CN106989993A - 一种黄土湿陷系数分层原位测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种黄土湿陷系数分层原位测试装置及测试方法，该装置包括支架、测力环、传力机构和承压机构，支架上有千斤顶，承压机构包括底面沉降盘和承载板，承载板和沉降盘之间安装有透水石，承载板和沉降盘上均有透水孔。挖探井，承压机构装于传力机构一端，放入探井，传力机构上端安装测力环，千斤顶给测力环加载，分级加载至最大加荷，浸水并观测附加沉降，记录该层黄土的附加湿陷量，加大探井深度，重复上述步骤，得到每层黄土的附加湿陷量，计算黄土湿陷系数，参照国标计算黄土湿陷量，评价黄土湿陷性。该测试方法克服了取样过程对土体原状性的扰动，测试结果与浸水试验实测结果十分接近，且试验周期短、费用低、耗水量小，具有很好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于工程地质勘察技术领域，涉及一种土体物理参数原位测试装置，特别涉及一种黄土湿陷系数分层原位测试装置；本发明还涉及一种用该装置测试黄土湿陷系数的方法。
技术背景
湿陷性是黄土最特殊的工程性质之一，对黄土湿陷性作出客观评价是湿陷性黄土区工程勘察的核心和设计的基础。我国对黄土湿陷性的测试方法，主要以现场取原状样、在室内开展浸水压缩试验为主要手段。但因黄土性质的复杂性，以及受各种因素的影响，通过常规室内压缩试验判定黄土湿陷性的方法存在很大的局限性，即使采用开挖探井人工取样进行室内试验，判定的场地湿陷类型、湿陷等级及湿陷性黄土下限也往往与现场实测结果存在较大差异，很难准确反映现场的实际情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种黄土湿陷系数分层原位测试装置，不仅能够有效避免取样过程及制样对试样绕动造成的测试结果不准确的问题，而且能提高效率、缩短试验周期、降低消耗。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述装置测试黄土湿陷系数的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种黄土湿陷系数分层原位测试装置，包括支架、测力环、传力机构和承压机构，支架上安装有千斤顶，传力机构由多根传力管依次连接而成，传力管两端的侧壁上均加工有多个排气孔；承压机构包括底面加工有凹槽的沉降盘，沉降盘上加工有若干个与该凹槽连通的第一透水孔，沉降盘上固接有管状的接管和筒形的围栏，接管位于围栏内，接管与沉降盘固接的端面上加工有多个倒置的U形的散水孔，该多个散水孔均布于接管的侧壁上，并位于同一圆周上；沉降盘下面安装有承载板，承载板朝向沉降盘的端面上加工有凹坑，承载板上加工有若干个与该凹坑连通的第二透水孔；承载板与沉降盘之间设有透水石，透水石位于承载板上的凹坑和沉降盘上的凹槽围成的空腔内；使用时，将承压机构与传力机构的一端相连接，使沉降盘与传力机构同轴设置，将测力环安装于传力机构的另一端。
本发明所采用的另一个目的是提供一种用上述测试装置测试黄土湿陷系数的方法，具体按以下步骤进行：
1）在需要测试的区域开挖探井至预定深度，清除探井底部虚土并整平，探井底部的原状黄土为预测试土体；
2）将承压机构与传力机构的一端相连接，使沉降盘与传力机构同轴设置，吊起，使承压机构朝下，放入探井内，直至承压机构安放到预测试土体上；
3）将测力环安装于传力机构的上端，使测力环的纵轴线与传力机构的中心线同轴；
4）在探井口安装支架，使千斤顶活塞杆的中心线与测力环的纵轴线同轴；
5）通过千斤顶给测力环分级施加压力至最大加荷：探井深度不超过10m时，最大加荷至200kPa，每级加压增量50kPa；探井深度大于10m时，最大加荷至上覆土的饱和自重压力，当上覆土的饱和自重压力大于300kPa压力时，仍用300kPa，每级加压增量仍为50kPa；记录每级荷载作用下的下沉量和荷载作用时间，直至稳定；
6）浸水并观测附加沉降：加至最大加荷后保持荷载不变，往探井内浸水，浸水过程中间隔10min测度一次附加变形量，直至达到稳定标准，整个试验过程中保持水头在5cm；记录该层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
7）测试完成一个深度的黄土的附加湿陷量ΔFsi后，把整个装置从探井中吊出，开挖探井到新的目标深度，重复步骤1~6，直至测试完成每层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
8）测试区域的黄土湿陷系数δs=ΔFsi/b，
式中：表示第i层土浸水载荷试验的附加湿陷量，单位cm；b表示按等效面积法进行换算后的承载板的直径，即，d为承载板的实际直径；
