CN112033891B - 一种新的膨胀土膨胀力测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的膨胀土膨胀力测定方法，通过对同一膨胀土试样进行多级荷载下的固结及膨胀变形试验，建立同一固结及膨胀变形的孔隙比与上覆压力关系曲线，研究不同初始状态下膨胀及固结变形曲线的交点上覆压力与初始状态之间的关系，通过查图的方法确定其余不同初始状态下膨胀土的膨胀力。相比较于传统的膨胀力测定方法，本发明在试验的便捷程度、试验过程中变形控制的难度方面均有较大程度的改善，试验比较符合膨胀力的产生机理，可以有效减小膨胀土膨胀力测定结果的随机性，减少膨胀力测定结果的误差，提高膨胀土膨胀力测定结果准确性。

Description

一种新的膨胀土膨胀力测定方法

技术领域

本发明涉及一种新的膨胀土膨胀力测定方法。

背景技术

膨胀土膨胀力是判断膨胀土膨胀变形特征最为重要的指标之一，膨胀力测定准确与否直接关系着膨胀土的工程应用及工程处治措施的选择的合理性，因此，如何准确测定土体膨胀力对于工程建设具有十分重要的意义。

当前我国采用的膨胀力测定方法主要有两种：

一种是土工试验规程中的平衡加载法，主要是通过同时加水加载的方式使膨胀土土样保持高度不变，计算膨胀过程中保持土体高度不变所需荷载的大小确定土体膨胀力。该方法的试验步骤简单，但也存在着较大的缺点，主要体现在：1)土体在膨胀变形试验过程中，保持原有高度稳定的难度极大，试验过程中土样产生微小的变形不易看出。2)试验的机理存在问题，从土工试验规程试验方法的实际操作来看，土体是在产生一定膨胀量后再加载压缩回原高度的方法，所测定的力实际是膨胀稳定后的固结压力，与膨胀力产生的机理存在一定的区别。3)土工试验规程中的膨胀力测定方法采用单个试样进行试验，确定土体的膨胀力，外部因素对试验结果的影响性较大，试验结果的随机性较大，结果的准确性不足。4)土工试验规程中对土体的变形采用高度进行控制，变形控制简单直观。而且土体的膨胀过程中的变形不仅包括高度方向的变形也包括径向的变形，因此，相对于变形过程中空隙比的变化而言，土体高度的变化不能完全反应土体产生变形的本质，而相反孔隙比则可以较好地反应土体变形的本质。

另一种是美国规范ASTMD4546-16方法，即制作若干相同初始干密度及含水率下的“等同”试样，分别进行不同上覆压力下的浸水膨胀变形试验，绘制上覆压力与线膨胀率的关系图，截取关系图中线膨胀率为0时的上覆压力为该初始状态土体的膨胀力。这种方法也存在一定的问题,主要表现在：1)土体的膨胀变形特性与土质土性、土体的初始状态等因素密切相关，该方法制作在“等同”土样方面存在一定的差异，试样所表现的性质不仅与初始状态有关也与制作过程中的压实功、操作人员及技术水平及操作方法均存在一定的关系，因此，“等同”试样的变异性较大。2)对于单个试样的线膨胀率测定来说，外部因素对试验结果的影响较大，且与土工试验规程的膨胀力测定原理一致，采用线膨胀率不能反映土体膨胀力产生的本质原因。

发明内容

针对土工试验规程中膨胀力测定的平衡加载法及美国规范ASTMD4546-16方法存在的问题，本发明对膨胀土的膨胀力测定方法进行了改进，提出了一种新的膨胀土膨胀力测定方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种新的膨胀土膨胀力测定方法，包括以下步骤：

第一步：绘制膨胀土土体膨胀力的标准曲线，具体步骤为：

1)分别进行不同初始状态下膨胀土土体的小环刀土样，采用同一土样进行多级荷载下膨胀土土体的固结试验，待固结稳定后浸水膨胀变形，浸水膨胀变形稳定后逐级卸载至需要的荷载；

2)绘制各初始状态下土样固结及浸水膨胀变形过程中的孔隙比与上覆压力关系图；

3)截取各初始状态下土样固结与浸水膨胀变形曲线的交点上覆压力；

4)在初始干密度与交点上覆压力关系图中绘出相同初始含水率下土样的交点上覆压力与初始干密度关系的拟合曲线，作为膨胀力标准曲线图；

第二步：根据待测膨胀土土体的初始状态在膨胀力标准曲线图中查出待测膨胀土土体的膨胀力。进一步，第一步中分别进行不同初始状态下膨胀土土体的小环刀试样，具体为：按照膨胀土土体的含水率变化范围，制作若干相同干密度不同含水率及相同含水量不同干密度的小环刀土样。

