CN113686728B - 一种可变压振动最大干密度测量方法 - Google Patents

一种可变压振动最大干密度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土工试验技术领域，是一种可变压振动最大干密度测量方法；方案具体是采用反力架和弹簧的组合替代配重对试样顶部加载，实现加载压力可调节；通过校核弹簧刚度系数K、在试样筒内装填试样并确定施加试样顶部压力p0，测定振毕试样高度H0，计算试样的最大干密度ρdmax；本发明采用弹簧施压，不需要配重，可根据现场预加载压力调节顶部加载压力大小；用于测定无粘性土自由排水粗粒土和巨粒土的最大干密度；该方法可与振动台配合使用最大干密度，也可采用手动颠击法测量最大干密度。

Description

一种可变压振动最大干密度测量方法
技术领域
本发明涉及工程试验方法，特别涉及土工试验方法，具体为一种可变压振动最大干密度测量方法。
背景技术
现有的粗粒土和巨粒土干密度测定方法包括表面振动压实仪法和振动台法。这两种方法加载压力都是固定荷载，且不同规范加载压力取值不同，有的取18kPa，如公路土工试验规程（JTG3430-2020），也有规范取14kPa，如水电水利工程粗粒土试验规程（DL/T5356-2006），还有测定堆积密实度不需要试样顶部加载，如建设用碎石卵石（GB/T 14685-2011）。对于粗粒土和巨粒土压实干密度与级配、含水量、加载压力等因数相关，压实干密度与加载压力之间的关系为加载压力从7kPa增加到200kPa时，压实干密度先增大后减小。由此，在实际工程中产生如下技术缺陷：第一，室内试验采用固定压力不能与现场不同施工机械接地压力相匹配，室内测试结果不能较好的指导现场施工；第二，振动台法因需要在测试试样顶部配重，按顶部加载18kPa，内径为152mm和280mm试样筒，配重分别为32kg和111kg；第三，高配重在振动中存在安全隐患，也增加了测试人员的劳动强度。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种可变压振动最大干密度测量方法，用于测定无粘性土自由排水粗粒土和巨粒土。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种可变压振动最大干密度测量方法，包括以下步骤：
a）校核弹簧刚度系数K：在试样筒上方通过可调压力装置对试样筒内的待测试样加载压力；所述可调压力装置包括中空螺杆，所述中空螺杆的上端连接有转盘，下端与上盘相连接，下盘通过弹簧连接在所述上盘的正下方；在试样筒内放置压力检测装置，旋转转盘使下盘与压力检测装置表面密贴，转动转盘施加初始荷载后再卸载，将游标深度尺从中空螺纹杆顶部开孔插入底部接触下盘顶面，记录游标深度尺的初始读数L0，转动转盘n圈，得到加载压力p，将游标深度尺再次从中空螺纹杆插入并接触下盘顶面，记录游标深度尺的读数L，计算弹簧刚度系数K：
K=p/(L0-L)= p/（nx） （Ӏ）
式中：x为中空螺杆的螺距。
由式Ӏ得到弹簧加载压力与转动转盘转动圈数n之间的关系公式（Ⅱ）：
p=n（Kx）=K (L0-L) （Ⅱ）；
b）根据现场压实预加载压力确定试样顶部加载压力p0，由公式（Ⅱ）确定转动转盘（7）转动圈数n。
c）取出压力检测装置后，在试样筒内装填试样，按照步骤a的方法记录游标深度尺的初始读数L0，再转动转盘转动n圈，测量弹簧压缩后对应的游标深度尺的读数L，按公式（Ⅱ）计算实际加载压力p1；开启振动器对试样振动密实，然后按照步骤a重新测量游标深度尺的读数L，并按公式（Ⅱ）校核试样振动后顶部加载压力p2；p1和p2的平均值作为试样顶部实际加载压力p实，要求p实与p0的极差绝对值不超过10%；振动时间为5-8min。
