本發(fā)明涉及一種土樣的排水固結(jié)裝置以及制備方法，屬于試驗裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著疏浚行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，對水、機、土之間相互作用的研究愈發(fā)深入。疏浚施工存在許多涉土過程，如射流破土、絞刀耙頭切削等，其面臨的問題都非常復雜，往往需要通過室內(nèi)的大尺度實驗進行研究，為防止研究結(jié)果的偶然性，需進行重復性實驗，同時為獲得規(guī)律性結(jié)果，需提供單一的土質(zhì)條件，這對制備性質(zhì)均勻的大尺度土樣提出了要求。而且，土樣制備是研究土體性質(zhì)過程中的首要環(huán)節(jié)，土樣制備的優(yōu)劣對研究結(jié)果影響較大。但是，土質(zhì)條件受諸多因素影響，大尺度均勻土樣的制備成為難點，尤其是對于研究價值較大的高強度土而言，還需提供較高載荷進行固結(jié)排水才能在可控時間內(nèi)實現(xiàn)制備。

目前應用較成熟的排水固結(jié)方式有：水箱圍壓固結(jié)、堆載預壓和真空預壓等，其裝置和方法在制備大尺度、高強度均勻土樣的制備時，存在如下問題：（1）大多針對小尺寸土樣，尺度增加后如果簡單地等比例縮放，調(diào)勻、擊實等操作均不便于操作，甚至根本無法實現(xiàn)預期目標，如通過水箱圍壓方式固結(jié)，大尺度水箱的加壓密封裝置極其龐大而復雜；（2）堆載預壓通過配重的方式進行加載，對于大尺度土樣而言，受載面積增加而需較大配重，不僅搬運不便，操作繁重，而且配重所占空間極大而不易實現(xiàn)，或堆載過高而存在安全隱患。（3）真空預壓最大可利用載荷為大氣壓強，壓力有限，制備高強度土樣耗時過長，且能耗過大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

目的：針對上述問題，本發(fā)明提出一種土樣的排水固結(jié)裝置以及制備方法，利用手動葫蘆對土樣進行施加載荷，施加壓力方便調(diào)節(jié)，便于實現(xiàn)重載施壓，且能實時測得土樣質(zhì)量，獲知土樣密度變化情況并預測其性質(zhì)變化，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡易、無耗能。

技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種土樣的排水固結(jié)裝置，包括底板組、左側(cè)板、右側(cè)板、前面板組、后面板組、若干底座橫桿、上壓板組、若干T型施壓件組、橫向拉桿、縱向拉桿、手動葫蘆、拉力傳感器和稱重底座，所述稱重底座的底端四角各安裝有一個壓力傳感器，所述底座橫桿均勻布置在稱重底座上，所述底板組設置在底座橫桿上方，所述左側(cè)板和右側(cè)板分別通過螺栓安裝于底板組的左右兩側(cè)，所述前面板組和后面板組分別通過螺栓安裝于底板組的前后方，所述上壓板組壓在土料之上，且與底板組，左、右側(cè)板，前、后面板組形成一個矩形空間，所述T型施壓件組包括支撐件和加壓件，且兩者成T字形組合，所述支撐件通過螺栓固定于上壓板組之上，所述T型施壓件組的位置與底座橫桿上下對應，所述加壓件兩端各設有一個吊環(huán)，且每個吊環(huán)上各掛一個手動葫蘆，所述手動葫蘆的下吊鉤與拉力傳感器的一端連接，底座橫桿兩端與T型施壓件組對應位置各設有一個吊環(huán)，所述拉力傳感器的另一端與底座橫桿上的吊環(huán)連接，所述橫向拉桿設置在前面板組與后面板組之間，用于固定前面板組與后面板組之間的距離；所述縱向拉桿設置在左側(cè)板和右側(cè)板之間，用于固定左側(cè)板和右側(cè)板之間的距離。

優(yōu)選地，所述底板組由兩塊長面板拼接而成。

優(yōu)選地，所述前面板組和后面板組均由上固定面板和下固定面板組合而成。

優(yōu)選地，所述上壓板組由兩塊中間設有間隙的相同長度的面板組成。

優(yōu)選地，所述左、右側(cè)板兩側(cè)均設有插槽。

優(yōu)選地，所述底板組、左、右側(cè)板和前、后面板組的面板上均開有Φ6mm間隔20mm的密集通孔。

一種土樣制備方法，采用所述的一種土樣的排水固結(jié)裝置進行土樣制備，具體步驟如下：

1）土料準備

1a）測定取土的基本性質(zhì)，主要包括：含水率、粒級分布、顆粒比重、液塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度；

