CN104634944A - 一种新型土壤径向膨胀率测试仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型土壤径向膨胀率测试仪及其使用方法，通过制定环状试件，将位移测试仪器安置于试件内环，从而在其内部测定径向膨胀率，改变了以往从试件外侧测定土体膨胀变形的传统模式；环状试件外部框箍，测试仪器安置于内环，克服了常规径向膨胀率测定中测试仪器安放与刚性环刀侧限之间的矛盾，摆脱了对柔性固结仪和不同刚度固结环的依赖，避免了刚度测试精度和操作复杂的问题，使操作简单、方便快捷；通过对注水装置的改进，使水分可仅从上下两端逐渐向中间渗透，保证了内环被测土体不发生溃散、崩解、掉块、软化等现象。由底座、上盖、螺杆、螺栓组成的框架装置可在试验过程中固定竖向位移，防止试样产生竖向膨胀变形，保证测试精度。

Description

一种新型土壤径向膨胀率测试仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于土壤径向膨胀率测定的新型装置及其使用方法。

背景技术

膨胀土作为一种特殊岩土在我国分布广泛，严重制约了我国基础设施建设，同时，作为理想的核废物缓冲回填材料，其膨胀力及膨胀变形的测定显得尤为重要。现有规范所采用的测试方法主要为膨胀反压法、加压膨胀法及平衡加压法，这些试验方法只能够测试有侧限条件下的竖向膨胀力和膨胀变形，而对于工程中迫切需要获取的允许土体有径向或侧向位移的情况，却无法准确测定其膨胀率。

近年来国内外专家和学者们改进和研制了基于不同的固结环刚度开发的柔性固结仪，但在径向膨胀率测试时，测试仪器中试件的安放与刚性环刀侧限之间存在矛盾，并对柔性固结仪和不同刚度固结环存在依赖，从而使测试精度难以保证。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术不足，提供一种结构组成简单、测试效果良好、成本低廉、操作简单、可广泛应用的土体径向膨胀率测试仪及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种新型土壤径向膨胀率测试仪，包括盛水容器，盛水容器内置有框架装置；所述框架装置的底座上由下往上依次放置底层透水石、环状滤纸、带有土体环状试样的大尺寸环刀，环状滤纸、和环状透水石，所述环状透水石的环内置有等厚的圆形玻璃；所述大尺寸环刀外套有套环；所述框架装置的上盖置于环状透水石上，上盖与底座之间由竖向固定装置连接，固定装置给予上盖一定压力使框架装置内部的各部件接触紧密，以限制试样的竖向变形；所述环状试样的内部放有小型位移计，所述位移计置于环状试样的竖直中心轴线处，其两端测头沿环状试样的直径方向触碰试样的内壁，环状试样浸水后向内侧产生侧向膨胀，内置的位移计可读取产生的膨胀变形；所述上盖有一与圆形玻璃相应的孔洞。

所述环状试样的内壁沿任一直径方向的两端各贴有一个条形金属垫片，所述测头刚好碰触金属垫片中间部位。

所述圆形玻璃与环状透水石固结为一体。

所述圆形玻璃嵌套于环状透水石之内，二者恰好吻合。

所述大尺寸刀环的外径为140mm，高度为40mm。

所述小型位移计下放有调节高度的垫块。

应用上述装置实现对试样的径向膨胀率进行测量，包括以下步骤：

(1).制备与大尺寸环刀内径相符的环状试样；

(2).将试样安装于测定仪内；

(3).向盛水容器内注水，并记录膨胀变形数据；

(4).整理结果；计算任一时刻的径向膨胀率：

${\mathrm{\δ}}_e=\frac{\mathrm{\π}{r}^2-\mathrm{\π}{r}^{\′2}}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100=\frac{(r+r^{\′})(r-r^{\′})}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100=\frac{(r+r^{\′})\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100$

