CN106680022B - 一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样装置，包括取样内筒和实验外筒；取样内筒包括一端设有刃口的分离式筒片以及装样网筒；在分离式筒片中部位置的内壁设有用于放置装样网筒的凹槽；装样网筒通过凹槽嵌在分离式筒片内壁上；实验外筒套装在装样网筒外，在实验外筒底部与侧壁夹角位置设有槽座，在槽座上设有与装样网筒的网筒端部紧密相连的凹槽；实验外筒与装样网筒之间设有用于浇蜡侧封的蜡液充填空间。本发明从现场取样入手，避免了土样从现场到运输及室内再处理时对样品的二次扰动，最大程度上确保了土样的原状结构。本发明将取样和后期侧封两个过程巧妙地独立开来，使侧壁密封过程有足够的独立空间开展，保证了其密封效果。
Description
技术领域
本发明涉及原状粗粒土渗透实验，具体涉及一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样装置及方法。
背景技术
利用筒状取样器获取原状土进行室内渗透实验是土体渗透特性研究、描述场地土体渗透特性的最为普遍的一种试验手段，在科研和工程中广泛应用。但针对野外某些胶结程度低、结构易松散破环的原状粗粒土而言，常规实验装置和手段存在两大难题：1、土体结构易松散破坏，难以保持土体的原状性；2、土颗粒的大小不一，使得土样与跟套筒壁之间留有较大孔径的渗漏通道，导致实验水流经过样品截面时总沿着该优势通道而非完全在土样内部通过，从而影响实验精度。以上两者使得常规方法的室内实验难以客观反映该类原状粗颗粒土的渗透特性。
为解决上述问题，以往实验人员提出用凡士林、油泥等油性材料涂于套筒内壁进行全段土样的侧壁密封，或利用花管针头插入土样与筒壁之间注射环氧树脂进行密封。其中，利用凡士林等涂抹的方法难以保证密封效果，有很大的偶然性；而利用花管针头进行侧封虽然能保证密封效果，但操作过程中会很大程度上破化土样的原状结构。以上方法均不能有效的解决问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对易松散的原状粗土室内渗透实验过程中原状结构易破坏，及粗粒土与套筒侧壁之间的空隙所引起的侧壁渗流导致数据偏差，实验结果难以客观的反映易松散的原状粗粒土的渗透特性的问题。本发明提供一种针对易松散的原状粗粒土渗透实验的原位取样装置及配套(侧壁防渗)制样方法。
技术方案：
一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样装置，包括取样内筒和实验外筒；所述取样内筒包括一端设有刃口的分离式筒片以及装样网筒；所述分离式筒片外壁的上下端设有用于连接所述分离式筒片的固定装置；在所述分离式筒片中部位置的内壁设有用于放置装样网筒的凹槽；所述装样网筒通过所述凹槽嵌在所述分离式筒片内壁上；所述实验外筒套装在所述装样网筒外，在所述实验外筒底部与侧壁夹角位置设有槽座，在所述槽座上设有与所述装样网筒的网筒端部紧密相连的凹槽；所述实验外筒与所述装样网筒之间设有用于浇蜡侧封的蜡液充填空间。
所述固定装置为箍环；在所述分离式筒片外壁上下端分别设有凹槽，所述箍环放置在所述凹槽上以固定连接所述分离式筒片。
所述分离式筒片为两片相互配合的半圆柱面筒片。
所述分离式筒片内壁的凹槽深度与所述装样网筒的厚度一致。
所述装样网筒采用0.5mm厚的具有一定刚度的铁网构成；所述铁网的开孔密度具体视土样颗粒粗细而定。
所述蜡液充填空间的宽度为3-5mm。
所述装样网筒(3)的高度大于其直径的1.5倍。
一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样方法，包括步骤：
A、以取样内筒的筒体有刃口一端接触土体，捶击并使得所述取样内筒入土2-4cm；挖除取样内筒周围与分离式筒片紧密接触的土体，挖去土的范围为离取样内筒外壁约1-2倍内筒直径的范围，挖去土的深度不超过内筒入土深度；
B、重复步骤A，直至土体充满整个取样内筒；
C、沿取样内筒入土的刃口端将土体截断，把土样连同取样内筒取出；分别除去取样内筒上下两端不超过1cm厚的土体，将这部分空间于用蜡液充填至与内筒上下短齐平；