1b）根據(jù)所需土粒質(zhì)量備取一定質(zhì)量的土料，考慮測量誤差以及制備時土料的浪費，所取土量應當比理論計算值多30%；

1c）將步驟1b）中所取得土料曬干，去除其中雜物，干燥后用平板振動器碾碎，再將碾碎土粒過2mm篩，取篩下土粒密封保存，并測定其含水率；

2）準備制備裝置

2a）安裝制備裝置，先將底座橫桿布置在稱重底座對應的位置上，放上底板組，安裝前、后面板組時，先將下固定面板用螺栓緊固在底板上，再緊固上固定板，然后將左、右側(cè)板的插槽沿前、后面板組兩側(cè)插入，最后用螺栓固定四周面板與底板組，從而形成上方開口的箱體空間；

2b）鋪設砂墊層，在箱體內(nèi)鋪設粗砂和細砂兩層砂墊，粗砂在下，細砂在上，厚度根據(jù)所需透水量和土樣尺度而定；

2c）在細砂層之上以及箱體四面內(nèi)壁鋪設一層土工布，并在四周預留比箱體寬度長10%的土工布，再在土工布內(nèi)側(cè)鋪設200目的不銹鋼網(wǎng)；

3）拌合土料

3a）根據(jù)比土體液限高出10～20%的含水率，稱量一定質(zhì)量的水，倒入攪拌機內(nèi)筒；

3b）開動攪拌機，稱量一定質(zhì)量的干土料，緩慢、均勻地逐漸投放與攪拌機內(nèi)，與水充分攪拌，待其均勻后再攪拌15分鐘，停止攪拌；

3c）取出攪拌好的粘土料，置于密封塑料桶內(nèi)靜置一晝夜，以確保水與土粒拌合充分；

4）裝填施壓

4a）將拌合好的土料，分層填入步驟2）準備好的箱體內(nèi)，相鄰兩層的結(jié)合面需進行刨毛處理，每層厚度不超過100mm；

4b）將步驟2c）中預留的不銹鋼網(wǎng)和土工布依次覆蓋在土樣上面，然后在土工布上鋪設一定厚度砂墊層，壓上上壓板組，將T型施壓件組通過螺栓安裝在上壓板組之上，其位置與底座橫桿相對應；

4c）將手動葫蘆上端掛在T型施壓件組的加壓件吊環(huán)上，手動葫蘆下端吊鉤連接拉力傳感器，拉力傳感器的下端與底座橫桿的吊環(huán)連接；

4d）布置百分表，為觀測土樣的固結(jié)沉降量，在各T型施壓件組處通過磁性表座安裝百分表；

4e）收緊手動葫蘆至所需拉力，等待固結(jié)排水，實時記錄手動葫蘆拉力、土樣沉降量和質(zhì)量變化量，拉力減小超過10%，需繼續(xù)收緊至所需拉力。

有益效果：本發(fā)明提供了一種土樣的排水固結(jié)裝置以及制備方法，改變了缺失在實驗室內(nèi)進行大尺度土樣排水固結(jié)裝置的狀況；與傳統(tǒng)的土樣排水固結(jié)方式相比，上述制備裝置操作過程簡易，結(jié)構(gòu)簡單，拆卸搬運輕松；排水固結(jié)的施壓方式輕易簡單，壓力可調(diào)性大，無需消耗電能，且能加壓力的大小，能夠?qū)崟r記錄土樣固結(jié)過程的排水質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明制備裝置側(cè)面剖視圖；

圖3為本發(fā)明制備裝置俯視圖；

圖4為本發(fā)明制備裝置正視圖；

圖5為本發(fā)明制備裝置左右側(cè)板三維圖。

圖中：1-1-第一底板、1-2-第二底板、2-左側(cè)板、3-右側(cè)板、4-1-前上固定面板、4-2-前下固定面板、5-1-后上固定面板、5-2-后下固定面板、6-底座橫桿、7-1-第一上壓板、7-2-第二上壓板、8-T型施壓件組、8-1-支撐件、8-2-加壓件、9-橫向拉桿、10-縱向拉桿、11-手動葫蘆、12-拉力傳感器、13-稱重底座、14-插槽、壓力傳感器15。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。

