CN108593883A - 一种应变式侧向膨胀力测试装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种应变式侧向膨胀力测试装置及测量方法；所述装置包括量测装置、数据采集装置和加载装置。其测量方法是通过对同样初始湿密状态下的试件开展无荷及无侧向应变条件下的浸水膨胀试验，获取了该初始湿密状态下的试件在膨胀稳定时的胀限含水率及对应干密度；通过对初始湿密状态为胀限含水率及其对应干密度下的试件开展逐级加载的固结试验，量测得到不同干密度下的侧压力系数K0，实现将侧向膨胀力从侧向合力中剥离。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，为膨胀土地区工程结构物设计及墙背缓冲层设计提供了重要设计参数，适于在工程上推广应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种应变式侧向膨胀力测试装置及测量方法；特别是用于测试不同上覆荷载作用下，膨胀土浸水且产生不同程度水平膨胀变形后，完全由于膨胀土增湿所产生的侧向膨胀力。属于岩土工程技术领域。
背景技术
膨胀土遍布六大洲、46个国家。我国26个省区存在着这种特殊土，有3亿多人口生活在膨胀土地区。膨胀土富含蒙脱石及其混层矿物，吸水后显著膨胀，膨胀受限则会产生膨胀力，常造成膨胀土地区支挡结构物滑移或倾覆破坏，对公路、铁路、房屋建筑、水利设施等浅表层轻型结构造成极大危害，我国每年因此造成的经济损失达数百亿元。如何测定膨胀土侧向膨胀力并评估其对支挡结构物稳定性的影响是膨胀土地区支挡结构物设计中需要解决的关键问题。
已有工程案例表明，膨胀土地区重力式挡墙等支挡结构物会在被支挡的膨胀土增湿后产生数厘米水平滑动。挡墙水平滑动的同时墙后膨胀土产生侧向膨胀进而伴随侧向膨胀力的衰减，直至挡墙受力平衡达到最终稳定。分析侧向膨胀力对挡墙稳定性的影响，需先获得膨胀土侧向膨胀力与侧向膨胀变形之间的变化关系。
现有公开文献环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及测量方法CN201710044763.X：该发明设计了一开口环刀，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；凹槽内设有压力传感器，可以实时采集侧压力；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。
膨胀土侧向膨胀力综合测试装置CN201410330321.8，该发明是利用盛装膨胀土的模型箱，模型箱内设有一侧悬空、另一侧与膨胀土接触的支挡构件，模型箱的箱壁上设有多个分设于不同深度位置的用于测量膨胀土侧向膨胀力的第一压力检测部件，支挡构件上设有多个分设于不同深度位置的用于测量膨胀土侧向膨胀力的第二压力检测部件，以此来测试不同膨胀土浸水后不同深度处的侧向力。
膨胀土侧向膨胀力综合测试装置CN201510565627.6，该发明同样是利用模型箱，箱内设有一侧悬空、另一侧与膨胀土接触的支挡装置，模型箱的箱壁上方设有用于测量膨胀土侧向膨胀力的膨胀力装置；渗排水管网设置在检测装置的右侧位置；湿度检测装置设有多个，分设于膨胀土内不同的深度位置。本发明检测装置和膨胀力装置的设置，可以模拟测得膨胀土在不同湿度、不同深度环境下作用于不同检测装置的侧向膨胀力。
土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪CN201210081033.4。该试验仪包括降低摩擦力装置、试样护环部件、围压及径向变形测试部件、竖向压力与变形测试部件、数据采集仪；降低摩擦力装置位于浸水槽中，试样护环部件置于浸水槽中央的降低摩擦力装置上；数据采集仪位于通过数据线与竖向压力与变形测试部件、围压及径向变形测试部件中的传感器连接，将采集到的数据输送到电脑。该装置虽然能测得环刀膨胀土样浸水径向膨胀过程中的侧向力，但是有两个缺点，一是膨胀变形与实际工况不符(如重力式挡墙墙后的膨胀土是水平向挡墙的单向发生膨胀，另一侧被视为无限土体不发生膨胀)；二是该发明仍只能测得总的侧向力，没有给出膨胀土发生不同程度水平膨胀后所产生的侧向膨胀力的方法。
一种用改装的CBR筒测土工膨胀率及侧向膨胀力的装置CN201621364438.9：所述CBR筒的外壁中部包裹安装有测力环，所述测力环上安装有插销，所述测力环的右侧开口端设置有指针，所述指针的左侧开口端安装有刻度尺。通过测力环来量测膨胀土浸水后所产生的总的侧向力，是一种完全侧限的测试方法，无法进行水平应变控制。
