制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的装置及方法与流程

本发明属于岩土工程地基处理技术领域，特别是涉及一种制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的装置及方法。

背景技术：

随着经济社会的发展，高层建筑、高速铁路、桥梁、隧道等工程建设逐渐向不良地质条件地区扩展、延伸。为使得不良地质条件地区的岩土材料的物理力学性质满足工程建设的需要，往往需要进行地基处理。常用的地基处理技术包括物理法、化学法、生物法以及以上不同方法的结合。其中，将物理法和化学法相结合的物化法因改良效果显著、操作方便等优点而得到了工程师和研究人员的高度关注。

在已有的物化法改良土技术中，将离散短纤维与其他的材料联合使用是一种常用的有效手段。中国发明专利(申请公布号cn1932167)公开了一种短丝纤维加筋石灰土地基处理方法，该方法将短丝纤维和石灰相结合，具有成本不高且施工简单的特点。中国发明专利(申请公布号cn104358198a)公开了一种纤维加筋固化土改良重载铁路路基的方法，该方法将单丝束状纤维和土壤固化剂(由硅铝酸盐、铁铝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硫铝酸盐、氯化物和氧化物组成)相结合，具有良好的强度和变形等工程特性。中国发明专利(申请公布号cn104846807a)公开了一种聚丙烯纤维加筋盐渍土及其固化方法，该方法将聚丙烯纤维和石灰、粉煤灰相结合，具有可广泛应用于盐渍土固化等优点。中国发明专利(申请公布号cn106436679a)公开了一种含有玄武岩纤维和纳米二氧化硅的加筋土及其制备方法，该方法将玄武岩纤维和纳米二氧化硅相结合，可有效改善软黏土的力学性能。上述方法的共同特点为，纤维在土体中的分布是随机离散的。

然而，已有研究表明，由于受到现场施工或室内试样制备方法的影响，纤维加筋土中纤维的分布是非均匀的，倾向于水平或近似水平分布。纤维的非均匀分布导致纤维加筋土的强度和变形具有各向异性特性，使得传统的纤维加筋土本构模型和稳定性分析理论不再适用。针对该问题，相关研究主要采用理论分析或数值模拟的手段探讨了纤维取向对纤维加筋土强度和变形特性的影响及其力学机理。此外，室内试验是揭示规律、验证理论及数值模型的重要手段，然而由于试样制备的困难，采用试验手段探究纤维取向的影响效应及其作用机理的研究十分少见。当纤维与其他材料联合使用改良土体时，改良土的强度和变形特性必定受到纤维取向分布的影响，从而进一步影响本构模型、数值模拟及理论分析的适用性或精度。然而，与该问题相关的研究还未见报道。因此，有必要开展纤维取向对纤维和其他材料联合改良土的力学特性的影响效应及其内在机理的研究，这对于促进地基处理技术的发展与应用具有重要意义。该研究的基础工作之一，便是内含定向分布纤维的物化法改良土试样的制备装置及方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种内含定向分布纤维的物化法改良土试样的制备装置及方法，该装置及方法操作简单、成本低廉、精度高，可用于研究纤维取向对纤维和其他材料联合改良土的力学特性的影响效应及其内在机理。

本发明采用以下技术方案：

一种内含定向分布纤维的物化法改良土试样的制备装置，包括可拆卸模具、击实定位板、击实锤系统、纤维定向筛；

所述的可拆卸模具包括底钢板、两块外侧钢板、两块内侧钢板和若干螺纹钢拉杆；所述底钢板的每个侧面上均设有若干螺孔，用于与自攻螺钉配合以固定侧钢板；所述外侧钢板内表面设有两个固定凹槽和定位凹槽，所述固定凹槽用于嵌入内侧钢板，所述定位凹槽设于外侧钢板内表面边缘，用于固定击实定位板和纤维定向筛；所述内侧钢板内表面边缘设有定位凹槽，定位凹槽的尺寸及作用与外侧钢板内表面的定位凹槽相同；所述外侧钢板上部设有若干贯穿螺孔，用于与螺纹钢拉杆配合以固定外侧钢板和内侧钢板；所述的可拆卸模具内部铺设有土样；

所述的击实定位板用于辅助击实锤系统定位，所述的击实锤系统用于对土样进行击实，从而保证改良土样的干密度均匀；

所述纤维定向筛用于使纤维沿平行于螺纹钢拉杆的方向分布。

上述技术方案中，进一步地，所述的击实定位板包括上位钢片和下位钢片，上位钢片和下位钢片的高度大于外侧钢板内表面的定位凹槽长度；所述上位钢片下端和下位钢片上端开有相同尺寸的卡槽，二者通过卡槽连接。

