一种饱和砂土试样的制样装置及制样方法

本发明提供了一种饱和砂土试样的制样装置以及相对应的制样方法，属于土木试验。

背景技术：

1、砂土液化是指在外力或内力(通常是孔隙水压力)作用下，砂土颗粒丧失粒间接触压力以及相互之间的摩擦力，不能抵抗剪应力，就会发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。

2、为了研究砂土液化时的动力学特征，需要大量制备饱和砂土试样。已有研究表明饱和度对液化影响显著，提高砂土模型的饱和度对砂土液化分析至关重要。目前制备饱和砂土模型试样的方法主要有两种：(1)采用水中落砂法，即首先向模型箱内加入饱和液体至预定高度，然后均匀撒砂，使砂土在自重作用下自然沉积以制备饱和砂土模型；该方法缺陷主要有两点：一是在饱和含细颗粒砂土模型时，由于土颗粒在液体中沉积速度与颗粒粒径的平方成正比，因此会由于严重的离析现象而导致试样不均匀；二是一般离心机模型试验中为克服动力时间和渗透时间的矛盾，往往采用粘度较大的液体代替水进行饱和，该种液体由于粘度大较难渗透进入砂土颗粒的微观孔隙内，因此饱和效果较差；(2)采用空中砂雨法，即首先通过撒砂制备干砂模型，然后将模型箱吊入饱和装置内进行抽真空饱和；该方法优势是通过抽真空大大提高了模型的饱和度。但主要缺陷有两点：(1)干砂模型制备完成后需要通过转运装置转运至饱和装置内，因此会扰动模型，而这种不可控的扰动会影响试验的控制变量，如一般砂土试验需要严格控制相同相对密实度等，因此会影响试验结果的准确性。(2)砂土模型仅进行了抽真空，而砂土孔隙内的仍会残存空气，会影响模型饱和度从而导致试验结果误差大甚至错误。若采用二氧化碳作为辅助饱和气体，虽然二氧化碳可较快溶解于水中，减少试样饱和时间，但国家对二氧化碳气瓶储备管理也有较高的要求，无疑会增加实验室的管理难度。

技术实现思路

1、本发明提供了一种饱和砂土试样的制样装置，解决了现有技术中的不足，该装置结构简单、使用方便，能够制得超高饱和度的砂土试样，确保后续的试验结果的准确性。

2、实现本发明上述目的所采取的的技术方案为：

3、一种饱和砂土试样的制样装置，至少包括制样模具，所述制样装置包括：

4、箱体，其上设置有密封箱门、电源模块、恒温控制模块、氧气检测模块以及抽真空模块，密封箱门上设置有透明观察窗；

5、支架，固定于箱体的内部，整体结构呈门字型；

6、搅拌单元，包括电机、搅拌器、盛料斗，所述盛料斗呈漏斗状，安装于支架的上部，盛料斗底部设置有装料电磁阀，电机安装于支架的顶部，电机的输出轴与搅拌器相连接并驱动搅拌器旋转，搅拌器安装于盛料斗的内部；

7、制样单元，包括制样模具、模具夹、支撑座，所述制样模具整体呈圆筒状，竖直放置在支撑座上，整体位于支架的下部，模具夹安装于制样模具的两侧并用于对制样模具夹持固定；制样模具的顶部为敞开的开口，且开口位于盛料斗的正下方，制样模具的底部封闭，且底部设置有接口，接口处设置有纱网封堵；支撑座固定于支架的底部，支撑座上设置有与接口密封连接的插槽，所述插槽的下方连接有三通管；

8、进气单元，包括上进气管和下进气管，上进气管和下进气管均与外界的乙醇气源接通，其中上进气管与盛料斗底部的装料电磁阀的上方连通，下进气管与支撑座下方的三通管连通；上进气管和下进气管上均设置有进气电磁阀；