然后，参照GB50025-2004号国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》计算测试区域黄土湿陷量，并进行黄土湿陷性评价。
用本发明测试装置测试黄土湿陷系数时，不用取样，直接在需测试的黄土区域原位测试黄土在一定荷载作用下下沉稳定后浸水产生的附件沉降，再通过附加下沉量换算黄土湿陷系数，实现了在原状土体未收扰动的情况下进行测试，有效避免了取样对试样的扰动，测试结果准确可靠，能客观反映黄土地基的湿陷性，可以更好地为黄土湿陷性评价和湿陷性黄土区工程建设服务。
附图说明
图1是本发明测试装置的示意图。
图2是本发明测试装置中传力管的示意图。
图3是本发明测试装置中承压机构的示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是本发明测试装置中对中机构的示意图。
图6是本发明测试装置中对中罩的示意图。
图7是本发明测试装置中防漏盘的示意图。
图8是本发明方法测试的黄土自重湿陷系数与现有的方法测试结果的对比曲线图。
图中：1.支梁，2.侧梁，3.主梁，4.配重块，5.加载梁，6.千斤顶，7.底座，8.测力环，9.对中机构，10.传力机构，11.承压机构，12.传力管，13.排气孔，14.法兰盘，15.上承载板，16.围栏，17.接管，18.连接盘，19.第一透水孔，20.散水孔，21.透水石，22.第二透水孔，23.承载板，24.对中罩，25.防漏盘，26.支撑座，27.顶杆，28.顶板，29.吊环螺丝，30.底板，31.连接板，32.支撑筒，33.支板，34.防漏盘体，35.渗漏孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明测试装置，包括测力环8、对中机构9、传力机构10、承压机构11和支架；该支架包括底座7，底座7上竖直固接有四根支腿1，四根支腿1围成一个矩形，并与底座7固接，四根支腿1的顶端固接有反力机构，该反力机构包括并排设置的多根主梁3，多根主梁3的两端分别与并排设置的两根侧梁2固接，该反力机构通过两根连接梁与四根支梁1固接，两根支梁1的顶端通过一根连接梁相连接，连接梁与侧梁2相平行；该反力机构上并排固接有多个配重块4，该反力机构的下方固接有两根加载梁5，加载梁5与侧梁2相平行，两根加载梁5上安装有千斤顶6，千斤顶6的底座与加载梁5固接，千斤顶6的活塞杆朝向测力环8。
传力机构10由结构如图2所示的多根传力管12依次连接而成。传力管12为管状，传力管12的两个端面均固接有法兰盘14，传力管12两端的侧壁上均加工有多个排气孔13，位于传力管12同一端的多个排气孔13均布于同一圆周上，如图2所示。
如图3所示，本发明测试装置中的承压机构11，包括沉降盘15，沉降盘15底面加工有凹槽，沉降盘15上加工有若干个与该凹槽连通的第一透水孔19，沉降盘15上固接有管状的接管17和筒形的围栏16，接管17位于围栏16内，接管17与沉降盘15固接的端面上加工有多个倒置的U形的散水孔20，该多个散水孔20均布于接管17的侧壁上，并位于同一圆周上；接管17的上端固接有连接盘18；沉降盘15下面安装有承载板23，承载板23朝向沉降盘15的端面上加工有凹坑，承载板23上加工有若干个与该凹坑连通的第二透水孔22；承载板23与沉降盘15之间设有透水石21，透水石21位于承载板23上的凹坑和沉降盘15上的凹槽围成的空腔内。
如图4所示，本发明测试装置中的对中机构9，包括两个结构如图5所示的对中罩24和两个结构如图6所示的防漏盘25；
对中罩24包括半圆筒形的支撑筒32，支撑筒32内壁上固接有半圆弧形的支板33，支撑筒32的一端固接有半圆弧形的底板30，底板30半圆孔的直径与支撑筒32内孔的直径相适配，底板30和支撑筒32同轴设置，底板30上安装有至少两个吊环螺丝29，底板30上还加工有多个螺孔；底板30弧形的两端分别固接有连接板31，连接板31一端与底板30固接，连接板31的另一端为自由端，连接板31的自由端朝向背离支撑筒32的方向设置，连接板31上加工有多个通孔。
防漏盘25包括半圆弧板形的防漏盘体34，防漏盘体34上加工有多个渗漏孔35，所有的渗漏孔35位于同一圆周上。
本发明提供了一种用上述测试装置测试黄土湿陷系数的方法，具体按以下步骤进行：
1）在需要测试的区域开挖探井（探井直径不小于650mm）至预定深度，清除探井底部虚土并整平，探井底部的原状黄土为预测试土体；
2）通过连接盘18将承压机构11与传力机构10的一端相连接，使沉降盘15与传力机构10同轴设置，吊起，使承压机构11朝下，放入探井内，直至承压机构11安放到预测试土体上；
