CN110082182A - 一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及其孔隙水类型和含量的测定方法 - Google Patents

一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及其孔隙水类型和含量的测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及其孔隙水类型和含量的测定方法，该制备装置包括试样模具、试样加载室和竖向加载装置；将试样模具和试样加载室侧壁分别通过模具槽和安装槽安装在试样加载室底座上；试样模具内部从下至上设有第一透水石、第一滤纸、黏土试样、第二滤纸、第二透水石、试样加载室顶盖；试样加载室安装在竖向加载装置上；本发明根据黏土类型和模拟埋深的不同调整试样模具尺寸，可用于各类埋深条件下不同类型的黏土制样；本发明将半幅点经验判断法应用于黏土孔隙水类型的判断中，采用核磁共振技术简便快速地测定不同深度处黏土试样中孔隙水的类型及含量，有效地节约了试验时间，方便进行大量验证性、探索性的试验。

Description

一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及其孔隙水类型和 含量的测定方法
技术领域
本发明涉及岩土工程的室内土工试验技术领域，尤其涉及一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及其孔隙水类型和含量的测定方法。
背景技术
在我国沿海和沿江城市和地区，人口密集，建设工程多。与此同时，这类地区常常分布有深厚的软黏土地层，在这些区域开展地下工程建设活动，如地下空间开发、地下交通建设时，需要关注地下建筑物或构筑物周边软黏土变形的影响。通常当软黏土发生释水的时候，将伴随变形，因此探究软黏土的渗透释水特性将有助于我们科学控制软黏土的变形，保障地下工程施工期和运营期的安全。
总体而说，黏土中的孔隙水类型与其渗透特性密切相关。黏土的孔隙水类型主要包含结合水(束缚水)和重力水(自由水)。一般情况下，越小的黏土颗粒，将形成更小孔径的孔隙，这些微小的土颗粒和土孔隙将水牢牢地束缚住，形成无法自由移动的结合水(束缚水)；随着黏土体中的结合水增多，黏土体的渗透系数将进一步地减小。
已有的研究表明，黏土中的孔隙水的类型及其含量不仅仅与黏土的类型和土颗粒大小有关，还与所受有效应力(压力)相关。有效应力(压力)越大，黏土中的结合水特别是强结合水的含量越多。目前，如果要研究不同深度处的黏土中孔隙水的类型及其含量，通常需要原位钻孔取芯，再采用压汞试验进行测试。一方面，原位钻孔取芯的成本高，试样常常受扰动，取样成功率无法完全保证；另一方面，压汞试验操作复杂，不支持大量重复的试验研究。
因此，如何快速简便得实现定量测定不同深度处饱和黏土中的孔隙水类型及其含量是需要解决的重点问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置及基于核磁共振技术测定不同深度处饱和黏土中的孔隙水类型及其含量的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置，该装置包括试样模具1、试样加载室3和竖向加载装置6；
所述试样加载室3由试样加载室底座3-1、试样加载室侧壁3-2和试样加载室顶盖3-3构成，所述加载室底座3-1上具有内圈模具槽3-1-1、外圈安装槽3-1-2和径向导水槽3-1-3，所述试样模具1通过模具槽3-1-1安装在加载室底座3-1上，所述试样加载室侧壁3-2通过安装槽3-1-2安装在试样加载室底座3-1上；所述试样加载室3内注有无气水4，所述试样加载室3内和试样模具1内的无气水4通过径向导水槽3-1-3水力连通；
所述试样模具1内部从下至上设有第一透水石3-4、第一滤纸3-5、黏土试样2、第二滤纸3-6、第二透水石3-7、试样加载室顶盖3-3；
所述试样加载室3安装在竖向加载装置6上，所述竖向加载装置6用于向试样加载室3加载不同深度对应的压力。
进一步地，所述试样模具1为可拆卸的双瓣膜或三瓣膜；所述试样加载室底座3-1在模具槽3-1-1范围等间距地分布着环形导水槽3-1-4；所述径向导水槽3-1-3通过试样加载室底座3-1的中心，等角度交叉分布于安装槽3-1-2范围内；所述径向导水槽3-1-3的深度大于环形导水槽3-1-4的深度；所述径向导水槽3-1-3和环形导水槽3-1-4用于黏土试样2加载过程中试样内部孔隙水的及时排出。
