CN106053181B - 一种土样的排水固结装置以及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土样的排水固结装置以及制备方法，包括底板组、左侧板、右侧板、前面板组、后面板组、若干底座横杆、上压板组、若干T型施压件组、横向拉杆、纵向拉杆、手动葫芦和拉力传感器。本发明改变了在实验室内针对大尺度土样进行排水固结缺少装置的状况；与传统的土样排水固结方式相比，上述制备装置操作过程简易，结构简单，拆卸搬运轻松；排水固结的施压方式轻易简单，压力可调且可调性较大，无需消耗电能；能够及时获知所施加压力的大小。

Description

一种土样的排水固结装置以及制备方法

技术领域

本发明涉及一种土样的排水固结装置以及制备方法，属于试验装置领域。

背景技术

随着疏浚行业的技术发展，对水、机、土之间相互作用的研究愈发深入。疏浚施工存在许多涉土过程，如射流破土、绞刀耙头切削等，其面临的问题都非常复杂，往往需要通过室内的大尺度实验进行研究，为防止研究结果的偶然性，需进行重复性实验，同时为获得规律性结果，需提供单一的土质条件，这对制备性质均匀的大尺度土样提出了要求。而且，土样制备是研究土体性质过程中的首要环节，土样制备的优劣对研究结果影响较大。但是，土质条件受诸多因素影响，大尺度均匀土样的制备成为难点，尤其是对于研究价值较大的高强度土而言，还需提供较高载荷进行固结排水才能在可控时间内实现制备。

目前应用较成熟的排水固结方式有：水箱围压固结、堆载预压和真空预压等，其装置和方法在制备大尺度、高强度均匀土样的制备时，存在如下问题：（1）大多针对小尺寸土样，尺度增加后如果简单地等比例缩放，调匀、击实等操作均不便于操作，甚至根本无法实现预期目标，如通过水箱围压方式固结，大尺度水箱的加压密封装置极其庞大而复杂；（2）堆载预压通过配重的方式进行加载，对于大尺度土样而言，受载面积增加而需较大配重，不仅搬运不便，操作繁重，而且配重所占空间极大而不易实现，或堆载过高而存在安全隐患。（3）真空预压最大可利用载荷为大气压强，压力有限，制备高强度土样耗时过长，且能耗过大。

发明内容

目的：针对目前排水固结方法不适合大尺度土样的问题，本发明提出一种土样的排水固结装置以及制备方法，利用手动葫芦对土样进行施加载荷，加载及调节方便，便于实现重载施压，结构简单、操作简便、无耗能。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种土样的排水固结装置，包括底板组、左侧板、右侧板、前面板组、后面板组、若干底座横杆、上压板组、若干T型施压件组、横向拉杆、纵向拉杆、手动葫芦和拉力传感器，所述底座横杆设置在底板组下方，所述左侧板和右侧板分别通过螺栓安装于底板组的左右两侧，所述前面板组和后面板组分别通过螺栓安装于底板组的前后方，所述上压板组压在土料之上，且与底板组，左、右侧板，前、后面板组形成一个矩形空间，所述T型施压件组包括支撑件和加压件，且两者成T字形组合，所述支撑件通过螺栓固定于上压板组之上，所述 T型施压件组的位置与底座横杆上下对应，所述加压件两端各设有一个吊环，且每个吊环上各挂一个手动葫芦，所述手动葫芦的下吊钩与拉力传感器的一端连接，底座横杆两端与T型施压件组对应位置各设有一个吊环，所述拉力传感器的另一端与底座横杆上的吊环连接，所述横向拉杆设置在前面板组与后面板组之间，用于固定前面板组与后面板组之间的距离；所述纵向拉杆设置在左侧板和右侧板之间，用于固定左侧板和右侧板组之间的距离。

