CN113138132A - 一种测定土条塑限的装置及测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测定土条塑限的装置及测定方法，琴键式承台、承载平台、驱动装置、支架、工作台和激光位移传感器，其中承载平台一侧呈外高内低的台阶型，另一侧连接有驱动装置，琴键式承台通过支架搁置于承载平台上方且琴键式承台和承载平台通过支架设于工作台上。琴键式承台两端连接电流采集系统，并且位移传感器位于琴键式承台的土条上方。电机将承载平台从琴键式承台下方逐渐抽出，使琴键模块依次转动掉落，并用位移传感器记录土条的挠度的变化，通过测定不同含水率的土条的的逐级挠度比来确定土条的塑限。本发明通过土条弯曲试验来测算土条塑限，测定方法简单，测定过程快速并且测定结果准确。

Description

一种测定土条塑限的装置及测定方法
技术领域
本发明属于岩石工程技术领域，具体涉及一种测定土条塑限的装置及测定方法。
背景技术
细粒土随着含水率的减小，分别处于流动态、可塑态、半固态和固态。塑限是细粒土呈可塑态的下限含水率、半固态的上限含水率，即细粒土处于可塑状态与半固体状态之间的界限含水率。目前现有技术中用于测塑限的方法包括落锥法和搓滚法。
落锥法是指将圆锥仪锥角接触试样表面，使得圆锥在自重作用下沉入试样内，经5s后立即测读圆锥下沉深度，根据试样的含水率以及圆锥的下沉深度绘制关系曲线，在该直线上，查得下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限，然而该方法反映的是土体的不排水抗剪强度，将塑限含水率对应的不排水强度定义为170kPa，根据落锥贯入深度与不排水抗剪强度之间的关系，确定塑限含水率。如中国专利CN209400524U公开了一种改进圆锥仪的光电式液塑限联合测定仪，包括圆锥体和两组平衡锤，所述圆锥体包括连接体和连接于所述连接体下端的锥头，每组所述平衡锤包括一圆弧杆和分别设于所述圆弧杆的两自由端的两重力锤，其中一所述圆弧杆穿过所述连接体，另一所述圆弧杆穿过所述锥头，同组的两重力锤相互对称设置，以确保圆锥体垂直下落。然而以抗剪强度为试验基础并不能反映土的可塑性，即土体从延性转变为脆性的含水率，因此用抗剪强度定义土的界限含水率已经偏离了塑限本身的定义。
搓滚法试验是用手掌在毛玻璃板上搓滚土条，当土条直径达3mm时产生断裂，此时的含水率为塑限；若不产生裂缝及断裂，表示此时试样的含水率高于塑限；当土条直径大于3mm时即断裂，表示试样含水率小于塑限；若土条在任何含水率下始终搓不到3mm即开始断裂，则该土无塑性。然而采用搓滚法测定时，土条直径的均匀性难以保证，搓滚力度难以保持一致且人为误差较大、重复性差。中国专利CN108169127A公开了一种搓条法测塑限含水量的便捷搓条器及其使用方法，第一卡槽与第二卡槽平行分布，各第一滚动轴的一端与毛玻璃板的前端相连接，各第一滚动轴的另一端活动内嵌于所述第一卡槽内，各第二滚动轴的一端与毛玻璃板的后端相连接，各第二滚动轴的另一端活动内嵌于所述第二卡槽内，手柄固定于毛玻璃板的上表面，各第一伸缩杆的端部与第一卡槽相连接，各第二伸缩杆的端部与第二卡槽相连接，摄像头位于毛玻璃板的右侧，各第一伸缩杆的端部与第一卡槽相连接，各第二伸缩杆的端部与第二卡槽相连接。然而该装置仅利用摄像头来观察土条是否开裂，会由于人为观察的误差导致测定结果不准确。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种利用弯曲试验测定土条塑限的装置及测定方法，通过对不同含水率的土条进行弯曲试验，并根据土条在自重弯曲过程中的挠度变化来确定土的塑限，该方法可准确直观、简单快速地测得土条的塑限。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种测定土条塑限的装置，包括工作台、通过支架设于所述工作台上的承载平台、搁置于所述承载平台上的琴键式承台，以及驱动所述承载平台靠近或远离琴键式承台的驱动装置，所述承载平台与所述支架滑动连接；所述承载平台一侧呈外高内低的台阶型，所述承载平台另一侧连接所述驱动装置，所述琴键式承台由多个琴键模块和贯穿所述琴键模块的转动轴和固定轴组成，所述转动轴和所述固定轴的两端放置于所述支架上，所述转动轴设于靠近所述台阶型的一侧，所述固定轴设于背离所述台阶型的一侧，两端的两个所述琴键模块上各预制一个电极，且所述琴键式承台上方设有位移传感器。
