CN115476423A - 一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，通过组装成型模具，使柔性导电网在渗流路径上不干扰砂的放置，且在砂放置完成后柔性导电网切入砂的渗流路径且不影响渗流固化液的流动。本发明克服现有渗流固化砂土的自感知试样中，难以安置插入试样的测量电阻的四个导电网的问题。

Description

一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其涉及一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法。

背景技术

硅溶胶渗流经过砂土形成固化的硅凝胶-砂复合体。硅溶胶中掺杂有碳纳米管后，形成的碳纳米管增强的硅凝胶-砂复合体，其电阻会随压力以及损伤而变化，因此碳纳米管增强的硅凝胶-砂复合体可以作为自感知材料监测固化的砂土地基受力以及损伤情况。因此需要制作碳纳米管增强的硅凝胶-砂复合体试样，从而进行压力和电阻关系测试。

虽然在混凝土中，已有文献制作碳纳米管掺杂的混凝土试样且测试压力与电阻关系，但是混凝土试样是直接搅拌而成，而在搅拌而成的试样中插入导电铜网或金属片作为测量电阻的电极较为容易。但是硅溶胶固化砂土不同之处在于硅溶胶不是基于搅拌来固化砂土，而是通过渗流来固化砂土，因此渗流固化砂土试样的情况下，如何在试样中插入测量电阻的四个电极成为较为困难的问题。另外，在硅溶胶渗流砂土的渗流路径上垂直放置导电网时，砂土固化后导电网的后方会形成空洞，如何监测以及压实此空洞也是较为困难的问题。

发明内容

本发明为了克服现有渗流固化砂土的试样中，难以安置插入砂试样中用于测量电阻的四个导电网的问题，以及在硅溶胶渗流砂土的渗流路径上避免导电网后方形成空洞，本发明提供了一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法。

本发明的技术方案如下所示：

一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，包括以下步骤：

步骤1，组装成型模具，所述成型模具包括第一面板、第二面板、第三面板、第四面板及底板，所述第一面板、第二面板、第三面板及第四面板围设形成包围框，所述包围框与底板连接形成容纳砂试样的砂土成型腔，底板开设与所述砂土成型腔连通的硅溶胶输入口；所述第二面板从上到下依次开设四个输入通孔，所述输入通孔一端设置在第二面板顶部、且另一端设置在第二面板内侧，所述第四面板从上到下依次开设与四个输入通孔配合的四个输出通孔；

步骤2，放置柔性导电网，所述柔性导电网两端均设置有拉线，四个柔性导电网分别设置在四个输入通孔内，设置在柔性导电网一端的拉线经过砂土成型腔、对应的输出通孔后延伸至输出通孔外；

步骤3，放置砂，将砂灌入成型模具的砂土成型腔内形成砂试样，此时柔性导电网位于输入通孔内且不阻挡灌砂；

步骤4，移动柔性导电网，拉动每个柔性导电网延伸至输出通孔外的拉线，使柔性导电网水平铺展至砂试样内部，且柔性导电网部分探出砂试样侧部；

步骤5，注射硅溶胶，将硅溶胶输入口与硅溶胶注射装置的输出端连通，通过硅溶胶注射装置从底部将硅溶胶加压渗流经过成型模具中的砂；

步骤6，拆除成型模具，砂中的硅溶胶固化为硅凝胶胶结砂颗粒后，拆除成型模具。

优选地，执行所述步骤5后，对每一柔性导电网，来回拉动其两端的拉线直至两端拉线的拉力差稳定。

优选地，所述拉力差稳定的判定方法为：循环来回拉动柔性导电网两端拉线并监测两端拉线拉力T₁和T₂；计算每个循环中拉力差的峰值；绘制拉力差的峰值变化曲线，当连续若干个峰值差均在预设范围内，则拉力差稳定。

优选地，执行所述步骤5之后，封闭成型模具底部的硅溶胶输入口，成型模具配合砂土成型腔内的砂设有压实件，在成型模具底部设置弹簧，弹簧底部固定，在成型模具顶部设置加速度传感器，在加速度传感器上设置磁铁块，配合磁铁块设置电磁铁；确定通入电磁铁的电流的最佳频率，并对电磁铁通入此最佳频率的电流。

