CN117647443A - 黄土孔内湿陷系数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于湿陷系数测试技术领域，具体公开了一种黄土孔内湿陷系数测试装置及方法，其中装置包括恒力顶进模块、增湿模块和湿陷系数确定模块；恒力顶进模块设置于测试孔内的环状土体处，用于向环状土体施加水平方向的恒定顶进力；增湿模块设置于增湿孔内，用于对承受恒定顶进力的环状土体进行逐步增湿；增湿孔的轴线与测试孔的轴线平行，且增湿孔与测试孔在水平方向上具有预设距离；湿陷系数确定模块与恒力顶进模块连接，用于采集恒力顶进模块的顶进距离，并根据顶进距离确定环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数。本发明可对黄土进行原位湿陷性系数测试，保持了黄土的原始结构，使得湿陷性测试结果更为准确，能够满足工程设计及灾害治理的需求。

Description

黄土孔内湿陷系数测试装置及方法

技术领域

本发明公开了一种黄土孔内湿陷系数测试装置及方法，属于湿陷系数测试技术领域。

背景技术

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其具有大孔隙、结构疏松、垂直节理发育，含有盐类、遇水具有湿陷性等特点。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。

土的湿陷性常用湿陷系数来衡量，湿陷系数常在室内单轴压缩仪上测定。

在使用室内单轴压缩仪进行试验获取湿陷系数时，需要在现场进行取样，而黄土由于其具有结构疏松的特点，取样会破坏其结构性，导致室内试验所得湿陷系数不准确，难以满足工程设计及灾害治理的需求。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种黄土孔内湿陷系数测试装置及方法，以解决现有技术在室内利用单轴压缩仪获取的黄土湿陷系数不准确的技术问题。

本发明的第一方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试装置，包括恒力顶进模块、增湿模块和湿陷系数确定模块；

所述恒力顶进模块设置于测试孔内的环状土体处，用于向所述环状土体施加水平方向的恒定顶进力；

所述增湿模块设置于增湿孔内，用于对承受恒定顶进力的所述环状土体进行逐步增湿；所述增湿孔的轴线与所述测试孔的轴线平行，且所述增湿孔与所述测试孔在水平方向上具有预设距离；

所述湿陷系数确定模块与所述恒力顶进模块连接，用于采集所述恒力顶进模块的顶进距离，并根据所述顶进距离确定所述环状土体的湿陷系数或自重湿陷系数。

优选地，所述恒力顶进模块包括顶进单元和弧形施力板；

所述顶进单元的顶进端与所述弧形施力板的一侧表面连接；

所述弧形施力板的另一侧表面与所述环状土体的第一内侧壁相接，且所述弧形施力板的弧度与所述第一内侧壁的弧度相同。

优选地，所述恒力顶进模块还包括弧形挡板；

所述弧形挡板的一侧表面与所述顶进单元的底端连接，另一侧表面与所述环状土体的第二内侧壁相接，且所述弧形挡板的弧度与所述第二内侧壁的弧度相同；

所述第二内侧壁与所述第一内侧壁相对设置。

优选地，所述增湿模块包括喷水管；

所述喷水管伸入至所述增湿孔内；

所述喷水管的管体上依次设置有多个朝向所述环状土体的喷水孔。

优选地，多个所述喷水孔呈阵列排布。

优选地，位于阵列相对两端的喷水孔的直线距离大于所述环状土体高度的预设倍数，且阵列的中心位于所述环状土体高度的1/2处。

优选地，所述湿陷系数确定模块包括采集单元和与所述采集单元连接的处理单元；

所述采集单元与所述恒力顶进模块连接，用于采集所述恒力顶进模块的第一顶进距离和第二顶进距离；

所述处理单元，用于根据所述环状土体的初始环宽、所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数；

所述第一顶进距离为所述恒力顶进模块对未增湿的所述环状土体的顶进距离；

所述第二顶进距离为所述恒力顶进模块对增湿后的所述环状土体的顶进距离。

优选地，所述湿陷系数确定模块还包括显示单元；

所述显示单元与所述处理单元连接，用于显示所述环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数。

本发明的第二方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其利用上述黄土孔内湿陷系数测试装置，测试方法包括：

获取恒力顶进模块向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；

通过增湿模块对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的所述环状土体施加恒定顶进力时的第二顶进距离；

