CN104777016B - 一种泥浆固结制样设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公示了一种泥浆固结设备及其使用方法，泥浆固结设备包括动力源系统、制样平台系统和模具系统。所述方法包括以下步骤：将细粒土与无气水混合倒入容器中，密封存放，水分充分吸收后，进行搅拌；完成模具系统的装配；将装模具系统固定到制样平台的放置试样的底盘上；将泥浆液通过漏斗倒入试样模具中；调整反作用力横梁高度使得加压器和泥浆上表面接触；打开空压机进行分级加载；使试样形成密封状态；再次施加轴向固结压力，并在顶盖和模具底座分别施加大小相等的负压，加快固结，直至固结完成。本发明不仅有效地降低了试样被扰动的可能性，同时提高了试样可重复性，试样具有均匀的含水率和粒度分布，有效地提高制样效率和制样质量。

Description

一种泥浆固结制样设备及其使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，特别涉及一种实心圆柱细颗粒土泥浆固结制样设备与使用方法。

背景技术

室内静动三轴仪可以独立控制的动态围压和动态轴向力，能模拟工程中遇到的大多数应力路径，是研究土体在各种应力条件下力学性质的必要设备。对细颗粒土的静态和动态的力学特性进行研究，其中很重要的一个环节就是室内试验的试样制备问题。

试样的制备方法对试验结果有着决定性的影响。最初，室内对自然沉积土的试验都是用原状样。然而对于细颗粒土，很难获得原状样，因为它们很容易被扰动且基本难以恢复。一种有效地获得原状样的方法是冻结取样，但是这种方法耗费很高，且适用范围很小。另一种方法就是将凝胶或类似胶凝的材料注入土壤中使其固化并取样，然后在实验室中将凝胶在受控条件下移除。但是，对于渗透性较差的土该方法是很不适用的，整个过程承受着较高的扰动风险。在实验室中制备试样最常见的方法就是重塑土样，土样重塑最关键的目的就是与原状样有着相同或相似的力学性质和土体结构。为了满足这一要求，泥浆固结(沉积固结)被应用到细粒土的试样制备中，然而，现有的泥浆固结方法存在着很多问题：试样的均匀性难以保证；试样制备太过复杂；整个过程耗时太多等。尽管细颗粒土可以采用与砂土固结类似的方法，但细粒土试样更容易受到扰动或破坏。因此，需要开发新的泥浆固结制样设备与使用方法以保证试样的均匀性与可重复性，同时降低制样时间，提高制样效率。

在本发明之前，专利“基于真空联合电渗作用的重塑软粘土制样装置及方法(申请编号：CN201310251375.0)”公开了一种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。但在制备试样时，只在下部加真空负压，试样均匀性难以保证，且制备完成后需要重新削样，增加了试样受扰动的可能性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述困难和问题，提供一种新的泥浆固结制样设备和使用方法，制备的试样具有均匀的含水率和粒度分布，制备的试样可重复性高，使得细颗粒土的重塑试样有着相似的力学性质和土体结构。

本发明采用的技术方案是：一种泥浆固结制样设备，包括动力源系统、制样平台系统和模具系统，

其中，所述动力源系统包括真空泵、空压机、压力表、位移计、上阀门、下阀门、调压阀和带刻度的集水管，所述真空泵通过上阀门、压力表和调压阀连接到带刻度的集水管上部；所述集水管下部通过通气管连接到下阀门处，所述下阀门连接至通气管接口；所述空压机通过上阀门、压力表和调压阀连接到通气管接口；

所述制样平台系统包括制样平台底座、带螺纹支架、反作用力横梁、长螺栓、压实顶帽、六角螺帽、位移计和放置试样的底盘，其中，所述带螺纹支架竖直地设置于制样平台底座上，所述反作用力横梁通过六角螺帽固定在带螺纹支架的上部，所述压实顶帽通过长螺栓固定在反作用力横梁上，所述放置试样的底盘放置在制样平台底座上；制样平台系统位移计设置在所述放置试样的底盘的下底位置；

所述模具系统包括模具底座、透水石、滤纸、乳胶膜、支护筒、空心圆筒护臂、模具顶盖和O型圈，其中，所述透水石和滤纸放置在模具底座上，所述乳胶膜通过O型圈固定在模具底座外部，所述支护筒安装在模具底座上，并设置在乳胶膜的外侧；所述空心圆筒护臂放置在支护筒顶部；所述模具顶盖设置在空心圆筒护臂的顶部；

