专利名称：一种大尺寸模型试验土体的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种大尺寸模型试验土体分层振实制备方法，尤其是涉及一种对模型
土填筑质量和均匀性要求较高的大尺寸模型试验土体分层振实制备方法。
背景技术：
在土工物理模型实验中，为了保证实验质量、实验条件可控，一般对模型土的密度和均匀性有较高要求。在利用小尺寸模型箱开展实验时，由于土方量少、操作控制容易，因此土的制备和质量控制一般容易处理，土体制备质量能够保证。当利用大尺寸模型箱，如15m(长)X5m(宽)X6m(高)的巨型模型槽，则土方用量巨大，如何很好地制备出均匀性好、密度可控的土层成为一个难题。 在模型试验土体制备方法中，一种是落雨法，此方法通过特定装置将土从一定高度落入试验槽内，形成一定密度的土层。该方法存在以下缺点1、适用范围小，此方法仅适用于颗粒尺寸均匀的干砂。2、落雨法所填筑的土层影响因素较多，填土质量不易控制。3、制备土层的密度及强度较低。另一种是分层振实法或夯实法，此种方法通过振实机械或夯实机械，将松散的土层压实，能够制备含有一定水分的砂土、粉土、粘土及碎石，应用范围较广泛。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸模型试验土体分层振实制备方法，该方法步骤简单，填土密度和均匀性控制较好，能够满足一般模型试验要求。
本发明采用的技术方案包括以下步骤 本发明填土方案确定前开展前期的小型振实试验，通过试验确定在某一含水量下达到目标密度的可行性，并确定土体单层厚度、振实机械、振实次数和振实机械的行进速度参数；土体分层振实时，该土层上、下部土体密度有差别，上部土体密度大，根据模型土密度误差允许范围，通过该小型振实试验确定单层土的合理厚度；在单层土可选厚度范围内，选择较大值，以减少土样制备工作量；
该方法包括下述步骤
1)填土方案确定 上述小型振实试验基本参数确定后，根据试验槽的大小和所需填土高度计算填土总质量，根据试验槽的大小将整个区域分成若干个面积区块，依据区块面积和单层填土高度计算各区块单层填筑质量；
2) 土体填筑前处理 取于自然中的土料密度和含水量不均匀，填筑前通过以下方式处理(l)真空抽水处理、(2)风干晾晒、(3)通过混合翻拌方法均匀密度和含水量，(4)上述三种方法的不同组合； 3)取土 、放土 ，整体铺平
将满足区块单层填土质量的土料放入区块，将各区块内的土犁松，并整理平整；
4)整体振实 使用振实机械振实土层，确保每个单位面积上的土的振实遍数相同，并最终达到 填土方案中设计的土层厚度；
5)振实质量检测 每层振实完成后，选择不同位置测量各处土体密度和含水量，若各测点密度均值 仍小于设计密度10%，则此层需进行补振，若各测点密度均值大于设计密度10%，将此层 犁松后，重新振实，若各测点密度与平均密度的差异大于10%，将此层犁松，重新平整后振 实； 6)埋放试验装置和仪器 根据试验需要，在每层土振实后，挖孔，孔壁挂毛，放入试验装置和仪器，并使用手 工夯实，使其周围土体密度达到设计要求；
7)铺设染色层 振实并埋放好试验装置和仪器后，平整土层表面，并用水平尺检测层表面的水平 度；完成后，如需要在土层中制作标识层来观察土体变形情况，则在土层表面铺设一层颜色 与土体不同的粉粒材料；之后，按照权利要求1所述步骤2) 7)的方法进行下一层处理， 直至完成；如需制备饱和土，按照上述方法完成制备工作后，进行步骤8)，否则直接进行步 骤9); 8)模型土饱和处理 在进行填土前，需在试验槽底部设置供水管网，供水系统能够测控进水压力和进 水量，按照上述方法完成制备工作后，通过供水管网自下而上提高水头直至完成饱和处理 (供水系统参照ZL 200710069866.8);
