CN102841037A - 一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于休止角测试技术领域，提供了一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法和装置，先用击实桶制样，形成圆台体形状的柱体，然后将击实桶缓慢提起移去，让土柱表面的土颗粒在重力作用下自由滑落，最后稳定形成的坡面与水平面之间的夹角为休止角，多次试验可以得到几个夹角，最后取算术平均值作为该堆积体的休止角。这种休止角并不一定对应最松散状态，而是在一定密实度下，包括最松散状态到最密实状态之间的任意状态。适用于传统方法无法测量的级配宽、粒径大的土体，实用性强，具有较强的推广与应用价值。
Description
技术领域
本发明属于休止角测试技术领域，尤其涉及一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法和装置。
背景技术
地震不仅会造成大量直接的人员伤亡和财产损失，同时，由于地震作用形成的宽级配松散堆积体对震后的重建与生活形成了不同程度的安全隐患。松散堆积体抗剪强度的确定是排除安全隐患的关键。内摩擦角是抗剪强度最重要的指标之一，在没有试验资料和相关参考资料的情况下，内摩擦角近似等于休止角。通过宽级配松散堆积体天然休止角研究，可以得知某一特定地区或某一特定环境下宽级配松散堆积体的内摩擦角，可以帮助了解松散堆积体的力学性质，为宽级配松散堆积体的稳定性分析提供基础。
在《土工试验规程》(SL237-1999)中介绍了传统试验确定休止角的方法：试验时使用小勺将土体沿着铁杆四周倾倒试样，小勺始终保持在离试样表面高度1cm左右，直至圆盘外缘完全盖满为止。然后慢慢转动制动器，使圆盘平稳升起，直至离开底盘试样为止，然后测量锥体高度H，根据公式计算获得土体的休止角。从上可知，传统试验方法存在以下几点缺点：
1)传统试验方法由于底盘尺寸的限制，只适用于颗粒粒径较小的土体；
2)传统试验采用的利用小勺将土体倾倒的方法，如果土体颗粒粒径差别较大，则颗粒下落时会产生一定的分选性，因此只适用于颗粒粒径差别不大，即窄级配的土体；
3)传统试验方法过程中土体处于最松散状态，无法进行不同密实度条件下土体休止角的测量，因此只适用于松散状态的土体。
宽级配松散堆积体是由不同大小、不同含量、不同分布的粘、粉、砂、砾及块石组成，颗粒粒径差异大、粗颗粒含量高，导致具有与一般土体截然不同的性质，是处于土体和岩体之间的一种特殊的介质。如果利用传统方法进行休止角的测量，首先无法对含有过大粒径颗粒的土体进行试验；其次，按照上述方法，使用小勺，提起到一定高度，让松散堆积体土料在自重作用下自由下落，在下落过程中，由于宽级配松散堆积体颗粒粒径的巨大差异，会出现明显的分选性。粗大的土颗粒会下落更快，碰到底部圆盘之后，会滚落到更远处，而相对细小的土颗粒集中在中间，就导致形成的圆锥体形状可能不规则，同时会导致试样的颗粒组成不均匀，最终导致休止角测量不准。同时，无法测量不同密实度条件下宽级配松散堆积体的休止角。
因此，这种休止角试验方法对于宽级配松散堆积体就难以适用，有必要对该方法进行改进，使得能够适用于各种密实度、各种颗粒级配的土体。
发明内容
本发明提供了一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法和装置，旨在解决现有技术提供的休止角试验方法难以适用于宽级配松散堆积体休止角的测试的问题。
本发明的目的之一在于提供一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：在试验室内找一块平整场地，将圆盘放在上面；
步骤二：将击实桶与圆盘通过固定螺栓固定在一起，并使击实桶底部圆心与圆盘圆心重合；
步骤三：根据预设的密实度，称取所需土料；
步骤四：将称好的土料，倒在试验场地上，进行拌匀处理；
步骤五：将拌匀好的土料，根据四分法，将拌匀好的土料，分成四份，再将四份土料，根据实际情况，每份可均分多次倒入到击实桶中进行制样，层间需要刨毛；
步骤六：击实好之后，先将固定螺栓拆卸，再将击实桶缓慢的从下往上提起，使得土料在自身重力作用下，自动下落形成圆锥体；
步骤七：土体下落形成稳定圆锥体后，将圆盘以外的土体清理干净；
步骤八：测量锥体高度，并做好记录数据；
步骤九：数据整理，每组试样制作四个，测量得到的休止角取算术平均值。
进一步，对含水率较高的宽级配松散堆积体，在休止角试验过程中可能会由于似粘聚力的出现，导致休止角偏大，对于这种情况，可先对土料烘干，再进行休止角试验。
