一种黄土液化试验的低反压饱和方法
【专利摘要】本发明公开了一种黄土液化试验的低反压饱和方法，制备原状或重塑黄土试样；安装实验装置，检查试验装置，对实验装置预热20分钟以上；安装试样；对压力室充水完毕后，将围压和反压调至零位，将孔隙水压力和体变清零，最后将初始轴压调至零位；初始化围压和反压，待围压和反压稳定后依此逐级施加围压和反压。本发明采用低反压饱和法进行饱和的黄土试样，其饱和度约在95％以上，且试验的复现性较水头饱和有显著的提高，反压饱和前后的原状黄土微结构分析证明采用低反压饱和法饱和试样水平向、垂直向结构基本完好，验证了在低反压条件下，该方法可提高试样饱和度，并同时不破坏试样的结构性，具有饱和度高、控制精度较精准等特点。
【专利说明】一种黄土液化试验的低反压饱和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于土工试验研究领域，尤其涉及一种黄土液化试验的低反压饱和方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家发展政策的倾斜，黄土地区已经成为开发的主要地区，而黄土地区大多 地处高烈度地震区。从近期对地震实例的调查和室内试验研究表明，饱和黄土甚至高含水 量黄土也具有很高的液化势和流态破坏势，相比于黄土地区其他震害，黄土液化灾害具有 滑移距大，受灾面积大以及多具有毁灭性等特点。饱和黄土液化震害存在的潜在现实和经 济快速发展的形势对加强黄土的地震液化灾害及抗液化措施研究提出了要求。
[0003] 目前在黄土液化试验饱和方法研究方面已经取得了一定的成果，这些方法已在黄 土室内液化试验中得以应用，但现行的黄土液化试验饱和方法在其应用过程中仍存在一定 的缺陷，现行的黄土液化试验饱和方法主要存在两个缺点：
[0004] (1)饱和时间过长，试样在长时间浸水时产生湿陷破坏；
[0005] (2)饱和度较低，由于饱和时黄土部分微孔隙中存在残余空气，使土样饱和度较 低。
[0006] 这两个缺点又是相互矛盾的：一般情况下，饱和时间愈长，土样的饱和度就越高。 随着黄土液化研究的进一步深入，如何解决饱和时间与饱和度之间的矛盾，即找到二者之 间的平衡点，使土样在较短的时间内达到一个较高的饱和度，这将是黄土液化试验饱和方 法研究的主要方向。另外，现行的黄土液化方法中大多数方法均直接参考国内外相关规范 中的饱和方法,而对其在黄土液化试验饱和过程中的适用性未加考虑。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种黄土液化试验的低反压饱和方法，旨在提高土样饱和 度和控制精度。
[0008] 本发明是这样实现的，一种黄土液化试验的低反压饱和方法步骤如下：
[0009] 步骤一、制备原状或重塑黄土试样；
[0010] 步骤二、安装实验装置，检查试验装置，对实验装置预热20分钟以上；
[0011] 步骤三、安装试样；
[0012] 步骤四、对压力室充水完毕后，将围压和反压调至零位，将孔隙水压力和体变清 零，最后将初始轴压调至零位；
[0013] 步骤五、初始化围压和反压，待围压和反压稳定后依此逐级施加围压和反压。
[0014] 进一步，所述的安装试样的具体步骤如下：
[0015] 将实验装置的样品台调到最低位置，将乳胶膜用橡皮带紧箍在样品台上，确保不 漏水，翻下乳胶膜；在样品台上依次放置透水石、滤纸，将黄土试样放置在样品台上，在试样 上再依次放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力；翻起乳胶膜，用橡皮筋 将其紧扎在轴上。
[0016] 进一步，步骤四的具体方法如下：
[0017] 盖上压力室罩，关闭孔隙水压力阀和反压力阀，测记体变记录装置读确保不漏水， 翻下乳胶膜。在样品台上依次放置透水石、滤纸，将黄土试样小心翼翼的放置在样品台上， 在试样上再依次放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力；翻起乳胶膜，用 橡皮筋将其紧扎在轴上。
[0018] 进一步，步骤五所述的初始化围压和反压，使围压初始值为10kPa，反压初始值为 OkPa，待稳定后依此逐级施加围压和反压，对于干密度较大和胶结性较好的黄土，每级围压 和反压的增幅以30kPa为宜，压差以20kPa为宜，饱和后期因围压和反压较大以及试样浸水 后局部失稳导致的变形过大时，可适量调小围压和反压的增幅，并适当增大压差；对于干密 度较小和胶结性较差的黄土，初始加载时每级围压和反压的增幅以15_20kPa为宜，压差以 30kPa为宜，后期加载时若存在变形过大的情况，可适量的减小围压和反压的增幅和增大压 差。
