CN103776677B - 一种饱和黏土的真空制样装置及其制样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种饱和黏土的真空制样装置及其制样方法，其包括制样器以及至少一套抽真空装置；抽真空装置包括蓄水槽和真空泵，真空泵经压力管与蓄水槽连通；制样器为一双层筒体结构，其包括外壁、与外壁为一体结构的内壁以及密封盖，外壁与内壁之间形成的空腔为反滤层空腔，由内壁围成的空腔为土样腔，土样腔的上部设有可移动的密封活塞，内壁的中下部设有滤水孔；反滤层空腔内设有反滤层，在反滤层空腔内设有至少3套滤水管，滤水管经压力管与滤水槽连通，滤水管上设有多个圆孔；蓄水槽上设有真空表，制样器上面设有阀门。该制样装置结构轻巧，便于操作，可重复利用；所制备试样均匀性好，饱和度高；该方法制样时间短。
Description
技术领域
本发明涉及一种土工实验技术，尤其涉及一种室内饱和黏土试样的制备装置及其方法。
背景技术
饱和黏土在环境变化和外荷载作用下的响应所导致的工程问题非常突出，通过试验研究、合理确定饱和黏土的变形与强度特性及其工程参数是黏土地基上工程建设中的关键问题之一。通常获取原状黏土试样花费较大，而且在土工试验与分析中存在许多问题，主要是土样成份不均一，可比较性差，而且一般很难得到饱和土样，试验时需要对试样进行真空处理使其饱和，经过如此处理的试样很难反映实际，而对于实际的非饱和土样目前无论在实验技术还是计算理论方面尚处于探索阶段。因此，对利用实验室试样制备技术人工制备的土样进行试验研究，是目前探索饱和黏土的变形与强度特性的一种途径。
目前所采用的饱和黏土制样技术主要有两种：（1）泥浆加压固结制样法：该方法通过空气压力机施加压力，使土样进行固结，排水一直持续74hr，然后挤压到薄壁不锈钢桶中，通过蜡封保持含水率储藏。所采用的这种制样方法主要存在以下缺点：①加荷装备比较笨重，而且不能制备体积较大的土样，否则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。（2）真空预压制样法：《水运工程》1997年第12期文献《室内真空预压制备土样的技术及应用》中闫澍旺等设计了室内真空预压粘土制样方法，其优点是，与泥浆加压固结法相比，固结时间缩短，能够制备比较均匀样品，泥浆中气体相对容易抽出。而其缺点是，①由于真空度约80kPa，泥浆中的气体难以完全抽出，所制成土样的饱和程度不高；②抽吸设备仅安置在泥浆上部，不能制备厚度较大的土样，否则土样固结将不均匀，而且制样过程中停泵，泥浆中的水下渗至底部，容易造成土样含水率差别较大。③所制备的土样不能在实验机上直接使用，需采用取土器取样而造成扰动。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构轻巧、操作方便、制样历时短、饱和程度高且能够重复利用的饱和黏土的真空制样装置。
本发明还提供了一种采用上述制样装置进行制样的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种饱和黏土的真空制样装置，其关键技术在于：其包括制样器以及至少一套抽真空装置；所述抽真空装置包括蓄水槽和真空泵，所述真空泵经压力管与蓄水槽连通，所述蓄水槽经压力管与制样器连通；
所述制样器为一双层筒体结构，其包括外壁、与外壁为一体结构的内壁以及密封盖，所述外壁与内壁之间形成的空腔为反滤层空腔，由内壁围成的空腔为土样腔，所述土样腔的上部设有可移动的密封活塞，所述内壁的中下部设有滤水孔；
所述反滤层空腔内设有反滤层，在反滤层空腔内设有至少3套滤水管，所述滤水管经压力管与滤水槽连通，所述滤水管上设有多个圆孔；
所述蓄水槽上设有真空表，所述制样器上面设有阀门。
