CN106813978B - 环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及测量方法，所述环刀为开口环刀，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽；所述测量装置包括有荷膨胀试验装置、压力实时采集装置；其测量方法是取设定含水率的土样，按公路土工试验规程静压制样；消除静压制样产生的超固结效应后按有荷膨胀试验规程对试样进行侧向膨胀力的测量。本发明装置简单、结构合理、造价经济、测量方便，解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土边坡在增湿膨胀后的稳定性问题，可以简便、准确地测量侧向膨胀力，为膨胀土地区公路、铁路、水利、建筑工程设计提供了重要设计参数，适于在工程上进行推广应用。

Description

环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及测量方法

技术领域

本发明公开了一种环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及土体侧向膨胀力测量方法；特别是指一种通过制作具有开合功能的环刀及配套设备，严格消除土样静压制样产生的超固结水平应力的侧向膨胀力测量装置及土体侧向膨胀力测量方法。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。随着我国经济的高速发展，对基础设施的投入比重越来越大，越来越多的公路将穿越膨胀土分布区。膨胀土地区公路建设中，支挡结构物后的膨胀土体在降雨入渗和大气作用下含水率会逐渐升高发生增湿膨胀，膨胀潜势的释放将产生一定的膨胀力。膨胀力包括竖向膨胀力和侧向膨胀力，其中侧向膨胀力对支挡结构的稳定性有着显著影响。在支挡结构设计以及边坡稳定性计算时，仍旧采用的是库伦土压力理论，而未考虑膨胀土的膨胀力对土压力的影响，导致支挡结构在设计过程中存在不切实际和边坡稳定性结果失真。因此掌握实际工况下侧向膨胀力随边坡高度的变化规律，正确预估和控制膨胀土边坡变形破坏，确保膨胀土边坡的长期稳定，是合理有效利用膨胀土填筑路堤和膨胀土路堑边坡处治的关键，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。

公路土工试验规程(JTG E40-2007)中膨胀力的试验方法，是采用环刀取原状土或静压制备重塑土环刀样，然后进行膨胀力的试验，在试样浸水产生一定膨胀量后，采用增加筒中砂的质量的方法将试样压回原高度，膨胀一点就加砂压回去一点，以试样不再产生膨胀量时的筒中砂质量作为膨胀力。该方法对于竖向膨胀力的测定是有效的，可为地面防隆起、地面建筑物和构筑物设计服务。在边坡支挡结构设计中，需要考虑的是土样吸水产生的侧向膨胀力对结构的作用，相关研究表明原位测试所得中等膨胀土的侧向膨胀力约为竖向膨胀力的四分之一(杨果林,滕珂,秦朝辉.膨胀土侧向膨胀力原位试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2014,07:2326-2332.)，因此将规范方法确定的竖向膨胀力等同于侧向膨胀力的做法是不合适的，且现有的一些侧向膨胀力测试发现仍存在着实际工况有出入、造价过高或操作繁琐的问题。

国内外学者对膨胀力的测试方法开展了一些研究，归结起来有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法及等体积加压法4种。膨胀反压法是使试样充分吸水自由膨胀稳定后再施加荷载使其恢复到初始体积。加压膨胀法是通过一系列压力-膨胀量对应关系曲线确定膨胀力，分为多试样法和单试样法。平衡加压法是在试样吸水开始膨胀时，逐步施加荷载维持体积不变。等体积法是将膨胀土放置在刚性容器内，通过测试容器壁受力确定膨胀力，多用于模型试验，要求模型有足够刚度在膨胀力作用下不产生变形。

