一种同时控制含水率、密度的黏土制样装置及制样方法与流程

本发明涉及一种土工实验技术，尤其涉及一种适合室内试验研究的高质量黏土试样的制样装置及制样方法。
背景技术：
：土工试验技术直接影响着土力学的发展，具有获取土体物理参数、揭示土体力学性质及其规律和完善计算分析评价的重要作用。室内土工试验所需的试样往往需要制备样品来开展相应的研究，尤其是非饱和土力学性质的研究更需要室内制备高质量的试样，然而试样是否合适与制样技术、原理密切相关，将对试验结果产生重要影响。对于粘性土，目前常用的试样制备方法包括湿捣法和泥浆固结法2大类。湿捣法的基本工作方法是采用振捣锤对放入模型筒的连续土层施加准静力荷载，通过调整每层土的重量、体积来控制试样的密度，该方法最初设计目的是为模拟碾压填土结构。但是湿捣法存在以下2个缺陷：①试样密度不均匀，层间密度差异大(Mulilis,1977；Ladd,1978；Frost,2003；)。②可比性不高，试样受分层捣实的外部影响严重，例如分层捣实时的空气、温度、施加的竖向力、击实功等都会影响试样的均匀程度和含水率大小，这样制备出来的样品可比性不高。实际工程中所遇到的土体不完全是湿捣法能模拟的。例如初始是泥浆状态的海相、湖相以及河相沉积土先经过自重沉积、固结，再经过日晒、风干等自然环境作用，最后形成当前的土体。可以采用泥浆先预固结，再进行非饱和化的试样来研究非饱和土的水力–力学特性，但目前研究较少(孙德安等,2015)。泥浆固结法又分为两种：(1)泥浆加压固结制样法；其工作方法为，将土配成大于液限的稀泥浆，然后倒入固结容器内，通过在泥浆顶部施加静荷载排水固结，当固结稳定一段时间后即可获得接近饱和试样(Sheeran等,1971；Hyde等,1985；Lin,2005)。该方法制备的黏土试样较为均匀且能够制大尺寸试样，但是存在如下缺点：①加荷笨重，操作复杂；②饱和程度不够高，易于混入气体；③不能直接制备成非饱和黏土试样。(2)真空固结制样法；其工作方法为，利用反虑层原理和真空负压抽吸方法使泥浆中的水、气体排出达到土样固结(闫澍旺等,1997；齐剑峰,2007；齐剑峰等,2016,授权专利(201410035221.2))。该方法为一新兴的制样方法，具有加载简单、可重复利用、试样均匀性好，饱和度高等优点。但是对于重塑饱和试样，一般考虑通过控制初始干密度、含水率来保证试样的可比性，非饱和土力学大师Fredlund等(1993)建议非饱和土也采用这一标准来保证非饱和土试样的均一性。因此，与试验所需要的试样相比，目前真空固结制样方法仍存在如下缺点：①试样的密度、含水率不能获得或定量控制，不同试样的可比性仍存在质疑；②不能制备成具有一定含水率的非饱和土试样，限制了制样装置的广泛应用。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种能够同时控制含水率、密度的黏土试样制备装置和制样方法。为解决上述技术问题，本发明制备装置所采用的技术方案是：一种同时控制含水率、密度的黏土制样装置，其关键技术在于：其包括：制样杯及位移量测系统、真空抽吸及量测系统、和加热及温控系统三部分组成；所述制样杯及位移量测系统包括制样杯体、设于制样杯体内上部的可移动密封活塞、依次设于可移动密封活塞下部的上透水石、上滤纸、泥浆、下滤纸、下透水石、位于制样杯体下部的底座、设于制样杯体旁边的固定支架、设于固定支架上的拉杆式电子尺以及通过带数据采集模块的数据线与拉杆式电子尺连接的微型计算机