CN106814017B - 纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法 - Google Patents
纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法，包括数据采集及控制系统、纳米溶胶注射装置、动模量测试装置和液体收集容器，纳米溶胶注射装置包含蠕动泵和纳米硅溶胶容器，动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，数据采集及控制系统分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置，所述纳米溶胶注射装置、动模量测试装置和液体收集容器依次连接。本发明在动模量测试装置内部直接渗流固化试样，克服了常规方法难以将弱固化的松散试样移入动模量测试装置内部的困难、以及移动中试样扰动问题，本发明方法可以得到动模量与渗透系数的函数关系，解决了纳米溶胶加固砂土过程中难以从渗透系数估算动模量衰减曲线的问题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法。
背景技术
饱和松散砂土地基在地震荷载作用下会发生液化，宏观上表现为土体中孔隙水压力上升，同时土体固相的有效接触应力为零，这时土体性质类似于流体并丧失抗剪强度。地震液化造成以下危害：例如房屋倾斜、地基沉降、地铁隧道上浮、道路路基滑移等。因此可以考虑通过加固土体防止液化，例如在可液化土体中通入硅溶胶溶液，硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，此纳米凝胶体系可以加固砂土防止液化。现场硅溶胶加固土体的效果可以用土体动模量来评价，土体动模量的特有性质是随动应变的增大而衰减，但现场直接测得的是土体渗透系数，因此需要在现场取加固的土样返回实验室进行动模量试验获得动模量衰减曲线，目前无法在现场直接由渗透系数得到动模量来评价加固效果。同时现场取样往往会遇到弱加固的土样松散难以成型并且取样过程中对试样有扰动，因此开发适用于松散的固化试样且对试样扰动小的试验装置、并发展由渗透系数得到动模量衰减曲线的方法显得尤为重要。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的难以将弱固化的松散试样移入动模量测试装置内部进行测试、移动试样过程中的扰动问题和难以从渗透系数得到动模量衰减曲线的问题，提供了一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置及方法。
本发明的技术方案：一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置，包括纳米溶胶注射装置、动模量测试装置、数据采集及控制系统和液体收集容器；
所述纳米溶胶注射装置包含蠕动泵和纳米硅溶胶容器，蠕动泵一端与纳米硅溶胶容器连接，另一端与动模量测试装置连接；
所述动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，所述动三轴设备包含围压室和轴向加载系统，所述围压室内安放用橡皮膜包裹的圆柱体干砂试样，轴向加载系统和圆柱体干砂试样底部连接；所述纵波波速测试系统包含两个压电陶瓷片，其中一个压电陶瓷片接收超声波且安装在圆柱体干砂试样底部，另一个压电陶瓷片发射超声波且安装在圆柱体干砂试样顶部；所述圆柱体干砂试样底部和顶部均安装有孔隙水压力计；
所述数据采集及控制系统分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置；
所述圆柱体试样底部和顶部分别有注射孔和排水孔，所述注射孔和纳米溶胶注射装置连接，所述排水孔和液体收集容器连接。
优选地，两个压电陶瓷片分别为第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，所述第一压电陶瓷片安装在圆柱体干砂试样底部，所述第二压电陶瓷片安装在圆柱体干砂试样顶部；两个孔隙水压力计分别为第一孔隙水压力计和第二孔隙水压力计，所述第一孔隙水压力计安装在圆柱体干砂试样底部，所述第二孔隙水压力计安装在圆柱体干砂试样顶部。
