一种饱和粗粒土单元试样制作装置的制作方法

本实用新型涉及土质渗透试验技术领域，尤其涉及一种饱和粗粒土单元试样制作装置。

背景技术：

土体液化是地震中常见震害形式，而地基土渗透系数与其液化特性有着十分密切的关系。工程上通常通过渗透试验对现场地基土的渗透性进行评价，渗透试验包括现场渗透试验与室内渗透试验两大类。相比于现场渗透试验，室内渗透试验可以更加精确地测得土体渗透系数，同时可以根据实验需求改变土体其他参数来探究渗透性与其他土体特性之间的关系。根据不同土类，室内渗透试验在装置尺寸、实验方法上也有所区别，针对粗粒土而言通常使用常水头试验方法搭配内径较大渗透试验筒进行渗透系数测试。

传统的饱和粗粒土单元试样制作装置，大多为如图1所示的渗透试验筒的结构，其主要结构组成包括整体式的渗透筒体1、与渗透筒体1连接的积水罐2、设置在渗透筒体上的测压元件。在渗透试验实际测试过程中，影响渗透系数测试结果的因素很多，其中土体试样的饱和度直接决定了所得渗透系数的正确与否，尤其对于级配较宽的粗粒土而言，土体饱和度的微小差别会导致渗透系数相差1-2个量级。同时，同一试样相对密度的变化也会对渗透系数造成较大影响。

而目前的制样方式主要以分层制样后分层渗水饱和的方式为主。但采用如图1所示的渗透筒体进行分层制样时存在如下饱和度不易保证的缺陷：第一，通过在常压下向试样中渗水的方式进行饱和只能赶走土体孔隙中一部分气泡，并不能达到较高饱和度；第二，下层试样制备渗水饱和结束后，上层试样制备的过程中下层试样中的水会因毛细现象向上层未完成制样土层中转移，下层式样中含水量降低，部分孔隙重新存入空气，此时上层试样再进行渗水饱和会堵塞气体排出通道使得下层式样中空气更难以排出，永久占据孔隙通道；第三，上层制样击实过程中，由于下层试样处于饱和状态，击实过程会导致下层土体液化而过度排水，无法保证试样整体相对密度均匀性与饱和度。

其中，室内渗透试验是指通过相关设备对岩土的渗透系数进行测定的试验，一般包含常水头试验及变水头试验，对于粗粒土通常使用常水头试验。

粗粒土是指大于0.1毫米颗粒含量较多的土，包含砂类土及砾类土。

饱和度是指土中水的体积与土中空隙体积之间的比值，用来表征土体内孔隙被水充满的程度。

相对密度是指土体密实度，通常指单位体积中固体颗粒的含量，工程上为了更好表明粗粒土所处的密实状态，用土体所处孔隙比e与土体所能达到的最松散时的孔隙比emax与最密实时的孔隙比emin相比较，所得指标即为相对密度Dr＝(emax-e)/(emax-emin)。

综上所述，如何解决饱和粗粒土单元试样制作过程中，渗透饱和时试样饱和度不易保证导致渗透系数的测量不准确的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种饱和粗粒土单元试样制作装置，以解决饱和粗粒土单元试样制作过程中，渗透饱和时试样饱和度不易保证导致渗透系数的测量不准确的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种饱和粗粒土单元试样制作装置，包括用于分层制作饱和粗粒土单元试样的渗透筒体和用于向所述渗透筒体供给水源的给水罐，且所述给水罐的位置高于所述渗透筒体的位置，所述渗透筒体的顶部连接有用于对所述渗透筒体抽真空的真空泵。

优选地，所述真空泵还与所述给水罐的顶端连通。

优选地，所述给水罐的进水管上设置有电磁阀，所述电磁阀连接有液位继电器，所述液位继电器包括设置在所述渗透筒体内部的第一液位探头、第二液位探头和第三液位探头，所述第一液位探头位于所述渗透筒体内的低液位位置；所述第二液位探头位于所述渗透筒体内的保护液位位置；所述第三液位探头位于所述渗透筒体内的高液位位置。