如圖1-5所示，一種土樣的排水固結(jié)裝置，包括底板組、左側(cè)板2、右側(cè)板3、前面板組、后面板組、若干底座橫桿6、上壓板組、若干T型施壓件組8、橫向拉桿9、縱向拉桿10、手動葫蘆11、拉力傳感器12和稱重底座13，所述稱重底座13的底端四角各安裝有一個壓力傳感器15，所述底座橫桿6均勻布置在稱重底座13上，所述底板組設置在底座橫桿6上方，所述左側(cè)板2和右側(cè)板3分別通過螺栓安裝于底板組的左右兩側(cè)，所述前面板組和后面板組分別通過螺栓安裝于底板組的前后方，所述上壓板組壓在土料之上，且與底板組，左、右側(cè)板，前、后面板組形成一個矩形空間，所述T型施壓件組8包括支撐件8-1和加壓件8-2，且兩者成T字形組合，所述支撐件8-2通過螺栓固定于上壓板組之上，所述T型施壓件組8的位置與底座橫桿6上下對應，所述加壓件8-2兩端各設有一個吊環(huán)，且每個吊環(huán)上各掛一個手動葫蘆11，所述手動葫蘆11的下吊鉤與拉力傳感器12的一端連接，底座橫桿6兩端與T型施壓件組8對應位置各設有一個吊環(huán)，所述拉力傳感器12的另一端與底座橫桿6上的吊環(huán)連接，所述橫向拉桿9設置在前面板組與后面板組之間，用于固定前面板組與后面板組之間的距離；所述縱向拉桿10設置在左側(cè)板和右側(cè)板之間，用于固定左側(cè)板和右側(cè)板之間的距離。

優(yōu)選地，所述底板組由中間具有間隙的第一底板1-1和第二底板1-2拼接而成。

優(yōu)選地，所述前面板組由前上固定面板4-1和前下固定面板4-2組成，所述后面板組由后上固定面5-1板和后下固定面板5-2組合而成。

優(yōu)選地，所述上壓板組由中間設有間隙的第一上壓板7-1和第二上壓板7-2組成。

優(yōu)選地，所述左、右側(cè)板2、3均設有插槽14。

優(yōu)選地，所述底板組、左、右側(cè)板和前、后面板組的面板上均開有Φ6mm間隔20mm的密集通孔。

一種土樣制備方法，采用所述的一種土樣的排水固結(jié)裝置進行土樣制備，具體步驟如下：

1）土料準備

1a）測定取土的基本性質(zhì)，主要包括：含水率、粒級分布、顆粒比重、液塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度；

1b）根據(jù)所需土粒質(zhì)量備取一定質(zhì)量的土料，考慮測量誤差以及制備時土料的浪費，所取土量應當比理論計算值多30%；

1c）將步驟1b）中所取得土料曬干，去除其中雜物，干燥后用平板振動器碾碎，再將碾碎土粒過2mm篩，取篩下土粒密封保存，并測定其含水率；

2）準備制備裝置

2a）安裝制備裝置，先將底座橫桿6布置在稱重底座13對應的位置上，放上底板組，安裝前、后面板組時，先將下固定面板（即前下固定面板4-2和后下固定面板5-2）用螺栓緊固在底板組上，再緊固上固定面板（即前上固定面板4-1和后上固定面板5-1），然后將左、右側(cè)板的插槽14沿前、后面板組兩側(cè)插入，最后用螺栓固定四周面板與底板組，其中各個螺栓固定處都墊有一定厚度的鐵片，使前后、左右面板與底板組之間有一定的空隙，從而形成上方開口的箱體空間；

2b）鋪設砂墊層，在箱體內(nèi)鋪設粗砂和細砂兩層砂墊，粗砂在下，細砂在上，厚度根據(jù)所需透水量和土樣尺度而定；

2c）在細砂層之上以及箱體四面內(nèi)壁鋪設一層土工布，并在四周預留比箱體寬度長10%的土工布，再在土工布內(nèi)側(cè)鋪設200目的不銹鋼網(wǎng)；

3）拌合土料

3a）根據(jù)比土體液限高出10～20%的含水率，稱量一定質(zhì)量的水，倒入攪拌機內(nèi)筒，注意需對攪拌機進行適當密封措施，防止漏水；

3b）開動攪拌機，稱量一定質(zhì)量的干土料，緩慢、均勻地逐漸投放與攪拌機內(nèi)，與水充分攪拌，待其均勻后再攪拌15分鐘，停止攪拌，若土量過大，超過攪拌機內(nèi)筒體積的1/3，可分幾次進行攪拌，然后將每次的攪拌土料在依次取出形同質(zhì)量進行攪拌，以確保攪拌均勻；

