一种大体积高饱和度土样快速制备装置

1.本发明属于岩土、地质和环境等研究领域，具体涉及一种大体积高饱和度土样快速制备装置。


背景技术：

2.室内模型试验是揭示土体-结构相互作用规律，评价复杂荷载作用下结构承载特性的重要手段。室内模型土样的高质量制备是保障试验可靠性的前提和基础。近年来，随着海洋油气资源的开发和海洋工程的日益增多，由于海底原位试验更加困难，基于饱和土样展开室内模型试验研究变得越发重要。然而，室内模型试验所需土样一般体积较大，传统三轴试验、直剪试验、固结试验等广泛采用的高饱和土样的制备方法已无法适用，亟需提出切实有效的高饱和度土样的快速制备方法，服务于室内模型试验的展开，为海底油气钻进平台、海底管线、海底电缆等水下工程设施的合理设计及稳定性评价提供条件保障。
3.传统饱和土样制备方法主要包括泥浆固结法、真空饱和法、毛细饱和法和水头饱和法等。其中，泥浆固结法由sheeran(1971)等在“preparation of homogeneoussoilsamplesbyslurryconsolidation”中提出，适用于大体积黏土试样饱和，但泥浆固结法所得土样仅依靠自重固结，强度往往很低；若要获得较高强度土样需要长时间的压载固结，且土样表面的荷载难以有效均匀施加。尤其对于大体积土样，即便大型固结仪也难以提供足够的固结应力。黄博(2012)等在“饱和砂土三轴试验中反压设置与抗剪强度的研究”中指出土样饱和度是饱和土制样中关键参数之一，抽真空饱和法通过抽负压并注水的方式，可以使土样更容易达到高饱和度。然而，现有的真空饱和法制备的土样均为饱和器制成的环刀土样或体积稍大一些的圆柱样，这些试样仅对小型试验有着较好的适用性，无法用于室内大型模型试验。结合目前室内大型模型试验中遇到的问题，亟需找到一种能够实现大体积土样的快速、均匀和高饱和度的制样装置服务于室内大型模型试验开展。


