CN112034140B - 一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，包括装置框体、膨胀土测量位、电导率测量结构和膨胀变形测量结构；膨胀土测量位包括刚性透水板、上透水板和下透水板，上透水板和下透水板之间形成土样放置空间，刚性透水板与上透水板之间设有多个带有应力传感器的立柱；电导率测量结构采用并联电路形式，通电后根据膨胀土的导电性能的差异，计算得到不同测量位、不同含水率膨胀土试样的电导率；膨胀变形测量结构测量膨胀土在有侧限的情况下的侧向变形。本发明的测量装置操作相对简单，能够快速有效地测量膨胀土体的关键物理力学参数，且在同一含水率的条件下，能够进一步分析各个参数的相关函数关系，有助于全面明确膨胀土的物理力学性质。

Description

一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置

技术领域

本发明涉及土木工程岩土工程测量设备技术领域，特别地，涉及一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置。

背景技术

膨胀土是一种含有较多强亲水性矿物的特殊性黏土，由于这些强亲水性的矿物成分的存在，膨胀土表现出了特殊的工程性质。在干湿循环过程中，强亲水性矿物的存在导致膨胀土表现了很强的吸水性。由于大量吸收水分，体积发生膨胀，大量失去水分，体积产生收缩，膨胀土表现为胀缩性。膨胀土的物理力学性质是工程上利用膨胀土的基础，例如膨胀力、膨胀变形、电导率、含水率、自由膨胀率等参数及各个参数之间的相关性。因此测量这些参数对于膨胀土的工程应用具有重要的意义。

鉴于此，本领域的技术人员做了大量的研究，例如申请号为201110099186.7的发明专利公开了一种膨胀土胀缩表征参数的测量装置及其测量方法，该测量装置包括试样容器、土体渗气系数测量部分、施加竖向载荷的顶升气缸、测定膨胀土试样发生竖向变形的百分表以及测试膨胀土试样渗水系数的体变管；该测量方法能够通过控制置于试样容器中的膨胀土试样的温度和含水率变化，以测定出膨胀土反复胀缩变形过程的渗水和渗气系数，从而反应出膨胀土在反复胀缩变形过程中土体内部的裂隙和土体结构的变化。又例如申请号为201510340794.0的发明专利公开了一种膨胀土地区泥水平衡盾构隧道管片受力分析试验装置，该装置包括主体框架、测量系统和加水系统；主体框架包括模型箱、活动板、液压千斤顶和试验管片；测量系统包括土压力计、孔隙水压力计、应变片和数据采集仪；加水系统包括蠕动泵、软管和毛细管。液压千斤顶向试验膨胀土施加轴向荷载，加水系统通过毛细管以稳定速率向试验管片与试验膨胀土接触带均匀输水；利用数据采集仪采集并记录试验膨胀土各测量点土压力、孔隙水压力和管片变形数据。

综合现有的测量装置，对于各个物理参数分别有相应的测量方法，但现有测量方法效率较低，成本较高，且难以分析各个相关系数之间的函数对应关系，因此需要设计一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，降低测量成本、提高测量效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，提高了膨胀土物理力学参数的测量效率，降低了测量成本，且能够有效分析膨胀土各个参数之间的对应函数关系，为膨胀土的工程应用提供相应的试验支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，包括中空结构的装置框体、至少两个上下布置的膨胀土测量位、膨胀土电导率测量结构和膨胀变形测量结构；所述装置框体的顶部开口，所述装置框体的两个相对侧壁上对称开设有多个安装口；每个所述膨胀土测量位均包括由上至下依次水平设置的刚性透水板、上透水板和下透水板，所述刚性透水板、上透水板和下透水板的两端分别可拆卸的插设在两个相对侧壁的相应安装口中，所述上透水板和下透水板之间且于所述装置框体的容腔内形成有效土样放置空间，所述刚性透水板与上透水板之间设有多个带有应力传感器的立柱；所述膨胀土电导率测量结构和膨胀变形测量结构分别设置在所述装置框体的另外两个侧壁上，所述膨胀土电导率测量结构包括第一电流表、保护电阻和与所述土样放置空间的数量相同的多个电阻支路，每个所述电阻支路均包括串联的第二电流表和指示灯，多个所述电阻支路并联后再与所述第一电流表以及所述保护电阻串联；所述膨胀变形测量结构包括竖向设置的滑杆和与所述土样放置空间的数量相同且能沿所述滑杆上下滑动的多个滑动件，多个所述滑动件的移动拨片分别用于插入至相应土样放置空间中的膨胀土土样内部；当所述土样放置空间中的膨胀土土样产生膨胀时，膨胀土土样会带动所述滑动件沿滑杆滑动。

