真空预压法制备饱和软粘土试样

真空预压法制备饱和软粘土试样

0真空预压法制备重塑软粘土的研究真空预压法最早由瑞典皇家地质学院的j.kjeellman教授提出。然后，相关国家进行了探索和研究。真空预压法是在软土基中建立一个排水系统，覆盖渗透无法接触的湿膜。通过对排水系统的长期吸痰和吸痰，在基质中形成真空区。由于内外压差的影响，软粘土可以达到排水和固结的目的。20世纪50年代末，中国开始研究该方法，并将其应用于加固粘土、粘土、素土和冲填充土等薄弱基质。本文运用真空预压原理,通过控制土样含水量、粘粒含量及液塑限指数等土性指标,获得与海底原状饱和软粘土性质相仿的重塑饱和软粘土样.随后在试验室中利用三轴仪、扭剪仪等仪器,通过控制围压,使土样在与原状土样相同的上覆静水压力下进行强度、变形等力学性质的研究.运用该方法制备重塑软粘土,既解决了海底取样困难、费用高的问题,又弥补了原状土样均匀性差的缺陷,对于开发海洋资源,特别是研究海洋软粘土性质具有重要的作用.为了使真空预压法更好地应用于工程实践中,本文建立了土样含水量与排出水量以及土样高度之间量化关系,以期为真空预压制备重塑软粘土的工程实践提供理论依据.1制备箱内部真空度采用自行研制的真空预压装置(见图1)制备重塑土样.试验装置由三部分组成,即真空泵,真空水罐和土样制备箱.真空泵主要作用是用来制造要求达到的真空度.自行研制的真空水罐是一个密封罐,通过开关可以方便控制进气、排水和进水.其中,进气孔与大气相连,进水孔与土样制备箱的出水孔相连.真空水罐上端装有真空压力测量表,水罐一端与真空泵相连,另一端连接于土样制备箱.一方面可以起到控制水罐和土样制备箱内部真空度的作用;另一方面可以汇集从土样制备箱中滤出的水分,通过对滤出水分容积的计算,可以间接确定土样制备箱中重塑土样的含水量.土样制备箱尺寸为700×500×500mm,详见图2.在土样制备箱的下面铺设排水管道,通过出水孔与真空罐相连,将土样中滤出的水分排出.然后是反滤层,反滤层分为两层,下层为粒径10mm的碎石,中层为平均粒径3mm的粗砂.反滤层的上面是土工布,使用土工布将土样完全包裹起来,其作用是在土样与其下反滤层之间形成渗流通道,帮助土样中水分均匀渗流.土工布的外面是柔性膜,采用12厘的聚氯乙稀膜,用热熔法密封,紧贴于箱子内壁,柔性膜的作用是使膜内土样密封,在抽真空时产生足够的负压与大气压形成压力差,土样中水分在压力差的作用下被排出.在土样制备箱的侧面设置量尺,控制土样制备室中土样的高度及下沉高度.取一定量的原状土样,按照干土质量与水量相等的原则,加足量的水充分搅拌后置于土样制备箱中,记录此时土样的原始高度.用热熔法密封包裹土样的塑料薄膜后,在不低于90%真空度下开始对密封土样不间断抽气抽水,在密封室内外压差的作用下,土样内水分不断地被排出,记录排出的水量,当土样中水分不再渗出时,试验完毕.静置一段时间后,打开密封的柔性膜,测定重塑土样的平均含水量及土性指标.2试验设计及结果土的含水量定义为土中水分与干土质量的比值.假设取原状土样质量为A(kg),原状土含水量为b(%),则土中干土质量为S=A1+b(kg)S=A1+b(kg),水的质量W=(A-S)(kg).需要的饱和土体含水量应为100%,可以确定试验中需要加水的质量X(kg),见公式(1).(W+X)S=100%(1)(W+X)S=100%(1)设原状土样容重为B(g/cm3),则原状土样体积为1000AB(cm3)1000AB(cm3),加入水的体积为1000X(cm3),制备箱中土样体积为(1000AB+1000X)(cm3)(1000AB+1000X)(cm3).则制备箱中土样高度Y(cm)按照公式(2)来确定,土样制备箱实际面积用M(cm2)表示.Y=(1000AB+1000X)M(2)Y=(1000AB+1000X)Μ(2)设重塑土样所要求含水量为D(%),则排水量Z(kg)用公式(3)来确定.(A−S+X−Z)S=D(3)(A-S+X-Ζ)S=D(3)3土壤测试结果及结果分析3.1土样的含水量和容重的测定采用烘干法测定重塑饱和软粘土样的含水量.按照文献的要求,取30g的粘土原样,放入温度保持在105～110℃的电热烘箱中烘至恒重,烘干的时间不少于8h.为了准确地测定重塑土样的含水量,采用同样的方法,取同样位置的土样,平行进行两次含水量试验,试验结果见表1.试验中沿土样制备箱的深度方向分三层,每一层上取平行的三列,每一列取5个点,共测定45个点的含水量.由表1试验结果可知,重塑饱和软粘土均匀性良好,平均含水量为37.5%,两次含水量试验的误差在1%之内.采用环刀法测定该重塑土样的容重.从上到下取三层,沿每层土的上、下部位平行进行两次试验,测定该重塑土样的平均容重为1.8g/cm3.3.2颗粒级配试验采用比重计法(密度计法)进行土样的颗分试验.取15g的粘土样,制备成悬液,倒入量筒,加入4%的六偏磷酸钠10mL,继续加入清水制备成1000mL的悬液.将搅拌器放入量筒,沿悬液深度上下搅拌1min,取出搅拌器,将密度计(20℃/20℃)放入悬液,按规定时间读取密度计读数.通过不同的测试时间,通过斯笃克斯定律计算细颗粒各粒组的相对含量.根据颗分试验结果,测得该土样的颗粒含量,粘粒(d<0.005mm)占34.7%,粉粒(0.005mm<d<0.05mm)占51.6%,采用累计曲线法表示土的颗粒级配见图3.根据图3确定不均匀系数Cu为14,曲率系数Cc为1.1.该土样级配良好.3.3高液限粘土的测定采用搓条法测定土样的塑限,用锥式液限仪测定土样的液限,并用联合液塑限仪进行校和.测定结果为塑限19.8%,液限40.8%,塑性指数21,液性指数0.89.参照塑性图以及土样的液限指标,该土样命名为高液限粘土.3.4箱东北部土样的排水效果试验所用的原状土样取自天津市大港区海边埋深1～2m范围内的饱和软粘土,原状土样的容重为1.4g/cm3,平均含水量48%.取原状土样60kg,加水22kg并充分搅拌后置于制备箱中,测得此时土样含水量为100%,制备箱中土样原始高度为190mm.将土样密封后开始抽真空,24h不间断抽真空六天共计144h,共排出水21.58kg.当土样中水分不再渗出时,试验完毕.按照排出水的质量用公式(2)和公式(3)计算重塑土样高度为120mm,含水量为39%.试验结束后,打开密封的柔性膜,制备箱中土样中间较薄四周较厚,测得最厚的地方高度为126mm,最薄的地方高度为109mm,平均高度118mm,与按照公式(2)计算的重塑土样的高度误差小于2%;按照表1含水量测定结果,此重塑土样的平均含水量为37.5%,按照公式(3)计算的重塑土样含水量误差小于4%