CN103760320A - 隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是：A、取样部位荷载的测试；B、试样制备；C、试样安装；D、施加压力；E、进行试验；F、数据处理。再根据有限元计算得到每次测量时的体积膨胀率η_n和对应的膨胀力p_n，最后根据每次测量时的含水量ω_n和对应的膨胀力p_n，拟合得出隧道支护条件下膨胀土含水量ω与膨胀力p的关系。该方法能很好地模拟隧道开挖过程中，膨胀土体在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，从而更真实、准确的测出膨胀土在三向应力状态下含水量与膨胀力的关系。从而更加准确的掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供更可靠的试验依据。

Description

隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法

技术领域

本发明涉及一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法。

背景技术

由于膨胀土“吸水膨胀—失水收缩”的特性，其循环变化会引起结构受力变得复杂，致使膨胀土隧道的支护结构受力和变形与一般隧道的不同。通常，采用室内试验测出膨胀土含水量与体积膨胀率的关系，再根据体积膨胀率由有限元方法计算出膨胀力得到膨胀土含水量与膨胀力的关系。然后，根据现场测得的含水量及其变化范围，计算得到相应的膨胀力，从而掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供依据。

目前，室内试验测定膨胀土含水量与体积膨胀率的关系，主要是采用一系列的有荷侧限膨胀试验，即采用静压法制成重塑膨胀土试样，再使土样径向受到环刀的刚性约束，上部受到设定荷载，然后对系列土样分别注入不同的水量，测出不同含水量与体积膨胀率的关系。这种方法存在一定的局限性：（1）膨胀土在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，理论上是三向应力状态，即土体自身上下、前后、左右各个方向上都受到一定大小的力。而有荷侧限膨胀由于其只能对膨胀土样上方施加特定的荷载值，水平方向（前后、左右）的力由于受到环刀的约束，其值的大小是波动的、无法控制的。其侧向荷载不能按照现场实际压力进行施加，与工程实际情况差别大，得到的试验数据与工程实际的误差大、可靠性差。（2）由于膨胀土活性太强，同一批采用静压法制成的重塑膨胀土试样，其吸收膨胀的速率和能力不可能绝对相同；即系列试验中的主体并不是同一个试样，其变形并不具有绝对的连续性，所得到的数据必定具有一定的误差，也导致其试验数据的可靠性差。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，该方法能很好地模拟隧道开挖过程中，膨胀土体在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，从而更真实、准确的测出膨胀土在三向应力状态下含水量与膨胀力的关系。从而更加准确的掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供更可靠的试验依据。

本发明实现其发明目的所采用技术方案是，一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是：

A、取样部位荷载的测试

测出工程现场的取样部位上方的垂直荷载σ₁及水平方向的荷载σ₃；

B、试样制备

将所取土样采用静压法制成重塑的膨胀土试样，并在制备时记录膨胀土试样的土颗粒质量m_s、初始含水质量m_w和体积V；

C、试样安装

用橡皮膜将膨胀土试样的侧面包裹好，在应变式三轴仪的压力室底座上依次放置不透水石一、下滤纸、膨胀土试样，然后在膨胀土试样上部放置上滤纸、不透水石二，试样帽；上排水管的内端穿过试样帽及不透水石二与膨胀土试样的顶部相连，外端穿出压力室；下排水管的内端穿过不透水石一与膨胀土试样的底部相连，外端穿出压力室；最后在压力室上部盖上压力室盖；

D、施加压力

拧开应变式三轴仪的压力室盖上的排气阀，水压系统通过压力室底座的进水孔向压力室注水，待压力室盖上的排气阀有水溢出时，关闭排气阀，调节水压系统的调压阀使压力室内的水压等于A步测得的水平方向的荷载σ₃；

转动加压手轮，使应变式三轴仪的穿过压力室盖的活塞的下端部通过试样帽向膨胀土试样加载，并通过与活塞上端部相连的测力计测出其加载的载荷△σ，当△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

E、进行试验

用吸耳球向应变式三轴仪的上排水管和下排水管注水，当两者的液面高于膨胀土试样顶部后，打开上排水管的阀门及下排水管的阀门，使上排水管穿过试样帽的内端向膨胀土试样的顶部渗水，使下排水管穿过不透水石的内端向膨胀土试样的底部渗水；再打开与压力室相连的体变管的阀门；

随后，读取并记录下列读数，然后，每隔一个测量周期又读取并记录一次下列读数：（测量周期一般为20-40分钟）

反映膨胀土试样体积变化的体变管的读数反映膨胀土试样顶部渗水量的上排水管的读数

反映膨胀土试样底部渗水量的下排水管的读数

测力环的读数△σ：其中，下标n为读取次数的序号；

直到上排水管的读数

连续三次保持不变，且下排水管的读数

也连续三次保持不变，结束试验；在试验过程中，当上、下排水管的液面接近膨胀土试样顶部时，即向其注水，使上、下排水管的液面高出膨胀土试样的顶部，以保证膨胀土试样时刻处于吸水状态；同时，当读出的测力环的读数△σ＜σ₁-σ₃时，须转动加压手轮，增加活塞施加于试样上部的荷载△σ直至△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