其中前三种都是使试样先发生湿化膨胀变形，再施加荷载将试样压回原始体积或高度，该荷载即为膨胀力。但是施荷压缩土体是一种固结过程，固结是土体压缩、去水而逐渐密实的物理过程，而膨胀是晶格扩张的化学过程和粒间结合水膜增厚的过程，因此该膨胀力实际为固结力而非膨胀力，且是竖向作用力而非侧向。等体积法完全限定了试样的体积，加水使其膨胀进行膨胀力的测定，而对于实际膨胀土边坡来说，它的吸水膨胀是一个无侧限的过程，因此该方法并不符合实际工况。此外还有一些模型装置，通过在模型箱的箱壁上设有多个压力传感器，分设于不同深度位置的用于测量膨胀土侧向膨胀力；以及采用伺服加载装置，当土样发生膨胀时，伺服装置自动加压使土样压回原始体积。但是模型箱存在模型制作困难、试验耗时费力等问题，伺服装置同样对土样施加了侧限，不符合实际工况，还存在着造价昂贵的问题。更为重要的是，以往所涉及测试膨胀力的装置和方法均未考虑消除制样过程中产生的超固结水平应力。一种经济适用、操作方便、能完全消除初始超固结水平应力的侧向膨胀力试验方法与装置亟待开发。

发明内容

本发明为了克服现有规程的不足和缺陷，而提供一种结构简单合理、操作方便、严格控制试样初始水平应力状态的环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置。

本发明的另一个目的在于提供一种土体侧向膨胀力测量方法。

发明人经过研究，发现采用公路土工试验规程(JTG E40-2007)中膨胀力的试验方法进行膨胀力试验，在静压制样的过程中，试样内部会产生超固结效应，在试验的过程中，通过在土样和环刀内壁间贴合薄膜压力传感器，监测到试样(ω₀＝22％,ρ_d＝1.60g/cm³)成型后的侧向力达到了287.24kPa，随着试样吸水膨胀，侧向膨胀力将逐渐增大，超固结效应将缓慢释放，监测的侧向力为两者的合力，无法实现剥离。因此本发明设计了带凹槽和可释放超固结效应的带箍环的环刀，一方面在贴合薄膜压力传感器时，确保贴合了传感器一侧土样整体密度的均匀性；另一方面可释放制样过程产生的超固结效应，确保试验时传感器所测压力增量即为侧向膨胀力。此外，本发明还可得到在不同上覆荷载作用下的侧向膨胀力，进一步可得到沿深度的侧向膨胀力变化情况，为支挡结构设计提供有力的数据。

本发明一种环刀，所述环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小。

本发明一种环刀，在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽。

本发明一种环刀，环刀的开口处为搭接结构；

本发明一种环刀，开口调节装置由分别设置于环刀开口两侧外壁上的螺母与旋装于两个螺母中的螺杆构成；

本发明一种环刀，开口调节装置为卡箍或卡环，所述卡箍或卡环上设有螺杆、螺母调节卡箍或卡环的直径大小；

本发明一种环刀，容置压力传感器的凹槽沿环刀轴向设置在环刀内壁；

本发明一种环刀，凹槽的深度与压力传感器厚度匹配；

本发明一种土体侧向膨胀力测量装置，包括有荷膨胀试验装置、压力实时采集装置，其特征在于：有荷膨胀试验装置中的环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小；在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽，压力传感器与压力实时采集装置电连接。

本发明一种土体侧向膨胀力测量装置，压力实时采集装置包括数据采集仪、电脑，所述数据采集仪的输入端与设置在环刀内壁凹槽中的压力传感器电连接，输出端与电脑电连接。

本发明一种土体侧向膨胀力测量方法，包括下述步骤：

第一步：试样制备

取设定含水率的土样，将标定后的压力传感器与压力实时采集装置连接好，记录压力传感器初始读数；然后，将压力传感器贴装在环刀的凹槽中，按公路土工试验规程要求，静压制样；

第二步：试样超固结水平应力释放

制样完成后，调节开口调节装置，使环刀开口张开，消除静压制样时试样中的土样产生的超固结效应，观察实时采集系统中显示的压力传感器读数，待压力实时采集装置的读数回复到压力传感器初始读数时，调节开口调节装置，使环刀开口闭合；调节环刀开口闭合过程中，控制压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于5kPa；环刀开口闭合时，确保压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于2kPa，得到无超固结水平应力的试样；

