低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置及方法与流程

1.本发明属于岩土技术领域，涉及一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置及方法。


背景技术：

2.在岩土工程中，常常需要大量的原状土样进行室内试验，以研究土体的物理力学性质。而工程现场取出的原状样通常需要包裹、运输、保存等，过程繁琐，对试样扰动较大，容易造成应力释放，且会产生取样不均等问题。鉴于工程现场取原状样存在的诸多不足，故研究一种可在室内制备原状软粘土试样的装置及技术方法具有重要意义。
3.目前，已有的室内制备原状土样的方法主要是真空预压法，即采用上部抽真空的方法将土体预压成型，具有操作容易、设备简便等优点，但仍存在诸多不足。如上部抽真空的方法，密封性较差，难以达到目标真空压力；而且排水效果较差、抽真空耗时较长、制样含水率高、密度不均匀，导致成型后土体表面不平整、土体受力不均匀、试样强度不均一等等。针对上述问题，急需对现有的真空预压制样装置及方法进行改进。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置及方法；即采用低位抽真空与堆载联合预压的方法，将高含水率的泥浆预压成型，以在室内一次性快速高效制备多个原状软粘土试样。
5.为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
6.一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，包括模型箱系统、真空泵系统；
7.模型箱系统包括一模型箱和一堆载板；
8.模型箱的顶部设置密封顶盖用于密封模型箱；
9.模型箱的侧壁上距模型箱内底部一定距离(优选2cm)处设抽气孔；
10.模型箱的箱底先后铺设一层1cm厚的砂垫层和一层透水透气土工布，再在该透水透气土工布上布置十字交叉型的真空滤管(可以是一体成型件，也可以是拼接而成)；真空滤管的4个端部均为开口结构(即非封闭式端部)；真空滤管的周面上均匀设置若干个细孔(作用是既可保证箱底真空压力均匀地向上部土体传递，又可提高排水效率)；
11.模型箱的内壁贴紧布置若干个塑料排水带；塑料排水带由塑料芯板及覆盖其两面的滤层(一般为非织造土工织物)构成，塑料芯板的断面呈并联十字，起到支撑作用并将滤层渗入的水排出(生产厂家：福建邦杰塑料制品有限公司)；
12.真空滤管的任一端部在模型箱的箱内与抽气孔连通，其他端部与塑料排水带的底部贴紧；然后在真空滤管上先后铺设一层厚度2cm的砂垫层和一层透水透气土工布；该厚度2cm的砂垫层完全覆盖真空滤管以及真空滤管与塑料排水管的连接处；
13.堆载板的外边缘与模型箱的内侧壁保持一定间距(优选1～2mm)；留有一定间距的
目的是使堆载板不受模型箱内侧壁的摩擦而阻碍其向下运动；
14.真空泵系统包括一自带水汽分离箱的水环式真空泵；
15.水环式真空泵通过一抽气管与模型箱上的抽气孔可拆卸连接，用于实现模型箱内抽真空。
16.作为优选的技术方案：
17.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，抽气孔上连接抽气孔阀门(抽气孔可以为螺纹孔，二者螺纹连接)，抽气管与抽气孔阀门连接(采用螺纹连接，方便拆卸)，且连接处位于模型箱的外部；抽气管与水环式真空泵的连接处设一止气阀。
18.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，所述装置还包括数据采集系统；
19.数据采集系统包括一回弹式位移传感器、一孔隙水压力传感器和一全自动数据采集仪；
20.回弹式位移传感器固定安装在模型箱的内侧壁，且回弹式位移传感器的探头与堆载板接触；
21.孔隙水压力传感器安装在模型箱内制样高度(一般是预估得到，预估的方法是本领域技术人员公知的)的中部；
22.回弹式位移传感器和孔隙水压力传感器通过数据传输线路与全自动数据采集仪连接，用于实时监测土体内部的真空压力变化和沉降量，以计算成型后土体的固结度，评估真空堆载预压制样效果。
23.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，模型箱为圆柱形；模型箱的材质为有机玻璃；模型箱的外壁上贴有刻度线。
24.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，真空滤管用透水透气土工布包裹；包裹是为了防止泥沙进入，堵塞排水通道。