[0019] 进一步，试验时，当孔隙水压力值超过反压值，或孔隙水压力值和体变值趋于稳定 时，应缓缓打开孔隙水压力阀排气，待排气结束后关闭孔隙水压力阀使孔压上升，以期试样 中能够均匀进水。
[0020] 进一步，每级加载中，当围压加载完成时，系统会主动测试孔隙水压力系数B值， 待B值趋于稳定后，记录B值，再进行反压加载。
[0021] 进一步，饱和试验的总时间应以60-90分钟为宜，试验中各级加载的时间因试样 的不同进行控制，每级加载时间应在10-20分钟为宜。
[0022] 进一步，试验中所加载的反压力不应大于饱和黄土的静强度，反压力的上限标准 不大于lOOkPa。
[0023] 进一步，试验中若有以下条件之一时，可认为土样饱和，即可进行下一步试验，否 则应继续加载，直至试样饱和：
[0024] (1)某级加载中当围压加载结束后孔隙水压力系数B值达到0.98以上；
[0025] (2)连续三级加载中孔隙水压力系数B值都达不到前一级加载时所测的B值；
[0026] (3)打开孔隙水压力阀排气时，试样中已无气泡继续溢出，且排出水的体积等于体 变测量装置所测得的进水体积。
[0027] 进一步，所述的黄土液化试验的低反压饱和方法采用实验装置为具有反压饱和功 能的三轴试验仪，包括压力源、压力分离器、伺服阀、管线、围压保持装置及阀门、反压保持 装置及阀门、压力测试单元及管线、体变传感器及管线、三轴压力室、反力基座、可调位置测 量装置、排气模块及阀门、孔隙水压力传感器、作动器、样品台等，试验时样品台上还依次放 置透水石、滤纸、样品，其中样品、滤纸、透水石由橡皮膜包覆；
[0028] 压力源与压力分离器相连，分离器通过管线与压力转换装置相连接，压力转换装 置与围压保持装置、反压保持装置通过伺服阀相连接，围压保持装置通过围压保持装置阀 门与体变传感器连接，体变传感器与压力表通过管线连接后与三轴压力室相连；反压保持 装置通过反压保持装置阀门与压力表连接，压力表与体变传感器通过管线连接后与三轴压 力室相连，三轴压力室与排气孔相连用于充水（或油）过程中三轴压力室的排气。试样放 置在基座（样品台）上，试样上下表面依次装有滤纸、透水石（须经开水煮沸过方可使用） 与基座（样品台）相连接，试样外部用橡皮膜包覆。反压保压装置与基座（样品台）上下 表面通过管线相连接，并通过包覆样品的橡皮膜与周围压力相独立。孔隙水压力传感器和 除气模块通过带有阀的管线与基座（样品台）下表面连接，测量试样的孔隙水压力和饱和 过程中的排气。
[0029] 本发明通过试验后土体饱和度测试，采用低反压饱和法进行饱和的黄土试样，其 饱和度约在95%以上，且试验的复现性较水头饱和有显著的提高，反压饱和前后的原状黄 土微结构分析证明采用低反压饱和法饱和试样水平向、垂直向结构完好，验证了在低反压 条件下（反压SO.IMPa)，该方法可提高试样饱和度，并同时不破坏试样的结构性。该方法 具有饱和度高、控制精度较精准等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施例提供的低反压饱和方法基座连线方式示意图；
[0031] 图2是本发明实施例提供的反压饱和前后试样的微结构；
[0032] 图中：饱和前后试样的微结构（a)水平向饱和前、（b)水平向饱和后、（c)垂直向 饱和前、（d)垂直向饱和后；
[0033] 图3是饱和前后试样孔隙含量变化统计图；
[0034] 图中：饱和前后试样孔隙含量变化（a)水平向、（b)垂直向。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0036] 本发明实施例提供的黄土室内土力学试验中采用低反压饱和方法可得到具有高 饱和度和良好的结构稳定性的试样。实验装置采用具有反压饱和功能的三轴试验仪，如上 图所示。其包括压力源、压力分离器、伺服阀、管线、围压保持装置及阀门、反压保持装置及 阀门、压力测试单元及管线、体变传感器及管线、三轴压力室、反力基座、可调位置测量装 置、排气模块及阀门、孔隙水压力传感器、作动器、样品台等，试验时样品台上还依次放置透 水石、滤纸、样品，其中样品、滤纸、透水石由橡皮膜包覆。
