CN103543083B - 一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置及其评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置及其评价方法，该测试装置包括由玻璃浴缸、温度传感器、电阻式加热器、温度控制器、隔板、容置区、进水开关、进水管、进水储水容器、出水开关、出水管、微型耐高温水泵和出水储水容器组成的恒温水浴装置、由支撑架、支撑架底座和升降器组成的容器升降控制系统、由挂式电子称和可张缩挂钩组成的重量监测设备以及由挂环和不锈钢圆筛组成的测试容器；该评价方法包括组装测试装置、设定测试温度、安放测试土样、测试试验、稳定性评价和清理测试容器步骤。本发明不仅测试粘性土团聚体静态水稳定性的精度高，而且组装方便、操作简单和成本低，能够快速、有效地评价粘性土团聚体水稳定性能。
Description
技术领域
本发明属于土体工程技术领域，特别是涉及一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置及其评价方法。
背景技术
团聚体的水稳定性是粘性土的重要性能指标之一。在土体工程领域中，粘性土团聚体水稳定性往往直接影响到整个土体工程的稳定性，特别是边坡、路堤、堤防等坡面工程，当今国内外将如何采用加固材料改良粘性土来解决问题已成为研究的热点。在加固土体工程中，粘性土团聚体遇水破坏机制主要有崩解、差异膨胀、物理-化学分散等，因此对改良前后的粘性土团聚体的水稳定性能的测试和评价是必不可少的工作。
现有的团聚体稳定性测定通常采用湿筛法。湿筛法在操作过程中的筛子在水中的位置和筛子的运动方向很难保持一致，同时不同使用者采用该方法所选择的湿筛振荡频率、振荡幅度和时间也有较大的差异，这样在进行团聚体的水稳定性评价时，给所要评价对象选择合适的振荡频率、幅度和时间带来了许多困难。因此，在采用湿筛法进行大量的不同改良程度的粘性土团聚体进行水稳定性评价时，不仅所需的工作量大，而且还存在部分结果无法体现团聚体水稳定性的微小差异，导致评价结果出现失真。如中国专利申请201210036689.4公开了一种“测定土壤水稳性团聚体的装置及方法”，它虽具有可对四个样品进行同时测定以及可同时获得同一样品不同粒级的水稳性团聚体的优点，但还存在以下明显不足：一是该方法在测试过程中对剩余试样重量进行再次烘干称重，既给测试结果造成较大误差，又大大增加了工作量；二是没有考虑温度对团聚体水稳定性的影响，导致温度差异所造成测试结果对比失真；三是采用振动测试方式，无法实现对团聚体水稳定性的微小差异评价。
如何克服现有技术的不足已成为当今土体工程技术领域亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置及其评价方法，本发明不仅测试粘性土团聚体静态水稳定性的精度高，而且组装方便、操作简单和成本低，能够快速、有效地评价粘性土团聚体水稳定性能。
根据本发明提出的一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于包括由玻璃浴缸、温度传感器、电阻式加热器、温度控制器、隔板、容置区、进水开关、进水管、进水储水容器、出水开关、出水管、微型耐高温水泵和出水储水容器组成的恒温水浴装置、由支撑架、支撑架底座和升降器组成的容器升降控制系统、由挂式电子称和可张缩挂钩组成的重量监测设备以及由挂环和不锈钢圆筛组成的测试容器；其中：所述的玻璃浴缸位于支撑架横杆的正下方，并保持玻璃浴缸底部与支撑架的底座水平设置；所述的电阻式加热器位于玻璃浴缸底部；所述的温度传感器位于玻璃浴缸内侧；所述的温度控制器设于玻璃浴缸外部，与设于玻璃浴缸内部的温度传感器和电阻式加热器连接；所述的隔板位于电阻式加热器上部，并与玻璃浴缸内侧紧密黏贴；所述的进水开关和出水开关的底部与隔板顶部水平，并分别位于玻璃浴缸两侧；所述的进水储水容器与进水开关同侧，其上缘与玻璃浴缸的上缘水平设置；所述的出水储水容器与出水开关同侧；所述的微型耐高温水泵设于出水管与出水储水容器之间；所述的支撑架两侧杆的底部设有底座；所述的升降器设置于支撑架横杆中间位置；所述的重量监测设备与升降器底部连接，所述的测试容器设有与重量监测设备连接的挂环并位于测试容器的容置区内，挂环对称分布于不锈钢圆筛上缘。