进一步的，所述装置框体的左侧壁上开设有与所述装置框体的内腔相连通的多个销钉孔；所述刚性透水板、上透水板和下透水板分别通过销钉与所述装置框体固定相连。

进一步的，所述刚性透水板的中间部设有若干均匀分布的透水孔；所述上透水板的下表面和下透水板的上表面均铺设有滤纸。

进一步的，所述立柱为分别设置于所述刚性透水板的底部四角的四个，所述立柱的上下两端分别与所述刚性透水板的底面和上透水板的顶面紧密贴合；所述立柱为小钢柱。

进一步的，所述装置框体的右侧壁上开设有与所述滑杆对应设置的滑行槽，所述滑行槽与多个所述土样放置空间均连通，多个所述移动拨片贯穿所述滑行槽后分别伸入相应的所述土样放置空间内。

进一步的，所述滑动件包括夹片组件、连接弹簧和移动拨片，所述夹片组件用于与所述滑杆相配合并能沿滑杆滑动，所述连接弹簧设置在所述夹片组件内，所述移动拨片设置在所述夹片组件靠近装置框体的一侧。

进一步的，所述膨胀土测量位为上下均匀布置的三个，且位于最顶部的所述膨胀土测量位与所述装置框体的顶面之间形成注水凹槽。

进一步的，所述装置框体的底部四角各设有一个脚锥。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，电导率测量结构采用并联电路形式，通电后根据膨胀土的导电性能的差异，计算得到不同测量位、不同含水率膨胀土试样的电导率；膨胀变形测量结构基于滑动变阻器的原理，测量膨胀土在有侧限的情况下的侧向变形。膨胀变形带动布置在膨胀土顶部的滑动件运动，从而引起电阻变化，在电路中反映为电流的变化，经过计算转化，得到膨胀土的有侧限变形。本发明的测量装置操作相对简单，能够快速有效地测量膨胀土体的关键物理力学参数，且在同一含水率的条件下，能够进一步分析各个参数的相关函数关系，有助于全面明确膨胀土的物理力学性质。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置优选实施例的结构示意图；

图2是图1中测量装置的俯视结构示意图；

图3是图2中的A-A剖面示意图；

图4是本发明优选实施例膨胀变形测量结构的示意图；

图5是图4中B处放大结构示意图；

图6是本发明优选实施例的内部结构视图；

图7是本发明优选实施例中应力传感器的结构示意图；

其中，1-装置框体，2-刚性透水板，2.1-透水孔，3-上透水板，4-下透水板，5-立柱，6-第一电流表，7-保护电阻，8-第二电流表，9-指示灯，10-滑杆，11-滑动件，11.1-夹片组件，11.2-连接弹簧，11.3-移动拨片，12-销钉，13-滑行槽，14-脚锥，15-导线，16-应力传感器，a-土样放置空间。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1至图7，本实施例提供一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，包括装置框体1、三个上下布置的膨胀土测量位、膨胀土电导率测量结构和膨胀变形测量结构。其中：

装置框体为整个测量装置提供基础支撑，装置框体为顶部开口的中空结构，装置框体的前侧壁和后侧壁上对称开设有多个水平设置的条状安装口。每个膨胀土测量位均包括由上至下依次水平设置的刚性透水板2、上透水板3和下透水板4，刚性透水板、上透水板和下透水板的两端分别可拆卸的插设在前后侧壁的相应安装口中；具体地，刚性透水板、上透水板和下透水板均前后贯穿装置框体1设置，并且各透水板分别通过贯穿销钉孔的销钉12与装置框体固定相连。刚性透水板的中间部设有若干均匀分布的透水孔2.1，上透水板和下透水板之间且于装置框体的容腔内形成有密闭的土样放置空间a，土样放置空间用于放置待测土样，刚性透水板与上透水板之间设有多个带有应力传感器16的立柱5。优选的，刚性透水板的底部四角各设有一个立柱，且立柱的上下两端分别与刚性透水板的底面和上透水板的顶面紧密贴合；立柱为小钢柱，且应力传感器16设置于小钢柱的内部；上透水板的下表面和下透水板的上表面均铺设有滤纸。

