CN105784444B - 室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置及其方法。外固结筒、内固结筒嵌套固定于排水底座上，两者夹持形成一个用于放置粘土空心圆柱试样的圆环状空间；圆环状空间的上下两个横截面上分别设有圆环状的上排水板和下排水板；圆环状空间底部的排水底座上以及内固结筒的筒壁上均设有若干个通孔；所述的压力加载结构的着力点位于上排水板上，用于对上排水板施加向下的压力。本发明提供一种空心圆柱重塑粘土压缩制样的装置，可一次性直接制作完成用于试验的不等向固结空心圆柱重塑粘土，无需试样的二次制样，可减小试样的扰动和浪费，操作简单方便，提高空心圆柱重塑粘土制作效率。同时，采用重量加压方式，无需消耗电能。

Description

室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置及其方法

技术领域

本发明属于试验装置领域，具体涉及一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置及其方法。

背景技术

空心圆柱扭剪仪可以对空心圆柱试样施加独立控制的轴力、扭矩和内、外压力，从而可以实现大主应力方向旋转等实际工程中常见的复杂应力路径，已在土工试验中得到较广泛的应用。目前空心圆柱重塑粘土试样的制备主要采用真空固结预压的方法制备成较大的方块形(如专利号为200920106559.7的实用新型)或圆柱形重塑粘土块(如专利号为201020558288.1的实用新型)再切削成空心圆柱试样或直接真空预压成空心圆柱形(如专利号为201410099598.4的发明专利)。对于较大的重塑粘土块由于粘土的渗透性差，泥浆的排水路径较难保证，制备的重塑土样均匀性较难保证。真空压力受真空泵功率的限制能施加的预压压力值范围较小，真空度、密封性也较难保证，制备的重塑土样含水率较高，强度较低，影响后期试验使用。真空预压制备的试样为等向固结试样与实际工程中土体K₀不等向固结的受力状态不同。而土工试验中一般需要更真实地模拟土体在实际工程中的受力状态，目前急需一种能够压缩制备不等向固结粘土试样的装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有空心圆柱重塑粘土试样制备技术中存在的问题，并提供一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，包括外固结筒、内固结筒、排水底座、上排水板、下排水板和压力加载结构；所述的外固结筒、内固结筒嵌套固定于排水底座上，两者夹持形成一个用于放置粘土空心圆柱试样的圆环状空间；圆环状空间的上、下两个横截面上分别设有圆环状的上排水板和下排水板；圆环状空间底部的排水底座上以及内固结筒的筒壁上均设有若干个通孔；所述的压力加载结构的着力点位于上排水板上，用于对上排水板施加向下的压力。

上述装置的基本原理是将粘土浆液灌注于外固结筒、内固结筒夹持形成的圆环状空间内，并通过压力加载结构对浆液施压，使其中的水分通过底座上以及内固结筒筒壁上的通孔排出，实现粘土试样的制备。

作为优选，所述的压力加载结构由加载支架和加载砝码组成，加载支架下部为若干条与上排水板相连的支撑杆，上部为用于放置加载砝码的平台。该装置采用施加砝码荷载的形式对置于两层圆筒间的泥浆加压排水固结直接制备成K₀不等向固结的空心圆柱重塑粘土试样，不需要抽真空，因此不需要消耗电能。

作为优选，所述的排水底座上设有一个圆环状的固定卡槽，固定卡槽上设有若干个连接所述的圆环状空间内外两侧的通孔，用于排出圆环状空间内的水；固定卡槽的圆环外径与外固结筒的内径一致，固定卡槽的内径与内固结筒的外径一致，外固结筒、内固结筒通过螺纹可拆卸式固定于固定卡槽上。可拆卸式的设计使得各部件在使用完成后可直接拆卸，便于试样的取出及装置的清洗。

进一步的，所述的固定卡槽上表面设有若干个螺孔，用于固定下排水板。

作为优选，所述的外固结筒外侧环绕有若干条外壁加强纤维，以增强外壁强度。

作为优选，所述的内固结筒底部的排水底座上设有通孔。该通孔可使排出的泥水顺利流出装置外，无需进行抽吸。

作为优选，所述的排水底座上的通孔均通过管道汇集至排水总管，且排水总管上设有阀门。排水总管可将泥水进行统一收集并排放，保持试验场地整洁。

作为优选，所述的内固结筒外表面以及上排水板下表面和下排水板上表面均铺有滤纸，用于分离泥水混合物。

作为优选，所述的上排水板和加载支架在粘土空心圆柱试样横截面上产生的压力为10kPa。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述装置的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制样方法，其主要技术步骤如下：

