本發(fā)明涉及一種使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載的土固結(jié)檢測儀和檢測方法，尤其適用于土的性質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于由泥漿固結(jié)重塑土的超固結(jié)過程控制和含水量較大天然土的排水、壓實(shí)程度的檢測。

背景技術(shù)：

借助相同顆粒級(jí)配和相同固結(jié)程度的重塑土測試分析原狀土性質(zhì)的方法是土性質(zhì)測試分析的途徑之一。關(guān)于重塑土的固結(jié)途徑有有擊實(shí)法、泥漿固結(jié)法等。擊實(shí)法是土工實(shí)驗(yàn)室最常見的重塑土樣制備方法，通過擊實(shí)儀可以快速完成制樣，但是存在固結(jié)壓力較小、加載不均勻的缺點(diǎn)，其檢測規(guī)律往往較為離散?，F(xiàn)有采用泥漿固結(jié)法制備重塑土樣的方法是：先利用靜載加壓排除泥漿中的部分水分，再利用固結(jié)儀或三軸儀加載對土進(jìn)行充分固結(jié)得到飽和試樣，這種方法模擬了土的天然固結(jié)過程，在一定程度上彌補(bǔ)了壓實(shí)法存在的缺點(diǎn)和不足。但是直到目前為止，對于含水量較大的土由于固結(jié)排水量大、時(shí)間長，固結(jié)過程的測試一直比較困難，土的固結(jié)加載控制和檢測方法尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，深入細(xì)致的研究成果極少見。因此，開發(fā)并形成高荷載條件下由泥漿制備重塑土的固結(jié)檢測儀和檢測方法，是今后開展深層重塑土性質(zhì)研究亟需解決的問題，也是含水量較大天然土固結(jié)過程檢測的迫切需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種精度較高，操作方便，使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載可以實(shí)現(xiàn)高荷載條件下制備性質(zhì)均勻、固結(jié)程度高、強(qiáng)度大的重塑土的固結(jié)檢測儀和檢測方法。

技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載的土固結(jié)檢測儀，包括反力架和計(jì)算機(jī)，反力架上設(shè)有橫梁，反力架中軸線由下到上順序設(shè)有氣壓加載裝置、固結(jié)容器、加載轉(zhuǎn)換裝置和砝碼加載裝置，氣壓加載裝置設(shè)在反力架下方，加載轉(zhuǎn)換裝置設(shè)在反力架上方與橫梁配合，固結(jié)容器設(shè)置在氣壓加載裝置和加載轉(zhuǎn)換裝置之間，加載轉(zhuǎn)換裝置上設(shè)有砝碼加載裝置，其中加載轉(zhuǎn)換裝置和砝碼加載裝置通過傳力桿分別設(shè)置在傳力桿的下方和上方，傳力桿側(cè)面上設(shè)有螺紋，傳力桿通過砝碼線性軸承設(shè)置在反力架的橫梁中，反力架上還設(shè)有傳感測量裝置，傳感測量裝置與計(jì)算機(jī)相連接；

所述砝碼加載裝置包括砝碼沉降表盤、調(diào)節(jié)螺絲和支撐桿，砝碼沉降表盤設(shè)置在傳力桿頂部，砝碼沉降表盤上設(shè)有可調(diào)節(jié)的砝碼，砝碼沉降表盤上設(shè)有用以支撐和固定砝碼的支撐桿，砝碼沉降表盤與砝碼線性軸承之間的傳力桿上設(shè)有調(diào)節(jié)螺絲；

所述加載轉(zhuǎn)換裝置包括設(shè)置在橫梁上的砝碼線性軸承，砝碼線性軸承內(nèi)設(shè)有控制約束方式和測試基點(diǎn)轉(zhuǎn)換的傳力桿，加載轉(zhuǎn)換裝置相對橫梁分為上下兩部分，上部分由調(diào)節(jié)螺絲與傳力桿外螺紋互相鎖固構(gòu)成，下部分由調(diào)節(jié)螺母、轉(zhuǎn)換附件和傳力桿形成的鎖固機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中傳力桿底部連接有壓力帽，壓力帽下方設(shè)有上透水石，壓力帽與砝碼線性軸承之間的傳力桿由下到上順序設(shè)有調(diào)節(jié)螺母和轉(zhuǎn)換附件，調(diào)節(jié)螺母通過內(nèi)螺紋與傳力桿外螺紋相互鎖固，其中轉(zhuǎn)換附件為三瓣結(jié)構(gòu)、高度可變換；

所述固結(jié)容器裝置包括壓力帽、上透水石、試樣筒、固定桿、集水倉、O型密封圈、下透水石、基底、排氣孔和壓蓋，所述壓力帽上設(shè)有排水用小孔，上透水石設(shè)置在壓力帽下方，試樣筒設(shè)置在基底與壓蓋之間，試樣筒為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外雙層之間的連通容腔為集水倉，集水倉底部密閉，集水倉內(nèi)設(shè)有兩端分別連接基底和壓蓋的多根固定桿，壓蓋中間開有與壓力帽相匹配的開口，基底上設(shè)有下透水石，基底上開有排氣孔，O型密封圈設(shè)置在下透水石上方，下透水石與基底上的排氣孔相連，排氣孔通過快捷接頭和軟管連接三通閥、孔隙水壓力傳感器和排水軟管；