；所述拉杆式电子尺底端与可移动密封活塞相连；所述底座上设有带阀门的透明软管；所述真空抽吸及量测系统包括与所述透明软管连接的真空罐、与真空罐连接的真空泵，所述真空罐下方设有电子称，所述真空罐上部设有真空表，所述真空罐与可移动密封活塞连接；所述真空罐外部包覆有冰块；所述电子称数据线与微型计算机连接；所述加热及温控系统包括嵌套于制样杯体外侧的圆环玻璃筒及设于制样杯体外部的温控器；所述圆环玻璃筒与制样杯体之间的空隙内设有远红外碳纤维加热管，所述圆环玻璃筒内侧涂有铝箔；所述圆环玻璃筒与底座之间设有隔热支座；所述温控器带有与补偿导线相连的热电偶，所述热电偶置于圆环玻璃筒与制样杯体之间的空隙内，所述补偿导线一端与温控器连接。本发明制样方法的步骤如下：(1)测定所取黏土土样常规物理指标：液限wL、塑限wP、比重Gs；(2)配制泥浆泥浆的含水率是黏土液限的1.2～1.5倍；(3)同时控制含水率、密度的试样制备方法1)将制样装置连接好，保持管路畅通，将数据线与微型计算机连接，保持数据采集畅通；将制样杯体倒置放平，在制样杯体内放置上透水石、上滤纸，然后将泥浆倒入制样杯体，再放置下滤纸、下透水石，拧紧底座，然后将制样杯体放正，打开真空泵开始抽吸制样、打开温控器控制温度；2)制备试样的过程中，试样的含水率、密度控制方法分为下述两个过程：第一个过程：高真空度下抽吸排水①在天平上称量出干土质量ms和蒸馏水的质量mw将泥浆倒入制样杯，测量出泥浆的初始体积Vtotal；由式(1)得到泥浆总质量为mtotal＝ms+mw(1)，此时初始密度为初始含水率为同时设定出所需要试样的目标含水率wobj、目标密度ρobj，所设定目标含水率、目标密度应具有定一定范围，即ρWL≤ρobj≤ρWP，式中ρWL、ρWP分别为含水率等于液限、塑限时的密度，通过下述式(4)可计算得到；wP为塑限含水率，已测；为目标密度ρobj所对应的含水率，通过式(5)计算得到；本过程中需要用到下述土力学中常用的指标换算公式：ρ=Gs(1+w)1+eρw---(2)]]>e=wGsSr---(3)]]>由于所配制的泥浆饱和度Sr为100％，联合式(2)和(3)可得：ρ=Gs(1+w)1+wGsSrρw=Gs(1+w)1+wGsρw---(4)]]>上述式(2)-(4)中ρ为不同含水率下的密度；ρw为水的密度，取1g/cm3；e为孔隙比；Sr为饱和度；Gs为土的比重；由式(4)，可求得含水率w等于液限、塑限时的密度ρWL、ρWP；由于目标密度是在真空抽吸作用下完成，因而达到目标密度时的饱和度Sr为100％，将式(4)移项变换得到：w=Gsρw-ρGs(ρ-ρw)---(5)]]>式中，w为不同密度所对应的含水率大小；其他符号意义同式(4)；由式(5)可求得ρ＝ρobj时的含水率②打开真空泵(8)开始抽吸，使制样杯体内负压达到95±2kPa，通过制样杯及位移量测系统每隔10秒记录一次体积变化ΔV、从制样杯体(26)中流出水的质量Δmw，计算得到各时刻试样的密度当该密度达到目标密度时，即ρ＝ρobj时，记录下来此时刻的体积V1＝Vtotal-ΔV1和Δmw1，此时的含水率为密度为③当目标密度ρobj满足要求，而此时目标含水率未满足要求，即时，需要获得比目标密度ρobj更大一些的密度；故继续在95±2kPa负压下抽吸，使密度达到(式中Δmw-w及ρn的确定方法，见④)时，并记录下此时刻排出水的质量Δmw2，如果V1与此时刻实际测体积V2的差值大于2cm3，(该值小于需要制备试样体积