一种膨胀土二维膨胀仪CN201520405000.X，包括试验台和设置在试验台上的压力室，压力室是由上下相间设置的底板、顶板和前、后相间设置的前夹板、后夹板围成的左右两端开口的方形管状结构，两侧压板、加压板、底板、前夹板和后夹板之间共同围成的空间构成试验土样的容纳空间，滑动机构经柔性绳与设置在试验台上的加载机构相连，传压板上设置有用于测量其竖向位移的第一位移传感器，传力杆上设置有用于测量其水平位移的第二位移传感器。该装置可以测得的同样仅是膨胀土浸水后总的侧向力随水平膨胀的变化规律，并未说明如何得到真正意义上的侧向膨胀力随水平膨胀变形的变化。
从以上介绍的情况可知：目前已有测试侧向膨胀力的发明专利，但是存在两点不足：(1)都是测得膨胀土浸水后产生的总的侧向力，而侧向力分为两种力，一种是由于上部荷载产生的侧向静止土压力，一种是由于膨胀土吸水膨胀变形受限产生的侧向膨胀力。(2)不能得到膨胀土发生不同程度侧向膨胀后所产生的侧向膨胀力。
发明内容
本发明为了克服现有测试方法的不足和缺陷，而提供一种结构简单合理、操作方便，可测得真正意义上由于膨胀土吸水膨胀变形受限、发生不同程度侧向膨胀后所产生的侧向膨胀力的测试装置及测量方法。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述测试装置包括量测装置、数据采集装置和加载装置三部分，所述量测装置安装在所述加载装置的工作台上，所述数据采集装置与所述量测装置电连接。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述量测装置包括盒体、侧向应变检测装置、加载头、竖向位移计；所述盒体内为一矩形容腔，在矩形容腔的一侧设有一透水石，另一侧设有侧向应变检测装置；所述侧向应变检测装置与透水石之间构成的容室供放置待测试样，所述加载头卡装在容室中并与待测试样上表面接触；所述加载头与竖向位移计的测量端接触。
所述盒体底部设有与加载装置工作台上设置的定位装置相匹配的定位接头。
所述透水石插装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位槽中，与盒体该两相对侧壁垂直连接的另一侧壁之间构成注水槽。所述侧向应变检测装置卡装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位台阶上，确保试件在侧向应变调零时侧向不被压缩。
所述加载头与竖向位移计的测量端接触。
所述侧向应变检测装置与透水石之间构成的容室的盒体侧壁上设有水平方向的定位台阶，水平定位台阶距盒体底面的高度与待测试样的高度相同；所述加载头卡装在容室中并通过所述水平定位台阶定位，确保对加载头施加上覆荷载的瞬间，通过加载头传递的上覆荷载全部由盒体的侧壁承担，试件在浸水前不因上覆荷载作用而发生压缩变形，进而确保浸水前试件的湿密状态不发生改变。
所述侧向应变检测装置包括传感器、传感器支撑块、位移调节杆、侧向位移基准杆、侧向位移计、刚性滑块；所述传感器支撑块一侧与旋装在盒体的一个侧壁上的位移调节杆接触，另一侧设有一凹槽，传感器安装在所述凹槽中，刚性滑块的一侧贴装在传感器的受压感应区，另一侧与待测试样接触；在传感器支撑块上设有侧向位移基准杆，在所述盒体上设有支架，所述侧向位移计安装在支架上，其测量端与所述侧向位移基准杆接触。
所述刚性滑块上设有与传感器位置匹配并与传感器接触的刚性圆形凸起，刚性圆形凸起的直径与压力传感器受压感应区的直径相匹配；在传感器与刚性圆形凸起之间设有0.5-2.0mm厚的硅胶垫片，以减小刚性接触带来的测试误差。由于垫片很薄，且有一定模量，因垫片被压缩而造成侧压力的损失可以忽略不计。
所述传感器为微型土压力计，直径20mm，厚12mm，精度±0.5％FS，其有效受压区域为其单侧中心直径12mm的同心圆区域；生产厂家为昆山双桥；商品名称为CYG1713F(0～600KPa)MAS2C4。
所述纵向位移计或竖向位移计为电子数显式千分表，精度0.001mm；生产厂家为南京泰克奥；商品名称为高精度数显式千分表CRJ-01。
所述数据采集装置包括数采仪，生产厂家为昆山双桥；商品名称为蓝屏无纸记录仪CYG-R300B(8通道)；所述数采仪与量测装置中的传感器电连接。
所述加载装置为三联高压固结仪，生产厂家为南京泰克奥；商品名称为TKA-STC-3H。
盒体中供放置待测试样的容室尺寸为：长54.77mm*宽54.77mm*高20mm，侧向应变检测装置一侧由设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位台阶定位，以防止调节侧向应变时对试件造成侧向挤压，且在其上部设有一横梁以防止加载头在试件水平膨胀过程中产生移动。
