一种土样的排水固结装置以及制备方法与流程

本发明涉及一种土样的排水固结装置以及制备方法，属于试验装置领域。

背景技术：

随着疏浚行业的技术发展，对水、机、土之间相互作用的研究愈发深入。疏浚施工存在许多涉土过程，如射流破土、绞刀耙头切削等，其面临的问题都非常复杂，往往需要通过室内的大尺度实验进行研究，为防止研究结果的偶然性，需进行重复性实验，同时为获得规律性结果，需提供单一的土质条件，这对制备性质均匀的大尺度土样提出了要求。而且，土样制备是研究土体性质过程中的首要环节，土样制备的优劣对研究结果影响较大。但是，土质条件受诸多因素影响，大尺度均匀土样的制备成为难点，尤其是对于研究价值较大的高强度土而言，还需提供较高载荷进行固结排水才能在可控时间内实现制备。

目前应用较成熟的排水固结方式有：水箱围压固结、堆载预压和真空预压等，其装置和方法在制备大尺度、高强度均匀土样的制备时，存在如下问题：（1）大多针对小尺寸土样，尺度增加后如果简单地等比例缩放，调匀、击实等操作均不便于操作，甚至根本无法实现预期目标，如通过水箱围压方式固结，大尺度水箱的加压密封装置极其庞大而复杂；（2）堆载预压通过配重的方式进行加载，对于大尺度土样而言，受载面积增加而需较大配重，不仅搬运不便，操作繁重，而且配重所占空间极大而不易实现，或堆载过高而存在安全隐患。（3）真空预压最大可利用载荷为大气压强，压力有限，制备高强度土样耗时过长，且能耗过大。

技术实现要素：

目的：针对目前排水固结方法不适合大尺度土样的问题，本发明提出一种土样的排水固结装置以及制备方法，利用杠杆原理加倍土样的施加载荷，施加压力方便调节，固结过程中载荷稳定，可测量排水体积而实时预估土样含水率和性质变化，且结构简单、操作简易、无耗能。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种土样的排水固结装置，包括底板、前面板、后面板、左面板、右面板、上压板、两根支撑杆、两根承接压力杆、杠杆组、活节螺栓和集水盘，所述底板设置在集水盘的正中间，所述前面板、后面板、左面板和右面板分别通过活节螺栓固定在底板的四周，形成箱体结构，且前、后、左、右四块面板中相邻两块之间采用活节螺栓连接，所述前面板和后面板外侧面各对称焊接有两根方钢，所述方钢的上端开有方形孔，所述上压板的上方两侧对称设有若竖直支架，所述竖直支架的上端开有半圆孔，所述支撑杆的两端通过螺栓固定在方钢上端的方形孔上，所述承接压力杆安装在上压板上方的竖直支架的半圆孔中，所述杠杆组包括砝码盘和杠杆，所述杠杆的一端设有砝码盘，另一端开有圆孔，所述杠杆开有圆孔的一端穿过支撑杆，且在杠杆上与承接压力杆相对应的位置上开有半圆孔，使其穿过承接压力杆。

优选地，所述底板、前面板、后面板、左面板、右面板和上压板上均开有直径6mm间隔20mm的密集通孔。

优选地，所述集水盘的下端装有出水阀门。

一种土样制备方法，采用所述的一种土样的排水固结装置制备土样，具体方法如下：

1）土样制备：

1a）测定所取土料的基本性质，主要包括：含水率、粒级分布、颗粒比重、液塑限、最优含水率和最大干密度；

1b）根据所需土粒质量备取一定质量的土料，考虑测量误差以及制备时土料的浪费，所取土量应当比理论计算值多30%；

1c）将步骤1b）中所取得土料晒干，去除杂物，干燥后用平板振动器碾碎，再将碾碎土粒过2mm筛，取筛下土粒密封保存，并测定其含水率；

2）准备制备装置

2a）安装制备装置，先将前、后、左、右面板安装于底板四周，拧紧活节螺栓，然后将其安放于集水盘正中间；

2b）铺设砂垫层，在箱体内铺设粗砂和细砂两层砂垫，粗砂在下细砂在上，厚度根据所需透水量和土样尺度而定；

2c）在细砂层之上以及箱体四面内壁铺设一层土工布，并在四周预留比箱体宽度长10%的土工布，再在土工布内侧铺设200目的不锈钢网；

3）拌合土料

3a）根据比土体液限高出10～20%的含水率，称量一定质量的水，倒入搅拌机内筒；

3b）开动搅拌机，称量一定质量的干土料，缓慢、均匀地逐渐投放于搅拌机内，与水充分搅拌，待其均匀后，再搅拌15分钟，停止搅拌；

3c）取出步骤3b）中搅拌好的粘土料，置于密封塑料桶内静置一昼夜，以确保水与土粒拌合充分；

4）装土施压

4a）将步骤3）拌合好的土料，分层填入箱体内，相邻两层间的结合面需进行刨毛处理，每层厚度不超过100mm；

4b）随后将不锈钢网和土工布包裹住整个土料，然后在其上铺设一定厚度砂垫层，再在其上方放置上压板，并使杠杆开有圆孔的一端穿过支撑杆，然后采用螺栓将支撑杆两端分别固定在前后面板的方钢上端的方形孔中，承接压力杆安放于上压板上的竖直支架上端的半圆孔中，并使得杠杆架于承接压力杆之上；