3）在探井口安装两个对中罩24，使两个对中罩24上的连接板31两两面对面设置，传力机构10位于两个支撑筒32组成的圆筒内，该圆筒与传力机构10之间有空隙，通过螺栓连接两个对中罩，两个对中罩24组成一个倒置的圆台筒；在该圆台筒上安装三个U形的支撑座26，支撑座26通过螺丝与底板30固接，三个支撑座26均布于该圆台筒的顶面上，即三个支撑座26均布于两个底板30组成的圆环上，支撑座26上安装顶杆27，顶杆27的轴线穿过该圆台筒的中轴线，顶杆27上加工有螺纹，顶杆27上安装螺母，该螺母位于支撑座26内，顶杆27朝向圆台筒中轴线的一端安装弧形的顶板28；将两块防漏盘25放入两个支撑筒32围成的圆筒内，支板33支撑防漏盘25；
在传力机构10内布置输水管，将测力环8安装于端盖上，将该端盖与传力机构10的上端固接，使测力环8的纵轴线与传力机构10的中心线同轴；
4）在探井口安装支架；转动位于支撑座26内的螺母，使顶杆27带动顶板28向传力机构10的方向移动，直至顶板28顶住传力机构10，然后，分别调节三根顶杆，推动传力机构10移动，使千斤顶6活塞杆的中心线与测力环8的纵轴线同轴；
5）在自然状态下，通过千斤顶6给测力环8分级施加压力至最大加荷：根据国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），当探井深度不超过10m时，最大加荷至200kPa，每级加压增量50kPa；探井深度大于10m时，最大加荷至上覆土的饱和自重压力，当上覆土的饱和自重压力大于300kPa时，仍用300kPa，每级加压增量仍为50kPa；用百分表记录每级荷载作用下的下沉量和荷载作用时间，直至稳定（稳定标准为每级荷载作用下连续两个小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为已趋稳定，可加下一级荷载）；在分级加载时，应均匀慢速地施加，以免加载过快产生冲击对场地地基土的状态产生影响；
预测试土体的沉降量经承载板23和传力机构10传至地表用百分表进行观测，必要时可计算出传力设施相应变形，并予以修正，保证沉降观测的精度。
6）浸水并观测附加沉降：加至最大加荷后保持荷载不变，通过布置在传力机构10内的输水管往探井内浸水，整个试验过程中保持水头在5cm左右。浸水过程中每间隔10min测度一次附加变形量，直至达到稳定标准（稳定标准为连续两个小时内每小时的沉降量小于0.1mm）；记录该层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
7）测试完成一个深度的黄土的附加湿陷量ΔFsi后，把整个装置从探井中吊出，开挖探井到新的目标深度，重复步骤1~6，直至测试完成每层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
采用本发明测试方法测试黄土湿陷系数时，上下两个测点之间的间距为2m，水在原状黄土地基内的渗透速度很慢，大约每天只有0.4～0.6m，因此在完成上一测点的全部测试任务的时间内（大约4小时左右），水不会下渗到下一个测点位置，所以，上一个测点的浸水不会产生影响下一个测点的测试。
8）测试位置的黄土湿陷系数δs=ΔFsi/b，
式中：ΔFsi表示第i层土浸水载荷试验的附加湿陷量，单位cm；b表示按等效面积法进行换算后的承载板23的直径，即(d为承载板直径)；
然后，参照国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）计算测试区域黄土湿陷量，并进行黄土湿陷性评价。
本发明测试方法测试结果与现有的方法测试结果的对比分析。
一般认为，现场试坑浸水试验实测结果是评价黄土湿陷性最准确可靠的，但由于试验费用高、试验周期长、耗水量大等因素的限制，在工程勘察中不可能普遍采用。室内浸水压缩试验是黄土工程勘察中普遍采用的方法。分别用试坑浸水试验实测法、室内浸水压缩试验方法和本发明测试方法对同一黄土区域的黄土湿陷性进行测试，测得的黄土自重湿陷系数曲线图，如图7。从图7可以看出：室内浸水压缩试验方法的试验结果与现场实测结果存在明显差异，主要原因是室内浸水压缩试验方法要取样，而取样使得试样应力状态解除和试验条件与现场实际不符造成的。本发明测试方法克服了取样过程对土体原状性的扰动，测试结果也与浸水试验实测结果十分接近，而且比试坑浸水试验实测法方便、灵活、快速，试验费用低、试验周期短、耗水量小，具有很好的推广应用价值。
Claims (5)