根据本发明提出的基于以上所述的粘性土团聚体静态水稳定性的评价方法，其特征在于包括以下步骤：
1）组装测试装置：先将升降器安装在支撑架的横杆中，将电子称挂置升降器下端，将玻璃浴缸设置于支撑架内，然后用进水管和出水管分别将进水储水容器和出水储水容器与恒温水浴装置的进水开关和出水开关连接；
2）设定测试温度：开启进水开关将储水容器中的水引入玻璃浴缸内，直至达到设定水位20cm后关闭进水开关；开启温度控制器，通过电阻式加热器和温度传感器使水浴达到设定温度，并保持恒温直至测试结束；
3）安放测试土样：将圆筛上的挂环挂上可张缩挂钩后，将可张缩挂钩顶端设置挂式电子称下端，记录不锈钢圆筛与可张缩挂钩的总重量，记为Gs；然后将待测土样均匀地铺置在不锈钢圆筛中；
4）测试试验：开启升降器将不锈钢圆筛缓慢下降至容置区，直到不锈钢圆筛中土样顶部位于水位线下2-3cm，记录不锈钢圆筛、可张缩挂钩和土样的总重量，记为G0，然后5分钟内每间隔30s记录一次电子称读数，记为G1、G2、G3…G10；
5）稳定性评价：测试完后，整理数据，通过以下公式计算出待测土样的水稳定系数，根据水稳定系数的大小评定粘性土团聚体的静态水稳定性；水稳定系数K的取值为10-100，其值越大，则粘性土团聚体的水稳定性越好；其中：
水稳定系数K=（(G0-G1)*10+(G0-G2)*20+(G0-G3)*30+…+(G0-G10)*100）/(G0-GS)；
6）清理测试容器：测试试验结束后，关闭温度控制器，取出不锈钢圆筛，开启出水开关，利用微型耐高温水泵将玻璃水缸中的浑浊液抽至储水容器，抽干浑浊液后，开启进水开关，将储水容器中的清水引进玻璃水缸中清洗土样残留物，然后再用微型耐高温水泵抽干，不断重复直至完全清除玻璃水缸中的土样残留物。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明为静态评价方法，能够有效避免采用现有振动测试方式因操作差异而引起的误差，满足了高精度测试的要求；二是本发明在测试过程中对剩余试样重量可实现实时采集，无需对测试后的试样进行再次烘干称重，既有效避免了再次烘干操作所造成的误差，又大大减少了工作量；三是本发明能够充分考虑温度对团聚体水稳定性的影响，避免温度差异所造成测试结果对比失真；四是本发明能够实现团聚体水稳定性的微小差异评价，给团聚体改良效果的鉴定提供一种简单、快速和有效的评价方法。本发明适用于边坡、路堤、堤防等坡面土体工程的粘性土团聚体水稳定性测试，特别适用于对粘性土团聚体水稳定性的微小差异评价。
附图说明
图1为本发明提出的一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明具体实施方式作进一步的详细描述。
结合图1，本发明提出的一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，它包括由玻璃浴缸（1）、温度传感器（2.）