优选地，所述压实件为盖板或透水石，所述盖板固定设置在成型模具顶部，砂填充满砂土成型腔；所述透水石设置在砂土成型腔内的砂顶部。

优选地，所述最佳频率的确定方法为：对电磁铁通从小至大的不同频率电流，同时通过加速度传感器记录不同频率电流下的加速度曲线，将加速度最大时通入电磁铁的电流对应电流频率作为最佳频率。

优选地，所述最佳频率的确定方法为：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线与第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1；

在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝2，3，...；

所述第一曲线

所述第二曲线

其中，弹簧刚度为k，含有砂土的成型模具、加速度传感器和磁铁块的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

优选地，所述最佳频率的确定方法为：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1，2，3，...，

所述第一曲线

所述第二曲线

其中，弹簧刚度为k，含有砂土的成型模具、加速度传感器和磁铁块的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

优选地，所述基于交点计算电流频率ω_i，i＝1，2，3，...包括以下步骤：

(1)在

区间上，i＝1，2，3，...，以

为横坐标，取

(2)取b₁＝(i-1)×π，

n为正整数；

(3)取依次增大的b₁，b₂，...，b_j，...，b_n，j为整数且1≤j≤n；

(4)计算H₁，H₂，...，H_j，...，H_n，H_j＝y₁(b_j)-y₂(b_j)；

(5)计算Z₁，Z₂，...，Z_t，...，Z_n-1，t为整数且1≤t≤n-1，Z_t＝H_jH_j+1|_j＝t；

(6)寻求Z_t＜0时对应的b_j，将b_j赋值给b₁，将b_j+1赋值给b_n；

(7)重复(3)至(6)，直至最近的两个b_j的差值小于误差容许值；

(8)将最近得到的b_j赋值给x，计算

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可克服现有渗流固化砂土的试样中，难以安置插入试样的测量电阻的四个导电网的问题，以及在硅溶胶渗流砂土的渗流路径上避免导电网后方形成空洞。

附图说明

图1为本发明的成型模具的剖视图。

图2为本发明的成型模具的俯视图。

图3为本发明的成型模具中砂土固化成型示意图。

图4为本发明压实件为盖板时砂土试样振动示意图。

图5为本发明压实件为透水石时砂土试样振动示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，具体包括以下6个步骤。

步骤1，组装成型模具2，如图2和图3(a)，所述成型模具2包括第一面板7、第二面板8、第三面板9、第四面板10及底板11，所述第一面板7、第二面板8、第三面板9及第四面板10围设形成包围框，所述包围框与底板11连接形成容纳砂试样3的砂土成型腔，底板11开设与所述砂土成型腔连通的硅溶胶输入口12；所述第二面板8从上到下依次开设四个输入通孔13，所述输入通孔13一端设置在第二面板8顶部、且另一端设置在第二面板8内侧，所述第四面板10从上到下依次开设与四个输入通孔13配合的四个输出通孔14。

参照图1-2所示，本实施例中，第一面板7和第三面板9对称设置，第二面板8和第四面板10对称设置，第一面板7、第二面板8、第三面板9及第四面板10间通过玻璃胶粘接形成包围框，包围框通过玻璃胶设置在底板11顶部，包围框与底板11连接形成顶部开口的砂土成型腔。第二面板8上设置的四个输入通孔13呈L形，四个输入通孔13从上往下设置且互不连通；第四面板10上设置的四个输出通孔14也为L形，四个输出通孔14从上往下设置且互不连通；四个输入通孔13与四个输出通孔14一一对应，并结合砂土成型腔形成供柔性导电网15移动、平铺的移动通道，一一对应的输入通道和输出通道对称设置。

步骤2，放置柔性导电网15，如图3(b)所示，所述柔性导电网15两端均设置有拉线16，四个柔性导电网15分别设置在四个输入通孔13内，设置在柔性导电网15一端的拉线16经过砂土成型腔、对应的输出通孔14后延伸至输出通孔14外。

四个柔性导电网15分别放置于第二面板8的四个输入通孔13中、或部分延伸出第二面板8的顶面；每个柔性导电网15两端均设有拉线16，每个柔性导电网15的一端拉线16通过输入通孔13且延伸出第二面板8的顶面，柔性导电网15的另一端拉线16位于第四面板10的输出通孔14内且延伸至输出通孔14外，通过设置拉线16，便于人为拉动拉线16从而使得柔性电网在人为作用下水平伸展。