该装置的具体原理和使用方法是：琴键式承台由多个琴键模块和贯穿所述琴键模块的转动轴和固定轴组成，并且两端的两个琴键模块上各预制一个电极，其中固定轴用于固定琴键模块使其保持水平，转动轴可在固定轴被抽出后使琴键模块在重力作用下，沿转动轴向下转动，并且由于土条中含水可导电，因此琴键模块两端预制的电极可通过测定电流变化来准确判断土条的开裂情况。琴键式承台通过支架搁置在承载平台上，由于承载平台一侧呈外高内低的台阶型，另一侧连接有驱动装置，驱动装置带动承载平台水平移动，使承载平台从琴键式承台下方逐渐抽出，因此琴键模块会由中间向两端逐个向下转动掉落。在使用时，首先使琴键模块保持水平，将待测土条放置于土条样品琴键式承台上，抽出固定轴并打开驱动装置使琴键模块承载平台逐渐移动，由于琴键模块由中间向两端逐渐向下转动掉落，因此土条会在自重的作用下由中间向两侧弯曲，通过土条上方的位移传感器实时记录土条的挠度变化，通过计算在不同琴键模块掉落时土条的挠度变化比来确定土条的塑限。
优选地，所述琴键模块包括位于中间的1个大塑料琴键模块，位于所述大塑料琴键两侧的多个小塑料琴键模块和位于两端的2个的金属琴键模块，其中所述大塑料琴键模块的宽度大于所述小塑料琴键模块的宽度。其中两端的2个金属琴键模块用于连接预制电极并导电，以记录土条的电流变化。
优选地，所述大塑料琴键模块的宽度为所述小塑料琴键模块的宽度的两倍，可使每次掉落的琴键模块的宽度相同，即使土条由中间向两侧等距离弯曲。
优选地，所述大塑料琴键模块的宽度为20mm，所述小塑料琴键模块的宽度为10mm，所述金属琴键模块为10mm。
优选地，所述大塑料琴键模块两侧各设有12个所述小塑料琴键模块。
优选地，所述琴键式承台上设有土条容置槽，用于放置土条，避免土条滚动。
优选地，所述电机为步进电机，且所述步进电机通过变速箱与所述承载平台连接。步进电机可使承载平台以恒定速度移动，变速箱可调节移动速度。
优选地，所述工作台上设有面向所述土条样品琴键式承台的录像系统。录像系统用于实时记录并观察土条的变化状态，将录像系统与土条的电流变化相配合，以更准确判断土条是否开裂。
一种利用上述装置测定土条塑限的方法，包括以下步骤：
S1、将土条放置于所述琴键式承台上，使土条的两端刚好可搭在最外侧的两个琴键模块上，并且将最外侧的两个琴键模块上预制的电极与电流采集系统电连接；
S2、将所述位移传感器设置在土条中心正上方，使所述位移传感器的激光束与土条的中轴线垂直；
S3、抽出所述固定轴，启动所述驱动装置，将所述承载平台从所述琴键式承台下方逐渐抽出，使得琴键模块从中间向两侧依次沿所述转动轴转动掉落，此时土条从中间向两侧逐渐弯曲，当土条发生断裂或最靠近两端琴键模块的两个琴键模块转动时，关闭所述驱动装置，整个弯曲过程中利用电流采集系统记录电流变化，利用位移传感器记录土条的挠度ωc的变化，然后测量该土条的含水率；
S4、根据转动掉落的琴键模块的数量及琴键模块的宽度得到土条的跨长l，土条的跨长l即为掉落的琴键模块的总宽度，并绘制跨长l和挠度ωc的曲线图，由于试验所用土条是均匀的，所以整个跨长下可以认为土条是受均匀重力荷载q作用，依据均布荷载作用下中点挠度公式
Figure BDA0002371631690000031
来判定土条的含水率是否处于塑限，其中q为均匀重力荷载，E为土条的弹性模量，I为转动惯量，根据试验仪器的设定，土条的跨长随着琴键模块的转动掉落从0cm开始逐级增加，其挠度也逐级增加，计算出土条在该含水率下的逐级挠度比；