模具系统安装于制样平台底座上；

制样平台底座设置有通气管接口，动力源系统中的与空压机连接的通气管接口与制样平台底座的通气管接口连接；模具底座内部设置有两个L型孔隙通道，所述L型孔隙通道的出口连接至动力源系统中的与真空泵连接的通气管接口；模具顶盖内部设置有多个孔隙通道，且孔隙通道均连通到开设在模具顶盖侧面的侧部通道，侧部通道连接至动力源系统中的与真空泵连接的通气管接口；动力源系统为模具系统以及制样平台系统提供动力。

进一步地，所述六角螺帽有4个，并分别分布在反作用力横梁的上下两侧。

进一步地，所述动力源系统包括三个动力源部分和一个集水部分，其中两个动力源部分由所述真空泵通过上阀门、压力表和调压阀连接到带刻度的集水管上部，集水管下部再通过通气管连接到下阀门组成；另一个动力源部分由所述空压机通过上阀门、压力表和调压阀连接到通气管接口组成；所述集水部分由所述带刻度的集水管下部依次与下阀门和通气管接口相连组成。

进一步地，所述压实顶帽为一个空心筒，由设置在下部的实心圆板和上部的带孔圆板组成。

进一步地，还包括气源加压器，所述气源加压器设置在制样平台底座内部，所述放置试样的底盘放置在气源加压器上端，并由气源加压器控制，用于给试样施加指定的压力。

进一步地，所述支护筒为两开，空心圆筒护臂内侧带有刻度，支护筒内径与空心圆筒护臂内径一致。

本发明还提供了一种泥浆固结制样设备的使用方法，包括以下技术步骤：

将细粒土与无气水混合倒入容器中，密封存放，水分充分吸收后，进行搅拌；

将透水石放置在模具底座上，在透水石上端放上滤纸，将乳胶膜通过O型圈固定模具底座上，将对开的支护筒与模具底座拼装，然后在支护筒上部加上空心圆筒护臂，完成模具系统的装配；

将装配好的模具系统固定到制样平台的放置试样的底盘上；

将泥浆液通过漏斗倒入试样模具中，达到设定的高度；

调整反作用力横梁高度使得压实顶帽下表面和与沉积后的浆料液面接触；

打开空压机进行分级加载，通过制样平台系统的压力计和位移计控制每级加载的压力大小和加载时间；

加载完成过后，抬高反作用力横梁和压实顶帽，除去空心圆筒护臂，在试样顶部加上模具顶盖，将乳胶膜套在模具顶盖外侧，通过O型圈固定乳胶膜，使试样形成密封状态；

再次施加轴向固结压力，并在模具顶盖和模具底座分别施加大小相等的负压，加快固结，直至固结完成。

本发明的有益效果如下：

(1)该种新的泥浆固结制样技术，可用于直接制备粉土，粉质粘土，粘质粉土，粘土等细颗粒饱和重塑试样。

(2)可制备多尺寸的实心试样，且制备的试样可直接放置于GDS或GCTS的三轴试验平台上进行静力和动力试验，无需对试样进行其他的处理或修正。

(3)整个试样在制作过程都在同一个模具中进行中。没有受到移动，锤击和振动，扰动性很小。

(4)由于试样的固结在密封真空环境下进行，并且在试样顶部和底部同时加入相等的负压，制备的试样具有良好的均匀性和可重复性(试样的含水率和粒度分布较一致)。

(5)对整个制样过程中水的排出量和试样的变形都进行了实时的检测，制备的试样可以达到既定的孔隙比和含水率，且准确度较好。

(6)制样过程简单易行，整个设备可操作性强，提高了制样效率，节约时间。

附图说明

图1-----本发明结构装置整体示意图。

图2-----本发明结构装置动力源部分示意图

图3-----本发明结构装置制样平台部分示意图

图4-----本发明结构装置模具部分示意图

图5-----本发明结构装置模具透视图

图6-----本发明结构装置模具剖面图

图7-----模具底座示意图

图8-----模具底座剖面图

图9-----模具底座顶部示图

图10-----模具顶盖示意图

图11-----模具顶盖剖面图

图12-----模具顶盖底部示图

图13-----压实顶帽示意图

图14-----压实顶帽剖面图

图15-----方头螺栓示意图

图中各标号对应的部件名称如下：

1为通气管；2-1，2-3为上阀门；2-2，2-4，2-6，2-7为下阀门；3-1，3-2，3-3为压力表；4-1，4-2，4-3为调压阀；5-1，5-2，5-3为带刻度的集水管；6-1，6-2，6-3，6-4，6-5为通气管接口；7-制样平台底座；8-带螺纹支架；9-反作用力横梁；10-六角螺帽；11-长螺栓；12-压实顶帽；13-放置试样的底盘；14-位移计；15-模具底座；16-支护筒；17-空心圆筒护臂；18-模具顶盖；19-1，19-2为透水石；20-1，20-2为滤纸；21-1，21-2为O型圈；22-乳胶膜；23-方头螺栓；A-1，A-2为模具底座接口；B-1为顶盖接口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1和图2所示：