9) 土体性质原位测试 上述工作完成后，在试验槽内选择测点，使用CPT或其他原位测试仪器测试土体 性质。 与背景技术相比，本发明具有的有益效果是 1、推荐了采用真空降水、适当风干晾晒或两者结合的方法，降低粉土、粉砂土的含 水量，节省了采用烘干等方法的费用。 2、填土参数预先试验确定，土样制备按既定步骤进行，且实时测量土体密度，能够 较准确控制填土密度和均匀性。 3、如在填土层中铺设标识层，能够通过试验后开挖或侧壁透明观察窗直接观察土 体的变形情况。
图1是本发明的实施例所用粉土的颗分曲线图。
图2是本发明的实施例测试结果密度分布图。
图3是本发明的实施例测试结果CPT锥尖阻力分布图。
图4是本发明的实施例测试结果CPT侧摩阻力分布图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 本实施例用于在5mX5m面积的试验槽内制备目标密度为1700kg/m3、含水量为 15%左右的非饱和粉土层及饱和粉土层。图l为使用粉土的颗分曲线。制备过程包括下述 步骤 1)填土方案确定； 2) 土体填筑前处理； 3)取土 、放土 ，整体铺平； 4)整体振实； 5)振实质量检测； 6)埋放试验仪器和装置； 7)铺设染色层； 8)对模型土进行饱和处理； 9) 土体性质原位测试。 所述的步骤1)中，填土方案确定前开展前期的小型振实试验，通过试验确定在某 一含水量下达到目标密度的可行性，并确定土体单层厚度、振实机械、振实次数和振实机械 的行进速度参数；土体分层振实时，该土层上、下部土体密度有差别，上部土体密度大，根据 模型土密度误差允许范围，通过该小型振实试验确定单层土的合理厚度；在单层土可选厚 度范围内，选择较大值，以减少土样制备工作量。 本实例所填土高度为3. 00m，通过小型振实试验确定每层厚度20cm，采用NZH型 振实机，振实次数为4次，运行速度5m/min。振实机参数如下振实力2000kg，振实面积 0. 143m、振动频率22Hz，总重量190kg。整个填土面积分成2. 5mX2. 5m的4个小块。每层 填土每块所需质量为2. 125t。 所述的步骤2)中，本实例所用粉土在使用前已接近饱和，具有较高含水量，通过 试验槽具有的抽水网路将所用粉土中部分水分抽出，使含水量降至20%以下，后通过适当 晾晒使所用粉土水分达到14% 16%。 所述的步骤3)中，使用抓机将粉土从堆放区抓入试验槽内，放土时分区块进行， 取土时控制并记录取土的质量，使每一区块的土的质量达到计算量。放土时，要求抓斗接近 地面后再放开，防止落土的冲击力引起模型土的不均匀压实。使用犁等工具将各区块内的 土犁松，达到充分的松散状态。并使整个试验槽面积内的土层表面平整。
所述的步骤4)中，铺平后进行振实，振实机械蛇行前进往复振实。往复振实过程 中，振实机行走路线与已振实的部分重叠1/2，遇到需要避让的物体，向未振实方向转弯，振 实机前进速度保持匀速。第l遍振实之后，需再次整平土面，之后进行下一次振实。最终使 此层填土厚度达到20cm。 所述的步骤5)中，每层振实完成后，通过均布在试验槽内的多个测点，使用环刀 法及烘干法测量密度和含水量，图2是为各层密度的测量结果。 所述的步骤6)中，根据试验需要，在每层土振实好后，挖适合大小的孔，孔壁挂 毛，放入模型桩、土压力传感器、土体内部位移测量管，并使用人工夯实，使传感器处土体密 度与周围土一致。
所述的步骤7)中，振实并埋放好试验设备后，整平土层表面，并用水平尺检测层 表面的水平度。完成后，在土层表面铺设lmm左右的色砂层作为标识层。之后，按照权利要 求1所述的步骤2) 6)的方法进行下一层的处理，直至完成整个填土。并按照所述步骤 9)中，在4个选定测点使用CPT测试土体性质，图3给出了非饱和土CPT锥尖阻力的测量结 果，图4给出了非饱和土 CPT侧摩阻力的测量结果。 制备饱和粉土层时，首先按照上述同样的方法制备土层，之后进行土层饱和。
