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        靜止側(cè)壓儀側(cè)向變形控制器設計

        2010-08-13 01:58:56鈕建定馮蓓蕾胡建平
        中國港灣建設 2010年6期
        關鍵詞:注液側(cè)壓力活塞桿

        鈕建定,馮蓓蕾,胡建平

        (中交第三航務工程勘察設計院有限公司,上海 201612)

        0 引言

        土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0是土體在無側(cè)向變形條件下,固結后的有效側(cè)向應力σ3與有效軸向應力σ1之比。K0系數(shù)是土壓力計算不可缺少的重要參數(shù)之一。目前室內(nèi)土工試驗最常用的測定K0系數(shù)的方法主要采用單向固結靜止側(cè)壓力儀通過試驗獲得。靜止側(cè)壓力儀容器內(nèi)橡皮膜用來控制原狀試樣側(cè)壁有效側(cè)向壓力。由于原狀試樣直徑與橡皮膜尺寸大小一致,安裝試樣過程中,試樣側(cè)面與橡皮膜的側(cè)壁易產(chǎn)生摩擦,造成試樣側(cè)壁擾動;而測定側(cè)向應力時由于橡皮膜與土的試樣側(cè)壁之間的凹隙存在氣泡,當側(cè)壁受到側(cè)向應力σ3時,這些氣泡產(chǎn)生的彈力使得側(cè)向應力≤σ3,以致試驗中獲得的K0值偏小。通過對一些超固結土和軟土的室內(nèi)土工K0試驗結果分析,發(fā)現(xiàn)軸向壓力與側(cè)向壓力關系曲線不通過原點,尤其反映在起始3個點上,造成K0系數(shù)過小。本文詳細介紹一種靜止側(cè)壓儀側(cè)向變形控制器(簡稱變形控制器)的設計思想,該控制器安裝在靜止側(cè)壓力儀容器端口上,安裝試樣過程中及K0試驗時,能消除側(cè)壓力儀容器內(nèi)橡皮膜與土樣產(chǎn)生的摩擦,減少試樣的擾動程度,并能排除容器內(nèi)土的側(cè)向與橡皮膜之間的氣泡,使得測試得到的K0數(shù)據(jù)更為客觀、真實。

        1 設計原理

        利用靜止側(cè)壓力儀連接壓力傳感器的雙通管接頭,改成三通管接頭,一通與壓力傳感器連接,另一通連接一個變形控制器。控制器前端有儲存純水的密閉注液筒、壓力表、管道等;后端由液壓油缸、控制系統(tǒng)組成推進系統(tǒng)。前后兩端通過活塞桿U形接口插銷鉸接,后端動力系統(tǒng)利用活塞桿來回推動前端密閉裝置,通過液壓系統(tǒng)換向閥的切換,可以驅(qū)使油缸內(nèi)活塞作雙向運動,從而帶動連接在油缸活塞桿上的注液筒活塞桿的移動,使管道中水產(chǎn)生吸力和推力,通過前端傳遞到靜止側(cè)壓力儀的密閉室中,密閉室內(nèi)的壓力使橡皮膜收縮和膨脹,起到收縮后安裝試樣,膨脹時排出橡皮膜與試樣間空氣的作用??刂破鹘Y構如圖1所示。攻克了始終困擾國內(nèi)外室內(nèi)土工試驗行業(yè)的無法精確得到K0系數(shù)的難題。

        圖1 控制器結構示意圖

        1.1 控制器組成

        變形控制器由前端推進部件和后端驅(qū)動兩大部分組成。后端有油缸,油缸兩端各設入口C、D,活塞位于兩入口C、D之間,該入口C、D分別連接同一液壓系統(tǒng),形成回路。油缸內(nèi)設可來回移動的活塞,油缸活塞桿驅(qū)動前端,選用市場上標準的微型液壓推進系統(tǒng),略微改進直接使用,相關產(chǎn)品詳見液壓傳動裝置系列產(chǎn)品使用說明及相關參數(shù)。前端推進部件由注液筒、壓力表、外螺紋管接頭、活塞桿、輸水管、密封圈等組成,外螺紋管接頭一端與注液筒連接,另一端通過輸水軟管與土工儀器靜止側(cè)壓力儀上一個四通接頭連接。注液筒內(nèi)預設初始壓力值,活塞桿的雙向移動會引起水壓變化,該變化通過輸水管傳遞到靜止側(cè)壓力儀的密閉室中,就能控制密閉室中橡膠圈的收縮和膨脹。橡膠圈受吸力而膨脹,使土體在安裝時避免側(cè)壁摩擦;橡膠圈受推力后收縮,使橡膠圈緊貼土體側(cè)面并排出空氣。注液筒用來存儲規(guī)范要求的純水,以免水中溶解的空氣使水的壓縮性增大,引起試樣側(cè)向變形。控制器前端剖面示意如圖2所示。真空壓力表用來監(jiān)測水中壓力值,反映出控制容器內(nèi)橡皮膜的收縮程度,使得土工試驗安全可靠。前、后端兩側(cè)部件通過U形接口的活塞桿并通過銷軸鉸接。輸水管的管路和旋塞用來給注液筒注入純水,作為輔助部件。