根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的自重湿陷系数。

优选地，根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的自重湿陷系数，具体包括：

根据所述第一顶进距离、所述第二顶进距离和所述环状土体的初始环宽，确定所述环状土体的自重湿陷系数。

本发明的第三方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其利用上述黄土孔内湿陷系数测试装置，测试方法包括：

利用恒力顶进模块向环状土体施加逐级递增的恒定顶进力；

获取恒力顶进模块向环状土体施加至规定级别的恒定顶进力时的第一顶进距离；

通过增湿模块对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的所述环状土体施加下一级别恒定顶进力时的第二顶进距离；

根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的湿陷系数。

优选地，根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的湿陷系数，具体包括：

根据所述第一顶进距离、所述第二顶进距离和所述环状土体的初始环宽，确定所述环状土体的湿陷系数。

本发明的黄土孔内湿陷系数测试装置及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明可以对黄土进行原位湿陷性系数测试，保持了黄土的原始结构，使得湿陷性测试结果更为准确，能够满足工程设计及灾害治理的需求。

本发明由于是利用增湿模块对环状土体进行逐步增湿的，因此，在确定湿陷系数时，可以获取黄土在压力作用下由于增湿所产生的全部变形性状，进而可以得到每一个变形性状及含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数，而不仅仅是饱和状态下的湿陷系数或者自重湿陷系数，所得结果更为全面也更为精确。当然，本发明也可根据测试需要，仅仅获取饱和状态下的湿陷系数或者自重湿陷系数。

附图说明

图1为本发明实施例中黄土孔内湿陷系数测试装置的结构示意图。

图中1为测试孔；2为环状土体；3为增湿孔；4为湿陷系数确定模块；5为顶进单元；6为弧形施力板；7为弧形挡板；8为喷水管；9为喷水孔；10为增湿范围；11为扩孔。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的第一方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试装置，包括恒力顶进模块、增湿模块和湿陷系数确定模块4；

其中恒力顶进模块设置于测试孔1内的环状土体2处，用于向环状土体2施加水平方向的恒定顶进力；

增湿模块设置于增湿孔3内，用于对承受恒定顶进力的环状土体2进行逐步增湿；增湿孔3的轴线与测试孔1的轴线平行，且增湿孔3与测试孔1在水平方向上具有预设距离；本发明实施例中的预设距离可为1-2米。

湿陷系数确定模块4与恒力顶进模块连接，用于采集恒力顶进模块的顶进距离，并根据顶进距离确定环状土体2的湿陷系数或者自重湿陷系数。

本发明实施例中的环状土体的获取方式为：在黄土地区开设垂直向下的测试孔1，在测试孔1内预设高程的上下预设范围内扩孔，得到环状土体2以及位于其上、下方的扩孔11。

其中预设范围为环状土体2高度的一半。

示例性地，环状土体的高度为，则预设范围为/>。

本发明实施例中还在黄土地区开设垂直向下的增湿孔3，该增湿孔3的轴线与测试孔1的轴线平行，且增湿孔3与测试孔1在水平方向上具有预设距离。其中测试孔1和增湿孔3可为勘探孔或者新钻的钻孔，由于可使用勘探孔，故而可以实现一孔多用，降低测试工作量，省时省力。

本发明可以对黄土进行原位湿陷性系数测试，保持了黄土的原始结构，使得湿陷性测试结果更为准确，能够满足工程设计及灾害治理的需求。

本发明由于是利用增湿模块对环状土体2进行逐步增湿的，因此，在确定湿陷系数时，可以获取黄土在压力作用下由于增湿所产生的全部变形性状，进而可以得到每一个变形性状及含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数，而不仅仅是饱和状态下的湿陷系数或者自重湿陷系数，所得结果更为全面也更为精确。当然，本发明也可根据测试需要，仅仅获取饱和状态下的湿陷系数或者自重湿陷系数。

示例性地，利用本发明的黄土孔内湿陷系数测试装置可以测定自重湿陷系数，具体为：

对天然湿度下的环状土体2施加预设的恒定顶进力，待环状土体2变形稳定后利用增湿模块进行浸水增湿，持续施加恒定顶进力，每隔预设时间记录一次变形读数，直至变形稳定为止。根据公式（1）确定环状土体2的自重湿陷系数：