25.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，堆载板上开设有直径1.5cm的引线孔，用于穿引孔隙水压力传感器的数据传输线。
26.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，堆载板上均匀堆放若干个砝码；用于与真空压力联合进行预压，可保证箱内土体表面的平整，受力的均匀性和试样强度的均一性。
27.如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，密封顶盖上设置2个直径1cm的引线螺栓孔；用于将回弹式位移传感器和孔隙水压力传感器的数据传输线引出，同时可密封，保持箱内真空度。
28.本发明还提供采用如上所述的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置制备原状软粘土试样的方法，包括如下步骤：
29.(1)装置准备：先在模型箱底部铺着一定厚度的砂垫层，再铺设若干层透水透气土工布；然后在该透水透气土工布上放置所述真空滤管，并保持真空滤管的一端与模型箱底部的抽气孔连通；然后紧贴模型箱的内壁垂直布置所述塑料排水带，使塑料排水带的底部与真空滤管的其它三个端部贴紧；最后再在真空滤管上先后铺设一层厚度2cm的砂垫层和一层透水透气土工布；该厚度2cm的砂垫层完全覆盖真空滤管以及真空滤管与塑料排水管
的连接处；
30.(2)将含水率为100％～120％的泥浆注入模型箱内，待泥浆液面距模型箱顶一定距离(一般为10cm)且低于塑料排水带时停止注浆，并用密封顶盖封闭模型箱；
31.(3)打开模型箱底部的抽气孔阀门，且断开抽气孔阀门与抽气管的连接，使含水率为100％～120％的泥浆在自重作用下排水固结7～10天；
32.(4)打开密封顶盖，在所述自重作用下排水固结后的泥浆上方放置堆载板；
33.(5)连接抽气孔阀门与抽气管且打开止气阀和抽气孔阀门，开启水环式真空泵，控制水环式真空泵的真空压力不低于85kpa，当达到目标含水率时，停止抽真空；
34.(6)取样得到所述原状软粘土试样。
35.作为优选的技术方案：
36.如上所述的方法，在步骤中，堆载板上还均匀堆放若干个砝码。
37.本发明的原理是：
38.本发明通过测量水汽分离箱内的排水量，可对模型箱内土体含水率进行控制；通过布置塑料排水带，使真空压力在土体内部均匀传递及均匀排水，同时结合堆载板的堆载作用，使土体表面产生均匀的受力及沉降变形，由此保证制样含水率的均匀性、强度的均一性。
39.有益效果
40.(1)本发明的方法相较于上部抽真空的方法，不仅可有效解决密封性问题，保证真空压力达到要求；还通过合理布置塑料排水带、施加堆载，显著降低制样耗时，保证制样含水率和密度的均匀性、强度的均一性，提高制样效率；
41.(2)本发明的方法可对成型后试样的含水率进行控制，对试样成型过程中的孔隙水压力和沉降量进行实时监测，以计算成型后土体的固结度，合理评估真空堆载预压制样效果。
附图说明
42.图1是本发明的一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置的整体剖面图；
43.图2是本发明的真空滤管俯视图；
44.图3是本发明的模型箱底部构造剖面图；
45.图中：1-底座；2-透水透气土工布；3-砂垫层；4-塑料排水带；5-堆载板；6-砝码；7-密封顶盖；8-真空滤管；9-抽气孔阀门；10-引线螺栓孔；11-引线孔；12-回弹式位移传感器；13-孔隙水压力传感器；14-数据传输线；15-全自动数据采集仪；16-抽气管；17-止气阀；18-水环式真空泵；19-压力表。
具体实施方式
46.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
47.本发明的低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置的整体剖面图如图1所示。
48.实施例1
49.一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，包括模型箱系统和真空泵系统；
50.模型箱系统包括一模型箱(为了放置时的稳定性，模型箱可以带底座1)和一堆载板5；模型箱为圆柱形且材质为有机玻璃的箱体，且模型箱的外壁上贴有刻度线，用于监测泥浆自重固结时的沉降量。
51.模型箱的顶部设置密封顶盖7用于密封模型箱；模型箱的侧壁上距模型箱内底部2cm处设抽气孔；