进一步地，所述竖向加载装置6由刚性底座6-1、带显示器的操作面板6-2、竖向加载轴6-3、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6组成；所述竖向固定杆6-4由两根竖直的刚性杆组成，固定于刚性底座6-1上；所述竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6通过螺栓固定连接；填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载轴6-3上，调整反力杆6-5的长度使其底端顶紧试样加载室顶盖3-3中心的圆形凹槽3-3-1。在黏土试样2加载过程中，刚性底座6-1、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6不发生相对位移，并保证装有黏土试样2的试样加载室3的顶面和地面水平。
一种基于核磁共振技术测定不同深度处饱和黏土试样中的孔隙水类型及其含量的方法，该方法包括以下步骤：
(1)向试样加载室3内注入无气水4，待试样加载室3和试样模具1内的无气水4高度一致后，向试样模具1内依次安装第一透水石3-4和第一滤纸3-5；
(2)采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2；待填土至预定的黏土试样2的初始高度后，保证黏土试样2顶面水平，向试样模具1内依次安装第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3；
(3)将填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载装置6上，并安装位移计7；
(4)启动竖向加载装置6的加载系统，逐级加载，直至达到模拟的黏土试样2所在深度相应的压力；量测加载完成后饱和黏土试样2的高度，计算饱和黏土试样2的总体积V；
(5)从试样模具1中取出饱和黏土试样2，快速地覆上薄膜保持制样饱和，薄膜与试样紧密贴合，保证无气泡；而后将饱和黏土试样2放入核磁共振分析仪的磁体系统中，开展核磁共振试验，获得黏土试样2的弛豫时间T2分布曲线；
(6)核磁共振试验结束后，取出试样模具1内的黏土试样2，烘干后测试黏土试样2的干重量，根据干重度计算黏土试样2的体积Vs；根据步骤(4)中饱和黏土试样2的总体积V，计算孔隙水的体积Vw0＝V-Vs；与核磁共振试验测试的孔隙水体积Vw对比，当两者误差小于2％时，开展下一步孔隙水类型分析，反之，重复步骤(1)至步骤(6)；
(7)根据核磁共振试验的T2分布曲线，采用“半幅点”经验判断法，获取T2截止值；其中，取小于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中结合水的体积，取大于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中自由水的体积。
进一步地，所述步骤(1)中，所述试样加载室3和试样模具1内注入的无气水的高度为核磁共振分析仪的试样测试高度的1/4至1/3；所述试样模具1的高度根据黏土试样2的初始高度、第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3的高度确定，保证试样加载室顶盖3-3嵌入试样模具1内即可。
进一步地，所述步骤(1)和步骤(2)中，所述第一透水石3-4、第一滤纸3-5、第二滤纸3-6、第二透水石3-7在安装前均已采用无气水饱和；所述黏土试样2填筑前预先在无气水中煮沸，充分饱和。
进一步地，所述步骤(2)中，采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2前，试样模具1的内表面均匀地涂刷脱模子油；所述预定的黏土试样2的初始高度是由模拟的黏土试样2所在深度相应的压力、黏土试样2的最终填筑高度以及试验黏土相应的正常固结线(NCL)确定；所述黏土试样2的最终填筑高度应满足核磁共振分析仪关于试样测试高度的要求，若最终填筑高度超出要求，则降低预定的黏土试样2的初始高度。
进一步地，所述步骤(2)中，所述水下沉积法是指整个填筑过程中无气水4液面始终高于黏土试样2的顶面。
进一步地，所述步骤(4)中，所述逐级加载是指试样加载按25kPa、50kPa、100kPa，其后荷载间隔为100kPa，每一级压力加载时间为24h；最后一级荷载即为模拟的黏土试样4所在深度相应的压力，该级荷载下24h和25h位移计7的读数差应小于0.005mm。
进一步地，所述步骤(7)中，所述的“半幅点”经验判断法是指对于均一、无裂隙的试验土样而言，其T2分布曲线通常呈单峰或以单峰为主，取T2分布曲线上幅点的最高点和最低点的1/2处点值作为T2截止值；当主峰的横向弛豫时间小于10ms时，T2截止值可取为主峰的右“半幅点”附近的点值；当主峰大于10ms时，T2截止值可取为主峰的左“半幅点”附近的点值；所述T2截止值在横向驰豫时间T2分布曲线上用于表征孔隙流体形态的界限；当孔隙流体的横向弛豫时间大于T2截止值时，流体为自由流体(在土中指自由水)；反之，则为束缚流体(在土中指结合水)。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明具有通用性，根据黏土类型和模拟埋深的不同调整试样模具的尺寸，可用于各类埋深条件下不同类型的黏土的制样。