优选的，所述反滤层由内层和外层构成，内层为直径1~2mm的粗砂，1~1.5mm和1.5~2mm粗砂的质量比为2：1；外层为直径2~3mm的砾石，2~2.5mm和2.5~3mm砾石的质量比为1：1。
优选的，所述滤水管环绕内壁、且紧贴外壁从上到下设置3套。上、中、下三套滤水管距密封盖的距离分别为150㎜、75㎜、0㎜；
所述滤水管为PVC管或钢管，直径为20mm，所述圆孔的直径为1mm，所述圆孔沿管长方向间距为10mm，环向间隔角度为45°。
优选的，所述抽真空装置设置2套，3套滤水管两侧各借助一个四通分别与蓄水槽经带阀门的压力管连通。
优选的，所述滤水孔为均匀分布的直径0.8mm的圆孔，滤水孔沿土样腔的高度方向间距为2.0mm，环向间隔角度为15°。
本发明的饱和黏土制样方法借助以上所述的制样装置来完成，该制样方法包括以下步骤：
(1)配制泥浆
配制的泥浆的含水率在液限的1.2~2.5倍，取研究区黏土或人工配制黏土，将其烘干、碾碎后，过1mm的土工筛，去除颗粒较大的石子、树根等杂物，加一定量的水浸泡3~5天后，用搅拌机搅拌均匀，配制成含水率合适的泥浆；
加水质量的计算方法按式：计算，
式中m w -为加水的质量；m s -为烘干土的质量；w L-为黏土的液限；
(2)连接管路
将制样装置中的压力管与蓄水槽、真空泵、制样器连接好，保持管路畅通；
(3)制样器的布置
将制样器倒置，在反滤层空腔中放置反滤层，将土工布制成的圆筒紧贴土样腔壁，放置在土样腔内，倒入制备好的泥浆，拧紧底部的密封盖；然后将制样器放正，打开阀门，向反滤层空腔灌满清水，并记录灌入清水的体积；然后打开真空泵开始抽吸制样，抽吸稳定时，真空表保持在97±2kPa，抽吸3~5天即可制成所需试样；
(4)切削成样
抽吸结束后，打开阀门，拧开底部的密封盖，将试样和土工布一起从土样腔中取出，将土样在三轴切削器上切削成所需试样，即可进行土工测试；同时，利用切削掉的不同部位的土，进行含水率测试，比较试样是否均匀，饱和度是否达到要求
(5)重复制样
除“在反滤层空腔7中放置反滤层5”这步操作外，完成上述步骤(3)中的其他操作，即可利用制样器重复制备饱和黏土试样。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用反滤层原理和真空负压抽吸方法设计，具体具备下述优点：
(1)制样装置结构轻巧，便于操作，可重复利用；本发明中制样器+泥浆+反滤层的总重量少于40kg，单人即可完成制样工作。与以往制备饱和黏土的泥浆加压固结法和真空预压制样法相比较，结构轻巧、方便操作，而且无需重新安装反滤层，重复步骤(3)即可重复制样；
(2)所制备试样均匀性好，饱和度高；由于以混合均匀的泥浆作为制样的原材料，并采用真空负压抽吸的方法制样，样品中的气泡，甚至水中的气泡都能抽出，致使样品的饱和度高、且很均匀。
(3)制样时间缩短，而且制备的圆柱形试样经切削可直接用于土工试验；
以往真空抽吸方法制备样品，抽吸过程需要约10天的时间，而目前的制样技术仅需3~5天，主要由于土样腔体积小且使用了至少3个环绕土样周围的滤水管抽吸，抽吸效果好。而且制备的样品去掉两端后，可直接放到制样器上切削。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明制样器的结构示意图；
图3是图2的俯视示意图；
图4是本发明土样腔的结构示意图；
图5是滤水管的示意图；
其中，1、真空泵；2、蓄水槽；3、压力管；4、内壁；5、反滤层；6、外壁；7、反滤层空腔；8、阀门；9、滤水管；10、滤水孔；11、密封活塞；12、密封盖；13、土样腔；14、真空表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见附图1-5，本发明包括制样器以及2套抽真空装置；所述抽真空装置包括蓄水槽2和真空泵1，所述真空泵1经压力管与蓄水槽2连通，所述蓄水槽2经压力管与制样器连通；
