CN109357804A - 一种压实土水平应力测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压实土水平应力测试装置及测试方法，装置包括限位箱、试样筒、加压装置、荷重传感器；限位箱是由钢板制成上部敞口的刚性、矩形箱体；试样桶、护筒均为内圆外方的中空长方体；试样桶、半垫板通过滚珠滑槽结构与限位箱底板接触，运动方向两侧分别与试样桶限位螺栓和荷重传感器接触；土样两端设有减小环箍效应的半垫板、半垫块；半垫板、半垫块由两片半径相同的半圆形金属板组成；通过半垫块和限位块精确控制土样分层制备高度；荷重传感器接触点位于半桶外壁中心；通过荷重传感器测得试样桶内壁承受的压实土样的总水平压力，计算得到水平应力。该装置测出的压实土水平应力值误差小，能为路堤填土的设计、施工和维护提供更可靠、更准确的应力依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程中的压实土水平应力测试装置及测试方法。
背景技术
近年来，我国高速铁路的建设正在向中西部丘陵及山区延伸，为了充分利用山区的填料资源，不可避免的要填筑一定量的高路堤。但调查表明，高填方路堤地段常出现由于填方荷载的大幅增加而引起路堤的填土沉落变形和边坡不稳定问题。要解决填土的沉落变形和边坡不稳定问题，就必须在路堤填土的设计、施工和维护过程中，测出路基填土在压实状态下的应力。
现有的路基填土在压实状态下的应力测试方法是：将土压力盒(振弦式频率计的频率或应变电阻计)作为一个整体竖向或横向埋入待测点，周围土体的应力不同会改变与其紧密接触的土压力盒时的振弦式频率计的频率或应变电阻计的电压，进而得出待测点土体的竖向或横向应力。其存在的问题；土压力盒与周围土体存在物理及力学性质的差异，土压力盒在埋入过程中必定会使近距离的周围土体会产生应力集中和应力重分布，改变了土体的初始应力场，从而产生匹配误差，导致其测试误差大；二是土压力盒的输出值易受温湿度、埋设角度等方面的影响，也使其测试误差大；三是为了减少匹配误差，土压力盒的体积很小，只能测量土体内局部的应力状态，然而土体本身就是一种不均匀的材料，这样的测试结果的精度就相对较低。
发明内容
本发明的第一发明目的是提供一种压实土水平应力的测试装置及测试方法。该装置测出的压实土水平应力值误差小，能为路堤填土的设计、施工和维护提供更可靠、更准确的应力依据。
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是：一种压实土水平应力测试装置，其组成是：
上部敞口的刚性、矩形的限位箱置于反力刚架的底板上；左、右两个半筒构成内圆外方的试样筒，试样筒位于限位箱内，且试样筒的外壁与限位箱内壁不接触；半筒内腔底部设有半圆形的半垫板；底板上开有多个横向的下滑槽，半垫板和试样筒的底部开有与下滑槽配合的上滑槽，上滑槽和下滑槽之间置有滚珠；半筒的顶部设有半护筒，左、右两个半护筒构成内圆外方的护筒，半护筒的底部与半筒的顶部对齐；两块半垫板上部的试样筒内腔与半垫板对应的位置处置有一层以上的半垫块；最上层的左、右两个半垫块的上部覆盖一个限位块，限位块周缘上部有凸出的保护翼板，限位块的底部与半护筒的底部齐平；反力刚架的横梁的底部固定有千斤顶，千斤顶的顶杆位于限位块中心的正上方；半护筒限位螺栓旋入限位箱螺纹孔后顶住半护筒的外壁；试样筒限位螺栓旋入限位箱螺纹孔后顶住一个半筒的外壁，另一个半筒外壁中心位置与荷重传感器的顶端接触，荷重传感器的底部固定于限位箱的内壁上。
本发明的第二发明目的是提供使用上述的压实土水平应力测试装置对压实土的水平应力进行测试的方法。