所述氣壓加載裝置包括基座、氣壓線性軸承、滾動(dòng)隔膜、進(jìn)氣口、底座、活塞和活塞桿，所述底座設(shè)在反力架底部，底座內(nèi)部為氣壓缸，由氣源壓力控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定固結(jié)壓力,高壓氣壓經(jīng)進(jìn)氣口控制活塞的垂向固結(jié)荷載，活塞設(shè)置在底座的氣壓缸內(nèi)，活塞與底座氣壓缸側(cè)壁間隙通過滾動(dòng)隔膜密封并減小滑動(dòng)阻力，活塞中部向上的傳力機(jī)構(gòu)為活塞桿，通過線性軸承進(jìn)行導(dǎo)向，基座設(shè)置在活塞桿上端，基座上設(shè)有氣壓沉降表盤；

所述傳感測量裝置包括設(shè)置在反力架上的砝碼沉降量傳感器、氣壓沉降量傳感器和設(shè)置在氣源壓力控制系統(tǒng)中的壓力傳感器，所述砝碼沉降量傳感器和氣壓沉降量傳感器均為一種百分表式自復(fù)位線性位移計(jì),所述砝碼沉降量傳感器通過砝碼沉降表?xiàng)U和固定螺母設(shè)置在砝碼加載裝置一側(cè)，砝碼沉降量傳感器與砝碼沉降表盤相匹配，氣壓沉降量傳感器設(shè)置在反力架立柱的拉桿上，并與氣壓加載裝置中基座上的氣壓沉降表盤相匹配，固結(jié)壓力傳感器與進(jìn)氣口相連，基底上開有排氣孔上通過三通閥設(shè)有試樣孔隙水壓力傳感器，所有傳感器直接連通數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，監(jiān)測試樣變形和輸入的氣壓。

砝碼沉降量傳感器以砝碼沉降表?xiàng)U為基準(zhǔn)點(diǎn)，觀測與砝碼沉降表盤相連的壓力帽的沉降變形量，氣壓沉降量傳感器以拉桿為基準(zhǔn)點(diǎn)觀測與氣壓沉降表盤相連的固結(jié)容器上升的變形量，其共同的觀測基準(zhǔn)為橫梁，合計(jì)觀測行程100mm。

所述試樣筒內(nèi)凈高度為180mm，試樣筒的外層為有機(jī)玻璃構(gòu)成，內(nèi)層由不銹鋼構(gòu)成，固結(jié)過程中由試樣筒上口排水可收集、可視。

所述固結(jié)容器裝置的排氣孔通過連接三通閥可控制單面和雙面固結(jié)排水條件，單面固結(jié)排水時(shí)連接孔隙水壓力傳感器可觀測固結(jié)孔隙水壓，雙面排水時(shí)將排出的水通過排水軟管引入集水倉。

所述轉(zhuǎn)換附件為一個(gè)套在傳力桿外部的環(huán)形三瓣組合剛性柱狀體，高度可以變換，用于固定調(diào)節(jié)螺母和橫梁的相對位置并將橫梁提供的反力傳遞給壓力帽。

所述氣源壓力控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)，壓力蓄能器,氣壓增壓器，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥,過濾器，壓力傳感器，其中空氣壓縮機(jī)通過管路順序與壓力蓄能器,氣壓增壓器連接，過濾器設(shè)置在空氣壓縮機(jī)出口，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)置在氣壓增壓器上，氣壓增壓器輸出壓力經(jīng)管路傳遞到進(jìn)氣口，壓力傳感器與氣壓增壓器和進(jìn)氣口間的壓力管路連接；空壓機(jī)給壓力蓄能器提供氣體壓力為0.7MPa，氣壓增壓器增壓后最大垂直荷載15MPa，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)輸出壓力0-15MPa無級(jí)變化，控制達(dá)到預(yù)定的固結(jié)荷載并將固結(jié)壓力值傳遞給采集器或計(jì)算機(jī)，壓力蓄能器保持系統(tǒng)壓力24小時(shí)穩(wěn)定,減少空氣壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)次數(shù)和延緩斷電失壓。

一種使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載的固結(jié)過程和檢測方法，其步驟如下：

a.將被測土樣制備成含水量接近液限的稀泥漿并養(yǎng)護(hù)48小時(shí)以上；選擇并確定固結(jié)的排水方式為單面排水固結(jié)或雙面排水；在試樣筒的內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林，依次將下透水石、潔凈而濕潤的濾紙裝在固結(jié)容器的基底上，再將試樣筒和固定桿安裝在基底上，用快速管接頭將固結(jié)容器底部的排氣孔和三通閥相連接，對下透水石進(jìn)行飽和，最后將混合均勻的泥漿緩慢倒入試樣筒內(nèi)，輕輕振搗、攪拌排出氣泡,在試樣筒上安裝壓蓋并固定，通過壓蓋上的開口在試樣上部覆蓋濕潤的濾紙，對正放好上透水石，完成試樣安裝；

b.在完成試樣安裝后，提起傳力桿并調(diào)節(jié)螺絲控制加壓帽高度超過固結(jié)容器的最大高度，在加壓帽外壁均勻涂抹一層凡士林；將固結(jié)容器放到基座上并對中；調(diào)節(jié)固定傳力桿的調(diào)節(jié)螺絲，使傳力桿在重力作用下緩緩降落，在加壓帽剛好接觸到試樣筒內(nèi)的土樣時(shí)停止調(diào)節(jié)螺絲旋轉(zhuǎn)，調(diào)整砝碼沉降表盤和氣壓沉降表盤，分別與砝碼沉降量傳感器和氣壓沉降量傳感器接觸、對正，調(diào)整砝碼沉降量傳感器的位置，使測量桿頂在砝碼沉降表盤上并縮回到讀數(shù)70mm后固定砝碼沉降量傳感器，氣壓沉降量傳感器預(yù)壓1-2mm，如選擇單面排水固結(jié)應(yīng)同時(shí)連接好孔隙水壓力傳感器，如選擇雙面排水固結(jié)則將排水軟管插入到集水倉內(nèi)；