加载头为方形(54.77mm*56.77mm)，放置于盒体中与待测试样上表面接触，承受一定上覆荷载。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述数据采集装置包括数采仪，通过应变(竖向、侧向位移计)与压力传感器，可实时量测竖向应变、侧向应变以及侧向压力。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试方法，所述试件的体积与常规环刀样一致。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试方法，包括下述步骤：
第一步：试样制备
按公路土工试验规程要求，静压制取2个扰动土试样，称为第一扰动土试样及第二扰动土试样，2个扰动土试样的含水率、初始干密度相同；
第二步：试验准备
将第一扰动土试样放入应变式侧向膨胀力测试装置的盒体，置于侧向应变监测装置与透水石之间构成的容室中；旋转位移调节杆使传感器通过刚性滑块与试样接触至数采仪显示的压力读数小于等于2kPa；将整套设备底部置于加载装置的操作台上，放下加载头，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；
第三步：第一扰动土试样的测量
3.1试样浸水膨胀
通过三联高压固结仪对第一扰动土试件施加设定载荷P，向盒体一端的水槽注水，使试样浸水，始终保持水面超过试样上表面5-8mm，开启数据采集装置，设置采样频率，实时监测侧向力及竖向应变，试件在无侧向应变条件下发生上覆载荷的竖向膨胀直至试样膨胀稳定；
3.2参数测量
旋转位移调节杆，使试样发生水平膨胀，控制试样每级水平膨胀位移量为0.05-0.06mm(也即控制每级侧向应变0.1％左右)，至膨胀稳定，记录此时刻的竖向应变εvi,1、侧向力Phi及侧向应变εhi,1；然后逐级调节旋转位移调节杆，重复上述步骤继续开展试验，直至某一级侧向应变下试样膨胀稳定时，试件侧向力读数为0，结束试验；按式(1)计算某级荷载下试件的干密度：
式中：b、a、h为试件的初始长宽高，为54.77*54.77*20mm；εhi,1、εvi,1为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下膨胀稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,1为某级荷载下第一试件的干密度；m为制取第一试件时所称量的湿土质量；ω0为试件初始含水率；
第四步：第二扰动土试样制备及测量
将第二扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置的盒体中，不施加上覆荷载，进行无荷条件下的浸水膨胀试验(水平方向不发生膨胀，竖直方向发生无荷膨胀)，待试样膨胀稳定时，测量试样的最终含水率ωf、试样高度h'；按式(2)计算试样的干密度ρdi,2：
式中：εv0为第二试件在无上覆荷载和无侧向应变下膨胀稳定时的竖向应变；ρdi,2为第二试件的最终干密度；其余参数与前述同。
第五步：第三扰动土试样制备及测量
以第四步测得的第二扰动土试样最终含水率ωf、试样高度h'及计算得到的干密度ρdi,2数据制备第三扰动土试样；将第三扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置中，在水平应变为0及浸水条件下，逐级施加上覆荷载令试件压缩固结，记录试件每一级施加上覆荷载压缩固结至稳定后的竖向膨胀率和侧向力，直至第三扰动土试样的高度等于第一、二扰动土试样的原始高度，结束试验；施加的上覆荷载变化范围为12.5～300kPa，每级间隔为12.5kPa；根据每一级上覆荷载下的竖向膨胀率，按式(3)计算该状态下的实时干密度ρdi,3；
式中：h'为第三试件的初始高度，即第二试件膨胀至稳定时的最终高度；εhi,3、εvi,3为第三试件在某级上覆荷载和侧向应变下时压缩固结至稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,3为某级荷载下第三试件的干密度；m'为制取第三试件时所称量的湿土质量；ωf为第三试件的初始含水率，即第二试件膨胀至稳定时的最终含水率；其余参数与前述同。
由于第二扰动土试样无荷膨胀至稳定时的含水率ωf为胀限含水率，而以胀限含水率配置的第三扰动土试样在浸水后将不再发生膨胀，故所测侧压力全部由上覆荷载引起。定义侧压力系数K0i,3为第三试件在压缩固结过程中的侧向力与上覆荷载之比；得到第三扰动土试样的实时干密度ρdi,3与侧压力系数K0i,3的关系曲线，对曲线采用指数函数y＝AeBx进行拟合，得到侧压力系数与干密度的关系式(4)；