在本发明较佳的实施例中，膨胀土电导率测量结构设置在装置框体的左侧壁上，其包括第一电流表6、保护电阻7和与3个电阻支路，每个电阻支路均包括第二电流表8和指示灯9，且第二电流表8和指示灯9串联后通过导线15与该电阻支路所对应的土样放置空间a中的膨胀土土样通过导线15相连，也即第二电流表8、指示灯9以及位于相应土样放置空间a中的膨胀土土样依次串联，多个电阻支路并联后再与第一电流表以及保护电阻串联。在该膨胀土电导率测量结构中，布置了一个保护电阻来保护整个电路的安全性，防止形成短路损害电源。3个电阻支路采用并联结构，各支路之间的数据读取互不影响。因此，可通过记录大小电流表的数据取值，分别计算得到三个膨胀土测量位的电阻值，进而得到膨胀土的电导率。

在本发明较佳的实施例中，膨胀变形测量结构设置在装置框体的右侧壁上，其包括竖向设置的滑杆10和与土样放置空间的数量相同且能沿滑杆上下滑动的多个滑动件11，多个滑动件的移动拨片11.3分别插入至相应土样放置空间a中的膨胀土土样内部。当膨胀土发生膨胀变形时，土样放置空间中的膨胀土土样产生膨胀会带动滑动件沿滑杆10滑动。通过记录膨胀变形测量结构的电流变化，从而判断电阻变化，计算得到膨胀土的变形。该结构设置中，装置框体的右侧壁上开设有与滑杆对应设置的滑行槽13，滑行槽与多个土样放置空间a均连通，多个移动拨片贯穿滑行槽后分别伸入相应的土样放置空间内。具体地，滑动件包括夹片组件11.1、连接弹簧11.2和移动拨片11.3，夹片组件用于与滑杆相配合并能沿滑杆滑动，连接弹簧设置在夹片组件内，移动拨片设置在夹片组件靠近装置框体1的一侧。

在本发明较佳的实施例中，装置框体的底部布置了四个脚锥14，使得整个测量装置与地面保持一定的空间，减少了外界环境因素对膨胀土物理力学参数的影响。

在本发明较佳的实施例的测量装置中，三个膨胀土测量位分层铺设(即从下到上一层一层铺设)，具体以铺设一个测量层位为例：首先将透水组件中的下透水板4铺设到位，并采用销钉12从侧面对下透水板进行固定；接着在下透水板上铺设膨胀土土样并铺平压实，膨胀土土样充满整个土样放置空间a；然后铺设上透水板3，同样用销钉12对上透水板进行固定；最后在上透水板上设置四个立柱5，再盖上刚性透水板2，四个立柱5分别位于刚性透水板(位于装置框体容腔内的部分)的底部四角。

所有测量位都铺设好膨胀土土样后，接通膨胀土电导率测量结构，接着在装置框体1顶部注入已知质量的水体，观察多个第二电流表8和多个指示灯9的数据变化情况；随着水分的渗入，指示灯逐渐变暗，第二电流表的数值逐渐降低；膨胀土体发生膨胀，小钢柱中的应力传感器开始测得膨胀力数据，并且三个测量位的变化趋势一致；当各第二电流表和指示灯的数据趋于稳定后，分别记录第一电流表11和第二电流表12的电流数据以及应力传感器测得的膨胀力数据；然后分别用含水率探头测量各土样放置空间a中的膨胀土土样的含水率，并记录数据。

在上述试验过程中，在三个测量位中铺设相同厚度的膨胀土土样，由于土样本身的厚度较小，可认为在单一测量位中的膨胀土土样在淋水后含水率为同一值。考虑到操作便捷性和试验可行性，同时尽量保证单层土样放置空间土体含水率均一性，设计土样测量空间高度例如为20mm。完成膨胀土土样铺设后，在测量装置顶部的注水凹槽中注入已知质量的水，通过观察电导率测量结构的电流表和灯泡来分析整个渗流过程的发展。由于膨胀土本身的吸水膨胀的特性，固定质量的水在透过第一个测量位后，水体质量发生损失，意味着第二个测量位的土体所吸收的总体水量减小，该测量位所能达到的应到含水率下降，以此类推，在整体渗透过程中，三个测量位的膨胀土形成三种不同的含水率，电导率测量结构为并联结构，数据之间的读取互不影响，且三个测量位中都分别布置了压力传感器，可以分别测量三种不同含水率情况下膨胀土的电导率和膨胀力，在试验结束后，可以分别用含水率探头分别测量三个膨胀土测量位的含水率，通过数据收集和整理，能够得到在不同含水率下膨胀土的膨胀力和电导率。

