CN117686297A - 一种可控孔隙比的环刀试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控孔隙比的环刀试样制备方法，包括：确定所需制备环刀试样的目标孔隙比e，准备制样原料；测定原料含水量，计算理论含水量；计算试样加水量，制备混合湿料；经振捣提高混合湿料饱和度；计算混合湿料孔隙比，重复调整试样含水量，获得孔隙比为e的混合湿料；计算孔隙比为e时湿料的饱和度；将混合湿料分盘后振捣保证其孔隙比不变；在混合湿料上布置环刀，环刀振捣下陷；养护并剥削试样，获得孔隙比为e的多个环刀试样。本发明通过控制试样的含水量，最大程度提高试样的饱和度，实现对孔隙比的精确调控，获得特定孔隙比的环刀试样，保障了制备试样的均匀性以及同批次试样孔隙比的一致性，同时避免了环刀取样的人为扰动。

Description

一种可控孔隙比的环刀试样制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种可控孔隙比的环刀试样制备方法。

背景技术

在土木工程实验研究中，环刀试样是一种常用的样品，对于评估试样物理力学性能、指导和改进土体材料结构性能等方面都起着关键作用。在土工试验中，经常需要对各种类型的土体指标进行测试，不同孔隙比的土体工程性质存在较大差异，所以室内实验中需要对试样的孔隙比进行调控，获得特定孔隙比的试样。现有的控制环刀试样孔隙比的方法有：压力控制、模具设计、掺入添加剂等，试样的孔隙比受多个因素的影响，如材料特性、制备条件等，但是单一手段往往难以精确控制其孔隙比，且大多控制手段可能会对试样的性能产生影响，或存在环刀取样困难及试样易受扰动的问题。目前研究人员一般采用上述常规方法制备环刀试样，特别是在需要控制孔隙比的情况下，常规方法常常无法满足实验的要求。

因此，设计开发出一种可控孔隙比的环刀试样制备方法并推广应用尤为必要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可控孔隙比的环刀试样制备方法，旨在对环刀试样孔隙比进行调控，并解决环刀取样易受扰动的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可控孔隙比的环刀试样制备方法，包括以下步骤：

S1、确定试样孔隙比，准备制样原料：确定所需制备环刀试样的目标孔隙比e，准备制样原料；

S2、测定原料含水量，计算理论含水量：测定试样原料中的含水量ω_i；根据试样目标孔隙比e，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁；

S3、计算试样加水量，制备混合湿料：将S1中的试样原料混合均匀后置于计量桶中，由试样含水量W_i(i＝1、2、3、4、……)计算试样加水量m_wi，向计量桶中加入定量蒸馏水，拌合均匀后获得混合湿料；

S4、振捣混合湿料，提高饱和度：将盛有混合湿料的计量桶置于振动台上，振捣混合湿料至无气泡排出，使其饱和度达85％以上，并记录振捣时长t；

S5、计算湿料孔隙比，重复进行试样含水量的调整，获得孔隙比为e的混合湿料：读取振捣后计量桶内混合湿料的体积V_mix，计算混合湿料孔隙比e_i；若e_i＝e，试样含水量W_i为合适含水量W，即W＝W_i；若e_i＞e或e_i＜e，则重复S3～S4直至e_i＝e，取W＝W_i；

S6、计算孔隙比为e时混合湿料的饱和度：待e_i＝e时，确定试样合适含水量W取值，获得满足试样孔隙比要求的混合湿料，计算该孔隙比下混合湿料的饱和度S_r；

S7、湿料分盘后振捣：将计量桶内孔隙比为e的混合湿料分装于盘中，使混合湿料的厚度超过环刀高度30～50mm；将盘放置于振动台上，通过控制振捣时长与S4中的振捣时长t相同，使混合湿料的饱和度与S6中饱和度S_r相同；

S8、布置环刀再振捣：准备多个环刀，将环刀刀口向下放置于混合湿料上，再次将盘放置于振动台上进行振捣，使环刀随振动自行下沉陷入混合湿料中，振捣时长与S4中一致，使混合料的饱和度与S6中饱和度S_r相同；

S9、定期养护，剥削试样：将内置有环刀的盘试样进行标准养护，待试样初凝或触变初步完成后，将整盘试样取出，沿环刀外围剥削得到单个环刀试样。

可控孔隙比的环刀试样制备方法可以通过调整制备过程中的参数和条件，实现对孔隙比的精确调控，获得特定孔隙比的环刀试样，这对于一些需要控制环刀试样孔隙比的实验研究非常重要；该方法适用于淤泥土样、泥炭土样、水泥土样等多种土样的环刀试样制备；适用于土体的密度试验、压缩试验、固结试验、直剪试验、渗透试验、渗压试验等多种规格的环刀试样制备。