由以上推导，得δ_e：

${\mathrm{\δ}}_e=\frac{(2r-\mathrm{\ΔH})}{R^2-r^2}\×100$

ΔΗ＝H_t-H₀

式中：δ_e——t时刻时土的径向膨胀率(％)，计算至0.1

ΔH——t时刻试样膨胀增量

H₀——试验开始时位移计读数

H_t——试验t时刻位移计读数

R——试件外环半径(本装置规定试件外径140mm)

r——试件内环半径(本装置规定试件内径61.8mm)

r′——t时刻试件内环半径

其中，步骤(1)中，首先按土工试验方法标准使用大尺寸环刀制备柱状土样，切取原状土样时，应使试样在试验时的受压情况与天然土层收荷方向一致；然后将两常规环刀垂直叠加，形成高度为40mm的刀环，按照土工试验方法标准切割并挖除大尺寸环刀土样中心部位的当量土体，即得土体环状试样。

步骤(2)中，将框架装置的底座置于盛水容器中，依次在底板上放置底层透水石、滤纸、套环，将带有环状试件的大尺寸环刀刀口朝下置于套环之中；依次在环状试件内部放置垫块和小型位移计，将小型位移计读数归零；在试件上方依次加铺环状滤纸、内嵌有圆形玻璃的环形透水石；将框架装置的上盖安置在环状透水石上方，并通过螺栓固定，并给予一定压力以使各部件接触紧密。

步骤(2)中，将两个条形金属垫片沿任一直径方向固定在环状试件内部的环壁上，所述位移计两端的测头恰与金属垫片接触。

步骤(3)中，将纯水注入盛水容器中，盛水容器中水面须淹没上方透水石；记录注水后的初始时间，每间隔5min测记百分表读数，直至试件不再膨胀为止，记录位移计读数。

本发明的有益效果为：

该装置改变了以往从试件外侧量测土体膨胀变形的传统模式，通过制定环状试件，将位移测试装置安置于试件内环，从而在其内部测定径向膨胀率，改变了应用常规试验装置只能测得竖向膨胀率的现状；该使用方法中，环状试件外部框箍，测试装置安置于内环，克服了现有径向膨胀率量测中测试仪器安放与刚性环刀侧限之间的矛盾；摆脱了对柔性固结仪和不同刚度固结环的依赖，使操作简单、方便快捷；通过对注水装置的改进，使水分可仅从上下两端逐渐向中间渗透，而非直接进入环状试件内环部分，保证了内环被测土体不发生崩解、掉块、软化等现象；由底座、上盖、螺杆、螺栓组成的框架装置可在试验过程中固定竖向位移，防止试样产生竖向膨胀变形，保证试验的准确性；所述大尺寸环刀高度为40mm，是两个常规环刀的高度和，便于将两个常规环刀叠加挖除内部土柱形成环状试样；所述大尺寸环刀的外径为140mm，可方便的使用内径为152mm的标准击实仪器的岩芯制作试样，且环状试样的内径为常规环刀的直径，即61.8mm，因此使用该尺寸的环状试样尺寸合理。

1.本发明改变了现有试验中从试件外围测试土体膨胀变形的传统模式，通过环状试件的制作，克服了现有径向膨胀率测定中测试仪器安放与刚性环刀侧限之间的矛盾；

2.本发明实现了仅通过常规室内试验装置即可对径向膨胀率进行测定，相较于其他径向测试仪器节省了大量的成本和人力，方便快捷，操作简单；

3.本发明创造性地将测试装置安置于内环，摆脱了对柔性固结仪和不同刚度固结环的依赖，避免了刚度测试精度和操作复杂的问题，同时也间接地使试件的制作变的更为简单；

4.本发明所设的注水装置，避免了径向膨胀率测定中出现的试件土体溃散、崩解、掉块等现象，提高了测试精度。

5.本发明增设的由底座、上盖、螺杆、螺栓组成的框架装置可在试验过程中固定竖向位移，防止试样产生竖向膨胀变形，省略了对竖向百分表与其配套支架的依赖。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为本发明的立体结构示意图。

