真空預(yù)壓法制備飽和軟粘土試樣

0真空預(yù)壓法制備重塑軟粘土的研究真空預(yù)壓法最早由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的j.kjeellman教授提出。然后，相關(guān)國家進(jìn)行了探索和研究。真空預(yù)壓法是在軟土基中建立一個(gè)排水系統(tǒng)，覆蓋滲透無法接觸的濕膜。通過對(duì)排水系統(tǒng)的長期吸痰和吸痰，在基質(zhì)中形成真空區(qū)。由于內(nèi)外壓差的影響，軟粘土可以達(dá)到排水和固結(jié)的目的。20世紀(jì)50年代末，中國開始研究該方法，并將其應(yīng)用于加固粘土、粘土、素土和沖填充土等薄弱基質(zhì)。本文運(yùn)用真空預(yù)壓原理,通過控制土樣含水量、粘粒含量及液塑限指數(shù)等土性指標(biāo),獲得與海底原狀飽和軟粘土性質(zhì)相仿的重塑飽和軟粘土樣.隨后在試驗(yàn)室中利用三軸儀、扭剪儀等儀器,通過控制圍壓,使土樣在與原狀土樣相同的上覆靜水壓力下進(jìn)行強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)的研究.運(yùn)用該方法制備重塑軟粘土,既解決了海底取樣困難、費(fèi)用高的問題,又彌補(bǔ)了原狀土樣均勻性差的缺陷,對(duì)于開發(fā)海洋資源,特別是研究海洋軟粘土性質(zhì)具有重要的作用.為了使真空預(yù)壓法更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐中,本文建立了土樣含水量與排出水量以及土樣高度之間量化關(guān)系,以期為真空預(yù)壓制備重塑軟粘土的工程實(shí)踐提供理論依據(jù).1制備箱內(nèi)部真空度采用自行研制的真空預(yù)壓裝置(見圖1)制備重塑土樣.試驗(yàn)裝置由三部分組成,即真空泵,真空水罐和土樣制備箱.真空泵主要作用是用來制造要求達(dá)到的真空度.自行研制的真空水罐是一個(gè)密封罐,通過開關(guān)可以方便控制進(jìn)氣、排水和進(jìn)水.其中,進(jìn)氣孔與大氣相連,進(jìn)水孔與土樣制備箱的出水孔相連.真空水罐上端裝有真空壓力測量表,水罐一端與真空泵相連,另一端連接于土樣制備箱.一方面可以起到控制水罐和土樣制備箱內(nèi)部真空度的作用;另一方面可以匯集從土樣制備箱中濾出的水分,通過對(duì)濾出水分容積的計(jì)算,可以間接確定土樣制備箱中重塑土樣的含水量.土樣制備箱尺寸為700×500×500mm,詳見圖2.在土樣制備箱的下面鋪設(shè)排水管道,通過出水孔與真空罐相連,將土樣中濾出的水分排出.然后是反濾層,反濾層分為兩層,下層為粒徑10mm的碎石,中層為平均粒徑3mm的粗砂.反濾層的上面是土工布,使用土工布將土樣完全包裹起來,其作用是在土樣與其下反濾層之間形成滲流通道,幫助土樣中水分均勻滲流.土工布的外面是柔性膜,采用12厘的聚氯乙稀膜,用熱熔法密封,緊貼于箱子內(nèi)壁,柔性膜的作用是使膜內(nèi)土樣密封,在抽真空時(shí)產(chǎn)生足夠的負(fù)壓與大氣壓形成壓力差,土樣中水分在壓力差的作用下被排出.在土樣制備箱的側(cè)面設(shè)置量尺,控制土樣制備室中土樣的高度及下沉高度.取一定量的原狀土樣,按照干土質(zhì)量與水量相等的原則,加足量的水充分?jǐn)嚢韬笾糜谕翗又苽湎渲?記錄此時(shí)土樣的原始高度.用熱熔法密封包裹土樣的塑料薄膜后,在不低于90%真空度下開始對(duì)密封土樣不間斷抽氣抽水,在密封室內(nèi)外壓差的作用下,土樣內(nèi)水分不斷地被排出,記錄排出的水量,當(dāng)土樣中水分不再滲出時(shí),試驗(yàn)完畢.靜置一段時(shí)間后,打開密封的柔性膜,測定重塑土樣的平均含水量及土性指標(biāo).2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果土的含水量定義為土中水分與干土質(zhì)量的比值.假設(shè)取原狀土樣質(zhì)量為A(kg),原狀土含水量為b(%),則土中干土質(zhì)量為S=A1+b(kg)S=A1+b(kg),水的質(zhì)量W=(A-S)(kg).