优选地，所述圆柱体干砂试样尺寸为直径50cm，高度100cm。
一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置的测试方法，包括下述步骤:
步骤1：设定硅溶胶浓度，此浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n；
步骤2：在带有压电陶瓷片的底座上放置圆柱体干砂试样，此干砂试样用橡皮膜包裹，然后在围压室内注水施加围压使干砂试样直立起来；
步骤:3：在圆柱体干砂试样顶部安放压电陶瓷片；
步骤4：将指定浓度的硅溶胶溶液放入纳米硅溶胶容器，用蠕动泵从圆柱体干砂试样底部注入硅溶胶，硅溶胶溶液渗透干砂试样后从试样顶部排出进入液体收集容器；
步骤5：硅溶胶固化干砂试样后，测试试样渗透系数：将纳米硅溶胶容器中的硅溶胶换为水，然后将水用蠕动泵以定常流速从圆柱体干砂试样底部注入，测量圆柱体干砂试样上下部的水压，然后由流速和上下水压差计算干砂试样的渗透系数；
步骤6：测试试样小应变下的动模量：试样顶部的压电陶瓷片发射超声波，试样底部的压电陶瓷片接收超声波，从而测出超声波在试样中的波速，由波速和试样密度可以计算得到试样小应变下的动模量；
步骤7：测试试样大应变下的动模量：轴向加载系统对圆柱体干砂试样施加等应变轴向循环加载，这时通过数据采集及控制系统记录圆柱体干砂试样的轴向应变和轴向应力，可以绘出应力应变的滞回圈，由滞回圈求割线模量，此割线模量为大应变下的动模量；
步骤8：用m组砂试样重复步骤2～步骤7，可以得到固定硅溶胶浓度下的m个渗透系数、m个小应变下的动模量、m个大应变下的动模量，对这m个渗透系数取平均值为此固定硅溶胶浓度下的渗透系数Ki，对这m个小应变下的动模量取平均值为此固定硅溶胶浓度下的小应变动模量E0i，然后以动应变幅值为横坐标，以E0和m个大应变下的动模量为纵坐标绘制应变-动模量衰减曲线；
步骤9：以如下反正切函数拟合应变-动模量衰减曲线：E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4，上式中E为动模量，ε为应变，C1、C2、C3和C4为拟合系数，设步骤8得到的第i序列应变-动模量衰减曲线中的拟合系数设为Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，对应的应变-动模量衰减曲线为：E＝Ci1cot(Ci2ε+Ci3)+Ci4，记录这里得到的Ci1、Ci2、Ci3和Ci4以及步骤8得到的渗透系数Ki；
步骤10：取不同的硅溶胶浓度，每一个硅溶胶浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n，重复步骤1～步骤9得到序列i下的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，然后用渗透系数K为自变量，以多项式分别拟合C1、C2、C3和C4，设：
C1(K)＝A11+A12K+A13K2+A14K3+A15K4+A16K5 (1)
C2(K)＝A21+A22K+A23K2+A24K3+A25K4+A26K5 (2)
C3(K)＝A31+A32K+A33K2+A34K3+A35K4+A36K5 (3)
C4(K)＝A41+A42K+A43K2+A44K3+A45K4+A46K5 (4)
上式中系数Aij为多项式拟合系数，以不同硅溶胶浓度试验序列i(i取值范围为整数1至n)中的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4拟合得到，系数Aij用矩阵[A]表示，[A]为：
动模量衰减曲线中的系数C1、C2、C3和C4用矩阵表示为：
通过n组不同硅溶胶浓度的试验，可以得到渗透系数K和应变-动模量衰减曲线系数C1、C2、C3和C4的关系矩阵[A]，然后可以将关系矩阵[A]和应变-动模量衰减曲线函数E＝C1arccot(C2ε+C3)应用于工程实际，即现场测得的渗透系数K代入式(6)得到系数C1、C2、C3和C4，再将C1、C2、C3和C4代入E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4得到动模量与动应变的关系，在这个过程中将渗透系数和动模量联系起来。