c.將氣源壓力控制系統(tǒng)的壓力傳感器與計(jì)算機(jī)相連，通過手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣口輸入壓力為零，開啟空氣壓縮機(jī)為壓力蓄能器蓄能到壓力達(dá)0.7MPa備用；

d.檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，固結(jié)荷載人工控制施加，全過程由采集軟件跟蹤記錄，每施加一級(jí)荷載前在采集軟件輸入當(dāng)前荷載數(shù)值，加載后即自動(dòng)采集試樣的固結(jié)變形和排水參數(shù)；

e.在固結(jié)壓力小于或略大于100kPa條件下使用砝碼沉降表盤加載砝碼，按照每級(jí)荷載20kPa逐級(jí)施加固結(jié)荷載，其中傳力桿、砝碼沉降表盤、調(diào)節(jié)螺絲、調(diào)節(jié)螺母、壓力帽的荷重作為第一級(jí)荷載，此后每級(jí)砝碼荷重與第一級(jí)一致；在確認(rèn)采集系統(tǒng)工作正常后，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺絲到傳力桿的最高位置，傳力桿在重力作用下繼續(xù)降落并全部將荷載施加到試樣筒中試樣上，利用計(jì)算機(jī)讀取砝碼沉降量傳感器監(jiān)測的沉降變化曲線和試樣排水情況；如選擇進(jìn)行單面排水固結(jié)時(shí)，當(dāng)檢測到孔隙水壓力在連續(xù)多個(gè)等間距時(shí)間點(diǎn)下降的級(jí)差小于前次測量值的5％后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工施加下一級(jí)荷重砝碼，繼續(xù)進(jìn)行固結(jié)，直到完成一級(jí)荷載超過100kPa的固結(jié)測試后，轉(zhuǎn)入氣壓加載固結(jié)階段；如選擇進(jìn)行雙面排水固結(jié)，當(dāng)檢測到固結(jié)沉降量在連續(xù)多個(gè)等間距時(shí)間點(diǎn)下降的級(jí)差小于前次測量值的5％后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工增加下一級(jí)荷重砝碼，繼續(xù)進(jìn)行固結(jié)，直到完成一級(jí)荷載超過100kPa的固結(jié)階段后，進(jìn)入氣壓加載固結(jié)階段；進(jìn)入下一級(jí)別荷載固結(jié)或終止固結(jié)過程也可通過預(yù)定的固結(jié)時(shí)間控制；

f.在砝碼加載固結(jié)最后一級(jí)荷載固結(jié)結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換附件三瓣打開套在傳力桿的調(diào)節(jié)螺母和橫梁之間，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母，使轉(zhuǎn)換附件與橫梁之間保持1-2mm的距離，然后調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自重平衡校正，逐步施加垂向氣壓荷載使之達(dá)到與前6級(jí)荷載、固結(jié)容器試樣、排水等重，并使固結(jié)容器向上緩慢移動(dòng)1-2mm，此時(shí)砝碼沉降量傳感器和氣壓沉降量傳感器監(jiān)測到的變形量相同，該垂向氣壓荷載為砝碼和氣壓聯(lián)合加載轉(zhuǎn)換荷載，此時(shí)砝碼加載第6級(jí)荷載為氣壓固結(jié)荷載的初始值，同時(shí)以砝碼加載第6級(jí)荷載固結(jié)變形和孔隙水壓力的終值為固結(jié)變形和孔隙水壓力監(jiān)測的初始值，完成從砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換；

g.按照預(yù)計(jì)的最終固結(jié)壓力將固結(jié)荷載平均或不平均的分為5-8級(jí)，或按固結(jié)歷史分級(jí)，其中氣壓加載固結(jié)的第1級(jí)荷載控制在砝碼加載固結(jié)第6級(jí)荷載的2-3倍；當(dāng)檢驗(yàn)砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換可靠無誤和監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥使轉(zhuǎn)換附件上升并與橫梁接觸牢靠，向下旋緊調(diào)節(jié)螺絲使傳力桿與橫梁固定為一體，然后逐漸施加到氣壓加載固結(jié)的第1級(jí)荷載，觀測氣壓沉降量傳感器監(jiān)測的固結(jié)沉降量和孔隙水壓力的變化情況，如選擇單面排水固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力在設(shè)計(jì)的時(shí)間段內(nèi)不發(fā)生顯著變化后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥施加下一級(jí)荷重氣壓，繼續(xù)進(jìn)行觀測，直到完成最終固結(jié)壓力荷載的固結(jié)過程；如選擇雙面排水固結(jié)，當(dāng)固結(jié)沉降量在設(shè)計(jì)的時(shí)間段內(nèi)不發(fā)生顯著變化后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥施加下一級(jí)荷重氣壓，繼續(xù)進(jìn)行觀測，直到完成最終固結(jié)壓力荷載的固結(jié)過程；進(jìn)入下一級(jí)別荷載固結(jié)或終止固結(jié)過程也可通過預(yù)定的固結(jié)時(shí)間控制；

h.上述步驟結(jié)束后，關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，保存好觀測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥釋放加載氣壓，活塞桿帶動(dòng)基座及其上部的固結(jié)容器下降至初始位置，卸下砝碼沉降量傳感器、氣壓沉降量傳感器和孔隙水壓力傳感器，移除砝碼，然后拆下試樣筒并從桶內(nèi)推出土樣，得到飽和重塑土樣，最后整理砝碼沉降量、氣壓沉降量以及孔隙壓力與時(shí)間均根的關(guān)系曲線。