d）测定振毕试样高度H0；计算最大干密度ρdmax。
其中，最大干密度ρdmax为：
ρdmax=1.274Md/（D2×H0） （Ⅲ）
式中：Md为试样质量；D为试样筒内径；H0为试样高度。
进一步的，所述对试样的振动采用振动台振动或手动振动。
进一步的，测定振毕试样高度H0后，测定试样的含水率；按公式（Ⅳ）计算试样的最大干密度ρdmax：
ρdmax=1.274M f /（H0×D2×（1+0.01ω）） （Ⅳ）
式中：M f 为风干试样质量；ω为试样含水率；D为试样筒内径；H0为试样高度。
进一步的，所述弹簧的数量≥3，弹簧均布在上、下盘中心外围用于向试样表面提供均匀压力，所述弹簧提供的压力≥14 kPa。
更进一步，所述弹簧中心布置由导向杆；所述导向杆下端固定于下盘，上端穿过上盘滚轴；所述导向杆与上盘通过滚轴滑动接触；所述滚轴嵌固与上盘预留孔内。
进一步的，试样筒安装在H型横梁反力架上。
更进一步，所述H型横梁反力架的横梁顶面预留孔周边镶嵌有360°刻度盘，最小分度值为1°。
进一步的，所述试样顶部加载压力p0根据现场压实预加载压力确定。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
（1）本发明采用弹簧施压，不需要配重，可根据现场预加载压力调节顶部加载压力大小。
（2）本发明可直接利用实验室现有振动台配套使用，节约了成本。
（3）本发明试样顶部加载使用弹簧代替配重，降低了振动中存在的安全隐患，减轻了测试人员劳动强度。
（4）本发明构造简单，重量轻，适合野外施工测试，无振动台时也可实现颗粒土的最大干密度测试。
附图说明
图1为本发明所述干密度测量装置的结构示意图。
图2为本发明所述干密度测量装置的上套筒结构示意图。
图3为本发明所述干密度测量装置的试样筒结构示意图。
图4为本发明所述干密度测量装置的下套筒结构示意图。
图5为本发明所述干密度测量装置的横梁刻度盘处示意图。
图6为本发明所述干密度测量装置上下盘连接部分示意图。
图中，1为全螺纹杆、2为预留螺纹孔、3为双头螺纹杆、4为预留孔、5为螺帽、6为上梁、7为转盘、8为中空螺纹杆、9为预留孔、10为轴承、11为中空螺纹杆顶部孔口、12为上盘、13为弹簧、14为橡胶护罩、15为下盘，16为试样筒，17为上套筒，18为下套筒，19为振动台，20为导向杆，21为滚轴、22为刻度盘。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
是最大干密度测量方法，具体采用一种振动可调压最大干密度测量装置进行测量，配合振动台测定颗粒土的最大干密度。
如图1所示，本方法采用的振动可调压最大干密度测量装置，用于测定无粘性土自由排水粗粒土和巨粒土，装置主要包括：振动台19、试样筒16、上套筒17、下套筒18、可调压力装置和游标深度尺。
振动台：振动台19的台面尺寸不少于500mm×500mm，且具有足够刚度。振动台频率30Hz~50Hz可调，双振幅0~2mm可调，振动台最大负荷满足试样筒16、上套筒17、下套筒18、试样和可调压力装置等的质量要求。振动台19固定于混凝土基础之上。
如图3所示，试样筒16为圆柱形金属筒，壁厚不小于5mm，尺寸按表1选用。试样筒16底部密封，但可拆卸。
套筒包括上套筒17和下套筒18。如图2所示，上套筒17内径与试样筒16配套一致，且与试样筒16紧密固定后内壁呈直线连接。如图4所示，下套筒18固定于振动台19台面之上，套筒内径与试样筒16外径匹配，高度不小于30mm，壁厚同试样筒16，上套筒17与试样筒16采用“Γ”接口连接，上下套筒与试样筒16组装后通过全螺纹杆1固定。
