CN112525649B - 一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪及方法 - Google Patents

Abstract

一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，包括一号浆液存放箱、一号蠕动泵、一号注浆管、二号浆液存放箱、二号蠕动泵、二号注浆管、一号橡胶塞、砂样压实筒、压实筒管箍、复合塞、渗出液出液管、二号橡胶塞、有机玻璃皿、三号橡胶塞、多余浆液出液管、渗出液收集皿以及多余浆液收集皿。一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样方法，先在所有砂样压实筒中放入土粒粒径为0.075mm～4mm的砂土，分层压实后形成设定直径范围，高度范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的固化砂土圆柱体试样。本发明提高所制试样固化效果与整体性，提高制样效率，提高了制样精度和适用范围。

Description

一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪及方法

技术领域

本发明属于岩土工程学科、化学、微生物、高分子材料等多学科交叉的试样固化技术领域，涉及一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪及方法。

背景技术

在诸如地震、波浪、列车荷载等循环荷载作用下，松散的砂土地基易产生液化，进而诱发地基失稳甚至房屋倒塌，因此可液化砂土固化技术在岩土工程应用前景广阔。可液化砂土原位固化技术，是向可液化砂土中注入高聚物、砂浆、水泥或者可诱导生成碳酸钙的微生物浆液等，提高可液化砂土的强度和粘结性能，以解决地震、波浪、列车等动力作用诱发松散砂土地基液化问题。

为充分研究固化后砂土的动、静力学特性，通常需开展相应的动、静力三轴试验，然而目前关于能够实现可液化砂土三轴圆柱体试样制样、原位固化一体化的仪器装置尚未见诸报道，亟需开展相应技术研究。

发明内容

为了克服现有可液化砂土三轴试样无扰动注浆技术的不足，本发明提供一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪及方法，该制样仪有助于提高所制试样固化效果与整体性，而且可同时实现4个可液化砂土三轴试样的原位注浆加固，显著提高制样效率。本发明的仪器共有两种规格，可分别制取不同尺寸的试样，实现制样和原位固化一体化，显著提高了制样精度和适用范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，包括一号浆液存放箱、一号蠕动泵、一号注浆管、二号浆液存放箱、二号蠕动泵、二号注浆管、一号橡胶塞、砂样压实筒、压实筒管箍、复合塞、渗出液出液管、二号橡胶塞、有机玻璃皿、三号橡胶塞、多余浆液出液管、渗出液收集皿以及多余浆液收集皿；

所述的一号浆液存放箱内装有通过一号蠕动泵与一号注浆管直接注入有机玻璃皿中的浆液；所述的二号浆液存放箱内装有通过二号蠕动泵和二号注浆管直接注入试样内的浆液；二号注浆管中间、渗出液出液管底部以及多余浆液出液管底部均连有一段橡皮管；所述的砂样压实筒是双瓣模通过压实筒管箍固定得到，该双瓣模由筛分网片与纵、横钢骨架焊接而成，以确定筛分网片的孔洞能使有机玻璃皿中的浆液环向渗入试样中，双瓣模组合时由双瓣模外边缘焊接的钢骨架龙骨平面紧密贴合以确保压实筒管箍能紧箍压实筒双瓣模，压实筒内壁标有间距为10mm的主刻度线和间距为2mm的次刻度线；所述的有机玻璃皿呈圆筒状，其顶部与底部等间隔设有圆孔，有机玻璃皿顶部与底部的孔为对称分布，有机玻璃皿顶部圆孔中布置在两边的圆孔用于安装二号橡胶塞，有机玻璃皿底部布置在两边的圆孔用于安装三号橡胶塞，顶部其余圆孔用于安装一号橡胶塞，底部其余四个圆孔用于安装复合塞；所述的一号橡胶塞为上部圆柱下部圆台的组合体，将一号橡胶塞插入有机玻璃皿对应孔洞内至圆柱底面紧贴有机玻璃皿时圆台底部恰好位于砂样压实筒内壁上限，一号橡胶塞底部圆心处有一个圆孔，二号注浆管出浆口插入设于一号橡胶塞塞底圆心处的预留孔至设定刻度线处，一号橡胶塞圆台部分设有与砂样压实筒水平截面形状完全重和的竖向嵌入缝；在二号橡胶塞圆孔内插入一号注浆管并使出浆口完全置于有机玻璃皿内，在三号橡胶塞内插入多余浆液出液管至塞顶；所述的复合塞主要由橡胶塞和无孔有机纤维棉组合生成，且有机纤维棉与橡胶塞都有与砂样压实筒横截面完全一致的嵌入缝；所述的渗出液出液管插入复合塞预留孔至橡皮塞与有机纤维棉交界处；所述的渗出液收集皿位于渗出液出液管下方，用于收集从试样中渗出的浆液；所述的多余浆液收集皿置于多余浆液出液管下方，用于收集多余浆液以备下次使用。