的1/1000，可根据精度要求调整该数值2cm3)继续在95±2kPa负压下抽吸，使密度达到时，比较Vn-2与此时刻实际测到的体积Vn-1的差值是否大于2cm3，并记录下此时刻的排出水的质量Δmw(n-1)；直至使密度达到且(Vn-1-Vn)≤2cm3为止，并依次记录下排出水的质量Δmwn，式中的下标n为含水率、密度逼近目标含水率、密度的次数；④Δmw-w及ρn的确定：所需的目标含水率可表示为在高真空度下抽吸过程中，Δmw(n-1)在达到预定密度ρn之前能够实测得到(见③)，因此当目标含水率wobj为一定值时，能够得到需要加热蒸发作用排出水的质量Δmw-w大小，即式(6)Δmw-w＝mw-wobjms-Δmw(n-1)(6)经过n次逼近，当(Vn-1-Vn)≤2cm3时，根据密度与质量的关系，则有Δmw-w＝ρnVn-1-ρobjVn-1，因而移项转换得到式(7)：ρn=ρobj+Δmw-wVn-1---(7)]]>由于ρobj、Δmw-w已经确定，Vn-1能在密度达到预定密度ρn之前实测得到，因而ρn的值就能确定。第二个过程：大幅度降低负压并加热升温，使试样中的水在一定真空度下达到沸点以蒸发气的形式排出；具体为⑤当密度达到预定密度ρn后，立即将负压由95±2kPa降低到60kPa或50kPa，同时加热升温，控制温度，以使水在不同真空度下达到沸点以上；降低升温后的密度可表示为：ρn+1=mtotal-Δmwn-ΔmwqVn-ΔVq---(8)]]>式(8)中，ρn+1为真空负压降低和升温后的密度；Vn、Δmwn分别为密度达到预定密度ρn时实测记录下的体积、排水量，为已知值；ΔVq、Δmwq分别为降压升温后体积变化量、水分蒸发气化排出水的质量；当Vn体积较大时，认为式(8)中ΔVq近似为0，对密度ρn+1的影响可以忽略；由所述步骤③中的体积控制易知，Vn与Vn-1差值符合精度要求，因此在计算密度时可以认为Vn≈Vn-1；加热升腾的水汽通过真空罐冷却成液态水，能够称量得到蒸发气化排出水的质量Δmwq，控制当Δmwq＝Δmw-w时，立刻停止抽吸和降低温度，使试样中的水保持液态，不再使土中的水进入真空罐；通过式(6)，控制试样排水质量Δmw-w，可以获得目标含水率wobj这样，将Δmwq＝Δmw-w、式(7)代入到式(8)可以得到：ρn+1=ms+mw-Δmwn-Δmw-wVn=ms+mw-Δmwn-ρnVn-1+ρobjVn-1Vn=ms+mw-ΔmwnVn-ρn+ρobj=ρobj---(9)]]>(4)制备黏土试样打开阀门，拧开制样杯体底部的盖子，将试样从土样腔中取出，将试样在三轴切削器上切削成所需试样，即可进行土工测试；并可得到当前试样的饱和度、孔隙比、干密度这些常用的物理指标。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：(1)本制样装置小巧轻便，制作方便，且易于实现，可重复利用；(2)采用本制样装置和方法能够定量控制黏土试样的含水率、密度，试样的可比性高；(3)当黏土试样的比重Gs确定后，本方法通过土力学中土的物理指标换算关系，易得到黏土试样的饱和度、孔隙比、干密度物理指标，可根据试验需要制备物理指标一定的饱和或非饱和黏土试样。