CN106092745A - 一种有荷膨胀试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种有荷膨胀试验方法及装置，试验方法是按有荷膨胀试验方法的规定制备试样，将试样置于固结仪中，在试样上端面设置一块直径大于环刀直径的透水石板，然后，将固结仪的盖板叠置在透水石板上，对试样施加设定载荷P，进行有荷膨胀试验。所述装置是在现有有荷膨胀试验装置中增加一块直径大于环刀直径透水石板。本发明试验方法简单、操作方便、结构合理，通过严格控制试样的初始状态，测量得到的膨胀土有荷膨胀率与实际情况更为一致。解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土湿胀变形能力的技术难题，适于工程上应用。

Description

一种有荷膨胀试验方法及装置

技术领域

本发明公开了一种有荷膨胀试验方法及装置；特别是指一种通过增加土样上覆透水石直径来严格控制试验土样的初始状态(初始含水率和初始干密度)的有荷膨胀试验方法及装置。属于公路膨胀土土工试验技术领域。

背景技术

膨胀土富含膨胀性粘土矿物，具有显著的遇水膨胀软化、失水收缩开裂特性。膨胀土地区公路建设中，因膨胀土天然含水率高，难以压实且水稳性差，用膨胀土填筑的路基易发生运营期增湿膨胀、干密度降低、承载力下降，导致路面早期破坏。掌握膨胀土的变形规律，正确预估和控制膨胀土路基变形，确保路基刚度的长期稳定，是合理有效利用膨胀土填筑路基的关键，对于降低造价、减少借弃土占地、保证工程质量具有重要工程实际意义。

根据非饱和土的土水特征曲线可知：非饱和土在压缩过程中，即使其含水率变化很小，其基质吸力的变化相当大，非饱和土的应力场变化较大。而实际工程中，路基在建设及运营期间，其含水率确会发生较大变化，导致膨胀土路基发生湿胀变形。在设计时，对路基湿胀变形的预测，是根据测定的膨胀土有荷膨胀率δ_ep，采用分层总和法计算。

在现有的膨胀土湿胀变形计算公式中，其默认土样的干密度和初始含水率是确定已知的。在我国的现行公路土工试验规程中，有荷膨胀试验的土样为模拟施工现场的压缩固结过程，设计了试样的固结过程，由于在加载过程中使用了直径略小于环刀直径的透水石，在固结过程中，首先对土样施加设计载荷，然后，再注水对土样进行浸泡；使得土样在加水前已被压缩，其高度H'与制样时高度H₀不一致，即加水前的土样高度H'≠H₀。而试样为非饱和土，在压缩过程中其干密度和含水率都会发生变化，导致计算得到的有荷膨胀率无法对应其准确的干密度和含水率状态。以安徽膨胀土为例，其设计初始含水率为17.4％，干密度为1.68g/cm³。根据现行土工规程，在50kPa、100kPa、150kPa下进行固结后测得其土样压缩量分别为0.134mm、0.254mm、0.317mm，干密度分别增大至1.70g/cm³、1.71g/cm³、1.72g/cm³。

在湿胀变形预测中，若不能严格准确提供土样对应土样初始含水率及干密度的有荷膨胀量，将导致变形预测与实际预测有偏差，导致工程量的增加，资源浪费。

国内对有荷膨胀试验方法的改进曾有过探讨，边加敏提出在有荷膨胀的固结过程中，以其预计承受的最大荷载为固结荷载，土样固结后参照土工试验规程进行试验并计算。但笔者认为，该方法仍旧忽略了土样在固结过程中的压缩量，其初始状态是无法确定的。

故提出这种新的有荷膨胀试验方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有规程之不足而提供一种试验方法简单、操作方便、结构合理、严格控制试样的初始状态的有荷膨胀试验方法及装置。

本发明一种有荷膨胀试验方法，是按有荷膨胀试验方法的规定制备试样，将试样置于固结仪中，在试样上端面设置一块直径大于环刀直径的透水石板，然后，将固结仪的盖板叠置在透水石板上，对试样施加设定载荷P，进行有荷膨胀试验。

本发明一种有荷膨胀试验方法，按工程需要取原状土样或扰动土样，制成土样厚度与环刀厚度相同的试样。

本发明一种有荷膨胀试验方法，试样厚度为20mm。

本发明一种有荷膨胀试验方法，采用环刀取土样。

本发明一种有荷膨胀试验方法，所述原状土样是指天然状态下的膨胀土；所述扰动土样是指通过室内人为制备的特定含水率及干密度下的膨胀土。

本发明一种有荷膨胀试验方法，试样取样份数为2-4份。

本发明一种有荷膨胀试验方法，所述透水石板的直径比环刀外径至少大1mm。

发明一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：采用静压制样制备特定含水率和干密度下的试样，其制样过程中不允许有水渗出或土样质量损失超过0.1g。