优选地，所述步骤4中的硅溶胶PH值用醋酸溶液调整至5～6之间。
优选地，所述步骤5中的固化时间为36小时。
本发明的有益效果：本发明可以在测试仪器中直接加固试样，避免难以将弱固化松散试样移入仪器内的困难，避免将固化试样移入仪器过程中的试样扰动问题，同时可以得到渗透系数与动模量衰减曲线的关系。
附图说明：
图1为本发明的整体组装结构示意图；
图2为本发明圆柱体干砂试样侧视图；
图3为本发明圆柱体干砂试样俯视图；
图4为本发明圆柱体干砂试样底部仰视图；
图5应变-动模量衰减曲线示意图；
图中1.数据采集及控制系统，2.纳米硅溶胶容器，3.蠕动泵，4.轴向加载系统，5.围压室，6.第一孔隙压力计，7.第二孔隙压力计，8.第一压电陶瓷片，9.第二压电陶瓷片，10.橡皮膜，11.圆柱体干砂试样，12.液体收集容器，13.注射孔，14.排水孔。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-5所示，纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试装置，包括纳米溶胶注射装置、动模量测试装置、数据采集及控制系统1和液体收集容器12。纳米溶胶注射装置包含蠕动泵3和纳米硅溶胶容器2，蠕动泵3一端与纳米硅溶胶容器2连接，另一端与动模量测试装置连接。动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，动三轴设备包含围压室5和轴向加载系统4，围压室5内安放用橡皮膜10包裹的圆柱体干砂试样11，轴向加载系统4和圆柱体干砂试样11底部连接。纵波波速测试系统包含两个压电陶瓷片，第一压电陶瓷片8接收超声波且安装在圆柱体干砂试样11底部，第二压电陶瓷片9发射超声波且安装在圆柱体干砂试样11顶部；所述圆柱体干砂试样11底部和顶部分别安装第一孔隙水压力计6和第二孔隙水压力计7；所述数据采集及控制系统1分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置；所述圆柱体试样11底部和顶部分别有注射孔13和排水孔14，所述注射孔13和纳米溶胶注射装置连接，所述排水孔14和液体收集容器12连接。
本发明纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测试方法的工作过程如下：
步骤1：设定硅溶胶浓度，此浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n；
步骤2：在带有第一压电陶瓷片8的底座上放置圆柱体干砂试样11，此干砂试样11用橡皮膜10包裹，然后在围压室5内注水施加围压使干砂试样11直立起来；
步骤:3：在圆柱体干砂试样11顶部安放第二压电陶瓷片9；
步骤4：将指定浓度的硅溶胶溶液放入纳米硅溶胶容器2，用蠕动泵3从圆柱体干砂试样11底部的注射孔13注入硅溶胶，硅溶胶溶液渗透干砂试样后从试样顶部的排水孔14排出进入液体收集容器12；
步骤5：硅溶胶固化干砂试样后，测试试样渗透系数：将纳米硅溶胶容器2中的硅溶胶换为水，然后将水用蠕动泵3以定常流速从圆柱体干砂试样11底部注入，测量圆柱体干砂试样11上下部的水压，然后由流速和上下水压差计算干砂试样的渗透系数；
步骤6：测试试样小应变下的动模量：圆柱体干砂试样11顶部的第二压电陶瓷片9发射超声波，试样底部的第一压电陶瓷片8接收超声波，从而测出超声波在试样中的波速，由波速和试样密度可以计算得到试样小应变下的动模量；
步骤7：测试试样大应变下的动模量：轴向加载系统4对圆柱体干砂试样11施加等应变轴向循环加载，这时通过数据采集及控制系统1记录圆柱体干砂试样11的轴向应变和轴向应力，可以绘出应力应变的滞回圈，由滞回圈求割线模量，此割线模量为大应变下的动模量；
步骤8：用m组砂试样重复步骤2～步骤7，可以得到固定硅溶胶浓度下的m个渗透系数、m个小应变下的动模量、m个大应变下的动模量，对这m个渗透系数取平均值为此固定硅溶胶浓度下的渗透系数Ki，对这m个小应变下的动模量取平均值为此固定硅溶胶浓度下的小应变动模量E0i，然后以动应变幅值为横坐标，以E0和m个大应变下的动模量为纵坐标绘制应变-动模量衰减曲线；
