CN204165806U - 一种室内复原原状土的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内复原原状土的设备，包括钢性反力架，钢性反力架顶部安装有油压千斤顶，油压千斤顶下方顶在透水盖板表面，透水盖板紧贴第一透水板，第一透水板置于钢性浮环内部，第一透水板面积与钢性浮环内壁的径向横截面面积相同，透水盖板可被油压千斤顶顶住下移，钢性浮环底部还设有与钢性浮环内壁的径向横截面面积相同的第二透水板，第二透水板被安装在盛水容器底部的法兰盘托住，钢性浮环外部套有盛水容器，钢性浮环立于钢性垫块之上，透水盖板上还安装有位移传感器，用来测试土试样的变形。本实用新型的有益效果是能够恢复无黏性土、饱和软黏土试样土壤黏粒间的原始结构状态；保证试样符合原状。

Description

一种室内复原原状土的设备

技术领域

本实用新型属于土力学室内试验技术领域，涉及一种室内复原原状土的设备。

背景技术

实际工程中，采用原状土进行土工试验方能最真实的反映土体的物理力学性质，但在很多情况下，批量采集原状土试样是极为困难的，譬如地下水位以下的软塑(粉质)黏土、无黏性土等，而这类土恰巧又往往对工程安全起控制作用。因此，探索并实用新型一套系统的室内复原原状土的制样技术方法，并开发相应试验设备具有重要实际意义。

现有软土重塑样技术方案通常参阅土工试验规程SL237-1999，可概括为：

1、在测试研究土样基本物理参数的基础上，将土样烘干，后根据制备试样的尺寸、干密度及含水率等参数计算所需的土体用量；

2、根据计算的含水率，向土中加水制备湿土样，分成若干份(一般为3～4份)，逐一倒入制样器中进行分层击实；

3，每一层击至预估的土柱高度后，将表面抛毛，后倒入下一份土体，重复该过程，直至完成试样的制备。

现有技术的缺点可概括为以下三点：

1、土样的沉积成因特征明显，常规制样过程中，脉冲式重力击实并不符合软土成因，且制成的试样沿击实方向分层特征明显，无法保证试样是否符合原状样本的K0固结状态；

2、高含水率软土在击实过程中极易变为“橡皮土”，加之试样表面及分层击实面的人为涂抹，导致试样渗透特性被极大改变，试样内部含水率分布不均；饱和砂土试样，特别是粉细砂在击实作用下会液化冒水，而若击实后再进行水头饱和，对于中密及松散状态的砂土，试样将发生渗透固结，无法控制试样的最终尺寸；

3、现有制样方法一次仅能制备1个试样，而实际工程中，试验方案均以组为单位进行设计，动辄需几十上百个试样，单个制样方法一方面生产效率较低，另一方面无法保证每个试样的同一性，将给试验成果的对比分析造成一定困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在提供一种室内复原原状土的设备，解决现有设备难以采集譬如水下无黏性土、饱和软黏土等土样进行室内土工试验的问题。

本实用新型所采用的技术方案是包括钢性反力架，钢性反力架顶部安装有油压千斤顶，油压千斤顶下方顶在透水盖板表面，透水盖板紧贴第一透水板，第一透水板置于钢性浮环内部，第一透水板面积与钢性浮环内壁的径向横截面面积相同，透水盖板可被油压千斤顶顶住下移，钢性浮环底部还设有与钢性浮环内壁的径向横截面面积相同的第二透水板，第二透水板被安装在盛水容器底部的法兰盘托住，钢性浮环外部套有盛水容器，钢性浮环立于钢性垫块之上，透水盖板上还安装有位移传感器，用来测试土试样的变形。

本实用新型的特点还在于钢性浮环内壁的径向横截面直径为60cm，钢性浮环壁厚4cm；所述盛水容器内壁径向横截面直径为90cm，盛水容器壁厚6cm。透水盖板直径60cm，透水盖板上的透水孔直径0.6cm。第一透水板和第二透水板表面依次贴有工布、滤纸和纱网。