优选的：调节环刀开口闭合过程中，控制压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于2kPa或等于零；

优选的：环刀开口闭合时，压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差为零；

第三步：测量

将无超固结水平应力的试样放置于有荷膨胀试验装置中，试样上、下各放置一块透水石，按有荷膨胀试验规程对试样施加预定载荷并进行试验，实时记录压力传感器上的压力；每隔2h查看压力瞬时值，当相邻两次压力瞬时值的差小于等于1kPa时，结束测量，保存监测数据并作出侧向膨胀力的时程曲线，曲线的峰值即为试样的侧向膨胀力。

本发明一种土体侧向膨胀力测量方法，静压制样时，试样的压制密度及含水率按工程中待测土体的实际干密度和含水率确定。

本发明一种土体侧向膨胀力测量方法，制备的无超固结水平应力试样中，超固结水平应力小于等于2kPa。

制样时，在特制环刀内壁贴合已经标定好的薄膜压力传感器，按规范规定静压制样，后调节松紧螺丝以消除制样中所产生的超固结效应，制样完成后将整套设备置于固结仪中，将薄膜压力传感器与数据采集仪、电脑相连，然后施加设定载荷P，进行侧向膨胀力的实时数据采集。

环刀的一侧有开口而另一侧有凹槽，在环刀外侧套有环箍，环箍的某处设置有调节螺丝，可通过调节螺丝实现环箍的尺寸可调，从而对特制环刀的开闭进行控制；环刀下部安装有底座，在所述底座和环刀间可以放置透水石。

使用带有凹槽的特制环刀可以将薄膜压力传感器置于环刀样中，通过拟合各个薄膜压力传感器电压-压力曲线进行标定，可将各个时刻的侧向膨胀力数据进行采集记录；带开口和外箍环特制环刀可以伸缩来释放固结应力，使得测量的侧向膨胀力更为准确；允许膨胀土产生竖向膨胀率，测量有竖向膨胀率的膨胀土侧向膨胀力。

试验过程中，按工程需要取原状土样或扰动土样，制成土样厚度与特制环刀厚度相同的试样，试样厚度为20mm，试样取样份数为2-4份，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；

制样完成后，将整套设备底部置于普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接；

打开数据采集仪设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。

通过杠杆系统和加压活塞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；

每隔2h查看膨胀力瞬时值，若相邻两次膨胀力的瞬时值读数差值小于等于1kPa时，可视为膨胀稳定，最后一次记录的侧向膨胀力瞬时值P_t，即为试样在荷载P作用下膨胀稳定后的侧向膨胀力。

本发明采用上述装置及方法测定膨胀土在侧向变形完全限制和上覆荷载作用条件下的侧向膨胀力，为膨胀土地区结构物设计提供重要参数。采用特制环刀可调节开闭且具有凹槽，一方面可释放静压制样过程中产生的超固结效应，另一方面可使试样的体积不因薄膜传感器的增加而发生改变，从而保证制样的质量和良好的初始状态。本发明试验方法采用薄膜压力传感器对试验过程中的侧向膨胀力进行实时监测，并通过施加一定的上覆荷载模拟膨胀土在实际工况下所受到的上覆压力，同时考虑实际工况不对土样竖向膨胀进行限制，从而实现对不同上覆荷载下土样发生增湿膨胀时的侧向膨胀力的精确量测。本发明的主要特点在于可以消除静压制样过程中产生的超固结水平应力，严格控制试样的初始状态。

相对于已有膨胀力测试装置，本发明的优点是：

1.采用了可松紧式环刀，彻底消除了静压制样产生的超固结水平侧压力对测试的显著影响，使得结果更为精确。由于采用上述试验方法及装置，使得薄膜压力传感器紧密贴合于环刀样中，保证了试样的体积与规范环刀样一致；在制样完成后稍稍调松调节螺丝，使得特制环刀微微张开而释放超固结应力，对从而对压力传感器进行了调零，保证了试验时的压力增长量即为侧向膨胀力的增量。