本发明一种有荷膨胀试验方法，包括下述步骤：

第一步：试验前，对固结仪施加设定载荷P进行变形校正，记录荷载P作用下仪器的压缩变形量R_P；

第二步：试样制备

根据有荷膨胀试验方法规定的试样数量，取相同数量的环刀，分别称量环刀重量并记录；

取待测土样，采用环刀取土样，制备与环刀高度相同的试样；

第三步：测量

将试样安装在固结仪上，在试样上端面设置一块完全覆盖试样上表面的透水石板后，将固结仪的盖板叠置在透水石板上，保证试样在透水石板正下方，施加1-2kPa的压力，使仪器各部分接触，记录千分表的初始读数R₀；

通过透水石板对试样施加设定载荷P，向固结仪中注入蒸馏水水，并始终保持水面超过试样上表面5-8mm，使试样自下而上浸水；浸水后每隔2h记录千分表读数一次，直至相邻两次千分表读数差值小于等于0.01mm时，结束试验，最后一次记录的千分表读数R_t，即为试样在荷载P作用下膨胀稳定后的膨胀量；按式1计算有荷膨胀率δ_ep；

${\mathrm{\δ}}_{ep}=\frac{R_t+R_P-R_0}{H_0}\×\mathrm{100...}\left(1\right)$

式中：δ_ep——荷载P(kPa)作用下的膨胀率(％)，计算至0.1；

H₀——试样的初始高度(mm)；

R_t——荷载P作用下膨胀稳定后的千分表读数(mm)；

R_P——荷载P作用下仪器的压缩变形量(mm)；

R₀——试样加荷前的千分表读数(mm)。

本发明一种有荷膨胀试验方法，试验结束后，取出试样，擦干环壁及其他表面水，称量浸水后试样的总重量，然后，烘干，称量干燥后试样的总重量，计算土样膨胀后含水率和孔隙比。

一种有荷膨胀试验装置，所述有荷膨胀试验装置是在现有有荷膨胀试验装置中增加一块透水石板，所述透水石板直径大于环刀直径，一个侧面覆盖在由土样与环刀构成的试样上端面，另一个侧面与有荷膨胀试验装置中的盖板连接，所述透水石板的直径比环刀外径至少大1mm。

本发明由于采用上述试验方法，采用了大于环刀直径的透水石，使得在施加上覆荷载时，盖板不会由于荷载往下移动而导致试件土样被压缩，试样在加载后不会发生固结的过程，保证了在加水膨胀前试样的高度H'与试样制备时的设计高度H₀完全一致，试验开始时，土样的初始含水率及干密度与试验土样的原始状态一致，得到了初始含水率及干密度与试验土样的原始状态一致条件下的膨胀土的有荷膨胀率，本发明得到的膨胀土有荷膨胀率与实际情况更为一致，为膨胀土地区路基湿胀变形提供了科学准确的原始资料。本发明提出的有荷膨胀试验方法能保证膨胀土试样的有荷膨胀试验是在确定的初始状态下进行，得到准确的膨胀土在相应荷载下的有荷膨胀率。克服了现行规程中，在加水前对土样施压固结压缩过程中导致土样含水率及干密度变化而带来测量得到的膨胀土有荷膨胀率与实际偏差较大的缺陷。

根据本发明提出的有荷膨胀试验方法并计算得到的膨胀土的有荷膨胀量，解决了膨胀土的湿胀变形能力的评价问题，能更准确地预测膨胀土在运营期内的湿胀变形值，以更科学、合理、有效的方式利用膨胀土进行路基填筑。

本发明试验方法简单、操作方便、结构合理，通过严格控制试样的初始状态，测量得到的膨胀土有荷膨胀率与实际情况更为一致。解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土湿胀变形能力的技术难题，适于工程上应用。

