一种砂-土接触面试样的制样装置、制样方法以及渗透系数测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土工程土工试验领域，特别是一种砂-土接触面试样的制样装置、 制样方法以及渗透系数测定方法。
【背景技术】
[0002] 岩土工程中很多情况下需要考虑两种材料间接触面问题，如面板堆石坝中面板与 碎石垫层，心墙土料与反滤料，坝体土料与基岩。目前对接触面的研宄主要集中在强度和变 形方面，包括试验研宄和数值分析，通常使用直剪试验、单剪试验、环剪试验开展接触面的 应力-应变试验研宄，接触面单元在有限元计算中用以模拟接触面变形，常用的如goodman 单元。在工程中，除了接触面的强度和变形问题，有时候接触面的其它特性也会表现的十分 明显，并显著的影响到其强度和变形性质，如接触接触面的渗透性，但目前学术界对其关注 较少。另一方面，研宄所涉及的接触面类型多集中在一种材料为刚性另一种为柔性的接触 面上，如土与混凝土的接触面，而对于两种散粒体材料、土与砂等此类两种材料均为柔性材 料所形成的接触面类型，很少有对其相关的研宄报道。
[0003] 堤防和渠道建设中多涉及到土质边坡问题，对于膨胀土边坡这种对水极为敏感的 土质边坡，降雨对边坡的稳定性影响显著。在坡体防护中，首要考虑的就是防水与排水问 题。砂垫层防护法是一种很好的膨胀土边坡防水排水方案，能够有效地防止雨水入渗，及时 地将雨水排出边坡。但是，在砂垫层排水的同时，会有部分雨水潴留在砂垫层和下部土质接 触界面上无法及时有效排出，这部分潴留雨水会继续下渗，引起膨胀土边坡内部含水率和 吸力的变化，降低边坡的稳定安全系数。因此，工程中采用砂垫层防护方案时，要对土和砂 接触界面的渗透性给予特别关注。然而，砂垫层和膨胀土接触面是两种柔性材料形成的接 触面，国内外目前尚且没有很好的试验方法进行砂-土接触面的渗透性研宄。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种砂-土接触面 试样的制样装置，该制样装置能够用于制作各种砂密度的砂-土接触面试样。
[0005] 本发明还提供一种砂-土接触面试样的制样方法，该制样方法能够制作得到四周 紧密嵌入砂子的砂-土接触面试样，并能改变砂子密度，得到不同的砂-土接触面厚度。
[0006] 另外，上述制样方法，能使砂子染色，使砂-土接触面颜色分明，便于砂-土接触面 厚度的测定以及含砂率的测试等。
[0007] 进一步，本本发明还提供一种砂-土接触面试样的渗透系数测定方法，该渗透系 数测定方法测试简单，方便，准确，有利于砂-土接触面的渗透性测量与研宄。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0009] -种砂-土接触面试样的制样装置，包括底座、固定设置于底座上的外筒、同轴设 置于外筒内部且高度能够升降的内筒、设置于内筒与外筒两者之间的击实器、以及设置于 内筒内的击样器。
[0010] 所述外筒的顶部设置有可拆卸的外筒盖板。
[0011] 所述外筒的外壁呈阶梯形，并通过下盖板和若干根螺杆与底座固定连接。
[0012] 一种砂-土接触面试样的制样方法，包括如下步骤：
[0013] 第一步，制样装置组装：将外筒与底座固定，内筒置于外筒的中心；
[0014] 第二步，第一层砂子的松铺与击实：采用分层松铺与击实的方法，每层砂子的重量 相同；先将第一层砂子均匀松铺装填在内筒与外筒之间，并用击实器击实到预定高度；
[0015] 第三步，第一层粘土的松铺与击实：采用分层松铺与击实的方法，每层粘土的重量 相同；在第一层粘土松铺之前，先将内筒向上提升，内筒提升的高度大于第一层砂-土接触 面击实试样的高度；然后将第一层粘土通过内筒，均匀松铺在内筒底部的空腔内，并用击样 器将第一层粘土击实到预定高度；
[0016] 第四步，第二层砂子的松铺与击实：将第二层砂子均匀松铺装填在内筒与外筒之 间，并用击实器击实到预定高度；
[0017] 第五步，第二层粘土的松铺与击实：在第二层粘土松铺之前，先将内筒向上提升， 内筒提升的高度等于第二层砂-土接触面试样击实后的高度；然后将第二层粘土通过内 筒，均匀松铺在内筒底部的空腔内，并用击样器将第二层粘土击实到预定高度；
[0018] 第六步，重复第四步至第五步，进行第N层砂子和第N层粘土的松铺与击实；
[0019] 第七步，砂-土接触面试样制样完成：拆除制样装置，用软毛刷去除砂-土接触面 试样表面的浮砂，即得到四周紧密嵌入砂子的砂-土接触面试样。
[0020] 所述第二步、第四步和第六步中，砂子的击实方法为：将击实器的重锤每次提高到 最大高度的一半，然后自由下落。
[0021] 所述第二步、第四步和第六步中，砂子的击实方法为：将击实器的重锤每次提高到 最大高度，然后自由下落。