进一步，所述砂样压实筒置于有机玻璃皿内，该砂样压实筒筒壁密布注浆孔，该砂样压实筒外部所焊钢骨架的纵、横龙骨的横截面都是正方形。

所述制样仪包括两种规格，且每种制样仪一次可同时制作4个尺寸相同的试样。制样效率高且使用范围广。

该制样仪既通过砂样压实筒筒壁注浆孔从试样外部向内部注浆，又通过插入试样内部的注浆管从内而外注浆，实现了全方位立体式注浆，使得所制试样固化效果更均匀，整体性更强。

砂样压实筒为筛分网与纵、横钢骨架焊接而成的组合体，纵、横钢骨架能避免注浆过程中筛分网的变形，筛分网密布的筛孔能使有机玻璃皿中的浆液沿试样高度环向注入试样中，浆液流动路径增加，显著增高试样整体性。

有机玻璃皿中的浆液经多余浆液出液管流入多余浆液收集皿中，注入试样中渗出的液体通过渗出液出液管流入渗出液收集皿，如此分流方式既节约了多余浆液又避免了渗出液泄漏污染环境，此制样仪设计绿色环保且节约浆液。

一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样方法，先在所有砂样压实筒中放入土粒粒径为0.075mm～4mm的砂土，分层压实后形成直径为39.1mm或61.8mm，高度在80mm～100mm或130mm～150mm范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的固化砂土圆柱体试样。

进一步，四个砂样压实筒置于同一个有机玻璃皿中，因此4个试样受到的液压相同，且二号注浆管对每个砂样压实筒输入浆液速率相同，因此所制的试样固化效果接近一致，便于做对照试验。

制样仪同时实现4份可液化砂土三轴试样的原位加固，制样效率显著提高，且该制样仪共有两种规格，可分别制取直径为39.1mm、高80mm～100mm与直径为61.8mm、高130mm～150mm的可液化砂土试样，高度符合《土工试验方法标准》(2019版)规定的三轴试样高度在2D～2.5D范围内的规定。

本发明的有益效果主要表现在：可同时实现4份相同规格可液化砂土三轴试样的注浆加固，制样效率高，且本制样仪包含两种规格，可制取满足规范要求的两种规格试样，适用范围广。本制样仪所制的4件试样制样条件完全一致，便于做对照试验。本制样仪采用竖向注浆与横向注浆结合的方式显著提高了所制试样的固化效果，由于试样外部与内部同时注浆，注浆更均匀整体性更强并且砂样压实筒密布注浆孔，因此浆液从砂样压实筒外沿试样高度环向注入试样中，显著增加了浆液流动路径，提高了注浆制样效率与固化后试样的整体性。本制样仪有机玻璃皿中多余浆液流入多余浆液收集皿中，试样中渗出的液体流入渗出液收集皿中，如此分流方式既节约了浆液用量避免浪费，同时防止渗出液泄漏污染环境，本制样仪高度满足了新时代绿色环保节约资源的要求。本制样仪中砂样压实筒为双瓣模，便于可液化砂土三轴试样的制备和砂土试样固化后的拆模。