S5、采用不同含水率的土条重复上述步骤，并计算出土条在不同含水率下的挠度比，根据挠度公式，当土条的跨长为前一级跨长的n倍时，若其逐级挠度比为n4，则此时对应的含水率为塑限，若逐级挠度比大于n4说明此时对应的含水率大于塑限，若逐级挠度比小于n4说明此时对应的含水率小于塑限。
优选地，步骤S3中，采用烘干法测定所述含水率。将土条放置于一质量为m1的铝盒中，测定土条加铝盒的质量为m0，将其放入烘箱中，在105℃～110℃条件下烘干至质量不再变化，此时测定烘干后的土条加铝盒质量为md，因此该土条的含水率为
Figure BDA0002371631690000041
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本装置中琴键模块可沿转动轴，由中间向两侧依次转动并掉落，使土条在自重作用下由中间向两侧依次弯曲，通过测定土条在不同含水率下的挠度变化得到土条的塑限，测定方法简单，测定过程快速，测定结果准确。
(2)本装置在两端设有连接有电极的金属琴键模块，通过含水土条的导电性测定土条在弯曲过程中的电流变化，并且与录像系统配合使用，以准确判定土条是否开裂。
附图说明
图1为本发明实施例1中测定土条塑限装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中测定土条塑限装置的正视图；
图3为本发明实施例1中测定土条塑限装置的俯视图；
图4为本发明实施例1中测定土条塑限装置的侧视图；
图5为本发明实施例1中土条含水率为32.5％时的跨长和挠度变化曲线；
图6为本发明实施例1中土条含水率为26.4％时的跨长和挠度变化曲线；
图7为本发明实施例1中土条含水率为18％时的跨长和挠度变化曲线；
图中：1、琴键式承台；11、转动轴；12、固定轴；13、大塑料琴键模块；14、小塑料琴键模块；15、金属琴键模块；2、承载平台；3、驱动装置；4、支架；5、工作台；6、变速箱；7、螺杆。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1-4所示，本实施例提供了一种测定土条塑限的装置，包括工作台5和位于工作台5上的琴键式承台1、承载平台2、驱动装置3、支架4。所述琴键式承台1由多个琴键模块和贯穿所述琴键模块的转动轴11和固定轴12组成，其中琴键模块包括位于中间的1个宽度为20mm的大塑料琴键模块13，位于所述大塑料琴键模块13两侧的各12个宽度为10mm的小塑料琴键模块14和位于两端的2个宽度为10mm的金属琴键模块15，每个琴键模块靠近固定轴12的一侧均设有半圆形凹槽从而组装成了土条容置槽，并且两个金属琴键模块15上各预制一个电极。支架4中间设有凸台，凸台用来放置承载平台2，支架4上设有两个凹槽分别放置转动轴11和固定轴12，琴键式承台1通过支架4搁置在承载平台2上。承载平台2的一侧呈外高内低、由中间向两侧对称延伸的台阶型，另一侧通过螺杆7连接驱动装置3，其中驱动装置3为步进电机，步进电机的输出轴与变速箱6连接，其中步进电机的的输出轴方向与承载平台2的移动方向垂直，因此变速箱6内设有朝向步进电机和螺杆7的两个垂直且啮合的齿轮一和齿轮二，其中齿轮一朝向步进电机并在步进电机的带动下转动，齿轮一带动齿轮二传动，螺杆7插入齿轮二中，因此可通过步进电机带动所述承载平台2靠近或远离琴键式承台1，而变速箱6可改变承载平台2的移动速度，以满足各种不同的情况。在琴键式承台1中心的上方，即大塑料琴键模块13对应的正上方设有激光位移传感器用于记录土条的挠度变化。
利用该装置测定土条塑限的具体使用方法为：
S1、将粗细均匀且无弯曲的土条放置于琴键式承台1的土条容置槽内，避免土条滚动，并且使土条的两端刚好可搭在金属琴键模块15上，通过导线将金属琴键模块15上预制的电极与电流采集系统连接，其中电流的测量精度为0.01毫安；
S2、将激光位移传感器设在土条中心的正上方，即大塑料琴键模块7对应的正上方使激光位移传感器的激光束与土条的中轴线垂直；