式中：K0i,3为某干密度对应的侧压力系数；A、B是拟合参数，是根据拟合过程可以直接得到的常数；e为自然底数，取2.71828；
第六步：实际的侧向膨胀力
将第一扰动土试件测得的某级上覆荷载及侧向应变下的实时干密度ρdi,1代入式(4)中，即可得到相应的侧压力系数K0i,1，进而按式(5)可得实际的侧向膨胀力；
Pehi＝Phi-K0i,1P (5)
式中：Pehi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向膨胀力；Phi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向力，包含上覆荷载引起的水平应力；P为上覆荷载。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试方法，第3.1中，设置的采样频率为1Hz。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试方法，第3.1、3.2步及第4步中，试样膨胀稳定是指试样在2h内竖向应变的变化≤0.01mm且侧向力变化≤1.0kPa。
本发明一种应变式侧向膨胀力测试方法，第五步中，施加上覆荷载压缩固结至稳定是指试样在2h内竖向应变的变化≤0.01mm且侧向力变化≤1.0kPa。
本发明通过实时数据监测得到了上覆荷载为50kPa时，通过调节侧向应变调节装置使试件发生一定的侧向应变，得到了侧向力随侧向应变变化曲线；通过对同样初始湿密状态下的试件开展无荷及无侧向应变条件下的浸水膨胀试验，获取了该初始湿密状态下的试件在膨胀稳定时的胀限含水率及对应干密度；通过对初始湿密状态为胀限含水率及其对应干密度下的试件开展逐级加载的固结试验，量测得到了不同干密度下的侧压力系数K0，从而实现了将侧向膨胀力从侧向合力中的剥离，具有以下的优点：
1.克服了现有室内试验装置测得的多是侧向膨胀力和上覆荷载引起的水平应力的合力、不能精准确定膨胀土在不同上覆荷载条件下的侧向膨胀力的弊端，允许土样竖向发生膨胀变形，可以测得由于膨胀土吸水膨胀侧向变形受限产生的侧向膨胀力，更符合实际工况。
2.克服了现有室内试验装置不能量测不同上覆荷载条件下的侧向膨胀力随侧向位移的变化的弊端，可以得到膨胀土发生不同程度侧向膨胀后所产生的侧向膨胀力，为工程中挡墙设计提供参考。
3.本发明试验方法简单、实施方便，装置结构合理，廉价实用。相对于现有环刀样，本发明的试样体积与常规试验环刀样一致，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，以及侧向膨胀力随侧向应变的关系，为膨胀土地区公路、铁路、水利、建筑工程结构物设计及墙背缓冲层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为本发明实施例1一种应变式侧向膨胀力测试装置中量测装置结构示意图。
附图2为附图1中不包含竖向位移计的俯视图。
附图3为本发明实施例2中无荷及无侧限条件下的侧压力系数随干密度拟合曲线图。
附图4为本发明实施例2(上覆荷载50kPa)的侧向膨胀力随侧向应变变化规律。
附图5为对比例1(上覆荷载50kPa)的侧向膨胀力随侧向应变变化规律。
图中：1—竖向位移计，2—侧向应变基准杆，3—侧向位移调节杆，4—支架，5—水平表架调节杆，6—传感器支撑块，7—微型土压力传感器，8—刚性滑块，9—定位接头，10—注水槽，11—透水石，12—加载头，13—待测试样，14—侧向位移计。
对比附图4、5可以看出：实施例2中的侧向膨胀力仅为对比例中侧向膨胀力的64.4％，说明上覆荷载引起的水平应力增量对于侧向膨胀力的量测具有很大的影响。
具体实施方式
本发明实施例中，通过实时数据监测得到了上覆荷载为50kPa时，通过调节侧向应变调节装置使试件发生一定的侧向应变，得到了侧向力随侧向应变变化曲线；通过对同样初始湿密状态下的试件开展无荷及无侧向应变条件下的浸水膨胀试验，获取了该初始湿密状态下的试件在膨胀稳定时的胀限含水率及对应干密度；通过对初始湿密状态为胀限含水率及其对应干密度下的试件开展逐级加载的固结试验，量测得到了不同干密度下的侧压力系数K0，从而实现了将侧向膨胀力从侧向合力中的剥离。
实施例1
一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述测试装置包括量测装置、数据采集装置和加载装置三部分，所述量测装置安装在所述加载装置的工作台上，所述数据采集装置与所述量测装置电连接；
