CN111141572B - 一种浮动式重塑软黏土的预固结装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮动式重塑软黏土的预固结装置及方法，包括支架和套筒；所述支架包括自上而下依次设置的顶板、连杆和底板，顶板和底板均与水平面平行且通过连杆固定，套筒设置在顶板和底板之间；顶板底部固定有定滑轮，套筒上半部分连接有吊绳一端，吊绳另一端穿过定滑轮连接有平衡砝码；底板上设置有下台座，下台座顶面放置有下透水石板，透水石板与套筒内径相同，透水石板和下台座设置有由透水石板低部连通至下台座外部的下管道；套筒底部套在上台座外侧，套筒底部悬空，当套筒内部放置有土样后，土样上方放置有上透水石板，直径与套筒内径相同。减小土样和筒壁的摩擦力，减小了固结筒对土样的扰动，保证了重塑软黏土的均匀性。
Description
技术领域
本发明属于土木工程试验领域，涉及一种浮动式重塑软黏土的预固结装置及方法。
背景技术
软黏土具有高压缩性、低渗透性、高灵敏度等特点，在我国沿海和内陆沿江地区广泛分布。岩土工程中研究饱和软黏土的强度和变形机理需要控制试样的成份、含水率等来保证试样的可比性，原状软黏土空间变异性大，试样均匀程度低，且取样花费代价较高，在实际操作中多采用重塑样进行试验研究。如何制备重塑软黏土试样一直是土工试验中普遍关注的问题。
试样制备方法对试验结果影响显著。现有制备重塑软黏土试样主要采用泥浆固结法。该方法能够模拟海相、湖相等软黏土在初始为泥浆状态下经过自沉降和固结，最后达到接近于饱和状态的过程，可制作与原状样有相似力学性质和土体结构的重塑试样。值得注意的是，采用这种方法制备软黏土试样的压缩变形量很大，在预固结过程中，套筒和土样之间会产生较大的侧壁摩阻力；由于试样在压缩变形过程中需要克服侧壁摩阻力，导致固结后试样的均匀性和结构性有所差异，难以保证试验的可重复性。现有的制样方法几乎都只关注如何加快软黏土的固结速率，尚未有减小预固结过程中侧壁摩阻力影响的有效办法。可见，如何降低预固结过程中的侧壁摩阻力的影响仍是制备重塑软黏土试样亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种浮动式重塑软黏土的预固结装置及方法，减小土样和筒壁的摩擦力，有效的减小了固结筒对土样的扰动，保证了重塑软黏土的均匀性。
一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，包括支架和套筒；
所述支架包括自上而下依次设置的顶板、连杆和底板，顶板和底板均与水平面平行且通过连杆固定，套筒设置在顶板和底板之间；
顶板底部固定有定滑轮，套筒上半部分连接有吊绳一端，吊绳另一端穿过定滑轮连接有平衡砝码，平衡砝码与套筒重量相同；
底板上设置有下台座，下台座顶面放置有下透水石板，透水石板与套筒内径相同，透水石板和下台座设置有由透水石板低部连通至下台座外部的下管道；套筒底部套在上台座外侧，套筒底部悬空，当套筒内部放置有土样后，土样上方放置有上透水石板，直径与套筒内径相同。
优选的，下台座侧面设置有限位装置。
优选的，压板上方设置有加载支架，加载支架顶部为平面，用于放置压块，压板采用透水石板，加载支架底部设置有上台座，上台座设置有由上台座设底部连通至套筒上方外部的上管道。
优选的，压板顶部与支撑板底部均设置有O型圈，O型圈外径与套筒内径相同。
优选的，顶板底部固定有位移传感器，位移传感器位于压板正上方，感应头朝向压板。
优选的，下台座和支撑板均与套筒内径相同，支撑板采用透水石板，下管道由下台座顶部连通至下台座外部。
优选的，套筒采用瓣式分体套筒，瓣式分体套筒外侧嵌套有钢箍。
优选的，连杆采用丝杠，顶板和底板均通过紧固螺帽与丝杠连接。
一种重塑软黏土的预固结方法，使用上述任意一项所述的预固结装置，包括以下步骤；
步骤一，将套筒底部套在下台座外侧，套筒底部悬空；
步骤二，将土样放置在套筒内后，将压板放置在土样上，在此过程中保持套筒位置不变；
步骤三，将吊绳一端连接套筒，吊绳另一端穿过定滑轮与平衡砝码固定，随后套筒悬空静止，处于重力平衡状态；
步骤四，当在2h内，土样的竖向位移小于0.01mm时，土样的预固结完成。
优选的，步骤一中，将套筒底部放置在下台座侧面的限位装置上；步骤三中将吊绳连接平衡砝码的第一端穿过定滑轮后，将限位装置拆除。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将套筒底部悬空，并且使用定滑轮和平衡砝码使套筒在悬空时保持受力平衡，在土样中的水流失的过程中，土样逐渐向下沉降，通过土样的粘性与套筒的摩擦力带动套筒一起向下运动，并且由于黏性和摩擦力使套筒不至于直接掉落，而是随着土样一起移动，减少了土样与套筒之间的相对运动，进而减小土样和筒壁的摩擦力，有效的减小了固结筒对土样的扰动，使变形更加符合实际、保证施加的力更多作用于土样的压缩变形，而非克服摩擦力，保证了重塑软黏土的均匀性。