2、本发明中黏土试样装填前预先在无气水中煮沸，在装填过程中土样始终位于无气水液面以下，可以保证制备的黏土试样充分饱和，提高核磁共振分析仪测试孔隙水类型及其含量的精度。
3、本发明采用自动化竖向加载装置，提高了需要制备的不同深度黏土试样的制样精度和效率。
4、本发明中不同埋深条件下黏土试样的制备过程中，采用K0固结方法，制备土体试样的应力路径和应力状态与实际场地的情况相符。
5、本发明创造性地将“半幅点”经验判断法应用于黏土孔隙水类型的判断中，采用核磁共振技术简便快速地测定不同深度处黏土试样中孔隙水的类型及其含量，有效地节约了试验时间，并且方便进行大量验证性、探索性的试验，可为揭示不同埋深下黏土的渗透特性等提供技术支持。
附图说明
图1(a)为试样加载室底座俯视图；
图1(b)为试样加载室底座剖面示意图；
图2为装黏土试样前的试样加载室剖面示意图；
图3(a)为装填黏土试样完毕的试样加载室剖面示意图；
图3(b)为装填黏土试样完毕的试样加载室侧视图；
图3(c)为装填黏土试样完毕的试样加载室俯视图；
图4为试样加载室安装于轴向加载装置上的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置，该装置包括试样模具1、试样加载室3和竖向加载装置6；所述试样加载室3由试样加载室底座3-1、试样加载室侧壁3-2和试样加载室顶盖3-3构成。
如图1(a)、图1(b)所示，所述加载室底座3-1上具有内圈模具槽3-1-1、外圈安装槽3-1-2和径向导水槽3-1-3；所述试样模具1为可拆卸的双瓣膜或三瓣膜；所述试样加载室底座3-1在模具槽3-1-1范围等间距地分布着环形导水槽3-1-4；所述径向导水槽3-1-3通过试样加载室底座3-1的中心，等角度交叉分布于安装槽3-1-2范围内；所述径向导水槽3-1-3的深度大于环形导水槽3-1-4的深度；所述径向导水槽3-1-3和环形导水槽3-1-4用于黏土试样2加载过程中试样内部孔隙水的及时排出。
如图2-图4所示，所述试样模具1通过模具槽3-1-1安装在加载室底座3-1上，所述试样加载室侧壁3-2通过安装槽3-1-2安装在试样加载室底座3-1上；所述试样加载室3内注有无气水4，所述试样加载室3内和试样模具1内的无气水4通过径向导水槽3-1-3水力连通；所述试样模具1内部从下至上设有第一透水石3-4、第一滤纸3-5、黏土试样2、第二滤纸3-6、第二透水石3-7、试样加载室顶盖3-3；所述试样加载室3安装在竖向加载装置6上，所述竖向加载装置6用于向试样加载室3加载不同深度对应的压力。
所述竖向加载装置6由刚性底座6-1、带显示器的操作面板6-2、竖向加载轴6-3、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6组成；所述竖向固定杆6-4由两根竖直的刚性杆组成，固定于刚性底座6-1上；所述竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6通过螺栓固定连接；填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载轴6-3上，调整反力杆6-5的长度使其底端顶紧试样加载室顶盖3-3中心的圆形凹槽3-3-1。在黏土试样2加载过程中，刚性底座6-1、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6不发生相对位移，并保证装有黏土试样2的试样加载室3的顶面和地面水平。
本发明提供了一种基于核磁共振技术测定不同深度处饱和黏土试样中的孔隙水类型及其含量的方法，该方法包括以下步骤：
(1)向试样加载室3内注入无气水4，待试样加载室3和试样模具1内的无气水4高度一致后，向试样模具1内依次安装第一透水石3-4和第一滤纸3-5；装黏土试样前的试样加载室如图2所示；
所述试样加载室3和试样模具1内注入的无气水的高度为核磁共振分析仪的试样测试高度的1/4至1/3；
所述试样模具1的高度根据黏土试样2的初始高度、第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3的高度确定，保证试样加载室顶盖3-3嵌入试样模具1内即可。
(2)采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2；待填土至预定的黏土试样2的初始高度后，保证黏土试样2顶面水平，向试样模具1内依次安装第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3；装填黏土试样2完毕的试样加载室如图图3(a)、图3(b)、图3(c)所示；
所述水下沉积法指整个填筑过程中无气水4液面始终高于黏土试样2顶面；采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2前，试样模具1的内表面均匀地涂刷脱模子油；