所述量测装置包括盒体、侧向应变检测装置、加载头12、竖向位移计1；所述盒体内为一矩形容腔，在矩形容腔的一侧设有一透水石11，另一侧设有侧向应变检测装置；所述侧向应变检测装置与透水石11之间构成的容室供放置待测试样13，所述加载头12卡装在容室中并与待测试样13上表面接触；所述加载头12与竖向位移计1的测量端接触；
所述盒体底部设有与加载装置工作台上设置的定位装置相匹配的定位接头9，本实施例中，定位接头9是与加载装置工作台上设置的定位凸台相匹配的卡槽；所述加载装置为三联高压固结仪，生产厂家为南京泰克奥；商品名称为TKA-STC-3H；
所述透水石11插装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位槽中，与盒体该两相对侧壁垂直连接的另一侧壁之间构成注水槽10；所述侧向应变检测装置卡装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位台阶上，确保试件在侧向应变调零时侧向不被压缩；
所述加载头12与竖向位移计1的测量端接触；
所述侧向应变检测装置与透水石11之间构成的容室的盒体侧壁上设有水平方向的定位台阶，水平定位台阶距盒体底面的高度与待测试样13的高度相同；所述加载头12卡装在容室中并通过所述水平定位台阶定位，确保对加载头12施加上覆荷载的瞬间，通过加载头传递的上覆荷载全部由盒体的侧壁承担，试件13在浸水前不因上覆荷载作用而发生压缩变形，进而确保浸水前试件的湿密状态不发生改变；
所述侧向应变检测装置包括传感器7、传感器支撑块6、位移调节杆3、侧向位移基准杆2、侧向位移计14、刚性滑块8；所述传感器支撑块6一侧与旋装在盒体的一个侧壁上的位移调节杆3接触，另一侧设有一凹槽，传感器7安装在所述凹槽中，刚性滑块8的一侧贴装在传感器7的受压感应区，另一侧与待测试样13接触；在传感器支撑块6上设有侧向位移基准杆2，在所述盒体上设有支架4，所述侧向位移计14通过水平表架调节杆5安装在支架4上，其测量端与所述侧向位移基准杆2接触；
所述刚性滑块8上设有与传感器7位置匹配并与传感器7接触的刚性圆形凸起，刚性圆形凸起的直径与传感器受压感应区的直径相匹配；在传感器与刚性圆形凸起之间设有0.5-2.0mm厚的硅胶垫片，以减小刚性接触带来的测试误差。由于垫片很薄，且有一定模量，因垫片被压缩而造成侧压力的损失可以忽略不计；
所述传感器为微型土压力计，直径20mm，厚12mm，精度±0.5％FS，其有效受压区域为其单侧中心直径12mm的同心圆区域；生产厂家为昆山双桥；商品名称为CYG1713F(0～600KPa)MAS2C4。
所述纵向位移计14或竖向位移计1为电子数显式千分表，精度0.001mm；生产厂家为南京泰克奥；商品名称为高精度数显式千分表CRJ-01。
所述数据采集装置包括数采仪，生产厂家为昆山双桥；商品名称为蓝屏无纸记录仪CYG-R300B(8通道)；所述数采仪与量测装置中的传感器电连接。
供放置待测试样13的容室尺寸为：长54.77mm*宽54.77mm*高20mm，侧向应变检测装置一侧由设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位台阶定位，以防止调节侧向应变时对试件造成侧向挤压，且在其上部设有一横梁以防止加载头在试件水平膨胀过程中产生移动；
加载头为方形(54.77mm*56.77mm)，放置于盒体中与待测试样上表面接触，承受一定上覆荷载；
所述数据采集装置包括数采仪，通过应变(竖向、侧向位移计)与压力传感器，可实时量测竖向应变、侧向应变以及侧向压力。
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。采用本发明一种应变式侧向膨胀力测试装置及方法，对百色膨胀土进行试样制备并进行试验，具体实施步骤如下：
第一步：试样制备
配置含水率为ω＝18％的膨胀土土样，称重并记录，按公路土工试验规程要求，采用特制的方形模具(内部尺寸：长54.77mm*宽54.77mm*高20mm)静压制取2个扰动土试件，且控制其初始干密度均为1.60g/cm3，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。模具内部需涂一层凡士林。制样完成后，采用顶土块将试件从方形模具中脱出，用保鲜膜包裹好以防水分丢失，留待一旁备用。
第二步：试验准备