1.一种黄土湿陷系数分层原位测试装置，包括支架和测力环（8），支架上安装有千斤顶（6），其特征在于，该测试装置还包括传力机构（10）和承压机构（11），传力机构（10）由多根传力管（12）依次连接而成，传力管（12）两端的侧壁上均加工有多个水孔（13），位于传力管（12）同一端的多个水孔（13）均布于同一圆周上；承压机构（11）包括底面加工有凹槽的沉降盘（15），沉降盘（15）上加工有若干个与该凹槽连通的第一透水孔（19），沉降盘（15）上固接有管状的接管（17）和筒形的围栏（16），接管（17）位于围栏（16）内，接管（17）与沉降盘（15）固接的端面上加工有多个倒置的U形的散水孔（20），该多个散水孔（20）均布于接管（17）的侧壁上，并位于同一圆周上；沉降盘（15）下面安装有承载板（23），承载板（23）朝向沉降盘（15）的端面上加工有凹坑，承载板（23）上加工有若干个与该凹坑连通的第二透水孔（22）；承载板（23）与沉降盘（15）之间设有透水石（21），透水石（21）位于承载板（23）上的凹坑和沉降盘（15）上的凹槽围成的空腔内；
使用时，将承压机构（11）与传力机构（10）的一端相连接，使沉降盘（15）与传力机构（10）同轴设置，将测力环（8）安装于传力机构（10）的另一端。
2.根据权利要求1所述的黄土湿陷系数分层原位测试装置，其特征在于，该测试装置还包括对中机构（9），对中机构（9）包括两个对中罩（24）和两个防漏盘（25）；
所述的对中罩（24）包括半圆筒形的支撑筒（32），支撑筒（32）内壁上固接有半圆弧形的支板（33），支撑筒（32）的一端固接有半圆弧形的底板（30），底板（30）和支撑筒（32）同轴设置；底板（30）弧形的两端分别固接有连接板（31），连接板（31）上加工有多个通孔；所述的防漏盘（25包括半圆弧板形的防漏盘体（34），防漏盘体（34）上加工有多个渗漏孔（35）；
使用时，使两个对中罩（24）上的连接板（31）两两面对面设置，传力机构（10）位于两个支撑筒（32）组成的圆筒内，该圆筒与传力机构（10）之间有空隙，通过螺栓连接两个对中罩，两个对中罩（24）组成一个倒置的圆台筒；在该圆台筒上安装三个U形的支撑座（26），三个支撑座（26）均布于该圆台筒的顶面上，支撑座（26）上安装加工有螺纹的顶杆（27），顶杆（27）上安装螺母，该螺母位于支撑座（26）内，顶杆（27）朝向圆台筒中轴线的一端安装弧形的顶板（28）；两块防漏盘（25）放入两个支撑筒（32）围成的圆筒内，支板（33）支撑防漏盘（25）。
3.一种用权利要求1所述测试装置测试黄土湿陷系数的方法，其特征在于，该测试方法具体按以下步骤进行：
1）在需要测试的区域开挖探井至预定深度，清除探井底部虚土并整平，探井底部的原状黄土为预测试土体；
2）将承压机构（11）与传力机构（10）的一端相连接，使沉降盘（15）与传力机构（10）同轴设置，吊起，使承压机构（11）朝下，放入探井内，直至承压机构（11）安放到预测试土体上；
3）将测力环（8）安装于传力机构（10）的上端，使测力环（8）的纵轴线与传力机构（10）的中心线同轴；
4）在探井口安装支架，使千斤顶（6）活塞杆的中心线与测力环（8）的纵轴线同轴；
5）通过千斤顶（6）给测力环（8）分级施加压力至最大加荷：探井深度不超过10m时，最大加荷至200kPa，每级加压增量50kPa；探井深度大于10m时，最大加荷至上覆土的饱和自重压力，当上覆土的饱和自重压力大于300kPa压力时，仍用300kPa，每级加压增量仍为50kPa；记录每级荷载作用下的下沉量和荷载作用时间，直至稳定；
6）浸水并观测附加沉降：加至最大加荷后保持荷载不变，往探井内浸水，浸水过程中间隔10min测度一次附加变形量，直至达到稳定标准，整个试验过程中保持水头在5cm；记录该层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
7）测试完成一个深度的黄土的附加湿陷量ΔFsi后，把整个装置从探井中吊出，开挖探井到新的目标深度，重复步骤1~6，直至测试完成每层黄土的附加湿陷量ΔFsi；
8）测试区域的黄土湿陷系数δs=ΔFsi/b，
式中：表示第i层土浸水载荷试验的附加湿陷量，单位cm；b表示按等效面积法进行换算后的承载板（23）的直径，即，d为承载板的实际直径；
然后，参照GB50025-2004号国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》计算测试区域黄土湿陷量，并进行黄土湿陷性评价。
4.根据权利要求3所述的测试黄土湿陷系数的方法，其特征在于，所述步骤5）中的稳定：每级荷载作用下连续两个小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，加下一级荷载。
5.根据权利要求3所述的测试黄土湿陷系数的方法，其特征在于，所述步骤6）中的稳定标准为连续两个小时内每小时的沉降量小于0.1mm。
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