S3、抽出所述固定轴12，并打开所述步进电机的电源，将所述载平台2从所述土条样品琴键式承台1下方缓慢抽出，从而使琴键模块从中间向两侧的依次沿所述转动轴11转动至竖直方向，即首先中间的大塑料琴键模块13转动，随后两侧的小塑料琴键模块14依次同时转动。由于没有琴键的支撑，土条从中间向两侧逐渐弯曲或断裂。当土条发生断裂或最靠近金属琴键模块15的两个小塑料琴键模块14刚好掉落时，关闭步进电机的电源。整个弯曲过程中利用电流采集系统记录电流变化以观察土条的开裂情况，利用激光位移传感器记录土条的挠度ωc的变化，然后用烘干法测定该土条的含水率，烘干法的具体步骤为：将土条放置于一质量为m1的铝盒中，测定土条加铝盒的质量为m0，将其放入烘箱中，在105℃～110℃条件下烘干至质量不再变化，此时测定烘干后的土条加铝盒质量为md，因此该土条的含水率为
Figure BDA0002371631690000051
S4、根据掉落的琴键模块的数量及琴键模块的宽度得到土条的跨长l，土条的跨长l为掉落的琴键模块的总宽度。绘制跨长l和挠度ωc的曲线图，由于试验所用土条是均匀的，所以整个跨长下可以认为土条是受均匀重力荷载q作用，依据均布荷载作用下中点挠度公式
Figure BDA0002371631690000061
来判定土条的含水率是否处于塑限，其中q为均匀重力荷载，E为土条的弹性模量，I为转动惯量，根据试验仪器的设定，土条的跨长随着琴键模块的掉落从0cm开始，以2cm每级增加，其挠度也逐级增加，计算出土条在该含水率下的逐级挠度比；
S5、采用不同含水率的土条重复上述步骤，并计算出土条在不同含水率下的挠度比，根据挠度公式，当土条的跨长为前一级跨长的2倍时，若其逐级挠度比为16，则此时对应的含水率为塑限，若逐级挠度比大于16说明此时对应的含水率大于塑限，若逐级挠度比小于16说明此时对应的含水率小于塑限。
采用上述装置和测定方法分别对含水率为32.5％，26.4％，18％的土条进行测定，不同含水率的土条的跨长和挠度变化曲线图如附图5-7所示。对于含水率为32.5％的土条，当其跨长为2cm时，其挠度ωc2为0.11mm，当其跨长为4cm时，其挠度ωc4为2.607mm，当其跨长为8cm时，其挠度ωc8为51.436mm，其挠度比ωc4/ωc2为23.7，ωc8/ωc4为19.7，即其逐级挠度比大于16，此时土条的含水率大于塑限。对于含水率为18％的土条，当其跨长为2cm时，其挠度ωc2为0.014mm，当其跨长为4cm时，其挠度ωc4为0.202mm，当其跨长为8cm时，其挠度ωc8为3.028mm，其挠度比ωc4/ωc2为14.4，ωc8/ωc4为15.0，即其逐级挠度比小于16，此时土条的含水率小于塑限。对于含水率为26.4％的土条，当其跨长为2cm时，其挠度ωc2为0.029mm，当其跨长为4cm时，其挠度ωc4为0.464mm，当其跨长为8cm时，其挠度ωc8为7.423mm，其挠度比ωc4/ωc2为16.0，ωc8/ωc4为16.0，即其逐级挠度比等于16，此时土条的含水率即为土条的塑限。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：在所述工作台5上设有面向所述琴键式承台1的录像系统，录像系统可实时观察并记录土条的变化，将其与电流变化配合，可更加准确地观察土条的开裂状态。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种测定土条塑限的装置，其特征在于，包括工作台(5)、通过支架(4)设于所述工作台(5)上的承载平台(2)、搁置于所述承载平台(2)上的琴键式承台(1)，以及驱动所述承载平台(2)靠近或远离所述琴键式承台(1)的驱动装置(3)，所述承载平台(2)与所述支架(4)滑动连接；
