从而带动承重板101实现自动化的上下移动，使整个装置使用更加方便。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。