进一步，下台座侧面设置有限位装置，使套筒在预固结前能够放置在上面，在往套筒中放置土样时，不需要用手去保持套筒稳定，拆除限位装置，能够使套筒直接变为重力平衡状态，方便操作，减少手动触碰套筒，使套筒移动的几率。
进一步，通过设置加载支架，对土样提供更大的压力，并且压力不会对套筒造成影响，设置上台座和上管道，使受压力向上涌出的水能够通过上管道流出。
进一步，通过O型圈对压板和支撑板进行密封，使得土样固结的区域为一个密封状态，防止预固结过程中土样挤出。
进一步，通过设置位移传感器，能够检测土样预固结沉降过程中的厚度变化。
进一步，套筒采用瓣式分体套筒，能够在土样预固结完成后的拆卸过程中，直接分体拆卸，避免套筒的上提或下拉对土样的摩擦。
进一步，连杆采用丝杠，顶板和底板均通过紧固螺帽与丝杠连接，便于顶板和底板的间距。
本发明还公开了重塑软黏土的预固结方法，通过在套筒底部悬空状态下，向套筒内加入土样，随后通过平衡砝码和定滑轮将套筒吊起，是套筒处于重力平衡状态，这样在土样中的水流失的过程中，土样逐渐向下沉降，通过土样的粘性与套筒的摩擦力带动套筒一起向下运动，并且由于黏性和摩擦力使套筒不至于直接掉落，而是随着土样一起移动，减少了土样与套筒之间的相对运动，进而减小土样和筒壁的摩擦力，保证了重塑软黏土的均匀性。
附图说明
图1为本发明的预固结装置结构示意图；
图2为本发明的加载支架部分结构示意图。
其中：1-顶板；2-丝杆；3-底板；4-位移传感器；5-定滑轮；6-平衡砝码；7-加载砝码；8-加载支架；8-1-通孔；8-2-竖杆；9-O型圈；10-上透水石板；11-套筒；12-带环螺栓；13-吊绳；14-下台座；15-销钉、16-排水管、17-钢箍；18-下透水石板；19-上台座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，包括支架和套筒11；
所述支架包括自上而下依次设置的顶板1、连杆和底板3，顶板1和底板3均与水平面平行且通过连杆固定，套筒11设置在顶板1和底板3之间；本实施例优选的连杆采用丝杆2。
顶板1底部固定有两组定滑轮5，套筒11上半部分连接有两根吊绳13一端，两根吊绳13另一端分别对应穿过其上方的定滑轮5后连接有平衡砝码6，两个平衡砝码6重量相加与套筒11重量相同。
底板3上设置有下台座14，下台座14顶面设置有支撑板，支撑板与套筒11内径相同，支撑板和下台座14设置有由支撑板顶部连通至下台座14外部的下管道；套筒11底部套在上台座19外侧，套筒11底部悬空，当套筒11内部放置有土样时，土样上方设置有压板，压板直径与套筒11内径相同。
上台座19和下台座14均为圆柱体，且与套筒11内径相同，压板和支撑板都采用透水石板，并且与套筒11内径相同，压板为上透水石板10，支撑板为下透水石板18，上透水石板10上方设置有加载支架8，加载支架8顶部为平面，用于放置加载砝码7，加载支架8底部设置有上台座19，上台座19设置有由上台座19设底部连通至套筒11上方外部的上管道，下管道由下台座14顶部连通至下台座14外部，上管道和下管道内都设置有排水管16，用于排出固结过程中的水分。
顶板1的两侧开有螺纹通孔，底板3的相应位置处开有螺孔，两根竖直的丝杆2分别穿过孔，通过紧固螺帽将底板3和顶板1固定连接；顶板1和底板3采用2-3cm厚钢板制成，保证试验所需的强度和刚度；带螺纹的丝杆2采用的钢制丝杆2制成，其长度应留有富余，便于调节顶板1和底板3的间距。
套筒11由三瓣模组成，每瓣的边缘为锯齿状，相互紧密咬合，采用这样的结构便于预固结土样拆样，外套一个钢箍17，防止预固结过程中的径向变形；所述三瓣模套筒11不与下台座14固定，套筒11顶部固定两个带环螺栓12，连接吊绳13一端，吊绳13另一端穿过定滑轮5与平衡砝码6连接，使得三瓣模套筒11与平衡砝码6静态平衡，在土样预固结对套筒11产生侧壁摩擦力的过程中，可以随土样同时变化，进而减少更大侧壁摩阻力的产生。
上台座19底部和下台座14顶部均设置有U型槽，用于安放O型圈9，使得土样固结区域为一个密封状态，防止预固结过程中土样挤出。
顶板1底部固定有位移传感器4，位移传感器4位于上透水石板10正上方，感应头朝向上透水石板10，本实施例优选的采用LVDT位移传感器，LVDT位移传感器的衔铁自由端与竖杆顶部固定，测量土样预固结沉降变形。
如图2所示，加载支架8上部为两侧带有通孔8-1，中间带有竖杆8-2的圆盘，通孔8-1用于吊绳13穿过，竖杆8-2用于保证加载砝码7放置在中心位置。
下台座14两侧安装两个可拆卸销钉15，作为限位装置，安装销钉15后，可支撑套筒11，防止土样制样过程中，套筒11的运动，土样制样完成，拔出销钉15，开始预固结，套筒11可随土样固结沉降而变化。