1)、首先将土样晾干，碾碎，过筛，烘干，按设计含水率称取干土，量取无气水混合后充分搅拌均匀制备成的泥浆，静置；

2)、先将下排水板固定于排水底座上，在所述下排水板上放一层环形滤纸，再将外壁贴有滤纸层的内固结筒(2)和内壁涂有凡士林的外固结筒(1)分别固定于排水底座(3)上；

3)、根据所需制备试样的含水率，预估所需的泥浆高度，并按大于试验所需试样高度确定泥浆的灌注高度；将静置后的泥浆通过漏斗从圆环状空间底部开注入，泥浆由下往上逐渐注满至预定高度，并记录泥浆灌注完的当前高度；

4)、在泥浆顶部放入环形滤纸，再将连接上排水板的加载支架置于泥浆顶部，按照设计固结压力逐级放置加载砝码以增加预压力，并观察试样高度变化；上排水板和加载支架在粘土空心圆柱试样横截面上产生的压力为10kPa；

5)、当试样高度在设计固结压力下，高度在24小时内变化小于0.1mm时即认为试样制备完成。

6)、按试验所需的试样高度切除试样顶部多余部分。

本发明提供一种空心圆柱重塑粘土压缩制样的装置及其方法，可一次性直接制作完成用于试验的标准空心圆柱重塑粘土。且本装置无需试样的二次制样，可减小试样的扰动和浪费，提高空心圆柱重塑粘土制作效率。

附图说明

图1为一种空心圆柱重塑粘土压缩制样的装置的结构示意图；

图2为本发明的排水底座俯视图。

图中附图标记为：1、外固结筒；2、内固结筒；3、排水底座；4、加载支架；5、上排水板；6、下排水板；7、外壁加强纤维；8加载砝码；9、排水总管；10、试样底部排水孔；11、下排水板固定螺栓孔；12、底座中心排水孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置。装置的主体结构包括外固结筒1、内固结筒2、排水底座3、上排水板5、下排水板6和压力加载结构。压力加载结构可采用多种形式，只要其压力的着力点位于上排水板5上，可对上排水板5施加向下的压力即可。本实施方式中压力加载结构由加载支架4和加载砝码8组成，加载支架4下部为若干条与支撑杆，上部为一个平台。使用时，平台上放置加载砝码8，而支撑杆垂直架设于排水板5上。

排水底座3采用不锈钢制成，厚5cm。外固结筒1、内固结筒2嵌套固定于排水底座3上，两者夹持形成一个用于放置粘土空心圆柱试样的圆环状空间。为了便于拆卸和清洗，本实施方式中将外固结筒1、内固结筒2均设计为可拆卸式的固定。具体做法为：在排水底座3上固定一个水平截面为圆环状、纵向截面为矩形的固定卡槽，固定卡槽上设有若干个连接所述的圆环状空间内侧以及整个装置外侧的试样底部排水孔10，孔径5mm，用于排出圆环状空间内的水。固定卡槽的圆环外径与外固结筒1的内径一致，固定卡槽的内径与内固结筒2的外径一致，外固结筒1的内壁下部、内固结筒2的外壁下部以及固定卡槽的内外壁均设有相互匹配的螺纹，三者通过螺纹可拆卸式固定。固定卡槽上表面设有若干个下排水板固定螺栓孔11，排水板6通过螺丝固定于固定卡槽上。

圆环状空间的上部及下部两个横截面上分别设有圆环状的上排水板5和下排水板6；上排水板5和下排水板6能够基本覆盖圆环状空间的截面，两者之间放置用于成型的泥浆。圆环状空间底部的排水底座3上以及内固结筒2的筒壁上都均匀开设有若干排通孔，通孔应在尽量布满需要排水处。

为了进一步加强强度，外固结筒1外侧环绕有若干条外壁加强纤维7。

上述装置在使用时，泥浆中的水会通过各处的通孔外流，其中一部分会聚集于内固结筒2的内部空间内，因此需要在内固结筒2底部的排水底座3上设置底座中心排水孔12，孔径1mm。为了便于这些水的收集，排水底座3上的通孔均通过管道汇集至排水总管9，且排水总管9上设有阀门。

另外，泥水混合物受到挤压时，会有部分溢出，因此需要在内固结筒2外表面以及下排水板6上表面均铺有滤纸，用于分离泥水混合物。

基于上述装置的一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制样方法，其主要技术步骤如下：

1、首先将土样晾干，碾碎，过筛，烘干，按设计含水率称取干土，量取无气水混合后充分搅拌均匀制备成的泥浆，静置24小时。

2、先将下排水板6固定于排水底座3上，在所述下排水板6上放一层环形滤纸，再将外壁贴有滤纸层的内固结筒2和内壁涂有凡士林的外固结筒1分别通过螺纹固定于排水底座3上。