阀门2-1(2-3)用通气管1接到真空泵上，再将阀门2-1(2-2)、压力表3-1(3-2)和调压阀4-1(4-2)用通气管相连并与带刻度的集水管5-1(5-2)连接，带刻度的集水管5-1(5-2)下部用通气管1与阀门2-2(2-4)相连最后接到通气管接口6-1(6-2)处；阀门2-5用通气管1接到空压机上，再与压力表3-3、调压阀4-3和通气管接口6-3依次相连；带刻度的集水管5-3下部用通气管1与下阀门2-6和通气管接口6-4相连。上述四个部分共同组成固结制样设备的动力源部分。

如图3所示：

两个带螺纹支架8固定在制样平台底座7上，用四个六角螺帽10将反作用力横梁9固定在带螺纹支架8上，用长螺栓11将压实顶帽12固定在反作用力横梁上，放置试样的底盘13放置在气源控制的轴向伸缩顶上。组装成固结制样设备的制样平台部分。如图14和15所示，压实顶帽12为一个空心筒，由设置在下部的实心圆板和上部的带孔圆板组成。

如图4、5、6、7所示：

模具底座15上面放透水石19-1，滤纸20-1放置于透水石19-1上部，用O型圈21-1将乳胶膜22固定在模具底座15，两开支护筒16与模具底座15组装，空心圆筒护臂17放置于模具底座15上部，组装成固结制样设备的模具部分。

如图8、9、10所示，模具底座15内部设置有两个L型孔隙通道，L型孔隙通道的出口连接至通气管接口。模具底座15两边分别设置有模具底座接口A-1和A-2，

如图11、12、13所示，模具顶盖18内部设置有多个孔隙通道，且孔隙通道均连通到开设在模具顶盖侧面的侧部通道。模具顶盖18还设置有顶盖接口B-1，顶盖接口B-1连通至侧部通道。

模具底座15的通气管接口A-1用方头螺栓23封住，方头螺栓23的螺栓头为正方形。

如图1所示：

将组装完成的模具部分放置到制样平台部分的放置试样的底盘13，完成固结制样设备的整体组装。

本发明的泥浆固结设备的使用方法：

(1)1000g的细粒土(土重量视不同尺寸确定)与440g的无气水混合，制备含水率为44％的泥浆液。

(2)泥浆液放置于可密封的容器中防止水的蒸发，浸泡10h以上以保证水被充分吸收。

(3)泥浆液用混合机充分混合15min，选择较低混合速率(60rpm以下)，避免气体进入浆液。

(4)将透水石19-1放置在模具底座15上，并在透水石19-1上放上滤纸20-1，乳胶膜22套在模具底座15外，用O型圈21-1固定。

(5)支护筒16与模具底座15组装好，空心圆筒护臂17放置于支护筒16上部。

(6)组装好作用的模具放置在制样平台部分的放置试样的底盘13。

(7)泥浆液通过漏斗倒入已固定好的模具中，并达到所需的高度。在自重应力作用下沉积3h，防止在受到瞬时加压时泥浆溢出。

(8)调整反作用力横梁9的高度使得压实顶帽12下表面与沉积后的浆液面接触。

(9)将模具底座15的通气管接口A-1用方头螺栓23封住，用通气管1将模具底座的通气管接口A-2与动力源中的通气管接口6-4相连，将阀门2-6打开。

(10)用通气管1将通气管接口6-3与6-5相连，且打开阀门2-5与2-7。

(11)调节调压阀4-3进行分级加载，在每一级加载下，泥浆达到初始固结，然后进行下一级加载，且每级加载小于最小的有效固结围压。

(12)位移计14用以检测试样的变形，同时记录每一级加载下从通气管接口A-2排除的水的体积。

(13)当试样的高度低于空心圆筒护臂17的底部时，除去空心圆筒护臂17，关闭阀门2-5、阀门2-6和阀门2-7。

(14)在试样的上部依次放置滤纸20-2、透水石19-2和有机玻璃顶盖18，将乳胶模22的上部套在有机玻璃顶盖18外侧，用O型圈21-2固定，调整压实顶帽12与有机玻璃顶盖18接触，形成密封环境。

(15)将通气管接口A-2用方头螺栓23封住，用通气管1连接通气管接口A-1(有机玻璃顶盖的通气管接口B-1)与通气管接口6-1(6-2)连接，并将阀门2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-7全部打开。

