CN102829836B - 裂隙土体的体积测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂隙土体的体积测量方法及装置，其步骤：（1）取圆形的铁丝网，在其边缘对称绑接四根铜丝，取容量的烧杯，倒入液体石蜡，将装有液体石蜡的烧杯放在天平托盘上；（2）用天平称取试验土样质量；（3）调节水平伸缩阀与竖直伸缩阀使铁丝网完全浸没液体石蜡中，读取天平度数，记录整体质量；（4）调节竖直伸缩阀使辅助装置提升，将土样放在铁丝网上，读取天平度数，记录烧杯、液体石蜡、铜丝以及土样的整体质量。天平托盘上放置装有液体石蜡的烧杯，铜丝的一端绑接在铁丝网的边缘，铜丝的另一端绑接水平支杆上，水平支杆与竖直支杆相连，竖直支杆下连接支座。方法易行，操作简便，测量裂隙土样体积测量精确度较高。

Description

裂隙土体的体积测量方法及装置

技术领域

本发明涉及岩土工程测量技术领域，尤其涉及一种测量裂隙土体积的测量方法，同时还涉及一种测量裂隙土体积的测量装置。

背景技术

土的试样密度的测定可以了解土体结构的密实程度，同时也是计算挡土墙土压力，人工和天然斜坡稳定的设计与核算，基础承载力和沉降量的计算以及路基路面施工时压实程度控制的必不可少的指标。密度试验测定方法的核心是土样的体积测定。

最初的体积测量方法是对试样尺寸利用游标卡尺或是千分尺直接测量，该方法虽然简单，但受测量装置精度以及人工操作影响，试验结果精度较差，而且土样的形状结构不同，该方法无法测量不规则土样的体积。土工试验中多是采用环刀法或是直接将土样加工成固定尺寸，即预先设定土样的体积。土工试验方法标准（GBT50123-1999）提到对于不规则的硬土可以采用蜡封法测量土样的体积，它是将土样称重后放入刚过熔点的蜡液中，当土样完全被包裹，取出称其在空气及水中的质量，从而计算试样体积。该方法可以测量不规则土样，但当需要批量称取多个土样体积时，需重复加热蜡液，同时，为了避免蜡封试样内气泡产生，需一次徐徐涂蜡方法，过程繁琐。中国专利申请号：201120408775.4，发明名称：非规则物体体积测量装置。该实用新型运用阿基米德原理，利用排液法测量不规则物体的体积，以及浮在水面上物体的体积。该装置结构简单，操作便捷，测量精度高，但利用该法测量时需将土样浸于水中，不适用于土样体积的测量。

土在天然沉积环境、气候以及人工作用影响下，容易形成具有不同程度的孔隙、裂隙、虫孔的土体结构，从材料学上讲土是一种多孔介质，而现有方法无法对土体的真实体积量测，必然导致土的物理力学指标的失真。鉴于利用阿基米德原理，利用浮力法测量物体体积的成功经验，一些研究者尝试采用不同液体用来测量具有微裂隙土样，如水银，甲苯，芳香族化合物Kerdane等，但这些液体物质均有一定的毒性，试验过程中必须采取严格的安全措施。

发明内容

本发明的目的是在于提出一种测量裂隙土体积的测量方法，方法易行，操作简便,测量裂隙土样体积测量精确度较高。

本发明的另一个目的是在于提供了一种测量裂隙土体积的测量装置，实验材料造价低，便于制作，可多次使用。

为了实现上述的目的,本发明采用以下技术措施:

本发明的基本原理是：根据阿基米德定律，物体侵没在液体中的体积与其所受浮力成正比，通过所受浮力作用的质量的测量转化为体积的测量。本发明采用的液体为非侵润性的液体石蜡。

本发明中使用的装置有精度为0.001g的电子天平、400ml的烧杯、液体石蜡、铁丝网、铜丝以及一个辅助装置。其中，辅助装置由固定支座、水平支杆、竖直支杆、水平伸缩阀、竖直伸缩阀构成，水平支杆一端绑接铜丝，水平支杆与竖直支杆带伸缩功能，可通过水平伸缩阀与竖直伸缩阀调节辅助装置的水平伸缩距离与高度。

一种测量裂隙土体积的测量方法，其步骤是:

（1）取圆形面积为150cm²的铁丝网，在其边缘对称绑接四根等长度铜丝，铜丝长度10cm。取容量为400ml的烧杯，倒入约300ml的液体石蜡，将装有液体石蜡的烧杯放在天平托盘上。将四根铜丝绑接在水平支杆上。

（2）用精度0.001的天平称取试验土样质量m₂。

（3）调节水平伸缩阀与竖直伸缩阀使铁丝网完全浸没液体石蜡中，读取天平度数，记录此时烧杯、液体石蜡、铁丝网以及铜丝的整体质量m₄。

（4）调节竖直伸缩阀使辅助装置提升，将土样放在铁丝网上，调节竖直伸缩阀使辅助装置下降，使土样与铁丝网完全浸没液体石蜡中，待土样表面无气泡产生时，读取天平度数，记录此时烧杯、液体石蜡、铁丝网、铜丝以及土样的整体质量m₅。