进一步，对不同颗粒粒径的土体，根据D/min(L，H)≤1/10(D为试验土料中的最大颗粒粒径；L为击实桶的顶面的直径；H为击实桶的高度)确定试验所用击实桶的尺寸，且击实桶的上底面直径小于下底面直径，上、下底面直径的差值与桶高之比为0.1～0.4。
本发明的另一目的在于提供一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的装置，该装置包括：
击实桶，用于盛装土颗粒，使土颗粒形成一定高度的圆台体，并在从下往上提起时，在自身重力作用下，土颗粒自动下落形成圆锥体；
圆盘，安装在所述击实桶的下部，用于防止土颗粒在击实桶底部的外溢。
进一步，所述圆盘通过固定螺栓安装在所述击实桶的底部。
进一步，所述圆盘上还设置有高度测量辅助杆。
本发明提供的测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法，先用击实桶制样，形成圆台体形状的柱体，然后将击实桶缓慢提起移去，让土柱表面的土颗粒在重力作用下自由滑落，最后稳定形成的坡面与水平面之间的夹角为休止角，这种休止角并不一定对应最松散状态，而是在一定密实度下，包括最松散状态到最密实状态之间的任意状态，这个夹角可以有几个，最后取算术平均值作为该堆积体的休止角，具有较强的推广与应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的击实桶的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的圆盘的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法的实现流程图；
图4是本发明实施例提供的测试土料的击实曲线示意图；
图5是本发明实施例提供的测试土料的颗粒级配曲线示意图；
图6是本发明实施例提供的密实度与休止角之间的关系曲线示意图。
图中：1、击实桶；2、圆盘；3、高度测量辅助杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
图1及图2示出了本发明实施例提供的测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的装置的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
该装置包括：
击实桶1，用于盛装土体试样，使试样形成一定高度的圆台体，并在从下往上提起时，在自身重力作用下，土颗粒自动下落形成圆锥体；
圆盘2，安装在击实桶1的下部，用于防止土颗粒在击实桶1底部的外溢。
在本发明实施例中，圆盘2通过固定螺栓安装在击实桶1的底部。
在本发明实施例中，圆盘2上还设置有高度测量辅助杆3。
图3示出了本发明实施例提供的测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法的实现流程。
该方法包括以下步骤：
在步骤S301中，在试验室内找一块平整场地，将圆盘2放在上面；
在步骤S302中，将击实桶1与圆盘2通过固定螺栓固定在一起，并使击实桶1底部圆心与圆盘2圆心重合；
在步骤S303中，根据试验方案，称取所需土料；
在步骤S304中，将称好的土料，倒在试验场地上，进行拌匀处理；
在步骤S305中，将拌匀好的土料，根据四分法，将拌匀好的土料，分成四份，再将四份土料，根据实际情况，每份可均分多次倒入击实桶1中进行制样，层间需要刨毛；
在步骤S306中，击实好之后，先将固定螺栓拆卸，再将击实桶1缓慢的从下往上提起，使得土料在自身重力作用下，自动下落形成圆锥体；
在步骤S307中，土体下落形成稳定圆锥体后，将圆盘以外的土体清理干净；
在步骤S308中，测量锥体高度，并做好记录数据；
在步骤S309中，数据整理，每组试样制作四个，测量得到的休止角取算术平均值。
在本发明实施例中，对含水率较高的宽级配松散堆积体，在休止角试验过程中可能会由于似粘聚力的出现，导致休止角偏大，对于这种情况，可先对土料烘干，再进行休止角试验。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
对宽级配松散堆积体而言，绝大多数情况下是具有一定密实度的状态。在原有的休止角试验方法下，无法实现在一定密实度下的休止角试验，同时也不能对天然干燥状态下的宽级配松散堆积体进行休止角试验。新试验方法与原试验方法的休止角定义相同，都是在自重作用下，让土颗粒自由滑落，最后形成圆锥形的堆积体，且坡面与水平面之间的夹角定义为休止角。不同之处在于，新方法中，是先用击实桶1制样，形成圆台体形状的柱体，然后将击实桶1缓慢提起移去，让土柱表面的土颗粒在重力作用下自由滑落，最后稳定形成的坡面与水平面之间的夹角为休止角。这种休止角并不一定对应最松散状态，而是在一定密实度下，包括最松散状态到最密实状态之间的任意状态。这个夹角可以有几个，最后取算术平均值作为该堆积体的休止角。