[0022] 所述第三步中，内筒提升的高度比第一层砂-土接触面击实试样的高度高1cm。
[0023] 所述第二步、第四步和第六步中，砂子在松铺前，均用亮蓝染色剂进行染色。
[0024] 一种砂_ 土接触面试样的渗透系数测定方法，包括如下步骤：
[0025] 第一步，砂-土接触面试样的制取：采用平行试验法，即至少制取3个平行试样；
[0026] 第二步，测定砂-土接触面厚度：借助拍照将图像放大的方法，对第一步中的每 个平行试样均进行接触面厚度的测定并求其平均值，该平均值即为测定的砂-土接触面厚 度；
[0027] 第三步，测定含砂率：将第二步中的1-2个平行试样，用小刀将其砂-土接触面刮 下，并测量所刮下的砂-土接触面的比重；然后根据比重试验，推算出接触面中砂和粘土的 质量比，并计算出含砂率；
[0028] 第四步，计算水沿砂-土接触面的渗透系数：利用柔性壁试验装置，对剩余的1-2 个平行试样进行渗透试验；水在每个砂-土接触面试样中，将沿位于中心的粘土部分和 砂-土接触面两条路径进行渗透；根据达西定律，即能计算出砂-土接触面的渗透系数。
[0029] 所述第一步中，通过改变砂子的装填重量或击实器的击实方法，能够得到不同砂 密度的砂-土接触面试样，从而能够得到不同的砂-土接触面厚度；每种砂密度，均至少制 取3个平行试样；然后对每种砂密度的砂-土接触面试样，分别进行第二步至第四步的操 作。
[0030] 本发明采用上述结构与方法后，具有如下有益效果：
[0031] 1.上述刚性且同心的内筒与外筒设置，以及砂子和粘土分层松铺与击实的方法， 能使底部的土和砂子接触并相互挤压，形成砂和土相互嵌入的砂-土接触面，以及中心为 粘土外层带有砂-土接触面的圆柱试样。
[0032] 2.能通过调整砂子的密度得到不同的砂-土接触面厚度，控制砂在同一密度下制 备若干试样，剖开横截面测其平均密度，作为该密度下的所制试样的砂-土接触面厚度，还 能对含砂率进行测定。
[0033] 3.上述砂-土接触面试样能进行柔性壁渗透试验，水分别沿粘土和砂-土接触界 面渗透，根据达西定律，利用已知的土的渗透系数和其它试验参数可以求出接触界面的渗 透系数，采用间接的方法解决了砂-土接触面的渗透性的测量问题。
[0034] 4.本发明造价低廉，具有很强的可操作性。
[0035] 5.本发明采用分层填筑侧向挤压法制备接触面试样，利用土在填筑过程中对侧向 的挤压使土和砂相互嵌入，此方法不仅应用于土和砂，还可以推广到其它两种柔性材料接 触面特性的研宄中。
【附图说明】
[0036] 图1是柔性壁试验装置示意图；
[0037] 图2是砂-土接触面制样装置示意图；
[0038] 图3是砂-土接触面试样的俯视图；
[0039] 图4是砂-土接触面试样的纵向剖视图。
[0040] 其中有：1 _压力控制系统，2-调压阀门，3-压力表，4-柔性壁渗透系统，5-三轴 压力室，6-砂-土接触面试样，7-橡皮膜，8-渗流量量测系统，9-细长玻璃管，10-进气口， 11-进水口，12-螺母，13-螺杆，14-底座，15-内筒，16-外筒，17-下盖板，18-环形夹，19-外 筒盖板，20-粘土，21-砂-土接触面。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0042] 如图2所示，一种砂-土接触面试样的制样装置，包括底座14、外筒16、内筒15、击 实器和击样器（图中未标出）。
[0043] 上述底座14上设置有凹槽，外筒16的底部镶嵌于凹槽内。位于外筒16外周的底 座14上，均匀设置有若干根螺杆13。
[0044] 上述外筒16为圆柱形状，外筒16的外壁呈阶梯形，该阶梯形的外壁上放置有若干 个下盖板17,每个下盖板17均通过螺母12与对应的螺杆13相固定，从而使外筒16与底座 14牢固固定。
[0045] 上述内筒15也为圆柱形状，内筒15同轴设置于外筒16内部，内筒15的高度能够 升降。内筒15的高度升降可以采用人工升降并固定的方式，也可采用电动升降固定的方 式。本申请中，在内筒15上套装有一个环形夹18,该环形夹18能将内筒15的升降高度进 行固定，防止内筒15在后续击实过程中下滑。
[0046] 上述外筒16的顶部设置有可拆卸的外筒盖板19,优选使用螺母12固定在相应的 螺杆13上。外筒盖板19的中心中心设置有通孔，内筒15能从该通孔中穿出。外筒盖板19 的设置，能防止制样过程中砂子体积的变化导致的砂-土接触面试样不均匀。
[0047] 上述击实器，设置于内筒15与外筒16两者之间，也可设置在外筒盖板19的底部。 上述击样器设置在内筒15内。
[0048] 下面以砂-土接触面试样击实后的总高度为12cm，分3层击实，每层击实后高度为 4cm，对砂-土接触面试样的制样方法进行详细说明。
[0049] 一种砂-土接触面试样的制样方法，包括如下步骤：
[0050] 第