优选地，所述进水管上对应所述电磁阀与所述给水罐之间的位置还设置有球阀。

优选地，所述渗透筒体包括自上而下密封对接的顶盖、顶层筒体、中层筒体、底层筒体和底盖，且所述顶层筒体与所述中层筒体之间和所述中层筒体与所述底层筒体之间均设置有透水板；所述渗透筒体的进水口位于所述底层筒体的筒壁上，所述渗透筒体的溢水口位于所述顶层筒体的筒壁上。

优选地，所述顶层筒体的筒壁底部设置有第一阶梯槽，所述中层筒体的筒壁顶部设置有与所述第一阶梯槽相适配的第二阶梯槽；所述中层筒体的筒壁底部设置有第三阶梯槽，所述底层筒体的筒壁顶部设置有与所述第三阶梯槽相适配的第四阶梯槽。

优选地，所述第一阶梯槽与所述第二阶梯槽之间对应阶梯平面的位置和所述第三阶梯槽与所述第四阶梯槽之间对应阶梯平面的位置均设置有密封圈。

优选地，所述顶盖与所述底盖之间通过周向布置的拉紧螺栓固定，所述顶层筒体、所述中层筒体和所述底层筒体的周向外壁上均设置肋板，所述肋板上设置有用于定位所述拉紧螺栓的定位孔。

优选地，所述中层筒体的筒壁上沿高度方向布置有测压元件，所述测压元件包括压力式液位计和水位测压管。

优选地，所述渗透筒体的底部还设置有振动装置，且所述振动装置的振动幅值、频率和持时均可调节。

相比于背景技术介绍内容，上述饱和粗粒土单元试样制作装置，包括用于分层制作饱和粗粒土单元试样的渗透筒体和用于向渗透筒体供给水源的给水罐，且给水罐的位置高于渗透筒体的位置，渗透筒体的顶部连接有用于对渗透筒体抽真空的真空泵。在实际应用过程中，在渗透筒体内分层制作饱和粗粒土单元试样逐层击实完成后，用真空泵进行抽真空处理，并在真空状态下利用给水罐对渗透筒体进行注水操作，由于真空泵抽真空后，将粗粒土单元试样内的气体抽离渗透筒体，进而能够避免形成的饱和粗粒土单元试样内气泡的存在，提升了饱和粗粒土单元试样的浸水饱和度，从而保证了渗透系数的测量的准确性。

附图说明

图1为传统的饱和粗粒土单元试样制作装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的饱和粗粒土单元试样制作装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的给水罐的剖视结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的顶层筒体与中层筒体对接的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的顶盖与顶层筒体对接的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的压力式液位计的安装结构示意图。

上图1-图6中，

渗透筒体1、给水罐2、真空泵3、进水管4、电磁阀5、液位继电器6、第一液位探头7、第二液位探头8、第三液位探头9、顶盖10、顶层筒体11、中层筒体12、底层筒体13、底盖14、透水板15、第一阶梯槽16、第二阶梯槽17、密封圈18、肋板19、压力式液位计20、水位测压管21、振动装置22、拉紧螺栓23、U型槽24、孔口滤网25。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种饱和粗粒土单元试样制作装置，以解决饱和粗粒土单元试样制作过程中，渗透饱和时试样饱和度不易保证导致渗透系数的测量不准确的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图2-图6所示，本实用新型实施例提供的一种饱和粗粒土单元试样制作装置，包括用于分层制作饱和粗粒土单元试样的渗透筒体1和用于向渗透筒体1供给水源的给水罐2，且给水罐2的位置高于渗透筒体1的位置，渗透筒体1的顶部连接有用于对渗透筒体1抽真空的真空泵3。

上述饱和粗粒土单元试样制作装置，在实际应用过程中，在渗透筒体内分层制作饱和粗粒土单元试样逐层击实完成后，用真空泵进行抽真空处理，在真空状态下利用给水罐对渗透筒体进行注水操作，由于真空泵抽真空后，将粗粒土单元试样内的气体抽离渗透筒体，进而能够避免形成的饱和粗粒土单元试样内气泡的存在，提升了饱和粗粒土单元试样的浸水饱和度，从而保证了渗透系数的测量的准确性。

这里需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，渗透筒体靠近底部的位置还设置有排水口，以便于试验结束后排水。

在具体的实施方案中，为了提高饱和粗粒土单元试样的浸水饱和度，有效保证渗透液体的无气性以及渗透压强稳定性，真空泵3同时与给水罐2的顶端连通，这样能够使得积水罐内的水内的空气被抽离，避免向渗透筒体进行注水时，由于给水罐内压强过大而导致渗流流量过大进而破坏土体单元试样。