进一步地，所述的击实锤系统包括击实锤套筒、设于击实锤套筒内的击实锤和设于击实锤套筒上的套筒帽；所述的套筒帽中心设有一个供击实锤杆穿过的圆孔；所述的击实锤由击实锤头和击实锤杆焊接而成，击实锤头和击实锤杆的外形分别为长方体和圆柱体(击实锤杆截面尺寸略小于套筒帽中心的圆孔尺寸)，击实锤头的横截面为正方形(大于套筒帽中心的圆孔尺寸)，其边长大于两外侧钢板或两内侧钢板之间净距的1/3，且小于两外侧钢板或两内侧钢板之间净距的2/3；击实锤套筒的横截面内边缘为正方形，其边长大于击实锤头的横截面边长，但大于的量不超过2mm。

进一步地，所述的纤维定向筛包括四块侧铝板和若干设于侧铝板底部的底部平行细铝丝；侧铝板通过焊接彼此相连，侧铝板的高度与可拆卸模具的深度相同；底部平行细铝丝之间的净距应至少为5倍纤维直径，但不大于10倍纤维直径，底部平行细铝丝距土样顶面的距离为1-2cm。

更进一步地，所述的纤维定向筛还包括固定钢塞，所述侧铝板上在与内侧钢板和外侧钢板内表面上定位凹槽对应的竖向位置处设有若干等间距的贯穿孔洞，用于与固定钢塞配合使用以调节纤维定向筛的竖向位置。

上述装置中，底钢板的横截面形状为正方形(俯视)。外侧钢板的内表面的固定凹槽和定位凹槽的深度和宽度均相等，且为外侧钢板厚度的一半，固定凹槽的长度与外侧钢板的高度相等，固定凹槽的作用为嵌入内侧钢板，定位凹槽的长度为外侧钢板厚度的2倍，定位凹槽的作用为固定击实定位系统和固定纤维定向筛。螺纹钢拉杆的长度略大于内侧钢板长度与外侧钢板厚度之和；螺纹钢拉杆的作用是使外侧钢板、内侧钢板和底钢板连接紧密。击实定位板的上位钢片和下位钢片的厚度为外侧钢板和内侧钢板厚度的一半，长度为两外侧钢板间净距与外侧钢板厚度之和；上位钢片与下位钢片的高度均为内侧钢板和外侧钢板内表面上定位凹槽长度的2倍；上位钢片与下位钢片的卡槽的尺寸与内侧钢板和外侧钢板内表面上定位凹槽的尺寸相同；击实定位板可按需卡入外侧钢板和内侧钢板内表面上的定位凹槽内或从中拔出。击实锤的质量和落高分别为4.5kg和45cm；击实锤头横截面正方形的边长略大于两外侧钢板或两内侧钢板之间净距的1/3，以保证击实锤系统与可拆卸模具尺寸之间的搭配；套筒帽可按需安装在击实锤套筒顶端或从中卸下，套筒帽与击实锤套筒相互结合可以使击实锤的最大落高限定为设定值。纤维定向筛中，固定钢塞插入侧铝板贯穿孔洞中的部分的直径略小于贯穿孔洞的直径，固定钢塞插入内侧钢板和外侧钢板内表面上定位凹槽中的部分的宽度略小于定位凹槽的宽度。

本发明还提供一种制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

(1)将取自现场的土体自然风干或采用烘箱烘干得到干土，然后将干土碾散，并过相关规范所要求孔径的标准筛(如2mm筛)；按预定的质量百分比称取化学添加剂；按预设的纤维长度和纤维质量百分比准备好纤维；

(2)将化学添加剂与过筛后的干土均匀拌合，然后边搅拌边少量多次地撒入预定质量的纯净水，拌合均匀，然后养护若干周期，养护结束后得到化学法改良土；

(3)组装可拆卸模具和击实锤系统；在可拆卸模具内表面上均匀地涂刷一层凡士林，再在可拆卸模具内表面上贴一层保鲜膜，然后在保鲜膜上均匀地涂刷一层凡士林，用于确保击实完毕后可拆卸模具的快速拆卸及可拆卸模具拆卸过程对击实块表面扰动的最小化；在击实锤系统的击实锤头的底部包裹一层透明胶带，用于防止击实过程中击实锤头底面与土样的粘结；

(4)将一次制备过程所需的纤维和化学法改良土分别均分为9份和10份；

(5)取一份化学法改良土均匀地铺设于可拆卸模具底部并抹平土层表面；

(6)调节纤维定向筛上固定钢塞的位置，以使得纤维定向筛的底部平行细铝丝与可拆卸模具内土层的表面之间的距离为1-2cm为调节标准，然后将纤维定向筛组装到可拆卸模具上；