步骤3，放置砂3，如图3(c)所示，将砂灌入成型模具2的砂土成型腔内直至指定高度形成砂试样，此时柔性导电网15位于输入通孔13内且不阻挡灌砂，灌好砂后，柔性导电网15不位于砂土试样内。

步骤3中，在灌砂之前需要封堵设置在底板11的硅溶胶输入口12。

步骤4，移动柔性导电网15，如图3(c)所示，拉动每个柔性导电网15延伸至输出通孔14外的拉线16，使柔性导电网15水平铺展至砂试样内部，且柔性导电网15部分探出砂试样侧部。

步骤4中，四个柔性导电网15不相互接触，砂土试样竖直放置。

步骤5，注射硅溶胶6，如图3(c)所示，将硅溶胶输入口12与硅溶胶注射装置1的输出端连通，通过硅溶胶注射装置1将硅溶胶加压渗流经过成型模具2中的砂，如图3(d)所示。

步骤5中，需要解封步骤3中封堵的硅溶胶输入口12，并将硅溶胶输入口12与硅溶胶注射装置1的输出端连通，硅溶胶从底部往上渗流经过成型模具2中的砂，待渗流完成后，拆除硅溶胶注射装置1并重新封堵硅溶胶输入口12。

本发明中，硅溶胶注射装置1包括压力控制器4和加压腔室5，加压腔室5内设有硅溶胶，加压腔室5的输出端与硅溶胶的输入口连通，可通过压力控制器4推动加压腔室5内的硅溶胶渗流经过成型模具2中的砂试样；硅溶胶注射装置1也可以由蠕动泵和贮液箱配合形成，贮液箱内存储硅溶胶，通过蠕动泵驱动贮液箱中的硅溶胶渗流经过成型模具2中的砂试样；硅溶胶注射装置1的具体结构设置为本领域的公知常识，本领域技术人员可根据实际情况自行设置。

本发明中，硅溶胶中分散有碳纳米管或石墨烯，从而使碳纳米管或石墨烯增强的硅凝胶-砂复合体具有压力-电阻效应；或砂中混合有碳纤维，然后用硅溶胶渗流固化后，使固化土体具有压力-电阻效应。

步骤6，拆除成型模具2，待砂中的硅溶胶固化为硅凝胶胶结砂颗粒后，拆除成型模具2。

步骤6中，待拆除成型模具2后，得到硅凝胶-砂复合体，在该硅凝胶-砂复合体从下至上的四个柔性电网中，将上下两端的两个柔性导电网15作为连接恒定电流的电极，中间的两个柔性导电网15作为测电压的电极，由电压和电流可以测得固化的砂土试样在受压力时的电阻变化。

实施例2：

一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，该方法包括7个子步骤。

步骤1，组装成型模具2。

步骤2，放置柔性导电网15。

步骤3，放置砂。

步骤4，移动柔性导电网15。

步骤5，注射硅溶胶。

本实施例中的步骤1-5与实施例1相同。

步骤6，对每一柔性导电网15，循环来回拉动其两端的拉线16直至两端拉线16的拉力差稳定。

具体来说，先拉一端拉线16，再拉另一端拉线16，形成一次循环，按上述过程反复拉动柔性导电网15，监测每个柔性导电网15两端拉线16的拉力T₁和T₂，并计算每个循环中拉力差|T₁-T₂|的峰值，绘制拉力差的峰值随循环次数的变化曲线，当曲线趋于稳定时，停止拉动拉线16。这里的“拉力差的峰值随循环次数的变化曲线”具体为：将循环拉动次数(或时间)作为横坐标，将拉力差设置为纵坐标，绘制拉力差曲线，当拉力差稳定时，柔性导电网15受到砂的摩擦力稳定。这里的“曲线趋于稳定”为当连续若干个峰值差均在预设范围内。