技术实现要素：

4.针对已有实验方法无法实现快速、高效地制备高饱和度大体积土样问题，本发明提出了一种大体积高饱和度土样快速制备方法。该方法适用于土工室内土试样的制备和饱和，服务于室内大型模型试验，为海洋工程的合理设计和稳定性评价提供实验依据以及重要的参考。
5.本发明的技术方案：
6.一种大体积高饱和度土样快速制备装置，包括模型土样制备系统i和抽真空注水饱和系统ii两部分；
7.模型土样制备系统i包括制样桶1、透水网格板2、透水顶盖7、砝码8、滤纸9和土工布10；制样桶1的底部布满细小的孔洞，使其内土样11中的空气被抽出并进水饱和；制样桶1内从下到上依次布置有土工布10、滤纸9、土样11、滤纸9和土工布10；制样桶1四周固定有透水网格板2，其高度低于制样桶1上沿；制样桶1顶部安装有透水顶盖7，透水顶盖7外部安装
有透水网格板2，透水网格板2上安放砝码8，防止土样11吸水膨胀导致的体积增大，保证土样11在饱和前后的体积不变；
8.透水网格板2采用一定强度的多孔塑料排水板材料，胶粘于制样桶1的桶底外表面和桶壁外侧面和放置于透水顶盖7上，为装置内部提供真空环境并使自由水能自由下落到装置底部，保证水能够从土体底部向上渗水；根据设计要求，透水顶盖7设置孔隙比，其上的孔小于透水网格板2上的孔。
9.抽真空注水饱和系统ii包括外薄膜3、气密性防水拉链4、真空泵5、水箱6、抽气管12、抽气阀门13、出气阀门14、注水阀门15和输水管16；外薄膜3采用柔性材料(如聚氯乙烯(pvc)棚膜)，作为外壳包裹着模型土样制备系统i，外薄膜3表面设置有气密性防水拉链4、抽气阀门13、出气阀门14和注水阀门15；抽气阀门13通过抽气管12连接真空泵5对模型土样制备系统i抽真空，抽真空时外薄膜3会收缩紧贴于透水网格板2上；注水阀门15通过输水管16连接水箱6往模型土样制备系统i进水。透水网格板2为模型土样制备系统i持了一定的空间，不仅保证了内部系统的真空度，还使水在内部系统中能够正常流动。
10.所述的制样桶1周围的透水网格板2厚度不宜超过制样桶1长宽和的1/6，设置在透水顶盖7上的透水网格板2的厚度不宜低于制样桶1高度的1/4。
11.本发明的有益效果：
12.1)本发明所提土样饱和方法将传统抽真空饱和方法与毛细饱和方法进行了有机结合，通过抽真空+缓慢注水-静置饱和等一系列操作，实现土样的快速饱和，服务于室内模型土样的快速制备。
13.2)本发明所提抽真空饱和装置具有明显创新，选用柔性材料(如聚氯乙烯(pvc)棚膜)作为饱和装置外壳，突破了传统刚性真空饱和装置不能对大体积土样进行饱和的局限，不仅节省了饱和装置所占的空间和经济成本，而且避免了饱和装置过大所导致的外壳压裂的风险，从而保障了饱和过程的安全性。
14.3)本发明所提土样制备方法可以在精确控制试样孔隙比的条件下制备饱和土样，基于孔隙比与土体力学特性之间的联系，准确获得目标强度土样，降低制样的不确定性。
附图说明
15.图1为本发明的整体三维结构示意图；
16.图2为本发明的模型土样制备系统i三维结构示意图；
17.图3为本发明的模型土样制备系统i纵向剖面图；
18.图4为本发明的模型土样制备系统i横向剖面图；
19.图5为本发明的模型土样制备系统i透水顶盖示意图；
20.图6为本发明的模型土样制备系统i中土样制备流程图；
21.图7为为本发明的抽真空注水饱和系统ii三维结构示意图。
22.图中：1制样桶；2透水网格板；3外薄膜；4气密性防水拉链；5真空泵；6水箱；7透水顶盖；8砝码；9滤纸；10土工布；11土样；12抽气管；13抽气阀门；14出气阀门；15注水阀门；16输水管。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更清楚，下面将结合本发明的实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
24.如图1所示的一种大体积高饱和度土样快速制备装置，包括模型土样制备系统i、抽真空注水饱和系统ii两部分。
25.结合图2、图3所示，模型土样制备系统i包括制样桶1、透水网格板2、透水顶盖7、砝码8、滤纸9、土工布10和土样11。
26.如图7所示，抽真空注水饱和系统ii包括外薄膜3、气密性防水拉链4、真空泵5、水箱6、抽气管12、抽气阀门13、出气阀门14、注水阀门15、输水管16；外薄膜3表面设置气密性防水拉链4和三个阀门口——抽气阀门13、出气阀门14和注水阀门15。
27.结合附图及技术方案，本大体积土样的饱和方法，包括如下步骤：
28.第一步，加工和组装实验装置
29.参阅图4，将制样桶1的底部打孔用以渗水；透水网格板2胶粘于制样桶1的底部外表面和桶壁外侧面；
30.参阅图7，将气密性防水拉链4、抽气阀门13、出气阀门14和注水阀门15加工于外薄膜3上；抽气阀门13通过抽气管12连接至真空泵5，注水阀门15通过输水管16连接至水箱6；通过气密性防水拉链4用以放入和取出土样。
31.第二步，土样制备及饱和准备工作