3)、根据所需制备试样的含水率，并按大于试验所需试样高度确定泥浆的高度，将静置后的泥浆通过漏斗从圆环状空间底部开注入，泥浆由下往上逐渐注满至预定高度，并记录泥浆当前高度；

4、在泥浆顶部放入环形滤纸，再将连接上排水板5的加载支架4置于泥浆顶部，按照设计固结压力逐级增加砝码，施加预压力，并观察试样刚度变化。上排水板5和加载支架4在粘土空心圆柱试样横截面上产生的初始压力优选为10kPa，利用砝码可调节该压力。

5、当试样高度在设计压力下高度在24小时内变化小于0.1mm时即认为试样制备完成。

6、逐步卸除砝码8，加载支架，外固结筒1，内固结筒2，最后取下试样，完成制备过程。

7、按试验所需的试样高度切除试样顶部多余部分。

上述装置和方法采用重力加压方式制备空心圆柱重塑粘土试样，无需采用其他动力装置，不需要消耗其他能源。

基于上述装置和方法制备的空心圆柱重塑粘土试样时，试样受到内、外固结筒的约束不产生水平向的固结变形，仅发生竖向的变形，试样在竖向和水平向的受力状态也不相同，即试样为K₀固结状态。因此相比采用抽真空预压方法制备方法，试样的受力状态更符合实际环境中土体的受力状态。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于包括外固结筒(1)、内固结筒(2)、排水底座(3)、上排水板(5)、下排水板(6)和压力加载结构；所述的外固结筒(1)、内固结筒(2)嵌套固定于排水底座(3)上，两者夹持形成一个用于放置粘土空心圆柱试样的圆环状空间；圆环状空间的上下两个横截面上分别设有圆环状的上排水板(5)和下排水板(6)；圆环状空间底部的排水底座(3)上以及内固结筒(2)的筒壁上均设有若干个通孔；所述的压力加载结构的着力点位于上排水板(5)上，用于对上排水板(5)施加向下的压力。

2.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的压力加载结构由加载支架(4)和加载砝码(8)组成，加载支架(4)下部为若干条与上排水板(5)相连的支撑杆，上部为用于放置加载砝码(8)的平台。

3.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的排水底座(3)上设有一个圆环状的固定卡槽，固定卡槽上设有若干个连接所述的圆环状空间内外两侧的通孔，用于排出圆环状空间内的水；固定卡槽的圆环外径与外固结筒(1)的内径一致，固定卡槽的内径与内固结筒(2)的外径一致，外固结筒(1)、内固结筒(2)通过螺纹可拆卸式固定于固定卡槽上。

4.如权利要求3所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的固定卡槽上表面设有若干个螺孔，用于固定下排水板(6)。

5.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的外固结筒(1)外侧环绕有若干条外壁加强纤维(7)。

6.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的内固结筒(2)底部的排水底座(3)上设有通孔。

7.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的排水底座(3)上的通孔均通过管道汇集至排水总管(9)，且排水总管(9)上设有阀门。

8.如权利要求1所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的内固结筒(2)外表面、上排水板(5)下表面以及下排水板(6)上表面均铺有滤纸，用于分离泥水混合物。

9.如权利要求2所述的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制备装置，其特征在于所述的上排水板(5)和加载支架(4)在粘土空心圆柱试样横截面上产生的压力为10kPa。

10.一种使用权利要求2所述装置的室内空心圆柱重塑粘土试样压缩制样方法，其特征在于步骤如下：

1)、首先将土样晾干，碾碎，过筛，烘干，按设计含水率称取干土，量取无气水混合后充分搅拌均匀制备成的泥浆，静置；

2)、先将下排水板(6)固定于排水底座(3)上，在所述下排水板(6)上放一层环形滤纸，再将外壁贴有滤纸层的内固结筒(2)和内壁涂有凡士林的外固结筒(1)分别固定于排水底座(3)上；

3)、根据所需制备试样的含水率，并按大于试验所需试样高度确定泥浆的高度，将静置后的泥浆通过漏斗从圆环状空间底部开注入，泥浆由下往上逐渐注满至预定高度，并记录泥浆当前高度；

4)、在泥浆顶部放入环形滤纸，再将连接上排水板(5)的加载支架(4)置于泥浆顶部，按照设计固结压力逐级放置加载砝码(8)以增加预压力，并观察试样高度变化；上排水板(5)和加载支架(4)在粘土空心圆柱试样横截面上产生的压力为10kPa；

5)、当试样高度在设计固结压力下，高度在24小时内变化小于0.1mm时即认为试样制备完成；

6)、按试验所需的试样高度切除试样顶部多余部分。