本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种上述的压实土水平应力测试装置对压实土的水平应力进行测试的方法，其步骤是：
A、设备调试：千斤顶的顶杆回缩、取出试样筒内的限位块、半垫块；调节试样筒限位螺栓，使荷重传感器测出的压力为0.1-5kPa；调节半护筒限位螺栓，使半护筒内壁与半筒内壁平齐；
B、内壁处理：在半筒内壁和半垫板上表面涂覆凡士林、再覆盖一层聚四氟乙烯薄膜；
C、土样压实：
C1、往试样筒内加入预定质量的土样；然后在土样上放入预定层数的半垫块，使半垫块的直径与半垫板及半筒的直径对齐；再覆盖限位块；通过千斤顶的顶杆将限位块下压至设定位置；回缩千斤顶的顶杆，取出限位块、半垫块，完成第一次土样压实；
C2、再往试样筒内加入预定质量的土样；然后在土样上放入半垫块，半垫块层数比前次土样压实时少一层；并使半垫块的直径与半垫板及半筒的直径对齐；再覆盖限位块；通过千斤顶的顶杆将限位块下压至设定位置；回缩千斤顶的顶杆，取出限位块、半垫块，完成本次土样压实；
C3、重复C2步骤的操作，直至已完成的土样压实次数等于半垫块的预定层数，进行C4步的操作；
C4，再往试样筒内加入预定质量的土样；然后在土样上直接覆盖限位块，通过千斤顶的顶杆将限位块下压至设定位置；回缩千斤顶的顶杆，取出限位块，完成最后一次土样压实；
D、水平应力测量及计算
松开半护筒限位螺栓、移开半护筒、将土样表面刮平；由荷重传感器得出半筒受到的总水平压力F，再根据试样筒直径d和高度h得到土样的水平应力σr，
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明的土样是在大尺寸的试样筒内分层(多次)压实而成，土样制成后，试样筒及荷重传感器等所有部件不再有任何的移动和偏移，故土样的应力场不会由于与外部的试样筒及试样筒外的传感器产生作用而改变，土样的应力场固定不变，故不存在匹配误差问题。从而本发明测出的水平应力误差小、精度高。
二、本发明在试样筒外侧的自由空间安装测试水平应力荷重传感器，其安装要求低，容易对正半筒的中心位置，其测试误差小，安装空间不受限制，可以使用体积大、精度高的荷重传感器，提高了测试精度，其水平应力的感应测算面积为整个半筒的侧向投影面积，减弱了土体不均匀性造成的误差，从而提高了测试的精度，降低了测试误差。
三、试样筒由左右两个半筒组成、试样筒内左右相应放置的两个半垫板和多个半垫块，且在每一次压实时半筒直径之间的接缝、半垫板直径处的接缝、半垫块直径之间的接缝均对齐，加之半垫板、半筒与底板之间的滚珠滑槽结构，使得试样筒各组件分割为可以完全自由横向移动的两部分，从而土样对试样筒的水平压力能够无衰减的传递给荷重传感器。也保证了荷重传感器测算出的土样水平应力精确、可靠。
四、本发明在测出土样的水平应力的同时，可以结合土样的实际加入总质量、试样筒的容积、土样的含水率、最大干密度计算出土样的压实度，得出土样的压实度和水平应力的关系，进而为路堤填土的设计、施工和维护提供更可靠、更准确的基于压实度的应力依据。
五、本发明所使用的多层左、右垫块和带保护翼板的限位块可以精确控制各分层压实时的土样密实度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例的主视结构示意图。
图2是本发明实施例去掉反力钢架后的俯视结构示意图。
图3是图2的I-I剖视图。
图4是本发明实施例测出的压实土水平应力与压实度的关系曲线。
具体实施方式
实施例
图1～3示出，本发明的一种具体实施方式为，一种压实土水平应力测试装置，其组成是：
