一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備，包括鋼性反力架，鋼性反力架頂部安裝有油壓千斤頂，油壓千斤頂下方頂在透水蓋板表面，透水蓋板緊貼第一透水板，第一透水板置于鋼性浮環(huán)內(nèi)部，第一透水板面積與鋼性浮環(huán)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同，透水蓋板可被油壓千斤頂頂住下移，鋼性浮環(huán)底部還設(shè)有與鋼性浮環(huán)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同的第二透水板，第二透水板被安裝在盛水容器底部的法蘭盤托住，鋼性浮環(huán)外部套有盛水容器，鋼性浮環(huán)立于鋼性墊塊之上，透水蓋板上還安裝有位移傳感器，用來測試土試樣的變形。本實用新型的有益效果是能夠恢復(fù)無黏性土、飽和軟黏土試樣土壤黏粒間的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)；保證試樣符合原狀。
【專利說明】一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于土力學(xué)室內(nèi)試驗【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 實際工程中，采用原狀土進行土工試驗方能最真實的反映土體的物理力學(xué)性質(zhì)， 但在很多情況下，批量采集原狀土試樣是極為困難的，譬如地下水位以下的軟塑（粉質(zhì)）黏 土、無黏性土等，而這類土恰巧又往往對工程安全起控制作用。因此，探索并實用新型一套 系統(tǒng)的室內(nèi)復(fù)原原狀土的制樣技術(shù)方法，并開發(fā)相應(yīng)試驗設(shè)備具有重要實際意義。
[0003] 現(xiàn)有軟土重塑樣技術(shù)方案通常參閱土工試驗規(guī)程SL237-1999,可概括為：
[0004] 1、在測試研究土樣基本物理參數(shù)的基礎(chǔ)上，將土樣烘干，后根據(jù)制備試樣的尺寸、 干密度及含水率等參數(shù)計算所需的土體用量；
[0005] 2、根據(jù)計算的含水率，向土中加水制備濕土樣，分成若干份（一般為3?4份），逐 一倒入制樣器中進行分層擊實；
[0006] 3,每一層擊至預(yù)估的土柱高度后，將表面拋毛，后倒入下一份土體，重復(fù)該過程， 直至完成試樣的制備。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)的缺點可概括為以下三點：
[0008] 1、土樣的沉積成因特征明顯，常規(guī)制樣過程中，脈沖式重力擊實并不符合軟土成 因，且制成的試樣沿擊實方向分層特征明顯，無法保證試樣是否符合原狀樣本的KO固結(jié)狀 態(tài)；
[0009] 2、高含水率軟土在擊實過程中極易變?yōu)?橡皮土"，加之試樣表面及分層擊實面的 人為涂抹，導(dǎo)致試樣滲透特性被極大改變，試樣內(nèi)部含水率分布不均；飽和砂土試樣，特別 是粉細砂在擊實作用下會液化冒水，而若擊實后再進行水頭飽和，對于中密及松散狀態(tài)的 砂土，試樣將發(fā)生滲透固結(jié)，無法控制試樣的最終尺寸；
[0010] 3、現(xiàn)有制樣方法一次僅能制備1個試樣，而實際工程中，試驗方案均以組為單位 進行設(shè)計，動輒需幾十上百個試樣，單個制樣方法一方面生產(chǎn)效率較低，另一方面無法保證 每個試樣的同一性，將給試驗成果的對比分析造成一定困難。 實用新型內(nèi)容
[0011] 本實用新型的目的在提供一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備，解決現(xiàn)有設(shè)備難以采集譬 如水下無黏性土、飽和軟黏土等土樣進行室內(nèi)土工試驗的問題。