本实用新型的有益效果是能够采集恢复无黏性土、饱和软黏土试样土壤黏粒间的原始结构状态；保证试样符合原状。

附图说明

图1是本实用新型室内复原原状土的设备结构示意图；

图2是本实用新型钢性浮环及盛水容器横截面示意图；

图3是本实用新型透水盖板示意图；

图4是试样分级压缩变形曲线图及其与目标压缩量的关系图；

图5是制备完毕试样不同部位含水率测试统计图。

图中，1.钢性反力架，2.油压千斤顶，3.透水盖板，4.第一透水板，5.钢性浮环，6.第二透水板，7.盛水容器，8.钢性垫块，9.位移传感器，10.法兰盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型如图1所示，包括钢性反力架1，钢性反力架1顶部安装有油压千斤顶2，油压千斤顶2下方顶在透水盖板3表面，透水盖板3紧贴第一透水板4，第一透水板4置于钢性浮环5内部，第一透水板4面积与钢性浮环5内壁的径向横截面面积相同，透水盖板3可被油压千斤顶2顶住下移，钢性浮环5底部还设有与钢性浮环5内壁的径向横截面面积相同的第二透水板6，第一透水板4和第二透水板6之间装有土试样，第二透水板6被安装在盛水容器7底部的法兰盘10托住，钢性浮环5外部套有盛水容器7，因为实验中土体是饱和状态的，故试样周围必须全部浸没在水中，钢性浮环5立于钢性垫块8之上，透水盖板3上还安装有位移传感器9，用来测试土试样的变形。本实用新型装置上下都布置有透水板，因此上下都可以排水，上部的盖板也是透水的，主要是防止初始状态下第一透水板4上浮，另外由于第一透水板4比较薄，透水盖板3还起到传递和扩散上部加载力的作用。如图2所示，钢性浮环5内壁的径向横截面直径为60cm，钢性浮环5壁厚4cm；盛水容器7内壁径向横截面直径为90cm，盛水容器7壁厚6cm。如图3所示，透水盖板3直径60cm，透水盖板3上的透水孔直径0.6cm。第一透水板4和第二透水板6表面依次贴有工布、滤纸和纱网。土工布、滤纸、纱网的组合主要是防止土体中细颗粒在固结过程中的流失。

采用本实用新型设备获得原状土实验式样的方法，其特征在于：首先采集原状土，对于饱和软土试样，将其烘干、碾碎后，加水使其含水量略大于液限含水量，调至流塑状，后将其浇筑至钢性浮环5中，在外部振动台上充分振动排除内部气孔后，将钢性浮环5吊装至盛水容器7内；对于无黏性土，将其浸没在水中，然后直接将流态土样灌入已安装到位的钢性浮环5中，待明水排尽，抹平表面即可开始试验；基于拟制备试样原始赋存状态的埋深及估算的垂直应力，计算得出压缩桶中试样的目标压缩高度，并以估算的垂直应力为参考，对于软土，应设计不小于10级的法向应力施加步数；对于无黏性土，法向应力级数可适当降低；目标压缩高度和设计法向应力双控因素可相互校正，土柱压缩完毕后即获得复原后的原状土式样。

本项实用新型将提供一套完备的技术路线，并开发相应设备，用于室内复原原状土试样和批量制备土工试验试样，具体设备设计及试验流程详述如下：

1、开发室内复原原状土试样大型设备。该设备有以下两个特点：1、刚性浮环5的设计使得土体在压缩过程中可以双面固结排水，改善了试样内部渗透环境，加速了试样的固结速度，且钢性浮环5作为一个活动部件，拆卸便利，为试验前土样的浇筑和试验后试样的采集提供了便利；2、透水系统的设计一方面要加速排水固结速率，另一方面也要保证排水速率在试样内部尽可能的均匀，避免压缩过程中优势渗流路径的形成和细颗粒的流失，为此设计了土工布、滤纸、纱网以及透水盖板3等一套排水设施。