2.试验测试完全保持侧向不发生变形，竖向则可在指定的上覆压力下发生有荷膨胀，使试验条件与工程中的实际工况一致，结果更为可靠。本发明提出的一种土体侧向膨胀力试验方法，可以消除静压制样时产生的初始水平应力，严格控制试样的初始应力状态；能保证膨胀土试样的侧向膨胀力试验是在确定的初始状态下进行，没有完全限制膨胀土的竖向膨胀；通过将不同深度膨胀土的上覆土重换算成相应的砝码重量，得到膨胀土在一定上覆荷载下的侧向膨胀力，能很好的模拟膨胀土边坡在实际状况下不同深度处的侧向膨胀力变化情况。

3.本发明试验方法简单、实施方便，装置结构合理，廉价实用。相对于现有开发的大尺寸侧向膨胀力试验装置，本发明的试验尺寸与常规试验试样尺寸一致，且能在较短时间使膨胀土试样吸水饱和，达到侧向膨胀力稳定。时间由原来的一个星期缩短为一天半左右。侧向膨胀力和竖向膨胀变形全部自动化监测，无需试验人员全程值守。装置价格是大型膨胀力测试装置的三分之一。

综上所述，本发明试验方法与装置简单、操作方便、结构合理、造价经济，解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土边坡在增湿膨胀后的稳定性的问题，从而可以简便、准确地测量侧向膨胀力，为膨胀土地区公路、铁路、水利、建筑工程结构物设计提供了重要设计参数，装置简单实用，适于在工程上进行推广应用。

附图说明

附图1为实施例2的特制环刀示意图。

附图2为实施例2的环刀外围环箍示意图。

附图3为实施例2的护刀示意图。

附图4为实施例2(上覆荷载50kPa)的侧向膨胀力与竖向膨胀率监测结果。

附图5为实施例2与对比例1(常规膨胀力试验)中不同试验方法得到的膨胀力对比。

附图6为对比例2(采用常规环刀贴薄膜传感器)的侧向膨胀力与竖向膨胀率监测结果。

附图7为实施例3(上覆荷载25kPa)的侧向膨胀力与竖向膨胀率监测结果。

附图8为实施例4(上覆荷载100kPa)的侧向膨胀力与竖向膨胀率监测结果。

附图9为实施例5(上覆荷载200kPa)的侧向膨胀力与竖向膨胀率监测结果。

附图10为本发明一种土体侧向膨胀力试验方法中试验装置结构示意图。

附图中：

附图1为本发明特制的环刀示意图，特制环刀内径为61.8mm，高度为20mm，侧壁厚度3mm，并在一侧预留20mm*20mm*1mm的凹槽。在另一侧进行切割开口，使之成为一部分厚度为2mm、一部分厚度为1mm的搭接嵌锁结构。

附图2是特制环刀外围环箍的示意图。特制环刀外壁上套有一圈钢制箍环，在箍环上设置有调节螺丝用于调节箍环的尺寸，从而实现对特制环刀开口张闭的控制，进而释放静压制样产生的超固结效应。

附图3是与特制环刀配套使用的护刀示意图。内径为61.8mm，外径为69.8mm，高度为16mm，所述护刀在与环刀贴合时的环形凹槽高度为3mm，宽度为2mm，在与环刀凹槽贴合的一侧预留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于薄膜压力传感器的放置。

由附图4可看出，实施例2采用本发明提出的试验方法得到的测量结果，土样的侧向膨胀力随竖向膨胀率的增长，呈现出先增大后减小的趋势。在50kPa的上覆荷载作用下，侧向膨胀力峰值为68.4kPa，稳定后侧向膨胀力为34.6kPa，竖向膨胀率为4.94％。

