CN106442051A

CN106442051A - 一种人工制备结构性土的方法

Info

Publication number: CN106442051A
Application number: CN201610843916.2A
Authority: CN
Inventors: 王东星; 邹维列
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-02-22

Abstract

本发明提供一种结构性土试样制备方法，具体涉及一种利用化学胶结作用和逐级加载预压技术相结合的人工制备结构性土试样的方法。本发明按照设计的详细制样步骤，通过调节固化材料类型和含量，合理控制人工制备土试样的结构性，以模拟具有不同结构强度水平的天然结构性土。本发明具有可批量制备试样、试样均匀性好、有效避免现场取样扰动等优点，可为天然结构性土的物理力学特性研究提供较大方便。

Description

一种人工制备结构性土的方法

技术领域

本发明涉及一种结构性土试样制备方法，具体涉及一种利用化学胶结作用和预压技术相结合的人工制备结构性土试样的方法。

背景技术

天然状态下粘性土通常都具有一定的结构性，当这种结构强度受到扰动破坏后，土体力学性质会明显劣化;在对原状土取样的过程中，对原状土样的扰动是不可避免的。在实际工程中，要从现场取得大批量具备同样力学性质的未扰动结构性土是极其困难的；因此，取土扰动对粘性土结构性影响是困扰广大岩土工作者问题之一；探索简单有效的人工制备结构性土试样技术，如何最大程度地避免人为扰动对土样结构性的影响，对于室内试验过程中深入研究结构性土体的力学性质至关重要。

对于高含水率吹填土地基，采用化学固化剂加固处理后的地基土体存在搅拌效果差、固化剂分布不均等缺点，往往导致现场获取的加固后试样品质差异大、均匀性不一；如何制备均匀性优良、重复性较好的加固土体试样，是正确认识高含水率吹填土物理力学性质的重要保证。

需要指出的是，固化土具有类似于结构性土的压缩特性和力学行为，故可称之为“人工结构性土”，具有“类超固结”行为；利用固化土的这种属性，可制备人工结构性土试样，以期替代天然结构性土，最大程度地避免原状样取样扰动且还原结构性土的物理力学行为。

发明内容

本发明的目的旨在提供简单可靠、行之有效、性能卓越的一种室内人工制备结构性土试样的方法，有效解决现场取样的结构强度扰动难题，能够批量制备重复性良好、均匀性一致的高质量试样。

本发明充分通过对原料粘性土中掺人一定的化学固化剂，比如水泥、石灰、粉煤灰等单掺或复合固化剂，采用逐级预压加载手段，通过人工设定化学胶结作用形成大孔隙组构，从而实现模拟天然粘性土的结构性。

为实现上述目的，本发明提供一种人工制备结构性土试样制备方法，用以克服上述技术缺陷，该过程为：

一种人工制备结构性土的方法, 采用化学胶结作用和逐级加载预压技术相结合的方法制备结构性土;其步骤如下: (1) 取高含水率粘性土式样，通过添加去离子水,调节使试样含水率使之达到1.5倍的液限值；

(2) 向上步所得1.5倍液限值的试样中加入设计量的固化剂，搅拌至完全混合均匀后振动30秒以振动密实并排出气泡；

(3) 以1kPa为初始值，之后以5kPa荷载增量逐级施加预压荷载使上步所得试样成型；所述每级荷载作用24小时，加载直至总加载量达到56kPa；

(4) 将上步所得成型后的式样按荷载施加的相反顺序进行逐级卸载，切除卸载后试样的两端，即得结构性土试样。

所述固化剂为水泥、石灰、粉煤灰的单掺或复合固化剂。

与现有击实法制样技术相比，本发明的优点在于：充分利用固化剂的化学胶结作用和预压固结技术，通过水化、硬化和激发等化学反应过程形成大孔隙结构，从而逐渐形成人工结构性土;本发明可用于高含水率淤泥和高含水率软弱地基土的结构性土试样制备，能保证试样质量和一致性更加良好，可一次性同时制备大批量试样，且可有效制备具有不同结构强度水平的结构性土试样。

附图说明

图1为配合本发明方法实施的装置结构示意图。

具体实施方式

(1) 调节高含水率粘性土的含水状态，配制试样含水率使之达到1.5倍的液限值：利用机械搅拌器均匀搅拌高含水率粘土，搅拌时间10分钟后测定试验初始含水率；若含水率偏低，需要加一定量去离子水，使最终含水率达到1.5倍的液限值；该步骤的主要目的是使粘性土试样保持较好的流动性，更有利于向预压制样装置圆柱筒内顺利倾倒流动态的试样。

(2) 加适量固化剂并搅拌均匀：根据需要结构性强度水平，选定合适的固化剂掺量，分批次添加至搅动的高含水率土试样中(1.5倍液限)，搅拌5分钟至试样完全均匀，之后分批次迅速倾倒试样至指定圆柱预压制样筒内。