附图说明

图1是联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪示意图；

图2是所制试样内径为39.1mm砂样压实筒双瓣模示意图(单位：mm)，其中，(a)是主视图，(b)是俯视图，(c)是侧视图；

图3是所制试样内径为61.8mm砂样压实筒双瓣模示意图(单位：mm)，其中，(a)是主视图，(b)是俯视图，(c)是侧视图；

图4是有机玻璃皿示意图(单位：mm)，其中，(a)是主视图，(b)是侧视图，(c)是俯视图；

图5是一号橡胶塞示意图(单位：mm)其中，(a)是主视图，(b)是侧视图，(c)是俯视图，(d)是仰视图；

图6是二号/三号橡胶塞示意图(单位：mm)其中，(a)是主视图，(b)是侧视图，(c)是俯视图，(d)是仰视图；

图7是复合塞示意图(单位：mm)，其中，(a)是主视图，(b)是侧视图，(c)是俯视图，(d)是仰视图；

图1中：一号浆液存放箱—1、一号蠕动泵—2、一号注浆管—3、二号浆液存放箱—4、二号蠕动泵—5、二号注浆管—6、一号橡胶塞—7、砂样压实筒—8、压实筒管箍—9、复合塞—10、渗出液出液管—11、二号橡胶塞—12、有机玻璃皿—13、三号橡胶塞—14、多余浆液出液管—15、渗出液收集皿—16、多余浆液收集皿—17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，包括一号浆液存放箱1、一号蠕动泵2、一号注浆管3、二号浆液存放箱4、二号蠕动泵5、二号注浆管6、一号橡胶塞7、砂样压实筒8、压实筒管箍9、复合塞10、渗出液出液管11、二号橡胶塞12、有机玻璃皿13、三号橡胶塞14、多余浆液出液管15、渗出液收集皿16以及多余浆液收集皿17；

所述制样仪共有两种规格，分别可制作直径为39.1mm与61.8mm的圆柱试样，其中下述有关直径为61.8mm的试样制样方式与相关设备均以圆括号内容表示；所述制样仪是联动装置，可同时制作4个尺寸相同的试样；所述的一号浆液存放箱内装有通过一号蠕动泵与一号注浆管直接注入有机玻璃皿中的浆液；所述的二号浆液存放箱内装有通过二号蠕动泵和二号注浆管直接注入试样内的浆液；所述的注浆管与出液管皆为内径3mm、外径9mm的有机玻璃，其中二号注浆管中间、渗出液出液管底部以及多余浆液出液管底部均连有一段软质橡皮管，可通过木夹夹住橡皮管以达到无浆液通过的目的；所述的砂样压实筒是双瓣模通过压实筒管箍固定得到，该双瓣模由筛分网片与纵、横钢骨架焊接而成，筛分网片的孔洞能使有机玻璃皿中的浆液沿试样高度环向渗入试样中，双瓣模组合时由双瓣模外边缘焊接的钢骨架龙骨平面紧密贴合以确保压实筒管箍能紧箍压实筒双瓣模，并且钢骨架的设置可有效防止筛分网在制样过程中变形，压实筒内壁标有间距为10mm的主刻度线和间距为2mm的次刻度线，有利于分层压实并满足试样规定尺寸，制样时需先将砂样在压实筒内分层压实再将装有试样的砂样压实筒固定在有机玻璃皿中进行注浆固化；所述的有机玻璃皿呈圆筒状，壁厚3mm，内径为644.6mm，高150mm(或内径818.6mm，高200mm)，其顶部与底部每隔50mm设有一个内径为49.1mm(或内径为78.1mm)的圆孔，共6个，且有机玻璃皿顶部与底部的孔为对称分布，有机玻璃皿顶部6个圆孔中布置在两边的圆孔用于安装二号橡胶塞，有机玻璃皿底部布置在两边的圆孔用于安装三号橡胶塞，顶部其余4个圆孔用于安装一号橡胶塞，底部其余四个圆孔用于安装复合塞；所述的一号橡胶塞为上部圆柱下部圆台的组合体，圆台底部直径49.1mm(或78.1mm)顶部直径59.1mm(或88.1mm)，而圆柱直径79.1mm(或118.1mm)，将一号橡胶塞插入有机玻璃皿对应孔洞内至圆柱底面紧贴有机玻璃皿时圆台底部恰好位于砂样压实筒内壁上限，一号橡胶塞底部圆心处有一个直径为5mm的圆孔，二号注浆管出浆口插入设于一号橡胶塞塞底圆心处的预留孔至砂样压实筒筒壁刻度线70mm～80mm(或110mm～130mm)处，一号橡胶塞圆台部分设有与砂样压实筒水平截面形状完全重和的竖向嵌入缝，可以使橡胶塞与砂样压实筒能够紧密贴合以达到固定砂样压实筒的作用；所述的二号橡胶塞、三号橡胶塞与一号橡胶塞相比，除了没有嵌入缝之外，其余均相同，在二号橡胶塞圆孔内插入一号注浆管并使出浆口完全置于有机玻璃皿内，在三号橡胶塞内插入多余浆液出液管至塞顶；所述的复合塞主要由橡胶塞(与一号橡胶塞同规格)和无孔有机纤维棉组合生成，且有机纤维棉与橡胶塞圆台部分都有与砂样压实筒横截面完全一致的嵌入缝；所述的渗出液出液管插入复合塞预留孔至橡皮塞与有机纤维棉交界处；所述的渗出液收集皿位于渗出液出液管下方，用于收集从试样中渗出的浆液；所述的多余浆液收集皿置于多余浆液出液管下方，用于收集多余浆液以备下次使用。

