CN115479881A - 一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，包括以下步骤：步骤1、在砂卵砾石地层地区，随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查；步骤2、选择一个金属材质的圆环，将其固定在平整后的取样地点处，并测量圆环所围成的内腔体积Vh；步骤3、在圆环内侧地表挖取试坑，并分别计算挖取出的砂卵砾石地层的土中液体体积Vw、土体体积Vk和土中孔隙体积Va；步骤4、计算砂卵砾石土层的孔隙比e。通过使用本发明的方法，利用灌水置换的方式有效解决了砂卵砾石地层由于颗粒尺寸过大，现有技术难以对其孔隙比进行准确计算的问题。
Description
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法。
背景技术
现有技术中，常规的细粒土孔隙比实验需要取得原状样品，送到相关实验室用比重瓶法测定其相对密度，然后经过换算得到其孔隙比。其中，比重瓶法适用于粒径小于5mm的各类土体。
但是，对于颗粒直径较大的砂卵砾石地层，原状样取得难度较大，常规室内试验的仪器(比重瓶)无法用于砂卵砾石地层。同时，样品在运送过程中易被破坏，因此，在测量颗粒直径较大的砂卵砾石地层的孔隙比时，现有技术难以对其孔隙比进行准确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，解决了在测量颗粒直径较大的砂卵砾石地层的孔隙比时，现有技术难以对其孔隙比进行准确测量的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在砂卵砾石地层地区，随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查；
步骤2、选择一个金属材质的圆环，将其固定在平整后的取样地点处，并测量圆环所围成的内腔体积Vh；
步骤3、在圆环内侧地表挖取试坑，并分别计算挖取出的砂卵砾石地层的土中液体体积Vw、土体体积Vk和土中孔隙体积Va；
步骤4、根据如下公式，计算砂卵砾石土层的孔隙比e：
e＝Va/(Vk-Va-Vw) (5)。
本发明的特点还在于：
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、将塑料膜紧贴圆环内壁及地表铺展；
步骤2.2、选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度h1，将量水器内的水注入圆环所围成的空间内，直至圆环内水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内水位高度h2；
步骤2.3、根据如下公式，计算圆环所围成的内腔体积Vh：
Vh＝(h1-h2)×Aw (1)。
步骤3中挖取的试坑直径为砂卵砾石试样中最大粒径的5～10倍，开挖深度大于试坑的直径。
步骤3中计算土中液体体积Vw具体按照以下步骤实施：
将试坑中挖取出的砂卵砾石放置于质量为m1的密闭容器中，称重得到砂卵砾石和密闭容器总质量m2；将临近试坑边沿50cm～100cm处具有相同性质的砂卵砾石取出，快速包封，采用烘干法测定其含水率wn，测试数量不少于3组，并取其平均值作为取样地点的砂卵砾石地层含水率wv；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中液体体积Vw：
Vw＝(m2-m1)×wv/ρ，其中ρ＝1g/ml (2)。
步骤3中计算土体体积Vk具体按照以下步骤实施：
选择取塑料膜铺展到试坑中，且塑料膜有富余部分延伸到圆环外；选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H1，将量水器内水注入试坑中，直至水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内剩余水位高度H2；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土体体积Vk：
Vk＝(H1-H2)×Aw-Vh (3)。
步骤3中计算土中孔隙体积Va具体按照以下步骤实施：
将试坑内的水疏干，将步骤3中挖取出的样土完全回填入试坑中；选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H3，将量水器内水注入试坑的回填土中，直至水面与套环上边缘齐平不外溢为止，记录量水器内剩余水高度H4；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中孔隙体积Va：
