应变式荷重传感器(科普：固结试验快速指南-欧美大地仪器)

Posted 2023-05-25

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应变式荷重传感器(科普：固结试验快速指南-欧美大地仪器)

根据“土力学之父”卡尔·冯·太沙基（Karl von Terzaghi）的说法，固结是“任何涉及饱和土壤含水量降低而没有空气代替水的过程”。更一般地说，固结是指土壤响应压力变化而改变体积的过程，包括压实和膨胀。

在本文中，我们将概述土壤固结试验，并且我们将：

定义什么是固结测试，
概述为什么要执行此测试，
典型的测试持续时间，
解释不同类型的固结试验和方法；还有，
详细的设备要求。

土壤的固结试验——是什么？

固结试验通常在饱和圆柱形土壤样品上进行，旨在测量样品在承受载荷时高度变化的量和速率。

当在低渗透性土壤上施加荷载时，它可以被移除，最初由土壤样品孔隙中的水支撑，随着荷载的增加，样品内部的孔隙水压力迅速增加。随着水从土壤空隙中排出，多余的孔隙水压力消散，压力转移到逐渐压缩的土壤骨架上，导致沉降。

为了进行土壤固结，样品必须受到径向约束(通常使用不锈钢切割环)并承受垂直载荷(应力)。垂直高度在测试过程中会发生变化，但是样品的直径需要始终保持不变。

为什么要进行固结测试？

固结试验通常用于评估土壤压缩性。引起固结的增量施加应力可能是由于自然荷载(如沉降过程)、人为荷载(如在建筑或土体上方筑堤时)甚至地下水位降低时。

具体而言，固结测试可用于回答以下问题:

沉降是短期的还是长期的？
最终会达成多少什么沉降量？
在施工阶段，是否存在任何可能导致不均匀沉降的不均匀土壤条件？
可压缩材料的深层地层如何影响沉降特性？
我们能估计一下固结的速度吗？

固结过程持续多长时间？

固结过程的持续时间是一个关键问题，主要取决于承受荷载的土壤的渗透性和排水路径。一般来说，砂土中的固结速度很快(可能在施工期间立即发生)，而粘土中的固结过程可能持续多年甚至数十年。

固结过程通常分为3个阶段：

初始固结:施加外部荷载压缩土壤空隙中的空气后，土壤质量体积的快速损失。
初次固结:土壤沉降期间，多余的孔隙水压力转移到土壤的骨架。
二次固结:一次固结后出现的进一步的土壤沉降，当土壤受到近乎恒定的载荷时，会影响土壤的结构。这个过程通常被称为“蠕变”。

固结试验的类型

土工实验室可以通过几种方式测量土壤的固结特性:

一维固结试验

这是较简单和较常见的方法，通常称为固结试验、固结仪试验和逐级加荷固结仪。在这种情况下，土体的侧向应变被忽略；施加不同的垂直载荷。由于测试过程相对容易且所需设备简单，这些通常在实验室进行。[如Controls的Front Loading Oedometers]

恒定应变率(CRS)固结试验

除了最常见的逐级加荷固结外，还可以进行各种试验，使用连续受控应变轴向压缩来测量饱和粘性土的强度和固结率，这种压缩也允许过量水分消散。使用CRS压力室的固结试验比标准增量载荷试验更快。尽管执行起来很快，但结果和其他方法一样准确。使用CRS压力室，可以连续监测过量的孔隙压力，因此测试可以以最大速度运行，进一步提高测试样品的产量。

液压固结试验

逐级加荷固结试验也可以用不同的装置进行，hydraulic consolidation cell利用液压施加垂直力。这种类型的压力室可以让你从土壤试样中获得更多的信息。(例如，液压导致的低渗透性)。

如何进行固结测试？

逐级加荷–标准

一维固结试验的典型固结系统如下所示。

在一个standard front loading oedometer system框架(固结仪)用于利用加在杠杆臂上的自重向样品施加垂直应力。

您可以将固结仪系统配置为：

模拟型:这包括使用千分表测量垂直沉降
电子型:使用这种配置，您需要连接一个位移传感器到自动数据采集系统上。

典型配置需要以下组件：

Oedometer固结装置:由坚固的铝合金框架制成的前部加载固结仪
Bench长台:足够长，可以放三个固结仪
Consolidation cell:固结压力室它包含一个由钢制的环刀，可以垂直装载样品，同时防止样品径向变形。还有允许水分从样品中消散的多孔透水石和施加垂直应力的加载帽。标准固结室的直径从50.47毫米到112.80毫米不等，通常与前置加载固结装置一起使用，尽管它们也可以与自动系统一起使用。
Displacement transducer (dial gauge)位移传感器:对于位移传感器(电子版本)的垂直沉降测量，必须将其与专用数据采集系统相关联
Set of weights配重:这些用于向土壤样品施加不同的荷载。

以下图片分别为模拟型三连的固结仪和电子型三连的固结仪图片。