一种粘土分散性测试装置和粘土分散性测试方法

摘要

本发明公开了一种粘土分散性测试装置，包括：定水头水箱；小锥体；小锥体的连接柱通过水管与所述水箱连通；土样筒，由2～5片筒瓣组成，所述筒瓣通过筒箍固定为圆筒形。本发明还公开一种粘土分散性测试方法，包括步骤1，制备试件；步骤2，将小锥体的圆锥体部分推入试件一侧，且保持小锥体的轴心和试件的轴心重合；步骤3，形成试件通孔；步骤4，在试件另一侧涂抹胶结材料，形成保护层；步骤5，进行渗流试验，测定试件通孔的直径。本发明的有益效果在于：由于本发明采用了可拆卸式土样筒，在试验结束后可拆下筒箍，土样筒容易打开，能够完整取出试件，可准确测定试件通孔的直径。此外，保护层可保证测试过程中试件的临空面免受水流冲蚀。

权利要求

1.一种粘土分散性测试装置，其特征在于，包括：定水头水箱，用于提供不同水头；

小锥体，包括圆锥体部分，所述圆锥体部分的底面连接一连接柱，小锥体轴心具有小锥体通孔；小锥体的连接柱通过水管与所述定水头水箱连通；所述小锥体通孔的直径为

1.2～1.6mm；

土样筒，由2～5片筒瓣组成，所述筒瓣通过筒箍固定；土样筒固定在底座上。

2.根据权利要求1所述的粘土分散性测试装置，其特征在于，所述定水头水箱提供坡降为2、7、15和40的水头。

3.根据权利要求1所述的粘土分散性测试装置，其特征在于，所述土样筒为圆筒形，内径为30～60mm，长度为60～90mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的粘土分散性测试装置，其特征在于，所述圆锥体部分的底面直径为9～12mm，长度10～15mm；连接柱直径为6～8mm，长度8～12mm。

5.一种粘土分散性测试方法，包括以下步骤：

步骤1，将土样放入土样筒中，采用静压法或分层夯实法将土压紧制成试件；

步骤2，将小锥体的圆锥体部分推入试件一侧，且保持小锥体的轴心和试件的轴心重合；

步骤3，用直径1.0mm的硬钢丝穿过小锥体通孔，直到穿透试件为止，形成试件通孔；

步骤4，在试件另一侧涂抹胶结材料，干燥后形成一层致密保护层，保护试件临空面；

步骤5，进行渗流试验，所述渗流试验过程中准确测量冲蚀系数；其中，所述冲蚀系数为单位体积的水流携带土的能力；试验结束后，拆开土样筒，取出试件并沿轴线将试件切开，测定试件通孔的直径。

6.根据权利要求5所述的粘土分散性测试方法，其特征在于，步骤4，在试件另一侧的试件通孔3～4mm以外涂抹胶结材料。

7.根据权利要求5或6所述的粘土分散性测试方法，其特征在于，步骤1中所述试件长度为30～50mm。

说明书

一种粘土分散性测试装置和粘土分散性测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及土木工程测试技术领域，特别涉及一种粘土分散性测试装置和用该装置进行的粘土分散性测试方法。

背景技术

[0002] 由于分散性土具有遇水分散流失的特性，因此其对水利工程、道路工程和农业水土工程危害性很大。采用分散性土修建的挡水建筑物，很容易遭受破坏，如我国黑龙江省的引嫩工程、海南省的岭落水库等。目前，判别粘土分散性的方法有针孔试验、碎块试验、双比重计试验、交换性钠离子百分比试验以及孔隙水可溶性阳离子试验等5种试验方法。

