CN103335876A - 基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法，其渗透排水底座上依次铺设无纺土工布、砾石层、砂垫层、电渗阴极，乳胶膜上下端分别外翻套在装样固结筒上，其与渗透排水底座通过法兰盘由螺栓固定，水汽分离筒上安装有电接点真空表，并由通气管分别与渗透排水底座和真空泵相连，泥浆倒入装样固结筒指定高度后，放入电渗阳极，电渗阳极与阴极分别用导线与可编程直流电源相连。在真空负压与电渗联合作用下，加快土体排水固结速度，并可以调节土体制样过程中的固结应力水平。本发明在减小试样槽尺寸的同时，通过多组土样一起制备来提高单次制样的数量，结构简单，操作与取样方便，制样周期短，有效避免了土样的二次削切、扰动以及浪费。

Description

基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中的试样制备技术领域，尤其是涉及一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法。

背景技术

在岩土工程技术领域中，为了获取土体基本物理力学性质参数及其在复杂应力条件下的响应特性，常常需要开展相关室内试验研究。原状土样具有原位应力状态和原始结构，可以真实反映土体在天然条件下的各种力学性质，往往成为进行室内试验最理想的选择。但是原状样存在取样仪器及操作过程复杂、运输与保存中存在应力释放及失水问题、花费代价较高等问题，在实际操作中多采用重塑土样进行试验研究。

目前重塑软粘土制样主要采用泥浆固结法，按照固结动力的不同，又可以分为：加压固结法与真空固结法。加压固结法出现的较早，多借助三轴仪的压力室施加静荷载来加速土样固结，其主要存在以下缺点：（1）加荷设备笨重，当制样体积较大时不能保证固结的均匀性；（2）操作比较复杂，操作中进入泥浆的气泡不易排出，土样的饱和程度不易满足要求。

真空固结法是在真空预压技术在软土地基加固中大规模成熟应用之后提出的，密封土样在真空负压作用下实现排水固结，与泥浆加压固结法相比，固结时间缩短，能够制备大量比较均匀的样品，泥浆中气体相对容易抽出。在本发明之前，中国专利ZL200920106559.7、ZL201020558288.1先后公开了两种真空固结法制备重塑土试样的装置，都是对目前已存在的真空固结技术的改进。前者预压箱不可拆卸，取样较困难；后者在增加竖向排水通道的同时，使土体内部的真空渗流场也变得复杂，使得土体的固结应力状态发生改变。为了提高一次制样的数量，两者制备的土样尺寸均较大，影响试样的均衡性，同时为防止削切过程中对土样造成的扰动，往往取出的土样要远大于试验所需的尺寸，这样便不可避免的造成土样浪费。并且为了加快土体固结，真空度都在80kPa以上，若后续室内试验实际加载应力达不到制样时的应力水平，试验过程中土体将处在超固结状态，这将对试验结果产生很大的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法，借助电渗法在排出土体中的自由水及弱结合水的同时，不受渗透系数小的影响，在真空负压与电渗联合作用下，有效加快土体的排水固结速度，可以考虑后面试验的应力水平，借助电接点真空表来控制真空度的幅值，使土体在试验过程中一直处在正常固结状态。减小了试样槽尺寸，通过多组土样同时制备的方法来提高单次制样的数量，在缩短制样周期的同时，进一步保证了制得土样的均衡性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，包括装样固结筒、渗透排水底座、水汽分离筒、电接点真空表、真空泵、乳胶膜、橡胶密封垫圈、通气管、固定螺栓、土工布、砾石层、砂垫层、三脚支架、电渗电极、导线、可编程直流电源。装样固结筒距底部2cm处设有法兰盘，距顶部2cm处开有供导线穿出的孔洞，乳胶膜上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒上，并用橡皮筋扎紧。渗透排水底座上依次铺设无纺土工布、2cm砾石层、2cm砂垫层、电渗阴极，其端部粘结固定有橡胶密封垫圈和法兰盘，装样固结筒与渗透排水底座通过法兰盘由螺栓固定，水汽分离筒上安装有电接点真空表，并由通气管分别与渗透排水底座和真空泵相连。泥浆倒入装样固结筒指定高度后，放入电渗阳极，电渗阳极与阴极分别用导线与可编程直流电源相连。

所述的装样固结筒由有机玻璃材质制成，考虑到制样过程中土样会一定程度的向内收缩以及后续的削切过程，装样固结筒内径至少要比实际试验土样直径大20-40mm，依据试验土样尺寸的不同，其内径与高度分别在100-150和200-300mm范围内不等。

