本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)性土試樣制備方法，具體涉及一種利用化學(xué)膠結(jié)作用和預(yù)壓技術(shù)相結(jié)合的人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣的方法。

背景技術(shù)：

天然狀態(tài)下粘性土通常都具有一定的結(jié)構(gòu)性，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到擾動(dòng)破壞后，土體力學(xué)性質(zhì)會(huì)明顯劣化;在對(duì)原狀土取樣的過程中，對(duì)原狀土樣的擾動(dòng)是不可避免的。在實(shí)際工程中，要從現(xiàn)場(chǎng)取得大批量具備同樣力學(xué)性質(zhì)的未擾動(dòng)結(jié)構(gòu)性土是極其困難的；因此，取土擾動(dòng)對(duì)粘性土結(jié)構(gòu)性影響是困擾廣大巖土工作者問題之一；探索簡(jiǎn)單有效的人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣技術(shù)，如何最大程度地避免人為擾動(dòng)對(duì)土樣結(jié)構(gòu)性的影響，對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)過程中深入研究結(jié)構(gòu)性土體的力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。

對(duì)于高含水率吹填土地基，采用化學(xué)固化劑加固處理后的地基土體存在攪拌效果差、固化劑分布不均等缺點(diǎn)，往往導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)獲取的加固后試樣品質(zhì)差異大、均勻性不一；如何制備均勻性優(yōu)良、重復(fù)性較好的加固土體試樣，是正確認(rèn)識(shí)高含水率吹填土物理力學(xué)性質(zhì)的重要保證。

需要指出的是，固化土具有類似于結(jié)構(gòu)性土的壓縮特性和力學(xué)行為，故可稱之為“人工結(jié)構(gòu)性土”，具有“類超固結(jié)”行為；利用固化土的這種屬性，可制備人工結(jié)構(gòu)性土試樣，以期替代天然結(jié)構(gòu)性土，最大程度地避免原狀樣取樣擾動(dòng)且還原結(jié)構(gòu)性土的物理力學(xué)行為。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供簡(jiǎn)單可靠、行之有效、性能卓越的一種室內(nèi)人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣的方法，有效解決現(xiàn)場(chǎng)取樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度擾動(dòng)難題，能夠批量制備重復(fù)性良好、均勻性一致的高質(zhì)量試樣。

本發(fā)明充分通過對(duì)原料粘性土中摻人一定的化學(xué)固化劑，比如水泥、石灰、粉煤灰等單摻或復(fù)合固化劑，采用逐級(jí)預(yù)壓加載手段，通過人工設(shè)定化學(xué)膠結(jié)作用形成大孔隙組構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)模擬天然粘性土的結(jié)構(gòu)性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種人工制備結(jié)構(gòu)性土試樣制備方法，用以克服上述技術(shù)缺陷，該過程為：

一種人工制備結(jié)構(gòu)性土的方法, 采用化學(xué)膠結(jié)作用和逐級(jí)加載預(yù)壓技術(shù)相結(jié)合的方法制備結(jié)構(gòu)性土;其步驟如下: (1) 取高含水率粘性土式樣，通過添加去離子水,調(diào)節(jié)使試樣含水率使之達(dá)到1.5倍的液限值；

(2) 向上步所得1.5倍液限值的試樣中加入設(shè)計(jì)量的固化劑，攪拌至完全混合均勻后振動(dòng)30秒以振動(dòng)密實(shí)并排出氣泡；

(3) 以1kPa為初始值，之后以5kPa荷載增量逐級(jí)施加預(yù)壓荷載使上步所得試樣成型；所述每級(jí)荷載作用24小時(shí)，加載直至總加載量達(dá)到56kPa；

(4) 將上步所得成型后的式樣按荷載施加的相反順序進(jìn)行逐級(jí)卸載，切除卸載后試樣的兩端，即得結(jié)構(gòu)性土試樣。

所述固化劑為水泥、石灰、粉煤灰的單摻或復(fù)合固化劑。

與現(xiàn)有擊實(shí)法制樣技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：充分利用固化劑的化學(xué)膠結(jié)作用和預(yù)壓固結(jié)技術(shù)，通過水化、硬化和激發(fā)等化學(xué)反應(yīng)過程形成大孔隙結(jié)構(gòu)，從而逐漸形成人工結(jié)構(gòu)性土;本發(fā)明可用于高含水率淤泥和高含水率軟弱地基土的結(jié)構(gòu)性土試樣制備，能保證試樣質(zhì)量和一致性更加良好，可一次性同時(shí)制備大批量試樣，且可有效制備具有不同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平的結(jié)構(gòu)性土試樣。