F、数据处理

根据D步测出的体变管的读数

上排水管的读数

下排水管的读数

计算得出：

膨胀土试样在三维受力情况下，连续性吸水过程中，第二次以后的每次读取读数时的含水量ω_n，

及其对应的体积膨胀率η_n， ${\mathrm{\η}}_n=\frac{(V_n^t-V_l^t)}{V};$

再根据有限元计算得到每次读数时的体积膨胀率η_n和对应的膨胀力p_n，最后根据每次读数时的含水量ω_n和对应的膨胀力p_n，拟合得出隧道支护条件下膨胀土含水量ω与膨胀力p的关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过对一个试样连续注水，得到同一试样连续性吸水过程中不同含水量和体积膨胀率的关系，然后根据有限元方法确定不同含水量和膨胀力的关系。避免了不同含水量采用不同的试样测量其体积膨胀率，而不同的试样其变形特性并不相同所带来的误差，其测量结果更精确、可靠。

二、利用应变式三轴仪的压力室向膨胀土试样施加等于现场测得的隧道膨胀土水平方向的荷载的水压，并通过应变式三轴仪的垂直加压系统从上部向膨胀土试样施加垂直荷载，并使垂直荷载与压力室的水压之和等于现场测得的隧道膨胀土垂直荷载相等，从而真实地模拟出隧道开挖过程中，膨胀土体在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，更真实、准确的测出膨胀土在三向应力状态下含水量与膨胀力的关系。更加准确的掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供更可靠的试验依据。

三、较之现有的用一个环刀测试系统、一个试样测试一个含水量及其对应的膨胀率，多组数据需要多个环刀测试系统和多个试样分别测试的方法，本发明用一个应变式三轴仪、一个膨胀土试样连续地测出膨胀土在连续吸水膨胀过程中的不同含水量及其对应的膨胀率，在降低测试误差的同时，还减少了测试的操作，容易实施，便于推广。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例在进行E步操作时的应变式三轴仪的结构示意图。

图2是图1的A部放大示意图。

具体实施方式

实施例

图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是：

A、取样部位荷载的测试

测出工程现场的取样部位上方的垂直荷载σ₁及水平方向的荷载σ₃；

B、试样制备

将所取土样采用静压法制成重塑的膨胀土试样16，并在制备时记录膨胀土试样16的土颗粒质量m_s、初始含水质量m_w和体积V；

C、试样安装

用橡皮膜21将膨胀土试样16的侧面包裹好，在应变式三轴仪的压力室7底座上依次放置不透水石一19、下滤纸20、膨胀土试样16，然后在膨胀土试样16上部放置上滤纸22、不透水石二23，试样帽24；上排水管15的内端穿过试样帽24及不透水石二23与膨胀土试样16的顶部相连，外端穿出压力室7；下排水管11的内端穿过不透水石一19与膨胀土试样16的底部相连，外端穿出压力室7；最后在压力室7上部盖上压力室盖25；

D、施加压力

拧开应变式三轴仪的压力室盖25上的排气阀6，水压系统通过压力室7底座的进水孔13向压力室7注水，待压力室盖25上的排气阀6有水溢出时，关闭排气阀6，调节水压系统的调压阀使压力室7内的水压等于A步测得的水平方向的荷载σ₃；

转动加压手轮，使应变式三轴仪的穿过压力室盖25的活塞5的下端部通过试样帽24向膨胀土试样16加载，并通过与活塞5上端部相连的测力计3测出其加载的载荷△σ，当△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

E、进行试验

用吸耳球向应变式三轴仪的上排水管15和下排水管11注水，当两者的液面高于膨胀土试样16顶部后，打开上排水管15的阀门15a及下排水管11的阀门11a，使上排水管15穿过试样帽24的内端向膨胀土试样16的顶部渗水，使下排水管11穿过不透水石19的内端向膨胀土试样16的底部渗水；再打开与压力室7相连的体变管17的阀门17a；

随后，读取并记录下列读数，然后，每隔一个测量周期又读取并记录一次下列读数：（测量周期一般为20-40分钟）

反映膨胀土试样16体积变化的体变管17的读数

反映膨胀土试样16顶部渗水量的上排水管15的读数

反映膨胀土试样16底部渗水量的下排水管11的读数测力环3的读数△σ：其中，下标n为读取次数的序号；

直到上排水管15的读数

连续三次保持不变，且下排水管11的读数

也连续三次保持不变，结束试验；在试验过程中，当上、下排水管15、11的液面接近膨胀土试样16顶部时，即向其注水，使上、下排水管15、11的液面高出膨胀土试样16的顶部，以保证膨胀土试样16时刻处于吸水状态；同时，当读出的测力环3的读数△σ＜σ₁-σ₃时，须转动加压手轮，增加活塞施加于试样上部的荷载△σ直至△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