(3) 倾倒流动态试样并振动排气密实：对于配制至预定含水率的流动试样，预先计算设定土体干重的湿土样质量，倾倒至圆柱预压制样筒内，在振动台上振动30秒以振动密实并排出气泡，直至试样达到预定高度。

(4) 安装振动密实后试样至预压排水装置，并安装竖向位移传感器：将圆柱制样筒和上端传力装置放入基座固定装置中，之后在传力装置顶端位置，可布置竖向位移传感器，以监测预压过程中试样高度变化。

(5) 逐级施加预压荷载使试样成型：端部传力装置重量等效为1kPa，在该压力和自重作用下固结24小时，之后以5kPa荷载增量逐级施加，每级荷载作用24小时，加载11级直至总加载量达到56kPa，即逐级加荷之后的荷载水平增加过程为：1kPa、6kPa、11kPa、16kPa、21kPa、26kPa、31kPa、36kPa、41kPa、46kPa、51kPa和56kPa。至此，随着化学胶结和预压耦合作用，固化剂加固试样可完全自主成型，并且试样具有一定的人工结构性。

(6) 逐级缓慢卸载并制备满足室内试验规格的试样：按荷载施加的相反顺序进行逐级卸载，切除脱模试样的两端以消除含水量差异对试验结果的影响，制备满足室内一维竖向压缩试验规格要求的试样。

(7) 测定结构强度水平并建立结构性强度与固化剂掺量之间数学关系式，通过数据拟合可计算特定结构强度对应固化剂掺量，批量制备满足特定结构强度水平的高质量结构性土试样。

如图1所述，本发明中配合本发明方法实施的装置结构，包括制样装置、固定装置、加压装置和数据采集监测装置，所述的制样装置为一个空心的圆柱制样筒8；所述的固定装置包括上固定板6和下固定板9两块固定板，所述的上下固定板四周通过若干螺纹钢套杆B7连接固定，所述的上下固定板中间对应开设有与圆柱制样筒8外径相同的圆孔，用于嵌套固定圆柱制样筒8；所述的加压装置包括集水筒5、铺设在集水筒5上部的方形加载盘4和螺纹钢套杆A3，所述的螺纹钢套杆A3通过螺母B11与方形加载盘4上端连接固定；所述的数据采集监测装置包括位于螺纹钢套杆A3上端的位移传感器1，和通过数据线与位移传感器1连接的数据监测仪12。所述的螺纹钢套杆A3上端设有护帽2，所述护帽2顶端水平，内部通过螺纹与螺纹钢套杆A3顶部连接，护帽2顶部位于位移传感器1正下方，以监测预压过程中试样沉降位移随时间变化过程。所述的集水筒5外径与圆柱试样筒8内径尺寸一致，所述的集水筒5上端开口，下端封闭，筒底开设有若干细小的排水孔，所述的集水筒5底部铺设有滤水石和滤纸，使得试样筒内的淤泥在预压载荷作用下排出的水收集到集水筒5内。所述的上固定板6和下固定板9四周通过四根螺纹钢套杆B7连接固定，所述的螺纹钢套杆B7均通过螺母A10与上下固定板旋合连接。所述的上固定板6一侧连接有固定杆14，所述的固定杆14上端连接有一塑料连接板13，所述的连接板13上开设有与位移传感器1周向尺寸一致的孔，供位移传感器1卡合于连接板13上，所述开孔位置与护帽2的位置上下对应，连接板13限制了位移传感器1的移动，并将位移传感器1定位于护帽2上部，进而采集圆柱制样筒8内的试样的高度变化，得到淤泥试样的排水量。所述的圆柱制样筒8筒体内径根据试验标准试样尺寸而定。所述的圆柱制样筒8、上固定板6、下固定板9和方形加载盘4均采用轻质光滑有机玻璃材质制成。

必须指出的是，可同时准备数个预压固结制样装置，便于开展大批量相同质量结构性试样的制备。

下面结合附图，对本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案的有效方式做进一步说明：

采用机械搅拌均匀后的高含水率疏浚淤泥，淤泥初始含水率为90.9%，液限为76.1%，搅拌后立刻取2kg高含水率淤泥，经计算后添加指定量的去离子水，使初始含水率达到1.5倍液限值，即114.2%，之后将试样分成3批即每批0.6kg，以便分别与特定含量的固化剂进行混合均匀搅拌。

实施例1

利用小型搅拌器，机械搅拌均匀高含水率疏浚淤泥0.6kg，选取1%石灰（相对淤泥干重）与淤泥进行均匀搅拌，持续搅拌5分钟后可认为完全混合均匀。石灰混合淤泥后试样装入如图1所示的特制预压固结制样装置，安装完毕后按上述设定荷载水平逐级施加荷载，经12天逐级预压排水后，卸载、脱模并切削成高20mm、直径61.8mm的一维固结试验试样。