附图说明

附图1为实施例2的路基和隆起监测点位置示意图。

附图2为实施例2的路基隆起监测结果。

附图3为实施例2与对比例1中不同的试验方法得到的有荷膨胀率。

附图4为实施例2与对比例1中不同的试验方法得到的试样干密度。

附图5为实施例3与对比例2中不同试验方法得到的有荷膨胀率。

附图6为实施例3与对比例2中不同的试验方法得到的试样干密度。

附图7为实施例4与对比例3中不同试验方法得到的有荷膨胀率。

附图8为实施例4与对比例3中不同的试验方法得到的试样干密度。

附图9为本发明有荷膨胀试验方法中试验装置结构示意图。

附图中：

附图1为广西隆百高速公路ZK176+300～ZK176+410路基和隆起监测点位置。

附图2是对广西隆百高速公路ZK176+300～ZK176+410路基和隆起监测点，于2010年4月至2013年9月共历时3年左右，监测的路基隆起量，由图2可知路基变形最终稳定在3.04cm左右。

由附图3可知，在相同的上覆荷载及试验条件下，本发明提出的有荷膨胀试验得到的各级荷载下的有荷膨胀率均比由常规试验方法得到的小40％左右。

由附图4可看出，在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.58g/cm³，而常规方法由于荷载作用作用在直径较小的透水石上而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了2.96％。

由附图5可知，在相同的上覆荷载及试验条件下，本发明提出的有荷膨胀试验得到的各级荷载下的有荷膨胀率比由常规试验方法得到的小50％～100％。

由附图6可看出，在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.58g/cm3，而常规方法由于荷载作用作用在直径较小的透水石上而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了3.75％。

由附图7可知，在相同的上覆荷载及试验条件下，本发明提出的有荷膨胀试验得到的各级荷载下的有荷膨胀率均比由常规试验方法得到的小30％左右。

由附图8可看出，在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.66g/cm³，而常规方法由于荷载作用作用在直径较小的透水石上而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了1.48％。

附图9中，1—容器，2—透水石(直径为71.8mm)，3—定位环，4—试样(由环刀+土样构成，环刀直径为61.8mm)，5—盖板，6—套环。

具体实施方式

本发明实施例中，通过分层总和法计算得到了以8m高路堤为例的膨胀土路基湿胀变形量。

荷载分布情况为路面自重+行车荷载视为20kPa，路表以下1.5m为加铺包盖层，即非膨胀土填筑，荷载视为30kPa。

三个实施例与对比例的计算结果均表明，根据本发明计算得到的膨胀量比由现行规范试验方法计算得到的减小了49％～80％不等，并且更接近工程实例中的实际值。

实施例1

参见附图9，一种有荷膨胀试验装置，所述有荷膨胀试验装置是在现有有荷膨胀试验装置中增加一块透水石板2，所述透水石板2直径大于环刀直径，一个侧面覆盖在由土样与环刀构成的试样4上端面，另一个侧面与有荷膨胀试验装置中的盖板5连接，所述透水石板2的直径比环刀外径至少大1mm。

实施例2：

参见附图9，广西膨胀土工程实例

在广西百色高速公路现场采集膨胀土原状土样和扰动土样，进行基本物理性质指标和工程性质试验。室内试验结果表明：百色高速公路膨胀土土样的塑性指数为33.5％，自由膨胀率为63％。根据公路现行膨胀土判别分类标准，所取土样为中等膨胀土。采用本发明一种新的有荷膨胀试验方法，对广西膨胀土进行试样制备并进行有荷膨胀试验，计算得到其有荷膨胀率和以其为路基填料填筑的8m高路堤的膨胀变形量，具体实施步骤如下：

配置含水率为ω＝17.7％的膨胀土土样。取6个直径60.8mm、高度20mm的环刀，分别称重并记录，采用静压制样的方法制取扰动土试件，控制其初始干密度为1.58g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm，称重，精确至0.01g，得到土样质量。

将6个环刀试件分别放入固结仪中，试验仪器安装顺序为套环、大直径透水石、定位环、环刀试件、大直径透水石、盖板。荷载杠杆调平后，安装千分表并记录其初始读数；向容器中注入蒸馏水，水面没过表面透水石以保证土样始终保持浸没状态；待膨胀土膨胀变形稳定(每2h读数差值不大于0.01)记下此时的读数。根据本发明的计算公式计算得到的在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为2.27％、1.72％、0.72％、0.54％、0.54％、0.48％，如图3所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为3.40cm。

在广西隆百高速公路ZK176+300～ZK176+410路段进行了路基隆起量监测，路基和检测位置示意图如图1所示。于2010年4月开始监测路基隆起量，至2013年9月共历时3年左右，监测结果如图2所示。由图可知路基变形最终稳定在3.04cm左右。而由本发明提出的试验方法计算得到的膨胀变形量为3.40cm。两者仅相差10％。