        圖2 控制器前端剖面示意圖

        1.2 控制器操作步驟

        安裝土樣前準備工作:排除密閉受壓室內(nèi)和測壓系統(tǒng)的氣泡。其方法是打開靜止側(cè)壓儀外上側(cè)的排氣孔閥,從靜止側(cè)壓儀外下側(cè)進水孔內(nèi)注入純水,當排氣孔溢出水時,用手擠壓受壓室內(nèi)橡皮膜,或使受壓室排氣閥口朝上,使受壓室中的氣泡從排氣閥排出。如此反復數(shù)次,直至無氣泡溢出時為止。排氣完畢,關閉氣孔閥,擰緊進水孔螺帽。

        用校正樣代替試樣,慢慢放入容器內(nèi),開排氣孔閥讓受壓室多余的水從排氣孔排出,使橡皮膜平整并緊貼校正樣塊。關排氣孔閥,用側(cè)壓力量測系統(tǒng)并逐級施加壓力,直至壓力達500 kPa。如壓力表讀數(shù)不下降,表示受壓室和各管路系統(tǒng)不漏水,然后卸除壓力,取出校正樣塊。

        控制器實施步驟:旋開旋塞,凈水經(jīng)過輸水管與透明注液筒連通,使活塞處于刻度中間,然后關閉旋塞。操作控制開關處于“進”狀態(tài):油壓從D進入油缸,隨著油量增加,油缸活塞右移,使注液筒內(nèi)的水產(chǎn)生吸力通過連接管傳遞到靜止側(cè)壓力儀密閉室內(nèi),變形控制器產(chǎn)生一個吸力,使固結儀內(nèi)橡皮膜收縮后凹進,試樣垂直壓入至橡皮膜中間,此時土樣側(cè)壁與橡皮膜不產(chǎn)生阻力,降低了軟土的擾動性,如圖3(a)所示,土樣安裝完成。

        操作控制開關處于“退”狀態(tài):油壓從C進入油缸,隨著油量增加,不斷推動油缸活塞桿左移,油缸活塞桿通過銷軸把壓力傳遞到注液筒內(nèi),再由注液筒活塞桿通過連接管推進到靜止側(cè)壓力儀密閉室內(nèi),變形控制器產(chǎn)生的推力,通過水壓力傳遞到橡皮膜,橡皮膜受推力后膨脹,橡皮膜緊貼土體側(cè)面,橡皮膜與試樣之間氣泡從排氣閥中溢出,然后關進水閥,使容器處于密閉狀態(tài),完成測試K0前的所有準備工作,如圖3(b)所示。這時土工試驗施加軸向應力后得到的側(cè)向應力為最佳,K0數(shù)據(jù)也最為真實,達到本發(fā)明的目的。

        圖3 側(cè)向控制器作用示意圖

        2 測試與應用

        我們對2臺JCY型靜止側(cè)壓力系數(shù)固結儀加裝了側(cè)向控制器,在上海國際航運中心洋山深水港區(qū)二~三期等多個工程中,采用了該項技術進行靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗,繪制了大量有效軸向壓力與有效側(cè)向壓力關系圖,發(fā)現(xiàn)初始幾個點有效側(cè)向應力偏小的現(xiàn)象得到改善,曲線線性回歸基本過原點,取得良好效果,K0數(shù)據(jù)更為真實,繪制曲線如圖4所示。

        圖4 σ1′- σ3′關系曲線

        3 結論

        本設計采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動油缸內(nèi)活塞雙向移動,從而帶動注液筒中的活塞桿跟隨運動,使得注液筒中的凈水產(chǎn)生的壓力,傳遞到靜止側(cè)壓力儀的密閉室中,控制橡皮膜收縮和膨脹,保證了靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的準確,豐富和完善了這一領域的測試手段。若采用機械或手工驅(qū)動,成本會更低,不妨也是一種嘗試。

        該裝置占用空間小,低噪音,結構簡單,操作簡便,效果明顯,值得推廣使用。

        [1]SL237-1999,土工試驗規(guī)程[S].

        [2]李曉萍,趙亞品.靜止側(cè)壓力系數(shù)及其試驗方法的探討[J].鐵道工程學報,2007,107(8):20-22.

        [3]王立忠,葉盛華,沈愷倫,等.K0固結軟土不排水抗剪強度[J].巖土工程學報,2006,28(8):970-977.

        [4]王鍾琦,孫廣忠,劉雙光,等.巖土工程測試技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1986.

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