CN106018017A - 一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法，其操作为：A、出砂孔孔径的确定：根据拟制备砂土地基模型的相对密实度D_r，计算出砂头的出砂孔孔径d(mm)，d＝22.41‑0.25D_r，其中d≥4D_max，D_max为砂土最大粒径；B、出砂头的开孔：在出砂头底部开设孔径为A步确定的出砂孔孔径d的出砂孔；C、模型的制备：将B步制得的出砂头的顶部通过软管与砂桶连通，在80cm～100cm的落距条件下，通过出砂头的出砂孔向其正下方的模型箱滴漏撒砂，至模型箱内的砂样达到设定的厚度即可。制备的砂土地基模型的相对密实度误差小、准确度高，试验得出的数据可靠性好；可为在砂土地基上修建工程结构物时的设计和施工提供更可靠的试验数据，更好的保证工程结构物的安全。

Description

一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法

技术领域

本发明涉及一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法。

背景技术

砂土地基模型试验通过在实验室内对制备的砂土地基模型施加荷载，测试砂土地基模型的变形和破坏性状，得出砂土地基的应变与荷载的关系，从而为在相应的砂土地基上修建工程结构物时提供设计和施工的试验数据，以保证工程结构物的安全。

砂土模型的力学性质主要由相对密实度决定，砂土地基模型的相对密实度是直接影响试验数据和结果的重要指标，制备的砂土地基模型应尽量保证相对密实度的准确性。现有的砂土地基模型主要通过砂雨法制备，其步骤是：(1)根据砂粒的最大粒径D_max确定出砂头(顶部与进砂软管连通、底部布设出砂孔的圆筒)的出砂孔孔径d(防止砂粒堵塞出砂孔，需满足d≥4D_max)；(2)将砂桶内的砂样通过软管由同一出砂头，在规定的落距条件下漏出(形成砂雨)滴落在模型箱内，得到一个砂土地基模型；(3)在不同落距条件下制备多个砂土地基模型，测定每个砂土地基模型的相对密实度，将这些相对密实度、落距数据点，绘制在直角坐标系中，选用双曲线函数对数据点进行拟合，得到相对密实度和落距之间的函数关系式；(4)根据拟试验砂土地基模型的相对密实度，用拟合得到的函数关系式确定出制备试验砂土地基模型的落距，在该落距下采用(2)步的方法制备得到进行砂土地基模型试验使用的砂土地基模型。

以上制备砂土地基模型的方法，存在以下不足：(1)采用双曲线函数拟合得到的相对密实度和落距之间关系式为非线性，根据拟试验砂土地基模型的相对密实度计算得出的落距误差大、精确度低；尤其当砂土地基模型的相对密实度较小时，相对密实度与落距呈更强的非线性关系，即使落距较小的改变也会导致相对密实度较大的变化，计算得出的落距误差更大；(2)由于相对密实度和落距之间是一一对应关系，根据拟试验砂土地基模型的相对密实度，用拟合得到的函数关系式确定出的落距为一固定值。在砂土地基模型的制备过程中，落距不易精确控制，会导致制备的砂土地基模型相对密实度误差大、准确度低，得出的试验数据可靠性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法，用该方法制备的砂土地基模型的相对密实度与拟试验的相对密实度误差小、精确度高，试验得出的试验数据可靠性好；从而为在砂土地基上修建工程结构物时的设计和施工提供更可靠的试验数据，更好的保证工程结构物的安全。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法，其操作步骤为：

A、出砂孔孔径的确定：根据拟制备砂土地基模型的相对密实度D_r，计算出砂头的出砂孔孔径d(mm)，d＝22.41-0.25D_r；

B、出砂头的开孔：在出砂头的底部开设孔径为A步确定的出砂孔孔径d的出砂孔；

C、模型的制备：将B步制得的出砂头的顶部通过软管与砂桶连通，在80cm～100cm的落距条件下，通过出砂头的出砂孔向其正下方的模型箱滴漏撒砂，至模型箱内的砂样达到设定的厚度即可。

本发明的工作原理是：

1)不同出砂孔孔径下，相对密实度和落距之间均为双曲线函数关系，落距越小其非线性越强，上升趋势越显著；落距越大，曲线越趋平缓。在落距大于80cm后，曲线上升趋势非常缓慢，落距的变化几乎不会影响相对密实度，即相对密实度只与出砂头的出砂孔孔径有关，将相对密实度不受落距影响的区域称之为稳定相对密实度区域。考虑到落距大于100cm时，撒砂操作不方便，因此，本发明将制备砂土地基模型时的落距确定为80cm～100cm，处于稳定相对密实度区域。

2)对不同出砂孔孔径下的相对密实度和落距之间的关系，如图2，选用双曲线函数D_r＝a·h/(b+h)进行拟合，得到的函数关系式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{D}_r=90.60h/(4.07+h)& (d=2mm)\\ D_r=84.09h/(16.21+h)& (d=3.23mm)\\ D_r=82.20h/(10.21+h)& (d=4mm)\\ D_r=78.13h/(12.05+h)& (d=5mm)\end{array}\right.$

当h→∞时，计算得出不同孔径下的极限相对密实度D_r(∞)分别为90.60％、84.09％、82.20％和78.13％，绘制极限相对密实度D_r(∞)和孔径d的关系曲线，如图3。对图中曲线采用线性函数进行拟合，得到的关系式为：

D_r(∞)＝98.23-4.07d (1)

若采用式(1)计算孔径制作出砂头，在制备砂土地基模型时，对应的落距h→∞，显然不具可操作性，因此需对式(1)进行修正。

现将不同孔径的出砂头在80cm、90cm和100cm(均处于稳定相对密实度区域)落距下实测的相对密实度数据绘制在图3中，保持式(1)中直线斜率不变，采用线性函数对试验数据进行拟合，得到的关系式为：