3c）取出攪拌好的粘土料，置于密封塑料桶內(nèi)靜置一晝夜，以確保水與土粒拌合充分；

4）裝填施壓

4a）將拌合好的土料，分層填入步驟2）準備好的箱體內(nèi)，每層厚度不超過100mm，各層裝入后采用平板抹平，借助激光水平儀，調(diào)整各層高度，注意盡量減少土層內(nèi)氣泡，裝入上層前，需在下層表面進行刨毛處理，以減小分層的影響；

4b）將步驟2c）中預留的不銹鋼網(wǎng)和土工布依次覆蓋在土樣上面，然后在其上鋪設一定厚度砂墊層，壓上上壓板組，將T型施壓件組8通過螺栓安裝在上壓板組之上，其位置與底座橫桿相對應；

4c）將手動葫蘆上端掛在T型施壓件組8的加壓件8-2吊環(huán)上，手動葫蘆11下端吊鉤連接拉力傳感器12，拉力傳感器12的下端與底座橫桿6的吊環(huán)連接，依據(jù)實驗需要安裝的手動葫蘆11在六個及以上；

4d）布置百分表，為觀測土樣的固結(jié)沉降量，在各T型施壓件組8處通過磁性表座安裝百分表；

4e）收緊手動葫蘆11至所需拉力，等待固結(jié)排水，實時記錄手動葫蘆拉力、土樣沉降量和質(zhì)量變化量，拉力減小超過10%，需繼續(xù)收緊至所需拉力。

本發(fā)明為土樣相關(guān)的物理實驗模型提供了一種粘土排水固結(jié)的裝置。將原狀土通過干燥、研磨、篩分、攪拌、排水固結(jié)，得到實驗所需要的具有一定強度的土樣。

本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)利于手動葫蘆進行施加排水固結(jié)的壓力，極大地縮小了操作空間，并且施加壓力可控，通過拉力傳感器12可以實時了解壓力的大小。

為了解決傳統(tǒng)制作方式太過繁重，設計了新的機械結(jié)構(gòu)，輕巧、簡單易拆卸，依據(jù)實驗對土樣模型的大小，機械結(jié)構(gòu)體可以相應的改變。

為了充分地進行排水固結(jié)，在裝置四周的面板上鉆有密集的孔，利于擠壓出來的水流走；為了防止擠壓土樣時將粘土擠出，在土樣和裝置之間隔著一層土工布和不銹鋼網(wǎng)，排水固結(jié)時能夠很好的隔離開粘土。

為了了解土樣固結(jié)過程中，排水情況，該裝置設計了稱重底座13，能夠?qū)崟r記錄土樣固結(jié)過程中的質(zhì)量變化。

本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)利于手動葫蘆進行施加排水固結(jié)的壓力，極大地縮小了操作空間，并且施加壓力可控，通過拉力傳感器可以實時了解壓力的大小。為了解決傳統(tǒng)制作方式太過繁重，設計了新的機械結(jié)構(gòu)，輕巧、簡單易拆卸，依據(jù)實驗對土樣模型的大小，機械結(jié)構(gòu)體可以相應的改變；為了充分地進行排水固結(jié)，在裝置四周的面板上鉆有密集的孔，利于擠壓出來的水流走；為了防止擠壓土樣時將粘土擠出，在土樣和裝置之間隔著一層土工布和不銹鋼網(wǎng)，排水固結(jié)時能夠很好的隔離開粘土。

本發(fā)明中所述的地板組、左側(cè)板、右側(cè)板、前面板組、后面板組、上壓板組的厚度可依據(jù)實際所需壓實土樣強度改變；底座橫桿、T型施壓件組、橫向拉桿、縱向拉桿以及受拉葫蘆、拉力傳感器的個數(shù)可依據(jù)所需施壓大小改變。

本發(fā)明中所述的拉力傳感器與計算機相連，使手動葫蘆拉力的可通過拉力傳感器實時讀出，所述百分表、攪拌機、土工布、不銹鋼網(wǎng)等輔助儀器均為常規(guī)技術(shù)手段，故不作詳述。本發(fā)明中，底座橫桿和手動葫蘆數(shù)量根據(jù)箱體長度可增減。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。