上部敞口的刚性、矩形的限位箱100置于反力刚架400的底板401上；左、右两个半筒201构成内圆外方的试样筒200，试样筒200位于限位箱100内，且试样筒200的外壁与限位箱100内壁不接触；半筒201内腔底部设有半圆形的半垫板202；底板101上开有多个横向的下滑槽，半垫板202和试样筒200的底部开有与下滑槽配合的上滑槽，上滑槽和下滑槽之间置有滚珠500；半筒201的顶部设有半护筒300，左、右两个半护筒300构成内圆外方的护筒，半护筒300的底部与半筒201的顶部对齐；两块半垫板202上部的试样筒200内腔与半垫板202对应的位置处置有一层以上的半垫块204；最上层的左、右两个半垫块204的上部覆盖一个限位块205，限位块205周缘上部有凸出的保护翼板205a，限位块205的底部与半护筒300的底部齐平；反力刚架400的横梁402的底部固定有千斤顶600，千斤顶600的顶杆位于限位块205中心的正上方；半护筒限位螺栓103旋入限位箱100螺纹孔后顶住半护筒300的外壁；试样筒限位螺栓102旋入限位箱100螺纹孔后顶住一个半筒201的外壁，另一个半筒201外壁中心位置与荷重传感器700的顶端接触，荷重传感器700的底部固定于限位箱100的内壁上。
一种本例的压实土水平应力测试装置对压实土的水平应力进行测试的方法，其步骤是：
A、设备调试：千斤顶600的顶杆回缩、取出试样筒200内的限位块205、半垫块204；调节试样筒限位螺栓102，使荷重传感器700测出的压力为0.1-5kPa；调节半护筒限位螺栓103，使半护筒300内壁与半筒201内壁平齐；
B、内壁处理：在半筒201内壁和半垫板202上表面涂覆凡士林、再覆盖一层聚四氟乙烯薄膜；
C、土样压实：
C1、往试样筒200内加入预定质量的土样203；然后在土样203上放入预定层数的半垫块204，使半垫块204的直径与半垫板202及半筒201的直径对齐；再覆盖限位块205；通过千斤顶600的顶杆将限位块205下压至设定位置；回缩千斤顶600的顶杆，取出限位块205、半垫块204，完成第一次土样压实；
C2、再往试样筒200内加入预定质量的土样203；然后在土样203上放入半垫块204，半垫块204层数比前次土样压实时少一层；并使半垫块204的直径与半垫板202及半筒201的直径对齐；再覆盖限位块205；通过千斤顶600的顶杆将限位块205下压至设定位置；回缩千斤顶600的顶杆，取出限位块205、半垫块204，完成本次土样压实；
C3、重复C2步骤的操作，直至已完成的土样压实次数等于半垫块204的预定层数，进行C4步的操作；
C4，再往试样筒200内加入预定质量的土样203；然后在土样203上直接覆盖限位块205，通过千斤顶600的顶杆将限位块205下压至设定位置；回缩千斤顶600的顶杆，取出限位块205，完成最后一次土样压实；
D、水平应力测量及计算
松开半护筒限位螺栓103、移开半护筒301、将土样203表面刮平；由荷重传感器700得出半筒201受到的总水平压力F，再根据试样筒200直径d和高度h得到土样203的水平应力σr，
测试试验
采用本发明的测试装置及测试方法，对一种高液限黏土进行了水平应力测试。试样桶内径152mm、高116mm，土样含水率按最优含水率17.48％控制，压实度K(又称夯实度，指的是土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比，以百分率表示；对同一种土料，在标准击实条件下，能够达到的干密度的最大值称为最大干密度)在60％～96％之间变化；荷重传感器量程为1t，精度等级为0.03％。不同压实度下测试测试出的水平应力如图4所示。
图4的结果表明，被测的高液限黏土的水平应力σr与压实度K呈高度正相关，在低压实度区(K＝60％-91.5％)的线性相关系数R2＝0.9935；在高压实度区(K＝91.5％-96％)的线性相关系数R2＝0.9945。
Claims (2)