所述制样器是采用不锈钢制作的双层筒体结构，其包括外壁6、与外壁6为一体结构的内壁4以及密封盖12，所述外壁6与内壁4之间留有空腔，所述外壁6与内壁4之间形成的空腔为反滤层空腔7，由内壁4围成的圆形空腔为土样腔13，所述土样腔13的上部设有可移动的密封活塞11，所述内壁4的中下部设有滤水孔10；在反滤层空腔内7设有三套滤水管9，所述滤水管9紧贴反滤层空腔7外壁设置，且其环绕内壁，其埋设于反滤层5内，三套滤水管9上、下布置，其中上、中、下三套滤水管距密封盖12的距离分别为150㎜、75㎜、0㎜，当然可根据需要设置一套、两套或其他数目的滤水管9。
三套滤水管9的两侧分别设置一个四通，经汇流后通过压力管与蓄水槽2连通，压力管上安装有阀门。所述滤水管9上设有多个圆孔；所述蓄水槽2上设有真空表14，所述制样器上面设有阀门8。
制作时，制样器采用不锈钢制作（也可采用其他材料），其外形尺寸直径×高×壁厚=300mm×300mm×3mm，内部由内壁4隔开，分为反滤层空腔7和土样腔2部分，这2部分通过滤水孔10连通，底部有旋转式的密封盖12。反滤层空腔7内放置有反滤层5和滤水管9，土样腔13内放置需要制备试样的泥浆。土样腔13结构如附图2、3和4所示，其为圆柱形腔，其直径×高×壁厚=150mm×300mm×3mm，上半部为供可移动式密封活塞11移动的内壁，下半部为开有滤水孔10的内壁。滤水孔10为均匀分布的直径0.8mm的圆孔，圆孔沿土样腔13的轴向方向间距为2.0mm，环向间隔角度为15°。
所述滤水管9为PVC管或钢管，直径为20mm，管上均匀分布直径1mm的圆孔（也可为其他形状的孔），圆孔沿管长方向间距为10mm，环向间隔角度为45°，这里的环向间隔角度是指沿滤水管9的周向角度。滤水管9设计成环状，紧贴反滤层空腔7的外壁。3套滤水管9位置距罐底部分别为0、75、150mm，埋设在反滤层5中。
所述反滤层空腔内7设有反滤层5，所述反滤层5由内层和外层构成，反滤层5使用直径为1~3mm的砂、砾石。制作时，用硬纸卷成直径为22.5mm筒状，放在反滤层空腔7中部，将1~2mm的粗砂放置在土样腔13和纸筒之间，形成内层，将2~3mm的砂砾石放置在纸筒和制样器外壁之间形成外层，然后再将硬纸卷抽出来即可。
使用时，所述真空泵可采用型号为2XZ－2型的产品2个；所述蓄水槽设置2个，长方体，采用有机玻璃板加工形成，长×宽×高×壁厚=300mm×200mm×150mm×10mm；所述压力管为PVC透明软管，内径6mm，壁厚2-5mm，工作压力0.5-1.5MPa，市场有售；所述真空表为Z-150型，市场有售。
采用以上所述制样装置的制样方法如下：
(1)测定黏土的液限、含水率、密度和比重。
(2)配制泥浆
配制泥浆方法：配制的泥浆不宜过稀或过稠，一般泥浆的含水率在液限的1.2~2.5倍比较合适。可以取研究区黏土，也可以人工配制黏土，例如取某一地区的黏性土，将其烘干、碾碎后，过1mm的土工筛，去除颗粒较大的石子、树根等杂物，然后称重得到m s ，加一定量的水浸泡3~5天后，用搅拌机搅拌均匀，配制成含水率合适的泥浆。加水质量的计算方法按式子：，式中m w -为加水的质量；m s -为烘干土的质量；w L-为黏土的液限。
(3)连接管路
按照图1，将压力管与蓄水槽、真空泵、制样器连接，安装真空表，打开管路阀门，保持管路畅通。
(4)制样器的布置
将制样器倒置，在反滤层空腔7中放置反滤层5，将土工布（其厚度小于1mm，效果较好）制成的圆筒紧贴土样腔壁，放置在土样腔13内，倒入制备好的泥浆，拧紧底部的密封盖12。然后将制样器放正，打开阀门8，向反滤层空腔7灌满清水，并记录灌入清水的体积。然后打开真空泵1开始抽吸制样，抽吸稳定时，真空表14保持在97±2kPa，抽吸3~5天即可制成所需试样。
(5)切削成样