进一步，所述砂样压实筒高150mm(或200mm)，内径39.1mm(或61.8mm)，壁厚0.5mm～1mm，置于有机玻璃皿内，该砂样压实筒筒壁上注浆孔孔径为0.075mm，各孔之间净距为1mm，该砂样压实筒外部所焊钢骨架纵横向净距皆为10mm，纵、横龙骨的横截面都是边长为3mm的正方形。

所述制样仪包括两种规格，且每种制样仪一次可同时制作4个尺寸相同的试样。制样效率高且使用范围广。

该制样仪既通过砂样压实筒筒壁注浆孔从试样外部向内部注浆，又通过插入试样内部的注浆管从内而外注浆，实现了全方位立体式注浆，使得所制试样固化效果更均匀，整体性更强。

砂样压实筒为筛分网与纵、横钢骨架焊接而成的组合体，纵、横钢骨架能避免注浆过程中筛分网的变形，筛分网密布的筛孔能使有机玻璃皿中的浆液沿试样高度环向注入试样中，浆液流动路径增加，显著增高试样整体性。

有机玻璃皿中的浆液经多余浆液出液管流入多余浆液收集皿中，注入试样中渗出的液体通过渗出液出液管流入渗出液收集皿，如此分流方式既节约了多余浆液又避免了渗出液泄漏污染环境，此制样仪设计绿色环保且节约浆液。

一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样方法，先在所有砂样压实筒中放入土粒粒径为0.075mm～4mm的砂土，分层压实后形成直径为39.1mm(或61.8mm)，高度在80mm～100mm(或130mm～150mm)范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的固化砂土圆柱体试样。

进一步，四个砂样压实筒置于同一个有机玻璃皿中，因此4个试样受到的液压相同，且二号注浆管对每个砂样压实筒输入浆液速率相同，因此所制的试样固化效果接近一致，便于做对照试验。

制样过程高效便利，该制样仪为联动式装置，可同时实现4份可液化砂土三轴试样的原位加固，制样效率显著提高，且该制样仪共有两种规格，可分别制取直径为39.1mm、高80mm～100mm与直径为61.8mm、高130mm～150mm的可液化砂土试样，高度符合《土工试验方法标准》(2019版)规定的三轴试样高度在2D～2.5D范围内的规定。