另外，在满足试样均匀性的前提下，通过控制试样含水量，经振捣的方法提高其饱和度，可对环刀试样孔隙比进行调控，同时解决制样过程试样易受扰动的问题。该环刀试样制备方法操作简便、快速高效，一次可制备得到固定孔隙比的多个平行环刀试样，试样均匀性较好，制备得到试样的孔隙比与目标孔隙比差异可控制在3％之内，同时避免了环刀取样的人为扰动。

优选地，S2中所述根据试样目标孔隙比e，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁的计算公式为：

式中，m_si为试样原料干质量，单位为g；d_si为试样原料比重；V_si为试样原料颗粒体积，单位为cm³；ρ_w为水的密度，单位为g/cm³；V_w为水的体积，V_w＝S_r·∑V_si·e，式中S_r取85％。

优选地，S3中由试样含水量W_i(i＝1、2、3、……)计算试样加水量m_wi的计算公式为：

m_wi＝∑m_si·W_i-∑(m_si·ω_i)，i＝1、2、3…

式中，m_si为试样原料干质量，单位为g；ω_i为试样原料含水量。

优选地，S5中孔隙比e_i的计算公式为：

式中，V_mix为实测混合湿料体积，单位为cm³；∑V_si为试样原料颗粒体积总和，单位为cm³。

优选地，S6中饱和度S_r的计算公式为：

式中，V_w为水的体积，单位为cm³；V_mix为实测混合湿料体积，单位为cm³；∑V_si为试样原料颗粒体积总和，单位为cm³。

优选地，S9中所述剥削为使用削土刀或钢丝弓对试样进行剥削。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的环刀试样制备方法，在制备过程中，可通过控制试样的含水量，最大程度提高试样的饱和度，实现对环刀试样孔隙比的精确调控，获得特定孔隙比的试样，并保障制备试样的均匀性以及同批次试样孔隙比的一致性。

2、本发明提供的环刀试样制备方法，具有实施简单、可行性高、设备常见和造价低廉等特点，操作简便、高效且易于推广，同时制备得到的试样均匀性好，解决了以往制样过程中试样易受扰动的问题。

附图说明

图1是本发明中制备方法的流程图。

图2是本发明中计量桶置于振动台上振捣的示意图。

图3是本发明中孔隙比为e的混合湿料分装于盘中后进行振捣的示意图。

图4是本发明中布置环刀后环刀振捣下陷的示意图。

图5是本发明中剥削盘中试样得到单个环刀试样的示意图。

图中：1、计量桶；2、振动台；3、盘；4、环刀；5环刀试样。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

实施例1:制备孔隙比为1.85的水泥加固淤泥土环刀试样。

本实施例中所用的环刀4的规格为：Φ61.8*20mm，试样中水泥掺量为10％。

S1.确定试样e，准备制样原料：根据实验需求确定所需制备环刀试样的目标孔隙比e为1.85，准备所需原料如表1所示：

表1

材料	过1mm土工筛的黏性土	普通硅酸盐水泥
			比重(dsi)	2.84	-
干质量(msi/g)	2000.00	200.00

S2.测定原料ω_i，计算W₁：自然风干后过1mm土工筛的黏性土含水量ω_土为5.140％；根据试样目标孔隙比e＝1.85，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁为55％：

取W₁＝55％

S3.计算m_w1，制备混合湿料：将黏性土及水泥混合均匀后置于计量桶1中，由试样含水量W₁计算试样加水量m_w1，向计量桶1中加入997.20g蒸馏水，拌合均匀后获得(含水泥)淤泥土湿料：

m_w1＝∑m_s·W₁-m_s土·ω_土＝2000×55％-2000×5.140％＝997.20g

S4.振捣混合湿料，提高饱和度：将盛有(含水泥)淤泥土湿料的计量桶1置于振动台2上，振捣淤泥土湿料至无气泡排出，使湿料最大化饱和，记录振捣时长为3min。

S5.计算湿料e_i，重复进行试样含水量的调整，获得孔隙比为e的混合湿料：读取振捣后计量桶1内(含水泥)淤泥土湿料的体积V_mix为1950.55cm³，计算混合湿料孔隙比e₁＝1.770＜e，则重复S3～S4，重复过程中各参数如下表2所示：