D、将取样内筒分离，取出装样网筒；利用切土刀沿装样网筒上下两个网筒端部小心切削土体，保留装样网筒高度内的土体；
E、将装样网筒连同土样一起放入实验外筒中；装样网筒的一端通过实验外筒的槽座与实验外筒紧密相连；装样网筒与实验外筒之间形成3-5mm的空隙，形成蜡液充填空间；
F、将熔融的蜡液浇注到蜡液充填空间中进行侧封；侧封完之后放入渗透装置用于渗透实验。
所述步骤A中，在取样内筒上方垫一块有一定厚度的木板或钢板以将捶击力均匀传递到内筒上。
所述步骤F中，浇注依据装样网筒高度至少分两次进行；待前一次浇注的蜡液冷凝后，进行下一次浇注，直至与装样网筒上端口齐平，充满整个蜡液充填空间。
有益效果：本发明针对易松散的原状粗粒土渗透实验，解决了常规试验装置及方法难以克服的两大难题：1、土体结构松散易破坏，实验过程难以保证土体的原状性；2、常规手段中，粗粒土与取样套筒侧壁之间的空隙所引起的侧壁渗流导致水流通过该优势通道而非完全在土样内部通过，从而影响实验精度。与现有技术相比，本发明有以下优势特点：1、针对性强，力求从源头上解决问题。本发明从现场原状土的取样入手，避免了土样从现场取完后运输及室内再处理时对样品的二次扰动，最大程度上确保了土样的原状结构。2、侧壁防渗效果显著，实验精度明显提高。常规的筒内壁全实验段涂抹凡士林、油泥等材料进行侧壁密封防的方法，较适用于非原状的重塑土及原状细粒土的渗透实验。对于易松散原状粗粒土而言，取样时的一次性整体操作流程决定了该方法难保证密封材料的密实填充，在密封效果上具有很大的偶然性。而利用花管针头进行侧封虽然能保证密封效果，但操作过程中会很大程度上破化土样的原状结构。本专利借助网筒将取样和后期侧封两个过程巧妙地独立开来，使侧壁密封过程有足够的独立空间开展，保证了其密封效果。3、装置间组合方式巧妙、高效、紧密。本发明利用的可分离的取样内筒、装样网筒、实验外筒三部分之间的配合，将原状土取样和后期侧封两个过程巧妙地独立开来，在保证易松散粗粒土体原状性的基础上又保证了其密封效果。4、独立成体系，易于实现。本发明包括一套取样装置及其配套的方法，配合起来自成体系，对其他依赖性低，实验起来易于操作，可行性强。
附图说明
图1是本发明的取样内筒的整体结构示意图。
图2是本发明的网筒、筒片、箍环组合结构局部示意图。
图3是本发明的实验外筒的结构示意图。
图4是本发明的实验外筒槽座的局部结构示意图。
图5是本发明的渗透试验的结构示意图。
其中，1、取样内筒，1-1、分离式筒片，2、箍环，3、装样网筒，4、分离式筒片壁，5、网筒端部，6、实验外筒，7、蜡液充填空间，8、槽座，9、实验外筒壁，10、渗透装置，11、透水石，12、蜡液，13、土样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明针对易松散的原状粗粒土渗透实验的原位取样装置包括取样内筒1以及实验外筒6。
图1是本发明的取样内筒的整体结构示意图。如图1所示，本发明的取样内筒1包括分离式筒片1-1、装样网筒3以及箍环2。分离式筒片1-1呈半圆柱面，筒壁厚度为1.5mm。箍环2有两个，设于分离式筒片1-1的上下部外圆周位置，在分离式筒片1-1外设有凹槽，用于放置箍环2以组装分离式筒片1-1形成筒体；装样网筒3为有一定刚度的铁网构成，内嵌于分离式筒片1-1中部位置，分离式筒片1-1中部的分离式筒片壁4内部设有用于容纳装样网筒3的凹槽，凹槽深度与装样网筒3的厚度一致，这样装样网筒3的内壁与两片分离式筒片1-1的内壁处于同一平面，如图2所示。两片分离式筒片1-1、装样网筒3以及箍环2装配形成取样内筒1，分离式筒片1-1一端设有刃口，装配形成取样内筒1之后，两片分离式筒片1-1端的刃口形成取样刃口用于取样。
在本发明中，依据土工试验规范中渗透实验的制样标准及岩土工程勘察规范中原状土渗透实验的样品尺寸要求，参考岩石力学室内试验的制样要求，本发明的装样网筒3的高度宜大于其直径的1.5倍。主要原因有二：一方面，较长土样保证了全实验段土样的侧壁密封效果，提高了实验的可靠性，另一方面，渗流路径与入渗面积的比值太小会导致所测结果具有一定的尺寸效应，另外，延长水流在样品中的渗流路径有利于数据的采集，避免一定水头差下，水流速度过大从而提高实验进度。两片分离式筒片1-1在高度上比装样网筒3在两段各长1.5-2cm。留余长度用于样品上下两端野外封蜡及室内土样精加工，保证样品从野外运回实验室过程中土体的原状结构不被破化。