、电阻式加热器（3）、温度控制器（4）、隔板（5）、容置区（6）、进水开关（7）、进水管（8）、进水储水容器（9）、出水开关（10）、出水管（11）、微型耐高温水泵（12）和出水储水容器（13）组成的恒温水浴装置、由支撑架（14）、支撑架底座（15）和升降器（16）组成的容器升降控制系统、由挂式电子称（17）和可张缩挂钩（18）组成的重量监测设备以及由挂环（19）和不锈钢圆筛（20）组成的测试容器；其中：所述的玻璃浴缸（1）位于支撑架（14）横杆的正下方，并保持玻璃浴缸（1）底部与支撑架（14）的底座（15）水平设置；所述的电阻式加热器（3）位于玻璃浴缸（1）底部；所述的温度传感器（2）位于玻璃浴缸（1）内侧；所述的温度控制器（4）设于玻璃浴缸（1）外部，与设于玻璃浴缸（1）内部的温度传感器和电阻式加热器（3）连接；所述的隔板（5）位于电阻式加热器（3）上部，并与玻璃浴缸（1）内侧紧密黏贴；所述的进水开关（7）和出水开关（10）的底部与隔板（5）顶部水平，并分别位于玻璃浴缸（1）两侧；所述的进水储水容器（9）与进水开关（7）同侧，其上缘与玻璃浴缸（1）的上缘水平设置；所述的出水储水容器（13）与出水开关（10）同侧；所述的微型耐高温水泵（12）设于出水管（11）与出水储水容器（13）之间；所述的支撑架（14）两侧杆的底部设有底座（15）；所述的升降器（16）设置于支撑架（14）横杆中间位置；所述的重量监测设备与升降器（16）底部连接，所述的测试容器设有与重量监测设备连接的挂环（19）并位于测试容器的容置区（6）内，挂环（19）对称分布于不锈钢圆筛（20）上缘。
本发明提出的测试装置的进一步优选方案是：所述的升降器（16）为微型螺旋自动升降器；支撑架（14）形状为“门”型、材质为不锈钢实心杆；挂式电子称（17）为自动采集挂式电子称、其量程2kg、精度0.01g；可张缩挂钩（18）的数量为8-10个；挂环（19）与挂钩（18）的数量相同；圆筛（20）的直径为10-30cm、高度为5-15cm、筛孔为0.25mm；玻璃浴缸（1）直径为不锈钢圆筛（20）直径的1.5-2倍。
本发明提出的测试装置的具体实施例的主要部件设计参数和要求是：
本发明的测试装置的玻璃浴缸（1）为圆柱体、底部直径为50cm、高度为40cm；电阻式加热器（3）位于玻璃浴缸（1）底部，用厚度5mm的隔板（5）将电阻式加热器（3）隔开，电阻式加热器（3）和温度传感器（2）与温度控制器（4）连接形成水浴温度控制系统；储水容器（9）通过进水管（8）与玻璃浴缸（1）连通，通过进水开关（7）控制水位；储水容器（13）通过出水管（11）与玻璃浴缸（1）的出水开关（10）连通，出水管（11）与储水容器（13）之间设有微型耐高温水泵（12）；支撑架（14）采用直径Φ5cm的不锈钢实心杆，并设有支撑架底座（15），支撑架底座（15）采用内径Φ5cm并设有底托的钢管底座；挂式电子称（17）为自动采集电子称，量程3kg、精度0.01g；可张缩挂钩（18） 的数量为8个，可张缩挂钩（18）顶端悬挂于电子称（17）；不锈钢圆筛（20）的上缘设有挂环（19），挂环（19）的数量与可张缩挂钩（18）的数量相同均为8个，不锈钢圆筛（20）的直径Φ30cm、高度为10cm、筛孔为0.25mm。
本发明提出的基于上述粘性土团聚体静态水稳定性的评价方法，它包括以下步骤：
1）组装测试装置：先将升降器（16）安装在支撑架（14）的横杆中，将电子称（17）挂置升降器（16）下端，将玻璃浴缸（1）设置于支撑架（14）内，然后用进水管（8）和出水管（11）分别将进水储水容器（9）和出水储水容器（13）与恒温水浴装置的进水开关（7）和出水开关（10）连接；
2）设定测试温度：开启进水开关（7）将储水容器（9）中的水引入玻璃浴缸（1）内，直至达到设定水位20cm后关闭进水开关（7）；开启温度控制器（4），通过电阻式加热器（3）和温度传感器（2）使水浴达到设定测试温度，并保持恒温直至测试结束；其中，测试温度为50℃；
3）安放测试土样：将圆筛（20）上的挂环（19）挂上可张缩挂钩（18）后，将可张缩挂钩（18）顶端设置挂式电子称（17）下端，记录不锈钢圆筛（20）与可张缩挂钩（18）的总重量，记为Gs；然后将待测土样均匀地铺置在不锈钢圆筛（20）中；其中，测试土样的粒径为≥0.25mm、测试土样的重量为100g；