所述承载平台(2)一侧呈外高内低的台阶型，所述承载平台(2)另一侧连接所述驱动装置(3)，所述琴键式承台(1)由多个琴键模块和贯穿所述琴键模块的转动轴(11)和固定轴(12)组成，所述转动轴(11)和所述固定轴(12)的两端放置于所述支架(4)上，所述转动轴(11)设于靠近所述台阶型的一侧，所述固定轴(12)设于背离所述台阶型的一侧，两端的两个所述琴键模块上各预制一个电极，且所述琴键式承台(1)上方设有位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述琴键模块包括位于中间的1个大塑料琴键模块(13)，位于所述大塑料琴键模块(13)两侧的多个小塑料琴键模块(14)和位于两端的2个金属琴键模块(15)，其中所述大塑料琴键模块(13)的宽度大于所述小塑料琴键模块(6)的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述大塑料琴键模块(13)的宽度为所述小塑料琴键模块(14)的宽度的两倍。
4.根据权利要求3所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述大塑料琴键模块(13)的宽度为20mm，所述小塑料琴键模块(14)的宽度为10mm，所述金属琴键模块(15)为10mm。
5.根据权利要求2所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述大塑料琴键模块(13)两侧各设有12个所述小塑料琴键模块(14)。
6.根据权利要求1所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述琴键式承台(1)上设有土条容置槽。
7.根据权利要求1所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述驱动装置(3)为步进电机，且所述步进电机通过变速箱(6)与所述承载平台(2)连接。
8.根据权利要求1所述的一种测定土条塑限的装置，其特征在于，所述工作台(5)上设有面向所述琴键式承台(1)的录像系统。
9.一种利用权利要求1所述的一种测定土条塑限的装置测定土条塑限的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将土条放置于所述琴键式承台(1)上，使土条的两端刚好可搭在最外侧的两个琴键模块上，并且将最外侧的两个琴键模块上预制的电极与电流采集系统电连接；
S2、将所述位移传感器设置在土条中心的正上方，使所述位移传感器的激光束与土条的中轴线垂直；
S3、抽出所述固定轴(12)，启动所述驱动装置(3)，将所述承载平台(2)从所述琴键式承台(1)下方逐渐抽出，使琴键模块从中间向两侧依次沿所述转动轴(11)转动并掉落，同时土条从中间向两侧逐渐弯曲，当土条发生开裂或最靠近两端琴键模块的两个琴键模块转动时，关闭所述驱动装置(3)，整个弯曲过程中利用电流采集系统记录电流变化，利用所述位移传感器记录土条的挠度ωc的变化，然后测量该土条的含水率；
S4、根据转动掉落的琴键模块的数量及琴键模块的宽度得到土条的跨长l，并绘制跨长l和挠度ωc的曲线图，依据均布荷载作用下中点挠度公式
Figure FDA0002371631680000021
来判定土条的含水率是否处于塑限，其中q为均匀重力荷载，E为土条的弹性模量，I为转动惯量，根据试验仪器的设定，土条的跨长随着琴键模块的转动掉落从0cm开始逐级增加，同时土条的挠度也逐级增加，计算出土条在该含水率下的逐级挠度比；
S5、采用不同含水率的土条重复上述步骤，并计算出土条在不同含水率下的挠度比，根据上述挠度公式，当土条的跨长为前一级跨长的n倍时，若其逐级挠度比为n4，则此时对应的含水率为塑限，若逐级挠度比大于n4说明此时对应的含水率大于塑限，若逐级挠度比小于n4说明此时对应的含水率小于塑限。
10.根据权利要求9所述的一种测定土条塑限的方法，其特征在于，步骤S3中，采用烘干法测量所述含水率。
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