在本发明中，装样网筒3采用0.5mm厚的具有一定刚度的铁网构成，铁网的开孔密度具体视土样颗粒粗细而定，使其既能保证维护土体原状的要求，又能保证浇蜡侧封时蜡与土体相胶的密封要求。
图3是本发明的实验外筒的结构示意图。如图3所示，实验外筒6套装在装样网筒3外，在实验外筒6的下部设有槽座8，槽座8设置在实验外筒6底部与侧壁夹角位置，在槽座8上设有凹槽，与装样网筒的网筒端部5紧密相连；从而在实验外筒6与装样网筒3之间留有蜡液充填空间7以浇蜡侧封，如图4所示。
在本发明中，从生产、加工工艺的简单性和操作的可靠性，本发明中的装样网筒3、实验外筒6均采用圆柱形。实验外筒6壁厚1-1.5mm，高度依据实际采样情况而定，一般不低于5cm，其上端与装样网筒3齐平，下端设一槽座8用于卡放装样网筒3，以保证实验外筒6与装样网筒3紧密相连，防止石蜡液体易流失。实验外筒6和装样网筒3之间的间隙为3-5mm，从而形成蜡液充填空间7用于浇蜡侧封。
待蜡液充填空间7内的蜡液12冷凝后，将填满蜡液的实验外筒6连同装样网筒3及土样一起放入渗透仪内，用于室内渗透试验。
本发明针对易松散的原状粗粒土渗透实验的原位取样方法，结合附图1-5对取样装置的具体使用及实施方法进行详细说明。
A、将装样网筒3、两片分离式筒片1-1以及箍环2组装好，形成取样内筒1，以取样内筒1的筒体有刃口一端接触土体，捶击取样内筒1使取样内筒1入土2-4cm。捶击时，在取样内筒1上方垫一块有一定厚度的木板或钢板以将捶击力均匀传递到内筒上。
B、挖除取样内筒1周围与分离式筒片1-1紧密接触的土体，挖去土的范围为离取样内筒1外壁约1-2倍内筒直径的范围，挖去土的深度不超过内筒入土深度。此目的是为了减少取土时周围土体对筒体的摩擦阻力，及消除箍环接触土体阻碍内筒取土的可能。
C、重复A-B过程，直至土体充满整个取样内筒1。
D、沿取样内筒1入土的刃口端将土体截断，把土样连同取样内筒1一起取出，放于一平板上。
E、分别除去取样内筒1上下两端不超过1cm厚的土体；将这部分空间于野外用蜡液充填至与内筒上下短齐平。此目的是为了减少土样重野外运到实验室过程中的扰动。具体做法是：将放于平板上的取样内筒1的临空一端用切土刀挖去约1cm土样，在现场用熔融的石蜡液体充填该空余部分至与取样内筒端口齐平，待石蜡冷凝后，换另一端进行。
F、将运回实验室的取样内筒取下箍环2，分离筒片1-1，取出装样网筒3。此时，装样网筒3中的土样上下两端均超出装样网筒3约0.5cm。利用切土刀沿装样网筒3上下两个网筒端部5小心切削土体，保留装样网筒3高度内的土体。
G、将装样网筒3连同土样13一起放入实验外筒6中。装样网筒3的一端通过实验外筒6的槽座8与实验外筒6紧密相连，以防止浇蜡时液体流失。装样网筒3与实验外筒6之间形成3-5mm的空隙，形成蜡液充填空间7。
H、将熔融的蜡液浇注到蜡液充填空间7中进行侧封。为防止蜡液由于自重压力而侧向过多侵入土样，缩小过水断面面积。浇注依据网筒高度至少分两次进行。待前一次浇注的蜡液冷凝后，进行下一次浇注，直至与装样网筒3上端口齐平，充满整个蜡液充填空间7。
I、待最后一次浇注的蜡液冷凝后，将实验外筒6连同装样网筒3、土样13整体放入渗透装置10中，即可用于渗透实验。
本发明中所述的蜡液为现有技术做渗透性试验密封堵水用的石蜡溶液，其具体成分本发明不做详细说明。
对比例：为直观展示本发明对室内渗透数据真实性的提高程度，现对同种土质采用不同取样方法制成的相同尺寸试验样品在同等试验条件下所得渗透系数加以对比分析：
实验采用的土样为甘肃北山某断层带中的碎粉样，该样品为粗粒土，且原状结构易松散破坏。表一为该土样采用本发明装置及配套方法与使用常规装置所得的渗透系数实验结果：
表一：