将第一扰动土试样放入应变式侧向膨胀力测试装置的盒体，置于刚性滑块及侧向应变监测装置一侧与透水石之间构成的容室中；旋转位移调节杆使传感器通过刚性滑块与试样接触至数采仪显示的压力读数小于等于2kPa；将整套设备底部置于三联高压固结仪的操作台上，放下加载头，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；
第三步：第一扰动土试样的测量
3.1试样浸水膨胀
通过三联高压固结仪对第一扰动土试件施加设定载荷P＝50kPa，向盒体一端的水槽注水，使试样浸水，始终保持水面超过试样上表面5-8mm，开启数据采集装置，设置采样频率1Hz，实时监测侧向力及竖向应变，试件在无侧向应变条件下发生上覆载荷的竖向膨胀直至试样膨胀稳定(2h内竖向变形变化不超过0.01mm且侧向力变化不超过1.0kPa，视为试样膨胀稳定)；
3.2参数测量
旋转位移调节杆，使试样发生水平膨胀，控制每级侧向应变为0.1％，至膨胀稳定，记录此时刻的竖向应变εvi,1、侧向力Phi及侧向应变εhi,1；然后逐级调节旋转位移调节杆，重复上述步骤继续开展试验，直至某一级侧向应变下试样膨胀稳定时，试件侧向力读数为0，结束试验；按式(1)计算50kPa上覆荷载下试件在各级侧向应变下的干密度：
式中：b、a、h为试件的初始长宽高，为54.77*54.77*20mm；εhi,1、εvi,1为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下膨胀稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,1为某级荷载下第一试件的干密度；m为制取第一试件时所称量的湿土质量；ω0为试件初始含水率；
调节侧向应变前测得第一扰动土试件竖向膨胀率为2.39％，侧向力为75.2kPa。调节侧向应变后，各级侧向应变下的侧向力监测结果及干密度计算结果如表1所示。
表1第一扰动土试件各级侧向应变下试验结果
第四步：第二扰动土试样制备及测量
将第二扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置的盒体中，不施加上覆荷载，进行无荷条件下的浸水膨胀试验(水平方向不发生膨胀，竖直方向发生无荷膨胀)，待试样膨胀稳定时，测量试样的最终含水率ωf、试样高度h'；按式(2)计算试样的干密度ρdi,2：
式中：εv0为第二试件在无上覆荷载和无侧向应变下膨胀稳定时的竖向应变；ρdi,2为第二试件的最终干密度；其余参数与前述同。
第二扰动土无荷条件下浸水膨胀稳定后，通过烘干法测得其胀限含水率为32％，对应干密度为1.47g/cm3；竖向膨胀率为8.97％，对应试样高度为21.8mm。
第五步：第三扰动土试样制备及测量
以第四步测得的第二扰动土试样最终含水率ωf＝32％、试样高度h'＝21.8mm及计算得到的干密度ρdi,2＝1.47g/cm3，制备第三扰动土试样；将第三扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置中，在水平应变为0及浸水条件下，逐级施加上覆荷载令试件压缩固结，记录试件每一级施加上覆荷载压缩固结至稳定后的竖向膨胀率和侧向力，直至第三扰动土试样的高度等于第一、二扰动土试样的原始高度，结束试验；施加的上覆荷载变化范围为12.5～300kPa，每级间隔为12.5kPa；根据每一级上覆荷载下的竖向膨胀率，按式(3)计算该状态下的实时干密度ρdi,3；
式中：h'为第三试件的初始高度，即第二试件膨胀至稳定时的最终高度；εhi,3、εvi,3为第三试件在某级上覆荷载和侧向应变下时压缩固结至稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,3为某级荷载下第三试件的干密度；m'为制取第三试件时所称量的湿土质量；ωf为第三试件的初始含水率，即第二试件膨胀至稳定时的最终含水率；其余参数与前述同。
得到第三扰动土试样的实时干密度ρdi,3与侧压力系数K0i,3的关系曲线，对曲线采用指数函数y＝AeBx进行拟合，得到侧压力系数与干密度的关系式(4)；
式中：K0i,3为某干密度对应的侧压力系数；A、B是拟合参数，是根据拟合过程可以直接得到的常数，本实施例中，A＝1218.8，B＝-5.073；e为自然底数，取2.71828；
第六步：实际的侧向膨胀力
将第一扰动土试件测得的在50kPa上覆荷载及侧向应变下的实时干密度ρdi,1(表1)代入式(4)中，即可得到相应的侧压力系数K0i,1，进而按式(5)可得实际的侧向膨胀力；
Pehi＝Phi-K0i,1P (10)