Va＝(H3-H4)×Aw-Vh (4)。
其中，将试坑内的水疏干、将步骤3中挖取出的样土完全回填入试坑中的具体操作步骤如下：
将试坑内的灌入的水通过烧杯、注射器疏干，并用吸水滤纸擦拭吸干塑料膜上吸附的水珠，取出的土样回填过程中应逐层倒回土样，回填过程中应防止塑料膜破损，且土样分3～5次回填，每次回填进行击实。
其中，断面积为Aw的量水器上附有刻度，且最小刻度为1ml。
料膜为聚乙烯塑料薄膜，所述聚乙烯塑料薄膜厚度小于0.04mm。
本发明的有益效果是：本发明一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，利用灌水置换的方式有效解决了砂卵砾石地层由于颗粒尺寸过大，现有技术难以对其孔隙比进行准确测量的问题；通过本发明提供的方法可以直接、高效、便捷地测定砂卵砾石地层的孔隙比，为设计提供准确的土体物理参数。同时，本发明所设计方法在测量时使用的各种仪器设备方便购买，价格低，可操作性强。
附图说明
图1是本发明一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法的流程图；
图2是本发明一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在砂卵砾石地层地区，随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查；
步骤1中采用随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查的方法，其优点在于：通过随机取样选择取样点能够保证测量的准确性，同时将取样地点处地面整平，并用水准尺检查为了方便后续步骤的进行，防止在塑料膜在铺设过程中出现破损现象。
步骤2、选择一个金属材质的圆环，将其固定在平整后的取样地点处，并测量圆环所围成的内腔体积Vh，具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、将塑料膜紧贴圆环内壁及地表铺展；
步骤2.2、选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度h1，将量水器内的水注入圆环所围成的空间内，直至圆环内水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内水位高度h2；
步骤2.3、根据如下公式，计算圆环所围成的内腔体积Vh：
Vh＝(h1-h2)×Aw (1)。
步骤2中采用一个金属材质的圆环，如图2所示，将其固定在平整后的取样地点处，并测量圆环所围成的内腔体积Vh，其优点是，本发明一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法时利用灌水置换的方式测定孔隙比，采用一个金属材质的圆环能够在试坑灌水过程中防止灌入的水从坑口四溢，同时规则的金属圆环能够保证后续的土体体积Vk、土中孔隙体积Va测量更加方便和精确。
步骤3、在圆环内侧地表挖取试坑，并分别计算挖取出的砂卵砾石地层的土中液体体积Vw、土体体积Vk和土中孔隙体积Va。
其中，步骤3中挖取的试坑直径为砂卵砾石试样中最大粒径的5～10倍，开挖深度大于试坑的直径。
步骤3中计算试坑中挖取的砂卵砾石地层的土中液体体积Vw，具体按照以下步骤实施：
将试坑中挖取出的砂卵砾石放置于质量为m1的密闭容器中，称重得到砂卵砾石和密闭容器总质量m2；将临近试坑边沿50cm～100cm处具有相同性质的砂卵砾石取出，快速包封，送至实验室采用烘干法测定其含水率wn，测试数量不少于3组，并取其平均值作为取样地点的砂卵砾石地层含水率wv；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中液体体积Vw：
Vw＝(m2-m1)×wv/ρ，其中ρ为蒸馏水密度且ρ＝1g/ml (2)。
步骤3中计算试坑中挖取的砂卵砾石地层的土体体积Vk，具体按照以下步骤实施：
选择取塑料膜铺展到试坑中，且塑料膜有富余部分延伸到圆环外；其中，将塑料膜铺展到试坑中具体为：将塑料膜紧贴坑壁、坑底铺展到试坑中，且铺设过程中须防止塑料膜被石块棱角刺破。选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H1，将量水器内水注入试坑中，直至水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内剩余水位高度H2；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土体体积Vk：