D_r＝91.21-4.07d (2)

即d＝22.41-0.25D_r。

不同出砂孔孔径下的极限相对密实度D_r(∞)具有唯一性，拟合得到的极限相对密实度D_r(∞)和孔径d的关系式(1)唯一确定。在落距为80cm～100cm和落距h→∞时，相对密实度和孔径之间的线性关系呈平行状态，故对关系式(1)进行修正时保持斜率不变，将落距在80cm、90cm和100cm(均处于稳定相对密实度区域)下实测的相对密实度数据绘制在图3中，并进行拟合得到相对密实度D_r和孔径d的关系式(2)。本发明通过关系式(2)由拟试验砂土地基模型的相对密实度计算出砂孔孔径，采用该孔径的出砂头在落距为80cm～100cm条件下，制得的砂土地基模型的相对密实度与拟试验的砂土地基模型相对密实度误差小、准确度高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、申请人发现：在落距为80cm～100cm条件下，砂雨法制备的砂土地基模型相对密实度几乎不受落距的影响，只与孔径有关。并通过试验推导得出，在落距为80cm～100cm条件下，出砂孔孔径d(mm)与相对密实度的关系为：d＝22.41-0.25D_r，二者呈线性关系。通过采用相对密实度和出砂孔孔径的线性关系替代相对密实度和落距的非线性关系，避免了现有技术，尤其落距在80cm以下撒砂制样时，强非线性区间拟合计算得出的落距误差大的缺陷。试验表明，采用本发明方法制备的砂土地基模型的相对密实度与设定的相对密实度更接近，绝对误差由现有砂雨法的-8.61％减小至2.40％。

二、不同出砂孔孔径下，相对密实度和落距之间均为双曲线函数关系，在落距大于80cm后，落距的变化几乎不会影响相对密实度。采用本发明方法制备砂土地基模型时，落距只需控制在80cm～100cm的范围内，砂土地基模型相对密实度的准确度即可得到保证。通过将落距控制在一个范围而不是一固定值，避免了现有技术中落距不易精确控制的缺陷，尤其是在制备相对密实度较小的砂土地基模型时，落距对相对密实度的显著影响。

用本发明制得的砂土地基模型进行试验得出的数据可靠性好，能为在砂土地基上修建工程结构物时的设计和施工提供更可靠的试验数据，更好的保证工程结构物的安全。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明方法使用的出砂头底板的示意图；

图2是不同出砂孔孔径下，砂雨法制备的砂土地基模型的相对密实度和落距之间的多条关系曲线；

图3是本发明方法的相对密实度和出砂孔孔径的关系曲线。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式为，一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法，其操作步骤为：

A、出砂孔孔径的确定：根据拟制备砂土地基模型的相对密实度D_r，计算出砂头的出砂孔孔径d(mm)，d＝22.41-0.25D_r；

B、出砂头的开孔：在出砂头的底部开设孔径为A步确定的出砂孔孔径d的出砂孔；

C、模型的制备：将B步制得的出砂头的顶部通过软管与砂桶连通，在80cm～100cm的落距条件下，通过出砂头的出砂孔向其正下方的模型箱滴漏撒砂，至模型箱内的砂样达到设定的厚度即可。

试验验证

1)使用相同的砂土材料，采用现有砂雨法和本发明的方法分别制备目标(设定)相对密实度为55％的砂土地基模型，模型制备完成后测定砂土地基模型的相对密实度，并分别与目标相对密实度进行对比，根据绝对误差来比较两种方法的优劣；

2)根据GB/T50123-1999《土工试验方法标准》，通过筛分试验得到的砂土最大粒径为0.5mm，0.25mm～0.5mm的砂粒含量约0.18％，0.075mm～0.25mm的砂粒含量约99.02％，0.075mm以下的砂粒含量约0.8％，不均匀系数C_u为2.0，曲率系数C_c为1.0；最大干密度ρ_dmax为1.633g/cm³，最小干密度ρ_dmin为1.337g/cm³，天然含水率w为0.109％，砂粒比重G_s为2.633；

3)使用孔径d＝4mm的出砂头，采用现有砂雨法制备目标相对密实度为55％的砂土地基模型，根据图2中拟合得到的函数关系式D_r＝82.20h/(10.21+h)，计算得落距为13.6cm；在落距为13.6cm的条件下采用砂雨法制备砂土地基模型，模型制备完成后测得的相对密实度为46.39％，与目标相对密实度55％的绝对误差为-8.61％；

4)根据砂土地基模型的目标相对密实度55％，用本发明的公式d＝22.41-0.25D_r计算得出砂孔孔径为8.7mm，在落距为80cm～100cm的条件下，撒砂制备砂土地基模型，模型制备完成后测得的相对密实度为57.40％，与目标相对密实度55％的绝对误差为2.40％。

Claims (1)

1.一种砂土地基模型试验中的砂土地基模型的制备方法，其操作步骤为：

A、出砂孔孔径的确定：根据拟制备砂土地基模型的相对密实度D_r，计算出砂头的出砂孔孔径d(mm)，d＝22.41-0.25D_r；

B、出砂头的开孔：在出砂头的底部开设孔径为A步确定的出砂孔孔径d的出砂孔；

C、模型的制备：将B步制得的出砂头的顶部通过软管与砂桶连通，在80cm～100cm的落距条件下，通过出砂头的出砂孔向其正下方的模型箱滴漏撒砂，至模型箱内的砂样达到设定的厚度即可。