本發(fā)明涉及巖土工程試樣制備領(lǐng)域，尤其是一種時控式保溫型重塑試樣制備裝置及方法。

背景技術(shù)：

在巖土工程技術(shù)領(lǐng)域中，為了得到土的物理力學指標，常需對土樣做室內(nèi)試驗。目前巖土工程室內(nèi)試驗所用試樣分為2種：原狀試樣和重塑試樣。原狀試樣能夠得到與現(xiàn)場比較一致的技術(shù)指標，是室內(nèi)試驗最理想的選擇。但由于原狀試樣取樣復雜、保存不便、代價較高等問題，實際試驗中多采用重塑試樣。

制備重塑試樣常用的方法有2類：擊實法和固結(jié)法。擊實法是將試樣分為質(zhì)量相同的小份，分層擊實到指定尺寸。擊實法具有土樣不均勻、試樣容易包裹空氣等缺點。早期的固結(jié)法是將風干土加蒸餾水制成泥漿，倒入制樣筒，在三軸儀中固結(jié)獲得飽和試樣。這種方法具有制樣繁瑣、對設(shè)備要求較高、固結(jié)時間較長的缺點。

近年來，真空固結(jié)法因其操作簡單、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點，在制備重塑試樣中得到越來越廣泛的應用。目前采用真空固結(jié)法制備重塑試樣的專利主要有中國專利zl200920106559.7、zl201410216203.4。前者排水路徑相差很大，固結(jié)后的土樣不均勻；后者雖然排水路徑相差不大，但是由于土樣與容器壁之間接觸面積較大，容器壁的邊界效應會使土樣固結(jié)不均勻。同時，二者都具有制樣時間長的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種制樣時間短、制樣均勻的時控式保溫型重塑試樣制備裝置及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種時控式保溫型重塑試樣制備裝置，包括恒溫水箱、土樣制備箱、抽濾瓶、電子秤、真空泵和時控開關(guān)，恒溫水箱的出水口與土樣制備箱的進水閥門連接，恒溫水箱的進水口與土樣制備箱的出水閥門連接，土樣制備箱的抽水閥門與抽濾瓶頂部的通孔連接，抽濾瓶側(cè)面通孔與真空泵的抽氣口連接，真空泵通過導線與時控開關(guān)連接，土樣制備箱的有機玻璃容器內(nèi)腔通過進水閥門和出水閥門與恒溫水箱連接，土樣制備箱內(nèi)設(shè)有濾管，土樣制備箱底部設(shè)有透水編織袋包裹的細砂，透水編織袋上鋪設(shè)一層土工布，土樣制備箱通過抽水管與抽濾瓶連接，抽濾瓶通過真空管與真空泵連接，時控開關(guān)控制真空泵的啟停。

所述土樣制備箱的有機玻璃容器壁內(nèi)側(cè)緊貼敞口塑料袋，下端折疊2cm塞入土工布與透水編織袋之間，上端在抽真空時用橡皮筋扎緊。

所述土樣制備箱的土工布上方設(shè)有有機玻璃板，有機玻璃板恰好將位于有機玻璃板和有機玻璃容器壁之間的敞口塑料袋和土工布夾緊，盡可能減少水不經(jīng)土工布滲漏下去。