（1）

式中，为环状土体2的自重湿陷系数；/>为环状土体的初始环宽；/>为保持天然含水率（天然湿度）和结构的环状土体2在恒定顶进力下稳定后的环宽，其是根据初始环宽和第一顶进距离之间的差值确定的；/>为在确定顶进力下，确定含水量下的环状土体2稳定后的环宽，其是根据初始环宽和第一顶进距离以及第二顶进距离之间的差值确定的。

进一步地，利用本发明的黄土孔内湿陷系数测试装置可以测定湿陷系数，具体为：

根据工程需要及黄土的沉积条件确定恒力顶进模块所施加的逐级递增的各级恒定顶进力。环状土体在第一级恒定顶进力稳定后，施加第二级恒定顶进力，依次类推，直至环状土体2在规定级别的恒定顶进力下变形稳定后，根据工程情况使环状土体2浸水，浸水宜用纯水，并对其施加下一级别的恒定顶进力，每隔预设时间记录一次变形读数，直至变形稳定为止。根据公式（2）确定环状土体2的湿陷系数：

（2）

式中，为环状土体2的湿陷系数；/>为环状土体的初始环宽；/>为环状土体2在规定级别的恒定顶进力下稳定后的环宽，其是根据初始环宽和第一顶进距离之间的差值确定的；/>为在下一级恒定顶进力下，环状土体2浸水湿陷变形稳定后的环宽，其是根据初始环宽和第一顶进距离以及第二顶进距离之间的差值确定的。

为实现恒力顶进模块对环状土体2的均匀施力，本发明实施例的恒力顶进模块包括顶进单元5和弧形施力板6；

顶进单元5的顶进端与弧形施力板6的一侧表面连接；

弧形施力板6的另一侧表面与环状土体2的第一内侧壁相接，且弧形施力板6的弧度与第一内侧壁的弧度相同。

本发明使用与第一内侧壁的弧度相同的弧形施力板6对环状土体2施力，从而可以实现面状施力，施力均匀且由于不是点状施力，因此也不会损坏环状土体2的结构。

进一步地，本发明实施例的恒力顶进模块还包括弧形挡板7；

弧形挡板7的一侧表面与顶进单元5的底端连接，另一侧表面与环状土体2的第二内侧壁相接，且弧形挡板7的弧度与第二内侧壁的弧度相同；

第二内侧壁与第一内侧壁相对设置。

本发明实施例设置了弧形挡板7，从而可以为顶进单元5提供稳定的顶进力，保证施力稳定及施力的均匀性，且不会损坏环状土体2的整体结构。

为实现逐步增湿，本发明实施例的增湿模块包括喷水管8；

喷水管8伸入至增湿孔3内；

喷水管8的管体上依次设置有多个朝向环状土体2的喷水孔9。

本发明实施例中设置多个朝向环状土体2的喷水孔9，可以实现水从对应的高度流出，形成山丘状的增湿范围10，从而更贴近黄土在自然环境下的浸水的状态，使得所得湿陷系数更为准确。

为实现均匀增湿，本发明实施例的多个喷水孔9呈阵列排布。

为进一步真实地模拟自然环境下黄土的浸水状态，本发明实施例设置位于阵列相对两端的喷水孔9的直线垂直距离（环状土体2的高度方向）大于环状土体2高度的预设倍数，且阵列的中心位于环状土体2高度的1/2处。本发明实施例中的预设倍数可为2.5倍至4倍，优选为3倍。

本发明实施例中的湿陷系数确定模块4包括采集单元和与采集单元连接的处理单元；

其中采集单元与恒力顶进模块连接，用于采集恒力顶进模块的第一顶进距离和第二顶进距离；

其中，第一顶进距离为恒力顶进模块对未增湿的环状土体2的顶进距离。当测量自重湿陷系数时，其具体为利用恒力顶进模块向未增湿的环状土体2施加水平方向的恒定顶进力，直至未增湿的环状土体2稳定后恒力顶进模块的顶进距离；当测量湿陷系数时，其具体为利用恒力顶进模块向未增湿的环状土体2逐级施加预设级别的恒定顶进力，直至施加至规定级别的水平方向的恒定顶进力，且未增湿的环状土体2稳定后恒力顶进模块的顶进距离；

第二顶进距离为恒力顶进模块对增湿后的环状土体2的顶进距离，具体为利用恒力顶进模块向增湿后的环状土体2施加水平方向的恒定顶进力，直至增湿后的环状土体2稳定后恒力顶进模块的顶进距离。