[0003] 针孔试验是在呈圆柱形的试件中心穿一直径为1.0mm的轴向细孔，然后用蒸馏水或试验要求用水进行渗流试验，在不同水压力(水头)下观察针孔受水流冲蚀的情况、水流流量和浑浊程度，试验结束后测量针孔直径的变化，据此来判断土的分散性能。针孔试验直观地模拟了土体孔隙在渗透水流作用下所具有的冲蚀能力，具有一定的工程现实意义，与另外四种方法相比具有较高的可靠性。但是，现有的针孔试验方法过程繁琐，水流颜色难以定量化，尤其在试验结束后测量针孔变化的方面，现有的试验方法只能将试件从土样筒中推出来，但是由于挤压的原因，往往会造成所测量的针孔不能确切地反映实际情况。因此，寻找一种新的针孔试验方法一直是发明人研究的内容之一。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种测试粘土分散性的装置及利用该装置进行的测试粘土分散性的方法，以解决现有的针孔试验方法过程繁琐、水流颜色难以定量化，以及测量的针孔不能确切地反映实际情况的技术问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

[0006] 一种粘土分散性测试装置，包括：

[0007] 定水头水箱，用于提供不同水头；

[0008] 小锥体，包括圆锥体部分，所述圆锥体部分的底面连接一连接柱，小锥体轴心具有小锥体通孔；小锥体的连接柱通过水管与所述定水头水箱连通；所述小锥体通孔的直径为1.2～1.6mm；优选的，连接柱直径小于圆锥底面直径。

[0009] 土样筒，由2～5片筒瓣组成，所述筒瓣通过筒箍固定；土样筒固定在底座上。

[0010] 进一步，上述的粘土分散性测试装置，其中定水头水箱提供坡降为2、7、15和40的水头。

[0011] 进一步，上述的粘土分散性测试装置，其中所述土样筒为圆筒形，其内径为30～60mm mm，长度为60～90mm。

[0012] 进一步，上述的粘土分散性测试装置，其中所述圆锥体部分的底面直径为9～12mm，长度10～15mm；连接柱直径为6～8mm，长度8～12mm。

[0013] 一种粘土分散性测试方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤1，将土样放入土样筒中，采用静压法或分层夯实法将土压紧制成试件；

[0015] 步骤2，将小锥体的圆锥体部分推入试件一侧，且保持小锥体的轴心和试件的轴心重合；

[0016] 步骤3，用直径1.0mm的硬钢丝穿过小锥体通孔，直到穿透试件为止，形成试件通孔；

[0017] 步骤4，在试件另一侧涂抹胶结材料，干燥后形成一层致密保护层，保护试件临空面；

[0018] 步骤5，进行渗流试验，所述渗流试验过程中准确测量冲蚀系数(例如，用离心机或过滤等方法对流出的水土混合物进行土水分离，分别称量土体质量和测量水的体积，计算土水悬液的浓度(亦可称之为冲蚀系数，即单位体积的水流携带土的能力)，亦可以采用浊度计或分光光度计等方法间接测定土水悬液的浓度)；其中，所述冲蚀系数为单位体积的水流携带土的能力；试验结束后，拆开土样筒，取出试件并沿轴线将试件切开，测定试件通孔的直径。

[0019] 进一步，上述的粘土分散性测试方法，其中步骤4，在试件另一侧的试件通孔周围3～4mm以外涂抹胶结材料。即，以试件另一侧的试件通孔为圆心，半径3～4mm的圆周外涂抹胶结材料。

[0020] 进一步，上述的粘土分散性测试方法，其中步骤1中所述试件长度为30～50mm。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0022] 由于本发明采用了可拆卸式土样筒，在试验结束后可拆下筒箍，土样筒容易打开，能够完整取出试件，可准确测定试件通孔的直径，从而避免了现有的试验方法只能将试件从土样筒中推出来，但是由于挤压的原因，往往会造成所测量的针孔不能确切地反映实际情况的缺陷。本方法测量准确度高，而且操作简单。

[0023] 本发明用胶粘材料涂抹于试件一侧的表面，使试件通孔周围形成一层保护层，防止测试过程中试件临空面由于水流的冲刷等因素破坏。此方法操作简单，节省试验时间。