附圖說明

圖1為配合本發(fā)明方法實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

(1) 調(diào)節(jié)高含水率粘性土的含水狀態(tài)，配制試樣含水率使之達(dá)到1.5倍的液限值：利用機(jī)械攪拌器均勻攪拌高含水率粘土，攪拌時(shí)間10分鐘后測(cè)定試驗(yàn)初始含水率；若含水率偏低，需要加一定量去離子水，使最終含水率達(dá)到1.5倍的液限值；該步驟的主要目的是使粘性土試樣保持較好的流動(dòng)性，更有利于向預(yù)壓制樣裝置圓柱筒內(nèi)順利傾倒流動(dòng)態(tài)的試樣。

(2) 加適量固化劑并攪拌均勻：根據(jù)需要結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度水平，選定合適的固化劑摻量，分批次添加至攪動(dòng)的高含水率土試樣中(1.5倍液限)，攪拌5分鐘至試樣完全均勻，之后分批次迅速傾倒試樣至指定圓柱預(yù)壓制樣筒內(nèi)。

(3) 傾倒流動(dòng)態(tài)試樣并振動(dòng)排氣密實(shí)：對(duì)于配制至預(yù)定含水率的流動(dòng)試樣，預(yù)先計(jì)算設(shè)定土體干重的濕土樣質(zhì)量，傾倒至圓柱預(yù)壓制樣筒內(nèi)，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30秒以振動(dòng)密實(shí)并排出氣泡，直至試樣達(dá)到預(yù)定高度。

(4) 安裝振動(dòng)密實(shí)后試樣至預(yù)壓排水裝置，并安裝豎向位移傳感器：將圓柱制樣筒和上端傳力裝置放入基座固定裝置中，之后在傳力裝置頂端位置，可布置豎向位移傳感器，以監(jiān)測(cè)預(yù)壓過程中試樣高度變化。

(5) 逐級(jí)施加預(yù)壓荷載使試樣成型：端部傳力裝置重量等效為1kPa，在該壓力和自重作用下固結(jié)24小時(shí)，之后以5kPa荷載增量逐級(jí)施加，每級(jí)荷載作用24小時(shí)，加載11級(jí)直至總加載量達(dá)到56kPa，即逐級(jí)加荷之后的荷載水平增加過程為：1kPa、6kPa、11kPa、16kPa、21kPa、26kPa、31kPa、36kPa、41kPa、46kPa、51kPa和56kPa。至此，隨著化學(xué)膠結(jié)和預(yù)壓耦合作用，固化劑加固試樣可完全自主成型，并且試樣具有一定的人工結(jié)構(gòu)性。

(6) 逐級(jí)緩慢卸載并制備滿足室內(nèi)試驗(yàn)規(guī)格的試樣：按荷載施加的相反順序進(jìn)行逐級(jí)卸載，切除脫模試樣的兩端以消除含水量差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，制備滿足室內(nèi)一維豎向壓縮試驗(yàn)規(guī)格要求的試樣。

(7) 測(cè)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平并建立結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度與固化劑摻量之間數(shù)學(xué)關(guān)系式，通過數(shù)據(jù)擬合可計(jì)算特定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)固化劑摻量，批量制備滿足特定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)性土試樣。