所述第一透水石3-4、第一滤纸3-5、第二滤纸3-6、第二透水石3-7在安装前均已采用无气水饱和；黏土试样2填筑前预先在无气水中煮沸，充分饱和；
所述预定的黏土试样2的初始高度是由模拟的黏土试样2所在深度相应的压力、黏土试样2的最终填筑高度以及试验黏土相应的正常固结线(NCL)确定；所述黏土试样2的最终填筑高度应满足核磁共振分析仪关于试样测试高度的要求，若最终填筑高度超出要求，则降低预定的黏土试样2的初始高度。
(3)将填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载装置6上，并安装位移计7，如图4所示；
(4)启动竖向加载装置6的加载系统，逐级加载，直至达到模拟的黏土试样2所在深度相应的压力；量测加载完成后饱和黏土试样2的高度，计算饱和黏土试样2的总体积V；可采用以下逐级加载方式：试样加载按25kPa、50kPa、100kPa，其后荷载间隔为100kPa，每一级压力加载时间为24h；最后一级荷载即为模拟的黏土试样4所在深度相应的压力，该级荷载下24h和25h位移计7的读数差应小于0.005mm。
(5)从试样模具1中取出饱和黏土试样2，快速地覆上薄膜保持制样饱和，薄膜与试样紧密贴合，保证无气泡；而后将饱和黏土试样2放入核磁共振分析仪的磁体系统中，开展核磁共振试验，获得黏土试样2的弛豫时间T2分布曲线；(6)核磁共振试验结束后，取出试样模具1内的黏土试样2，烘干后测试黏土试样2的干重量，根据干重度计算黏土试样2的体积Vs；根据步骤(4)中饱和黏土试样2的总体积V，计算孔隙水的体积Vw0＝V-Vs；与核磁共振试验测试的孔隙水体积Vw对比，当两者误差小于2％时，开展下一步孔隙水类型分析，反之，重复步骤(1)至步骤(6)；
(7)根据核磁共振试验的T2分布曲线，采用“半幅点”经验判断法，获取T2截止值；其中，取小于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中结合水的体积，取大于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中自由水的体积。
所述的“半幅点”经验判断法是指对于均一、无裂隙的试验土样而言，其T2分布曲线通常呈单峰或以单峰为主，取T2分布曲线上幅点的最高点和最低点的1/2处点值作为T2截止值；当主峰的横向弛豫时间小于10ms时，T2截止值可取为主峰的右“半幅点”附近的点值；当主峰大于10ms时，T2截止值可取为主峰的左“半幅点”附近的点值；所述T2截止值在横向驰豫时间T2分布曲线上用于表征孔隙流体形态的界限；当孔隙流体的横向弛豫时间大于T2截止值时，流体为自由流体(在土中指自由水)；反之，则为束缚流体(在土中指结合水)。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置，其特征在于，该装置包括试样模具1、试样加载室3和竖向加载装置6；
所述试样加载室3由试样加载室底座3-1、试样加载室侧壁3-2和试样加载室顶盖3-3构成，所述加载室底座3-1上具有内圈模具槽3-1-1、外圈安装槽3-1-2和径向导水槽3-1-3，所述试样模具1通过模具槽3-1-1安装在加载室底座3-1上，所述试样加载室侧壁3-2通过安装槽3-1-2安装在试样加载室底座3-1上；所述试样加载室3内注有无气水4，所述试样加载室3内和试样模具1内的无气水4通过径向导水槽3-1-3水力连通；
所述试样模具1内部从下至上设有第一透水石3-4、第一滤纸3-5、黏土试样2、第二滤纸3-6、第二透水石3-7、试样加载室顶盖3-3；
所述试样加载室3安装在竖向加载装置6上，所述竖向加载装置6用于向试样加载室3加载不同深度对应的压力。
2.根据权利要求1所述的一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置，其特征在于，所述试样模具1为可拆卸的双瓣膜或三瓣膜；所述试样加载室底座3-1在模具槽3-1-1范围等间距地分布着环形导水槽3-1-4；所述径向导水槽3-1-3通过试样加载室底座3-1的中心，等角度交叉分布于安装槽3-1-2范围内；所述径向导水槽3-1-3的深度大于环形导水槽3-1-4的深度。
3.根据权利要求1所述的一种不同深度处饱和黏土试样的制备装置，其特征在于，所述竖向加载装置6由刚性底座6-1、带显示器的操作面板6-2、竖向加载轴6-3、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6组成；所述竖向固定杆6-4由两根竖直的刚性杆组成，固定于刚性底座6-1上；所述竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6通过螺栓固定连接；填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载轴6-3上，调整反力杆6-5的长度使其底端顶紧试样加载室顶盖3-3中心的圆形凹槽3-3-1。在黏土试样2加载过程中，刚性底座6-1、竖向固定杆6-4、反力杆6-5和水平向固定杆6-6不发生相对位移，并保证装有黏土试样2的试样加载室3的顶面和地面水平。