[0012] 本實用新型所采用的技術(shù)方案是包括鋼性反力架，鋼性反力架頂部安裝有油壓千 斤頂，油壓千斤頂下方頂在透水蓋板表面，透水蓋板緊貼第一透水板，第一透水板置于鋼性 浮環(huán)內(nèi)部，第一透水板面積與鋼性浮環(huán)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同，透水蓋板可被油壓千 斤頂頂住下移，鋼性浮環(huán)底部還設(shè)有與鋼性浮環(huán)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同的第二透水 板，第二透水板被安裝在盛水容器底部的法蘭盤托住，鋼性浮環(huán)外部套有盛水容器，鋼性浮 環(huán)立于鋼性墊塊之上，透水蓋板上還安裝有位移傳感器，用來測試土試樣的變形。
[0013] 本實用新型的特點還在于鋼性浮環(huán)內(nèi)壁的徑向橫截面直徑為60cm，鋼性浮環(huán)壁厚 4cm ;所述盛水容器內(nèi)壁徑向橫截面直徑為90cm，盛水容器壁厚6cm。透水蓋板直徑60cm，透 水蓋板上的透水孔直徑〇. 6cm。第一透水板和第二透水板表面依次貼有工布、濾紙和紗網(wǎng)。
[0014] 本實用新型的有益效果是能夠采集恢復(fù)無黏性土、飽和軟黏土試樣土壤黏粒間的 原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)；保證試樣符合原狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本實用新型室內(nèi)復(fù)原原狀土的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本實用新型鋼性浮環(huán)及盛水容器橫截面示意圖；
[0017] 圖3是本實用新型透水蓋板示意圖；
[0018] 圖4是試樣分級壓縮變形曲線圖及其與目標(biāo)壓縮量的關(guān)系圖；
[0019] 圖5是制備完畢試樣不同部位含水率測試統(tǒng)計圖。
[0020] 圖中，1.鋼性反力架，2.油壓千斤頂，3.透水蓋板，4.第一透水板，5.鋼性浮環(huán)， 6.第二透水板，7.盛水容器，8.鋼性墊塊，9.位移傳感器，10.法蘭盤。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0022] 本實用新型如圖1所示，包括鋼性反力架1，鋼性反力架1頂部安裝有油壓千斤頂 2,油壓千斤頂2下方頂在透水蓋板3表面，透水蓋板3緊貼第一透水板4,第一透水板4置 于鋼性浮環(huán)5內(nèi)部，第一透水板4面積與鋼性浮環(huán)5內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同，透水蓋板 3可被油壓千斤頂2頂住下移，鋼性浮環(huán)5底部還設(shè)有與鋼性浮環(huán)5內(nèi)壁的徑向橫截面面積 相同的第二透水板6,第一透水板4和第二透水板6之間裝有土試樣，第二透水板6被安裝 在盛水容器7底部的法蘭盤10托住，鋼性浮環(huán)5外部套有盛水容器7,因為實驗中土體是飽 和狀態(tài)的，故試樣周圍必須全部浸沒在水中，鋼性浮環(huán)5立于鋼性墊塊8之上，透水蓋板3 上還安裝有位移傳感器9,用來測試土試樣的變形。本實用新型裝置上下都布置有透水板， 因此上下都可以排水，上部的蓋板也是透水的，主要是防止初始狀態(tài)下第一透水板4上浮， 另外由于第一透水板4比較薄，透水蓋板3還起到傳遞和擴散上部加載力的作用。如圖2 所示，鋼性浮環(huán)5內(nèi)壁的徑向橫截面直徑為60cm，鋼性浮環(huán)5壁厚4cm ;盛水容器7內(nèi)壁徑 向橫截面直徑為90cm，盛水容器7壁厚6cm。如圖3所示，透水蓋板3直徑60cm，透水蓋板 3上的透水孔直徑0. 6cm。第一透水板4和第二透水板6表面依次貼有工布、濾紙和紗網(wǎng)。 土工布、濾紙、紗網(wǎng)的組合主要是防止土體中細顆粒在固結(jié)過程中的流失。