其中1.小型位移计(最小分度为0.001mm千分表)；2.土体环状试件；3.大尺寸环刀；4.条形金属垫片；5.垫块；6.环状透水石；7.圆形玻璃；8.套环；9.底层透水石；10.环状滤纸；11.框架装置；12.盛水容器；13底座；14上盖；15螺杆；16螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明：

一种新型土壤径向膨胀率测试仪，下部主要包括方形盛水容器12，底层透水石9，置于底层透水石9上方的滤纸10，将由大尺寸环刀3和土体环状试件2组成的环刀样放置于底层透水石9和滤纸10上方，安装套环8以固定试样，环状试件2内部沿某一径向贴放两条形金属垫片4，以防位移计1测头插入土样中影响测试效果，安放小型位移计1，使其测头刚好置于两条形金属垫片4上，位移计1底部安放垫块5以固定其位置；上部主要包括环状滤纸10，环状透水石6，圆形玻璃7；以及由底座13、上盖14、螺杆15、螺栓16组成的框架装置11，其作用是在试验过程中固定竖向位移，防止试样产生竖向膨胀变形。

一种新型土壤径向膨胀率测试仪，其使用方法包括以下几步：

(1)试样制备

①根据工程需要切取原状土样或者制备所需湿度密度的扰动土样，切取原状土样时，应使试样在试验时的受压情况与天然土层受荷方向一致；

②用钢丝锯将土样修剪成略大于大尺寸环刀(直径140mm，高度40mm)的土柱，其中对于扰动土的取样，可直接从标准击实仪的套筒内获取；然后用手轻轻将大尺寸环刀垂直下压，边压边修，直至大尺寸环刀装满土样为止。再用刮刀修平两端，同时注意刮平试样时，不得用刮刀往复涂抹土面。在切削过程中，应细心观察试样并记录其层次、颜色和有无杂质等，得到大尺寸环刀试样；

③在常规环刀(直径61.8mm，高度20mm)内壁涂一薄层凡士林，利用两垂直叠加的常规环刀重复②中相应步骤，挖除大尺寸环刀土样中心部位当量土体，即得土体环状试样。

(2)试样安装

①将框架装置11的底座置于盛水容器12中，依次在底板上放置底层透水石9、滤纸10、套环8；

②环刀刀口向下，将环状试件2置于套环8之中，并将两条形金属垫片4沿轴线固定在环状试件内部环壁上；

③依次在环状试件内部放置垫块5和小型位移计1，并将位移计两端测头置于金属垫片4上，以防测头在试验过程中陷入测试土体内部，同时将小型位移计1读数归零；

④在试件上方依次加铺环状滤纸10和环形透水石6，中心位置安装有圆形玻璃7，以防止中心渗水过大，并方便读取位移计数值；

⑤将框架装置11的上盖安置在环状透水石上方，并通过螺栓固定，并给予一定压力以使各部件接触紧密；

(3)向盛水容器内注水，并记录膨胀变形数据；

①注纯水入盛水容器12中，容器中水面须淹没上方透水石；

②记下开始注水时间，每间隔5min测记百分表读数，直至试件不再膨胀为止。

(3)结果整理

计算任一时刻的径向膨胀率：

${\mathrm{\δ}}_e=\frac{\mathrm{\π}{r}^2-\mathrm{\π}{r}^{\′2}}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100=\frac{(r+r^{\′})(r-r^{\′})}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100=\frac{(r+r^{\′})\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{\π}{R}^2-\mathrm{\π}{r}^2}\×100$