附图说明图1是本制样装置的示意图(透视图)；图2是本制样杯的剖面示意图；图3是本制样杯的俯视示意图；其中，1–PVC透明软管；2-可移动密封活塞；3-1、上透水石，3-2、下透水石；4-远红外碳纤维加热管；5-圆环玻璃筒；6-底座；7-真空表；8-真空泵；9-真空罐；10-电子称；11-电子尺支架；12-电子拉杆尺连接口；13-拉杆式电子尺；14-数据采集模块；15-电源线连接；16-微型计算机；17-补偿导线；18-电子称数据线；19-阀门；20-法兰螺丝固定孔；21-隔热支座；22-1、圆环玻璃筒上盖，22-2、圆环玻璃筒下盖；23-加冰腔；24-温控器；25-泥浆；26、制样杯体。具体实施方式(1)测定所取黏土土样常规物理指标：液限wL、塑限wP、比重Gs。对于同一土样，液限wL、塑限wP、比重Gs不随含水率而变化，为一定值。(2)配制泥浆配制泥浆方法：配制的泥浆不宜过稀或过稠，一般泥浆的含水率在液限的1.2～1.5倍比较合适。可以取研究区黏土，也可以人工配制黏土，例如取某一地区的黏性土，将其烘干、碾碎后，过1mm的土工筛，去除颗粒较大的石子、树根，称量干土质量ms。然后加一定量的水浸泡3～5天后，用搅拌机搅拌均匀，配制成含水率合适的泥浆。加水质量的计算方法按式子：mw＝(1.2～1.5)mswL(1)式中mw-为加水的质量；ms-为烘干土的质量，可用电子天平称量得到；wL-为黏土的液限，可用液塑限测定仪得到。(3)制样装置及制样步骤制样装置组成：制样装置主要由①制样杯及位移量测系统、②真空抽吸及量测系统、③加热及温控系统三部分组成，图1所示。下面详细叙述①、②、③各部分。①制样杯体的材料使用不锈钢，圆柱形，直径×高×壁厚＝150mm×310mm×3mm，上部为可移动密封活塞2，其下部放有上透水石3-1，上透水石3-1下放有滤纸，滤纸下面泥浆25，泥浆25下面为下滤纸和下透水石3-2，底部为带支撑架的底座6，底座6与制样杯体26之间采用法兰20、橡胶圈密封。位移量测系统主要包括固定支架11、ADIO数据采集模块14，拉杆式电子尺13、拉杆底端12与可移动密封活塞2相连，通过数据线18与微型计算机16相连。②真空抽吸系统主要包括真空泵8、带刻度的真空罐9、真空表7。真空罐9材料采用透明的有机玻璃，上部开有4个孔，通过PVC透明软管1分别与真空泵8、真空表7、制样杯底座6、活塞2相连接，PVC管路上设有阀门19，真空罐9外侧放有冰块降温，以便使抽出的高温水汽变为液态水。真空抽吸水的质量测量采用带USB接口的小型ERP电子称10，通过RS232接口、数据线18连接到微型计算机16，实时记录抽吸出水的质量。小型ERP电子称10量程可采用5kg，精度0.1g。③加热装置为内径×外径×高＝200mm×210mm×250mm的带有真空的圆环玻璃筒5，嵌套在制样杯体26外部，圆环玻璃筒5上部200mm内设8根远红外碳纤维加热管4，圆环玻璃筒中5内侧都涂有铝箔，以便更好加热制样杯。圆环玻璃筒中5下部为高50mm的隔热支座21。温度控制用的温控器24可采用普彩pw-1温控器，可控温度-10-110℃，温控器24与电源连接，当加热装置加热温度低于设定值，一直加热，当超过设定值，温控器24断开，停止加热。④实时记录试样的位移、排出水的质量数据，采集的数据保存到excel表格里面。根据采集的位移大小，利用制样杯体内径及公式ΔV＝πr2h，可以计算出某一时刻试样体积变化量，进而计算出某一时刻试样的体积为V＝Vtotal+ΔV。利用记录下的排出水质量mw，可以计算出某一时刻试样的含水率在excel表格里面将上述公式在不同列进行编辑，就可以实时获得所需数据。制样步骤：按照图1，PVC透明软管1与真空罐9、真空泵8、制样杯体连接，安装真空表7，打开管路阀门，保持管路畅通。