監(jiān)測過程中，如果控制排氣孔排水進(jìn)入集水倉，則為雙面排水固結(jié)，反之排氣孔連接孔隙水壓力傳感器，則為單面排水固結(jié)；單面排水固結(jié)全程監(jiān)測排氣孔孔隙水壓力變化。

砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換是在砝碼加載到最后一級(jí)荷載后，通過轉(zhuǎn)換裝置與施加荷載過程的配合，轉(zhuǎn)換過程未改變試樣的軸向荷載，轉(zhuǎn)換結(jié)束后的氣壓加載固結(jié)過程以砝碼加載固結(jié)的最終荷載和固結(jié)容器荷重為初始荷載，固結(jié)過程完整、連續(xù)。

砝碼和氣壓聯(lián)合加載固結(jié)重塑土的觀測轉(zhuǎn)換過程中統(tǒng)一以橫梁為監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，其中砝碼沉降量傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中為回彈測量，預(yù)設(shè)70mm變形量，氣壓沉降量傳感器在實(shí)驗(yàn)過程中為壓縮測量，轉(zhuǎn)換過程兩傳感器相互校核，變形測量過程連續(xù)，變形測量結(jié)果是累加的，量程互補(bǔ)。

有益效果

一、在固結(jié)壓力小于100kPa條件下使用砝碼加載，有效地消除了低荷載條件下使用氣壓加載機(jī)械系統(tǒng)的摩擦力影響，降低了低荷載條件下的測試誤差；在大于100kPa以后使用氣壓控制加載，有效地減少了高荷載條件下砝碼使用的數(shù)量，節(jié)省勞動(dòng)力；實(shí)現(xiàn)了兩種加載放方式的可靠轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程檢測不停而數(shù)據(jù)連續(xù)，精度可控；

二、在泥漿固結(jié)為重塑土樣的排水過程中，通過砝碼和氣壓的聯(lián)合控制加載，不僅能夠制備出性質(zhì)更均勻的重塑土樣，與其他方法的相比還可施加較大固結(jié)壓力，制備出的土樣強(qiáng)度更大；

三、固結(jié)容器可拆卸，有頂、底同時(shí)排水和頂部排水兩種排水方式可供選擇；

四、固結(jié)過程全程檢測，固結(jié)質(zhì)量可控，總體精度較高、方便使用，具有較好實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明固結(jié)檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2為本發(fā)明固結(jié)容器示意圖

附圖3為本發(fā)明氣源壓力控制系統(tǒng)示意圖

附圖4為排水固結(jié)模式控制裝置示意圖

附圖5為本發(fā)明的固結(jié)過程和檢測流程圖

圖中：1-砝碼沉降量傳感器，2-砝碼沉降表盤，3-砝碼沉降表?xiàng)U，4-砝碼線性軸承，5-固定螺母，6-拉桿，7-基座，8-氣壓線性軸承，9-滾動(dòng)隔膜，10-進(jìn)氣口，11-底座，12-活塞，13-活塞桿,14-氣壓沉降表盤，15-氣壓沉降量傳感器，16-壓力帽，17-調(diào)節(jié)螺母，18-轉(zhuǎn)換附件，19-橫梁，20-調(diào)節(jié)螺絲，21-傳力桿，22-砝碼，23-支撐桿，24-上透水石，25-試樣筒，26-固定桿，27-集水倉，28-O型密封圈，29-下透水石，30-基底，31-排氣孔，32-壓蓋，33-空氣壓縮機(jī)，34-壓力蓄能器,35-氣壓增壓器，36-手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥，37-過濾器，38-氣壓傳感器，39-三通閥，40-孔隙水壓力傳感器,41-排水軟管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步說明:

如圖1所示，本發(fā)明的使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載的土固結(jié)檢測儀，包括反力架和計(jì)算機(jī)，反力架上設(shè)有橫梁19，反力架中軸線由下到上順序設(shè)有氣壓加載裝置、固結(jié)容器、加載轉(zhuǎn)換裝置和砝碼加載裝置，氣壓加載裝置設(shè)在反力架下方，加載轉(zhuǎn)換裝置設(shè)在反力架上方與橫梁19配合，固結(jié)容器設(shè)置在氣壓加載裝置和加載轉(zhuǎn)換裝置之間，加載轉(zhuǎn)換裝置上設(shè)有砝碼加載裝置，其中加載轉(zhuǎn)換裝置和砝碼加載裝置通過傳力桿21分別設(shè)置在傳力桿21的下方和上方，傳力桿21側(cè)面上設(shè)有螺紋，傳力桿21通過砝碼線性軸承4設(shè)置在反力架的橫梁19中，反力架上還設(shè)有傳感測量裝置，傳感測量裝置與計(jì)算機(jī)相連接；