52.模型箱的箱底布置十字交叉型的真空滤管8(如图2所示)；真空滤管8的4个端部均为开口结构(即非封闭式端部)；真空滤管8的周面均匀设置细孔且真空滤管8用透水透气土工布包裹；模型箱的内壁贴紧布置若干个塑料排水带4；塑料排水带4由塑料芯板及覆盖其两面的滤层构成，塑料芯板的断面呈并联十字，起到支撑作用并将滤层渗入的水排出；真空滤管8的任一端部与抽气孔连通，其他端部与塑料排水带4的底部贴紧；模型箱底部构造剖面图如图3所示；
53.堆载板5的外边缘与模型箱的内侧壁的间距为1～2mm；
54.真空泵系统包括一自带水汽分离箱的水环式真空泵18；水环式真空泵18通过一抽气管16与模型箱上的抽气孔连通；抽气孔上连接抽气孔阀门9(抽气孔为螺纹孔，二者螺纹连接)，抽气管16与抽气孔阀门9连接(采用螺纹连接)，且连接处位于模型箱的外部；抽气管16与水环式真空泵18的连接处还设一止气阀17。压力表19安装在水汽分离箱上，用于监测真空压力值。
55.堆载板5上均匀堆放若干个砝码6。
56.实施例2
57.一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的装置，在实施例1的装置的基础上，还包括数据采集系统；数据采集系统包括一回弹式位移传感器12、一孔隙水压力传感器13和一全自动数据采集仪15；回弹式位移传感器12固定安装在模型箱的模型箱的内侧壁上，且回弹式位移传感器12的探头与堆载板接触；孔隙水压力传感器13安装在模型箱内制样高度的中部；回弹式位移传感器12和孔隙水压力传感器13通过数据传输线路14与全自动数据采集仪15连接。堆载板5上开设引线孔11；密封顶盖7上设置2个直径1cm的引线螺栓孔10。
58.实施例3
59.一种低位真空堆载联合预压制备原状软粘土试样的方法，采用实施例2中的装置进行，其步骤如下：
60.(1)将现场取得的土依次经过晒干、碾碎、过筛、匀土和分样，并加水配制成设计的含水率为100％～120％的泥浆，密封保存；
61.(2)先在模型箱底部铺设一层1cm厚的砂垫层，再铺设一层透水透气土工布，然后放置用透水透气土工布包裹的所述十字交叉型的真空滤管8，并将真空滤管8的一端与模型箱底部的抽气孔连通；
62.(3)紧贴模型箱的内壁垂直布置3根塑料排水带4，且塑料排水带4的底部与真空滤管8的其它三个端部贴紧；最后在真空滤管8上先后铺设一层厚度2cm的砂垫层3和一层透水透气土工布2；该厚度2cm的砂垫层3完全覆盖真空滤管8以及真空滤管8与塑料排水管4的连接处；
63.(4)将步骤(1)中配制的高含水率的泥浆逐次注入模型箱内，并预先埋置孔隙水压力传感器13，待泥浆液面距模型箱顶一定距离(10cm)且低于塑料排水带4时停止注浆，并用密封顶盖7封闭模型箱。
64.(5)打开模型箱底部的抽气孔阀门9，且断开抽气孔阀门9与抽气管16的连接，使含水率为100％～120％的泥浆在自重作用下排水固结，时间为7天，实时测量排水量，并依据箱外壁上的刻度线实时监测泥浆的沉降量。
65.(6)自重固结完成后，打开密封顶盖7，铺设一层透水透气土工布2，放置堆载板5，并将孔隙水压力传感器13的数据传输线14从堆载板5上的引线孔11引出，然后堆放总重为20kg的砝码6，在箱侧壁固定好回弹式位移传感器12。
66.(7)将孔隙水压力传感器13和回弹式位移传感器12的数据传输线14从密封顶盖7上的引线螺栓孔10引出，并与全自动数据采集仪15相连，调试设备，完成数据采集前的准备工作。
67.(8)将水环式真空泵18的抽气管16与箱底的抽气孔相连，打开抽气孔阀门9和止气阀17，接通电源，开始真空堆载预压制样，并进行孔压和位移的数据采集。通过压力表19监测真空压力，使之不低于85kpa。根据水环式真空泵水汽分离箱中的排水量来实现对制备试样含水率的控制，当达到目标含水率时，停止抽真空。依据实时监测的孔压和位移数据，计算土体固结度，评估真空堆载预压制样效果，以期进一步改进该制样装置及方法，提高制样效率。
68.(9)真空堆载预压完成后，停止数据采集，并从模型箱内依次取出回弹式位移传感器12、砝码6、堆载板5等，分析整理采集的数据，计算土体固结度。
69.采用原位取土器在模型箱中部自上至下每间隔5cm取一组原状样，每组原状样包含1个标准环刀样和3个直径39.1mm
×
高80mm的三轴样，用于测试含水率、密度、粘聚力、内摩擦角等物理力学指标，以对制备试样含水率和密度的均匀性，强度的均一性进行评估。
70.测试结果表明：低位真空堆载联合预压完成后，模型箱内土体的固结度达到97.5％；各组试样测试得到的含水率相差均在2％之内，密度相差均在0.1g/cm3之内，粘聚力相差均在0.3kpa之内，内摩擦角相差均在0.5
°
之内。综上，本发明所论述的制样装置及技术方法可保证成型后试样含水率和密度的均匀性、强度的均一性，制样效果好。