Vk＝(H1-H2)×Aw-Vh (3)。
上述计算挖取出的砂卵砾石地层的土体体积Vk，其原理为，通过将灌入试坑中水的总体积减去位于试坑口圆环内的水体积，便能计算出灌入试坑内的水的体积，试坑内水的体积等价于土体体积Vk。
步骤3中计算试坑中挖取的砂卵砾石地层的土中孔隙体积Va，具体按照以下步骤实施：
将试坑内的水疏干，将挖取出的样土完全回填入试坑中；选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H3，将量水器内水注入试坑的回填土中，直至水面与套环上边缘齐平不外溢为止，记录量水器内剩余水高度H4；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中孔隙体积Va：
Va＝(H3-H4)×Aw-Vh (4)。
其中，将试坑内的水疏干，将挖取出的样土回填入试坑中的具体操作步骤如下：
将试坑内的灌入的水通过烧杯、注射器疏干，并用吸水滤纸擦拭吸干塑料膜上吸附的水珠，取出的样土回填过程中应逐层倒回土样，回填过程中应防止塑料膜破损，且土样分3～5次回填，每次回填进行轻微击实。
上述计算试坑中挖取的砂卵砾石地层的土中孔隙体积Va，其原理是，将挖取的样土回填后，再灌入水，利用水的渗透作用，是水流渗透进样土孔隙中，通过计算灌入样土中水的体积进而计算土中孔隙体积Va。
其中，上述步骤2-3中所采用断面积为Aw的量水器上附有刻度，且最小刻度为1ml；塑料膜为聚乙烯塑料薄膜，所述聚乙烯塑料薄膜厚度小于0.04mm，具有良好的拉伸性能，同时测量过程中所使用的水均为蒸馏水。
步骤4、根据如下公式，计算砂卵砾石土层的孔隙比e：
e＝Va/(Vk-Va-Vw) (5)
步骤4中计算砂卵砾石土层的孔隙比e，如图2所示，其原理是，孔隙比是指地层中孔隙体积与固体颗粒体积之比，一般用e代表，e越大材料越疏松，反之，越密实。而土体体积Vk等于土中固体颗粒体积、土中液体体积Vw、土中孔隙体积Va三者的总和，其中，本发明中的土体指砂卵砾石地层。因此，利用灌水置换方式，通过水与土体体积Vk置换，能计算出土体体积Vk，以及土中孔隙体积Va，通过室内实验测得的土体天然含水率wv和已知的水的稳定密度ρ，可以得出土中液体体积Vw，从而求得土体的孔隙比e，本发明采用方法利用灌水置换的方式有效解决了砂卵砾石地层由于颗粒尺寸过大，现有技术难以对其孔隙比进行准确计算的问题。
具体实施例如下：
选择设备仪器如下：
(1)断面积为300cm2的量水器：附有刻度，最小刻度为1ml；
(2)钢环一个；
(3)台秤：称重30kg，最小分度值1g；
(4)聚乙烯塑料薄膜：厚度不宜大于0.04mm，应具有良好的拉伸性能；
(5)注射器：300ml；
(6)塑料桶：可盛装水25L，不少于4个，试验中添加的水为蒸馏水；
(7)其他工具：密闭遮光容器、铲土工具、水准尺、直尺、烧杯、吸水滤纸等。
操作步骤如下：
步骤1、在砂卵砾石地层地区，随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查；
步骤2、将钢环固定在平整后的取样地点处，并测量钢环所围成的内腔体积为900ml；
步骤3、在钢环内侧地表挖取试坑，将取出的砂卵砾石放置于密闭容器中，称重得到挖取出得土体重量为5670g，将临近试坑边沿50cm、80cm、100cm的相同性质的砂卵砾石分别取出后，快速包封，送至试验室采用烘干法测定其含水率，测试数量为3组，测得其含水率分别为1.56％、1.52％、1.50％，取其平均值作为该地层含水率，则其地层含水率为1.53％，计算土中液体体积约为87ml。
将聚乙烯塑料薄膜铺展到试坑中，且聚乙烯塑料薄膜有富余部分延伸到圆环外；将量水器内水缓缓注入试坑中，直至水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，测得量水器内注入前后的水位差9cm，计算试坑中砂卵砾石地层的土体体积为1800ml：
再将试坑内的水疏干，将挖取出的样土完全回填入试坑中；将量水器内水注入试坑的回填土中，直至水面与套环上边缘齐平不外溢为止，测得量水器内注入前后的水位差为5cm，计算试坑中砂卵砾石地层的土中孔隙体积600ml：
步骤4、通过计算得到砂卵砾石土层的孔隙比约为0.54。
经上述步骤测量得到的砂卵砾石土层的孔隙比约为0.54，符合砂卵砾石土层孔隙比的范围，进一步说明本发明测量方法使用后，可以有效解决砂卵砾石地层由于颗粒尺寸过大，常规室内试验难以测量求得其孔隙比的难题，可以直接、高效、便捷地测定砂卵砾石地层的孔隙比，为设计提供准确的土体物理参数。