抽吸结束后，打开阀门8，拧开底部的密封盖12，将试样和土工布一起从土样腔13中取出，用钢丝锯削掉土样两端，然后在三轴切削器上切削成所需试样，即可进行土工测试。同时，利用切削掉的不同部位的土，进行含水率测试，比较试样是否均匀，饱和度是否达到要求。
(6)重复制样
除“在反滤层空腔7中放置反滤层5”操作外，重复完成以上所述步骤3中的其他操作，即可利用制样器重复制备饱和黏土试样。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种饱和黏土制样方法，其特征在于：所述制样方法借助真空制样装置来完成，该制样方法包括以下步骤：
(1)配制泥浆
配制的泥浆的含水率在液限的1.2~2.5倍，取研究区黏土或人工配制黏土，将其烘干、碾碎后，过1mm的土工筛，去除颗粒较大的石子、树根杂物，加一定量的水浸泡3~5天后，用搅拌机搅拌均匀，配制成含水率合适的泥浆；
加水质量的计算方法按式：计算，
式中m w 为加水的质量；m s 为烘干土的质量；w L为黏土的液限；
(2)连接管路
将制样装置中的压力管（3）与蓄水槽（2）、真空泵（1）、制样器连接好，保持管路畅通；
(3)制样器的布置
将制样器倒置，在反滤层空腔（7）中放置反滤层（5），将土工布制成的圆筒紧贴土样腔壁，放置在土样腔（13）内，倒入制备好的泥浆，拧紧底部的密封盖（12）；然后将制样器放正，打开阀门（8），向反滤层空腔（7）灌满清水，并记录灌入清水的体积；然后打开真空泵（1）开始抽吸制样，抽吸稳定时，真空表（14）保持在97±2kPa，抽吸3~5天即可制成所需试样；
(4)切削成样
抽吸结束后，打开阀门（8），拧开底部的密封盖（12），将试样和土工布一起从土样腔（13）中取出，将土样在三轴切削器上切削成所需试样，即可进行土工测试；同时，利用切削掉的不同部位的土，进行含水率测试，比较试样是否均匀，饱和度是否达到要求；
所述真空制样装置包括制样器以及至少一套抽真空装置；所述抽真空装置包括蓄水槽（2）和真空泵（1），所述真空泵（1）经压力管与蓄水槽（2）连通，所述蓄水槽（2）经压力管与制样器连通；
所述制样器为一双层筒体结构，其包括外壁（6）、与外壁（6）为一体结构的内壁（4）以及密封盖（12），所述外壁（6）与内壁（4）之间形成的空腔为反滤层空腔（7），由内壁（4）围成的空腔为土样腔（13），所述土样腔（13）的上部设有可移动的密封活塞（11），所述内壁（4）的下半部分设有滤水孔（10）；
在反滤层空腔（7）内设有反滤层（5），在反滤层空腔内设置至少3套滤水管（9），所述滤水管（9）经压力管与蓄水槽（2）连通，所述滤水管（9）上设有多个圆孔；
所述蓄水槽（2）上设有真空表（14），所述制样器上面设有阀门（8）。
2.根据权利要求１所述的饱和黏土制样方法，其特征在于：所述反滤层（5）由内层和外层构成，内层为直径1~2mm的粗砂，外层为直径2~3mm的砾石。
3.根据权利要求１所述的饱和黏土制样方法，其特征在于：三套滤水管（9）环绕内壁（4）、且紧贴外壁（6）从上到下设置，上、中、下三套滤水管距密封盖（12）的距离分别为150㎜、75㎜、0㎜；
所述滤水管（9）为PVC管或钢管，直径为20mm，所述圆孔的直径为1mm，所述圆孔沿管长方向间距为10mm，环向间隔角度为45°。
4.根据权利要求3所述的饱和黏土制样方法，其特征在于：所述抽真空装置设置2套，3套滤水管（9）两侧各借助一个四通分别与蓄水槽（2）经带阀门的压力管连通。
5.根据权利要求１所述的饱和黏土制样方法，其特征在于：所述滤水孔（10）为均匀分布的直径0.8mm的圆孔，滤水孔（10）沿土样腔（13）的高度方向间距为2mm，环向间隔角度为15°。
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