所述的渗透排水底座高度为6cm，中间设有多孔隔板，以使土体抽真空更加均匀，距渗透排水底座上部1cm处设有供电渗阴极导线穿出的孔洞。

所述的电渗电极均由耐腐蚀材质制成，圆形，厚度1cm，直径比装样固结筒内径略小，电渗阳极中心以及阴极的侧壁分别焊接导线，电渗阴极面板上均布有直径在3-4cm的圆形孔洞，以便土体中的水能够及时排除。

一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样方法，其主要技术步骤如下：

（1）将现场取得的土风干，碾碎，过筛，加水配制设计含水率泥浆，浸泡24小时。

（2）渗透排水底座上依次铺设无纺土工布、砾石层、砂垫层、电渗阴极，电渗阴极的导线由导线孔穿出，并用密封胶密封。

（3）乳胶膜上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒上，并用橡皮筋扎紧，用螺栓将装样固结筒与渗透排水底座通过法兰盘固定。

（4）调节水汽分离筒上的电接点真空表，使真空度维持在设定范围内，由通气管分别与渗透排水底座和真空泵相连。

（5）将泥浆倒入装样固结筒至设计高度，静置4小时，放入电渗阳极，预留土体沉降所需导线长度，将电渗阳极导线经导线孔穿出，并用密封胶密封。

（6）装样固结筒上部外翻乳胶膜翻回，并用一端扎紧的筒状乳胶膜套在装样固结筒外壁上，并用橡皮筋扎紧，电渗阳极与阴极的导线分别与可编程直流电源相连，设定电渗参数：电压、电流、间歇通电时间等。

（7）接通电源，开始真空联合电渗法制样。根据水汽分离筒内的出水量来预估制得土样的含水率，当达到设计要求时，停止试验。

根据以上技术方案，本发明可实现的有益效果是：

（1）真空预压与电渗作用联合，进一步加快土体排水固结速率，尤其对渗透系数低、真空抽吸周期长的淤泥质粘土，仍能取得理想制样效果。

（2）利用电接点真空表来调节抽气系统的真空度，就可以考虑后续试验土样的应力状态，有效避免超固结土对试验结果的影响。

（3）试样槽尺寸较小，减小渗透排水路径，可以通过多组土样同时制备的方法来提高单次制样的数量，在缩短制样周期的同时，进一步保证了制得土样的均衡性。

（4）土样制得后，拧开法兰，将装样固结筒从上部取走即可，直接将土样放在削切器上制成试验所需形状与尺寸，有效避免了土样的二次削切、扰动以及浪费。

附图说明

图1是本发明基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置结构原理示意图。

图2是本发明的渗透排水底座俯视图。

图中：1、装样固结筒；2、渗透排水底座；3、水汽分离筒；4、乳胶膜；5、泥浆；6、真空泵；7、固定螺栓；8、通气管；9、可编程直流电源；10、无纺土工布；11、砾石层；12、砂垫层；13、多孔隔板；14、电渗阴极；15、法兰盘；16、三脚架；17、电渗阳极；18、橡胶密封垫圈；19、电接点真空表；20、导线；21、导线孔。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所述的基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，包括：装样固结筒1；渗透排水底座2；水汽分离筒3；乳胶膜4；泥浆5；真空泵6；固定螺栓7；通气管8；可编程直流电源9；无纺土工布10；砾石层11；砂垫层12；多孔隔板13；电渗阴极14；法兰盘15；三脚架16；电渗阳极17；橡胶密封垫圈18；电接点真空表19；导线20；导线孔21。装样固结筒1距由有机玻璃材质制成，考虑到制样过程中土样会向内收缩及后续的削切，装样固结筒内径至少要比实际试验土样直径大20-40mm，依据试验土样尺寸的不同，其内径与高度分别在100-150和200-300mm范围内不等，底部2cm处设有法兰盘15，距顶部2cm处开有供导线20穿出的导线孔21，乳胶膜4上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒1上，并用橡皮筋扎紧。渗透排水底座2高度为6cm，中间设有多孔隔板13，以使土体抽真空更加均匀，其上依次铺设无纺土工布10、2cm砾石层11、2cm砂垫层12、电渗阴极14，其端部粘结固定有橡胶密封垫圈18和法兰盘15，装样固结筒7与渗透排水底座2通过法兰盘15由螺栓7固定，水汽分离筒3上安装有电接点真空表19，并由通气管8分别与渗透排水底座2和真空泵6相连。泥浆5倒入装样固结筒1指定高度后，放入电渗阳极17，电渗阳极17与阴极14分别用导线20与可编程直流电源9相连。