32.结合图3、图4、图5和图6，在制样桶1底部依次放入土工布9和滤纸10，防止饱和时土样通过底部孔洞流出，配置一定含水率的土样，通过称量固定的土量，利用分层压实的方法制备成均匀的一定孔隙比的目标土样11。土样11制备完成后，在顶部依次放入滤纸10和土工布9，盖上透水顶盖7，之后将透水网格板2放于透水顶盖7上，再压上砝码8，防止土样吸水膨胀导致的体积增大，保证土体在饱和前后的体积保持不变。
33.参阅图1，拉开气密性防水拉链4，将模型土样制备系统i放入其中，关上气密性防水拉链4；检查装置气密性以及各部位连接正确且紧密。
34.第三步，装置抽真空
35.保持注水阀门14和出气阀门15关闭，打开抽气阀门13，开启真空泵5，外薄膜3在大气负压力作用下收紧，紧贴于透水网格板2，观察真空泵5的真空显示仪，当装置内的真空度达到100kpa时，关闭抽气阀门13和真空泵5，保持真空环境3h以上。
36.第四步，进水饱和及真空养护
37.经过抽真空阶段，大体积土样内空气已基本排尽，开启注水阀15缓慢进水，水流通过透水网格板2流向饱和装置内部系统i底部，随时间水位慢慢上升，最终需保证水位高于土样顶部，进水时间控制在3h以上。
38.水位没过土样后，关闭注水阀门，将土样静置于装置内真空养护一定时间，用以保证大体积土样的高饱和度。
39.第五步，取出试样
40.经过以上一系列的操作，大体积土样得到高效、快捷地真空饱和，所制大体积土样的饱和度均可达98％以上。大体积土样饱和完成，拉开气密性防水拉链4，取出其中土样，进行所需的室内大型模型试验和土工试验，为海洋工程以及原位试验的设计和评价提供实验
依据和数值参考。
41.以上仅为本发明的优选技术方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，该大体积高饱和度土样快速制备装置包括模型土样制备系统i和抽真空注水饱和系统ii两部分；模型土样制备系统i包括制样桶(1)、透水网格板(2)、透水顶盖(7)、砝码(8)、滤纸(9)和土工布(10)；制样桶(1)的底部布满细小的孔洞，使其内土样(11)中的空气被抽出并进水饱和；制样桶(1)内从下到上依次布置有土工布(10)、滤纸(9)、土样(11)、滤纸(9)和土工布(10)；制样桶(1)四周固定有透水网格板(2)，其高度低于制样桶(1)上沿；制样桶(1)顶部安装有透水顶盖(7)，透水顶盖(7)外部安装有透水网格板(2)，透水网格板(2)上安放砝码(8)，防止土样(11)吸水膨胀导致的体积增大，保证土样(11)在饱和前后的体积不变；抽真空注水饱和系统ii包括外薄膜(3)、气密性防水拉链(4)、真空泵(5)、水箱(6)、抽气管(12)、抽气阀门(13)、出气阀门(14)、注水阀门(15)和输水管(16)；外薄膜(3)作为外壳包裹着模型土样制备系统i，外薄膜(3)表面设置有气密性防水拉链(4)、抽气阀门(13)、出气阀门(14)和注水阀门(15)；抽气阀门(13)通过抽气管(12)连接真空泵(5)对模型土样制备系统i抽真空，抽真空时外薄膜(3)会收缩紧贴于透水网格板(2)上；注水阀门(15)通过输水管(16)连接水箱(6)往模型土样制备系统i进水。2.根据权利要求1所述的大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，所述的透水网格板(2)采用一定强度的多孔塑料排水板材料。3.根据权利要求1所述的大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，所述的透水顶盖(7)上的孔小于透水网格板(2)上的孔。4.根据权利要求1所述的大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，所述的外薄膜(3)采用柔性材料。5.根据权利要求4所述的大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，所述柔性材料为聚氯乙烯。6.根据权利要求1述的大体积高饱和度土样快速制备装置，其特征在于，所述的制样桶(1)周围的透水网格板(2)厚度不宜超过制样桶(1)长宽和的1/6，设置在透水顶盖(7)上的透水网格板(2)的厚度不宜低于制样桶(1)高度的1/4。

技术总结
本发明属于岩土、地质和环境等研究领域，提供一种大体积高饱和度土样快速制备装置，包括模型土样制备系统、抽真空注水饱和系统。模型土样制备系统采用分层压实的方法进行土样制备，并通过控制土样初始孔隙比来制备目标强度土样；抽真空注水饱和系统将传统抽真空饱和方法与毛细饱和方法相结合，模型土样制备系统外侧选用柔性材料作为饱和装置外壳，在保证密封性的情况下可适用于任意模型箱结构外形及尺寸。本发明所提方法突破了已有土工模型试验中难以制备大体积饱和土样的局限，并大大降低了土样饱和所需时间、空间和经济成本，同时充分保障和提高了大体积土样的饱和度。因此，本发明所提方法对室内模型试验研究的有效展开意义重大。意义重大。意义重大。


技术研发人员：韩云瑞 尹雅豪 罗高峰 于龙 杨庆
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/7