由上表中的实验结果对比发现，采用常规取样方法在相同的实验条件下得到的该碎粉样的渗透系数为10-4-10-5m/s左右，实验结构有较大的离散性，且实验过程中易破坏样品原状结构导致渗透系数更加偏大。而采用本发明所得的样品渗透系数在10-6m/s左右，且数据在量级上稳定，比常规的实验结果减少了近两个量级。以上的实验结果对比分析有利的证明了本发明能有效的解决易松散的原状粗粒土室内渗透实验中常规方法难以克服的两大难题：1、土体结构松散易破坏，实验过程难以保证土体的原状性；2、粗粒土与取样套筒侧壁之间的空隙所引起的侧壁渗流导致水流通过该优势通道而非完全在土样内部通过，从而影响实验精度。提高了实验结果的精度及可靠性。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种针对易松散原状粗粒土渗透实验的取样装置，其特征在于：包括取样内筒(1)和实验外筒(6)；所述取样内筒(1)包括一端设有刃口的分离式筒片(1-1)以及装样网筒(3)；所述分离式筒片(1-1)外壁的上下端设有用于连接所述分离式筒片(1-1)的固定装置；在所述分离式筒片(1-1)中部位置的内壁设有用于放置装样网筒(3)的凹槽；所述装样网筒(3)通过所述凹槽嵌在所述分离式筒片(1-1)内壁上；所述实验外筒(6)套装在所述装样网筒(3)外，在所述实验外筒(6)底部与侧壁夹角位置设有槽座(8)，在所述槽座(8)上设有与所述装样网筒(3)的网筒端部(5)紧密相连的凹槽；所述实验外筒(6)与所述装样网筒(3)之间设有用于浇蜡侧封的蜡液充填空间(7)。
2.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述固定装置为箍环(2)；在所述分离式筒片(1-1)外壁上下端分别设有凹槽，所述箍环(2)放置在所述凹槽上以固定连接所述分离式筒片(1-1)。
3.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述分离式筒片(1-1)为两片相互配合的半圆柱面筒片。
4.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述分离式筒片(1-1)内壁的凹槽深度与所述装样网筒(3)的厚度一致。
5.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述装样网筒(3)采用0.5mm厚的具有一定刚度的铁网构成；所述铁网的开孔密度具体视土样颗粒粗细而定。
6.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述蜡液充填空间(7)的宽度为3-5mm。
7.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于：所述装样网筒(3)的高度大于其直径的1.5倍。
8.一种采用权利要求1所述的取样装置的取样方法，其特征在于：包括步骤：
A、以取样内筒(1)的筒体有刃口一端接触土体，捶击并使得所述取样内筒(1)入土2-4cm；挖除取样内筒(1)周围与分离式筒片(1-1)紧密接触的土体，挖去土的范围为离取样内筒(1)外壁约1-2倍内筒直径的范围，挖去土的深度不超过内筒入土深度；
B、重复步骤A，直至土体充满整个取样内筒(1)；
C、沿取样内筒(1)入土的刃口端将土体截断，把土样连同取样内筒(1)取出；分别除去取样内筒(1)上下两端不超过1cm厚的土体，将这部分空间于用蜡液充填至与内筒上下短齐平；
D、将取样内筒(1)分离，取出装样网筒(3)；利用切土刀沿装样网筒(3)上下两个网筒端部小心切削土体，保留装样网筒(3)高度内的土体；
E、将装样网筒(3)连同土样一起放入实验外筒(6)中；装样网筒(3)的一端通过实验外筒(6)的槽座(8)与实验外筒(6)紧密相连；装样网筒(3)与实验外筒(6)之间形成3-5mm的空隙，形成蜡液充填空间(7)；
F、将熔融的蜡液浇注到蜡液充填空间(7)中进行侧封；侧封完之后放入渗透装置用于渗透实验。
9.根据权利要求8所述的取样方法，其特征在于：所述步骤A中，在取样内筒上方垫一块有一定厚度的木板或钢板以将捶击力均匀传递到内筒上。
10.根据权利要求8所述的取样方法，其特征在于：所述步骤F中，浇注依据装样网筒高度至少分两次进行；待前一次浇注的蜡液冷凝后，进行下一次浇注，直至与装样网筒上端口齐平，充满整个蜡液充填空间。
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