附图说明

[0024] 图1为本发明一种实施例的粘土分散性测试装置示意图；

[0025] 图2为本发明一种实施例的粘土分散性测试装置的左视示意图；

[0026] 图3为本发明一种实施例的粘土分散性测试装置的右视示意图；

[0027] 图4为本发明一种实施例的小锥体示意图；

[0028] 图5为土样筒整体示意图。

[0029] 图中：1.定水头水箱；2.小锥体通孔；3.小锥体；30.圆锥体部分；32.连接柱；4.试件；5.土样筒；52.筒瓣；54.筒箍；6.试件通孔；7.保护层；8.量筒。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

[0031] 本发明所用术语“冲蚀系数”为单位体积的水流携带土的能力。可用下式计算，也可以采用浊度计或分光光度计等方法间接测定。

[0032]

[0033] 式中：

[0034] K：土水悬浊液浓度(或冲蚀系数)，mg/L；

[0035] m土：土水悬浊液中土的质量，mg；

[0036] V水：土水悬浊液中水的体积，ml。

[0037] 冲蚀系数与观察到的水流浑浊程度的关系如下，

[0038] K＞3000mg/L，很浑浊；

[0039] 2000mg/L＜K≤3000mg/L，浑浊；

[0040] 500g/L＜K≤2000mg/L，轻微浑浊；

[0041] 100mg/L＜K≤500mg/L，透明可见；

[0042] K＜100mg/L，清澈。

[0043] 本发明所用评价粘土分散性的标准为：

[0044] (Ⅰ)水力坡降2：

[0045] ①在水力坡降2的水头下冲蚀5min。

[0046] a)在5min末，水流很浑浊，流量不断地增加，则停止试验。拆开筒箍，取出并沿轴向切开试件，测量针孔的直径变化。如果试验后针孔直径大于等于原来的2倍，就列入强分散土(D1)。如果针孔直径小于原来的2倍，则重新制样，在水力坡降2的水头下冲蚀10min。

[0047] b)在5min末，水流浑浊或轻微浑浊，则继续试验5min，即在水力坡降2的水头下冲蚀10min。

[0048] c)在10min末，水流透明可见或清澈，则把水头提高到水力坡降7，继续冲蚀。

[0049] ②在水力坡降2的水头下冲蚀10min。

[0050] a)如果10min末，水流浑浊或轻微浑浊，停止试验，测量针孔直径的变化。试验后针孔直径大于原来的1.5倍，就列入分散土(D2)。如果针孔直径小于等于原来的1.5倍，就列入过渡性土(ND4)。

[0051] b)如果10min末，水流透明可见或清澈，则把水头提高到水力坡降7，继续冲蚀。

[0052] (Ⅱ)水力坡降7：

[0053] 在水力坡降7的水头下冲蚀5min。

[0054] ①在5min末，如果水流很浑浊、浑浊或轻微浑浊，则停止试验。拆开筒箍，取出并沿轴向切开试件，测量针孔的直径变化。如果试验后针孔大于等于原来针孔1.5倍，则列入过渡性土(ND3)。如果针孔小于原来针孔1.5倍，则重新制样，重复步骤(Ⅰ)和(Ⅱ)，然后把水头提高到水力坡降15，继续冲蚀。

[0055] ②在5min末，水流透明可见或清澈，则把水头提高到水力坡降15，继续冲蚀。

[0056] (Ⅲ)水力坡降15：

[0057] 在水力坡降15的水头下冲蚀5min。

[0058] ①在5min末，水流很浑浊、浑浊或轻微浑浊，则列入过渡性土(ND3)。

[0059] ②在5min末，水流透明可见或清澈，则把水头提高到水力坡降40，继续冲蚀。

[0060] (Ⅳ)水力坡降40：

[0061] 在水力坡降40的水头下冲蚀5min。

[0062] ①在5min末，水流很浑浊、浑浊、轻微浑浊或透明可见，则列入非分散土(ND2)。

[0063] ②在5min末，水流清澈，则列入非分散土(ND1)。非分散土(ND1)试验结束时针孔直径一般无变化。

[0064] 实施例1粘土分散性测试装置

[0065] 如图1、2、3、4和5所示，为本发明实施例提供的粘土分散性测试装置。该装置包括，

[0066] 定水头水箱1，可以控制水力坡降为2、7、15和40的水头，用于提供不同水头；

[0067] 小锥体3，包括圆锥体部分30，圆锥体部分30的底面连接一直径小于圆锥底面直径的连接柱32；小锥体的连接柱32通过水管与所述定水头水箱1连通；本实施例中圆锥体部分30的底面直径10.2mm，长度12.7mm；连接柱32长度10.0mm，直径8mm；小锥体轴心具有小锥体通孔2，孔径1.5mm。作为一种可选方式，圆锥体部分30的顶部为平头。