对比例1：

取实施例1相同状态的土样，通过静压制样的方法制备6个环刀试件，初始干密度控制为1.58g/cm³。按照现行公路土工试验规程(JTG E40-2007)中的有荷膨胀试验方法得到在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为3.76％、2.84％、1.66％、1.03％、0.95％、1.03％，如图3所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为6.67cm。

本发明实施例2得到的8m膨胀土路堤膨胀变形量为3.40cm，较对比例1常规计算方法得到的膨胀土路堤膨胀变形量减少了49.0％。根据附图2，广西隆百高速ZK176+300～ZK176+410路段的路基隆起监测值，其稳定变形量为3.04cm。对比例1常规试验方法计算得到的变形值为6.67cm，是实测值的119％；而本发明实施例2得到的有荷膨胀量为3.40cm，仅高于实测值的10％，由此可见由本发明提出的有荷膨胀方法比常规试验方法计算得到的小得多且更接近工程实例中的湿胀变形值。

土样干密度在不同荷载下导致干密度的变化如图4所示。在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.58g/cm³，而常规方法由于荷载作用作用在直径较小的透水石上而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了2.96％。

实施例3：

安徽膨胀土工程实例

安徽省境内膨胀土的平面分布相对集中，大部分属弱-中膨胀土，主要分布于淮北平原地区和舒城县城－巢湖市区－和县县城以北的江淮波状平原地区。膨胀土路段路基边坡因滑坍清除的膨胀土土方巨大。若将开挖和清挖出的膨胀土全部废弃将占用大量宝贵的土地资源，并将产生严重的水土流失和生态环境破坏。

在安徽高速公路现场采集膨胀土原状土样和扰动土样，进行基本物理性质指标和工程性质试验。室内试验结果表明：海屯高速公路膨胀土土样的塑性指数为25.6％，自由膨胀率为59％。根据公路现行膨胀土判别分类标准，所取土样为膨胀土。采用本发明一种新的有荷膨胀试验方法，对安徽膨胀土进行试样制备并进行有荷膨胀试验，计算得到其有荷膨胀率和以其为路基填料填筑的8m高路堤的膨胀变形量，具体实施步骤如下：

配置含水率为ω＝17.9％的膨胀土土样。取6个直径60.8mm、高度20mm的环刀，分别称重并记录，采用静压制样的方法制取扰动土试件，控制其初始干密度为1.58g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm，称重，精确至0.01g，得到土样质量。

测量方法与实施例2相同；

根据本发明的计算公式计算得到的在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为1.79％、0.80％、0.14％、0.06％、0.05％、0.00％，如图5所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为10.5cm。

对比例2：

取实施例3相同状态的土样，通过静压制样的方法制备6个环刀试件，初始干密度控制为1.58g/cm³。

按照现行公路土工试验规程(JTG E40-2007)中的有荷膨胀试验方法得到在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为3.70％、2.65％、1.78％、1.40％、1.14％、0.64％，如附图5所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为11.86cm。而利用本发明提出的有荷膨胀试验方法得到的8m膨胀土路堤膨胀变形量为2.41cm，比常规计算方法减少了79.7％。

在现行试验中，前期的固结过程会导致环刀中的土样被压缩，导致其干密度、含水率和孔隙水压力发生变化。土样干密度在不同荷载下导致干密度的变化如图6所示。由图可看出，在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.58g/cm³，而常规方法由于荷载作用而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了3.75％。

实施例4：

河南膨胀土工程实例

在河南邓鄂高速公路现场采集膨胀土土样，进行基本物理性质指标和工程性质试验。室内试验结果表明：百色邓鄂公路膨胀土土样的塑性指数为28.2％，自由膨胀率为84％。根据公路现行膨胀土判别分类标准，所取土样为中等膨胀土。采用本发明一种新的有荷膨胀试验方法，对河南膨胀土进行试样制备并进行有荷膨胀试验，计算得到其有荷膨胀率和以其为路基填料填筑的8m高路堤的膨胀变形量，具体实施步骤如下：

配置含水率为ω＝16.4％的膨胀土土样。取6个直径60.8mm、高度20mm的环刀，分别称重并记录，采用静压制样的方法制取扰动土试件，控制其初始干密度为1.66g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm，称重，精确至0.01g，得到土样质量。

测量方法与实施例1相同；

根据本发明的计算公式计算得到的在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为3.67％、2.77％、1.62％、1.30％、1.08％、0.05％，如图7所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为6.53cm。