所述砝碼加載裝置包括砝碼沉降表盤2、調(diào)節(jié)螺絲20和支撐桿23，砝碼沉降表盤2設(shè)置在傳力桿21頂部，砝碼沉降表盤2上設(shè)有可調(diào)節(jié)的砝碼22，砝碼沉降表盤2上設(shè)有用以支撐和固定砝碼22的支撐桿23，砝碼沉降表盤2與砝碼線性軸承4之間的傳力桿21上設(shè)有調(diào)節(jié)螺絲20,砝碼沉降量傳感器1以砝碼沉降表?xiàng)U3為基準(zhǔn)點(diǎn)，觀測與砝碼沉降表盤2相連的壓力帽16的沉降變形量，氣壓沉降量傳感器15以拉桿6為基準(zhǔn)點(diǎn)觀測與氣壓沉降表盤14相連的固結(jié)容器上升的變形量，其共同的觀測基準(zhǔn)為橫梁19，合計(jì)觀測行程100mm；

所述加載轉(zhuǎn)換裝置包括設(shè)置在橫梁19上的砝碼線性軸承4，砝碼線性軸承4內(nèi)設(shè)有控制約束方式和測試基點(diǎn)轉(zhuǎn)換的傳力桿21，加載轉(zhuǎn)換裝置相對橫梁19分為上下兩部分，上部分由調(diào)節(jié)螺絲20與傳力桿21外螺紋互相鎖固構(gòu)成，下部分由調(diào)節(jié)螺母17、轉(zhuǎn)換附件18和傳力桿21形成的鎖固機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其中傳力桿21底部連接有壓力帽16，壓力帽16下方設(shè)有上透水石24，壓力帽16與砝碼線性軸承4之間的傳力桿21由下到上順序設(shè)有調(diào)節(jié)螺母17和轉(zhuǎn)換附件18，調(diào)節(jié)螺母17通過內(nèi)螺紋與傳力桿21外螺紋相互鎖固，其中轉(zhuǎn)換附件18為三瓣結(jié)構(gòu)、高度可變換，轉(zhuǎn)換附件18為一個(gè)套在傳力桿21外部的環(huán)形三瓣組合剛性柱狀體，高度可以變換，用于固定調(diào)節(jié)螺母17和橫梁19的相對位置并將橫梁19提供的反力傳遞給壓力帽16；

如圖2所示，所述固結(jié)容器裝置包括壓力帽16、上透水石24、試樣筒25、固定桿26、集水倉27、O型密封圈28、下透水石29、基底30、排氣孔31和壓蓋32，所述壓力帽16上設(shè)有排水用小孔，所述試樣筒25內(nèi)凈高度為180mm，試樣筒25的外層為有機(jī)玻璃構(gòu)成，內(nèi)層由不銹鋼構(gòu)成，固結(jié)過程中由試樣筒25上口排水可收集、可視，上透水石24設(shè)置在壓力帽16下方，試樣筒25設(shè)置在基底30與壓蓋32之間，試樣筒25為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外雙層之間的連通容腔為集水倉27，集水倉27底部密閉，集水倉27內(nèi)設(shè)有兩端分別連接基底30和壓蓋32的多根固定桿26，壓蓋32中間開有與壓力帽16相匹配的開口，基底30上設(shè)有下透水石29，基底30上開有排氣孔31，O型密封圈28設(shè)置在下透水石29上方，下透水石29與基底30上的排氣孔31相連，如圖4所示，排氣孔31通過快捷接頭和軟管連接三通閥39、孔隙水壓力傳感器40和排水軟管41，固結(jié)容器裝置的排氣孔31通過連接三通閥39可控制單面和雙面固結(jié)排水條件，單面固結(jié)排水時(shí)連接孔隙水壓力傳感器40可觀測固結(jié)孔隙水壓，雙面排水時(shí)將排出的水通過排水軟管41引入集水倉27；

如圖3所示，所述傳感測量裝置包括設(shè)置在反力架上的砝碼沉降量傳感器1、氣壓沉降量傳感器15和設(shè)置在氣源壓力控制系統(tǒng)中的壓力傳感器38，所述砝碼沉降量傳感器1和氣壓沉降量傳感器15均為一種百分表式自復(fù)位線性位移計(jì),所述砝碼沉降量傳感器1通過砝碼沉降表?xiàng)U3和固定螺母5設(shè)置在砝碼加載裝置一側(cè)，砝碼沉降量傳感器1與砝碼沉降表盤2相匹配，氣壓沉降量傳感器15設(shè)置在反力架立柱的拉桿6上，并與氣壓加載裝置中基座7上的氣壓沉降表盤14相匹配，固結(jié)壓力傳感器38與進(jìn)氣口10相連，基底30上開有排氣孔31上通過三通閥39設(shè)有試樣孔隙水壓力傳感器40，所有傳感器直接連通數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，監(jiān)測試樣變形和輸入的氣壓；

固結(jié)開始時(shí)，空壓機(jī)33給壓力蓄能器34提供壓力為0.7MPa氣體氣壓，調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36，控制氣壓增壓器35輸出壓力達(dá)到預(yù)定的固結(jié)荷載，使壓力蓄能器34保持系統(tǒng)壓力在24小時(shí)斷電情況下穩(wěn)定,調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36，氣壓增壓器35通過進(jìn)氣口10給氣壓加載裝置提供氣壓，設(shè)置在氣壓增壓器35輸出管路上的壓力傳感器38在需要采集數(shù)據(jù)的情況下將固結(jié)壓力值傳遞給計(jì)算機(jī)，壓力蓄能器34在36小時(shí)斷電情況下保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定,同時(shí)避免供氣系統(tǒng)頻繁啟動(dòng)以減少噪音和節(jié)省電力；