有機玻璃板上嵌有8根濾管，濾管由內(nèi)部填充pp棉、外部用濾布包裹、鉆有圓孔的波紋管組成。

所述土樣制備箱的有機玻璃容器壁外側(cè)和頂部緊貼一層塑料薄膜，在抽真空時用橡皮繩扎緊。

所述時控式保溫型重塑試樣制備裝置的成樣方法包括以下步驟：

(1)將現(xiàn)場取得土樣風干，碾碎，過2mm的篩，加水配置成含水率為100％的泥漿，浸泡24小時；

(2)向恒溫水箱加水至2/3處，打開水箱電源開關(guān)，使水溫保持在60℃左右；

(3)將透水編織袋包裹的細砂放置在土樣制備箱的圓錐體中，表面平整；

(4)將土樣制備箱的有機玻璃容器內(nèi)壁緊貼敞口塑料袋，下端折疊2cm放置在透水編織袋上方；

(5)將土工布放置在透水編織袋的上方；

(6)在波紋管上鉆圓孔，內(nèi)部填充pp棉，外部包裹一層濾布，并用尼龍繩扎緊，下端嵌入有機玻璃板中；

(7)將有機玻璃板連同濾管一起放在土工布的上方；

(8)將步驟(1)中制備好的泥漿倒入敞口塑料袋中，用抽氣泵把泥漿與敞口塑料袋之間的空氣抽掉，把敞口塑料袋上端用橡皮筋扎緊；

(9)將土樣制備箱的有機玻璃容器外壁和頂部緊貼一層塑料薄膜，用橡皮繩扎緊；

(10)打開土樣制備箱的進水閥門和出水閥門，使恒溫水箱中的水流入有機玻璃容器內(nèi)腔，保溫3小時；

(11)接通電源，打開時控開關(guān)，真空泵開始工作，等到真空表顯示氣壓為1個大氣壓時，打開抽水閥門，

(12)通過電子秤稱量抽濾瓶中水的質(zhì)量，據(jù)此計算出土樣制備箱中試樣的含水率；

(13)當土樣制備箱中試樣的含水率達到預定含水率時，關(guān)閉抽水閥門，關(guān)閉時控開關(guān)，斷開真空泵電源，關(guān)閉恒溫水箱，讓有機玻璃容器內(nèi)腔中的水自然回流到恒溫水箱中；

(14)解開橡皮繩，取下塑料薄膜，解開橡皮筋，撐開敞口塑料袋，用取土器取樣；

(15)用切土器將土樣削成預定直徑和高度的試樣后，即獲得預期含水率的重塑試樣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)針對已有真空制樣法制樣時間長的缺點，本發(fā)明采用恒溫水箱對土樣制備箱保溫，使土樣的溫度保持在60℃左右。在80kpa真空壓力下，水的沸點降低到約60℃左右，土中的自由水會迅速汽化，被真空泵迅速抽走，有效縮短制樣時間。

(2)針對已有真空制樣法制樣時間長的缺點，本發(fā)明采用時控開關(guān)控制真空泵的啟停，在抽真空開始后的24h內(nèi)，開關(guān)連通時間為1-2min，斷開時間為5-6min，連通與斷開交替進行。真空泵的交替開關(guān)造成土樣制備箱內(nèi)真空壓力的變化，推遲粘土細顆粒在排水過程中的聚集，可解決真空預壓過程中因土料遷移造成的排水通道過早堵塞的問題，縮短制樣時間。

(3)針對已有真空制樣法制樣時間長、制樣不均勻的缺點，本發(fā)明在試驗周圍采用填充pp棉的濾布包裹的開孔波紋管排水，有效增加排水路徑，既減小了制樣時間，又盡可能降低制樣的不均勻性。同時，與塑料排水板相比，填充pp棉的濾布包裹的開孔波紋管可以很好地適應試樣在固結(jié)過程中引起的變形，不會發(fā)生彎折等現(xiàn)象。pp棉的作用是避免波紋管在試樣固結(jié)過程中被壓扁，同時pp棉的導水性可以更快地將水排出。

(4)與底部是平面的固結(jié)容器相比，本發(fā)明將固結(jié)容器底部設(shè)計為錐形，充分利用重力作用將水匯集到錐形頂點，更有利于試樣排水。

附圖說明

圖1為制樣裝置整體示意圖。

圖2為土樣制備箱1-1斷面剖面圖。

圖3為土樣制備箱2-2斷面剖面圖。

圖4為濾管放大圖。

圖中：1、真空表；2、抽濾瓶；3、時控開關(guān)；4、真空管；5、真空泵；6、電子秤；7、塑料薄膜；8、出水閥門；9、有機玻璃容器壁；10、有機玻璃容器內(nèi)腔；11、敞口塑料袋；12、抽水管；13、有機玻璃板；14、土工布；15、透水編織袋；16、橡皮筋；17、濾布；18、波紋管；19、圓孔；20、支架；21、細砂；22、抽水閥門；23、出水管；24、橡皮繩；25、尼龍繩；26、進水管；27、恒溫水箱；28、進水閥門；29、pp棉。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步描述。