优选地，所述底板组由中间具有间隙的第一底板和第二底板拼接而成。

优选地，所述前面板组由前上固定面板和前下固定面板组成，所述后面板组由后上固定面板和后下固定面板组合而成。

优选地，所述上压板组由中间设有间隙的第一上压板和第二上压板组成。

优选地，所述左、右侧板均设有插槽。

优选地，所述底板组、左、右侧板和前、后面板组的面板上均开有Φ6mm间隔20mm的密集通孔。

一种土样制备方法，采用一种土样的排水固结装置进行土样制备，具体步骤如下：

1）土料准备

1a）测定取土的基本性质，主要包括：含水率、粒级分布、颗粒比重、液塑限、最优含水率和最大干密度；

1b）根据所需土粒质量备取一定质量的土料，考虑测量误差以及制备时土料的浪费，所取土量应当比理论计算值多30%；

1c）将步骤1b）中所取得土料晒干，去除其中杂物，干燥后用平板振动器碾碎，再将碾碎土粒过2mm筛，取筛下土粒密封保存，并测定其含水率；

2）准备制备装置

2a）安装制备装置，先将底座横杆均匀布置在平地上，放上底板组，安装前、后面板组时，先将下固定面板用螺栓紧固在底板上，再紧固上固定面板，然后将左、右侧板的插槽沿前、后面板组两侧插入，最后用螺栓固定四周面板与底板组，从而形成上方开口的箱体空间；

2b）铺设砂垫层，在箱体内铺设粗砂和细砂两层砂垫，粗砂在下，细砂在上，厚度根据所需透水量和土样尺度而定；

2c）在细砂层之上以及箱体四面内壁铺设一层土工布，并在四周预留比箱体宽度长10%的土工布，再在土工布内侧铺设相同面积的200目不锈钢网；

3）拌合土料

3a）根据比土体液限高出10～20%的含水率，称量一定质量的水，倒入搅拌机内筒；

3b）开动搅拌机，称量一定质量的干土料，缓慢、均匀地逐渐投放与搅拌机内，与水充分搅拌，待其均匀后再搅拌15分钟，停止搅拌；

3c）取出搅拌好的粘土料，置于密封塑料桶内静置一昼夜，以确保水与土粒拌合充分；

4）装填施压

4a）将拌合好的土料，分层填入步骤2）准备好的箱体内，相邻两层的结合面需进行刨毛处理，每层厚度不超过100mm；

4b）将步骤2c）中预留的不锈钢网和土工布依次覆盖在土样上面，然后在土工布上铺设一定厚度砂垫层，压上上压板组，将T型施压件组通过螺栓安装在上压板组之上，其位置与底座横杆相对应；

4c）将手动葫芦上端挂在T型施压件组的加压件吊环上，手动葫芦下端吊钩连接拉力传感器，拉力传感器的下端与底座横杆的吊环连接；

4d）布置百分表，为观测土样的固结沉降量，在各T型施压件组处通过磁性表座安装百分表；

4e）收紧手动葫芦至所需拉力，等待固结排水，实时记录手动葫芦拉力和土样沉降量，拉力减小超过10%，需继续收紧至所需拉力。

有益效果：本发明提供了一种土样的排水固结装置以及制备方法，改变了缺失在实验室内进行大尺度土样排水固结装置的状况；与传统的土样排水固结方式相比，上述制备装置操作过程简易，结构简单，拆卸搬运轻松；排水固结的施压方式轻易简单，压力可调且可调性较大，无需消耗电能等优点；能够及时知道所施加压力的大小。