9、进水单元，包括进水管和安装于进水管上的进水电磁阀，进水管的一端与外界的纯净水源接通，进水管的另一端与支撑座下方的三通管连通。

10、所述的盛料斗的容积与制样模具的容积相匹配一致。

11、所述箱体的侧壁上设置有上进气按钮和下进气按钮，所述上进气按钮和下进气按钮分别与上进气管和下进气管上的进气电磁阀连接并控制进气电磁阀的开关。

12、所述箱体的侧壁上设置有进水按钮，所述进水按钮与进水管上的进水电磁阀连接并控制进水电磁阀的开关。

13、所述箱体的侧壁上设置有装料按钮，所述装料按钮与盛料斗底部的装料电磁阀连接并控制装料电磁阀的开关。

14、所述箱体的侧壁上设置有搅拌按钮，所述搅拌按钮与电机连接并控制电机的开关。

15、本发明中还提供了基于上述制样装置的饱和砂土试样的制样方法，包括以下步骤：

16、(1)、称取干燥的砂土颗粒，然后将砂土颗粒放入至盛料斗中，将制样模具放置在支撑座上并用模具夹固定，关闭箱门，开启电源；

17、(2)、启动电机进行搅拌，同时开启恒温控制模块对箱体内进行升温加热，设定温度80～90℃，启动抽真空模块对箱体内抽真空；

18、(3)、待箱体内温度和真空度达到设定要求后，启动进气电磁阀，向箱体内通过乙醇气体，氧气检测模块实时监测箱体内的氧气含量，直至箱体内的氧气含量低于设定值，关闭进气电磁阀和抽真空模块，停止通入乙醇气体；

19、(4)、开启装料电磁阀，盛料斗中的砂土颗粒在搅拌器的搅动下逐渐落至制样模具中，待所有的砂土颗粒全部进入制样模具后，关闭装料电磁阀和电机搅拌；

20、(5)、开启进水电磁阀，从制样模具的底部接口处通入纯净水，通过箱门处的透明观察窗观察到纯净水已经注满至制样模具的顶部时，关闭进水电磁阀；

21、(6)、关闭恒温控制模块，同时开启密封箱门上的进气阀，待箱体内的温度和气压恢复至常态后，开启箱门并拧松模具夹，取出制样模具即可。

22、与现有技术相比，本发明中提供的饱和砂土试样的制样装置具有以下优点：1、由于砂土颗粒是从外界装入的，砂土颗粒中的间隙处的空气是最难排出的。本专利中为了解决这一难题，采取了翻炒+底部通气的方式。具体的，一方面对盛料斗内的砂土颗粒采用电机和搅拌器进行不断的搅拌翻炒，另一方面从盛料斗的底部往上通入高温乙醇气体，通过这两种方式相结合，能够彻底排出砂土颗粒间的残余空气。2、本装置中创造性的采取了以高温乙醇气体来作为辅助饱和气体，由于高温乙醇气体与水能够任意混溶，且高温乙醇气体极易液化，因此能够确保砂土试样中的超高饱和度，避免砂土试样中有未排除的剩余空气。3、虽然高温乙醇气体能够确保砂土试样的超高饱和度，但是由于高温乙醇气体的易燃易爆性，为了使用安全，本装置中在箱体中同步设置有抽真空模块，通过抽真空模块将箱体内的空气抽出后，再通入高温乙醇气体对箱体内的剩余空气进行彻底驱赶，直至箱体内的空气含量达到极低数值，避免发生意外。

技术特征：

1.一种饱和砂土试样的制样装置，至少包括制样模具，其特征在于：所述制样装置包括：

2.根据权利要求1所述的饱和砂土试样的制样装置，其特征在于：所述的盛料斗的容积与制样模具的容积相匹配一致。

3.根据权利要求1所述的饱和砂土试样的制样装置，其特征在于：所述箱体的侧壁上设置有上进气按钮和下进气按钮，所述上进气按钮和下进气按钮分别与上进气管和下进气管上的进气电磁阀连接并控制进气电磁阀的开关。

4.根据权利要求1所述的饱和砂土试样的制样装置，其特征在于：所述箱体的侧壁上设置有进水按钮，所述进水按钮与进水管上的进水电磁阀连接并控制进水电磁阀的开关。

5.根据权利要求1所述的饱和砂土试样的制样装置，其特征在于：所述箱体的侧壁上设置有装料按钮，所述装料按钮与盛料斗底部的装料电磁阀连接并控制装料电磁阀的开关。

6.根据权利要求1所述的饱和砂土试样的制样装置，其特征在于：所述箱体的侧壁上设置有搅拌按钮，所述搅拌按钮与电机连接并控制电机的开关。

7.基于权利要求1所述制样装置的饱和砂土试样的制样方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种饱和砂土试样的制样装置，包括：箱体上设置有密封箱门、电源模块、恒温控制模块、氧气检测模块以及抽真空模块；支架固定于箱体的内部整体结构呈门字型；搅拌单元包括电机、搅拌器、盛料斗，所述盛料斗呈漏斗状，安装于支架的上部，盛料斗底部设置有装料电磁阀；制样单元包括制样模具、模具夹、支撑座，所述制样模具整体呈圆筒状，竖直放置在支撑座上，整体位于支架的下部；进气单元包括均与外界的乙醇气源接通的上进气管和下进气管；进水单元包括进水管和安装于进水管上的进水电磁阀。该装置结构简单、使用方便，能够制得超高饱和度的砂土试样，确保后续的试验结果的准确性。

技术研发人员：阮滨,陈扬,甘屹东,叶宜培,李俊成,吴贤国,王苏阳,张德润,周正龙
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12