CN103884561B - 人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法，涉及粘土制备试验技术领域。本装置的结构是：在门架的下横梁上设置有备样筒，在备样筒内盛装有土浆，在土浆的上面，沿门架的中心轴线，依次连接有隔板、传力杆、承压板、压力传感器、压力盒、倒置安装的液压千斤顶和门架的上横梁，组成加压土浆的机械结构；液压千斤顶和液压装置连通，获得动力；压力传感器连接压力测试仪，获取压力数据。本发明能够较好地模拟现场条件和原状软土的初始赋存条件，能够减小对土样的扰动，并且可以按需要设定其孔隙比等参数，土样制备操作方法简便，安全可靠。

Description

人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法

技术领域

本发明涉及粘土制备试验技术领域，具体涉及一种人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法。

背景技术

结构性广泛地存在于天然土中，如软、硬粘土和粒状土等。通过对结构性土的研究可以掌握天然土体受荷过程中的变形破损过程，从而为考虑土体结构性的结构物设计、地基加固提供依据。然而，正是由于土的结构性，要从现场取得大量同样力学性状的结构性原状软粘土是一项极其困难的工作。并且在对原状土取样的过程中，对原状土的扰动是不可避免的，所以有必要进行人工制备结构性软粘土的室内试验研究。目前主要有混有少量高岭土砂的高温灼烧法；通过在原料软土中掺入冰粒和微量水泥，人工设定化学胶结作用和大孔隙组构，来模拟天然粘土的结构性；在原始黄土料中人工形成颗粒间的CaCO₃胶结作用和大孔隙制备结构性黄土样或通过在原状土料中加入少量水泥和盐粒以形成颗粒间的胶结作用和大孔隙组构以模拟天然粘土的结构性。

但是以上人工制备结构性土样的方法需要较完备的试验条件，并且在制样的过程中都需要采用标准击实器对混合土料进行击实，不可避免对土样有所扰动。为此，寻求一种简单有效的人工制备结构性原状软粘土试验土样的方法和设备，已经成为结构性土的室内制样方法中一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和补正，提供一种人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法，以便在实验室较好地模拟现场条件和软粘土的工程特性，按需要获得土性均匀的软粘土，要求制备方法简便，效率高。

本发明的目的是这样实现的：

一、人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置（简称装置）

本装置包括门架、液压千斤顶、液压装置、千分表、压力盒、压力传感器、磁力表夹、承压板、传力杆、隔板、备样筒、土浆和压力测试仪；

在门架的下横梁上设置有备样筒，在备样筒内盛装有土浆，在土浆的上面，沿门架的中心轴线，依次连接有隔板、传力杆、承压板、压力传感器、压力盒、倒置安装的液压千斤顶和门架的上横梁，组成加压土浆的机械结构；

液压千斤顶通过底座固定于门架的上横梁上，并与液压装置连通，获得动力；

压力测试仪连接压力传感器，获取压力数据；

在备样筒上方的两边分别设置有磁力表夹，在磁力表夹上固定有千分表，千分表的测量杆轻触承压板，使千分表测得承压板的升降高度。

本装置的工作机理：

本装置是用来制备结构性原状软粘土试验土样，主要是在备样筒里将制作好的土浆进行加压，即通过门架、隔板、传力杆、承压板、压力传感器、压力盒和倒置安装的液压千斤顶组成加压土浆的机械结构，然后利用液压千斤顶加压，根据压力测试仪来判定加压的大小。为了设置不同的土样，土样的参数可以通过土浆高度的变化来设定，土浆高度的变化通过千分表来测定。

