CN103981848B - 轻质土施工期沿路堤深度强度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了轻质土施工期沿路堤深度强度测试装置及测试方法，测试装置包括贯入系统与支架，贯入系统为电动机连接变速箱，蜗杆向下穿过变速箱后连接压力传感器和位移传感器再连接取芯样管，取芯样管下端设有转头，蜗杆表面有旋转螺纹，变速箱通过旋转螺纹驱动蜗杆转动；支架为面板下面设置柱腿，柱腿下面设置底座；贯入系统中变速箱和电动机设置于支架面板上，蜗杆向下穿过面板；测试方法为将取芯样管端头与轻质土表面预接触，记录压力传感器、位移传感器初始值；然后开启电动机，调节变速箱，贯入取芯样管，贯入过程中同步记录压力、位移值；待贯入至指定深度，即可停止试验。本发明可快速确定施工期气泡混合轻质土沿路堤不同深度的强度特性。

Description

轻质土施工期沿路堤深度强度测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于工程建筑领域，具体涉及一种轻质土施工期路堤深度强度测试装置及测试方法。

背景技术

轻质土作为一种新型的岩土材料，因其具有轻质性、自立性、自密性、容重和强度可调节性、施工便捷性、保温隔热性等特点，已在地铁上覆荷载超载、地下管线与地下空洞填充、保温隔热等方面成功应用，并逐步应用至高等级公路路堤填筑工程。轻质土施工期沿路堤深度强度大小，将影响浇筑厚度、浇筑间隔等施工工艺，而且将影响轻质土路堤最终填筑质量，如：轻质土路堤裂缝的萌生等质量问题。因此，轻质土施工期沿路堤深度强度测试具有较大的工程价值。

目前，国内外没有针对轻质土施工期沿路堤深度强度测试装置，一般而言，轻质土属于类水泥制品，因此与轻质土相关的强度测试，主要是混凝土强度测试装置。然而，轻质土与混凝土有极大差异，如轻质土内部含有大量气泡，密度相当于普通水泥混凝土的1/5-1/8左右，抗压强度一般在0.3-5MPa之间。因此，目前混凝土强度的测试装置对于轻质土并不适用，而且部分强度的测试规程也做了明确说明，如，《回弹法检测混凝土抗压强度试验规程》(JGJ/T23-2011)中1.0.2条文明确表明，回弹法不适合表层和内部强度有明显差异或内部存在缺陷的混凝土强度检测；《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS-03：2007)中1.0.2条文明确表明，钻芯法强度仅适用于10-100MPA之间的混凝土强度检测；《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS-02：2005)中1.0.3条文说明中明确表明，该规程适用于密度为2400kg/m³(轻质土密度小于1000kg/m³)左右的结构混凝土等。因此，气泡混合轻质土用于路堤填筑，其施工期内部强度的获取目前仍没有可靠装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻质土施工期路堤深度强度测试装置及测试方法，本发明可快速确定施工期气泡混合轻质土沿路堤不同深度的强度特性，优化施工浇筑厚度、浇筑均匀度、时间间隔等工艺，从施工工艺角度提高气泡混合轻质土路堤填筑质量。

轻质土施工期路堤深度强度测试装置，包括贯入系统与支架，贯入系统包括蜗杆、变速箱、电动机、压力传感器、位移传感器、取芯样管和钻头；其中电动机连接变速箱，蜗杆向下穿过变速箱后连接压力传感器和位移传感器再连接取芯样管，取芯样管下端设有钻头，钻头为环向无内外摩阻力钻头，蜗杆表面有旋转螺纹，变速箱通过旋转螺纹驱动蜗杆转动；支架包括面板、柱腿和底座，面板下面设置柱腿，柱腿下面设置底座；贯入系统中变速箱和电动机设置于支架面板上，蜗杆向下穿过面板。

所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置，可以为压力传感器一端连接蜗杆，另一端连接取芯样管；位移传感器为拉线式传感器，有固定端与同步伸长端，其中固定端固定于面板的底部，同步伸长端固定于取芯样管的顶端，取芯样管贯入过程中，位移传感器同步伸长记录相应的贯入位移量。

所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置，所述环向无内外摩阻力钻头可以为圆锥形钻头，内部空心，底面内部空心内径与取芯样管内径相同，钻头顶端开口，开口处内径小于取芯样管内径；钻头嵌套于取芯样管上，通过螺栓连接，嵌套部分的外径小于钻头底面外径。