所述的步骤8)中，通过在试验槽底部设置的进水网路向土层中注水，直到粉土层 达到饱和，然后在4个选定测点使用CPT测试土体性质。图3给出了饱和土 CPT锥尖阻力 的测量结果，图4给出了饱和土 CPT侧摩阻力的测量结果。 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体 的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
权利要求
一种大尺寸模型试验土体分层振实制备方法，填土方案确定前开展前期的小型振实试验，通过试验确定在某一含水量下达到目标密度的可行性，并确定土体单层厚度、振实机械、振实次数和振实机械的行进速度参数；土体分层振实时，该土层上、下部土体密度有差别，上部土体密度大，根据模型土密度误差允许范围，通过该小型振实试验确定单层土的合理厚度；在单层土可选厚度范围内，选择较大值，以减少土样制备工作量；其特征在于，该方法包括下述步骤1)填土方案确定上述小型振实试验基本参数确定后，根据试验槽的大小和所需填土高度计算填土总质量，根据试验槽的大小将整个区域分成若干个面积区块，依据区块面积和单层填土高度计算各区块单层填筑质量；2)土体填筑前处理取于自然中的土料密度和含水量不均匀，填筑前通过以下方式处理(1)真空抽水处理、(2)风干晾晒、(3)通过混合翻拌方法均匀密度和含水量，(4)上述三种方法的不同组合；3)取土、放土，整体铺平将满足区块单层填土质量的土料放入区块，将各区块内的土犁松，并整理平整；4)整体振实使用振实机械振实土层，确保每个单位面积上的土的振实遍数相同，并最终达到填土方案中设计的土层厚度；5)振实质量检测每层振实完成后，选择不同位置测量各处土体密度和含水量，若各测点密度均值仍小于设计密度10％，则此层需进行补振，若各测点密度均值大于设计密度10％，将此层犁松后，重新振实，若各测点密度与平均密度的差异大于10％，将此层犁松，重新平整后振实；6)埋放试验装置和仪器根据试验需要，在每层土振实后，挖孔，孔壁挂毛，放入试验装置和仪器，并使用手工夯实，使其周围土体密度达到设计要求；7)铺设染色层振实并埋放好试验装置和仪器后，平整土层表面，并用水平尺检测层表面的水平度；完成后，如需要在土层中制作标识层来观察土体变形情况，则在土层表面铺设一层颜色与土体不同的粉粒材料；之后，按照权利要求1所述步骤2)～7)的方法进行下一层处理，直至完成；如需制备饱和土，按照上述方法完成制备工作后，进行步骤8)，否则直接进行步骤9)；8)模型土饱和处理在进行填土前，需在试验槽底部设置供水管网，供水系统能够测控进水压力和进水量，按照上述方法完成制备工作后，通过供水管网自下而上提高水头直至完成饱和处理；9)土体性质原位测试上述工作完成后，在试验槽内选择测点，使用原位测试仪器测试土体性质。
全文摘要
本发明公开了一种大尺寸模型试验土体分层振实制备方法，包括以下步骤填土方案确定，土体填筑前处理，分块取土、放土，整体铺平，整体振实，振实质量检测，埋放试验仪器和装置，铺设标识层，使用CPT或其他原位测试仪器测试土体性质，并可以根据需要对模型土进行饱和。本发明推荐了采用抽真空降低含水量、适当风干晾晒和其他方法及其组合降低粉土、粉砂土的含水量，节省了采用烘干等方法的人工和费用。填土步骤合理简单，能够较准确控制模型土的填筑质量和均匀性，适合对模型土要求较高的模型试验。根据试验需要在填土层中铺设标识层，能够通过试验后开挖或侧壁透明观察窗直接观察土体的变形情况。
文档编号G01N1/28GK101776544SQ20101010116
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者孔令刚, 张革强, 王顺玉, 詹良通, 陈云敏, 陈仁朋 申请人:浙江大学