如圖1所述，本發(fā)明中配合本發(fā)明方法實(shí)施的裝置結(jié)構(gòu)，包括制樣裝置、固定裝置、加壓裝置和數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)裝置，所述的制樣裝置為一個(gè)空心的圓柱制樣筒8；所述的固定裝置包括上固定板6和下固定板9兩塊固定板，所述的上下固定板四周通過若干螺紋鋼套桿B7連接固定，所述的上下固定板中間對(duì)應(yīng)開設(shè)有與圓柱制樣筒8外徑相同的圓孔，用于嵌套固定圓柱制樣筒8；所述的加壓裝置包括集水筒5、鋪設(shè)在集水筒5上部的方形加載盤4和螺紋鋼套桿A3，所述的螺紋鋼套桿A3通過螺母B11與方形加載盤4上端連接固定；所述的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)裝置包括位于螺紋鋼套桿A3上端的位移傳感器1，和通過數(shù)據(jù)線與位移傳感器1連接的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀12。所述的螺紋鋼套桿A3上端設(shè)有護(hù)帽2，所述護(hù)帽2頂端水平，內(nèi)部通過螺紋與螺紋鋼套桿A3頂部連接，護(hù)帽2頂部位于位移傳感器1正下方，以監(jiān)測(cè)預(yù)壓過程中試樣沉降位移隨時(shí)間變化過程。所述的集水筒5外徑與圓柱試樣筒8內(nèi)徑尺寸一致，所述的集水筒5上端開口，下端封閉，筒底開設(shè)有若干細(xì)小的排水孔，所述的集水筒5底部鋪設(shè)有濾水石和濾紙，使得試樣筒內(nèi)的淤泥在預(yù)壓載荷作用下排出的水收集到集水筒5內(nèi)。所述的上固定板6和下固定板9四周通過四根螺紋鋼套桿B7連接固定，所述的螺紋鋼套桿B7均通過螺母A10與上下固定板旋合連接。所述的上固定板6一側(cè)連接有固定桿14，所述的固定桿14上端連接有一塑料連接板13，所述的連接板13上開設(shè)有與位移傳感器1周向尺寸一致的孔，供位移傳感器1卡合于連接板13上，所述開孔位置與護(hù)帽2的位置上下對(duì)應(yīng)，連接板13限制了位移傳感器1的移動(dòng)，并將位移傳感器1定位于護(hù)帽2上部，進(jìn)而采集圓柱制樣筒8內(nèi)的試樣的高度變化，得到淤泥試樣的排水量。所述的圓柱制樣筒8筒體內(nèi)徑根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸而定。所述的圓柱制樣筒8、上固定板6、下固定板9和方形加載盤4均采用輕質(zhì)光滑有機(jī)玻璃材質(zhì)制成。

必須指出的是，可同時(shí)準(zhǔn)備數(shù)個(gè)預(yù)壓固結(jié)制樣裝置，便于開展大批量相同質(zhì)量結(jié)構(gòu)性試樣的制備。

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案的有效方式做進(jìn)一步說明：

采用機(jī)械攪拌均勻后的高含水率疏浚淤泥，淤泥初始含水率為90.9%，液限為76.1%，攪拌后立刻取2kg高含水率淤泥，經(jīng)計(jì)算后添加指定量的去離子水，使初始含水率達(dá)到1.5倍液限值，即114.2%，之后將試樣分成3批即每批0.6kg，以便分別與特定含量的固化劑進(jìn)行混合均勻攪拌。

實(shí)施例1

利用小型攪拌器，機(jī)械攪拌均勻高含水率疏浚淤泥0.6kg，選取1%石灰（相對(duì)淤泥干重）與淤泥進(jìn)行均勻攪拌，持續(xù)攪拌5分鐘后可認(rèn)為完全混合均勻。石灰混合淤泥后試樣裝入如圖1所示的特制預(yù)壓固結(jié)制樣裝置，安裝完畢后按上述設(shè)定荷載水平逐級(jí)施加荷載，經(jīng)12天逐級(jí)預(yù)壓排水后，卸載、脫模并切削成高20mm、直徑61.8mm的一維固結(jié)試驗(yàn)試樣。

固結(jié)試驗(yàn)中荷載水平分別為12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并監(jiān)測(cè)相應(yīng)荷載下的位移，經(jīng)計(jì)算后可繪制孔隙比-固結(jié)壓力曲線，采用Butterfield方法確定該試樣結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為41.2kPa。該方法制備的人工結(jié)構(gòu)性土可模擬結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力約40kPa的天然結(jié)構(gòu)性土。

實(shí)施例2

利用小型攪拌器，機(jī)械攪拌均勻高含水率疏浚淤泥0.6kg，選取3%石灰（相對(duì)淤泥干重）與淤泥進(jìn)行均勻攪拌，持續(xù)攪拌5分鐘后可認(rèn)為完全混合均勻。石灰混合淤泥后試樣裝入如圖1所示的特制預(yù)壓固結(jié)制樣裝置，安裝完畢后按上述設(shè)定荷載水平逐級(jí)施加荷載，經(jīng)12天逐級(jí)預(yù)壓排水后，卸載、脫模并切削成高20mm、直徑61.8mm的一維固結(jié)試驗(yàn)試樣。