采用本方法时，所述的测量的控制室温为20℃~25℃。当测量较大土样时，可适当增大烧杯容量以及液体石蜡用量，或是将其切割成多个小土样分别测量求和的方法。当利用本发明方法测量多个土样体积时，每次试验完毕用吸水纸擦干铁丝网与铜丝，进行下一个土样体积测量时，应重复上述步骤（2）、（3）、（4）各一次。

测试土样的体积根据下式计算：

$V=\frac{m_2-(m_5-m_4)}{{\mathrm{\ρ}}_s}$

式中：V-土样体积（cm³），精确至0.01cm³；

m₂-试验土样质量（g），精确至0.001g；

m₄-浸入液体石蜡后，烧杯、液体石蜡、铁丝网以及铜丝的整体质量（g），精确至0.001g；

m₅-浸入液体石蜡后，烧杯、液体石蜡、铁丝网、铜丝以及土样的整体质量（g），精确至0.001g；

ρ_s—液体石蜡密度（g/cm³）。

一种测量裂隙土体积的测量装置，它包括:电子天平、托盘、烧杯、铜丝、支座、水平支杆、竖直支杆、水平伸缩阀、竖直伸缩阀、液体石蜡、铁丝网。其连接关系是：水平放置电子天平，天平托盘上放置装有液体石蜡的烧杯，四根铜丝一端绑接在铁丝网的外边缘，测量时将铁丝网完全浸没在液体石蜡中。四根铜丝绑接水平支杆上，水平支杆与竖直支杆相连，竖直支杆下部连接支座，水平支杆与竖直支杆带伸缩功能，可通过水平伸缩阀与竖直伸缩阀调节辅助装置的水平伸缩距离与高度，测量时用以升降铜丝、铁丝网及土样高度。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用装置结构简单，便于制作，操作方法简单便捷，整个测量过程不超过5分钟。

（2）本发明基于浮力法，利用物体所受浮力作用的质量的测量转化为体积的测量，物理意义明确。试验结果表明，本发明方法对于裂隙土样体积的测量，准确性较高。

（3）本发明采用液体石蜡为提供浮力溶液，实验材料造价低，无毒，可多次使用。

附图说明

图1为一种测量裂隙土体积的测量装置的结构示意图。

图2为一种铜丝在铁丝网绑接的位置示意图。

其中：

1－电子天平；2－托盘；3－烧杯；4－铜丝(分为第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d)；5-支座；6-水平支杆；7-竖直支杆；8-水平伸缩阀；9-竖直伸缩阀；10－液体石蜡；11－铁丝网。

具体实施方式

实施例1:

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种测量裂隙土体积的测量方法，其步骤是：

（1）取圆形面积为150cm²的铁丝网11，在铁丝网11边缘对称绑接四根等长度铜丝4，第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d，长度各为10cm。取容量为400ml的烧杯3，倒入约300ml的液体石蜡10。将四根铁丝4绑接在水平支杆6上。将装有液体石蜡10的烧杯3放在天平托盘2上。

（2）用精度0.001的天平1称取铁丝网11与第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的总质量m₁；用精度0.001的天平1称取试验土样质量m₂；称量液体石蜡10与烧杯3的总质量m₃。

（3）调节水平伸缩阀8与竖直伸缩阀9使铁丝网11完全浸没液体石蜡10中，记录此时烧杯3、液体石蜡10、铁丝网11以及第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的整体质量m₄。

（4）调节竖直伸缩阀9使辅助装置提升，将土样放在铁丝网11上，调节竖直伸缩阀9使辅助装置下降，使土样与铁丝网11完全浸没液体石蜡10中，待土样表面无气泡产生时，记录此时烧杯3、液体石蜡10、铁丝网11、第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d以及土样的整体质量m₅。

采用本方法时应控制室温20℃~25℃。当测量较大土样时，可适当增大烧杯3容量以及液体石蜡10用量，或是将其切割成多个小土样分别测量求和的方法。当利用本发明方法测量多个土样体积时，由于土样吸附一定质量的液体石蜡10，铁丝网11与第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d可能粘附一定质量的石蜡。每次试验完毕用吸水纸擦干铁丝网11与第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d，进行下一个土样体积测量时，应重复上述步骤（2）、（3）、（4）各一次。

测试土样的体积根据下式计算：

$V=\frac{(m_1+m_2+m_3-m_5)-(m_1+m_3-m_4)}{{\mathrm{\ρ}}_s}=\frac{m_2-(m_5-m_4)}{{\mathrm{\ρ}}_s}$

式中：V-土样体积（cm³），精确至0.01cm³；

m₁—铁丝网11与第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的总质量（g），精确至0.001g；

m₂-试验土样质量（g），精确至0.001g；

m₃-液体石蜡10与烧杯3的总质量（g），精确至0.001g；

m₄-浸入液体石蜡后，烧杯3、液体石蜡10、铁丝网11以及第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的整体质量（g），精确至0.001g；

m₅-浸入液体石蜡后，烧杯3、液体石蜡10、铁丝网11、第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4dd以及土样的整体质量（g），精确至0.001g；