本实施例的工作过程为：取出砂样压实筒8双瓣模并将其内壁涂上凡士林，利用压实筒管箍9将其紧密结合成整体，将两个三号橡胶塞14插入至有机玻璃皿13底部布置在两边的圆孔，使得橡胶塞圆柱顶面紧贴有机玻璃皿13，将多余浆液出液管15插入三号橡胶塞14，并将管端位置固定至塞顶，用木夹夹住多余浆液出液管15尾部连接的橡皮管，将两个二号橡胶塞12插入有机玻璃皿13顶部两边的圆孔中，直至二号橡胶塞12圆柱底面紧贴有机玻璃皿13，将砂样压实筒8底部嵌入复合塞10的嵌入缝内，直至缝底，将砂土过5目筛(孔径为4mm)以及200目筛(孔径为0.075mm)，获得粒径为0.075mm～4mm的砂土试样。取出一个砂样压实筒8，利用击实锤并按照《土工试验方法标准》(2019)对砂样压实筒8中的砂土进行压实，每层压实3～4遍并达到分层设计高度10mm，如此逐层实施，直至达到倒数第二层，沿有机玻璃皿13底部剩余的圆孔中插入压实筒8，直至复合塞的圆柱部分顶部紧贴有机玻璃皿壁，将已经穿有一号橡胶塞7的二号注浆管6插入砂样压实筒8上端，手动控制二号注浆管6底端位于砂样压实筒8内壁刻度线70mm～80mm(或110mm～130mm)范围内，继续填筑直至达到设计高度，将一号橡胶塞7插入砂样压实筒8内，并使一号橡胶塞7圆柱部分底部紧贴有机玻璃皿13，取出其他三个砂样压实筒8重复上述步骤制样并将所有装有试样的砂样压实筒8固定在有机玻璃皿剩余圆孔内。将渗出液收集皿16放在所有渗出液出液管11下方以收集从渗出液出液管11中流出的液体，将两个多余浆液收集皿17分别放置在多余浆液出液管15下方，收集多余浆液以备下次使用。接下来开始注浆，首先取下所有木夹只在两根多余浆液出液管15尾部的橡皮管上安上木夹，在一号浆液存放箱1与二号浆液存放箱4内倒入足量浆液，打开一号蠕动泵2与二号蠕动泵5开始注浆，待渗出液出液管11内渗出液能够稳定流出且试样因孔隙堵塞无法继续注浆时视为注浆结束，将木夹夹住渗出液出液管11橡皮管部分。

注浆完成后，拔出一号注浆管3与二号注浆管6，静置规定时间后取下多余浆液出液管15尾部橡皮管的木夹使多余浆液流入至多余浆液收集皿17以备下次使用，完成静置固化时间后取出所有砂样压实筒8并解开砂样压实筒管箍9，取出固化后的4份试样，将试样放入压力室中，进行相关动、静力学三轴试验。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，其特征在于，包括一号浆液存放箱、一号蠕动泵、一号注浆管、二号浆液存放箱、二号蠕动泵、二号注浆管、一号橡胶塞、砂样压实筒、压实筒管箍、复合塞、渗出液出液管、二号橡胶塞、有机玻璃皿、三号橡胶塞、多余浆液出液管、渗出液收集皿以及多余浆液收集皿；