由附图5可知，在相同的试验土样及试验条件下，对比例1常规膨胀力试验所测得的曲线2，竖向膨胀力为214.1kPa，本发明实施例2侧向膨胀力试验得到的曲线1的侧向膨胀力为68.4kPa，仅为对比例1常规试验方法测得竖向膨胀力的31.9％。常规方法中把所测得的竖向膨胀力作为侧向膨胀力来进行边坡支挡结构设计，所以对比例1是完全按照规范来测试的，只测了竖向膨胀力，没有测侧向膨胀力。

由附图6可看出，对比例2是在常规环刀中贴合薄膜压力传感器直接进行测量，测得侧向膨胀力峰值为343.5kPa，稳定后的侧向膨胀力为177.8kPa。与本发明提出的试验方法测得的数据相比完全失真，且在试验开始时已经存在一个超固结应力，在土样浸水发生膨胀过程中，无法实现该应力与膨胀力的剥离。

由附图7可看出，实施例3采用本发明提出的试验方法得到的测量结果，土样的侧向膨胀力随竖向膨胀率的增长，呈现出先增大后减小的趋势。在25kPa的上覆荷载作用下，侧向膨胀力峰值为34.2kPa，稳定后侧向膨胀力为17.3kPa，竖向膨胀率为7.11％。

由附图8可看出，实施例4采用本发明提出的试验方法得到的测量结果，土样的侧向膨胀力随竖向膨胀率的增长，呈现出先增大后减小的趋势。在100kPa的上覆荷载作用下，侧向膨胀力峰值为111.1kPa，稳定后侧向膨胀力为49.4kPa，竖向膨胀率为0.04％。

由附图9可看出，实施例5采用本发明提出的试验方法得到的测量结果，土样的侧向膨胀力随竖向膨胀率的增长，呈现出先增大后减小的趋势。在200kPa的上覆荷载作用下，侧向膨胀力峰值为225.7kPa，稳定后侧向膨胀力为170.0kPa，竖向膨胀率为-1.10％。

附图10中，1—容器，2—透水石，3—定位环，4—试样(由环刀+土样构成，环刀内径为61.8mm)，5—盖板，6—套环。

具体实施方式

本发明实施例中，通过实时的数据监测得到了上覆荷载为25、50、100和200kPa时的侧向膨胀力和竖向膨胀率时程曲线。

实施例1：

参见附图10，一种土体侧向膨胀力试验装置，所述装置是在现有膨胀力试验装置中采用特制的环刀和上下配套的护刀和底座，应用薄膜压力传感器和电子百分表实现侧向膨胀力和竖向膨胀率的实时采集。薄膜压力传感器贴于特制环刀内壁的凹槽处，另一端通过数据采集仪与电脑相连。所述特制环刀内径为61.8mm，高度为20mm，侧壁厚度3mm，并在一侧预留20mm*20mm*1mm的凹槽，另一侧进行切割开口，使之成为一部分厚度为2mm、一部分厚度为1mm的搭接嵌锁结构。外壁上套有一圈钢制箍环，在箍环上设置有调节螺丝用于调节箍环的尺寸，从而实现对特制环刀开口张闭的控制，进而释放静压制样产生的超固结效应。所述护刀内径为61.8mm，外径为69.8mm，高度为16mm，所述护刀在与环刀贴合时的环形凹槽高度为3mm，宽度为2mm，在与环刀凹槽贴合的一侧预留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于薄膜压力传感器的放置。所述底座内径为67.8mm，外径为81.8mm，所述底座分为上下两个部分，分别对应内径和外径，上底座高度为8mm，下底座高度为4mm。

实施例2：

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。采用本发明一种土体侧向膨胀力试验方法，对广西膨胀土进行试样制备并进行侧向膨胀力试验，具体实施步骤如下：

配置含水率为ω＝17.6％的膨胀土土样。取1个特制环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀凹槽中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，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1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝551.9kPa,然后将试样从强度仪上拿下来，超固结效应发生释放，稳定后读数P_h1＝54.1kPa，说明在静压过程中产生的超固结效应还没得到完全释放，故调松螺丝使环刀稍稍张开，完成超固结应力的卸荷，然后再缓慢调紧螺丝使环刀闭合，保证试验前传感器读数为其初始读数。连同特制环刀、试样和箍环再一次称重，精确至0.01g，得到土样质量。