可调压力装置：包括H型横梁反力架、转盘7、中空螺纹杆8、轴承10、上盘12、弹簧13、橡胶护罩14、下盘15。H型横梁反力架由双头螺纹杆3、螺帽5和横梁6组成，双头螺纹杆3通过预留螺纹孔2固定于下套筒18上。下套筒18与振动台19采用可靠连接方式固定。双头螺纹杆3上端与横梁6通过螺栓连接，中空螺纹杆8穿过横梁6上的预留孔9，下端连接轴承10，上端连接转盘7。轴承10固定于上盘12中心开孔之中，下盘15通过弹簧13固定于上盘之下，弹簧13均匀分布于上、下盘中心外侧，距中心1/2处，且不少于3根，弹簧13可提供压力不少于14kPa，弹簧13与上下盘通过螺栓连接。如图5所示，所述H型横梁反力架的横梁6顶面预留孔9周边镶嵌有360°刻度盘22，最小分度值为1°。如图6所示，弹簧13中心内置导向杆20，导向杆20下端固定于下盘，上端穿过上盘滚轴21，滚轴21嵌固与上盘12预留孔内，导向杆20与上盘12通过滚轴21滑动接触。上、下盘直径相同，且略小于试样筒16和套筒内径，刚度足够大，加载过程中下盘15可在试样筒内自由移动。
游标深度尺：长度满足下盘15到转盘7顶面距离+3cm，精度为0.02mm。
具体的测量步骤为：
测试过程参照《公路土工试验规程》（JTG3430-2020）中T0132-1996中振动台法。
1、选用台面尺寸不少于500mm×500mm振动台19，振动台19的频率30Hz~50Hz可调，双振幅0~2mm可调，振动台19台面具有足够刚度，振动台19固定于混凝土基础之上。
2、采集代表性试料，采用标准筛分法(T0115-2007)测定各粒组的颗粒百分数，利用20mm标准方孔筛，筛除大于20mm粒径颗粒土，同时限制通过0.075mm标准筛的干颗粒质量百分数不大于15%，由此得到粒径为20mm~0.075mm颗粒土，妥善贮存备用。试验前将制备好的颗粒土放入烘箱内，在105℃~110℃下烘干土样，并冷却至室温，并搅拌均匀，大致分成三份，且保持干燥。
3、选用内径φ152mm的试样筒16，同时选择与试样筒16外径相匹配下套筒18，称量试样筒16的质量。把下套筒18与振动台19固定，把试样筒16放入下套筒18中，试样筒16底部与下套筒18密贴，然后顶部放置上套筒17，并通过全螺纹杆1进行整体固定。
4、选择试样顶部加载压力，安装可调压力装置。可调压力装置的H型横梁反力架通过双头螺纹杆3固定于下套筒18的预留螺纹孔2中，下套筒18与振动台19采用可靠连接方式固定。双头螺纹杆3上端与横梁6通过螺栓连接，中空螺纹杆8穿过横梁6预留螺纹孔9，下端连接轴承10，上端连接转盘7。选用与试样筒16内径相匹配的上盘12和下盘15，上下盘盘径略小于试样筒16内径2mm，把轴承10固定于上盘12中心开孔之中，下盘15通过弹簧13固定于上盘12之下，弹簧13均匀分布于上、下盘中心外侧，距中心1/2处，且不少于3根，弹簧13与上下盘通过螺栓连接，弹簧13中心布置由导向杆20。根据现场加载压力选择弹簧13的刚度，使弹簧13的加载压力满足现场预压实压力。中空螺纹杆8的螺距为x，单位mm。
5、校核弹簧13的刚度系数K。在试样筒16中心放置测力传感器，旋转转盘7使下盘15与试样测力传感器表面密贴，转动转盘7顺时针旋转2圈，施加初始荷载，然后逆时针旋转2圈卸载，测力传感器读数归零，游标深度尺从中空螺纹杆8顶部开孔插入底部接触下盘顶面，记录游标深度尺的初始读数L0，单位mm，取出游标深度尺。转动转盘7顺时针旋转n圈，记录测力传感器读数p，加载压力p不小于现场预加载压力单位N，将游标深度尺再次从中空螺纹杆8顶部孔口11插入底部接触下盘顶面，记录游标深度尺的读数L，单位mm。由此测量3次，采用平均值计算弹簧刚度系数K，单位N/mm。
K=p/(L0-L)= p/（nx） （1）
式中：x为螺距，mm。
由此得到弹簧加载压力与转动转盘7转动圈数n之间的关系公式（2）：
p=n（Kx）=K (L0-L) （2）