对比例3：

取实施例4相同状态的土样，通过静压制样的方法制备6个环刀试件，初始干密度控制为1.66g/cm³。按照现行公路土工试验规程(JTG E40-2007)中的有荷膨胀试验方法得到在荷载为50、75、100、125、150、200kPa下其相应的有荷膨胀率分别为4.69％、3.61％、2.57％、2.00％、1.55％、0.54％，如图7所示。根据分层总和法求得的8m膨胀土路堤膨胀变形量为15.29cm。而利用本发明提出的有荷膨胀试验方法得到的8m膨胀土路堤膨胀变形量为6.53cm，比常规计算方法减少了57.3％。根据本发明计算得到的有荷膨胀量比由常规试验方法计算得到的小得多且更接近工程实例中的湿胀变形值。

土样干密度在不同荷载下导致干密度的变化如图8所示。由图可看出，在本发明提出的试验方法的过程中，土样干密度一直保持在1.66g/cm³，而常规方法由于荷载作用而造成土样压缩，导致土样的干密度随着上覆荷载的增加而增加，最大增加了1.48％。

三个实施例与对比例的计算结果表明，根据本发明计算得到的膨胀量比由现行规范试验方法计算得到减小了49％～80％不等且更接近实测值。

Claims (10)

1.一种有荷膨胀试验方法，是按有荷膨胀试验方法的规定制备试样，将试样置于固结仪中，在试样上端面设置一块直径大于环刀直径的透水石板，然后，将固结仪的盖板叠置在透水石板上，对试样施加设定载荷P，进行有荷膨胀试验。

2.根据权利要求1所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：按工程需要，采用环刀取原状土样或扰动土样，制成土样厚度与环刀厚度相同的试样。

3.根据权利要求1所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：试样厚度为20mm。

4.根据权利要求2所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：所述原状土样是指天然状态下的膨胀土；所述扰动土样是指通过室内人为制备的特定含水率及干密度下的膨胀土。

5.根据权利要求1所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：试样取样份数为2-4份。

6.根据权利要求1所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：采用静压制样制备特定含水率和干密度下的试样，其制样过程中不允许有水渗出或土样质量损失超过0.1g。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：所述透水石板的直径比环刀外径至少大1mm。

8.如权利要求7所述的一种有荷膨胀试验方法，包括下述步骤：

第一步：试验前，对固结仪施加设定载荷P进行变形校正，记录荷载P作用下仪器的压缩变形量R_P；

第二步：试样制备

根据有荷膨胀试验方法规定的试样数量，取相同数量的环刀，分别称量环刀重量并记录；

取待测土样，采用环刀取土样，制备与环刀高度相同的试样；

第三步：测量

将试样安装在固结仪上，在试样上端面设置一块完全覆盖试样上表面的透水石板后，将固结仪的盖板叠置在透水石板上，保证试样在透水石板正下方，施加1-2kPa的压力，使仪器各部分接触，记录千分表的初始读数R₀；

通过透水石板对试样施加设定载荷P，向固结仪中注水，并始终保持水面超过试样上表面5-8mm，使试样自下而上浸水；浸水后每隔2h记录千分表读数一次，直至相邻两次千分表读数差值小于等于0.01mm时，结束试验，最后一次记录的千分表读数R_t，即为试样在荷载P作用下膨胀稳定后的膨胀量；按式1计算有荷膨胀率δ_ep；

${\mathrm{\δ}}_{ep}=\frac{R_t+R_P-R_0}{H_0}\×\mathrm{100...}\left(1\right)$

式中：δ_ep——荷载P(kPa)作用下的膨胀率(％)；

H₀——试样的初始高度(mm)；

R_t——荷载P作用下膨胀稳定后的千分表读数(mm)；

R_P——荷载P作用下仪器的压缩变形量(mm)；

R₀——试样加荷前的千分表读数(mm)。

9.根据权利要求8所述的一种有荷膨胀试验方法，其特征在于：试验结束后，取出试样，擦干环壁及其他表面水，称量浸水后试样的总重量，然后，烘干，称量干燥后试样的总重量，计算土样膨胀后含水率和孔隙比。

10.一种有荷膨胀试验装置，其特征在于：所述有荷膨胀试验装置是在现有有荷膨胀试验装置中增加一块透水石板，所述透水石板直径大于环刀直径，一个侧面覆盖在由土样与环刀构成的试样上端面，另一个侧面与有荷膨胀试验装置中的盖板连接，所述透水石板的直径比环刀外径至少大1mm。