附图说明

图1为本发明制备装置结构示意图；

图2为本发明制备装置侧面剖视图；

图3为本发明制备装置俯视图；

图4为本发明制备装置正视图；

图5为本发明制备装置左、右侧板三维图。

图中：1-1-第一底板、1-2-第二底板、2-左侧板、3-右侧板、4-1-前上固定面板、4-2-前下固定面板、5-1-后上固定面板、5-2-后下固定面板、6-底座横杆、7-1-第一上压板、7-2-第二上压板、8-T型施压件组、8-1-支撑件、8-2-加压件、9-横向拉杆、10-纵向拉杆、11-手动葫芦、12-拉力传感器、13-插槽。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1-5所示，一种土样的排水固结装置，包括底板组、左侧板2、右侧板3、前面板组、后面板组、若干底座横杆6、上压板组、若干T型施压件组8、横向拉杆9、纵向拉杆10、手动葫芦11和拉力传感器12，所述底座横杆6设置在底板组下方，所述左侧板2和右侧板3分别通过螺栓安装于底板组的左右两侧，所述前面板组和后面板组分别通过螺栓安装于底板组的前后方，所述上压板组压在土料之上，且与底板组，左、右侧板，前、后面板组形成一个矩形空间，所述T型施压件组8包括支撑件8-1和加压件8-2，且两者成T字形组合，所述支撑件8-1通过螺栓固定于上压板组之上，所述 T型施压件组8的位置与底座横杆6上下对应，所述加压件8-2两端各设有一个吊环，且每个吊环上各挂一个手动葫芦11，所述手动葫芦的下吊钩与拉力传感器12的一端连接，底座横杆6两端与T型施压件组8对应位置各设有一个吊环，所述拉力传感器12的另一端与底座横杆6上的吊环连接，所述横向拉杆9设置在前面板组与后面板组之间，用于固定前面板组与后面板组之间的距离；所述纵向拉杆10设置在左侧板和右侧板之间，用于固定左侧板和右侧板组之间的距离。

优选地，所述底板组由中间具有间隙的第一底板1-1和第二底板1-2拼接而成。

优选地，所述前面板组由前上固定面板4-1和前下固定面板4-2组成，所述后面板组由后上固定面板5-1和后下固定面板5-2组合而成。

优选地，所述上压板组由中间设有间隙的第一上压板7-1和第二上压板7-2组成。

优选地，所述左、右侧板2、3均设有插槽13。

优选地，所述底板组、左、右侧板和前、后面板组的面板上均开有Φ6mm间隔20mm的密集通孔。

一种土样制备方法，采用所述的一种土样的排水固结装置进行土样制备，具体步骤如下：

1）土料准备：

1a）测定取土的基本性质，主要包括：含水率、粒级分布、颗粒比重、液塑限、最优含水率和最大干密度；

1b）根据所需土粒质量备取一定质量的土料，考虑测量误差以及制备时土料的浪费，所取土量应当比理论计算值多30%；

1c）将步骤1b）中所取得土料晒干，去除其中杂物，干燥后用平板振动器碾碎，再将碾碎土粒过2mm筛，取筛下土粒密封保存，并测定其含水率；

2）准备制备装置

2a）安装制备装置，安装制备装置，先将底座横杆6均匀布置在平地上，放上底板组，安装前、后面板组时，先将下固定面板（即前下固定面板4-2和后下固定面板5-2）用螺栓紧固在底板组上，再紧固上固定面板（即前上固定面板4-1和后上固定面板5-1），然后将左、右侧板的插槽13沿前、后面板组两侧插入，最后用螺栓固定四周面板与底板组，其中各个螺栓固定处都垫有一定厚度的铁片，使前、后、左、右面板与底板组之间有一定的空隙，从而形成上方开口的箱体空间；

2b）铺设砂垫层，在箱体内铺设粗砂和细砂两层砂垫，粗砂在下，细砂在上，厚度根据所需透水量和土样尺度而定；

2c）在细砂层之上以及箱体四面内壁铺设一层土工布，并在四周预留比箱体宽度长10%的土工布，再在土工布内侧铺设200目的不锈钢网；

3）拌合土料

3a）根据比土体液限高出10～20%的含水率，称量一定质量的水，倒入搅拌机内筒，注意需对搅拌机进行适当密封措施，防止漏水；

3b）开动搅拌机，称量一定质量的干土料，缓慢、均匀地逐渐投放与搅拌机内，与水充分搅拌，待其均匀后再搅拌15分钟，停止搅拌，若土量过大，超过搅拌机内筒体积的1/3，可分几次进行搅拌，然后将每次的搅拌土料在依次取出形同质量进行搅拌，以确保搅拌均匀；