2、对于饱和软土试样，将其烘干、碾碎后，加水使其含水量略大于液限含水量，调至流塑状，后将其浇筑至直径60cm、高50cm的大型浮环式刚性桶，即钢性浮环5中，在外部振动台上充分振动排除内部气孔后，将钢性浮环5吊装至盛水容器7内；对于无黏性土(粉土、砂类土)过程则较简单，将其浸没在水中，后直接将流态土样灌入已安装到位的钢性浮环5中，待明水排尽，抹平表面即可开始试验，保证试样初始状态下饱和、松散的特性。

3、基于拟制备试样原始赋存状态的埋深及估算的垂直应力，计算得出压缩桶中试样的目标压缩高度，并以估算的垂直应力为参考。对于软土，应设计不小于10级的法向应力施加步数，原因为：软土属黏性土，与砂土等无黏性土最大的差异在于土壤黏粒间的胶结作用以及颗粒间结合水的相互作用，设计多级缓慢加载一方面模拟了软土在形成历史中，上覆压力逐步增加而固结压缩的过程，另一方面能够尽可能的还原原状软土中黏粒间结构特性；对于无黏性土，无颗粒胶结且渗透性好，法向应力级数可适当降低。法向应力施加原理：

1)，原状土赋存应力状态：土体随深度变化其应力分布具有差异，因此原状土赋存应力状态首先需结合测试样本的采集深度进行确定，这个指标是变化的，以30m埋深的水下土为例，那么其原始垂直应力约为240kPa，此指标即原始赋存状态下的垂直应力。

2)，法相加载应力：法相加载应力即估算得到的原始垂直应力

3)，多级加载：土体的形成实际上经历了漫长的历史时期，且对于软土试样而言，突然施加很大的法向荷载会造成试样挤出、固结不均匀等。因此，为了模拟土体的成因，以估算的原始垂直应力为准绳，采用均匀或不均匀的布置方法，设计多级法向应力加载方案。技术越多越好，但必须考虑试验效率，经过试验，采用10级对于软黏土适用性能够满足需求。无黏性土渗透性较好，应力级数可适当降低，并无定数。

4)，目标压缩量：法向应力加载前，钢性浮环5中的试样是十分松散的，根据采集的少量原状土可以测试其天然干密度、天然孔隙率等。据此指标，我们可以计算得到20cm土柱对应的干土重量，将其加水浇筑至钢性浮环5中(试验前试样的松散的，高度一定大于20cm，例如25m)。那么，我们试验的目标就是在原始垂直应力，设计多级加载方案，将土柱压缩到目标高度20cm附近。之所以不可能完全等于20cm，主要是土体具有一定的结构性，不可能100％的还原原状土。

所谓双控就是目标高度和压缩应力之间的相互校正。基于土体物理特性参数，计算法向加载应力条件下的目标高度。与常规压缩试验相比，目标压缩高度和设计法向应力双控因素可相互校正。

4、土柱压缩完毕后，卸下上表面透水盖板3及第一透水板4。对于软土试样，此时还可采用微型十字板剪切仪、微型静力触探仪等设备在软土表面及不同深度开展室内原位试验，获取试样力学参数，并与原位地勘资料进行对比，检验试样制备质量。

5、按照后续试验需要，选取合适尺寸的薄壁无缝不锈钢管，以缓慢静压的方式，从钢性浮环5中采集圆柱状土体试样，充分密封后妥善保存，供室内土工试验采用。

本实用新型为一项模拟原状土成因及还原其实际赋存状态，批量制备室内土工试验所需土样的技术方案。其中，软黏土的实施流程更为复杂，下面以某海洋软土为例阐述技术方案，部分重点步骤辅以图片或插图。

1、基于少量原状土测试软土基本物理性质，主要包括干密度、天然含水率、液塑限及孔隙比；同时，需获取试样采集深度、大致的法向应力区间及野外原位土工试验的部分参数(例如十字板剪切强度、静力触探数据)。