參照圖1～圖4，一種時控式保溫型重塑試樣制備裝置，包括恒溫水箱27、土樣制備箱、抽濾瓶2、電子秤6、真空泵5和時控開關(guān)3，恒溫水箱27的出水口與土樣制備箱的進水閥門28連接，恒溫水箱27的進水口與土樣制備箱的出水閥門8連接，土樣制備箱的抽水閥門22與抽濾瓶2頂部的通孔連接，抽濾瓶2側(cè)面通孔與真空泵5的抽氣口連接，真空泵5通過導線與時控開關(guān)3連接，其特征在于：土樣制備箱上部呈圓柱體狀、下部呈圓錐狀，圓柱體內(nèi)徑為36cm，外徑為40cm，高位60cm，圓錐體截面的斜邊與底邊夾角為15°，土樣制備箱的有機玻璃容器內(nèi)腔10通過進水閥門28和出水閥門8與恒溫水箱27連接，有機玻璃內(nèi)腔厚3cm，土樣制備箱內(nèi)設(shè)有濾管，土樣制備箱底部設(shè)有透水編織袋15包裹的細砂21，透水編織袋15上鋪設(shè)一層土工布14，土樣制備箱通過抽水管12與抽濾瓶2連接，抽濾瓶2通過真空管4與真空泵5連接，時控開關(guān)3控制真空泵5的啟停，在抽真空開始后的24h內(nèi)，開關(guān)連通時間為1-2min，斷開時間為5-6min，連通與斷開交替進行。

所述土樣制備箱的有機玻璃容器壁9內(nèi)側(cè)緊貼敞口塑料袋11，下端折疊2cm塞入土工布與透水編織袋之間，上端在抽真空時用橡皮筋扎緊。有機玻璃容器壁厚0.5cm。

所述土樣制備箱的土工布14上方設(shè)有有機玻璃板13，有機玻璃板13厚0.5cm，直徑為35.9cm，恰好將位于有機玻璃板13和有機玻璃容器壁9之間的敞口塑料袋11和土工布14夾緊，盡可能減少水不經(jīng)土工布滲漏下去。

有機玻璃板13上嵌有8根濾管，濾管由內(nèi)部填充pp棉29、外部用濾布17包裹、并用尼龍繩25扎緊、鉆有圓孔19的波紋管18組成。濾管的放大圖見圖4，波紋管的具體位置見圖3，圖3中虛線區(qū)域為取樣區(qū)域，共4個直徑為10cm的圓形，可以滿足絕大部分試樣的取樣工作。

所述土樣制備箱的有機玻璃容器壁9外側(cè)和頂部緊貼一層塑料薄膜7，在抽真空時用橡皮繩24扎緊。

一種時控式保溫型重塑試樣制備裝置實現(xiàn)的成樣方法，所述成樣方法包括以下步驟：

(1)將現(xiàn)場取得土樣風干，碾碎，過2mm的篩，加水配置成含水率為100％的泥漿，浸泡24小時；

(2)向恒溫水箱27加水至2/3處，打開水箱電源開關(guān)，使水溫保持在60℃左右；

(3)將透水編織袋15包裹的細砂21放置在土樣制備箱的圓錐體中，表面平整；

(4)將土樣制備箱的有機玻璃容器壁9內(nèi)側(cè)緊貼敞口塑料袋11，下端折疊2cm放置在透水編織袋15上方；

(5)將土工布14放置在透水編織袋15的上方；

(6)在波紋管18上鉆圓孔19，內(nèi)部填充pp棉29，外部包裹一層濾布17，并用尼龍繩24扎緊，下端嵌入有機玻璃板13中；

(7)將有機玻璃板13連同濾管一起放在土工布14的上方；

(8)將步驟(1)中制備好的泥漿倒入敞口塑料袋11中，用抽氣泵把泥漿與敞口塑料袋之間的空氣抽掉，把敞口塑料袋上端用橡皮筋16扎緊；

(9)將土樣制備箱的有機玻璃容器壁9外側(cè)和頂部緊貼一層塑料薄膜7，用橡皮繩24扎緊；

(10)打開土樣制備箱的進水閥門28和出水閥門8，使恒溫水箱27中的水流入有機玻璃容器內(nèi)腔10，保溫3小時；

(11)接通電源，打開時控開關(guān)3，真空泵5開始工作，等到真空表1顯示氣壓為1個大氣壓時，打開抽水閥門22，所述重塑試樣進行固結(jié)；

(12)通過電子秤6稱量抽濾瓶2中水的質(zhì)量，據(jù)此計算出土樣制備箱中試樣的含水率；

(13)當土樣制備箱中試樣的含水率達到預定含水率時，關(guān)閉抽水閥門22，關(guān)閉時控開關(guān)3，斷開真空泵5電源，關(guān)閉恒溫水箱27，讓有機玻璃容器內(nèi)腔10中的水自然回流到恒溫水箱27中；

(14)解開橡皮繩24，取下塑料薄膜7，解開橡皮筋16，撐開敞口塑料袋11，用取土器取樣，取樣區(qū)域為圖3中虛線區(qū)域；

(15)用切土器將土樣削成預定直徑和高度的試樣后，即獲得預期含水率的重塑試樣。