【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩土工程，尤其是一种用于水气分离监测的固结试验系统及方法。
技术介绍
1、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-1的土定义为中低压缩性土。已有大量研究表明压缩系数为0.1～0.3mpa-1的地基土体具有变形快速收敛的特性，仅经过一定技术处理即可作为高铁路基结构持力层。然而，关于中低压缩性土作为高铁地基，其沉降能够快速收敛的变形机理尚未可知。
2、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。
技术实现思路
1、针对未解决工程难题和现有技术存在
2、为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
3、第一个方面，本专利技术提供了一种用于水气分离监测的固结试验系统。
4、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；
5、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；
6、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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、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。
11、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。
12、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。
13、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。
14、第二个方面，本专利技术提供了一种用于水气分离监测的固结试验方法。
15、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：
16、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；
17、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；
18、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；
19、使用轴压传感器提供轴压，对试件逐级施加目标轴压；
20、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。
21、进一步地，分别计算土体的压缩系数和土体的固结系数；
22、其中，土体的压缩系数为：
23、
24、式中：maw为土体的压缩系数；uw为气体压力传感器测得的超净孔隙水压；ua为孔压传感器测得的超净孔隙气压；p为标准大气压；sr为土体饱和度；σ为施加的轴压；
25、进一步地，土体的固结系数为：
26、
27、
28、式中：cv为土体的固结系数；e为孔隙比；γw为水的重度；k为渗水系数的函数，试验用土对应的函数需通过渗透试验获得；kc为试验用土的渗透系数；θg为高精度气体流量监控阀门测得的排气量；b、c、n为拟合参数。
29、上述本专利技术的有益效果如下：
30、(1)本专利技术通过固结试验模块、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。
31、(2)本专利技术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。
32、(3)本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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；
2.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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
4.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，所述压力室的侧壁设有的张力计，用于测量基质吸力。
8.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
9.一种用于水气分离监测的固结试验方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的用于水气分离监测的固结试验系统，包括：
10.根据权利要求9所述的用于水气分离监测的固结试验方法，其特征在于，在固结试验结束后，分别计算土体的压缩系数和土体的固结系数；
...【技术特征摘要】
1.一种用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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；
2.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的固结试验系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的用于水气分离监测的...
【专利技术属性】
技术研发人员：余雷，蒋红光，刘依依，王祥，周先才，薛元，杨为民，姚成志，王亚飞，姚瑞珽，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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