F、数据处理

根据D步测出的体变管17的读数

上排水管15的读数

下排水管11的读数

计算得出：

膨胀土试样（16）在三维受力情况下，连续性吸水过程中，第二次以后的每次读取读数时的含水量ω_n，及其对应的体积膨胀率η_n， ${\mathrm{\η}}_n=\frac{(V_n^t-V_l^t)}{V};$

再根据有限元计算得到每次读数时的体积膨胀率η_n和对应的膨胀力p_n，最后根据每次读数时的含水量ω_n和对应的膨胀力p_n，拟合得出隧道支护条件下膨胀土含水量ω与膨胀力p的关系。

Claims (1)

1.一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是：

A、取样部位荷载的测试

测出工程现场的取样部位上方的垂直荷载σ₁及水平方向的荷载σ₃；

B、试样制备

将所取土样采用静压法制成重塑的膨胀土试样（16），并在制备时记录膨胀土试样（16）的土颗粒质量m_s、初始含水质量m_w和体积V；

C、试样安装

用橡皮膜（21）将膨胀土试样（16）的侧面包裹好，在应变式三轴仪的压力室（7）底座上依次放置不透水石一（19）、下滤纸（20）、膨胀土试样（16），然后在膨胀土试样（16）上部放置上滤纸（22）、不透水石二（23），试样帽（24）；上排水管（15）的内端穿过试样帽（24）及不透水石二（23）与膨胀土试样（16）的顶部相连，外端穿出压力室（7）；下排水管（11）的内端穿过不透水石一（19）与膨胀土试样（16）的底部相连，外端穿出压力室（7）；最后在压力室（7）上部盖上压力室盖（25）；

D、施加压力

拧开应变式三轴仪的压力室盖（25）上的排气阀（6），水压系统通过压力室（7）底座的进水孔(13)向压力室（7）注水，待压力室盖（25）上的排气阀（6）有水溢出时，关闭排气阀（6），调节水压系统的调压阀使压力室（7）内的水压等于A步测得的水平方向的荷载σ₃；

转动加压手轮，使应变式三轴仪的穿过压力室盖（25）的活塞（5）的下端部通过试样帽（24）向膨胀土试样（16）加载，并通过与活塞（5）上端部相连的测力计（3）测出其加载的载荷△σ，当△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

E、进行试验

用吸耳球向应变式三轴仪的上排水管（15）和下排水管（11）注水，当两者的液面高于膨胀土试样（16）顶部后，打开上排水管（15）的阀门（15a）及下排水管（11）的阀门（11a），使上排水管（15）穿过试样帽（24）的内端向膨胀土试样（16）的顶部渗水，使下排水管（11）穿过不透水石（19）的内端向膨胀土试样（16）的底部渗水；再打开与压力室（7）相连的体变管（17）的阀门（17a）；

随后，读取并记录下列读数，然后，每隔一个测量周期又读取并记录一次下列读数：

反映膨胀土试样（16）体积变化的体变管（17）的读数反映膨胀土试样（16）顶部渗水量的上排水管（15）的读数

反映膨胀土试样（16）底部渗水量的下排水管（11）的读数

测力环（3）的读数△σ：其中，下标n为读取次数的序号；

直到上排水管（15）的读数

连续三次保持不变，且下排水管（11）的读数

也连续三次保持不变，结束试验；在试验过程中，当上、下排水管（15、11）的液面接近膨胀土试样（16）顶部时，即向其注水，使上、下排水管（15、11）的液面高出膨胀土试样（16）的顶部，以保证膨胀土试样（16）时刻处于吸水状态；同时，当读出的测力环（3）的读数△σ＜σ₁-σ₃时，须转动加压手轮，增加活塞施加于试样上部的荷载△σ直至△σ=σ₁-σ₃时，保持该加载载荷；

F、数据处理

根据D步测出的体变管（17）的读数

上排水管（15）的读数

下排水管（11）的读数

计算得出：

膨胀土试样（16）在三维受力情况下，连续性吸水过程中，第二次以后的每次读取读数时的含水量ω_n，

及其对应的体积膨胀率η_n， ${\mathrm{\η}}_n=\frac{(V_n^t-V_l^t)}{V};$

再根据有限元计算得到每次读数时的体积膨胀率η_n和对应的膨胀力p_n，最后根据每次读数时的含水量ω_n和对应的膨胀力p_n，拟合得出隧道支护条件下膨胀土含水量ω与膨胀力p的关系。

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