[0037] 压力源与压力分离器相连，分离器通过管线与压力转换装置相连接，压力转换装 置与围压保持装置、反压保持装置通过伺服阀相连接，围压保持装置通过围压保持装置阀 门与体变传感器连接，体变传感器与压力表通过管线连接后与三轴压力室相连；反压保持 装置通过反压保持装置阀门与压力表连接，压力表与体变传感器通过管线连接后与三轴压 力室相连，三轴压力室与排气孔相连用于充水（或油）过程中三轴压力室的排气。试样放 置在基座（样品台）上，试样上下表面依次装有滤纸、透水石（须经开水煮沸过方可使用） 与基座（样品台）相连接，试样外部用橡皮膜包覆。反压保压装置与基座（样品台）上下 表面通过管线相连接，并通过包覆样品的橡皮膜与周围压力相独立。孔隙水压力传感器和 除气模块通过带有阀的管线与基座（样品台）下表面连接，测量试样的孔隙水压力和饱和 过程中的排气。
[0038] 本发明是这样实现的，一种黄土液化试验的低反压饱和方法步骤如下：
[0039] 步骤一、制备原状或重塑黄土试样；
[0040] 参考《土工试验方法标准》（GBT50123-1999)、《土工试验规程》（SL237-1999)、 ASTM, Annual Book of ASTM Standards(ASTM D4767-95)和 BSI, Shear strength tests(BS1377-8)制定黄土低反压饱和准标准化方法；
[0041] 按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999)中相关规定制备原状或重塑黄土试 样。
[0042] 步骤二、安装实验装置，检查试验装置，对实验装置预热20分钟以上；
[0043] 按照BS1377-8规范中反压饱和装置管路连接示意图连接管路；每次试验前应检 查管路的连通性。
[0044] 试验前应检查乳胶膜有无损坏，试验中所用的透水石应充分饱和（煮沸），试验系 统中所有管路应务必将空气排净。
[0045] 打开试验系统，预热20分钟以上，保证仪器的稳定性。
[0046] 步骤三、安装试样；
[0047] 步骤四、对压力室充水完毕后，将围压和反压调至零位，将孔隙水压力和体变清 零，最后将初始轴压调至零位；
[0048] 步骤五、初始化围压和反压，待围压和反压稳定后依此逐级施加围压和反压。
[0049] 进一步，所述的安装试样的具体步骤如下：
[0050] 将实验装置的样品台调到最低位置，将乳胶膜用橡皮带紧箍在样品台上，确保不 漏水，小心地翻下乳胶膜；在样品台上依此放置透水石、滤纸，将黄土试样小心翼翼的放置 在样品台上，在试样上再依此放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力；小 心地翻起乳胶膜，用橡皮筋将其紧扎在轴上。
[0051] 进一步，步骤四的具体方法如下：
[0052] 盖上压力室罩，关闭孔隙水压力阀和反压力保持阀门，测记体变记录装置读确保 不漏水，小心地翻下乳胶膜。在样品台上依此放置透水石、滤纸，将黄土样品小心翼翼的放 置在样品台上，在试样上再依此放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力； 小心地翻起乳胶膜，用橡皮筋将其紧扎在轴上。
[0053] 进一步，步骤五所述的初始化围压和反压，使围压初始值为10kPa，反压初始值为 OkPa，待稳定后依此逐级施加围压和反压，对于干密度较大和胶结性较好的黄土，每级围压 和反压的增幅以30kPa为宜，压差以20kPa为宜，饱和后期因围压和反压较大以及试样浸水 后局部失稳导致的变形过大时，可适量调小围压和反压的增幅，并适当增大压差；对于干密 度较小和胶结性较差的黄土，初始加载时每级围压和反压的增幅以15_20kPa为宜，压差以 30kPa为宜，后期加载时若存在变形过大的情况，可适量的减小围压和反压的增幅和增大压 差。
[0054] 进一步，试验时，当孔隙水压力值超过反压值，或孔隙水压力值和体变值趋于稳定 时，应缓缓打开孔隙水压力阀排气，待排气结束后关闭孔隙水压力阀使孔压上升，以期试样 中能够均匀进水。
[0055] 进一步，每级加载中，当围压加载完成时，系统会主动测试孔隙水压力系数B值， 待B值趋于稳定后，记录B值，再进行反压加载。
[0056] 进一步，饱和试验的总时间应以60-90分钟为宜，试验中各级加载的时间因试样 的不同进行控制，每级加载时间应在10-20分钟为宜。
[0057] 进一步，试验中所加载的反压力不应大于饱和黄土的静强度，反压力的上限标准 不大于lOOkPa。
[0058] 进一步，试验中若有以下条件之一时，可认为土样饱和，即可进行下一步试验，否 则应继续加载，直至试样饱和：