式中：Pehi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向膨胀力；Phi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向力，包含上覆荷载引起的水平应力；P为上覆荷载。
试验过程中的侧压力系数随干密度变化曲线及拟合参数如图3所示，侧向膨胀力随侧向应变的变化曲线如图4所示。侧向膨胀力最大值为47.8kPa，当侧向应变约为0.4％时，侧向膨胀力已基本消失。
对比例1：
取实施例2相同状态的土样，同样通过静压制样制备方形试件，控制初始含水率为ω＝18％，初始干密度为1.60g/cm3。在上覆荷载P＝50kPa的条件下浸水膨胀至稳定，再逐级调节旋转位移调节杆，每0.1％一级，待每级膨胀稳定时量测侧压力及竖向膨胀率。得到侧向膨胀力(实际为未考虑上覆荷载引起的水平应力的侧向力)随侧向应变变化规律，如图5所示，侧向膨胀力最大值为75.2kPa，且当侧向应变为1％时，其侧向膨胀力还有14.4kPa。
对比实施例2(图4)和对比例1(图5)试验结果可以发现很明显的差异，实施例2中的侧向膨胀力仅为对比例中侧向膨胀力的64.4％，说明上覆荷载引起的水平应力增量对于侧向膨胀力的量测具有很大的影响。由此可见由本发明测得的侧向膨胀力比不消除上覆荷载引起的水平应力相比要小得多且更接近实际工况中的侧向膨胀力，目前的侧向膨胀力取值较大，造成在支挡结构设计时偏于保守。
Claims (10)
1.一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述测试装置包括量测装置、数据采集装置和加载装置三部分，其特征在于：所述量测装置安装在所述加载装置的工作台上，所述数据采集装置与所述量测装置电连接。
2.根据权利要求1所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，所述量测装置包括盒体、侧向应变检测装置、加载头、竖向位移计；其特征在于：所述盒体内为一矩形容腔，在矩形容腔的一侧设有一透水石，另一侧设有侧向应变检测装置；所述侧向应变检测装置与透水石之间构成的容室供放置待测试样，所述加载头卡装在容室中并与待测试样上表面接触；所述加载头与竖向位移计的测量端接触。
3.根据权利要求2所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，其特征在于：所述盒体底部设有与加载装置工作台上设置的定位装置相匹配的定位接头。
4.根据权利要求2所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，其特征在于：所述透水石插装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位槽中，与盒体该两相对侧壁垂直连接的另一侧壁之间构成注水槽；所述侧向应变检测装置卡装在设于盒体相对的两个侧壁上的竖向定位台阶上，确保试件在侧向应变调零时侧向不被压缩。
5.根据权利要求1所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，其特征在于：所述侧向应变检测装置与透水石之间构成的容室的盒体侧壁上设有水平方向的定位台阶，水平定位台阶距盒体底面的高度与待测试样的高度相同；所述加载头卡装在容室中并通过所述水平定位台阶定位。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，其特征在于：所述侧向应变检测装置包括传感器、传感器支撑块、侧向位移调节杆、侧向位移基准杆、侧向位移计、刚性滑块；所述传感器支撑块一侧与旋装在盒体的一个侧壁上的侧向位移调节杆接触，另一侧设有一凹槽，传感器安装在所述凹槽中，刚性滑块的一侧贴装在传感器的受压感应区，另一侧与待测试样接触；在传感器支撑块上设有侧向位移基准杆，在所述盒体上设有支架，所述侧向位移计安装在支架上，其测量端与所述侧向位移基准杆接触。
7.根据权利要求6所述的一种应变式侧向膨胀力测试装置，其特征在于：所述刚性滑块上设有与传感器位置匹配并与传感器接触的刚性圆形凸起，刚性圆形凸起的直径与传感器的受压感应区直径相匹配；在传感器与刚性圆形凸起之间设有0.5-2.0mm厚的硅胶垫片。
8.一种应变式侧向膨胀力测试方法，包括下述步骤：
第一步：试样制备
按公路土工试验规程要求，静压制取2个扰动土试样，称为第一扰动土试样及第二扰动土试样，2个扰动土试样的含水率、初始干密度相同；
第二步：试验准备
将第一扰动土试样放入应变式侧向膨胀力测试装置的盒体，置于侧向应变监测装置与透水石之间构成的容室中；旋转位移调节杆使传感器通过刚性滑块与试样接触至数采仪显示的压力读数小于等于2kPa；将整套设备底部置于加载装置的操作台上，放下加载头，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；