固结试验中荷载水平分别为12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并监测相应荷载下的位移，经计算后可绘制孔隙比-固结压力曲线，采用Butterfield方法确定该试样结构屈服应力为41.2kPa。该方法制备的人工结构性土可模拟结构屈服应力约40kPa的天然结构性土。

实施例2

利用小型搅拌器，机械搅拌均匀高含水率疏浚淤泥0.6kg，选取3%石灰（相对淤泥干重）与淤泥进行均匀搅拌，持续搅拌5分钟后可认为完全混合均匀。石灰混合淤泥后试样装入如图1所示的特制预压固结制样装置，安装完毕后按上述设定荷载水平逐级施加荷载，经12天逐级预压排水后，卸载、脱模并切削成高20mm、直径61.8mm的一维固结试验试样。

固结试验中荷载水平分别为12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并监测相应荷载下的位移，经计算后可绘制孔隙比-固结压力曲线，采用Butterfield方法确定该试样结构屈服应力为56.5kPa。该方法制备的人工结构性土可模拟结构屈服应力约60kPa的天然结构性土。

实施例3

利用小型搅拌器，机械搅拌均匀高含水率疏浚淤泥0.6kg，选取6%石灰（相对淤泥干重）与淤泥进行均匀搅拌，持续搅拌5分钟后可认为完全混合均匀。石灰混合淤泥后试样装入如图1所示的特制预压固结制样装置，安装完毕后按上述设定荷载水平逐级施加荷载，经12天逐级预压排水后，卸载、脱模并切削成高20mm、直径61.8mm的一维固结试验试样。

固结试验中荷载水平分别为12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并监测相应荷载下的位移，经计算后可绘制孔隙比-固结压力曲线，采用Butterfield方法确定该试样结构屈服应力为68.3kPa。该方法制备的人工结构性土可模拟结构屈服应力70kPa的天然结构性土。

实施例4

利用小型搅拌器，机械搅拌均匀高含水率疏浚淤泥0.6kg，选取9%石灰（相对淤泥干重）与淤泥进行均匀搅拌，持续搅拌5分钟后可认为完全混合均匀。石灰混合淤泥后试样装入如图1所示的特制预压固结制样装置，安装完毕后按上述设定荷载水平逐级施加荷载，经12天逐级预压排水后，卸载、脱模并切削成高20mm、直径61.8mm的一维固结试验试样。

固结试验中荷载水平分别为12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并监测相应荷载下的位移，经计算后可绘制孔隙比-固结压力曲线，采用Butterfield方法确定该试样结构屈服应力为77.9kPa。该方法制备的人工结构性土可模拟结构屈服应力80kPa的天然结构性土。

在预压荷载作用下，高含水率淤泥压缩性理论上可被认为全部由于孔隙体积减少而引起的。对于饱和淤泥试样，水由于其流动特性而在外力作用下沿着孔隙排出，从而引起淤泥体积减少而发生压缩。制样时由于刚性环所限，试样在竖向预压荷载作用下只能产生竖向压缩变形，而不可能产生侧向变形。因此，淤泥竖向压缩变形量与圆柱筒内侧横断面积之乘积，可被认为是预压荷载作用下排出的水量，从而结合试样初始含水率计算不同预加载时刻对应的淤泥含水量。

本发明以石灰添加剂为例，采用石灰固化土模拟不同结构强度水平的天然结构性土，若采用水泥、粉煤灰和矿渣粉等固化材料，或采用其它不同于1~56kPa逐级预压荷载，结合化学胶结和设计预压手段制备具有不同程度的结构性试样，以模拟天然结构性土的结构性和结构强度水平，均属于本发明专利保护范围。

尽管本说明书较多地使用了 1-位移传感器、2-护帽、3-螺纹钢套杆A、4-方形加载盘、5-集水筒、6-上固定板、7-螺纹钢套杆B、8-圆柱制样筒、9-下固定板、10-螺母A、11-螺母B、12-数据监测仪、13-连接板、14-固定杆等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种人工制备结构性土的方法,其特征在于: 采用化学胶结作用和逐级加载预压技术相结合的方法制备结构性土;其步骤如下: (1) 取高含水率粘性土式样，通过添加去离子水,调节使试样含水率使之达到1.5倍的液限值；

(4) 将上步所得成型后的式样按荷载施加的相反顺序进行逐级卸载，即得结构性土试样。

2.如权利要求1所述的人工制备结构性土的方法,其特征在于:所述固化剂为水泥、石灰、粉煤灰的单掺或复合固化剂。

3.如权利要求1所述的人工制备结构性土的方法,其特征在于:所述步骤（4）中卸载后试样的两端部分需切除。