所述透水石板，与套筒11内径大小相同，厚度为1cm，分别放置预固结土样的顶部和底部，用于土样固结过程的排水。
使用本装置进行重塑软黏土的预固结时，先将顶板1、底板3和两根丝杠连接，组装成支撑架，并在顶板1上用螺栓固定好两个定滑轮5和LVDT位移传感器，在底板3上固定好下台座14，下台座14上放置O型圈9和下透水石板18，下台座14上安装销钉15，将分为三瓣的套筒11拼接，并外套钢箍17放置散开，在将拼装好的套筒11底部套在下台座14外侧，套筒11底部放置在销钉15上，随后开始制样，土样分五层放置，分层压实。制样完成后，土样顶部自下向上依次放置上透水石板10、O型圈9、上台座19和加载支架8，将加载砝码7穿过竖杆8-2放置在加载支架8顶部，LVDT位移传感器的衔铁自由端与竖杆顶部固定，将吊绳13一端连接套筒11，吊绳13另一端穿过定滑轮5与平衡砝码6固定，然后将拔出销钉15，使套筒11处于重力平衡状态，开始预固结，固结沉降过程中，浮动式套筒11随之运动，极大较少土样与套筒11的相对位移，减少土样的侧壁摩阻力。当在2h内，土样的竖向位移小于0.01mm时，土样的预固结完成。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，包括支架和套筒（11）；
所述支架包括自上而下依次设置的顶板（1）、连杆（2）和底板（3），顶板（1）和底板（3）均与水平面平行且通过连杆固定，套筒（11）设置在顶板（1）和底板（3）之间；
顶板（1）底部固定有定滑轮（5），套筒（11）上半部分连接有吊绳（13）一端，吊绳（13）另一端穿过定滑轮（5）连接有平衡砝码（6），平衡砝码（6）与套筒（11）重量相同；
底板（3）上设置有下台座（14），下台座（14）顶面放置有下透水石板（18），下透水石板（18）与套筒（11）内径相同，下透水石板（18）和下台座（14）设置有由下透水石板（18）底部连通至下台座（14）外部的下管道；套筒（11）底部套在下台座（14）外侧，套筒（11）底部悬空，当套筒（11）内部放置有土样后，土样上方放置有上透水石板（10），直径与套筒（11）内径相同；
下台座（14）侧面设置有限位装置；
上透水石板（10）上方设置有加载支架（8），加载支架（8）顶部为平面，用于放置压块，加载支架（8）底部设置有上台座（19），上台座（19）设置有由上台座（19）底部连通至套筒（11）上方外部的上管道。
2.根据权利要求1所述的一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，上透水石板（10）顶部与下透水石板（18）底部均设置有O型圈（9），O型圈（9）外径与套筒（11）内径相同。
3.根据权利要求1所述的一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，顶板（1）底部固定有位移传感器（4），位移传感器（4）位于上透水石板（10）正上方，感应头朝向上透水石板（10）。
4.根据权利要求1所述的一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，下台座（14）和下透水石板（18）均与套筒（11）内径相同，下管道由下台座（14）顶部连通至下台座（14）外部。
5.根据权利要求1所述的一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，套筒（11）采用瓣式分体套筒（11），瓣式分体套筒（11）外侧嵌套有钢箍（17）。
6.根据权利要求1所述的一种浮动式重塑软黏土的预固结装置，其特征在于，连杆采用丝杠，顶板（1）和底板（3）均通过紧固螺帽与丝杠连接。
7.一种重塑软黏土的预固结方法，其特征在于，使用权利要求1-6任意一项所述的预固结装置，包括以下步骤；
步骤一，将套筒（11）底部套在下台座（14）外侧，套筒（11）底部悬空；
步骤二，将土样放置在套筒（11）内后，将上透水石板（10）放置在土样上，在此过程中保持套筒（11）位置不变；
步骤三，将吊绳（13）一端连接套筒（11），吊绳（13）另一端穿过定滑轮（5）与平衡砝码（6）固定，随后套筒（11）悬空静止，处于重力平衡状态；
步骤四，当在2h内，土样的竖向位移小于0.01mm时，土样的预固结完成。
8.根据权利要求7所述的一种重塑软黏土的预固结方法，其特征在于，步骤一中，将套筒（11）底部放置在下台座（14）侧面的限位装置上；步骤三中将吊绳（13）连接平衡砝码（6）的第一端穿过定滑轮（5）后，将限位装置拆除。
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