传统方法中，只是用小勺将风干状态下的无粘性土颗粒，沿着圆盘2中间的铁杆四周，离试样表面1cm左右高度倾倒，让其在重力作用下自由下落，最后形成松散堆积体的坡面与水平面之间的夹角为休止角。这种休止角只对应一个密实状态，通常认为是最松散状态。使用传统方法测试休止角，可能会导致无粘性土颗粒在下降过程中，由于受到外界因素干扰，产生分选，从而导致休止角测试不准。而新方法中就可以避免这种情况发生，试样先在一个击实桶1内形成一定高度的圆柱体，然后提起击实桶1，让其自由滑落，这避免了土颗粒下降过程的分选性，新方法适用范围更广。
新方法考虑到在提取击实桶1过程中，土体同时也自由滑落，桶对试样会产生摩阻力，在一定程度上会影响到土柱表面土颗粒的自由滑落，从而影响休止角。为了减小摩阻力的影响，击实桶1设计为上小、下大的圆锥形体的击实桶1。
在直剪试验、三轴试验中，都给出了一个限制粒径范围，这个限制粒径与试验仪器尺寸之间的比例关系都是通过大量的试验，然后分析试验结果的离散性确定。在各行业土工试验规程中，关于直剪试验、三轴试验等，都明确的给出了最大限制粒径与各尺寸之间的关系。
而休止角与宽级配松散堆积体的稳定性相关，即与强度指标相关。因此，本试验方法中限制粒径大小，与粗粒土直剪试验中给出的相同。这样对不同颗粒粒径的土体，可以制作不同尺寸的击实桶1和圆盘2，有助于试验结果的准确性、有效性。因此，D/min(L，H)≤1/10(D为试验土料中的最大颗粒粒径；L为击实桶的顶面的直径；H为击实桶的高度)。
图4是本发明实施例提供的测试土料的击实曲线示意图；图5是本发明实施例提供的测试土料的颗粒级配曲线示意图。图6是本发明实施例提供的密实度与休止角之间的关系曲线示意图。
新方法试验步骤：
步骤1：在试验室内找一块平整场地，将圆盘2放在上面；
步骤2：将击实桶1从上面放在圆盘2上，使得击实桶1底部圆心与圆盘2圆心重合，同时使用固定螺栓将击实桶1和圆盘2固定在一起，确保试样击实时，不会松动；
步骤3：备料，根据试验方案，称好所需土料；
步骤4：拌匀土料，将称好的土料，倒在试验场地上，进行拌匀；
步骤5：制样，将拌匀好的土料，根据四分法，将拌匀好的土料，分成四份，然后将四份土料，根据实际情况，每份又可均分多次倒入击实桶1中，进行制样，层间需要刨毛；
步骤6：击实好之后，先将固定螺栓拆卸，注意不要动作过大，以免对桶内试样产生干扰，卸好固定螺栓之后，将击实桶1缓慢的从下往上提起，使得试样在自身重力作用下，自动下落形成圆锥体；
步骤7：土体下落形成稳定圆锥体后，将圆盘以外的土体清理干净；
步骤8：测量锥体高度，并做好记录数据；
步骤9：数据整理，每组试样制作四个，测量得到的休止角取算术平均值。
对含水率较高的宽级配松散堆积体，在休止角试验过程中可能会由于似粘聚力的出现，导致休止角偏大，对于这种情况，可以先对土料烘干，再进行休止角试验。
试验土料取典型宽级配松散堆积体，试样物理性质指标：试样含水率W＝2.01％，最小干密度ρd min＝1.57g/cm3，最大干密度ρdmax＝2.214g/cm3，最优含水量WOP＝7.60％。对于击实试验中存在超粒径颗粒问题，依据D/minL，H)≤1/10原则进行处理，再进行击实试验。
试验方案为：依据设计的五种相对密实度，设计了5组试验，每组4个试样，共20个试样。密实度设计表如下。
表1.1相对密实度设计方案
| 相对密实度Dr | 0.30 | 0.45 | 0.60 | 0.75 | 0.90 |
| 对应干密度ρd(g/cm3) | 1.721 | 1.806 | 1.902 | 2.009 | 2.128 |
试验步骤如下：
步骤1：在试验室内找一块平整场地，将圆盘2放在上面，保持圆盘2平稳；
步骤2：将圆桶从上面放在圆盘2上，使得圆桶底部圆心与圆盘2圆心重合，同时使用固定螺栓将圆桶和圆盘2固定在一起，使得击实时，不会松动；
步骤3：备料，根据试验方案，称好所需土料；
步骤4：拌匀土料，将称好的土料，倒在试验场地上，进行拌匀；
步骤5：制样，将拌匀好的土料，根据四分法，将拌匀好的土料，分成四份，然后将四份土料，根据实际情况，每份又可均分多次倒入到击实桶1中，进行制样，层间需要刨毛；
步骤6：击实好之后，先将固定螺栓拆卸，注意不要动作过大，以免对桶内试样产生干扰，卸好固定螺栓之后，将圆桶缓慢的从下往上提起，使得试样在自身重力作用下，自动下落形成圆锥体；