Claims (9)
1.一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在砂卵砾石地层地区，随机选择取样地点，将选择的取样地点处地面整平，并用水准尺检查；
步骤2、选择一个金属材质的圆环，将其固定在平整后的取样地点处，并测量圆环所围成的内腔体积Vh；
步骤3、在圆环内侧地表挖取试坑，并分别计算挖取出的砂卵砾石地层的土中液体体积Vw、土体体积Vk和土中孔隙体积Va；
步骤4、根据如下公式，计算砂卵砾石土层的孔隙比e：
e＝Va/(Vk-Va-Vw) (5)。
2.根据权利要求1所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、将塑料膜紧贴圆环内壁及地表铺展；
步骤2.2、选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度h1，将量水器内的水注入圆环所围成的空间内，直至圆环内水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内水位高度h2；
步骤2.3、根据如下公式，计算圆环所围成的内腔体积Vh：
Vh＝(h1-h2)×Aw (1)。
3.根据权利要求1所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述步骤3中挖取的试坑直径为砂卵砾石试样中最大粒径的5～10倍，开挖深度大于试坑的直径。
4.根据权利要求1所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述步骤3中计算土中液体体积Vw具体按照以下步骤实施：
将试坑中挖取出的砂卵砾石放置于质量为m1的密闭容器中，称重得到砂卵砾石和密闭容器总质量m2；将临近试坑边沿50cm～100cm处具有相同性质的砂卵砾石取出，快速包封，采用烘干法测定其含水率wn，测试数量不少于3组，并取其平均值作为取样地点的砂卵砾石地层含水率wv；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中液体体积Vw：
Vw＝(m2-m1)×wv/ρ，其中ρ＝1g/ml (2)。
5.根据权利要求1所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述步骤3中计算土体体积Vk具体按照以下步骤实施：
选择取塑料膜铺展到试坑中，且塑料膜有富余部分延伸到圆环外；选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H1，将量水器内水注入试坑中，直至水面与圆环上边缘齐平且不外溢为止，记录量水器内剩余水位高度H2；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土体体积Vk：
Vk＝(H1-H2)×Aw-Vh (3)。
6.根据权利要求1所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述步骤3中计算土中孔隙体积Va具体按照以下步骤实施：
将试坑内的水疏干，将步骤3中挖取出的样土完全回填入试坑中；选择断面积为Aw的量水器，记录量水器内初始水位高度H3，将量水器内水注入试坑的回填土中，直至水面与套环上边缘齐平不外溢为止，记录量水器内剩余水高度H4；根据如下公式计算试坑中砂卵砾石地层的土中孔隙体积Va：
Va＝(H3-H4)×Aw-Vh (4)。
7.根据权利要求6所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述将试坑内的水疏干、将步骤3中挖取出的样土完全回填入试坑中的具体操作步骤如下：
将试坑内的灌入的水通过烧杯、注射器疏干，并用吸水滤纸擦拭吸干塑料膜上吸附的水珠，取出的土样回填过程中应逐层倒回土样，回填过程中应防止塑料膜破损，且土样分3～5次回填，每次回填进行击实。
8.根据权利要求2或5或6中所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述断面积为Aw的量水器上附有刻度，且最小刻度为1ml。
9.根据权利要求2或5或7中所述的一种测量砂卵砾石地层孔隙比的方法，其特征在于，所述塑料膜为聚乙烯塑料薄膜，所述聚乙烯塑料薄膜厚度小于0.04mm。
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