(7)取一份纤维均匀地撒入纤维定向筛中，拨动纤维使其全部落入可拆卸模具内的土层表面上；

(8)将纤维定向筛从可拆卸模具中拔出，取一份化学法改良土均匀地铺设于可拆卸模具内的纤维表面，并抹平土层表面；

(9)重复步骤(6)、(7)、(8)直至形成一个包含三层纤维和四层化学法改良土的互层结构；

(10)将击实定位板与可拆卸模具组装在一起，使用击实锤系统对步骤(9)中得到的互层结构击实27次，击实的顺序为先外围后内部，隔一击一，确保击实锤套筒与可拆卸模具内壁或击实定位系统侧面自上而下均紧密接触；击实结束后，进行层间“拉毛”处理；

(11)将击实定位板拔出，重复步骤(6)、(7)、(8)、(9)、(10)直至一次制备过程所需的所有纤维和化学法改良土均掺和、击实完毕，得到物化法改良土击实块；

(12)拆卸可拆卸模具，取出物化法改良土击实块并置于保鲜袋中密封阴凉保存，清洗可拆卸模具表面土样及凡士林，擦干、组装并归位，以备后续试验所用；

(13)将保存在保鲜袋中的物化法改良土击实块置于冰箱中冷冻若干周期，一周期为24h；

(14)按照预设的纤维取向与水平面的夹角在冷冻后的物化法改良土击实块表面划定切割辅助线，沿着切割辅助线将物化法改良土击实块切割成小块，得到含有预设定向分布纤维的物化法改良土击实块；

(15)按照不同试验对试样尺寸的要求，将含有预设定向分布纤维的物化法改良土击实块修剪成型，并置于常温遮光环境中解冻24h，得到内含定向分布纤维的物化法改良土试样。

所述的纤维不仅可以是黄麻纤维、棕榈纤维、椰壳纤维、剑麻纤维、亚麻纤维、麦秸杆纤维、竹纤维、甘蔗渣等自然纤维，也可以是聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、聚乙烯醇纤维等人工合成纤维，还可以是耐久性、抗腐蚀性、强度等物理力学特性经过加强处理的纤维。化学添加剂不仅可以是水泥、石灰、粉煤灰、纳米二氧化硅、煤渣、路液、木质素、高分子材料等不同材料中的一种，可以是两种或多种不同材料的组合。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的装置具有可拆卸、组装方便、易于制作、成本低、制样精度高、击实控制精确等优点，克服了传统击实仪只能制备圆柱形击实块的缺点，可方便地制备内含0-90°之间任意纤维取向(纤维轴向与水平面之间的夹角)的物化法改良土试样。

(2)本发明提供了一种纤维定向筛，可快速有效地使纤维在水平面上沿着预定的方向分布，相对于传统的人工摆置纤维的操作，使用该纤维定向筛具有效率高、纤维取向均匀一致的优点；此外，纤维定向筛采用位置可调节的固定钢塞与可拆卸模具组装，可方便准确地将纤维定向筛底部平行细铝丝调节至距离可拆卸模具内土层表面1-2cm位置，从而保证了纤维下落过程中取向基本不发生改变。

(3)本发明采用横截面形状为正方形的击实锤将物化法改良土击实到预定干密度，该击实锤的横截面边长略大于可拆卸模具内部尺寸的1/3，从而克服了在矩形截面模具中采用圆柱形击实锤会存在击实不到的“死角”的问题，且保证了相邻击实位置存在一定的搭接，有效避免了击实面崎岖不平的问题。

(4)本发明采用冻结、画辅助线、切割、自然融化等流程进行制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样，可达到在保证纤维取向精确满足预定要求的前提下尽量减小切割过程对纤维的扰动的目的，克服了传统非冻结情况下修剪击实块操作会拉动或拉出纤维的缺点。

(5)本发明提供的制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的装置及方法适用性强、用途多、容纳范围广，还可以用于制备不同纤维长度、不同纤维含量、不同化学添加剂掺量的试样。

(6)采用本发明的装置和方法制备出的内含定向分布纤维的物化法改良土试样可用于多种试验，包括三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验等。