[0068] 土样筒5，由3片筒瓣52组成，筒瓣的切面为扇环状，筒瓣长度为80mm；筒瓣52通过三个筒箍54固定，形成直径为39.1mm的圆筒；土样筒5固定在底座上。

[0069] 此外与该装置配套的还包括：硬钢丝，直径1.0mm的无锈蚀硬钢丝；胶结材料，采用市售502胶；水管，采用天然乳胶软管；量筒8。

[0070] 实施例2粘土分散性测试

[0071] 本实施例所用土样采自新疆阿克苏市大石峡水电站工程。土样的颗粒相对密度为2.71，液限为28.6％，塑限16.5％，塑性指数为12.1。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005mm)为主，其含量为62.3％，粘粒(＜0.005mm)含量为19.0％。土样属于低液限粘土(CL)。

[0072] 步骤1，将土样放入土样筒5中，采用分层夯实法将土样压紧制成试件4；使其达到3
设计的干密度1.68g/cm和含水率13.3％，试件尺寸Φ39.1mm×38.1mm。

[0073] 步骤2，将小锥体3的圆锥体部分30推入试件4一侧，且保持小锥体3的轴心和试件4的轴心重合，并使得小锥体3和试件4之间接触紧密。

[0074] 步骤3，将直径1.0mm的硬钢丝穿过小锥体通孔2，直到穿透试件4为止，拔掉钢丝过程中，旋转4～5次，使试件通孔6干净、畅通。

[0075] 步骤4，在试件4另一侧的试件通孔6的3～4mm以外涂抹市售502胶，干燥后形成一层致密保护层7，保护试件临空面。

[0076] 步骤5，根据上述评价粘土分散性的标准进行渗流试验。1、打开定水头水箱1的阀门，让水流过试件通孔6；2、用秒表记录时间，用烧杯承接流经试件4的水流，并观察水流的浑浊程度；3、在水力坡降2的水头下冲蚀5min。在5min末，水流很浑浊，流量不断地增加，停止试验。拆卸筒箍，打开土样筒5，轻轻取出并沿轴向切开试件4，采用游标卡尺精确测定试件通孔的大小；4、采用离心机将土水分离，分别称量土体质量和测量水的体积，计算土水悬液的浓度(冲蚀系数)。

[0077] 试验结果：

[0078] 土样在水力坡降2的水头下冲蚀了5min。在5min末，水流浑浊，流量不断地增加，停止试验。拆开仪器，取出并切开试件，测量试件通孔6的直径变化，发现试验后针孔直径是原来的3.0倍，列入强分散土类(D1)。土水悬液的浓度(冲蚀系数)达到3800mg/L。

[0079] 实施例3粘土分散性测试

[0080] 本实施例所用土样采自新疆阿克达拉水电站引水渠道工程。土样的颗粒相对密度为2.72，液限为29.2％，塑限19.0％，塑性指数为10.2。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005mm)为主，其含量为76.4％，粘粒(＜0.005mm)含量为23.0％。土样属于低液限粘土(CL)。

[0081] 步骤1，将土样放入土样筒5中，采用静压法将土样压紧制成试件4；使其达到设计3
的干密度1.72g/cm和含水率17.2％，试件尺寸Φ39.1mm×38.1mm。