制样完成后，按从上到下为护刀、特制环刀和底座的顺序连接好，在特制环刀和护刀连接时，注意将薄膜压力传感器置于两者的凹槽间，使其不发生弯折而造成损坏。然后，将整套设备底部置于普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝50kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。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。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图4所示。侧向膨胀力峰值为68.4kPa，稳定后的侧向膨胀力为34.6kPa，竖向膨胀率为4.94％。

对比例1：

取实施例2相同状态的土样，通过静压制样的方法制备1个环刀试件，初始干密度控制为1.69g/cm³。按照现行公路土工试验规程(JTG E40-2007)中的膨胀力试验方法得到试样在该含水率和干密度状态下的膨胀力，按规范的规定进行读数，然后按公式计算膨胀力。膨胀力随时间的变化如图5曲线2所示，稳定后的读数为214.1kPa。

本发明实施例2得到50kPa上覆荷载下的侧向膨胀力为68.4kPa,竖向膨胀率为4.94％，见图5曲线1。与对比例1常规试验计算方法得到的竖向膨胀力相比，约为竖向膨胀力的31.9％。该试验结果也与其他学者试验所测得的结果相得益彰。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实际工况中的侧向膨胀力，目前的设计方法偏于保守了。此外，结合实施例3、4、5的试验结果可以发现，试样在不同上覆荷载作用下测得的侧向膨胀力峰值和稳定值都是不同的，常规方法纯粹的以竖向膨胀力当做侧向膨胀力，并且把它作为一个常量的做法是不合适的。

对比例2：

取实施例2相同状态的土样，取1个常规环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，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1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后将试样从强度仪上拿下来，读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝287.2kPa。

制样完成后，按照《公路土工试验规程(JTG E40-2007)》中有荷膨胀量试验内容，组装试验设备准备进行试验，然后将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝50kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。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。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图6所示。侧向膨胀力峰值为343.5kPa，稳定后的侧向膨胀力为177.8kPa。试件在试验开始时就已经存在了一个侧向力287.2kPa，该力为静压过程中产生的超固结应力，浸水后土样发生膨胀，侧向膨胀力增大伴随发生超固结应力的释放，监测出来的数据结果无法实现这两种力的剥离。

实施例3：

取实施例2相同状态的土样，取1个特制环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀凹槽中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，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1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝335.1kPa,然后将试样从强度仪上拿下来，超固结效应发生释放，稳定后读数P_h1＝201.9kPa，说明在静压过程中产生的超固结效应还没得到完全释放，故调松螺丝使环刀稍稍张开，完成超固结应力的卸荷，然后再缓慢调紧螺丝使环刀闭合，保证试验前传感器读数为其初始读数。连同特制环刀、试样和箍环再一次称重，精确至0.01g，得到土样质量。

制样完成后，按从上到下为护刀、特制环刀和底座的顺序连接好，在特制环刀和护刀连接时，注意将薄膜压力传感器置于两者的凹槽间，使其不发生弯折而造成损坏。然后，将整套设备底部置于普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝25kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。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。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图7所示。侧向膨胀力峰值为34.2kPa，稳定后的侧向膨胀力为17.3kPa，竖向膨胀率为7.11％。

实施例4：

取实施例2相同状态的土样，取1个特制环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀凹槽中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，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1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝32.0kPa,然后将试样从强度仪上拿下来，超固结效应发生释放，稳定后读数P_h1＝26.9kPa，说明在静压过程中产生的超固结效应还没得到完全释放，故调松螺丝使环刀稍稍张开，完成超固结应力的卸荷，然后再缓慢调紧螺丝使环刀闭合，保证试验前传感器读数为其初始读数。连同特制环刀、试样和箍环再一次称重，精确至0.01g，得到土样质量。