附图说明

图1为可拆卸模具示意图；

图2为击实定位板示意图，图(2)a为组装状态，图(2)b为未组装状态；

图3为击实锤系统示意图，图(3)a为组装状态，图(3)b为未组装状态；

图4为纤维定向筛示意图，图(4)a为组装状态，图(4)b为未组装状态；

图5为击实定位板与可拆卸模具组装在一起时的装置示意图；

图6为纤维定向筛与可拆卸模具组装在一起时的装置示意图；

图7为试样制备流程图；

图8为击实顺序示意图；

图9为不同预设纤维取向时的物化法改良土击实块切割辅助线示意图；

图中：可拆卸模具1、击实定位板2、击实锤系统3、纤维定向筛4、底钢板1-1、外侧钢板1-2、内侧钢板1-3、螺纹钢拉杆1-4、六角螺母1-5、自攻螺钉1-6、外侧钢板固定凹槽1-2-1、外侧钢板定位凹槽1-2-2、内侧钢板定位凹槽1-3-1、上位钢片2-1、下位钢片2-2、击实锤3-1、击实锤套筒3-2、套筒帽3-3、击实锤头3-1-1、击实锤杆3-1-2、侧铝板4-1、底部平行细铝丝4-2、固定钢塞4-3、贯穿孔洞4-1-1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-6所示为本发明的一种制备内含定向分布纤维的物化法改良土试样的装置。该装置包括：可拆卸模具1、击实定位板2、击实锤系统3、纤维定向筛4四部分。

所述可拆卸模具1由一块底钢板1-1、两块外侧钢板1-2、两块内侧钢板1-3、四根螺纹钢拉杆1-4、八颗六角螺母1-5、八颗自攻螺钉1-6组成；所述底钢板1-1每个侧面上均含有两个螺孔，用于与自攻螺钉1-6配合以固定侧钢板(包括外侧钢板1-2和内侧钢板1-3)；所述底钢板1-1的横截面形状为正方形(俯视)，边长为15cm，厚度为1cm；所述外侧钢板1-2沿厚度方向含有六个贯穿螺孔，内表面设有两个外侧钢板固定凹槽1-2-1和一个外侧钢板定位凹槽1-2-2(该定位凹槽距离外侧钢板垂直于底钢板的中心截面的水平净距为击实锤套筒外径的1/2)；所述内侧钢板1-3底部沿厚度方向设有两个贯穿螺孔，用于与自攻螺钉1-6配合以连接底钢板1-1与外侧钢板1-2；所述内侧钢板1-3内表面顶部靠近边缘位置设有一个内侧钢板定位凹槽1-3-1(该定位凹槽距离内侧钢板垂直于底钢板的中心截面的水平净距为击实锤套筒外径的1/2)，该凹槽的尺寸及作用与外侧钢板定位凹槽1-2-2的尺寸及其作用相同；所述螺纹钢拉杆1-4的长度略大于内侧钢板1-3长度与外侧钢板1-2厚度之和。

所述击实定位板2由上位钢片2-1和下位钢片2-2组成；所述上位钢片2-1和下位钢片2-2的厚度为外侧钢板1-2和内侧钢板1-3厚度的一半，长度为两个外侧钢板1-2间净距与其厚度之和；所述上位钢片2-1与下位钢片2-2的高度均为内侧钢板1-3和外侧钢板1-2内表面上定位凹槽长度的2倍。

所述击实锤系统3由击实锤3-1、击实锤套筒3-2、套筒帽3-3组成；所述击实锤3-1的质量和落高分别为4.5kg和45cm，由击实锤头3-1-1和击实锤杆3-1-2焊接而成；所述击实锤头3-1-1和击实锤杆3-1-2的外形分别为长方体和圆柱体；所述击实锤头3-1-1的横截面为正方形，其边长略大于两外侧钢板或两内侧钢板之间净距的1/3。

所述纤维定向筛4由四块侧铝板4-1、若干根底部平行细铝丝4-2、四只固定钢塞4-3组成；所述侧铝板4-1通过焊接彼此相连，侧铝板4-1的高度与可拆卸模具1的深度相同；所述侧铝板4-1上在与内侧钢板1-3和外侧钢板1-2内表面定位凹槽对应的竖向位置处含有若干等间距的贯穿孔洞4-1-1，用于与固定钢塞4-3配合使用以调节纤维定向筛4的竖向位置；所述底部平行细铝丝4-2每两根铝丝之间的净距应至少为5倍纤维直径，但不宜大于10倍纤维直径。

实施例：

一种内含纤维取向为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的定向分布黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土三轴压缩试样的制备方法。