[0023] 采用本實用新型設(shè)備獲得原狀土實驗式樣的方法，其特征在于：首先采集原狀土， 對于飽和軟土試樣，將其烘干、碾碎后，加水使其含水量略大于液限含水量，調(diào)至流塑狀，后 將其澆筑至鋼性浮環(huán)5中，在外部振動臺上充分振動排除內(nèi)部氣孔后，將鋼性浮環(huán)5吊裝至 盛水容器7內(nèi)；對于無黏性土，將其浸沒在水中，然后直接將流態(tài)土樣灌入已安裝到位的鋼 性浮環(huán)5中，待明水排盡，抹平表面即可開始試驗；基于擬制備試樣原始賦存狀態(tài)的埋深及 估算的垂直應(yīng)力，計算得出壓縮桶中試樣的目標(biāo)壓縮高度，并以估算的垂直應(yīng)力為參考，對 于軟土，應(yīng)設(shè)計不小于10級的法向應(yīng)力施加步數(shù)；對于無黏性土，法向應(yīng)力級數(shù)可適當(dāng)降 低；目標(biāo)壓縮高度和設(shè)計法向應(yīng)力雙控因素可相互校正，土柱壓縮完畢后即獲得復(fù)原后的 原狀土式樣。
[0024] 本項實用新型將提供一套完備的技術(shù)路線，并開發(fā)相應(yīng)設(shè)備，用于室內(nèi)復(fù)原原狀 土試樣和批量制備土工試驗試樣，具體設(shè)備設(shè)計及試驗流程詳述如下：
[0025] 1、開發(fā)室內(nèi)復(fù)原原狀土試樣大型設(shè)備。該設(shè)備有以下兩個特點：1、剛性浮環(huán)5的 設(shè)計使得土體在壓縮過程中可以雙面固結(jié)排水，改善了試樣內(nèi)部滲透環(huán)境，加速了試樣的 固結(jié)速度，且鋼性浮環(huán)5作為一個活動部件，拆卸便利，為試驗前土樣的澆筑和試驗后試樣 的采集提供了便利；2、透水系統(tǒng)的設(shè)計一方面要加速排水固結(jié)速率，另一方面也要保證排 水速率在試樣內(nèi)部盡可能的均勻，避免壓縮過程中優(yōu)勢滲流路徑的形成和細顆粒的流失， 為此設(shè)計了土工布、濾紙、紗網(wǎng)以及透水蓋板3等一套排水設(shè)施。
[0026] 2、對于飽和軟土試樣，將其烘干、碾碎后，加水使其含水量略大于液限含水量，調(diào) 至流塑狀，后將其澆筑至直徑60cm、高50cm的大型浮環(huán)式剛性桶，即鋼性浮環(huán)5中，在外部 振動臺上充分振動排除內(nèi)部氣孔后，將鋼性浮環(huán)5吊裝至盛水容器7內(nèi)；對于無黏性土（粉 土、砂類土）過程則較簡單，將其浸沒在水中，后直接將流態(tài)土樣灌入已安裝到位的鋼性浮 環(huán)5中，待明水排盡，抹平表面即可開始試驗，保證試樣初始狀態(tài)下飽和、松散的特性。
[0027] 3、基于擬制備試樣原始賦存狀態(tài)的埋深及估算的垂直應(yīng)力，計算得出壓縮桶中試 樣的目標(biāo)壓縮高度，并以估算的垂直應(yīng)力為參考。對于軟土，應(yīng)設(shè)計不小于10級的法向應(yīng) 力施加步數(shù)，原因為：軟土屬黏性土，與砂土等無黏性土最大的差異在于土壤黏粒間的膠結(jié) 作用以及顆粒間結(jié)合水的相互作用，設(shè)計多級緩慢加載一方面模擬了軟土在形成歷史中， 上覆壓力逐步增加而固結(jié)壓縮的過程，另一方面能夠盡可能的還原原狀軟土中黏粒間結(jié)構(gòu) 特性；對于無黏性土，無顆粒膠結(jié)且滲透性好，法向應(yīng)力級數(shù)可適當(dāng)降低。法向應(yīng)力施加原 理：
[0028] 1)，原狀土賦存應(yīng)力狀態(tài)：土體隨深度變化其應(yīng)力分布具有差異，因此原狀土賦存 應(yīng)力狀態(tài)首先需結(jié)合測試樣本的采集深度進行確定，這個指標(biāo)是變化的，以30m埋深的水 下土為例，那么其原始垂直應(yīng)力約為240kPa，此指標(biāo)即原始賦存狀態(tài)下的垂直應(yīng)力。
[0029] 2)，法相加載應(yīng)力：法相加載應(yīng)力即估算得到的原始垂直應(yīng)力
[0030] 3)，多級加載：土體的形成實際上經(jīng)歷了漫長的歷史時期，且對于軟土試樣而言， 突然施加很大的法向荷載會造成試樣擠出、固結(jié)不均勻等。因此，為了模擬土體的成因，以 估算的原始垂直應(yīng)力為準繩，采用均勻或不均勻的布置方法，設(shè)計多級法向應(yīng)力加載方案。 技術(shù)越多越好，但必須考慮試驗效率，經(jīng)過試驗，采用10級對于軟黏土適用性能夠滿足需 求。無黏性土滲透性較好，應(yīng)力級數(shù)可適當(dāng)降低，并無定數(shù)。