所述氣壓加載裝置包括基座7、氣壓線性軸承8、滾動(dòng)隔膜9、進(jìn)氣口10、底座11、活塞12和活塞桿13，所述底座12設(shè)在反力架底部，底座12內(nèi)部為氣壓缸，由氣源壓力控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定固結(jié)壓力,高壓氣壓經(jīng)進(jìn)氣口10控制活塞12的垂向固結(jié)荷載，活塞12設(shè)置在底座11的氣壓缸內(nèi)，活塞12與底座11氣壓缸側(cè)壁間隙通過滾動(dòng)隔膜9密封并減小滑動(dòng)阻力，活塞12中部向上的傳力機(jī)構(gòu)為活塞桿13，通過線性軸承8進(jìn)行導(dǎo)向，基座7設(shè)置在活塞桿13上端，基座7上設(shè)有氣壓沉降表盤14；

所述氣源壓力控制系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)33，壓力蓄能器34,氣壓增壓器35，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36,過濾器37，壓力傳感器38，其中空氣壓縮機(jī)33通過管路順序與壓力蓄能器34,氣壓增壓器35連接，過濾器37設(shè)置在空氣壓縮機(jī)33出口，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36設(shè)置在氣壓增壓器35上，氣壓增壓器35輸出壓力經(jīng)管路傳遞到進(jìn)氣口10，壓力傳感器38與氣壓增壓器35和進(jìn)氣口10間的壓力管路連接；空壓機(jī)33給壓力蓄能器34提供氣體壓力為0.7MPa，氣壓增壓器35增壓后最大垂直荷載15MPa，手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36可調(diào)節(jié)輸出壓力0-15MPa無級(jí)變化，控制達(dá)到預(yù)定的固結(jié)荷載并將固結(jié)壓力值傳遞給采集器或計(jì)算機(jī)，壓力蓄能器34保持系統(tǒng)壓力24小時(shí)穩(wěn)定,減少空氣壓縮機(jī)33頻繁啟動(dòng)次數(shù)和延緩斷電失壓。

如圖5所示，一種使用砝碼和氣壓聯(lián)合加載的土固結(jié)過程和檢測方法，其步驟如下：

a.將被測土樣制備成含水量接近液限的稀泥漿并養(yǎng)護(hù)48小時(shí)以上；選擇并確定固結(jié)的排水方式為單面排水固結(jié)或雙面排水；在試樣筒25的內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林，依次將下透水石29、潔凈而濕潤的濾紙裝在固結(jié)容器的基底30上，再將試樣筒25和固定桿26安裝在基底30上，用快速管接頭將固結(jié)容器底部的排氣孔31和三通閥39相連接，對下透水石29進(jìn)行飽和，最后將混合均勻的泥漿緩慢倒入試樣筒25內(nèi)，輕輕振搗、攪拌排出氣泡,在試樣筒25上安裝壓蓋32并固定，通過壓蓋32上的開口在試樣上部覆蓋濕潤的濾紙，對正放好上透水石24，完成試樣安裝，如果控制排氣孔31排水進(jìn)入集水倉27，則為雙面排水固結(jié)，反之排氣孔31連接孔隙水壓力傳感器40，則為單面排水固結(jié)；單面排水固結(jié)全程監(jiān)測排氣孔31孔隙水壓力變化。；

b.在完成試樣安裝后，提起傳力桿21并調(diào)節(jié)螺絲20控制加壓帽16高度超過固結(jié)容器的最大高度，在加壓帽16外壁均勻涂抹一層凡士林；將固結(jié)容器放到基座7上并對中；調(diào)節(jié)固定傳力桿21的調(diào)節(jié)螺絲20，使傳力桿21在重力作用下緩緩降落，在加壓帽16剛好接觸到試樣筒25內(nèi)的土樣時(shí)停止調(diào)節(jié)螺絲20旋轉(zhuǎn)，調(diào)整砝碼沉降表盤2和氣壓沉降表盤14，分別與砝碼沉降量傳感器1和氣壓沉降量傳感器15接觸、對正，調(diào)整砝碼沉降量傳感器1的位置，使測量桿頂在砝碼沉降表盤2上并縮回到讀數(shù)70mm后固定砝碼沉降量傳感器1，氣壓沉降量傳感器15預(yù)壓1-2mm，如選擇單面排水固結(jié)應(yīng)同時(shí)連接好孔隙水壓力傳感器40，如選擇雙面排水固結(jié)則將排水軟管41插入到集水倉27內(nèi)；

c.將氣源壓力控制系統(tǒng)的壓力傳感器38與計(jì)算機(jī)相連，通過手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36調(diào)節(jié)進(jìn)氣口10輸入壓力為零，開啟空氣壓縮機(jī)33為壓力蓄能器34蓄能到壓力達(dá)0.7MPa備用；

d.檢測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，固結(jié)荷載人工控制施加，全過程由采集軟件跟蹤記錄，每施加一級(jí)荷載前在采集軟件輸入當(dāng)前荷載數(shù)值，加載后即自動(dòng)采集試樣的固結(jié)變形和排水參數(shù)；