固結(jié)試驗(yàn)中荷載水平分別為12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并監(jiān)測(cè)相應(yīng)荷載下的位移，經(jīng)計(jì)算后可繪制孔隙比-固結(jié)壓力曲線，采用Butterfield方法確定該試樣結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為56.5kPa。該方法制備的人工結(jié)構(gòu)性土可模擬結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力約60kPa的天然結(jié)構(gòu)性土。

實(shí)施例3

利用小型攪拌器，機(jī)械攪拌均勻高含水率疏浚淤泥0.6kg，選取6%石灰（相對(duì)淤泥干重）與淤泥進(jìn)行均勻攪拌，持續(xù)攪拌5分鐘后可認(rèn)為完全混合均勻。石灰混合淤泥后試樣裝入如圖1所示的特制預(yù)壓固結(jié)制樣裝置，安裝完畢后按上述設(shè)定荷載水平逐級(jí)施加荷載，經(jīng)12天逐級(jí)預(yù)壓排水后，卸載、脫模并切削成高20mm、直徑61.8mm的一維固結(jié)試驗(yàn)試樣。

固結(jié)試驗(yàn)中荷載水平分別為12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并監(jiān)測(cè)相應(yīng)荷載下的位移，經(jīng)計(jì)算后可繪制孔隙比-固結(jié)壓力曲線，采用Butterfield方法確定該試樣結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為68.3kPa。該方法制備的人工結(jié)構(gòu)性土可模擬結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力70kPa的天然結(jié)構(gòu)性土。

實(shí)施例4

利用小型攪拌器，機(jī)械攪拌均勻高含水率疏浚淤泥0.6kg，選取9%石灰（相對(duì)淤泥干重）與淤泥進(jìn)行均勻攪拌，持續(xù)攪拌5分鐘后可認(rèn)為完全混合均勻。石灰混合淤泥后試樣裝入如圖1所示的特制預(yù)壓固結(jié)制樣裝置，安裝完畢后按上述設(shè)定荷載水平逐級(jí)施加荷載，經(jīng)12天逐級(jí)預(yù)壓排水后，卸載、脫模并切削成高20mm、直徑61.8mm的一維固結(jié)試驗(yàn)試樣。

固結(jié)試驗(yàn)中荷載水平分別為12.5、25、37.5、50、62.5、125、250、500和1000kPa，并監(jiān)測(cè)相應(yīng)荷載下的位移，經(jīng)計(jì)算后可繪制孔隙比-固結(jié)壓力曲線，采用Butterfield方法確定該試樣結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為77.9kPa。該方法制備的人工結(jié)構(gòu)性土可模擬結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力80kPa的天然結(jié)構(gòu)性土。

在預(yù)壓荷載作用下，高含水率淤泥壓縮性理論上可被認(rèn)為全部由于孔隙體積減少而引起的。對(duì)于飽和淤泥試樣，水由于其流動(dòng)特性而在外力作用下沿著孔隙排出，從而引起淤泥體積減少而發(fā)生壓縮。制樣時(shí)由于剛性環(huán)所限，試樣在豎向預(yù)壓荷載作用下只能產(chǎn)生豎向壓縮變形，而不可能產(chǎn)生側(cè)向變形。因此，淤泥豎向壓縮變形量與圓柱筒內(nèi)側(cè)橫斷面積之乘積，可被認(rèn)為是預(yù)壓荷載作用下排出的水量，從而結(jié)合試樣初始含水率計(jì)算不同預(yù)加載時(shí)刻對(duì)應(yīng)的淤泥含水量。

本發(fā)明以石灰添加劑為例，采用石灰固化土模擬不同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平的天然結(jié)構(gòu)性土，若采用水泥、粉煤灰和礦渣粉等固化材料，或采用其它不同于1~56kPa逐級(jí)預(yù)壓荷載，結(jié)合化學(xué)膠結(jié)和設(shè)計(jì)預(yù)壓手段制備具有不同程度的結(jié)構(gòu)性試樣，以模擬天然結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平，均屬于本發(fā)明專利保護(hù)范圍。

盡管本說明書較多地使用了 1-位移傳感器、2-護(hù)帽、3-螺紋鋼套桿A、4-方形加載盤、5-集水筒、6-上固定板、7-螺紋鋼套桿B、8-圓柱制樣筒、9-下固定板、10-螺母A、11-螺母B、12-數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀、13-連接板、14-固定桿等術(shù)語，但并不排除 使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它 們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。