所述的一号浆液存放箱内装有通过一号蠕动泵与一号注浆管直接注入有机玻璃皿中的浆液；所述的二号浆液存放箱内装有通过二号蠕动泵和二号注浆管直接注入试样内的浆液；二号注浆管中间、渗出液出液管底部以及多余浆液出液管底部均连有一段软质橡皮管；所述的砂样压实筒是双瓣模通过压实筒管箍固定得到，该双瓣模由筛分网片与纵、横钢骨架焊接而成，以避免筛分网片发生变形，筛分网片上的孔洞能使有机玻璃皿中的浆液环向渗入试样中，双瓣模组合时由双瓣模外边缘焊接的钢骨架龙骨平面紧密贴合以确保压实筒管箍能紧箍压实筒双瓣模，压实筒内壁标有间距为10mm的红色主刻度线和间距为2mm的黑色次刻度线；所述的有机玻璃皿呈圆筒状，其顶部与底部等间隔设有相同直径圆孔，有机玻璃皿顶部与底部的孔为对称分布，有机玻璃皿顶部圆孔中布置在两边的圆孔用于安装二号橡胶塞，有机玻璃皿底部布置在两边的圆孔用于安装三号橡胶塞，顶部其余圆孔用于安装一号橡胶塞，底部其余四个圆孔用于安装复合塞；所述的一号橡胶塞为上部圆柱下部圆台的组合体，将一号橡胶塞插入有机玻璃皿对应孔洞内至圆柱底面紧贴有机玻璃皿时圆台底部恰好位于砂样压实筒内壁上限，一号橡胶塞底部圆心处有一个圆孔，二号注浆管出浆口插入设于一号橡胶塞塞底圆心处的预留孔至设定刻度线处，一号橡胶塞圆台部分设有与砂样压实筒水平截面形状完全重和的竖向嵌入缝；在二号橡胶塞圆孔内插入一号注浆管并使出浆口完全置于有机玻璃皿内，在三号橡胶塞内插入多余浆液出液管至塞顶；所述的复合塞主要由橡胶塞和无孔生化纤维棉组合生成，且生化纤维棉与橡胶塞圆台部分都有与砂样压实筒横截面完全一致的嵌入缝；所述的渗出液出液管插入复合塞预留孔至橡皮塞与生化纤维棉交界处；所述的渗出液收集皿位于渗出液出液管下方，用于收集从试样中渗出的浆液；所述的多余浆液收集皿置于多余浆液出液管下方，用于收集多余浆液以备下次使用，所述制样仪既通过砂样压实筒筒壁注浆孔从试样外部向内部注浆，又通过插入试样内部的注浆管从内而外注浆，实现了全方位立体式注浆；所述制样仪采用竖向注浆与横向注浆结合的方式显著提高了所制试样的固化效果；所述制样仪共有两种规格，可分别制取直径为39.1mm、高80mm～100mm与直径为61.8mm、高130mm～150mm的可液化砂土试样。

2.如权利要求1所述的一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，其特征在于，所述砂样压实筒置于有机玻璃皿内，该砂样压实筒筒壁密布注浆孔，该砂样压实筒外部所焊钢骨架的纵、横龙骨的横截面都是正方形。

3.如权利要求1或2所述的一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，其特征在于，筛分网密布的筛孔能使有机玻璃皿中的浆液沿试样高度环向注入试样中，浆液流动路径增加。

4.如权利要求1或2所述的一种联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪，其特征在于，有机玻璃皿中的浆液经多余浆液出液管流入多余浆液收集皿中，注入试样中渗出的液体通过渗出液出液管流入渗出液收集皿，如此分流方式既节约了多余浆液又避免了渗出液泄漏污染环境，此制样仪设计绿色环保且节约浆液。

5.一种如权利要求1所述的联动式可液化砂土三轴试样原位固化制样仪实现的制样方法，其特征在于，先在所有砂样压实筒中放入土粒粒径为0.075mm～4mm的砂土，分层压实后形成直径为39.1mm或61.8mm，高度在80mm～100mm或130mm～150mm范围内可调控的圆柱体试样，利用蠕动泵并按相关要求注浆，从而得到符合规范要求的固化砂土圆柱体试样。

6.如权利要求5所述的制样方法，其特征在于，四个砂样压实筒置于同一个有机玻璃皿中，因此4个试样受到的液压相同，且二号注浆管对每个砂样压实筒输入浆液速率相同，因此所制的试样固化效果接近一致，便于做对照试验，且制样效率显著提高。

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