本实施例步骤6中，通过监测柔性导电网15两端拉线16的拉力T₁和T₂，可以防止水平铺设的柔性导电网15后方的固化砂土试样出现空洞。

这里需要注意的是，停止拉动后，柔性导电网15仍水平铺展至砂试样内部，柔性导电网15侧部探出砂土试样侧边，四个柔性导电网15不相互接触，砂试样竖直放置。

步骤7，拆除成型模具2，待砂土中的硅溶胶固化为硅凝胶胶结砂颗粒后，拆除成型模具2。

实施例3

本实施例的步骤与实施例2的步骤基本一致，区别仅在于步骤6中防止水平铺设的柔性导电网15后方的固化砂土试样出现空洞的方法不同，具体为：

封闭成型模具2底部的硅溶胶输入口12，成型模具2配合砂土成型腔内的砂设有压实件，将弹簧17固定设置在成型模具2底部，且弹簧17底部固定在地面上，将加速度传感器18固定设置在成型模具2顶部，将磁铁块19固定设置在加速度传感器18顶部，磁铁块19附近配合设置电磁铁20；确定通入电磁铁20的电流的最佳频率，并对电磁铁20通入此最佳频率的电流。

这里，压实件为盖板或透水石21，参照图4，当压实件为盖板时，盖板固定设置在成型模具2顶部，砂填充满砂土成型腔，该加速度传感器18嵌设在盖板顶部，当然加速度传感器18也可设置在成型模具2顶部除盖板以外的其他位置，本领域技术人员可根据实际情况自行设置。参照图5，当所述压实件为透水石21时，则无需盖板，透水石21安放在砂土成型腔内的砂顶部，透水石21仅是与砂土成型腔内砂试样顶部接触，透水石21让硅溶胶流过但不让砂颗粒通过，振动过程中硅溶胶渗流经过透水石21，从而压实砂土试样，防止平铺的柔性导电网15后方的固化砂试样出现空洞。

该确定通入电磁铁20的电流的最佳频率的方法包括有以下三种。方法1需要对电磁铁20通入的不同频率电流进行扫描，方法2和方法3均无需对电磁铁20通入的不同频率电流进行扫描，可快速确定对电磁铁20通入的电流的电流频率。

方法1：

对电磁铁20通从小到大的不同频率电流，磁铁块19受电磁铁20吸力产生振动，记录不同频率电流下加速度传感器18的加速度曲线，将加速度最大时通入电磁铁20的电流对应电流频率作为最佳频率。对电磁铁20通入该最佳频率的电流，实现磁铁块19的振动，从而防止平铺的柔性导电网15后方的固化砂土试样出现空洞。

方法2：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线与第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1；

在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝2，3，...；取频率ω_i作为电磁铁20通入的电流频率，这里的第一曲线

第二曲线

其中，弹簧17刚度为k，含有砂土的成型模具2、加速度传感器18和磁铁块19的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具2的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

方法3：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1，2，3，...，取频率ω_i作为电磁铁20通入的电流频率；这里的第一曲线

第二曲线

其中，弹簧17刚度为k，含有砂土的成型模具2、加速度传感器18和磁铁块19的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具2的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

由于共振频率可以有很多值，本发明中只要寻找一个共振频率即可，方法2和方法3中，一般来说i＝1时成型模具2的振动幅度最大，因此电磁铁20融入的电流频率优选ω₁。

这里，基于交点计算电流频率包括以下步骤：

(1)在

区间上，i取大于0的整数，i＝1，2，3，...，以

为横坐标，取

(2)取b₁＝(i-1)×π，

n为正整数；

(3)取依次增大的b₁，b₂，...，b_j，...，b_n，j为整数且1≤j≤n；

(4)计算H₁，H₂，...，H_j，...，H_n，H_j＝y₁(b_j)-y₂(b_j)；

(5)计算Z₁，Z₂，...，Z_t，...，Z_n-1，t为整数且1≤t≤n-1，Z_t＝H_jH_j+1|_j＝t；

(6)寻求Z_t＜0时对应的b_j，将b_j赋值给b₁，将b_j+1赋值给b_n；

(7)重复(3)至(6)，直至最近的两个b_j的差值小于误差容许值，这里，误差容许值可以为10^-6；

(8)将最近得到的b_j赋值给x，计算

需要说明的是，b₁和b_n基于(2)或(6)直接确定，(3)中的b₂，...，b_j，...，b_n-1的取值只要满足b₁，b₂，...，b_j，...，b_n依次增大即可，b_j可以等间距或非等间距取值。

Claims (9)

1.一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，组装成型模具，所述成型模具包括第一面板、第二面板、第三面板、第四面板及底板，所述第一面板、第二面板、第三面板及第四面板围设形成包围框，所述包围框与底板连接形成容纳砂试样的砂土成型腔，底板开设与所述砂土成型腔连通的硅溶胶输入口；所述第二面板从上到下依次开设四个输入通孔，所述输入通孔一端设置在第二面板顶部、且另一端设置在第二面板内侧，所述第四面板从上到下依次开设与四个输入通孔配合的四个输出通孔；