步骤9：以如下反正切函数拟合应变-动模量衰减曲线：E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4，上式中E为动模量，ε为应变，C1、C2、C3和C4为拟合系数，设步骤8得到的第i序列应变-动模量衰减曲线中的拟合系数设为Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，对应的应变-动模量衰减曲线为：E＝Ci1cot(Ci2ε+Ci3)+Ci4，记录这里得到的Ci1、Ci2、Ci3和Ci4以及步骤8得到的渗透系数Ki；
步骤10：取不同的硅溶胶浓度，每一个硅溶胶浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n，重复步骤1～步骤9得到序列i下的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，然后用渗透系数K为自变量，以多项式分别拟合C1、C2、C3和C4，设：
C1(K)＝A11+A12K+A13K2+A14K3+A15K4+A16K5 (1)
C2(K)＝A21+A22K+A23K2+A24K3+A25K4+A26K5 (2)
C3(K)＝A31+A32K+A33K2+A34K3+A35K4+A36K5 (3)
C4(K)＝A41+A42K+A43K2+A44K3+A45K4+A46K5 (4)
上式中系数Aij为多项式拟合系数，以不同硅溶胶浓度试验序列i(i取值范围为整数1至n)中的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4拟合得到，系数Aij用矩阵[A]表示，[A]为：
动模量衰减曲线中的系数C1、C2、C3和C4用矩阵表示为：
这样通过n组不同硅溶胶浓度的试验，可以得到渗透系数K和应变-动模量衰减曲线系数C1、C2、C3和C4的关系矩阵[A]，然后可以将关系矩阵[A]和应变-动模量衰减曲线函数E＝C1arccot(C2ε+C3)应用于工程实际，即现场测得的渗透系数K代入式(6)得到系数C1、C2、C3和C4，再将C1、C2、C3和C4代入E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4得到动模量与动应变的关系，在这个过程中将渗透系数和动模量联系起来。
Claims (5)
1.一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，该测量装置包括：纳米溶胶注射装置、动模量测试装置、数据采集及控制系统和液体收集容器；
所述纳米溶胶注射装置包含蠕动泵和纳米硅溶胶容器，蠕动泵一端与纳米硅溶胶容器连接，另一端与动模量测试装置连接；
所述动模量测试装置包含动三轴设备及纵波波速测试系统，所述动三轴设备包含围压室和轴向加载系统，所述围压室内安放用橡皮膜包裹的圆柱体干砂试样，轴向加载系统和圆柱体干砂试样底部连接；所述纵波波速测试系统包含两个压电陶瓷片，其中一个压电陶瓷片接收超声波且安装在圆柱体干砂试样底部，另一个压电陶瓷片发射超声波且安装在圆柱体干砂试样顶部；所述圆柱体干砂试样底部和顶部均安装有孔隙水压力计；
所述数据采集及控制系统分别连接纳米溶胶注射装置和动模量测试装置；
所述圆柱体试样底部和顶部分别有注射孔和排水孔，所述注射孔和纳米溶胶注射装置连接，所述排水孔和液体收集容器连接；
其特征在于：该测量装置的测试方法包括下述步骤：
步骤1：设定硅溶胶浓度，此浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n；
步骤2：在带有压电陶瓷片的底座上放置圆柱体干砂试样，此干砂试样用橡皮膜包裹，然后在围压室内注水施加围压使干砂试样直立起来；
步骤:3：在圆柱体干砂试样顶部安放压电陶瓷片；
步骤4：将指定浓度的硅溶胶溶液放入纳米硅溶胶容器，用蠕动泵从圆柱体干砂试样底部注入硅溶胶，硅溶胶溶液渗透干砂试样后从试样顶部排出进入液体收集容器；
步骤5：硅溶胶固化干砂试样后，测试试样渗透系数：将纳米硅溶胶容器中的硅溶胶换为水，然后将水用蠕动泵以定常流速从圆柱体干砂试样底部注入，测量圆柱体干砂试样上下部的水压，然后由流速和上下水压差计算干砂试样的渗透系数；
步骤6：测试试样小应变下的动模量：试样顶部的压电陶瓷片发射超声波，试样底部的压电陶瓷片接收超声波，从而测出超声波在试样中的波速，由波速和试样密度可以计算得到试样小应变下的动模量；