进一步，第二步的具体步骤为：测出待测膨胀土土体的初始干密度及初始含水率，在膨胀力标准曲线图查找相应的膨胀力值；若不能找到相应的膨胀力值，则根据膨胀力标准曲线图中查出相邻初始含水率土样的交点上覆压力，按照线性差值法确定该初始含水率下待测膨胀土土体的交点上覆压力即为该初始状态下待测膨胀土土体的膨胀力。

进一步，待测膨胀土土体与土样具有相同土质土性。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明针对传统的膨胀土膨胀力测定方法测定原理不明、测定结果变异性较大、难以控制等问题，创造性地提出了一种新的膨胀土膨胀力测定方法，从而有效地解决了工程建设中膨胀土膨胀力测定结果变异性大、原理不明及工作量大等问题。该方法不仅可以大大提高了工程建设中膨胀土膨胀力的测定速度，还有效减少了膨胀土膨胀力测定中外界因素的影响，提高了膨胀力测定的准确性。

附图说明

图1是膨胀力标准曲线绘制方法流程图；

图2是上覆压力与孔隙比关系；

图3是初始干密度与上覆压力关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了解决现行膨胀土膨胀力测定方法中试样高度控制难度大、膨胀力测定机理不完善及外部因素对膨胀力测定影响较大的问题，本发明创造性地提出了一种新的膨胀力测定方法——即通过进行土体在多级荷载下的膨胀及固结变形试验，绘制多级荷载下土体的固结及膨胀变形过程中孔隙比与上覆压力关系曲线，截取曲线交点的上覆压力作为该初始状态下土体的膨胀力，绘制不同初始含水量下曲线交点的上覆压力(即膨胀力)与土体初始干密度的关系曲线，作为该土质土性土体的膨胀力标准曲线，然后通过查图的方式确定其余各初始状态下土体的膨胀力。

当前我国采用的膨胀力测定方法主要是土工试验规程方法和美国规范ASTMD4546-16方法，这两种膨胀力测定方法的优点主要有：

1)土工试验规程方法

土工试验规程的膨胀力测定方法，试验仪器及操作过程简单，土工试验规程的膨胀力测定方法试验操作简单，试验仪器大众化、速度快。该方法试验仪器主要采用固结仪进行，试验土样一般采用小环刀样，将土样放入固结仪中，加水膨胀后通过测定维持土体试样高度不变时的上覆压力来确定土体的膨胀力，试验的操作过程、制样方法较为简单，一般工地实验室均可以满足试验条件，测定速度较快。

2)美国规范ASTMD4546-16方法

美国规范ASTMD4546-16方法的优点主要有以下两点：

①测定结果准确：美国规范ASTMD4546-16方法的试验是通过进行“等同”试样在不同上覆荷载作用下的线膨胀率测定，绘制不同上覆压力下线膨胀率的关系图，采用线膨胀率为0时的上覆压力为土体的膨胀力。采用多试样进行试验，并通过多试验土样膨胀变形后的数据进行拟合，进行查图的方式确定膨胀力，弱化了外因对单个试验试验结果的影响，提高了测定结果的准确性。

②试验大众化、仪器及操作过程简单：美国规范ASTMD4546-16方法一般采用固结仪器仪进行，试验土样采用小环刀样进行，仪器及制样方法均非常简单，试验速度也比较快且试验过程中对于试验人员的技术水平要求不高，具有一定专业知识的人员在一般试验室均可以完成试验。

虽然膨胀力测定的两种方法均存在一定的优点，但也各自存在一定的不足，主要表现在：

1、土工试验规程方法

土工试验规程方法主要通过测定维持试样高度不变时上覆压力的方法测定土体的膨胀力，这种方法的问题主要有：①试验的机理不符合膨胀力的定义，这种方法一般是在土体产生微小的膨胀变形时加载固结，实际测定的是固结压力。②维持试样高度不变的控制极其困难。③采用单个土样进行试验，外因对试验结果的影响较大。

2、美国规范ASTMD4546-16方法

美国规范ASTMD4546-16方法采用多个“等同”试样进行线膨胀率试验，①这种试验方法中“等同”试样的制做十分困难，很难保证完全一致。②与土工试验规程的方法一致，采用线膨胀率为0时的上覆压力作为膨胀力，很难反映土体膨胀力产生的原因，也很难反映土体径向变形对于膨胀力的影响。

为了弥补土工试验规程方法及美国规范ASTMD4546-16方法存在的缺点，保留现有方法的优点，提出了一种新的膨胀土膨胀力测定方法。即通过绘制不同初始状态下膨胀力的标准曲线图，通过查图的方式查得土体的膨胀力，具体步骤如下：