第三步：第一扰动土试样的测量
3.1试样浸水膨胀
通过三联高压固结仪对第一扰动土试件施加设定载荷P，向盒体一端的水槽注水，使试样浸水，始终保持水面超过试样上表面5-8mm，开启数据采集装置，设置采样频率，实时监测侧向力及竖向应变，试件在无侧向应变条件下发生上覆载荷的竖向膨胀直至试样膨胀稳定；
3.2参数测量
旋转位移调节杆，使试样发生水平膨胀，控制试样每级水平膨胀位移量为0.05-0.06mm，至膨胀稳定，记录此时刻的竖向应变εvi,1、侧向力Phi及侧向应变εhi,1；然后逐级调节旋转位移调节杆，重复上述步骤继续开展试验，直至某一级侧向应变下试样膨胀稳定时，试件侧向力读数为0，结束试验；按式(1)计算某级荷载下试件的干密度：
式中：b、a、h为试件的初始长宽高，为54.77*54.77*20mm；εhi,1、εvi,1为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下膨胀稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,1为某级荷载下第一试件的干密度；m为制取第一试件时所称量的湿土质量；ω0为试件初始含水率；
第四步：第二扰动土试样制备及测量
将第二扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置的盒体中，不施加上覆荷载，进行无荷条件下的浸水膨胀试验(水平方向不发生膨胀，竖直方向发生无荷膨胀)，待试样膨胀稳定时，测量试样的最终含水率ωf、试样高度h'；按式(2)计算试样的干密度ρdi,2：
式中：εv0为第二试件在无上覆荷载和无侧向应变下膨胀稳定时的竖向应变；ρdi,2为第二试件的最终干密度；其余参数与前述同。
第五步：第三扰动土试样制备及测量
以第四步测得的第二扰动土试样最终含水率ωf、试样高度h'及计算得到的干密度ρdi,2数据制备第三扰动土试样；将第三扰动土试样置于应变式侧向膨胀力测试装置中，在水平应变为0及浸水条件下，逐级施加上覆荷载令试件压缩固结，记录试件每一级施加上覆荷载压缩固结至稳定后的竖向膨胀率和侧向力，直至第三扰动土试样的高度等于第一、二扰动土试样的原始高度，结束试验；施加的上覆荷载变化范围为12.5～300kPa，每级间隔为12.5kPa；根据每一级上覆荷载下的竖向膨胀率，按式(3)计算该状态下的实时干密度ρdi,3；
式中：h'为第三试件的初始高度，即第二试件膨胀至稳定时的最终高度；εhi,3、εvi,3为第三试件在某级上覆荷载和侧向应变下时压缩固结至稳定时的侧向应变和竖向应变；ρdi,3为某级荷载下第三试件的干密度；m'为制取第三试件时所称量的湿土质量；ωf为第三试件的初始含水率，即第二试件膨胀至稳定时的最终含水率；其余参数与前述同。
由于第二扰动土试样无荷膨胀至稳定时的含水率ωf为胀限含水率，而以胀限含水率配置的第三扰动土试样在浸水后将不再发生膨胀，故所测侧压力全部由上覆荷载引起。定义侧压力系数K0i,3为第三试件在压缩固结过程中的侧向力与上覆荷载之比；得到第三扰动土试样的实时干密度ρdi,3与侧压力系数K0i,3的关系曲线，对曲线采用指数函数y＝AeBx进行拟合，得到侧压力系数与干密度的关系式(4)；
式中：K0i,3为某干密度对应的侧压力系数；A、B是拟合参数，是根据拟合过程可以直接得到的常数；e为自然底数，取2.71828；
第六步：实际的侧向膨胀力
将第一扰动土试件测得的某级上覆荷载及侧向应变下的实时干密度ρdi,1代入式(4)中，即可得到相应的侧压力系数K0i,1，进而按式(5)可得实际的侧向膨胀力；
Pehi＝Phi-K0i,1P (5)
式中：Pehi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向膨胀力；Phi为第一试件在某级上覆荷载和侧向应变下的侧向力，包含上覆荷载引起的水平应力；P为上覆荷载。
9.根据权利要求8所述的一种应变式侧向膨胀力测试方法，其特征在于：第3.1、3.2步及第4步中，试样膨胀稳定是指试样在2h内竖向应变的变化≤0.01mm且侧向力变化≤1.0kPa。
10.根据权利要求8所述的一种应变式侧向膨胀力测试方法，其特征在于：第五步中，施加上覆荷载压缩固结至稳定是指试样在2h内竖向应变的变化≤0.01mm且侧向力变化≤1.0kPa。
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