4）测试试验：开启升降器（16）将不锈钢圆筛（20）缓慢下降至容置区（6），直到不锈钢圆筛（20）中土样顶部位于水位线下2-3cm，记录不锈钢圆筛（20）、可张缩挂钩（18）和土样的总重量，记为G0，然后5分钟内每间隔30s记录一次电子称读数，记为G1、G2、G3…G10；
5）稳定性评价：测试完后，整理数据，通过以下公式计算出待测土样的水稳定系数，根据水稳定系数的大小评定粘性土团聚体的静态水稳定性；水稳定系数K的取值为10-100，其值越大，则粘性土团聚体的水稳定性越好；其中：
水稳定系数K=（(G0-G1)*10+(G0-G2)*20+(G0-G3)*30+…+(G0-G10)*100）/(G0-GS)；
6）清理测试容器：测试试验结束后，关闭温度控制器（4），取出不锈钢圆筛（20），开启出水开关（10），利用微型耐高温水泵（12）将玻璃水缸（1）中的浑浊液抽至储水容器（13），抽干浑浊液后，开启进水开关（7），将储水容器（9）中的清水引进玻璃水缸（1）中清洗土样残留物，然后再用微型耐高温水泵（12）抽干，不断重复直至完全清除玻璃水缸（1）中的土样残留物。
应用以上评价方法分别对5组待测团聚体试样进行评价，其结果如下：
团聚体试样为某高速公路边坡粘性土，其粒径0.25-2mm，液限为53.6 % ，塑性指数为19.8 ，土粒比重为2.65，土样采用新型高分子固化剂进行改良，固化剂为乳白色乳状液体，pH 值为7 ，比重为1.05g/cm3 粘度为1000mPa·s；待测5组团聚体试样的固化剂喷洒浓度分别为0%、2%、4%、6%、8%，每组试样100g，采用本实施例的评价方法所得的水稳定系数K分别为 15.1、68.2、79.5、87.7、92.9。同时，如果这5组试样采用湿筛法进行水稳定性测试时，5组团聚体试样的评价结果近似，很难给团聚体试样的改良效果提供有效的参考依据。
因此，采用本发明的测试装置及其评价方法将更加简单、快速、有效地实现团聚体水稳定性的微小差异评价。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
Claims (10)
1.一种粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于包括由玻璃浴缸(1)、温度传感器(2)、电阻式加热器(3)、温度控制器(4)、隔板(5)、容置区(6)、进水开关(7)、进水管(8)、进水储水容器(9)、出水开关(10)、出水管(11)、微型耐高温水泵(12)和出水储水容器(13)组成的恒温水浴装置、由支撑架(14)、支撑架底座(15)和升降器(16)组成的容器升降控制系统、由挂式电子称(17)和可张缩挂钩(18)组成的重量监测设备以及由挂环(19)和不锈钢圆筛(20)组成的测试容器；其中：所述的玻璃浴缸(1)位于支撑架(14)横杆的正下方，并保持玻璃浴缸(1)底部与支撑架(14)的底座(15)位于同一水平线；所述的电阻式加热器(3)位于玻璃浴缸(1)底部；所述的温度传感器(2)位于玻璃浴缸(1)内侧；所述的温度控制器(4)设于玻璃浴缸(1)外部，与设于玻璃浴缸(1)内部的温度传感器和电阻式加热器(3)连接；所述的隔板(5)位于电阻式加热器(3)上部，并与玻璃浴缸(1)内侧紧密黏贴；所述的进水开关(7)和出水开关(10)的底部与隔板(5)顶部位于同一水平线，并分别位于玻璃浴缸(1)两侧；所述的进水储水容器(9)与进水开关(7)同侧，其上缘与玻璃浴缸(1)的上缘位于同一水平线；所述的出水储水容器(13)与出水开关(10)同侧；所述的微型耐高温水泵(12)设于出水管(11)与出水储水容器(13)之间；所述的支撑架(14)两侧杆的底部设有底座(15)；所述的升降器(16)设置于支撑架(14)横杆中间位置；所述的重量监测设备与升降器(16)底部连接，所述的测试容器设有与重量监测设备连接的挂环(19)并位于测试容器的容置区(6)内，挂环(19)对称分布于不锈钢圆筛(20)上缘。