(16)调节调压阀4-3给试样继续加轴向固结压力，同时，调节调压阀4-1和4-2给试样上下相同的负压(小于有效围压)。

(17)从通气管接口A-1和B-1中吸出的水被收集到带刻度的集水管5-1(5-2)中并记录。在真空条件下的固结同样采用位移计14记录试样的变形，直至其固结完成。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种泥浆固结制样设备，其特征在于，包括动力源系统、制样平台系统和模具系统，

其中，所述动力源系统包括真空泵、空压机、压力表、位移计、上阀门、下阀门、调压阀和带刻度的集水管，所述真空泵通过上阀门、压力表和调压阀连接到带刻度的集水管上部；所述集水管下部通过通气管连接到下阀门处，所述下阀门连接至通气管接口；所述空压机通过上阀门、压力表和调压阀连接到通气管接口；

所述制样平台系统包括制样平台底座、带螺纹支架、反作用力横梁、长螺栓、压实顶帽、六角螺帽、位移计和放置试样的底盘，其中，所述带螺纹支架竖直地设置于制样平台底座上，所述反作用力横梁通过六角螺帽固定在带螺纹支架的上部，所述压实顶帽通过长螺栓固定在反作用力横梁上，所述放置试样的底盘放置在制样平台底座上；制样平台系统位移计设置在所述放置试样的底盘的下底位置；

所述模具系统包括模具底座、透水石、滤纸、乳胶膜、支护筒、空心圆筒护臂、模具顶盖和O型圈，其中，所述透水石和滤纸放置在模具底座上，所述乳胶膜通过O型圈固定在模具底座外部，所述支护筒安装在模具底座上，并设置在乳胶膜的外侧；所述空心圆筒护臂放置在支护筒顶部；所述模具顶盖设置在空心圆筒护臂的顶部；

模具系统安装于制样平台底座上；

制样平台底座设置有通气管接口，动力源系统中的与空压机连接的通气管接口与制样平台底座的通气管接口连接；模具底座内部设置有两个L型孔隙通道，所述L型孔隙通道的出口连接至动力源系统中的与真空泵连接的通气管接口；模具顶盖内部设置有多个孔隙通道，且孔隙通道均连通到开设在模具顶盖侧面的侧部通道，侧部通道连接至动力源系统中的与真空泵连接的通气管接口；动力源系统为模具系统以及制样平台系统提供动力。

2.根据权利要求1所述的一种泥浆固结制样设备，其特征在于，所述六角螺帽有4个，并分别分布在反作用力横梁的上下两侧。

3.根据权利要求1所述的一种泥浆固结制样设备，其特征在于，所述动力源系统包括三个动力源部分和一个集水部分，其中两个动力源部分由所述真空泵通过上阀门、压力表和调压阀连接到带刻度的集水管上部，集水管下部再通过通气管连接到下阀门组成；另一个动力源部分由所述空压机通过上阀门、压力表和调压阀连接到通气管接口组成；所述集水部分由所述带刻度的集水管下部依次与下阀门和通气管接口相连组成。

4.根据权利要求1所述的一种泥浆固结制样设备，其特征在于，所述压实顶帽为一个空心筒，由设置在下部的实心圆板和上部的带孔圆板组成。

5.根据权利要求1所述的一种泥浆固结制样设备，其特征在于，还包括气源加压器，所述气源加压器设置在制样平台底座内部，所述放置试样的底盘放置在气源加压器上端，并由气源加压器控制，用于给试样施加指定的压力。

6.根据权利要求1所述的一种泥浆固结制样设备，其特征在于，所述支护筒为两开，空心圆筒护臂内侧带有刻度，支护筒内径与空心圆筒护臂内径一致。

7.一种基于权利要求5所述的泥浆固结制样设备的使用方法，其特征在于，包括以下技术步骤：

将细粒土与无气水混合倒入容器中，密封存放，水分充分吸收后，进行搅拌；

将透水石放置在模具底座上，在透水石上端放上滤纸，将乳胶膜通过O型圈固定模具底座上，将对开的支护筒与模具底座拼装，然后在支护筒上部加上空心圆筒护臂，完成模具系统的装配；

将装配好的模具系统固定到制样平台的放置试样的底盘上；

将泥浆液通过漏斗倒入试样模具中，达到设定的高度；

调整反作用力横梁高度使得压实顶帽下表面和与沉积后的浆料液面接触；

打开空压机进行分级加载，通过制样平台系统的压力计和位移计控制每级加载的压力大小和加载时间；

加载完成过后，抬高反作用力横梁和压实顶帽，除去空心圆筒护臂，在试样顶部加上模具顶盖，将乳胶膜套在模具顶盖外侧，通过O型圈固定乳胶膜，使试样形成密封状态；

再次施加轴向固结压力，并在模具顶盖和模具底座分别施加大小相等的负压，加快固结，直至固结完成。