3c）取出搅拌好的粘土料，置于密封塑料桶内静置一昼夜，以确保水与土粒拌合充分；

4）装填施压

4a）将拌合好的土料，分层填入步骤2）准备好的箱体内，每层厚度不超过100mm，各层装入后采用平板抹平，借助激光水平仪，调整各层高度，注意尽量减少土层内气泡，装入上层前，需在下层表面进行刮毛处理，以减小分层的影响；

4b）将不锈钢网和土工布包裹住整个土样上面，然后在其上铺设一定厚度砂垫层，压上上压板组，将T型施压件组8通过螺栓安装在上压板组之上，其位置与底座横杆相对应；

4c）将手动葫芦11上端挂在T型施压件组8的加压件8-2吊环上，手动葫芦11下端吊钩连接拉力传感器12，拉力传感器12的下端与底座横杆6的吊环连接，依据实验需要安装的手动葫芦11在六个以上；

4d）布置百分表，为观测土样的固结沉降量，在各T型施压件组8处通过磁性表座安装百分表；

4e）收紧手动葫芦11，等待固结排水，此时注意观察各拉力传感器读数和沉降量，实时记录手动葫芦拉力和土样沉降量，拉力减小超过10%，需继续收紧至所需拉力。

本发明为土样相关的物理实验模型提供了一种粘土排水固结的装置。将原状土通过干燥、研磨、筛分、搅拌、排水固结，得到实验所需要的具有一定强度的土样。

本发明的机械结构利于手动葫芦进行施加排水固结的压力，极大地缩小了操作空间，并且施加压力可控，通过拉力传感器可以实时了解压力的大小。

为了解决传统制作方式太过繁重，设计了新的机械结构，轻巧、简单易拆卸，依据实验对土样模型的大小，机械结构体可以相应的改变。

为了充分地进行排水固结，在装置四周的面板上钻有密集的孔，利于挤压出来的水流走；为了防止挤压土样时将粘土挤出，在土样和装置之间隔着一层土工布和不锈钢网，排水固结时能够很好的隔离开粘土。

本发明的机械结构利于手动葫芦进行施加排水固结的压力，极大地缩小了操作空间，并且施加压力可控，通过拉力传感器可以实时了解压力的大小。为了解决传统制作方式太过繁重，设计了新的机械结构，轻巧、简单易拆卸，依据实验对土样模型的大小，机械结构体可以相应的改变；为了充分地进行排水固结，在装置四周的面板上钻有密集的孔，利于挤压出来的水流走；为了防止挤压土样时将粘土挤出，在土样和装置之间隔着一层土工布和不锈钢网，排水固结时能够很好的隔离开粘土。

本发明中所述的地板组、左侧板、右侧板、前面板组、后面板组、上压板组的厚度可依据实际所需压实土样强度改变；底座横杆、T型施压件组、横向拉杆、纵向拉杆以及受拉葫芦、拉力传感器的个数可依据所需施压大小改变。

本发明中所述的拉力传感器与计算机相连，使手动葫芦拉力的可通过拉力传感器实时读出，所述百分表、搅拌机、土工布、不锈钢网等辅助仪器均为常规技术手段，故不作详述。本发明中，底座横杆和手动葫芦数量根据箱体长度可增减。

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 (7)