e.在固結(jié)壓力小于或略大于100kPa條件下使用砝碼沉降表盤2加載砝碼，按照每級(jí)荷載20kPa逐級(jí)施加固結(jié)荷載，其中傳力桿21、砝碼沉降表盤2、調(diào)節(jié)螺絲20、調(diào)節(jié)螺母17、壓力帽16的荷重作為第一級(jí)荷載，此后每級(jí)砝碼荷重與第一級(jí)一致；在確認(rèn)采集系統(tǒng)工作正常后，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺絲20到傳力桿21的最高位置，傳力桿21在重力作用下繼續(xù)降落并全部將荷載施加到試樣筒25中試樣上，利用計(jì)算機(jī)讀取砝碼沉降量傳感器1監(jiān)測的沉降變化曲線和試樣排水情況；如選擇進(jìn)行單面排水固結(jié)時(shí)，當(dāng)檢測到孔隙水壓力在連續(xù)多個(gè)等間距時(shí)間點(diǎn)下降的級(jí)差小于前次測量值的5％后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工施加下一級(jí)荷重砝碼，繼續(xù)進(jìn)行固結(jié)，直到完成一級(jí)荷載超過100kPa的固結(jié)階段后，轉(zhuǎn)入氣壓加載固結(jié)階段；如選擇進(jìn)行雙面排水固結(jié)，當(dāng)檢測到固結(jié)沉降量在連續(xù)多個(gè)等間距時(shí)間點(diǎn)下降的級(jí)差小于前次測量值的5％后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工增加下一級(jí)荷重砝碼，繼續(xù)進(jìn)行固結(jié)，直到完成一級(jí)荷載超過100kPa的固結(jié)階段后，進(jìn)入氣壓加載固結(jié)階段；進(jìn)入下一級(jí)別荷載固結(jié)或終止固結(jié)過程也可通過預(yù)定的固結(jié)時(shí)間控制；

f.在砝碼加載固結(jié)最后一級(jí)荷載固結(jié)結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換附件18三瓣打開套在傳力桿21的調(diào)節(jié)螺母17和橫梁19之間，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母17，使轉(zhuǎn)換附件18與橫梁19之間保持1-2mm的距離，然后調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36進(jìn)行自重平衡校正，逐步施加垂向氣壓荷載使之達(dá)到與前6級(jí)荷載、固結(jié)容器試樣、排水等重，并使固結(jié)容器向上緩慢移動(dòng)1-2mm，此時(shí)砝碼沉降量傳感器1和氣壓沉降量傳感器15監(jiān)測到的變形量相同，該垂向氣壓荷載為砝碼和氣壓聯(lián)合加載轉(zhuǎn)換荷載，此時(shí)砝碼加載第6級(jí)荷載為氣壓固結(jié)荷載的初始值，同時(shí)以砝碼加載第6級(jí)荷載固結(jié)變形和孔隙水壓力的終值為固結(jié)變形和孔隙水壓力監(jiān)測的初始值，完成從砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換；

g.按照預(yù)計(jì)的最終固結(jié)壓力將固結(jié)荷載平均或不平均的分為5-8級(jí)，或按固結(jié)歷史分級(jí)，其中氣壓加載固結(jié)的第1級(jí)荷載控制在砝碼加載固結(jié)第6級(jí)荷載的2-3倍；當(dāng)檢驗(yàn)砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換可靠無誤和監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36使轉(zhuǎn)換附件18上升并與橫梁19接觸牢靠，向下旋緊調(diào)節(jié)螺絲20使傳力桿21與橫梁19固定為一體，然后逐漸施加到氣壓加載固結(jié)的第1級(jí)荷載，觀測氣壓沉降量傳感器監(jiān)測的固結(jié)沉降量和孔隙水壓力的變化情況，如選擇單面排水固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力在設(shè)計(jì)的時(shí)間段內(nèi)不發(fā)生顯著變化后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36施加下一級(jí)荷重氣壓，繼續(xù)進(jìn)行觀測，直到完成最終固結(jié)壓力荷載的固結(jié)過程；如選擇雙面排水固結(jié)，當(dāng)固結(jié)沉降量在設(shè)計(jì)的時(shí)間段內(nèi)不發(fā)生顯著變化后，通過設(shè)置下一級(jí)荷載量值，人工調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36施加下一級(jí)荷重氣壓，繼續(xù)進(jìn)行觀測，直到完成最終固結(jié)壓力荷載的固結(jié)過程；進(jìn)入下一級(jí)別荷載固結(jié)或終止固結(jié)過程也可通過預(yù)定的固結(jié)時(shí)間控制；

h.上述步驟結(jié)束后，關(guān)閉空氣壓縮機(jī)33，保存好觀測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥36釋放加載氣壓，活塞桿13帶動(dòng)基座7及其上部的固結(jié)容器下降至初始位置，卸下砝碼沉降量傳感器1、氣壓沉降量傳感器15和孔隙水壓力傳感器40，移除砝碼22，然后拆下試樣筒25并從桶內(nèi)推出土樣，得到飽和重塑土樣，最后整理砝碼沉降量、氣壓沉降量以及孔隙壓力與時(shí)間均根的關(guān)系曲線。

砝碼加載到氣壓加載固結(jié)過程的轉(zhuǎn)換是在砝碼加載到最后一級(jí)荷載后，通過轉(zhuǎn)換裝置與施加荷載過程的配合，轉(zhuǎn)換過程未改變試樣的軸向荷載，轉(zhuǎn)換結(jié)束后的氣壓加載固結(jié)過程以砝碼加載固結(jié)的最終荷載和固結(jié)容器荷重為初始荷載，固結(jié)過程完整、連續(xù)。