[0031] 4)，目標(biāo)壓縮量：法向應(yīng)力加載前，鋼性浮環(huán)5中的試樣是十分松散的，根據(jù)采集 的少量原狀土可以測試其天然干密度、天然孔隙率等。據(jù)此指標(biāo)，我們可以計算得到20cm 土柱對應(yīng)的干土重量，將其加水澆筑至鋼性浮環(huán)5中（試驗前試樣的松散的，高度一定大于 20cm，例如25m)。那么，我們試驗的目標(biāo)就是在原始垂直應(yīng)力，設(shè)計多級加載方案，將土柱壓 縮到目標(biāo)高度20cm附近。之所以不可能完全等于20cm，主要是土體具有一定的結(jié)構(gòu)性，不 可能100 %的還原原狀土。
[0032] 所謂雙控就是目標(biāo)高度和壓縮應(yīng)力之間的相互校正。基于土體物理特性參數(shù)，計 算法向加載應(yīng)力條件下的目標(biāo)高度。與常規(guī)壓縮試驗相比，目標(biāo)壓縮高度和設(shè)計法向應(yīng)力 雙控因素可相互校正。
[0033] 4、土柱壓縮完畢后，卸下上表面透水蓋板3及第一透水板4。對于軟土試樣，此時 還可采用微型十字板剪切儀、微型靜力觸探儀等設(shè)備在軟土表面及不同深度開展室內(nèi)原位 試驗，獲取試樣力學(xué)參數(shù)，并與原位地勘資料進行對比，檢驗試樣制備質(zhì)量。
[0034] 5、按照后續(xù)試驗需要，選取合適尺寸的薄壁無縫不銹鋼管，以緩慢靜壓的方式，從 鋼性浮環(huán)5中采集圓柱狀土體試樣，充分密封后妥善保存，供室內(nèi)土工試驗采用。
[0035] 本實用新型為一項模擬原狀土成因及還原其實際賦存狀態(tài)，批量制備室內(nèi)土工試 驗所需土樣的技術(shù)方案。其中，軟黏土的實施流程更為復(fù)雜，下面以某海洋軟土為例闡述技 術(shù)方案，部分重點步驟輔以圖片或插圖。
[0036] 1、基于少量原狀土測試軟土基本物理性質(zhì)，主要包括干密度、天然含水率、液塑限 及孔隙比；同時，需獲取試樣采集深度、大致的法向應(yīng)力區(qū)間及野外原位土工試驗的部分參 數(shù)（例如十字板剪切強度、靜力觸探數(shù)據(jù)）。
[0037] 2、按照目標(biāo)壓縮土柱高度，計算所需土樣的質(zhì)量，流塑狀土膏的調(diào)制、鋼性浮環(huán)5 中模型的澆筑以及排空試樣中氣孔。
[0038] 3、采用制樣設(shè)備，試驗設(shè)備圖見圖1。按照目標(biāo)壓縮高度及估算的原始應(yīng)力狀態(tài)雙 控標(biāo)準，設(shè)計多級法向應(yīng)力加載固結(jié)試驗方案，由有效應(yīng)力及孔隙比的關(guān)系，計算法向應(yīng)力 對應(yīng)的壓縮目標(biāo)高度。對于飽和黏土及粉質(zhì)黏土，由于其滲透系數(shù)低，固結(jié)壓縮過程應(yīng)做到 緩慢加壓、充分固結(jié)、逐級控制、逐級修正，使得土體黏粒間的膠結(jié)關(guān)系盡量恢復(fù)，降低重塑 軟土結(jié)構(gòu)性對制樣質(zhì)量的影響；無黏性土黏聚力可忽略，顆粒間不存在化學(xué)膠結(jié)加之滲透 性好，應(yīng)力加載級可適當(dāng)減少，固結(jié)時間也顯著縮短，試驗過程相對簡單。
[0039] 4、對于軟土試樣，可進行室內(nèi)微型原位土工試驗：固結(jié)完畢后，卸除透水蓋板3及 第一透水板4,在試樣表面和不同深度開展微型原位土工試驗，例如微型十字板剪切試驗以 及微型靜力觸探試驗。
[0040] 5,采用無縫薄壁鋼管采集原狀土試樣：必須避免動力作用對試樣結(jié)構(gòu)的擾動和破 壞。采用多個薄壁鋼管取樣（壁厚應(yīng)小于1mm)，即根據(jù)壓縮完畢的土柱高度將鋼管等長截 成若干段，布置在土柱上方，為避免擠土效應(yīng)，圓形鋼管之間保留2cm左右間距，后借助油 壓千斤頂2將鋼管緩慢壓入土柱中，后取出所有鋼管，得到土工試驗所需的原狀軟土試樣。