4.一种基于核磁共振技术测定不同深度处饱和黏土试样中的孔隙水类型及其含量的方法，其特征在于，所述不同深度处饱和黏土试样通过权利要求1-3任一项所述制备装置制得，该方法包括以下步骤：
(1)向试样加载室3内注入无气水4，待试样加载室3和试样模具1内的无气水4高度一致后，向试样模具1内依次安装第一透水石3-4和第一滤纸3-5；
(2)采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2；待填土至预定的黏土试样2的初始高度后，保证黏土试样2顶面水平，向试样模具1内依次安装第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3；
(3)将填筑完黏土试样2的试样加载室3安装于竖向加载装置6上，并安装位移计7；
(4)启动竖向加载装置6的加载系统，逐级加载，直至达到模拟的黏土试样2所在深度相应的压力；量测加载完成后饱和黏土试样2的高度，计算饱和黏土试样2的总体积V；
(5)从试样模具1中取出饱和黏土试样2，快速地覆上薄膜保持制样饱和，薄膜与试样紧密贴合，保证无气泡；而后将饱和黏土试样2放入核磁共振分析仪的磁体系统中，开展核磁共振试验，获得黏土试样2的弛豫时间T2分布曲线；
(6)核磁共振试验结束后，取出试样模具1内的黏土试样2，烘干后测试黏土试样2的干重量，根据干重度计算黏土试样2的体积Vs；根据步骤(4)中饱和黏土试样2的总体积V，计算孔隙水的体积Vw0＝V-Vs；与核磁共振试验测试的孔隙水体积Vw对比，当两者误差小于设定阈值时，开展下一步孔隙水类型分析，反之，重复步骤(1)至步骤(6)；
(7)根据核磁共振试验的T2分布曲线，采用“半幅点”经验判断法，获取T2截止值；其中，取小于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中结合水的体积，取大于T2截止值的孔隙水体积为黏土试样2孔隙中自由水的体积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述试样加载室3和试样模具1内注入的无气水的高度为核磁共振分析仪的试样测试高度的1/4至1/3；所述试样模具1的高度根据黏土试样2的初始高度、第二滤纸3-6、第二透水石3-7和试样加载室顶盖3-3的高度确定，保证试样加载室顶盖3-3嵌入试样模具1内即可。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中，所述第一透水石3-4、第一滤纸3-5、第二滤纸3-6、第二透水石3-7在安装前均已采用无气水饱和；所述黏土试样2填筑前预先在无气水中煮沸，充分饱和。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用水下沉积法向试样模具1填筑黏土试样2前，试样模具1的内表面均匀地涂刷脱模子油；所述预定的黏土试样2的初始高度是由模拟的黏土试样2所在深度相应的压力、黏土试样2的最终填筑高度以及试验黏土相应的正常固结线(NCL)确定；所述黏土试样2的最终填筑高度应满足核磁共振分析仪关于试样测试高度的要求。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述水下沉积法是指整个填筑过程中无气水4液面始终高于黏土试样2的顶面。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述逐级加载是指试样加载按25kPa、50kPa、100kPa，其后荷载间隔为100kPa，每一级压力加载时间为24h；最后一级荷载即为模拟的黏土试样4所在深度相应的压力，该级荷载下24h和25h位移计7的读数差应小于0.005mm。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述的“半幅点”经验判断法是指对于均一、无裂隙的试验土样而言，其T2分布曲线通常呈单峰或以单峰为主，取T2分布曲线上幅点的最高点和最低点的1/2处点值作为T2截止值；当主峰的横向弛豫时间小于10ms时，T2截止值可取为主峰的右“半幅点”附近的点值；当主峰大于10ms时，T2截止值可取为主峰的左“半幅点”附近的点值；所述T2截止值在横向驰豫时间T2分布曲线上用于表征孔隙流体形态的界限；当孔隙流体的横向弛豫时间大于T2截止值时，流体为自由流体；反之，则为束缚流体。
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