步骤7：土体下落形成稳定圆锥体后，将圆盘以外的土体清理干净；
步骤8：测量锥体高度，并做好记录；
步骤9：数据整理，每组试样制作四个，测量得到的休止角取算术平均值。
试验结果：由于每次试验时，形成的圆锥体较为理想，在实例中只是测试了一个休止角，每组进行了四次试验，最后取算术平均值，作为该组试样的休止角。
(1)相对密实度Dr＝0.30，w＝2.01％
表1.2休止角试验成果(Dr＝0.30，w＝2.01％)
(2)相对密实度Dr＝0.45，w＝2.01％
表1.3休止角试验成果(Dr＝0.45，w＝2.01％)
(3)相对密实度Dr＝0.60，w＝2.01％
表1.4休止角试验成果(Dr＝0.60，w＝2.01％)
(4)相对密实度Dr＝0.75，w＝2.01％
表1.5休止角试验成果(Dr＝0.75，w＝2.01％)
(5)相对密实度Dr＝0.90，w＝2.01％
表1.6休止角试验成果(Dr＝0.90，w＝2.01％)
所以，综合各组试验得到的休止角平均值，得到密实度与休止角之间的关系，详细情况见下表：
表3.7密实度与休止角对应关系表
| 密实度(Dr) | 0.3 | 0.45 | 0.6 | 0.75 | 0.9 |
| 休止角(°) | 40.12 | 41.33 | 43.17 | 45.17 | 46.11 |
休止角与密实度之间的关系分析见下图。
从图4可知，随着密实度的增大，休止角逐渐增大，在密实度接近于0.90的时候，休止角增幅减小，这种变化现象与工程实际变化情况相同。这也说明了，这种休止角新方法，可以用来对不同密实度、不同级配的土体进行相关的休止角试验。
本发明实施例提供的测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法，先用击实桶1制样，形成圆台体形状的柱体，然后将击实桶1缓慢提起移去，让土柱表面的土颗粒在重力作用下自由滑落，最后稳定形成的坡面与水平面之间的夹角为休止角，这种休止角并不一定对应最松散状态，而是在一定密实度下，包括最松散状态到最密实状态之间的任意状态，这个夹角可以有几个，最后取算术平均值作为该堆积体的休止角，具有较强的推广与应用价值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：在试验室内找一块平整场地，将圆盘放在上面；
步骤二：将击实桶与圆盘通过固定螺栓固定在一起，并使击实桶底部圆心与圆盘圆心重合；
步骤三：根据预设的密实度，称取所需土料；
步骤四：将称好的土料，倒在试验场地上，进行拌匀处理；
步骤五：将拌匀好的土料，根据四分法，将拌匀好的土料，分成四份，再将四份土料，根据实际情况，每份可均分多次倒入到击实桶中进行制样，层间需要刨毛；
步骤六：击实好之后，先将固定螺栓拆卸，再将击实桶缓慢的从下往上提起，使得土料在自身重力作用下，自动下落形成圆锥体；
步骤七：土体下落形成稳定圆锥体后，将圆盘以外的土体清理干净；
步骤八：测量锥体高度，并做好记录数据；
步骤九：数据整理，每组试样制作四个，测量得到的休止角取算术平均值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于对含水率较高的宽级配松散堆积体，在休止角试验过程中可能会由于似粘聚力的出现，导致休止角偏大，对于这种情况，可在对土料烘干之后，再进行休止角试验。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对不同颗粒粒径的土体，根据D/min(L，H)≤1/10(D为试验土料中的最大颗粒粒径；L为击实桶的顶面的直径；H为击实桶的高度)确定试验所用击实桶的尺寸，且击实桶的上底面直径小于下底面直径，上、下底面直径的差值与桶高之比为0.1～0.4。
4.一种测试宽级配松散堆积土体稳定休止角的装置，其特征在于，该装置包括：
击实桶，用于盛装土颗粒，使土颗粒形成一定高度的圆柱体，并在从下往上提起时，在自身重力作用下，土颗粒自动下落形成圆锥体；
圆盘，安装在所述击实桶的下部，用于防止土颗粒在击实桶底部的外溢。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述圆盘通过固定螺栓安装在所述击实桶的底部。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述圆盘上还设置有高度测量辅助杆。
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