二、人工制备结构性原状软粘土试验土样的方法（简称方法）

本方法是利用上述装置的方法，包括以下步骤：

①将高岭土粉加水充分浸泡后制备成含水量为200%的土浆，并不断搅拌，让空气排出；

②在备样筒的内壁先涂上一层润滑油，再贴上一层塑料胶纸；

③在备样筒的底部放上一块透水石（透水石直径和备样筒内壁的直径一致，厚度约为10mm）及5层滤纸；

④将搅拌均匀的土浆倒入备样筒内，在土浆表面加5层滤纸和一块透水石；

⑤在土浆表面逐级施加压力使之固结稳定形成固结粘土，施加压力根据所需软土深度处对应的土自重应力确定；

⑥土样的孔隙比e通过土浆的高度变化（即体积变化）来控制；

$e=\frac{G_s}{m_s}(V_0-\mathrm{\Δh}\·A)-1$

其中：

G_s为土的比重，m_s为干土质量，V₀为土浆初始体积，

A为备样筒底面积，Δh为土浆高度变化；

⑦得到所需的试验土样（包括备样筒及其经过处理的土样）；

⑧将试验土样通过有关三轴仪和高压固结仪进行土样试验。

本方法的工作机理：

本方法主要是通过装置将配好的土浆加压得到结构性原状软粘土试验土样，首先利用高岭土人工设定胶结作用和土的结构性，为了避免高岭土和备样筒筒壁的摩擦，在筒壁涂抹一层润滑油。透水石和滤纸可以过滤吸收不必要的水份得到所需的土样含水量。装置里液压千斤顶加压的多少根据土的自重应力来判定，在土浆表面逐级施加压力使之固结稳定形成固结粘土。

本发明具有下列优点和积极效果：

①在获取正常固结粘土的同时，能够尽可能地减小对土样的扰动；

②可按需要设定其孔隙比、含水量和密度等参数，能节省大量的试验费用；

③能够较好地模拟现场条件和软土工程特性，制出的土样特性均匀，制备软粘土土样的效率高；

④土样制备及操作方法简便、安全可靠。

总之，本发明能够较好地模拟现场条件和原状软土的初始赋存条件，能够减小对土样的扰动，并且可以按需要设定其孔隙比等参数，土样制备操作方法简便，安全可靠。

附图说明

图1是本装置的结构示意图（主视）；

图2是试验土样的结构示意图（立体）。

其中：

1—门架，1.1—下横梁，1.2—上横梁；

2—液压千斤顶，2.1—底座；

3—液压装置；4—千分表；5—压力盒；6—压力传感器；

7—磁力表夹；8—承压板；9—传力杆；10—隔板；

11—备样筒；12—土浆；13—压力测试仪；14—试验土样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1，本装置包括门架1、液压千斤顶2、液压装置3、千分表4、压力盒5、压力传感器6、磁力表夹7、承压板8、传力杆9、隔板10、备样筒11、土浆12和压力测试仪13；

在门架1的下横梁1.1上设置有备样筒11，在备样筒11内盛装有土浆12，在土浆12的上面，沿门架1的中心轴线，依次连接有隔板10、传力杆9、承压板8、压力传感器6、压力盒5、倒置安装的液压千斤顶2和门架1的上横梁1.2，组成加压土浆12的机械结构；