需要的飽和土體含水量應(yīng)為100%,可以確定試驗(yàn)中需要加水的質(zhì)量X(kg),見公式(1).(W+X)S=100%(1)(W+X)S=100%(1)設(shè)原狀土樣容重為B(g/cm3),則原狀土樣體積為1000AB(cm3)1000AB(cm3),加入水的體積為1000X(cm3),制備箱中土樣體積為(1000AB+1000X)(cm3)(1000AB+1000X)(cm3).則制備箱中土樣高度Y(cm)按照公式(2)來確定,土樣制備箱實(shí)際面積用M(cm2)表示.Y=(1000AB+1000X)M(2)Y=(1000AB+1000X)Μ(2)設(shè)重塑土樣所要求含水量為D(%),則排水量Z(kg)用公式(3)來確定.(A?S+X?Z)S=D(3)(A-S+X-Ζ)S=D(3)3土壤測試結(jié)果及結(jié)果分析3.1土樣的含水量和容重的測定采用烘干法測定重塑飽和軟粘土樣的含水量.按照文獻(xiàn)的要求,取30g的粘土原樣,放入溫度保持在105～110℃的電熱烘箱中烘至恒重,烘干的時(shí)間不少于8h.為了準(zhǔn)確地測定重塑土樣的含水量,采用同樣的方法,取同樣位置的土樣,平行進(jìn)行兩次含水量試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1.試驗(yàn)中沿土樣制備箱的深度方向分三層,每一層上取平行的三列,每一列取5個(gè)點(diǎn),共測定45個(gè)點(diǎn)的含水量.由表1試驗(yàn)結(jié)果可知,重塑飽和軟粘土均勻性良好,平均含水量為37.5%,兩次含水量試驗(yàn)的誤差在1%之內(nèi).采用環(huán)刀法測定該重塑土樣的容重.從上到下取三層,沿每層土的上、下部位平行進(jìn)行兩次試驗(yàn),測定該重塑土樣的平均容重為1.8g/cm3.3.2顆粒級(jí)配試驗(yàn)采用比重計(jì)法(密度計(jì)法)進(jìn)行土樣的顆分試驗(yàn).取15g的粘土樣,制備成懸液,倒入量筒,加入4%的六偏磷酸鈉10mL,繼續(xù)加入清水制備成1000mL的懸液.將攪拌器放入量筒,沿懸液深度上下攪拌1min,取出攪拌器,將密度計(jì)(20℃/20℃)放入懸液,按規(guī)定時(shí)間讀取密度計(jì)讀數(shù).通過不同的測試時(shí)間,通過斯篤克斯定律計(jì)算細(xì)顆粒各粒組的相對(duì)含量.根據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果,測得該土樣的顆粒含量,粘粒(d<0.005mm)占34.7%,粉粒(0.005mm<d<0.05mm)占51.6%,采用累計(jì)曲線法表示土的顆粒級(jí)配見圖3.根據(jù)圖3確定不均勻系數(shù)Cu為14,曲率系數(shù)Cc為1.1.該土樣級(jí)配良好.3.3高液限粘土的測定采用搓條法測定土樣的塑限,用錐式液限儀測定土樣的液限,并用聯(lián)合液塑限儀進(jìn)行校和.測定結(jié)果為塑限19.8%,液限40.8%,塑性指數(shù)21,液性指數(shù)0.89.參照塑性圖以及土樣的液限指標(biāo),該土樣命名為高液限粘土.3.4箱東北部土樣的排水效果試驗(yàn)所用的原狀土樣取自天津市大港區(qū)海邊埋深1～2m范圍內(nèi)的飽和軟粘土,原狀土樣的容重為1.4g/cm3,平均含水量48%.取原狀土樣60kg,加水22kg并充分?jǐn)嚢韬笾糜谥苽湎渲?測得此時(shí)土樣含水量為100%,制備箱中土樣原始高度為190mm.將土樣密封后開始抽真空,24h不間斷抽真空六天共計(jì)144h,共排出水21.58kg.當(dāng)土樣中水分不再滲出時(shí),試驗(yàn)完畢.按照排出水的質(zhì)量用公式(2)和公式(3)計(jì)算重塑土樣高度為120mm,含水量為39%.試驗(yàn)結(jié)束后,打開密封的柔性膜,制備箱中土樣中間較薄四周較厚,測得最厚的地方高度為126mm,最薄的地方高度為109mm,平均高度118mm,與按照公式(2)計(jì)算的重塑土樣的高度誤差小于2%;按照表1含水量測定結(jié)果,此重塑土樣的平均含水量為37.5%,按照公式(3)計(jì)算的重塑土樣含水量誤差小于4%