步骤2，放置柔性导电网，所述柔性导电网两端均设置有拉线，四个柔性导电网分别设置在四个输入通孔内，设置在柔性导电网一端的拉线经过砂土成型腔、对应的输出通孔后延伸至输出通孔外；

步骤3，放置砂，将砂灌入成型模具的砂土成型腔内形成砂试样，此时柔性导电网位于输入通孔内且不阻挡灌砂；

步骤4，移动柔性导电网，拉动每个柔性导电网延伸至输出通孔外的拉线，使柔性导电网水平铺展至砂试样内部，且柔性导电网部分探出砂试样侧部；

步骤5，注射硅溶胶，将硅溶胶输入口与硅溶胶注射装置的输出端连通，通过硅溶胶注射装置从底部将硅溶胶加压渗流经过成型模具中的砂；

步骤6，拆除成型模具，砂中的硅溶胶固化为硅凝胶胶结砂颗粒后，拆除成型模具。

2.如权利要求1所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，执行所述步骤5后，对每一柔性导电网，来回拉动其两端的拉线直至两端拉线的拉力差稳定。

3.如权利要求2所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述拉力差稳定的判定方法为：循环来回拉动柔性导电网两端拉线并监测两端拉线拉力T₁和T₂；计算每个循环中拉力差的峰值；绘制拉力差的峰值变化曲线，当连续若干个峰值差均在预设范围内，则拉力差稳定。

4.如权利要求1所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，执行所述步骤5之后，封闭成型模具底部的硅溶胶输入口，成型模具配合砂土成型腔内的砂设有压实件，在成型模具底部设置弹簧，弹簧底部固定，在成型模具顶部设置加速度传感器，在加速度传感器上设置磁铁块，配合磁铁块设置电磁铁；确定通入电磁铁的电流的最佳频率，并对电磁铁通入此最佳频率的电流。

5.如权利要求4所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述压实件为盖板或透水石，所述盖板固定设置在成型模具顶部，砂填充满砂土成型腔；所述透水石设置在砂土成型腔内的砂顶部。

6.如权利要求4所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述最佳频率的确定方法为：对电磁铁通从小至大的不同频率电流，同时通过加速度传感器记录不同频率电流下的加速度曲线，将加速度最大时通入电磁铁的电流对应电流频率作为最佳频率。

7.如权利要求4所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述最佳频率的确定方法为：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线与第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1；

在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝2，3，...；

所述第一曲线

所述第二曲线

其中，弹簧刚度为k，含有砂土的成型模具、加速度传感器和磁铁块的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

8.如权利要求4所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述最佳频率的确定方法为：

以

为横坐标，在

区间上，寻求第一曲线和第二曲线的交点，基于交点计算电流频率ω_i，i＝1，2，3，...，所述第一曲线

所述第二曲线

其中，弹簧刚度为k，含有砂土的成型模具、加速度传感器和磁铁块的总长度和平均密度为分别为L和ρ，含有砂土的成型模具的截面积为S、杨氏模量为E、波速为a₀；

选择其中一个电流频率ω_i，i＝1，2，3，...作为最佳频率。

9.如权利要求8所述的一种渗流固化砂土的自感知试样成型方法，其特征在于，所述基于交点计算电流频率ω_i，i＝1，2，3，...包括以下步骤：

(1)在

区间上，i＝1，2，3，...，以

为横坐标，取

(2)取b₁＝(i-1)×π，

n为正整数；

(3)取依次增大的b₁，b₂，...，b_j，...，b_n，j为整数且1≤j≤n；

(4)计算H₁，H₂，...，H_j，...，H_n，H_j＝y₁(b_j)-y₂(b_j)；

(5)计算Z₁，Z₂，...，Z_t，...，Z_n-1，t为整数且1≤t≤n-1，Z_t＝H_jH_j+1|_j＝t；

(6)寻求Z_t＜0时对应的b_j，将b_j赋值给b₁，将b_j+1赋值给b_n；

(7)重复(3)至(6)，直至最近的两个b_j的差值小于误差容许值；

(8)将最近得到的b_j赋值给x，计算

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