6、装填试样。取一份制备好的烘干试样，用小铲或漏斗将制备好的试样徐徐装填入试筒，并注意使颗粒分离程度最小（装填量宜使振毕密实后的试样等于或略低于筒高的1/3）；抹平试样表面。然后可用橡皮锤或类似物敲击几次试筒壁，使试料下沉。
7、根据现场预施加压力大小施加试样顶部压力p0, 由公式（2）确定转动转盘7转动圈数n。在试样筒16上部安装上套筒17，旋转转盘7使下盘15与试样表面密贴，转动转盘7顺时针旋转2圈，施加初始荷载，然后逆时针旋转2圈卸载，游标深度尺从中空螺纹杆8顶部开孔11插入底部接触下盘15顶面，记录游标深度尺的初始读数L0。转动转盘7顺时针旋转n圈，然后使用游标深度尺，测量弹簧压缩后对应的长度L。由公式（2）即可确定试样顶部实际加载压力p1。
8、打开振动台开关，开始振动，振动时间为6min。
9、振动完成以后再一次量测弹簧伸缩量，由公式（2）确定振动后试样顶部加载压力p2，取p1和p2的平均值作为顶部加载压力p实，计算p实与p0的极差绝对值不超过10%，满足要求，进行下一步，否则重新测试。
10、重复第6步~第8步，进行第二层、第三层试样振动压实。
11、卸去上套筒17。将直钢条放于试样筒16直径位置上，测定振毕试样高度。读数宜从四个均布于试样表面至少距筒壁15mm的位置上测得并精确至0.5mm，记录并计算试样高度H0。
12、取出试样筒16与试样，称量质量。扣除试样筒16质量即为试样质量Md，按公式（3）计算最大干密度ρdmax，计算至0.001。
ρdmax=1.274Md/（D2×H0） （3）
式中：Md为烘干试样质量，kg；D为试样筒内径，m；H0为试样高度，m。
13、重新取出烘干试样，再重复6~12步骤2次，测定最大干密度ρdmax。试验中须制备足够的代表性试料，不得重复振动压实单个试样。
14、将三次测定的最大干密度取平均值作为试验报告的最大干密度值。
实施例3
采用手动颠击法现场测定最大干密度
本方法与实施例1和2的振动台法采用的加载装置一致，测定步骤也基本一致，不同之处在于以下几点：
1、为了适应现场没有振动台的情况下测试颗粒土的紧密堆积密度，可调压力装置的H型横梁反力架通过双头螺纹杆3直接与下套筒18连接。
2、试样颠击密实方法参照建设用碎石卵石（GB/T 14685-2011）测定最大干密度的方法。在实施例2中，完成第一次装料后，在下套筒18下垫放一根直径为16mm的圆钢，将试样筒16和可调压力装置一起按住，左右交替颠击各25次。再装入第二层，第二层装满后用同样方法颠实（但下套筒18下垫放圆钢的方向与第一层的方向垂直），然后装入第三层，第三层装满后用同样方法颠实（但下套筒下垫放圆钢的方向与第一层时的方向平行）。
实施例4：
本案例中其他都与实施案例1和2相同，不同之处在于：（1）试样采用风干试样；（2）振动堆积密度测试完成后，对样品进行烘干，测定试样的含水率；（3）按公式（4）计算试样的最大干密度ρdmax。
ρdmax=1.274M f /（H0×D2×（1+0.01ω）） (4)
式中：M f 为风干试样质量，kg；ω为试样含水率，%；其他符号同上。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）校核弹簧刚度系数K：在试样筒（16）上方通过可调压力装置对试样筒（16）内的待测试样加载压力；
所述可调压力装置包括H型横梁反力架、转盘（7）、中空螺纹杆（8）、轴承（10）、上盘（12）、弹簧（13）、下盘（15）；H型横梁反力架由双头螺纹杆（3）、螺帽（5）和横梁（6）组成，双头螺纹杆（3）通过预留螺纹孔（2）固定于下套筒（18）上；下套筒（18）与振动台（19）固定连接；双头螺纹杆（3）上端与横梁（6）通过螺栓连接，中空螺纹杆（8）穿过横梁（6）上的预留孔（9），中空螺纹杆（8）下端与设置在上盘（12）上的轴承（10）连接，中空螺纹杆（8）上端连接转盘（7）；