表2

S6.计算孔隙比为e时混合湿料的饱和度：试样合适含水量W＝W₃＝60％，此时e₃＝1.857≈e，则获得满足试样孔隙比要求的(含水泥)淤泥土湿料，计算该孔隙比下混合湿料的饱和度S_r为91.78％：

S7.湿料分盘后振捣：将计量桶1内的(含水泥)淤泥土湿料分装于盘3中，使盘3中的淤泥土湿料的厚度约为50-70mm，将盘放置于振动台2上，控制振捣时长为3min，保证淤泥土湿料的饱和度不变。

S8.布置环刀再振捣：准备12个规格为Φ61.8×20mm的环刀4，将环刀刀口向下放置于淤泥土湿料上，再次将盘3放置于振动台上进行振捣，使环刀4随振动自行下沉陷入混合湿料中，振捣时长为3min，保证淤泥土湿料的饱和度不变。

S9.定期养护，剥削试样：将内置有环刀4的盘3试样进行标准养护，待(含水泥)淤泥土试样初凝后，将整盘试样取出，使用削土刀和钢丝弓沿环刀外围剥削得到12个淤泥土环刀试样5。

根据试样合适含水量W＝60％，重复以上制样步骤，制得不同批次同一掺量的(含水泥)淤泥土环刀试样如表3所示：

表3

本实施例中5个制样批次共制得同一掺量的环刀试样60个，不同批次试样的孔隙比与目标孔隙比(1.85)的误差均控制在3％之内，可进行后续渗压试验和固结实验等。

实施例2：制备孔隙比为1.80的水泥加固泥炭土环刀试样

本实施例中所用环刀4的规格为：Φ61.8×20mm，试样中水泥掺量为20％。

S1.确定试样e，准备制样原料：根据实验需求确定所需制备环刀试样的目标孔隙比e为1.80，准备所需原料如表4所示：

表4

材料	过1mm土工筛的黏性土	胡敏酸试剂	普通硅酸盐水泥
				比重(dsi)	2.84	1.85	-
干质量(msi/g)	1200.00	375.00	315.00

S2.测定原料ω_i，计算W₁：自然风干后过1mm土工筛的黏性土含水量ω_土为5.746％；根据试样目标孔隙比e＝1.80，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁为60％：

取W₁＝60％

S3.计算m_w1，制备混合湿料：将黏性土、胡敏酸及水泥混合均匀后置于计量桶1中，由试样含水量W₁计算试样加水量m_w1，向计量桶1中加入876.05g蒸馏水，拌合均匀后获得(含水泥)泥炭土湿料：

m_w1＝∑m_s·W₁-m_s土·ω_土＝(1200+315)×60％-1200×5.746％＝876.05g

S4.振捣混合湿料，提高饱和度：将盛有(含水泥)泥炭土湿料的计量桶1置于振动台2上，振捣泥炭土湿料至无气泡排出，使湿料最大化饱和，记录振捣时长为3min。

S5.计算湿料e_i，重复进行试样含水量的调整，获得孔隙比为e的混合湿料：读取振捣后计量桶1内(含水泥)泥炭土湿料的体积V_mix为1704.95cm³，计算混合湿料孔隙比e₁＝1.727＜e，则重复S3～S4，重复过程中各参数如下表5所示：

表5

S6.计算孔隙比为e时混合湿料的饱和度：试样合适含水量W＝W₃＝65％，此时e₃＝1.804≈e，则获得满足试样孔隙比要求的(含水泥)泥炭土湿料，计算该孔隙比下混合湿料的饱和度S_r为90.77％：

S7.湿料分盘后振捣：将计量桶1内的(含水泥)泥炭土湿料分装于盘3中，使盘3中的泥炭土湿料的厚度约为50-70mm，将盘放置于振动台2上，控制振捣时长为3min，保证泥炭土湿料的饱和度不变。

S8.布置环刀再振捣：准备12个规格为Φ61.8×20mm的环刀4，将环刀刀口向下放置于泥炭土湿料上，再次将盘3放置于振动台上进行振捣，使环刀4随振动自行下沉陷入混合湿料中，振捣时长为3min，保证泥炭土湿料的饱和度不变。