液压千斤顶2通过底座2.1固定于门架1的上横梁1.2上，并与液压装置3连通，获得动力；

压力测试仪13连接压力传感器6，获取压力数据；

在备样筒11上方的两边分别设置有磁力表夹7，在磁力表夹7上固定有千分表4，千分表4的测量杆轻触承压板8，使千分表4测得承压板8的升降高度。

2、功能部件

本装置的功能部件均为常用件。

1）门架1

门架1是一种方形金属框，起固定支撑作用。

门架1的高度为1000mm，宽度为1000mm；门架1的下横梁1.1厚为50mm，门架1的上横梁1.2厚为100mm。

在门架1的上横梁1.2的中央设置有直径约20mm的安装小孔，再通过钢丝穿过安装小孔来固定液压千斤顶2的底座2.1。

2）承压板8

承压板8是一种直径100mm、厚20mm的金属圆板。

3）传力杆9

传力杆9是一种直径50mm、高70mm的金属杆。

4）隔板10

隔板10是一种直径280mm、厚20mm的带孔金属圆板，水可以从孔中渗出。

5）备样筒11

备样筒11是一种外径300mm、筒厚为10mm、高450mm的金属筒，可以根据所需土样容量的大小对其作出调整。

6）液压千斤顶2、千分表4、压力盒5、压力传感器6、磁力表夹7和压力测试仪13均为外购件。

二、试验情况

试验方法：

如图2，利用本发明配置了10组土样，用以研究正常固结土和超固结土强度的变化规律。

其中，土样的底面积A为0.066m²，土的比重G_s为2.75，土的干重m_s为0.08kg，土浆12的初始体积V₀为0.03m³。通过改变土浆高度Δh来设置土样的孔隙比e。压力测试仪13和千分表4所示参数即Δh和P如表1所示。将土样进行切样，分别置于三轴仪和高压固结仪上。在三轴仪中，首先在大围压σ_vmax下进行排水等向固结，固结完成后，将围压降至较小压力σ_vo进行充分吸水膨胀，于是形成超固结比OCR=σ_vmax/σ_vo的超固结土。在高压固结仪中，为了模拟天然土层超固结形成过程，避免过大扰动，通过加卸载形成不同的超固结比。

表1试验用土一般土性指标

试验数据：

表2三轴试验部分成果表

试验结论：

1、不论是正常固结土还是超固结土，当强度达到峰值后都有降低，只是降低程度不同而已。

2、不同的先期固结压力的超固结土，其强度包线是不同的，先期固结压力相同的超固结土其强度包线近似于一条直线。

此实例的应用说明了人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置及其方法是可行的。不仅可以得到结构性原状软粘土试验土样，也可以根据所需要的试验土样来调整参数，操作方法简单、有效。

Claims (2)

1.一种人工制备结构性原状软粘土试验土样的装置，其特征在于：

本装置包括门架（1）、液压千斤顶（2）、液压装置（3）、千分表（4）、压力盒（5）、压力传感器（6）、磁力表夹（7）、承压板（8）、传力杆（9）、隔板（10）、备样筒（11）、土浆（12）和压力测试仪（13）；

在门架（1）的下横梁（1.1）上设置有备样筒（11），在备样筒（11）内盛装有土浆（12），在土浆（12）的上面，沿门架（1）的中心轴线，依次连接有隔板（10）、传力杆（9）、承压板（8）、压力传感器（6）、压力盒（5）、倒置安装的液压千斤顶（2）和门架（1）的上横梁（1.2），组成加压土浆（12）的机械结构；

液压千斤顶（2）通过底座（2.1）固定于门架（1）的上横梁（1.2）上，并与液压装置（3）连通，获得动力；

压力测试仪（13）连接压力传感器（6），获取压力数据；

在备样筒（11）上方的两边分别设置有磁力表夹（7），在磁力表夹（7）上固定有千分表（4），千分表（4）的测量杆轻触承压板（8），使千分表（4）测得承压板（8）的升降高度。

2.利用权利要求1所述装置的人工制备结构性原状软粘土试验土样的方法，其特征在于包括以下步骤：

①将高岭土粉加水充分浸泡后制备成含水量为200%的土浆，并不断搅拌，让空气排出；

②在备样筒的内壁先涂上一层润滑油，再贴上一层塑料胶纸；

③在备样筒的底部放上一块透水石及5层滤纸；

④将搅拌均匀的土浆倒入备样筒内，在土浆表面加5层滤纸和一块透水石；

⑤在土浆表面逐级施加压力使之固结稳定形成固结粘土，施加压力根据所需软土深度处对应的土自重应力确定；

⑥土样的孔隙比e通过土浆的高度变化来控制；

$e=\frac{G_s}{m_s}(V_0-\mathrm{\Δh}\·A)-1$

其中：

G_s为土的比重，m_s为干土质量，V₀为土浆初始体积，

A为备样筒底面积，Δh为土浆高度变化；

⑦得到所需的试验土样；

⑧将试验土样通过有关三轴仪和高压固结仪进行土样试验。