砝碼和氣壓聯(lián)合加載固結(jié)重塑土的觀測轉(zhuǎn)換過程中統(tǒng)一以橫梁19為監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，其中砝碼沉降量傳感器1在實(shí)驗(yàn)過程中為回彈測量，預(yù)設(shè)70mm變形量，氣壓沉降量傳感器15在實(shí)驗(yàn)過程中為壓縮測量，轉(zhuǎn)換過程兩傳感器相互校核，變形測量過程連續(xù)，變形測量結(jié)果是累加的，量程互補(bǔ)。

實(shí)施例一：

土樣取自河南許昌，將原狀土樣切碎，混合均勻，放進(jìn)烘箱中烘干，測量其含水率。將烘干后的土樣碾碎，按需要的顆粒級(jí)配用篩子過濾，獲得足夠量的土樣備用。

將被測土樣制備成含水量接近液限的稀泥漿并放置48小時(shí)以上，在試樣筒25的內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林，依次將下透水石29、潔凈而濕潤的濾紙裝在固結(jié)容器的基底30上，再將試樣筒25和固定桿26安裝在基底30上，最后將混合均勻的泥漿緩慢倒入試樣筒25內(nèi)，輕輕振搗、攪拌排出氣泡,利用螺絲在試樣筒25上安裝壓蓋32。

將固結(jié)容器放到基座7上，用利用快速管接頭將固結(jié)容器底部的排氣孔31和三通閥相連接；通過壓蓋32上的開口在試樣上部覆蓋濕潤的濾紙，把上透水石24放入加壓帽16下，在加壓帽16外壁均勻涂抹一層凡士林，松開固定傳力桿21的調(diào)節(jié)螺絲20，傳力桿21在重力作用下緩緩降落，在加壓帽16剛好接觸到試樣筒25內(nèi)的土樣時(shí)停止降落，擰緊傳力桿21上的調(diào)節(jié)螺絲20固定傳力桿21，旋轉(zhuǎn)砝碼沉降表盤2和氣壓沉降表盤14，分別與砝碼沉降量傳感器1和氣壓沉降量傳感器15接觸，調(diào)整砝碼沉降量傳感器1的位置，使其預(yù)壓50mm固定。

將氣壓控制器與計(jì)算機(jī)相連；在固結(jié)荷載小于100kPa時(shí)，可分為若干級(jí)別施加砝碼荷載并輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)的采集軟件，砝碼加載超過100kPa后轉(zhuǎn)為氣壓加載；第一級(jí)荷載由砝碼加載裝置的自重形成，加載的方法是：打開固定傳力桿21的調(diào)節(jié)螺絲20，使加壓帽16緩慢壓入試樣筒25，通過計(jì)算機(jī)記錄荷載和砝碼沉降量傳感器1監(jiān)測的試樣變形量；當(dāng)加壓帽16在試樣筒25內(nèi)沉降穩(wěn)定或達(dá)到設(shè)定的固結(jié)時(shí)間時(shí)，手動(dòng)增加下一級(jí)砝碼22使其穿過支撐桿23放置在沉降表盤2上，等待固結(jié)容器內(nèi)的泥漿固結(jié)并進(jìn)行沉降觀測；當(dāng)固結(jié)壓力大于110kPa后，先進(jìn)行自重平衡，把轉(zhuǎn)換附件18放在調(diào)節(jié)螺母17和橫梁19之間，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母17，使轉(zhuǎn)換附件18與橫梁19之間保持1-2mm的距離，然后通過氣源壓力控制器對固結(jié)容器中試樣進(jìn)行自重平衡校正，施加與固結(jié)容器、試樣、砝碼22、配件等自重的氣體壓力，使活塞桿13推動(dòng)基座7及其上部的固結(jié)容器略有上升，使活塞桿13推動(dòng)基座7及其上部的固結(jié)容器上升直至轉(zhuǎn)換附件18與橫梁19接觸，再通過氣壓施加固結(jié)壓力；氣壓固結(jié)壓力仍分級(jí)施加并在預(yù)定固結(jié)時(shí)間內(nèi)保持不變，同時(shí)采用氣壓沉降量傳感器15監(jiān)測固結(jié)容器內(nèi)試樣變形隨時(shí)間增長情況，固結(jié)壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定值并保持到設(shè)定的固結(jié)時(shí)長后，自動(dòng)施加下級(jí)荷載；

在壓縮量達(dá)到峰值后，通過控制氣源壓力控制器壓力輸出逐級(jí)施加固結(jié)荷載，在達(dá)到預(yù)定荷載后，通過氣壓沉降量傳感器15觀測固結(jié)容器中試樣壓縮變形隨時(shí)間的變化，直至預(yù)定的固結(jié)時(shí)間。

監(jiān)測過程中，如果控制排氣孔31排水進(jìn)入集水倉27，則為雙面排水固結(jié)，反之排氣孔31連接孔隙水壓力傳感器，則為單面排水固結(jié)；單面排水固結(jié)全程監(jiān)測孔隙水壓力變化。

當(dāng)固結(jié)結(jié)束后，調(diào)節(jié)氣源壓力控制器釋放加載氣壓，活塞桿13帶動(dòng)基座7及其上部的固結(jié)容器下降至初始位置，拆下試樣筒25并從桶內(nèi)推出土樣，得到飽和重塑土樣，同時(shí)整理砝碼沉降量、氣壓沉降量以及孔隙壓力與時(shí)間均根的關(guān)系曲線。