由以上推导，得δ_e：

${\mathrm{\δ}}_e=\frac{(2r-\mathrm{\ΔH})}{R^2-r^2}\×100$

ΔΗ＝H_t-H₀

式中：δ_e——t时刻时土的径向膨胀率(％)，计算至0.1

ΔH——t时刻试样膨胀增量

H₀——试验开始时位移计读数

H_t——试验t时刻位移计读数

R——试件外环半径(本装置规定试件外径140mm)

r——试件内环半径(本装置规定试件内径61.8mm)

r′——t时刻试件内环半径

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型土壤径向膨胀率测试仪，其特征在于：包括盛水容器，盛水容器内置有框架装置；所述框架装置的底座上由下往上依次放置底层透水石、环状滤纸、带有土体环状试样的大尺寸环刀，环状滤纸、和环状透水石，所述环状透水石的环内为等厚的圆形玻璃；所述大尺寸环刀外套有套环；所述框架装置的上盖盖在环状透水石上，上盖与底座之间由竖向固定装置连接，固定装置给予上盖一定压力使框架装置内部的各部件接触紧密，以限制试样的竖向变形；所述环状试样的内部放有小型位移计，所述位移计置于环状试样的竖直中心轴线处，其两端测头沿环状试样的直径方向触碰试样的内壁，环状试样浸水后向内侧产生侧向膨胀，内置的位移计可读取产生的膨胀变形；所述小型位移计下放有调节高度的垫块；所述上盖有一与圆形玻璃相应的孔洞。

2.根据权利要求1所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪,其特征在于：所述环状试样的内壁沿任一直径方向的两端各贴有一个条形金属垫片，所述测头刚好碰触金属垫片中间部位。

3.根据权利要求1所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪,其特征在于：所述圆形玻璃与环状透水石固结为一体。

4.根据权利要求1所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪,其特征在于：所述圆形玻璃嵌套于环状透水石之内，二者恰好吻合。

5.根据权利要求1所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪,其特征在于：所述大尺寸刀环的直径为140mm，高度为40mm。

6.根据权利要求1至5所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪的操作方法,其特征在于，包括以下步骤：

(1).制备与大尺寸环刀内径相拟合的环状试样；

(2).将试样安装于测定仪内；

(3).向盛水容器内注水，并记录膨胀变形数据；

(4).整理结果；计算任一时刻的径向膨胀率：

由以上推导，得δ_e：

ΔΗ＝H_t-H₀

式中：δ_e——t时刻时土的径向膨胀率(％)，计算至0.1

ΔH——t时刻试样膨胀增量

H₀——试验开始时位移计读数

H_t——试验t时刻位移计读数

R——试件外环半径(本装置规定试件外径140mm)

r——试件内环半径(本装置规定试件内径61.8mm)

r′——t时刻试件内环半径。

7.根据权利要求6所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪的操作方法,其特征在于：步骤(1)中，首先按土工试验规程标准方法使用大尺寸环刀制备柱状土样，切取原状土样时，应使试样在试验时的受压情况与天然土层受荷方向一致；然后将两常规环刀垂直叠加，形成高度为40mm的刀环，按照土工试验方法标准切割并挖除大尺寸环刀土样中心部位的当量土体，即得土体环状试样。

8.根据权利要求6所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪的操作方法,其特征在于：步骤(2)中，将框架装置的底座置于盛水容器中，依次在底板上放置底层透水石、滤纸、套环，将带有环状试件的大尺寸环刀刀口朝下置于套环之中；依次在环状试件内部放置垫块和小型位移计，将小型位移计读数归零；在试件上方依次加铺环状滤纸、带有圆形玻璃的环形透水石；将框架装置的上盖安置在环状透水石上方，并通过螺栓固定，并给予一定压力以使各部件接触紧密。

9.根据权利要求8所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪的操作方法,其特征在于：将两个条形金属垫片沿任一直径方向固定在环状试件内部的环壁上，所述位移计两端的测头恰与金属垫片接触。

10.根据权利要求6所述的一种新型土壤径向膨胀率测试仪的操作方法,其特征在于：步骤(3)中，纯净水注入盛水容器中，盛水容器中水面须淹没上方透水石；记录注水后的初始时间，浸水后每隔5min测记读数一次，直至膨胀稳定，记录位移计读数。