ρ_s—液体石蜡密度（g/cm³）。

一种测量裂隙土体积的测量装置，包括精度为0.001g的电子天平1、400ml的烧杯3、液体石蜡10、铁丝网11、第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d以及一个辅助装置。其中，辅助装置由固定支座5、水平支杆6、竖直支杆7、水平伸缩阀8、竖直伸缩阀9构成。连接方式是：水平放置电子天平1用以测量质量，天平托盘2上放置装有液体石蜡10的烧杯3，第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的一端绑接在铁丝网11的外边缘，测量时将铁丝网11完全浸没在液体石10蜡中。第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d的另一端绑接水平支杆6上，水平支杆6与竖直支杆7相连，竖直支杆7下部连接支座5，水平支杆6与竖直支杆7带伸缩功能，可通过水平伸缩阀8与竖直伸缩阀9调节辅助装置的水平伸缩距离与高度，测量时用以升降第一铜丝4a、第二铜丝4b、第三铜丝4c、第四铜丝4d、铁丝网11及土样高度。

下面介绍本发明的实施例：

利用本方法和装置、蜡封法以及千分尺测量法三种方法分别对标准圆柱形空心铝块（铝块出厂标定为10cm²）、不规则含微裂隙天然土样、不规则大裂隙（虫孔）天然土样进行体积测量。采用千分尺测量法时分别对试样的半径和高度在不同位置测量5次，取平均值。采用的千分尺分辨力为0.001mm，采用的液体石蜡密度0.840g/cm³（温度为20℃）。测量结果如表1所示。

分析测量结果可知，千分尺测量法无法测量不规则土样。利用蜡封法测量裂隙土样的结果明显大于本发明方法测量的结果，这是由于蜡封法的测量结果没有考虑裂隙导致的孔隙占有的体积，结果偏大。表1的结果表明利用本发明方法测量土体体积准确性高。

表1体积测量结果

测量方法	铝块体积（cm3)	微裂隙土样体积(cm3）	大裂隙(虫孔）土样体积(cm3)
				本发明方法	10.02	29.86	36.81
千分尺测量法	9.91	无法测量	无法测量
				蜡封法	10.15	32.36	42.80

Claims (1)

1.一种测量裂隙土体积的测量方法，其测量装置包括：电子天平（1）、烧杯（3）、液体石蜡（10）、铁丝网（11）、铜丝（4）及辅助装置，辅助装置由固定支座（5）、水平支杆（6）、竖直支杆（7）、水平伸缩阀（8）、竖直伸缩阀（9）构成，电子天平（1）水平放置，天平托盘（2）上放置装有液体石蜡（10）的烧杯（3），第一铜丝（4a）、第二铜丝（4b）、第三铜丝（4c）、第四铜丝（4d）的一端绑接在铁丝网（11）的外边缘，将铁丝网（11）浸没在液体石蜡（10）中，第一铜丝（4a）、第二铜丝（4b）、第三铜丝（4c）、第四铜丝（4d）的另一端绑接在水平支杆（6）上，水平支杆（6）与竖直支杆（7）相连，竖直支杆（7）下部连接固定支座（5）；

其测量步骤是：

（1）取圆形面积为150cm²的铁丝网，在其边缘对称绑接四根长度相同铜丝，铜丝长度10cm，取容量为400ml的烧杯，倒入300ml的液体石蜡，将装有液体石蜡的烧杯放在天平托盘上，将四根铜丝绑接在水平支杆上；

（2）用精度0.001的电子天平称取试验土样质量m₂；

（3）调节水平伸缩阀与竖直伸缩阀使铁丝网完全浸没液体石蜡中，读取天平度数，记录此时烧杯、液体石蜡、铁丝网以及铜丝的整体质量m₄；

（4）调节竖直伸缩阀使辅助装置中的竖直支杆提升，使土样放在铁丝网上，调节竖直伸缩阀使辅助装置中的竖直支杆下降，使土样与铁丝网完全浸没液体石蜡中，土样表面无气泡，读取天平度数，记录此时烧杯、液体石蜡、铁丝网、铜丝以及土样的整体质量m₅；

所述的测量的控制室温为20℃~23℃，测量土样体积，每次试验完毕用吸水纸擦干铁丝网与铜丝，进行下一个土样体积测量，重复上述步骤（2）、（3）、（4）各一次：

测试土样的体积根据下式计算：

                                                 

式中：V—土样体积cm³，精确至0.01cm³；

m₂—试验土样质量g，精确至0.001g；

m₄—浸入液体石蜡后，烧杯、液体石蜡、铁丝网以及铜丝的整体质量g，精确至0.001g；

m₅—浸入液体石蜡后，烧杯、液体石蜡、铁丝网、铜丝以及土样的整体质量g，精确至0.001g；

ρ_s—液体石蜡密度g/cm³。