步骤7：测试试样大应变下的动模量：轴向加载系统对圆柱体干砂试样施加等应变轴向循环加载，这时通过数据采集及控制系统记录圆柱体干砂试样的轴向应变和轴向应力，可以绘出应力应变的滞回圈，由滞回圈求割线模量，此割线模量为大应变下的动模量；
步骤8：用m组砂试样重复步骤2～步骤7，可以得到固定硅溶胶浓度下的m个渗透系数、m个小应变下的动模量、m个大应变下的动模量，对这m个渗透系数取平均值为此固定硅溶胶浓度下的渗透系数Ki，对这m个小应变下的动模量取平均值为此固定硅溶胶浓度下的小应变动模量E0i，然后以动应变幅值为横坐标，以E0和m个大应变下的动模量为纵坐标绘制应变-动模量衰减曲线；
步骤9：以如下反正切函数拟合应变-动模量衰减曲线：E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4，上式中E为动模量，ε为应变，C1、C2、C3和C4为拟合系数，设步骤8得到的第i序列应变-动模量衰减曲线中的拟合系数设为Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，对应的应变-动模量衰减曲线为：E＝Ci1cot(Ci2ε+Ci3)+Ci4，记录这里得到的Ci1、Ci2、Ci3和Ci4以及步骤8得到的渗透系数Ki；
步骤10：取不同的硅溶胶浓度，每一个硅溶胶浓度记为序列i，i取值范围为整数1至n，重复步骤1～步骤9得到序列i下的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4，然后用渗透系数K为自变量，以多项式分别拟合C1、C2、C3和C4，设：
C1(K)＝A11+A12K+A13K2+A14K3+A15K4+A16K5 (1)
C2(K)＝A21+A22K+A23K2+A24K3+A25K4+A26K5 (2)
C3(K)＝A31+A32K+A33K2+A34K3+A35K4+A36K5 (3)
C4(K)＝A41+A42K+A43K2+A44K3+A45K4+A46K5 (4)
上式中系数Aij为多项式拟合系数，以不同硅溶胶浓度试验序列i(i取值范围为整数1至n)中的渗透系数Ki以及对应的系数Ci1、Ci2、Ci3和Ci4拟合得到，系数Aij用矩阵[A]表示，[A]为：
动模量衰减曲线中的系数C1、C2、C3和C4用矩阵表示为：
通过n组不同硅溶胶浓度的试验，可以得到渗透系数K和应变-动模量衰减曲线系数C1、C2、C3和C4的关系矩阵[A]，然后可以将关系矩阵[A]和应变-动模量衰减曲线函数E＝C1arccot(C2ε+C3)应用于工程实际，即现场测得的渗透系数K代入式(6)得到系数C1、C2、C3和C4，再将C1、C2、C3和C4代入E＝C1arccot(C2ε+C3)+C4得到动模量与动应变的关系，在这个过程中将渗透系数和动模量联系起来。
2.根据权利要求1所述的一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，其特征在于：所述步骤4中的硅溶胶PH值用醋酸溶液调整至5～6之间。
3.根据权利要求1所述的一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，其特征在于：所述步骤5中的固化时间为36小时。
4.根据权利要求1所述的一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，其特征在于：所述两个压电陶瓷片分别为第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，所述第一压电陶瓷片安装在圆柱体干砂试样底部，所述第二压电陶瓷片安装在圆柱体干砂试样顶部；两个空隙水压力计分别为第一孔隙水压力计和第二孔隙水压力计，所述第一孔隙水压力计安装在圆柱体干砂试样底部，所述第二孔隙水压力计安装在圆柱体干砂试样顶部。
5.根据权利要求1所述的一种纳米溶胶加固砂土的渗透性与动模量关系测量装置的测试方法，其特征在于：所述圆柱体干砂试样尺寸为直径50cm，高度100cm。
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