在本发明较佳的实施例中，完成膨胀力与电导率测量后，去除上透水板和刚性透水板的销钉，仅保留下透水板，在每个膨胀土测量位重新布置相同高度的膨胀土土样，移动装置右侧的滑动件到土样的顶部，注入与上述膨胀力测量过程中相同质量的水，保证两个试验前后，三个测量位的含水率保持一致，等待膨胀土发生膨胀变形，记录试验前后电流表数据变化，反算得到膨胀土的有侧限变形，由于采用与第一次试验相同的水体质量和渗透过程，三个测量位的膨胀土土体含水率应保持一致。在同一测量装置上进行两次测量试验，得到了在同一含水率条件下，膨胀土的膨胀力、电导率、有侧限变形等物理力学参数，同时也能够分析测得的物理力学参数与含水率之间的对应函数关系，重复多次试验后，能够得到相关物理力学参数随含水率的变化曲线。同时，在已知含水率的情况下，电导率与膨胀土表现为高度的线性相关性，可根据电导率对膨胀土的自由膨胀率进行快速识别。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非饱和膨胀土物理力学参数测量装置，其特征在于，包括中空结构的装置框体(1)、至少两个上下布置的膨胀土测量位、膨胀土电导率测量结构和膨胀变形测量结构；所述装置框体的顶部开口，所述装置框体的两个相对侧壁上对称开设有多个安装口；每个所述膨胀土测量位均包括由上至下依次水平设置的刚性透水板(2)、上透水板(3)和下透水板(4)，所述刚性透水板、上透水板和下透水板的两端分别可拆卸的插设在两个相对侧壁的相应安装口中，所述上透水板和下透水板之间且于所述装置框体的容腔内形成有土样放置空间(a)，所述刚性透水板与上透水板之间设有多个带有应力传感器的立柱(5)；所述膨胀土电导率测量结构和膨胀变形测量结构分别设置在所述装置框体的另外两个侧壁上，所述膨胀土电导率测量结构包括第一电流表(6)、保护电阻(7)和与所述土样放置空间的数量相同的多个电阻支路，每个所述电阻支路均包括串联的第二电流表(8)和指示灯(9)，多个所述电阻支路并联后再与所述第一电流表以及所述保护电阻串联；所述膨胀变形测量结构包括竖向设置的滑杆(10)和与所述土样放置空间的数量相同且能沿所述滑杆上下滑动的多个滑动件(11)，多个所述滑动件的移动拨片(11.3)分别用于插入至相应土样放置空间(a)中的膨胀土土样内部；当所述土样放置空间中的膨胀土土样产生膨胀时，膨胀土土样会带动所述滑动件沿滑杆(10)滑动。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置框体的左侧壁上开设有与所述装置框体的内腔相连通的多个销钉孔；所述刚性透水板、上透水板和下透水板分别通过销钉(12)与所述装置框体固定相连。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述刚性透水板的中间部设有若干均匀分布的透水孔(2.1)；所述上透水板的下表面和下透水板的上表面均铺设有滤纸。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述立柱为分别设置于所述刚性透水板的底部四角的四个，所述立柱的上下两端分别与所述刚性透水板的底面和上透水板的顶面紧密贴合；所述立柱为小钢柱。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置框体的右侧壁上开设有与所述滑杆对应设置的滑行槽(13)，所述滑行槽与多个所述土样放置空间(a)均连通，多个所述移动拨片贯穿所述滑行槽后分别伸入相应的所述土样放置空间内。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述滑动件包括夹片组件(11.1)、连接弹簧(11.2)和移动拨片(11.3)，所述夹片组件用于与所述滑杆相配合并能沿滑杆滑动，所述连接弹簧设置在所述夹片组件内，所述移动拨片设置在所述夹片组件靠近装置框体(1)的一侧。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述膨胀土测量位为上下均匀布置的三个，且位于最顶部的所述膨胀土测量位与所述装置框体的顶面之间形成注水凹槽。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述装置框体的底部四角各设有一个脚锥(14)。

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