所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置测试轻质土施工期路堤深度强度的方法，包括以下步骤：

步骤一，组装并调试仪器，待浇筑完毕的轻质土固化后将仪器放置于贯入位置处并在仪器底座周围施加反力；

步骤二，将取芯样管端头与轻质土表面接触，记录压力传感器、位移传感器初始值；

步骤三，开启电动机，调节变速箱，贯入取芯样管，贯入过程中同步记录压力、位移值；步骤四，待贯入至需测深度，即可停止试验。

所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置测定轻质土施工期路堤深度强度的方法，步骤三中贯入取芯样管的速度可以为50-60mm/min。

钻头与取芯样管为螺栓连接，当样管旋转钻进时，传统样管的内外壁与土体摩擦，随着深度增加，摩擦力随之增加，钻头处土体抗压强度无法直接从仪器贯入阻力得出，贯入阻力包括锥头压力、样管侧壁摩擦力。本发明的钻头改进之处在于：气泡混合轻质土为水泥制品，贯入过程中，土体变形量小，钻头内壁与样管内土体没有直接接触，因此没有内摩阻力；钻头外部上端AE面与土体也没有接触，样管外壁与土样也没有接触，因此仪器贯入时无外摩阻力，外摩阻力为AD1面上阻力。钻进完成后回旋提出样管时，因CD1倾斜面作用，气泡混合轻质土芯样即可被带出。

本发明可快速确定施工期气泡混合轻质土沿路堤不同深度的强度特性，优化施工浇筑厚度、浇筑均匀度、时间间隔等工艺，从施工工艺角度提高气泡混合轻质土路堤填筑质量。

附图说明

图1为轻质土施工期沿路堤深度强度测试装置示意图，其中，1为蜗杆，2为变速箱，3为电动机，4为面板，5为压力传感器，6为位移传感器，7为取芯样管，8为钻头，9为柱腿，10为底座；

图2为环向无内摩阻力钻头的受力分析图；

图3为轻质土施工期沿路堤深度强度测试曲线；

图4为轻质土施工期沿路堤深度强度曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，轻质土施工期路堤深度强度测试装置，包括贯入系统与支架，贯入系统包括蜗杆1、变速箱2、电动机3、压力传感器5、位移传感器6、取芯样管7和钻头8；其中电动机3连接变速箱2，蜗杆1向下穿过变速箱2后连接压力传感器5和位移传感器6再连接取芯样管7，取芯样管7下端设有钻头8，钻头8为环向无内外摩阻力钻头，蜗杆1表面有旋转螺纹，变速箱2通过旋转螺纹驱动蜗杆1转动；支架包括面板4、柱腿9和底座10，面板4下面设置柱腿9，柱腿9下面设置底座10；贯入系统中变速箱2和电动机3设置于支架面板4上，蜗杆1向下穿过面板4。

本实施例中压力传感器5一端连接蜗杆1，另一端连接取芯样管7，两端都为刚性连接；位移传感器6为拉线式传感器，有固定端与同步伸长端，其中固定端固定于面板4的底部，同步伸长端固定于取芯样管7的顶端，取芯样管7贯入过程中，位移传感器6同步伸长记录相应的贯入位移量；同时钻头8为圆锥形钻头，内部空心，底面内部空心内径与取芯样管7内径相同，钻头8顶端开口，开口处内径小于取芯样管7内径；钻头8嵌套于取芯样管7上，嵌套部分的外径小于钻头底面外径。

对一施工工地轻质土施工期路堤深度强度进行测定，步骤如下：

步骤一，选取浇筑场地平整区域进行贯入，操作工作区间为4m²，组装并调试仪器，待浇筑完毕的轻质土固化6.5小时后将仪器于贯入位置处在并在仪器底座周围施加反力；

步骤二，将取芯样管7端头与轻质土表面接触，记录压力传感器5、位移传感器6初始值；步骤三，开启电动机3，调节变速箱2，贯入取芯样管7，其中取芯样管7的速度为50-60mm/min，贯入过程中同步记录压力、位移值；因实际操作中不能准确地以恒定速度进行贯入，因此只需保证贯入速度为50-60mm/min即可。

步骤四，待贯入至800mm深度后停止试验。数据处理如下：

如图2所示，为本实施例中钻头8与取芯样管7的外径差，长为20mm；为取芯样管7的壁厚，厚度为10mm；为钻头8尾部内径收缩值，大小为10mm；为钻头8端部半径，大小为r；为钻头8的长度，大小为h；为钻头8圆锥面的母线长，大小为L；P_i为贯入力；∠AD₁D为圆锥体的半顶角，大小为θ。