制样完成后，按从上到下为护刀、特制环刀和底座的顺序连接好，在特制环刀和护刀连接时，注意将薄膜压力传感器置于两者的凹槽间，使其不发生弯折而造成损坏。然后，将整套设备底部置于普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝100kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。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。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图8所示。侧向膨胀力峰值为111.1kPa，稳定后的侧向膨胀力为49.4kPa，竖向膨胀率为0.04％。

实施例5：

取实施例2相同状态的土样，取1个特制环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀凹槽中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，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1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝550.2kPa,然后将试样从强度仪上拿下来，超固结效应发生释放，稳定后读数P_h1＝57.1kPa，说明在静压过程中产生的超固结效应还没得到完全释放，故调松螺丝使环刀稍稍张开，完成超固结应力的卸荷，然后再缓慢调紧螺丝使环刀闭合，保证试验前传感器读数为其初始读数。连同特制环刀、试样和箍环再一次称重，精确至0.01g，得到土样质量。

制样完成后，按从上到下为护刀、特制环刀和底座的顺序连接好，在特制环刀和护刀连接时，注意将薄膜压力传感器置于两者的凹槽间，使其不发生弯折而造成损坏。然后，将整套设备底部置于普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝200kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。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。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图9所示。侧向膨胀力峰值为225.7kPa，稳定后的侧向膨胀力为170.0kPa，竖向膨胀率为-1.10％。

实施例与对比例的试验结果表明，根据本发明测得的侧向膨胀力比由现行规范试验方法测得的要小，并且在不同上覆荷载下所测得的侧向膨胀力是一个变量，因此，以现有规范中竖向膨胀力作为侧向膨胀力，且当做一个常量来进行边坡设计是不合适的。

Claims (10)

1.一种土体侧向膨胀力测量方法，包括下述步骤：

第一步：试样制备

取设定含水率的土样，将压力传感器与压力实时采集装置连接好，记录压力传感器初始读数；然后，将压力传感器贴装在环刀的凹槽中，按公路土工试验规程要求，静压制样；

第二步：试样超固结水平应力释放

制样完成后，调节开口调节装置，使环刀开口张开，消除静压制样时试样中的土样产生的超固结效应，观察压力实时采集装置中显示的压力传感器读数，待压力实时采集装置的读数回复到压力传感器初始读数时，调节开口调节装置，使环刀开口闭合；调节环刀开口闭合过程中，控制压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于5kPa，环刀开口闭合时，确保压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于2kPa；得到无超固结水平应力的试样；

第三步：测量

将无超固结水平应力的试样放置于有荷膨胀试验装置中，试样上、下各放置一块透水石，按有荷膨胀试验规程对试样施加预定载荷并进行试验，实时记录压力传感器上的压力；每隔2h查看压力瞬时值，当相邻两次压力瞬时值的差小于等于1kPa时，结束测量，保存监测数据并作出侧向膨胀力的时程曲线，曲线的峰值即为试样的侧向膨胀力。

2.根据权利要求1所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：静压制样时，试样的压制密度及含水率按工程中待测土体的实际干密度和含水率确定。

3.根据权利要求1所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：所述环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小；在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽。

4.根据权利要求3所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：环刀的开口处为搭接结构。

5.根据权利要求4所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：开口调节装置由分别设置于环刀开口两侧外壁上的螺母与旋装于两个螺母中的螺杆构成。

6.根据权利要求5所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：开口调节装置为卡箍或卡环，所述卡箍或卡环上设有螺杆、螺母调节卡箍或卡环的直径大小。

7.根据权利要求3-6任意一项所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：容置压力传感器的凹槽沿环刀轴向设置在环刀内壁。

8.根据权利要求7所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：凹槽的深度与压力传感器厚度匹配。

9.根据权利要求1所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：有荷膨胀试验装置中包含权利要求8所述的环刀。

10.根据权利要求9所述的一种土体侧向膨胀力测量方法，其特征在于：压力实时采集装置包括数据采集仪、电脑，所述数据采集仪的输入端与设置在环刀内壁凹槽中的压力传感器电连接，输出端与电脑电连接。