试样制备流程及方法的示意图如图7–9所示。

步骤1：准备材料。需要改良的土体为取自合肥地铁一号线某车站深大基坑的弱潜势膨胀土，其基本物理力学性质为：天然密度2.69g/cm³，天然含水率21.3％，比重2.69，自由膨胀率53％，塑限20.1％，液限42.7％，最优含水率18％，最大干密度1.72g/cm³。选择的加筋材料为黄麻纤维，黄麻纤维是价格最低廉、用途最广泛的天然纤维之一，素有“黄金纤维”之称。在所有的自然纤维种类之中，黄麻纤维具有最高的抗拉强度，且可抵抗碾压和高温。黄麻纤维所具有的优良特性使得其在土体改良领域发挥着越来越重要的作用。所采用的黄麻纤维的基本物理力学参数(平均值)为：纤维长度12mm，纤维含量(占干土质量百分比)0.6％，直径55μm，密度1.38g/cm³，伸长率1.65％，抗拉强度596.5mpa，杨氏模量20gpa，比抗拉强度424.5mpa/g.cm^-3，比杨氏模量14.25gpa/g.cm^-3。所采用的石灰为消石灰，其成分及质量百分比为氢氧化钙(90％)，碳酸钙(1.8％)，氧化铝(0.4％)，氧化铁(0.3％)，氧化镁(0.7％)，二氧化硅(1.2％)，杂质5.9％。添加石灰之前，将石灰过2mm筛以去除杂质。石灰的掺量为4％(占干土质量百分比)。

步骤2：制备化学法改良土。采用人工手段将过筛后的石灰与烘干、捻散、过筛后的干土均匀拌合，然后边搅拌边少量多次地撒入占干土质量18％的纯净水，拌合均匀，置于恒温(25±1°)恒湿(湿度95％)的环境中养护14d，养护结束后得到石灰固化膨胀土。

步骤3：准备装置。在可拆卸模具1内表面上均匀地涂刷一层凡士林，然后在涂刷了凡士林后的可拆卸模具1内表面上贴一层保鲜膜，再在保鲜膜上均匀地涂刷一层凡士林，然后在击实锤系统3的击实锤头3-1-1的底面包裹上一层透明胶带。

步骤4：制备物化法改良土击实块。根据可拆卸模具1的体积、所需击实到的最大干密度以及预设材料含量等参数，计算出一次制备过程所需的烘干后的膨胀土质量为5805g，黄麻纤维的质量为34.83g，石灰的质量为232.2g。将一次制备过程所需的黄麻纤维和石灰固化膨胀土分别均分为9份和10份，每份质量分别为3.87g和30.12g；取一份石灰固化膨胀土铺设于可拆卸模具1底面上并抹平表面，安装纤维定向筛4并将其位置调节至距土层表面1-2cm处，取一份黄麻纤维撒入纤维定向筛4，通过拨动纤维使其按固定方向落入至土层表面；重复上述操作直至形成一个包含三份黄麻纤维和四份石灰固化膨胀土的互层结构；采用击实锤系统3按照如图8(图中数字代表击实顺序，阴影部分为击实重叠区域)所示的顺序将上述互层结构击实27次，接着进行表面“拉毛”处理；重复上述操作直至得到纤维取向为水平的黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土击实块。

步骤5：拆卸装置。将取出的纤维取向为水平的黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土击实块置于保鲜袋中密封阴凉保存，清洗可拆卸模具1并将其擦干、组装、归位。

步骤6：冷冻物化法改良土击实块。将包裹在密封保鲜袋中的纤维取向为水平的黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土击实块置于冰箱中冷冻24h。

步骤7：按照预设纤维取向切割冷冻后的物化法改良土击实块。如图9所示，在冷冻后的纤维取向为水平的黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土击实块的表面用油性记号笔划定切割辅助线。其中，纤维取向为0°时的切割辅助线平行或垂直于水平面(图9(a))；纤维取向为15°或75°时的切割辅助线平行于水平面、与水平面呈15°或75°夹角(图9(b))；纤维取向为30°或60°时的切割辅助线平行于水平面、与水平面呈30°或60°夹角(图9(c))；纤维取向为45°时的切割辅助线平行于水平面或与水平面呈45°夹角(图9(d))；纤维取向为90°时的切割辅助线平行或垂直于水平面(图9(e))。

步骤8：按照试样尺寸要求修剪含定向分布纤维的物化法改良土击实块。使用长环刀、美工刀等工具将上一步骤中得到的内含预设纤维取向的定向分布黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土击实块缓慢细致地修剪成直径为39.1mm、高度为80mm的冷冻圆柱体试样。

步骤9：将上述得到的冷冻圆柱体试样置于常温遮光环境中融解24h，最终得到内含纤维取向为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的定向分布黄麻纤维加筋石灰固化膨胀土三轴压缩试样。