[0041] 鋼管尺寸需根據(jù)后續(xù)試驗的用途進行選取，例如對于三軸試驗，試樣通用尺寸可 劃分為：Φ1〇· lcm*H20.0cm(大）、Φ6· 18cm*H12.0cm(中）、〇3.91cm*H8.0cm(?。┑热N 規(guī)格，大型和中型規(guī)格試樣采集可專門定制加工內(nèi)徑匹配的鋼管；小型試樣由于尺寸較小， 可采用大型規(guī)格采集鋼管采集后，按照土工試驗規(guī)程SL237-1999,用土工刀切削成目標(biāo)尺 寸試樣。
[0042] 相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的優(yōu)勢體現(xiàn)在：
[0043] 1、整個制樣過程模擬了大多數(shù)原狀土的實際成因，無動力脈沖作用或人工涂抹， 多級緩慢加載還能夠盡可能的恢復(fù)軟土試樣土壤黏粒間的原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)；
[0044] 2、該實用新型制得的試樣為真正意義上的KO固結(jié)土體試樣，無計算假設(shè)，完全符 合原狀土的應(yīng)力狀態(tài)；
[0045] 3、可以制備尺寸較大的完整試樣，因此可開展部分?。ㄎⅲ┬褪覂?nèi)原位土工試 驗；
[0046] 4、實現(xiàn)了土工試樣的批量制備，保證了試驗成果平行對比的可操作性。
[0047] 下面用具體實施例對本實用新型進行說明：
[0048] 實施例1 :以海洋軟土為例，驗證本實用新型的實施情況是實施質(zhì)量。土樣基本物 理參數(shù)及原狀土復(fù)原試驗設(shè)計參數(shù)如表1。
[0049] 圖4為原狀土復(fù)原試驗10級法向應(yīng)力施加實測壓縮變形及其與目標(biāo)壓縮量對比 曲線。實際最終壓縮量較目標(biāo)量大〇. 1093cm，誤差量0. 547 %，達到了預(yù)期目標(biāo)。
[0050] 圖5為采集樣本后，隨機切取30小塊試樣測試得到的含水率與原狀土含水率對比 統(tǒng)計圖。所有試樣含水率均在原狀土含水率±0. 24%以內(nèi)?？膳袛啾緦嵱眯滦头桨概恐?備的試樣均勻性很好。
[0051] 表 1
[0052]

【權(quán)利要求】
1. 一種室內(nèi)復(fù)原原狀土的實驗設(shè)備，其特征在于：包括鋼性反力架（1)，鋼性反力架 (1)頂部安裝有油壓千斤頂（2)，油壓千斤頂（2)下方頂在透水蓋板（3)表面，透水蓋板（3) 緊貼第一透水板（4)，第一透水板（4)置于鋼性浮環(huán)（5)內(nèi)部，第一透水板（4)面積與鋼性 浮環(huán)（5)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同，透水蓋板（3)可被油壓千斤頂（2)頂住下移，鋼性浮 環(huán)（5)底部還設(shè)有與鋼性浮環(huán)（5)內(nèi)壁的徑向橫截面面積相同的第二透水板￠)，第二透 水板（6)被安裝在盛水容器（7)底部的法蘭盤（10)托住，鋼性浮環(huán)（5)外部套有盛水容器 (7)，鋼性浮環(huán)（5)立于鋼性墊塊（8)之上，透水蓋板（3)上還安裝有位移傳感器（9)，用來 測試土試樣的變形，所述鋼性浮環(huán)（5)內(nèi)壁的徑向橫截面直徑為60cm，鋼性浮環(huán)（5)壁厚 4cm;所述盛水容器（7)內(nèi)壁徑向橫截面直徑為90cm，盛水容器（7)壁厚6cm，所述透水蓋 板（3)直徑60cm，透水蓋板（3)上的透水孔直徑0.6cm，所述第一透水板（4)和第二透水板 (6)表面依次貼有工布、濾紙和紗網(wǎng)。
【文檔編號】G01N1/28GK204165806SQ201420106773
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】江洎洧, 潘家軍, 饒錫保, 張偉, 周密, 陳云, 徐晗, 黃斌, 左永振, 王艷麗 申請人:江洎洧