所述的电渗阳极17与阴极14均由耐腐蚀材质制成，圆形，厚度1cm，直径比装样固结筒1内径略小，电渗阳极17中心以及阴极14的侧壁分别焊接导线20，电渗阴极14面板上均布有直径在3-4cm的圆形孔洞，以便上部土体中的水分能够及时排除。

基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样方法，其主要技术步骤如下：

（1）将现场土风干，碾碎，过筛，加水配制设计含水率泥浆5，浸泡24小时。

（2）渗透排水底座2上依次铺设无纺土工布10、砾石层11、砂垫层12、电渗阴极14，电渗阴极14的导线20由导线孔21穿出，并用密封胶密封。

（3）乳胶膜4上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒1上，并用橡皮筋扎紧，用螺栓7将装样固结筒1与渗透排水底座2通过法兰盘15固定。

（4）调节水汽分离筒3上的电接点真空表19，使真空度维持在设定范围内，由通气管8分别与渗透排水底座1和真空泵6相连。

（5）将泥浆5倒入装样固结筒1至设计高度，静置4小时，放入电渗阳极17，预留土体沉降所需导线长度，将电渗阳极导线20经导线孔21穿出，并用密封胶密封。

（6）装样固结筒1上部外翻乳胶膜4翻回，并用一端扎紧的筒状乳胶膜4套在装样固结筒1外壁上，并用橡皮筋扎紧，电渗阳极17与阴极14的导线分别与可编程直流电源9相连，设定电渗参数：电压、电流、间歇通电时间等。

（7）接通电源，开始真空联合电渗法制样。根据水汽分离筒3内的出水量来预估制得土样的含水率，当达到设计要求时，停止试验。

Claims (5)

1.一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，包括装样固结筒、渗透排水底座、水汽分离筒、电接点真空表、真空泵、乳胶膜、橡胶密封垫圈、通气管、固定螺栓、土工布、砾石层、砂垫层、三脚支架、电渗电极、导线、可编程直流电源，其特征在于：装样固结筒距底部2cm处设有法兰盘，装样固结筒距顶部2cm处开有供导线穿出的孔洞，乳胶膜上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒上，并用橡皮筋扎紧，渗透排水底座上依次铺设无纺土工布、2cm砾石层、2cm砂垫层、电渗阴极，其端部粘结固定有橡胶密封垫圈和法兰盘，装样固结筒与渗透排水底座通过法兰盘由螺栓固定，水汽分离筒上安装有电接点真空表，并由通气管分别与渗透排水底座和真空泵相连，泥浆倒入装样固结筒指定高度后，放入电渗阳极，电渗阳极与阴极分别用导线与可编程直流电源相连。

2.根据权利要求1所述一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，其特征在于所述的装样固结筒由有机玻璃材质制成，装样固结筒内径比实际试验土样直径大20-40mm，依据试验土样尺寸的不同，其内径与高度分别在100-150和200-300mm范围内。

3.根据权利要求1所述一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，其特征在于所述的渗透排水底座高度为6cm，中间设有多孔隔板，距渗透排水底座上部1cm处设有供电渗阴极导线穿出的孔洞。

4.根据权利要求1所述一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置，其特征在于所述的电渗电极均由耐腐蚀材质制成，圆形，厚度1cm，直径比装样固结筒内径略小，电渗阳极中心以及阴极的侧壁分别焊接导线，电渗阴极面板上均布有直径在3-4cm的圆形孔洞。

5.根据权利要求1所述一种基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置的方法，其特征在于采用如下技术步骤：

（1）将现场取得的土风干，碾碎，过筛，加水配制设计含水率泥浆，浸泡24小时；

（2）渗透排水底座上依次铺设无纺土工布、砾石层、砂垫层、电渗阴极，电渗阴极的导线由导线孔穿出，并用密封胶密封；

（3）乳胶膜上下端分别外翻1-2cm套在装样固结筒上，并用橡皮筋扎紧，用螺栓将装样固结筒与渗透排水底座通过法兰盘固定；

（4）调节水汽分离筒上的电接点真空表，使真空度维持在设定范围内，由通气管分别与渗透排水底座和真空泵相连；

（5）将泥浆倒入装样固结筒至设计高度，静置4小时，放入电渗阳极，预留土体沉降所需导线长度，将电渗阳极导线经导线孔穿出，并用密封胶密封；

（6）装样固结筒上部外翻乳胶膜翻回，并用一端扎紧的筒状乳胶膜套在装样固结筒外壁上，并用橡皮筋扎紧，电渗阳极与阴极的导线分别与可编程直流电源相连，设定电渗参数：电压、电流、间歇通电时间；

（7）接通电源，开始真空联合电渗法制样；

根据水汽分离筒内的出水量来预估制得土样的含水率，当达到设计要求时，停止试验。

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