[0082] 步骤2，将小锥体3的圆锥体部分30推入试件4一侧，且保持小锥体3的轴心和试件4的轴心重合，并使得小锥体3和试件4之间接触紧密。

[0083] 步骤3，将直径1.0mm的硬钢丝穿过小锥体通孔2，直到穿透试件4为止，拔掉钢丝过程中，旋转4～5次，使试件通孔6干净、畅通。

[0084] 步骤4，在试件4另一侧的试件通孔6的3～4mm以外涂抹市售502胶，干燥后形成一层致密保护层7，保护试件临空面。

[0085] 步骤5，根据上述评价粘土分散性的标准进行渗流试验。1、打开定水头水箱1的阀门，让水流过试件通孔6；2、用秒表记录时间，用量筒8承接流经试件4的水流，并观察水流的浑浊程度；3、在水力坡降2的水头下冲蚀5min。在5min末，水流透明可见，把水头提高到水力坡降7，继续冲蚀。4、在水力坡降7的水头下冲蚀5min。在5min末，水流浑浊，流量不断地增加，停止试验。拆卸土样筒5，轻轻取出并沿轴向切开试件4，采用游标卡尺精确测定试件通孔6的大小；5、采用离心机将土水分离，分别称量土体质量和测量水的体积，计算土水悬液的浓度(冲蚀系数)。

[0086] 试验结果：

[0087] 土样在水力坡降7的水头下冲蚀了5min。在5min末，水流浑浊，流量不断地增加，停止试验。拆开仪器，取出并切开试件，测量试件通孔6的直径变化，发现试验后试件通孔直径是原来的1.6倍，列入过渡性土(ND3)。土水悬液的浓度(冲蚀系数)约为2400mg/L。

[0088] 实施例4粘土分散性测试

[0089] 本实施例所用土样采自陕西省西安黑河金盆水利枢纽工程大坝心墙土料。土样的颗粒相对密度为2.73，液限为38.2％，塑限19.6％，塑性指数为18.6。颗粒组成以粉粒(0.075～0.005mm)为主，其含量为53.5％，粘粒(＜0.005mm)含量为33.0％。土样属于低液限粘土(CL)。

[0090] 步骤1，将土样放入土样筒5中，采用分层夯实法将土样压紧制成试件4；使其达到3
设计的干密度1.73g/cm和含水率20.2％，试件尺寸Φ39.1mm×38.1mm。

[0091] 步骤2，将小锥体3的圆锥体部分30推入试件4一侧，且保持小锥体3的轴心和试件4的轴心重合，并使得小锥体3和试件4之间接触紧密。

[0092] 步骤3，将直径1.0mm的硬钢丝穿过小锥体通孔2，直到穿透试件4为止，拔掉钢丝过程中，旋转4～5次，使试件通孔6干净、畅通。

[0093] 步骤4，在试件4另一侧的试件通孔6的3～4mm以外涂抹市售502胶，干燥后形成一层致密保护层7，保护试件临空面。

[0094] 步骤5，根据上述评价粘土分散性的标准进行渗流试验。1、打开定水头水箱1的阀门，让水流过试件通孔6；2、用秒表记录时间，用量筒8承接流经试件4的水流，并观察水流的浑浊程度；3、在水力坡降2的水头下冲蚀5min。在5min末，水流清澈，流量稳定，把水头提高到水力坡降7，继续冲蚀。4、在水力坡降7的水头下冲蚀5min。在5min末，水流清澈，流量稳定，把水头提高到水力坡降15，继续冲蚀。5、在水力坡降15的水头下冲蚀5min。在5min末，水流清澈，流量稳定，把水头提高到水力坡降40，继续冲蚀。6、在水力坡降40的水头下冲蚀5min。在5min末，水流清澈，流量稳定，停止试验。拆卸土样筒5，轻轻取出并沿轴向切开试件4，采用游标卡尺精确测定试件通孔6的大小；7、采用离心机将土水分离，分别称量土体质量和测量水的体积，计算土水悬液的浓度(冲蚀系数)。

[0095] 试验结果：

[0096] 土样在水力坡降40的水头下冲蚀了5min。在5min末，水流清澈，流量稳定，未见浑浊，试件通孔孔径没有变化，列入非分散土(ND1)。土水悬液的浓度(冲蚀系数)0mg/L。

[0097] 以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。