第一步：绘制膨胀土土体膨胀力的标准曲线，如图1所示，具体步骤为：1)分别进行不同初始状态下膨胀土的小环刀试样，采用同一试样进行多级荷载下土体的固结试验待固结稳定后浸水膨胀变形，稳定后逐级卸载至需要的荷载，2)绘制各初始状态下膨胀土的孔隙比与上覆压力关系图，3)截取各不同初始状态固结与浸水膨胀变形曲线的交点上覆压力。4)在初始干密度与交点上覆压力关系图中绘出相同初始含水率下，土体的交点上覆压力(即膨胀力)与初始干密度关系的拟合曲线，作为膨胀力标准曲线图。

第二步：根据待测土体的初始状态插图查出土体的膨胀力，具体步骤为：测出待测土体(相同土质土性)的初始干密度及初始含水率，按膨胀土土体的实际干密度与含水率在膨胀力标准曲线图中查找相应的膨胀力值，即为该初始状态下土体的膨胀力。若图中没有对应初始干密度，则根据土体标准曲线图中查出相邻初始含水率土样的交点上覆压力，按照线性差值法确定该初始含水率下土体的交点上覆压力即为该初始状态下待测土体的膨胀力。

本发明针对传统的膨胀土膨胀力测定方法测定原理不明、测定结果变异性较大、难以控制等问题，创造性地提出了一种新的膨胀土膨胀力测定方法，从而有效地解决了工程建设中膨胀土膨胀力测定结果变异性大、原理不明及工作量大等问题。该方法不仅可以大大提高了工程建设中膨胀土膨胀力的测定速度，还有效减少了膨胀土膨胀力测定中外界因素的影响，提高了膨胀力测定的准确性。本发明在试验的便捷程度、试验过程中变形控制的难度方面均有较大程度的改善，试验比较符合膨胀力的产生机理，可以有效减小膨胀土膨胀力测定结果的随机性，减少膨胀力测定结果的误差，提高膨胀土膨胀力测定结果准确性。

举例说明：

1、制作不同干密度及初始含水率的小环刀样，进行固结及膨胀变形试验(固结及膨胀变形的上覆压力采用相同值)，绘制土体孔隙比与上覆压力的关系图，如图2所示，截取交点上覆压力。

2、将不同初始状态的上覆压力与初始干密度关系图，如图3所示，并拟合上覆压力与初始干密度的关系。

3、按照待测土体的初始干密度及初始含水率确定上覆压力，即为膨胀力，具体步骤为：

①按照待测膨胀土土体的干密度确定与待测含水率相邻的两含水率土体的上覆压力，即图3中a、b两点。(若图中存在待测含水率的曲线，直接读取上覆压力，即为待测膨胀土土体膨胀力)

②采用相邻含水率上覆压力，按照线性差值法确定c点的上覆压力即为该初始状态下待测膨胀土土体的膨胀力。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种新的膨胀土膨胀力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：绘制膨胀土土体膨胀力的标准曲线，具体步骤为：

1)分别进行不同初始状态下膨胀土土体的小环刀试样，采用同一土样进行多级荷载下膨胀土土体的固结试验，待固结稳定后浸水膨胀变形，浸水膨胀变形稳定后逐级卸载至需要的荷载；

2)绘制各初始状态下土样固结及浸水膨胀变形过程中的孔隙比与上覆压力关系图；

3)截取各初始状态下土样固结与浸水膨胀变形曲线的交点上覆压力；

4)在初始干密度与交点上覆压力关系图中绘出相同初始含水率下土样的交点上覆压力与初始干密度关系的拟合曲线，作为膨胀力标准曲线图；

第二步：根据待测膨胀土土体的初始状态在膨胀力标准曲线图中查出待测膨胀土土体的膨胀力；

第一步中分别进行不同初始状态下膨胀土土体的小环刀试样，具体为：按照膨胀土土体的含水率变化范围，制作若干相同干密度不同含水率及相同含水量不同干密度的小环刀土样；

第二步的具体步骤为：测出待测膨胀土土体的初始干密度及初始含水率，在膨胀力标准曲线图查找相应的膨胀力值；若不能找到相应的膨胀力值，则根据膨胀力标准曲线图中查出相邻初始含水率土样的交点上覆压力，按照线性差值法确定该初始含水率下待测膨胀土土体的交点上覆压力即为该初始状态下待测膨胀土土体的膨胀力。

2.如权利要求1所述的一种新的膨胀土膨胀力测定方法，其特征在于，待测膨胀土土体与土样具有相同土质土性。