此外，给水罐2的进水管4上还设置有电磁阀5，该电磁阀5连接有液位继电器6，液位继电器6包括设置在渗透筒体1内部的第一液位探头7、第二液位探头8和第三液位探头9，第一液位探头7位于渗透筒体1内的低液位位置；第二液位探头8位于渗透筒体1内的保护液位位置；第三液位探头9位于渗透筒体1内的高液位位置。这里需要说明的是，本领域技术人员都应该能够理解的是，低液位位置是指给水罐内水面接近罐底的位置，比如液面距离罐底30-50mm的位置，在实际应用中低液位位置可以根据实际情况进行设定；对应保护液位水位是指给水罐内水面对应供水时的最佳液面高度；对应高液位位置是指给水罐中的水面高出了设定的保护液位水位的情况。在实际工作过程中，可以通过液位继电器检测到的给水罐内的液面情况，控制电磁阀的开闭，来保持给水罐内的液面始终保持在最佳的液面高度，这样使得给水罐向渗透筒体供水的压力始终保持一致，从而增强了渗透的均匀性。此外，通过水位继电器控制常水头给水，以替代流量阀控形式，有效保证常水头控制精度，避免了给水流量不稳定导致的水位波动误差。

为了防止电磁阀失效给水罐失控，在进水管4上对应电磁阀5与给水罐2之间的位置还设置有球阀。当电磁阀失控时，可以通过手动控制球阀来控制给水罐的进水速度。

在一些更具体的实施方案中，上述渗透筒体1包括自上而下密封对接的顶盖10、顶层筒体11、中层筒体12、底层筒体13和底盖14，且顶层筒体11与中层筒体12之间和中层筒体12与底层筒体13之间均设置有透水板15；渗透筒体1的进水口位于底层筒体13的筒壁上，渗透筒体1的溢水口位于顶层筒体11的筒壁上。上下透水板隔离土样与上下存水腔体，保证了液体以面形式在试样中均匀渗流，有效防止局部渗透造成试样破坏，提高所测渗透系数准确性。

这里需要说明的是，顶层筒体11与中层筒体12之间的透水板可随土样上下移动。具体地，通过上述分层式筒体结构的布置方式，可以使得给水罐向渗透筒体供水时，形成自下而上的补给方式，能够有效的避免水流及重力的作用下土体中的细粒成分堆积在透水板上而致使透水板堵塞的情况，并且该种补给方式更加利于透水板整面同时进水，避免了透水板透水不均匀的现象。此外，相比于整个筒体的结构而言，避免了下透水板直接接触底部注水口，因为透水板直接接触注水口容易导致水流进出试样流线不均匀，局部水流压力过大、流速过快会导致土体产生管涌形成局部排水通道，致使试样均匀性变差，式样内部渗流不均匀，严重影响试验结果准确性。本申请通过分层式筒体的结构，不仅仅能够对进入的水的冲击力进行缓冲，并且底层筒体逐渐液面上升与透水板平齐后进水，更加利于透水板整面进水。另外需要说明的是，一般来说，渗透筒体的总高度800mm，内径为300mm，当然可以理解的是，上述渗透筒体的尺寸仅仅是本实用新型实施例的优选举例而已，实际应用过程中还可以根据实际需求选择对应的其他尺寸值。

在一些更加具体的实施方案中，上述顶层筒体11的筒壁底部设置有第一阶梯槽16，中层筒体12的筒壁顶部设置有与第一阶梯槽16相适配的第二阶梯槽17；中层筒体12的筒壁底部设置有第三阶梯槽，底层筒体13的筒壁顶部设置有与第三阶梯槽相适配的第四阶梯槽。上述阶梯槽配合的结构截面类似于两个反向的L型结构对接，该种结构，使得装配时，更容易定位后装配到位，并且更加容易实现密封。

比如，在第一阶梯槽16与第二阶梯槽17之间对应阶梯平面的位置和第三阶梯槽与第四阶梯槽之间对应阶梯平面的位置均设置有密封圈18，并且该密封圈优选采用O型密封圈。实际应用过程中，顶盖10与顶层筒体11之间也应设置有密封圈18，具体为顶层筒体的筒壁顶部设置有U型槽24，将O型密封圈放置在U型槽24内在将顶盖固定至顶层筒体的筒壁顶部。