[0059] (1)某级加载中当围压加载结束后孔隙水压力系数B值达到0.98以上；
[0060] (2)连续三级加载中孔隙水压力系数B值都达不到前一级加载时所测的B值；
[0061] (3)打开孔隙水压力阀排气时，试样中已无气泡继续溢出，且排出水的体积等于体 变测量装置所测得的进水体积。
[0062] 黄土室内土力学试验中采用低反压饱和方法可得到具有高饱和度和良好的结构 稳定性的试样。实验装置采用具有反压饱和功能的三轴试验仪。试样放置在样品台上，上下 表面依次装有滤纸、透水石（须经开水煮沸过方可使用），然后与反力基座相连接，试样外 部用橡皮膜包覆。通过三轴压力室对试样施加周围压力（水压、油压或气压），反压保持装 置进行试样的饱和，试验系统具有压力保持及控制系统，维持和补给饱和过程中的饱和水。 低反压饱和模块中用于施加反压的水管线与底座连接方式为"上进下出"，即利用水头在较 短时间内将试样中的空气排出。试验过程中当孔隙水压力值大于施加反向压力值，或孔隙 水压力值和体变值趋于稳定，须及时微开启除气模块，待除气结束后关闭排气模块阀门使 孔压上升，使试样内部均匀进水，该步骤能够提高饱和效率；同时施加目标反压值小于土体 静强度，保证了试样的结构稳定性。试验过程中试样的孔隙水压力通过与试样底部相连通 的压力传感器测得（其安装位置与反压出水端在同侧），每级饱和完毕后可用B值检测来判 断饱和度，实现了对饱和过程中饱和度的量化。
[0063] 低反压饱和工作原理：
[0064] 待三轴压力室安装固定后，对其进行注水（或油、气），注水（或油）时压力室上方 排气孔开启，当压力室内试样的周围充满水（或油）后关闭排气孔。试验仪所需的压力由 压力源装置传递出来并经分离器后分路，经过压力控制伺服阀进入压力转换装置，经伺服 阀进入与压力室相连的围压保持装置、反压保持装置，实现饱和实验过程对试样周围压力 施加和反压饱和过程中反压的施加。
[0065] 饱和过程开始前，首先关闭反压，对试样施加很小的周围压力预压，然后打开反压 保持装置阀门，开始进行反压力施加，饱和过程中，反压水头施加由上至下，试验时当孔隙 水压力值超过反压值，或孔隙水压力值和体变值趋于稳定时，应缓缓打开排气模块阀门，试 样中的空气通过排气模块排出，待排气结束后关闭排气模块阀门使孔压上升，以期试样中 能够均匀进水。每级加载中，当围压加载完成时，系统会主动测试孔隙水压力系数B值，待 B值趋于稳定后，记录B值，再进行下一级反压加载。考虑黄土具有特殊的水敏性和饱和黄 土的亚稳定性，饱和试验的总时间应在60-90分钟为宜，试验中各级加载的时间因试样的 不同进行控制，每级加载时间应在10-20分钟为宜。当：1)某级加载中当围压加载结束后 孔隙水压力系数B值达到0. 98以上；或2)连续三级加载中孔隙水压力系数B值都达不到 前一级加载时所测的B值；或3)打开孔隙水压力阀排气时，试样中已无气泡继续溢出，且排 出水的体积等于体变测量装置所测得的进水体积。表明黄土试样饱和完成。试验过程中试 样的受力状态由体变测量装置、压力传感器（内、外、孔、反压传感器）、力传感器测得，通过 数据采集仪实现数据采集和存储。
[0066] 表1是本发明实施例提供的反压饱和法中不同规范围压、反压增幅范围表；
[0067] 表2是本发明实施例提供的反压饱和法中不同规范压差范围表；
[0068] 表 1
[0069]
【权利要求】
1. 一种黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，所述的黄土液化试验的低反压 饱和方法步骤如下： 步骤一、制备原状或重塑黄土试样； 步骤二、安装实验装置，检查试验装置，对实验装置预热20分钟以上； 步骤三、安装试样； 步骤四、对压力室充水完毕后，将围压和反压调至零位，将孔隙水压力和体变清零，最 后将初始轴压调至零位； 步骤五、初始化围压和反压，待围压和反压稳定后依此逐级施加围压和反压。
2. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，所述的安装试 样的具体步骤如下： 将实验装置的样品台调到最低位置，将乳胶膜用橡皮带紧箍在样品台上，确保不漏水， 翻下乳胶膜；在样品台上依此放置透水石、滤纸，将黄土试样放置在样品台上，在试样上再 依次放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力；小心地翻起乳胶膜，用橡皮 筋将其紧扎在轴上。
3. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，步骤四的具体 方法如下： 盖上压力室罩，关闭孔隙水压力阀和反压力阀，测记体变记录装置读确保不漏水，翻下 乳胶膜，在样品台上依次放置透水石、滤纸，将黄土试样放置在样品台上，在试样上再依次 放置滤纸和透水石，调节样品台的高度，使试样刚好受力；翻起乳胶膜，用橡皮筋将其紧扎 在轴上。
4. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，步骤五所述的 初始化围压和反压，使围压初始值为10kPa，反压初始值为OkPa，待稳定后依此逐级施加围 压和反压，对于干密度较大和胶结性较好的黄土，每级围压和反压的增幅以30kPa为宜，压 差以20kPa为宜，饱和后期因围压和反压较大以及试样浸水后局部失稳导致的变形过大 时，可适量调小围压和反压的增幅，并适当增大压差；对于干密度较小和胶结性较差的黄 土，初始加载时每级围压和反压的增幅以15_20kPa为宜，压差以30kPa为宜，后期加载时若 存在变形过大的情况，可适量的减小围压和反压的增幅和增大压差。
5. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，试验时，当孔隙 水压力值超过反压值，或孔隙水压力值和体变值趋于稳定时，应缓缓打开孔隙水压力阀排 气，待排气结束后关闭孔隙水压力阀使孔压上升，以期试样中能够均匀进水。
6. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，每级加载中，当 围压加载完成时，系统会主动测试孔隙水压力系数B值，待B值趋于稳定后，记录B值，再进 行反压加载。
7. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，饱和试验的总 时间应以60-90分钟为宜，试验中各级加载的时间因试样的不同进行控制，每级加载时间 应在10-20分钟为宜。
8. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，试验中所加载 的反压力不应大于饱和黄土的静强度，反压力的上限标准不大于l〇〇kPa。
9. 如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，试验中若有以 下条件之一时，可认为土样饱和，即可进行下一步试验，否则应继续加载，直至试样饱和： (1) 某级加载中当围压加载结束后孔隙水压力系数B值达到0. 98以上； (2) 连续三级加载中孔隙水压力系数B值都达不到前一级加载时所测的B值； (3) 打开孔隙水压力阀排气时，试样中已无气泡继续溢出，且排出水的体积等于体变测 量装置所测得的进水体积。
10.如权利要求1所述的黄土液化试验的低反压饱和方法，其特征在于，所述的黄土液 化试验的低反压饱和方法采用实验装置为具有反压饱和功能的三轴试验仪，包括压力源、 压力分离器、伺服阀、管线、围压保持装置及阀门、反压保持装置及阀门、压力测试单元及管 线、体变传感器及管线、三轴压力室、反力基座、可调位置测量装置、排气模块及阀门、孔隙 水压力传感器、作动器、样品台等，试验时样品台上还依次放置透水石、滤纸、样品，其中样 品、滤纸、透水石由橡皮膜包覆； 压力源与压力分离器相连，分离器通过管线与压力转换装置相连接，压力转换装置与 围压保持装置、反压保持装置通过伺服阀相连接，围压保持装置通过围压保持装置阀门与 体变传感器连接，体变传感器与压力表通过管线连接后与三轴压力室相连；反压保持装置 通过反压保持装置阀门与压力表连接，压力表与体变传感器通过管线连接后与三轴压力室 相连，三轴压力室与排气孔相连用于充水或油过程中三轴压力室的排气；试样放置在基座 上，试样上下表面依次装有滤纸、透水石与基座相连接，试样外部用橡皮膜包覆；反压保压 装置与基座上下表面通过管线相连接，并通过包覆样品的橡皮膜与周围压力相独立；孔隙 水压力传感器和除气模块通过带有阀的管线与基座下表面连接，测量试样的孔隙水压力和 饱和过程中的排气。
【文档编号】G01N33/24GK104155427SQ201410387697
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】王平, 王兰民, 王峻, 王谦, 吴志坚, 钟秀梅, 柴少峰, 董林, 刘红玫, 车高凤 申请人:王平