1.一种土样的排水固结装置，其特征在于，包括底板组、左侧板、右侧板、前面板组、后面板组、若干底座横杆、上压板组、若干T型施压件组、横向拉杆、纵向拉杆、手动葫芦和拉力传感器，所述底座横杆设置在底板组下方，所述左侧板和右侧板分别通过螺栓安装于底板组的左右两侧，所述前面板组和后面板组分别通过螺栓安装于底板组的前后方，所述上压板组压在土料之上，且与底板组，左、右侧板，前、后面板组形成一个矩形空间，所述T型施压件组包括支撑件和加压件，且两者成T字形组合，所述支撑件通过螺栓固定于上压板组之上，所述 T型施压件组的位置与底座横杆上下对应，所述加压件两端各设有一个吊环，且每个吊环上各挂一个手动葫芦，所述手动葫芦的下吊钩与拉力传感器的一端连接，底座横杆两端与T型施压件组对应位置各设有一个吊环，所述拉力传感器的另一端与底座横杆上的吊环连接，所述横向拉杆设置在前面板组与后面板组之间，用于固定前面板组与后面板组之间的距离；所述纵向拉杆设置在左侧板和右侧板之间，用于固定左侧板和右侧板组之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种土样的排水固结装置，其特征在于：所述底板组由中间具有间隙的第一底板和第二底板拼接而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种土样的排水固结装置，其特征在于：所述前面板组由前上固定面板和前下固定面板组成，所述后面板组由后上固定面板和后下固定面板组合而成。

4.根据权利要求3所述的一种土样的排水固结装置，其特征在于：所述上压板组由中间设有间隙的第一上压板和第二上压板组成。

5.根据权利要求1所述的一种土样的排水固结装置，其特征在于：所述左、右侧板均设有插槽。

6.根据权利要求2或4所述的一种土样的排水固结装置，其特征在于：所述底板组、左、右侧板和前、后面板组的面板上均开有Φ6mm间隔20mm的密集通孔。

7.一种土样制备方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种土样的排水固结装置进行土样制备，具体步骤如下：

1）土料准备

1a）测定取土的基本性质，主要包括：含水率、粒级分布、颗粒比重、液塑限、最优含水率和最大干密度；

1b）根据所需土粒质量备取一定质量的土料，考虑测量误差以及制备时土料的浪费，所取土量应当比理论计算值多30%；

1c）将步骤1b）中所取得土料晒干，去除其中杂物，干燥后用平板振动器碾碎，再将碾碎土粒过2mm筛，取筛下土粒密封保存，并测定其含水率；

2）准备制备装置

2a）安装制备装置，先将底座横杆均匀布置在平地上，放上底板组，安装前、后面板组时，先将下固定面板用螺栓紧固在底板上，再紧固上固定面板，然后将左、右侧板的插槽沿前、后面板组两侧插入，最后用螺栓固定四周面板与底板组，从而形成上方开口的箱体空间；

2b）铺设砂垫层，在箱体内铺设粗砂和细砂两层砂垫，粗砂在下，细砂在上，厚度根据所需透水量和土样尺度而定；

2c）在细砂层之上以及箱体四面内壁铺设一层土工布，并在四周预留比箱体宽度长10%的土工布，再在土工布内侧铺设相同面积的200目不锈钢网；

3）拌合土料

3a）根据比土体液限高出10～20%的含水率，称量一定质量的水，倒入搅拌机内筒；

3b）开动搅拌机，称量一定质量的干土料，缓慢、均匀地逐渐投放于搅拌机内，与水充分搅拌，待其均匀后再搅拌15分钟，停止搅拌；

3c）取出搅拌好的粘土料，置于密封塑料桶内静置一昼夜，以确保水与土粒拌合充分；

4）装填施压

4a）将拌合好的土料，分层填入步骤2）准备好的箱体内，相邻两层的结合面需进行刨毛处理，每层厚度不超过100mm；

4b）将步骤2c）中预留的不锈钢网和土工布依次覆盖在土样上面，然后在土工布上铺设一定厚度砂垫层，压上上压板组，将T型施压件组通过螺栓安装在上压板组之上，其位置与底座横杆相对应；

4c）将手动葫芦上端挂在T型施压件组的加压件吊环上，手动葫芦下端吊钩连接拉力传感器，拉力传感器的下端与底座横杆的吊环连接；

4d）布置百分表，为观测土样的固结沉降量，在各T型施压件组处通过磁性表座安装百分表；

4e）收紧手动葫芦至所需拉力，等待固结排水，实时记录手动葫芦拉力和土样沉降量，拉力减小超过10%，需继续收紧至所需拉力。