以为母线的圆锥体表面积：

$S=\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{{\mathrm{AOAO}}_2}-\mathrm{\π}\stackrel{\‾}{D_1{O}_1{D}_1{O}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{\sin \mathrm{\θ}}(R^2-r^2)---\left(1\right)$

根据静力平衡条件，作用在钻头8圆锥面竖向作用力为P_i，圆锥面法向作用力为：

F_i＝P_isinθ(2)

沿路堤深度某处钻头7的法向应力为：

${\mathrm{\σ}}_i=\frac{F_i}{S}=\frac{P_i{\mathrm{sin\θ}}^2}{\mathrm{\π}(R^2-r^2)}---\left(3\right)$

根据轻质土均质各相同性的特点，其抗压强度：

$f_c={\mathrm{\σ}}_i=\frac{P_i{\mathrm{sin\θ}}^2}{\mathrm{\π}(R^2-r^2)}---\left(4\right)$

$f_{cx}={\mathrm{\σ}}_{i}sin\mathrm{\θ}=\frac{P_i{\mathrm{sin\θ}}^3}{\mathrm{\π}(R^2-r^2)}---\left(5\right)$

$f_{cy}={\mathrm{\σ}}_{i}cos\mathrm{\θ}=\frac{P_i{\mathrm{sin\θ}}^{2}cos-\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ρ}\left(R^2-r^2\right)}---\left(6\right)$

为保证测试数据的可靠性，可通过取芯样管7获得的土样进行室内无侧限抗压强度测试，获取室内抗压强度f_cu，与现场数据相互校核获取修正系数k。

取h为40mm，则θ为45度；取样管内径为50mm，则钻头7端部半径r为40mm，进行轻质土施工期沿路堤深度强度的贯入测试，获取压力与位移曲线，如图3所示，现场测得p_max为17.185KN，深度为34.46mm，与室内数据校核获得k为1.0。

通过式(4)计算获得气泡混合轻质土施工期沿路堤深度强度见图4。该轻质土施工期沿路堤深度的强度变化范围为0.84-1.14MPa，最大抗压强度位于34.46mm深度，最大值为1.14MPa。

Claims (4)

1.轻质土施工期路堤深度强度测试装置，其特征在于：包括贯入系统与支架，贯入系统包括蜗杆（1）、变速箱（2）、电动机（3）、压力传感器（5）、位移传感器（6）、取芯样管（7）和钻头（8）；其中电动机（3）连接变速箱（2），蜗杆（1）向下穿过变速箱（2）后连接压力传感器（5）和位移传感器（6）再连接取芯样管（7），取芯样管（7）下端设有钻头（8），钻头（8）为环向无内外摩阻力钻头，蜗杆（1）表面有旋转螺纹，变速箱（2）通过旋转螺纹驱动蜗杆(1)转动；支架包括面板（4）、柱腿（9）和底座（10），面板（4）下面设置柱腿（9），柱腿（9）下面设置底座（10）；贯入系统中变速箱（2）和电动机（3）设置于面板（4）上，蜗杆（1）向下穿过面板（4）；以上所述环向无内外摩阻力钻头为圆锥形钻头，内部空心，底面内部空心内径与取芯样管（7）内径相同，钻头（8）顶端开口，开口处内径小于取芯样管（7）内径；钻头（8）嵌套于取芯样管（7）上，通过螺栓连接，嵌套部分的外径小于钻头底面外径。

2.根据权利要求1所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置，其特征在于：压力传感器（5）一端连接蜗杆（1），另一端连接取芯样管（7）；位移传感器（6）为拉线式传感器，有固定端与同步伸长端，其中固定端固定于面板（4）的底部，同步伸长端固定于取芯样管（7）的顶端，取芯样管（7）贯入过程中，位移传感器（6）同步伸长记录相应的贯入位移量。

3.权利要求1所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置测试轻质土施工期路堤深度强度的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，组装并调试仪器，待浇筑完毕的轻质土固化后将仪器放置于贯入位置处并在仪器底座周围施加反力；

步骤二，将取芯样管端头与轻质土表面接触，记录压力传感器、位移传感器初始值；

步骤三，开启电动机，调节变速箱，贯入取芯样管，贯入过程中同步记录压力、位移值；

步骤四，待贯入至需测深度，即停止试验。

4.根据权利要求3所述的轻质土施工期路堤深度强度测试装置测定轻质土施工期路堤深度强度的方法，其特征在于：步骤三中贯入取芯样管的速度为50-60mm/min。