1.一种压实土水平应力测试装置，其组成是：
上部敞口的刚性、矩形的限位箱(100)置于反力刚架(400)的底板(401)上；左、右两个半筒(201)构成内圆外方的试样筒(200)，试样筒(200)位于限位箱(100)内，且试样筒(200)的外壁与限位箱(100)内壁不接触；半筒(201)内腔底部设有半圆形的半垫板(202)；底板(101)上开有多个横向的下滑槽，半垫板(202)和试样筒(200)的底部开有与下滑槽配合的上滑槽，上滑槽和下滑槽之间置有滚珠(500)；半筒(201)的顶部设有半护筒(300)，左、右两个半护筒(300)构成内圆外方的护筒，半护筒(300)的底部与半筒(201)的顶部对齐；两块半垫板(202)上部的试样筒(200)内腔与半垫板(202)对应的位置处置有一层以上的半垫块(204)；最上层的左、右两个半垫块(204)的上部覆盖一个限位块(205)，限位块(205)周缘上部有凸出的保护翼板(205a)，限位块(205)的底部与半护筒(300)的底部齐平；反力刚架(400)的横梁(402)的底部固定有千斤顶(600)，千斤顶(600)的顶杆位于限位块(205)中心的正上方；半护筒限位螺栓(103)旋入限位箱(100)螺纹孔后顶住半护筒(300)的外壁；试样筒限位螺栓(102)旋入限位箱(100)螺纹孔后顶住一个半筒(201)的外壁，另一个半筒(201)外壁中心位置与荷重传感器(700)的顶端接触，荷重传感器(700)的底部固定于限位箱(100)的内壁上。
2.一种使用权利要求1所述的压实土水平应力测试装置对压实土的水平应力进行测试的方法，其步骤是：
A、设备调试：千斤顶(600)的顶杆回缩、取出试样筒(200)内的限位块(205)、半垫块(204)；调节试样筒限位螺栓(102)，使荷重传感器(700)测出的压力为0.1-5kPa；调节半护筒限位螺栓(103)，使半护筒(300)内壁与半筒(201)内壁平齐；
B、内壁处理：在半筒(201)内壁和半垫板(202)上表面涂覆凡士林、再覆盖一层聚四氟乙烯薄膜；
C、土样压实：
C1、往试样筒(200)内加入预定质量的土样(203)；然后在土样(203)上放入预定层数的半垫块(204)，使半垫块(204)的直径与半垫板(202)及半筒(201)的直径对齐；再覆盖限位块(205)；通过千斤顶(600)的顶杆将限位块(205)下压至设定位置；回缩千斤顶(600)的顶杆，取出限位块(205)、半垫块(204)，完成第一次土样压实；
C2、再往试样筒(200)内加入预定质量的土样(203)；然后在土样(203)上放入半垫块(204)，半垫块(204)层数比前次土样压实时少一层；并使半垫块(204)的直径与半垫板(202)及半筒(201)的直径对齐；再覆盖限位块(205)；通过千斤顶(600)的顶杆将限位块(205)下压至设定位置；回缩千斤顶(600)的顶杆，取出限位块(205)、半垫块(204)，完成本次土样压实；
C3、重复C2步骤的操作，直至已完成的土样压实次数等于半垫块(204)的预定层数，进行C4步的操作；
C4，再往试样筒(200)内加入预定质量的土样(203)；然后在土样(203)上直接覆盖限位块(205)，通过千斤顶(600)的顶杆将限位块(205)下压至设定位置；回缩千斤顶(600)的顶杆，取出限位块(205)，完成最后一次土样压实；
D、水平应力测量及计算
松开半护筒限位螺栓(103)、移开半护筒(301)、将土样(203)表面刮平；由荷重传感器(700)得出半筒(201)受到的总水平压力F，再根据试样筒(200)直径d和高度h得到土样(203)的水平应力σr，
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