S9.定期养护，剥削试样：将内置有环刀4的盘3试样进行标准养护，待(含水泥)泥炭土试样初凝后，将整盘试样取出，使用削土刀和钢丝弓沿环刀外围剥削得到12个泥炭土环刀试样5。

根据试样合适含水量W＝65％，重复以上制样步骤，制得不同批次同一掺量的(含水泥)泥炭土环刀试样如表6所示：

表6

本实施例中6个制样批次共制得同一掺量的环刀试样72个，不同批次试样的孔隙比与目标孔隙比(1.80)的误差均控制在3％之内，可进行后续直剪试验等。

综上所述，本发明提供的环刀试样制备方法能够通过调整试样的含水量，以振捣的方式最大程度提高试样的饱和度，从而达到控制环刀试样孔隙比的目的。该方法操作简便、快速高效，一次可制备得到固定孔隙比的多个平行环刀试样，试样均匀性较好，制备得到试样的孔隙比与目标孔隙比差异可控制在3％之内，同时避免了环刀取样的人为扰动。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定试样孔隙比，准备制样原料：确定所需制备环刀试样的目标孔隙比e，准备制样原料；

S2、测定原料含水量，计算试样理论含水量：测定试样原料中的含水量ω_i；根据试样目标孔隙比e，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁；

S3、计算试样加水量，制备混合湿料：将S1中的试样原料混合均匀后置于计量桶中，由试样含水量W_i(i＝1、2、3、4、……)计算试样加水量m_wi，向计量桶中加入定量蒸馏水，拌合均匀后获得混合湿料；

S4、振捣混合湿料，提高饱和度：将盛有混合湿料的计量桶置于振动台上，振捣混合湿料至无气泡排出，使其饱和度达85％以上，并记录振捣时长t；

S5、计算湿料孔隙比，重复进行试样含水量的调整，获得孔隙比为e的混合湿料：读取振捣后计量桶内混合湿料的体积V_mix，计算混合湿料孔隙比e_i；若e_i＝e，试样含水量W_i为合适含水量W，即W＝W_i；若e_i＞e或e_i＜e，则重复S3～S4直至e_i＝e，取W＝W_i；

S6、计算孔隙比为e时混合湿料的饱和度：待e_i＝e时，确定试样合适含水量W取值，获得满足试样孔隙比要求的混合湿料，计算该孔隙比下混合湿料的饱和度S_r；

S7、湿料分盘后振捣：将计量桶内孔隙比为e的混合湿料分装于盘中，使混合湿料的厚度超过环刀高度30～50mm；将盘放置于振动台上，通过控制振捣时长与S4中的振捣时长t相同，使混合湿料的饱和度与S6中饱和度S_r相同；

S8、布置环刀再振捣：准备多个环刀，将环刀刀口向下放置于混合湿料上，再次将盘放置于振动台上进行振捣，使环刀随振动自行下沉陷入混合湿料中，振捣时长与S4中一致，使混合料的饱和度与S6中饱和度S_r相同；

S9、定期养护，剥削试样：将内置有环刀的盘试样进行标准养护，待试样初凝或触变初步完成后，将整盘试样取出，沿环刀外围剥削得到单个环刀试样。

2.如权利要求1所述的可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，S2中所述根据试样目标孔隙比e，按饱和度85％估算试样理论含水量W₁的计算公式为：

式中，m_si为试样原料干质量，单位为g；d_si为试样原料比重；V_si为试样原料颗粒体积，单位为cm³；ρ_w为水的密度，单位为g/cm³；V_w为水的体积，V_w＝S_r·∑V_si·e，式中S_r取85％。

3.如权利要求1所述的可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，S3中由试样含水量W_i(i＝1、2、3、……)计算试样加水量m_wi的计算公式为：

m_wi＝vm_si·W_i-∑(m_si·ω_i)，i＝1、2、3…

式中，m_si为试样原料干质量，单位为g；ω_i为试样原料含水量。

4.如权利要求1所述的可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，S5中孔隙比e_i的计算公式为：

式中，V_mix为实测混合湿料体积，单位为cm³；∑V_si为试样原料颗粒体积总和，单位为cm³。

5.如权利要求1所述的可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，S6中饱和度S_r的计算公式为：

式中，V_w为水的体积，单位为cm³；V_mix为实测混合湿料体积，单位为cm³；∑V_si为试样原料颗粒体积总和，单位为cm³。

6.如权利要求1所述的可控孔隙比的环刀试样制备方法，其特征在于，S9中所述剥削为使用削土刀或钢丝弓对试样进行剥削。