4c）在土样顶部适当位置，通过磁性表座安装百分表，以监测土样的沉降位移；

4d）根据设计载荷依次在砝码盘中放置砝码，适时记录经过一定时间后的压缩量和排水体积；

4e）等待固结排水完成。

有益效果：本发明提供了一种土样的排水固结装置以及制备方法，通过集水盘可以收集土样固结过程中的排水，从而测量排水体积，与传统的土样排水固结方式相比，上述制备装置操作过程简易，结构简单，拆卸搬运轻松，改变了缺失在实验室内进行大尺度的土样排水固结装置的状况。

附图说明

图1为本发明制备装置结构示意图；

图2为本发明制备装置正视图；

图3为本发明制备装置俯视图；

图4为本发明上压板三维图；

图5为本发明集水盘三维图；

图6为本发明底板三维图。

图中：1底板、2前面板、3后面板、4左面板、5右面板、6上压板、7支撑杆、8承接压力杆、9杠杆组、9-1-杠杆、9-2-砝码盘、10活节螺栓、11集水盘。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1-6所示，一种土样的排水固结装置，包括底板、前面板、后面板、左面板、右面板、上压板、两根支撑杆、两根承接压力杆、杠杆组、活节螺栓和集水盘，所述底板设置在集水盘的正中间，所述前面板、后面板、左面板和右面板分别通过活节螺栓固定在底板的四周，形成箱体结构，且前、后、左、右四块面板中相邻两块之间采用活节螺栓连接，所述前面板和后面板外侧面各对称焊接有两根方钢，所述方钢的上端开有方形孔，所述上压板的上方两侧对称设有若竖直支架，所述竖直支架的上端开有半圆孔，所述支撑杆的两端通过螺栓固定在方钢上端的方形孔上，所述承接压力杆安装在上压板上方的竖直支架的半圆孔中，所述杠杆组包括砝码盘和杠杆，所述杠杆的一端设有砝码盘，另一端开有圆孔，所述杠杆开有圆孔的一端穿过支撑杆，且在杠杆上与承接压力杆相对应的位置上开有半圆孔，使其穿过承接压力杆。

优选地，所述底板、前面板、后面板、左面板、右面板和上压板上均开有直径6mm间隔20mm的密集通孔，有利于排水固结。

优选地，所述集水盘的下端装有出水阀门，可测量土样固结的排水体积。

一种土样制备方法，采用所述的一种土样的排水固结装置制备土样，具体方法如下：

1）土样制备：

1a）测定所取土料的基本性质，主要包括：含水率、粒级分布、颗粒比重、液塑限、最优含水率和最大干密度；

1b）根据所需土粒质量备取一定质量的土料，考虑测量误差以及制备时土料的浪费，所取土量应当比理论计算值多30%；

1c）将步骤1b）中所取得土料晒干，去除杂物，干燥后用平板振动器碾碎，再将碾碎土粒过2mm筛，取筛下土粒密封保存，并测定其含水率；

2）准备制备装置

2a）安装制备装置，先将前、后、左、右面板安装于底板四周，拧紧活节螺栓，然后将其安放于集水盘正中间；

2b）铺设砂垫层，在箱体内铺设粗砂和细砂两层砂垫，粗砂在下细砂在上，厚度根据所需透水量和土样尺度而定；

2c）在细砂层之上以及箱体四面内壁铺设一层土工布，并在四周预留比箱体宽度长10%的土工布，再在土工布内侧铺设200目的不锈钢网；

3）拌合土料

3a）根据比土体液限高出10～20%的含水率，称量一定质量的水，倒入搅拌机内筒，注意需对搅拌机进行适当密封措施，防止漏水；

3b）开动搅拌机，称量一定质量的干土料，缓慢、均匀地逐渐投放于搅拌机内，与水充分搅拌，待其均匀后，再搅拌15分钟，停止搅拌，若土量过大，超过搅拌机内筒体积的1/3，可分几次进行搅拌，然后将每次的搅拌土料在依次取出形同质量进行搅拌，以确保搅拌均匀；

3c）取出步骤3b）中搅拌好的粘土料，置于密封塑料桶内静置一昼夜，以确保水与土粒拌合充分；

4）装土施压

4a）将步骤3）拌合好的土料，分层填入箱体内，每层厚度不超过100mm，各层装入后采用平板抹平，借助激光水平仪，调整各层高度，注意尽量减少土层内气泡。装入上层前，需在下层表面进行刨毛处理，以减小分层的影响；

4b）随后将不锈钢网和土工布包裹住整个土料，然后在其上铺设一定厚度砂垫层，再在其上方放置上压板，并使杠杆开有圆孔的一端穿过支撑杆，然后采用螺栓将支撑杆两端分别固定在前后面板的方钢上端的方形孔中，承接压力杆安放于上压板上的竖直支架上端的半圆孔中，并使得杠杆架于承接压力杆之上；

4c）在土样顶部适当位置，通过磁性表座安装百分表，以监测土样的沉降位移；

4d）根据设计载荷依次在砝码盘中放置砝码，适时记录经过一定时间后的压缩量和排水体积，本发明依靠杠杆原理，在杠杆一端施加砝码，使土样能受到较大的压力，且固结过程中压力稳定；

4e）等待固结排水完成。

本发明中，活节螺栓安装于各面板两边处，土料放入其形成的箱体内，盖上上压板，通过在砝码盘上加砝码，利用杠杆原理，对土样进行施加压力；所述的底板、前面板、后面板、左面板、右面板、上压板的厚度可依据实际所需压实土样强度改变。

本发明中，杠杆数量可以依据实际需要调节，但是需要对称布置，砝码依据需要进行配重。

本发明中提及的砝码、百分表、搅拌机、土工布、不锈钢网均为常规技术手段，故而未加详述。

本发明提及的集水盘中间为一凸起面，这样水会流入四周下凹的集水槽内，从而可将阀门打开进行收集测量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。