2.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于升降器(16)为微型螺旋自动升降器。
3.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于支撑架(14)形状为“门”型、材质为不锈钢实心杆。
4.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于挂式电子称(17)为自动采集挂式电子称、其量程2kg、精度0.01g。
5.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于可张缩挂钩(18)的数量为8-10个。
6.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于挂环(19)与挂钩(18)的数量相同。
7.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征在于圆筛(20)的直径为10-30cm、高度为5-15cm、筛孔为0.25mm。
8.根据权利要求1所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置，其特征 在于玻璃浴缸(1)直径为不锈钢圆筛(20)直径的1.5-2倍。
9.基于权利要求1-8任一项所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置的评价方法，其特征在于包括以下步骤：
1)组装测试装置：先将升降器(16)安装在支撑架(14)的横杆中，将电子称(17)挂置升降器(16)下端，将玻璃浴缸(1)设置于支撑架(14)内，然后用进水管(8)和出水管(11)分别将进水储水容器(9)和出水储水容器(13)与恒温水浴装置的进水开关(7)和出水开关(10)连接；
2)设定测试温度：开启进水开关(7)将储水容器(9)中的水引入玻璃浴缸(1)内，直至达到设定水位20cm后关闭进水开关(7)；开启温度控制器(4)，通过电阻式加热器(3)和温度传感器(2)使水浴达到设定测试温度，并保持恒温直至测试结束；
3)安放测试土样：将圆筛(20)上的挂环(19)挂上可张缩挂钩(18)后，将可张缩挂钩(18)顶端设置挂式电子称(17)下端，记录不锈钢圆筛(20)与可张缩挂钩(18)的总重量，记为Gs；然后将待测土样均匀地铺置在不锈钢圆筛(20)中；
4)测试试验：开启升降器(16)将不锈钢圆筛(20)缓慢下降至容置区(6)，直到不锈钢圆筛(20)中土样顶部位于水位线下2-3cm，记录不锈钢圆筛(20)、可张缩挂钩(18)和土样的总重量，记为G0，然后5分钟内每间隔30s记录一次电子称读数，记为G1、G2、G3…G10；
5)稳定性评价：测试完后，整理数据，通过以下公式计算出待测土样的水稳定系数，根据水稳定系数的大小评定粘性土团聚体的静态水稳定性；水稳定系数K的取值为10-100，其值越大，则粘性土团聚体的水稳定性越好；其中：
水稳定系数K＝((G0-G1)*10+(G0-G2)*20+(G0-G3)*30+…+(G0-G10)*100)/(G0-GS)；
6)清理测试容器：测试试验结束后，关闭温度控制器(4)，取出不锈钢圆筛(20)，开启出水开关(10)，利用微型耐高温水泵(12)将玻璃水缸(1)中的浑浊液抽至储水容器(13)，抽干浑浊液后，开启进水开关(7)，将储水容器(9)中的清水引进玻璃水缸(1)中清洗土样残留物，然后再用微型耐高温水泵(12)抽干，不断重复直至完全清除玻璃水缸(1)中的土样残留物。
10.根据权利要求9所述的粘性土团聚体静态水稳定性的测试装置的评价方法，其特征在于步骤3)所述的测试土样的粒径为≥0.25mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150805 Termination date: 20181016 |