此外为了保证渗透筒体整体的密封性，对应顶盖10与底盖14之间通过周向布置的拉紧螺栓23固定，顶层筒体11、中层筒体12和底层筒体13的周向外壁上均设置肋板19，肋板19上设置有用于定位拉紧螺栓23的定位孔。通过拉紧螺杆和肋板上定位孔使得分层式的渗透筒体的整体结构的稳定性更好。

为了避免标尺式测压元件容易产生误读的问题，上述中层筒体12的筒壁上沿高度方向布置有测压元件，该测压元件包括压力式液位计20和水位测压管21。采用压力式液位计能够有效节省测压管设备所占空间，降低人工判读误差；同时又设置水位测压管能够直观的看到渗透筒体内水位位置，双重测压装置能够保证得到数据的准确性更高。压力式液位计的端部旋进中层筒体12内，感应端距桶壁内侧一般为2mm距离，用以安装孔口滤网25，防止土体颗粒堵塞感应端内的传感器。

为了能够实现饱和粗粒土试样相对密度连续控制，渗透筒体1的底部还设置有振动装置22，且振动装置22的振动幅值、频率和持时均可调节。进而能够在渗透筒体内分层制作粗粒土试样时，通过调整振动幅值、频率、持时振密控制方式实现试样相对密度从小到大连续制样，有效提高了大体积试样制备及试验效率。

为了本领域技术人员更好的理解本实用新型提供的技术方案，下面结合饱和粗粒土单元试样制作装置优选地结构的使用过程进行说明：

(1)将底盖通过紧固螺母固定于振动台面上，并安装底层筒体到位；

(2)将给水罐、渗透筒体和真空泵之间对应的管路连接到位；

(3)保持渗透筒体上的排水口和进水管上的球阀关闭；

(4)放置中层筒体与底层筒体之间的透水板；

(5)放置中层筒体与底层筒体之间的O型密封圈于底层筒体上的L型卡槽中并在O型密封圈表面涂抹密封膏，将中层筒体与底层筒体的L型卡槽相对齐，放置中层筒体于底层筒体之上并通过紧固螺丝压紧；

(6)将压力式液位计安装于中层筒体上对应设置的压力式液位计安装孔内并进行气密性处理；

(7)安装水位测压管于中层筒体上对应设置的测压管安装孔内并关闭管端密封球阀；

(8)根据试验所需最小相对密度称量试样，在中层筒体中分层制样，直至试样上端与中层筒体上端齐平；

(9)在试样上端放置上透水板；

(10)在中层筒体上端L型槽内放置O型圈，并在O型圈表面涂抹密封膏，将顶层筒体与中层筒体L型卡槽对齐，放置顶层筒体于中层筒体之上，并用紧固螺丝压紧；

(11)关闭顶层筒体排水管路的球阀；

(12)放置O型圈于顶层筒体顶端U型槽内并在表面涂抹真空油膏，将顶盖放置于顶层筒体顶端并通过紧固螺丝压紧；

(13)通过三通气动接头及高压气动软管将给水罐的顶端抽气孔及顶盖顶端抽气孔与真空泵相连；

(14)打开电磁阀及其与给水罐之间阀门向给水罐内补水，待水面上升至最高水位电磁阀自动断水，关闭电磁阀与给水罐之间球阀；

(15)打开真空泵抽气12h；

(16)将给水罐提升至适当高度，缓慢打开底层筒体进水管端球阀，给水罐内水在真空环境下缓慢从底部向上浸润土样，待液面上升至顶层筒体排水管高度后关闭进水管阀门；

(17)继续抽气6h；

(18)关闭真空泵；

(19)测量试样初始高度；

(20)移除上顶盖；

(21)根据实验需要设定振动台振动幅值、频率、持时；

(22)开启振动台，试样振密，通过中层筒体压力式液位计检测水位情况；

(23)停止振动台，打开顶层筒体排水管阀门排水；

(24)测量上透水板下降高度，获得振密试样相对密度；

(25)重复前述步骤，获得由低到高相对密度连续饱和粗粒土样。

以上对本实用新型所提供的饱和粗粒土单元试样制作装置进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。