将数据线与微型计算机16连接，保持数据采集畅通。将制样杯体倒置放平，在制样杯体内放置上透水石3-1、上滤纸，然后将泥浆25倒入制样杯体26中，再放置下滤纸、下透水石3-2，拧紧包含法兰的底座6。然后将制样杯体26放正，打开真空泵8开始抽吸制样、打开温控器24控制温度。制备试样的过程中，试样的含水率、密度控制方法见(4)。(4)试样含水率、密度的控制方法控制方法主要分为两个过程，第一个过程是在高真空度下抽吸排水过程，第二过程是大幅度降低负压并加热升温，使试样中的水在一定真空度下达到沸点以气体的形式排出。具体控制方法如下：第一个过程：①在天平上称量出干土质量ms和蒸馏水的质量将泥浆倒入制样杯，测量出泥浆的初始体积Vtotal；由式(1)得到泥浆总质量为mtotal＝ms+mw，此时初始密度为初始含水率为winitial=mwms×100%.]]>同时设定出所需要试样的目标含水率wobj、目标密度ρobj。所设定目标含水率、目标密度具有定一定范围，即ρWL≤ρobj≤ρWP，式中ρWL、ρWP分别为含水率等于液限、塑限时的密度，通过式(4)可计算得到；wP为塑限含水率，已测；为目标密度ρobj所对应的含水率，通过式(5)计算得到。土力学(东南大学等，中国建筑工业出版社，2006)中常用的指标换算公式：ρ=Gs(1+w)1+eρw---(2)]]>e=wGsSr---(3)]]>由于所配制的泥浆饱和度Sr为100％，联合式(2)和(3)可得：ρ=Gs(1+w)1+wGsSrρw=Gs(1+w)1+wGsρw---(4)]]>式中ρ为不同含水率下的密度；ρw为水的密度，取1g/cm3；e为孔隙比；Sr为饱和度；Gs为土的比重。由式(4)，可求得含水率w等于液限、塑限时的密度ρWL、ρWP。由于目标密度是在真空抽吸作用下完成，因而达到目标密度时的饱和度Sr为100％，将式(4)移项变换得到：w=Gsρw-ρGs(ρ-ρw)---(5)]]>式中，w为不同密度所对应的含水率大小；其他符号意义同式(4)。由式(5)可求得ρ＝ρobj时的含水率②打开真空泵开始抽吸，使制样器内负压达到95±2kPa，每隔10秒记录一次体积变化ΔV、从制样器中流出水的质量Δmw，计算得到各时刻试样的密度当该密度达到目标密度时，即ρ＝ρobj时，记录下来此时刻的体积V1＝Vtotal-ΔV1和Δmw1，此时的含水率为密度为③当目标密度ρobj满足要求，而此时目标含水率未满足要求，即时，需要获得比目标密度ρobj更大一些的密度。故继续在95±2kPa负压下抽吸，使密度达到(式中Δmw-w及ρn的确定方法，见④)时，并记录下此时刻排出水的质量Δmw2，如果V1与此时刻实际测体积V2的差值大于2cm3(该值小于需要制备试样体积的1/1000，可根据精度要求调整该数值2cm3)，继续在95±2kPa负压下抽吸，使密度达到时，比较Vn-2与此时刻实际测到的体积Vn-1的差值是否大于2cm3，并记录下此时刻的排出水的质量Δmw(n-1)；直至使密度达到且(Vn-1-Vn)≤2cm3为止，并依次记录下排出水的质量Δmwn，式中的下标n为含水率、密度逼近目标含水率、密度的次数。