下盘（15）通过弹簧（13）连接在所述上盘（12）的正下方；在试样筒（16）内放置压力检测装置，旋转转盘（7）使下盘（15）与压力检测装置表面密贴，转动转盘（7）施加初始荷载后再卸载，将游标深度尺从中空螺纹杆（8）顶部开孔插入底部接触下盘（15）顶面，记录游标深度尺的初始读数L0，转动转盘（7）n圈，得到加载压力p，将游标深度尺再次从中空螺纹杆（8）插入并接触下盘（15）顶面，记录游标深度尺的读数L，计算弹簧刚度系数K：
K=p/(L0-L)= p/（nx） （Ӏ）
式中：x为中空螺杆的螺距；
由式（Ӏ）得到弹簧加载压力与转动转盘转动圈数n之间的关系公式（Ⅱ）：
p=n（Kx）=K (L0-L) （Ⅱ）；
b）根据现场压实预加载压力确定试样顶部加载压力p0，由公式（Ⅱ）确定转动转盘（7）转动圈数n；
c）取出压力检测装置后，在试样筒（16）内装填试样，按照步骤a的方法记录游标深度尺的初始读数L0，再转动转盘（7）转动n圈，测量弹簧压缩后对应的游标深度尺的读数L，按公式（Ⅱ）计算实际加载压力p1；开启振动器对试样振动密实，然后按照步骤a重新测量游标深度尺的读数L，并按公式（Ⅱ）校核试样振动后顶部加载压力p2；p1和p2的平均值作为试样顶部实际加载压力p实，要求p实与p0的极差绝对值不超过10%；振动时间为5-8min；
d）测定振毕试样高度H0；计算最大干密度ρdmax。
2.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，最大干密度ρdmax为：
ρdmax=1.274Md/（D2×H0） （Ⅲ）
式中：Md为试样质量；D为试样筒内径；H0为试样高度。
3.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，所述对试样的振动采用振动台振动或手动振动。
4.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，测定振毕试样高度H0后，测定试样的含水率；按公式（Ⅳ）计算试样的最大干密度ρdmax：
ρdmax=1.274M f /（H0×D2×（1+0.01ω）） （Ⅳ）
式中：M f 为风干试样质量；ω为试样含水率；D为试样筒内径；H0为试样高度。
5.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，所述弹簧（13）的数量≥3，弹簧（13）均布在上、下盘中心外围用于向试样表面提供均匀压力，所述弹簧（13）提供的压力≥14 kPa。
6.根据权利要求5所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，所述弹簧（13）中心布置由导向杆（20）；所述导向杆（20）下端固定于下盘（15），上端穿过上盘滚轴（21）；所述导向杆（20）与上盘（12）通过滚轴（21）滑动接触；所述滚轴（21）嵌固与上盘（12）预留孔内。
7.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，试样筒（16）安装在H型横梁反力架上。
8.根据权利要求7所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，所述H型横梁反力架的横梁（6）顶面预留孔（9）周边镶嵌有360°刻度盘（22），最小分度值为1°。
9.根据权利要求1所述的一种可变压振动最大干密度测量方法，其特征在于，所述试样顶部加载压力p0根据现场压实预加载压力确定。
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