2、按照目标压缩土柱高度，计算所需土样的质量，流塑状土膏的调制、钢性浮环5中模型的浇筑以及排空试样中气孔。

3、采用制样设备，试验设备图见图1。按照目标压缩高度及估算的原始应力状态双控标准，设计多级法向应力加载固结试验方案，由有效应力及孔隙比的关系，计算法向应力对应的压缩目标高度。对于饱和黏土及粉质黏土，由于其渗透系数低，固结压缩过程应做到缓慢加压、充分固结、逐级控制、逐级修正，使得土体黏粒间的胶结关系尽量恢复，降低重塑软土结构性对制样质量的影响；无黏性土黏聚力可忽略，颗粒间不存在化学胶结加之渗透性好，应力加载级可适当减少，固结时间也显著缩短，试验过程相对简单。

4、对于软土试样，可进行室内微型原位土工试验：固结完毕后，卸除透水盖板3及第一透水板4，在试样表面和不同深度开展微型原位土工试验，例如微型十字板剪切试验以及微型静力触探试验。

5，采用无缝薄壁钢管采集原状土试样：必须避免动力作用对试样结构的扰动和破坏。采用多个薄壁钢管取样(壁厚应小于1mm)，即根据压缩完毕的土柱高度将钢管等长截成若干段，布置在土柱上方，为避免挤土效应，圆形钢管之间保留2cm左右间距，后借助油压千斤顶2将钢管缓慢压入土柱中，后取出所有钢管，得到土工试验所需的原状软土试样。

钢管尺寸需根据后续试验的用途进行选取，例如对于三轴试验，试样通用尺寸可划分为：Φ10.1cm*H20.0cm(大)、Φ6.18cm*H12.0cm(中)、Φ3.91cm*H8.0cm(小)等三种规格，大型和中型规格试样采集可专门定制加工内径匹配的钢管；小型试样由于尺寸较小，可采用大型规格采集钢管采集后，按照土工试验规程SL237-1999，用土工刀切削成目标尺寸试样。

相比于现有技术，本实用新型的优势体现在：

1、整个制样过程模拟了大多数原状土的实际成因，无动力脉冲作用或人工涂抹，多级缓慢加载还能够尽可能的恢复软土试样土壤黏粒间的原始结构状态；

2、该实用新型制得的试样为真正意义上的K0固结土体试样，无计算假设，完全符合原状土的应力状态；

3、可以制备尺寸较大的完整试样，因此可开展部分小(微)型室内原位土工试验；

4、实现了土工试样的批量制备，保证了试验成果平行对比的可操作性。

下面用具体实施例对本实用新型进行说明：

实施例1：以海洋软土为例，验证本实用新型的实施情况是实施质量。土样基本物理参数及原状土复原试验设计参数如表1。

图4为原状土复原试验10级法向应力施加实测压缩变形及其与目标压缩量对比曲线。实际最终压缩量较目标量大0.1093cm，误差量0.547％，达到了预期目标。

图5为采集样本后，随机切取30小块试样测试得到的含水率与原状土含水率对比统计图。所有试样含水率均在原状土含水率±0.24％以内。可判断本实用新型方案批量制备的试样均匀性很好。

表1

Claims (1)

1.一种室内复原原状土的实验设备，其特征在于：包括钢性反力架(1)，钢性反力架(1)顶部安装有油压千斤顶(2)，油压千斤顶(2)下方顶在透水盖板(3)表面，透水盖板(3)紧贴第一透水板(4)，第一透水板(4)置于钢性浮环(5)内部，第一透水板(4)面积与钢性浮环(5)内壁的径向横截面面积相同，透水盖板(3)可被油压千斤顶(2)顶住下移，钢性浮环(5)底部还设有与钢性浮环(5)内壁的径向横截面面积相同的第二透水板(6)，第二透水板(6)被安装在盛水容器(7)底部的法兰盘(10)托住，钢性浮环(5)外部套有盛水容器(7)，钢性浮环(5)立于钢性垫块(8)之上，透水盖板(3)上还安装有位移传感器(9)，用来测试土试样的变形，所述钢性浮环(5)内壁的径向横截面直径为60cm，钢性浮环(5)壁厚4cm；所述盛水容器(7)内壁径向横截面直径为90cm，盛水容器(7)壁厚6cm，所述透水盖板(3)直径60cm，透水盖板(3)上的透水孔直径0.6cm，所述第一透水板(4)和第二透水板(6)表面依次贴有工布、滤纸和纱网。