④Δmw-w及ρn的确定：所需的目标含水率可表示为在高真空度下抽吸过程中，Δmw(n-1)在达到预定密度ρn之前能够实测得到(见③)，因此当目标含水率wobj为一定值时，能够得到需要加热蒸发作用排出水的质量Δmw-w大小，即式(6)Δmw-w＝mw-wobjms-Δmw(n-1)(6)经过n次逼近，当(Vn-1-Vn)≤2cm3(该值小于需要制备试样体积的1/1000，可根据精度要求调整该数值2cm3)时，根据密度与质量的关系，则有Δmw-w＝ρnVn-1-ρobjVn-1，因而移项转换得到式(7)：ρn=ρobj+Δmw-wVn-1---(7)]]>由于ρobj、Δmw-w已经确定，Vn-1能在密度达到预定密度ρn之前实测得到，因而ρn的值就能确定。第二个过程：⑤当密度达到预定密度ρn后，立即将负压由95±2kPa降低到60kPa或50kPa，同时加热升温，控制温度可参考表1，以使水在不同真空度下达到沸点以上。表1不同真空度下水的沸点降低升温后的密度可表示为：ρn+1=mtotal-Δmwn-ΔmwqVn-ΔVq---(8)]]>式中，ρn+1为真空负压降低和升温后的密度；Vn、Δmwn分别为密度达到预定密度ρn时实测记录下的体积、排水量，为已知值；ΔVq、Δmwq分别为降压升温后体积变化量、水分蒸发气化排出水的质量。根据以往抽吸负压制备黏土试样的经验(齐剑峰,博士学位论文2007)，在高负压下(90kPa以上)饱和黏土试样排水，当黏土的含水率达到液限以下时，使真空负压大幅度降低，观察到黏土试样中的水不能排出。在大幅度降压后的较短时间的抽吸作用，可以认为对试样的体积及排水质量的影响可以忽略。因此，在第二个过程中，主要由于黏土试样升温，使黏土中的水达到沸点升腾排出，黏土试样温度升高后体积会发生一定的变化，根据研究成果(Hueckel等,1990,JournalofGeotechnicalEngineering；沈珍瑶等,1998,水文地质工程地质)，黏土的体积膨胀系数约为2.5×10-4/℃，比同温度下水的膨胀系数还要小。因此当Vn体积较大时，可以认为式(8)中ΔVq近似为0，对密度ρn+1的影响可以忽略。由③中的体积控制易知，Vn与Vn-1差值符合精度要求，因此在计算密度时可以认为Vn≈Vn-1。加热升腾的水汽通过真空罐9冷却成液态水，能够称量得到蒸发气化排出水的质量Δmwq，控制当Δmwq＝Δmw-w时，立刻停止抽吸和降低温度，使试样中的水保持液态，不再使土中的水进入真空罐9。通过式(6)，控制试样排水质量Δmw-w，可以获得目标含水率wobj这样，将Δmwq＝Δmw-w、式(7)代入到式(8)可以得到：ρn+1=ms+mw-Δmwn-Δmw-wVn=ms+mw-Δmwn-ρnVn-1+ρobjVn-1Vn=ms+mw-ΔmwnVn-ρn+ρobj=ρobj---(9)]]>(5)制备黏土试样打开阀门，拧开底部的盖子，将试样从土样腔中取出，将试样在三轴切削器上切削成所需试样，即可进行土工测试。由于试样的比重Gs已经测定，根据所控制的目标含水率wobj、目标密度ρobj大小，由土力学(东南大学等，中国建筑工业出版社，2006，35页)物理指标换算关系，易得到当前试样的饱和度、孔隙比、干密度这些常用的物理指标。本发明中真空泵型号：2XZ－2型真空泵1个；压力管：PVC透明软管，内径3mm，壁厚2-5mm，工作压力0.5-1.5MPa，市场有售。真空表：Z-150型，市场有售。本发明在真空固结制样法的基础上，利用真空度越高水沸点越低及辐射加热原理，设计了一种结构轻巧、能够重复利用的饱和及非饱和黏土试样的制备装置，并提出了同时控制含水率、密度的制样方法，所制备样品能够满足土力学试验中物理指标定量控制的科研需求，使用非常方便快捷。当前第1页1 2 3