处理单元，用于根据环状土体2的初始环宽、第一顶进距离和第二顶进距离，确定环状土体2的湿陷系数或者自重湿陷系数。

进一步地，为便于观察环状土体2的湿陷系数，本发明实施例的湿陷系数确定模块4还包括显示单元；

显示单元与处理单元连接，用于显示环状土体2的湿陷系数或者自重湿陷系数，从而更为直观的显示湿陷系数。

本发明的装置结构简单，所测得的湿陷系数全面且准确性高。

本发明的第二方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其利用上述黄土孔内湿陷系数测试装置，测试方法包括：

步骤1、获取恒力顶进模块向环状土体2施加恒定顶进力时的第一顶进距离；

步骤2、通过增湿模块对环状土体2进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的环状土体2施加恒定顶进力时的第二顶进距离；

步骤3、根据第一顶进距离和第二顶进距离，确定环状土体2的自重湿陷系数，具体包括：

根据第一顶进距离、第二顶进距离和环状土体2的初始环宽，确定环状土体2的自重湿陷系数。

本发明的第三方面提供了一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其利用上述黄土孔内湿陷系数测试装置，测试方法包括：

步骤1、利用恒力顶进模块向环状土体施加逐级递增的恒定顶进力；

步骤2、获取恒力顶进模块向环状土体施加至规定级别的恒定顶进力时的第一顶进距离；

步骤3、通过增湿模块对环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的环状土体施加下一级别恒定顶进力时的第二顶进距离；

步骤4、根据第一顶进距离和第二顶进距离，确定环状土体的湿陷系数，具体包括：

根据第一顶进距离、第二顶进距离和环状土体2的初始环宽，确定环状土体2的湿陷系数。

本发明的黄土孔内湿陷系数测试方法简单，易于操作，可以得到黄土每一个变形性状及含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数以及饱和状态下的湿陷系数或者自重湿陷系数，所得结果更为全面及精确。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，包括恒力顶进模块、增湿模块和湿陷系数确定模块；

所述恒力顶进模块设置于测试孔内的环状土体处，用于向所述环状土体施加水平方向的恒定顶进力；

所述增湿模块设置于增湿孔内，用于对所述环状土体进行逐步增湿；所述增湿孔的轴线与所述测试孔的轴线平行，且所述增湿孔与所述测试孔在水平方向上具有预设距离；

所述湿陷系数确定模块与所述恒力顶进模块连接，用于采集所述恒力顶进模块的顶进距离，并根据所述顶进距离确定所述环状土体的湿陷系数或自重湿陷系数。

2.根据权利要求1所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，所述恒力顶进模块包括顶进单元和弧形施力板；

所述顶进单元的顶进端与所述弧形施力板的一侧表面连接；

所述弧形施力板的另一侧表面与所述环状土体的第一内侧壁相接，且所述弧形施力板的弧度与所述第一内侧壁的弧度相同。

3.根据权利要求2所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，所述恒力顶进模块还包括弧形挡板；

所述弧形挡板的一侧表面与所述顶进单元的底端连接，另一侧表面与所述环状土体的第二内侧壁相接，且所述弧形挡板的弧度与所述第二内侧壁的弧度相同；

所述第二内侧壁与所述第一内侧壁相对设置。

4.根据权利要求1所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，所述增湿模块包括喷水管；

所述喷水管伸入至所述增湿孔内；

所述喷水管的管体上依次设置有多个朝向所述环状土体的喷水孔。

5.根据权利要求4所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，多个所述喷水孔呈阵列排布。

6.根据权利要求5所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，位于阵列相对两端的喷水孔的直线距离大于所述环状土体高度的预设倍数，且阵列的中心位于所述环状土体高度的1/2处。

7.根据权利要求1所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，所述湿陷系数确定模块包括采集单元和与所述采集单元连接的处理单元；

所述采集单元与所述恒力顶进模块连接，用于采集所述恒力顶进模块的第一顶进距离和第二顶进距离；

所述处理单元，用于根据所述环状土体的初始环宽、所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数；

所述第一顶进距离为所述恒力顶进模块对未增湿的所述环状土体的顶进距离；

所述第二顶进距离为所述恒力顶进模块对增湿后的所述环状土体的顶进距离。

8.根据权利要求7所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，其特征在于，所述湿陷系数确定模块还包括显示单元；

所述显示单元与所述处理单元连接，用于显示所述环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数。

9.一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一项所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，包括：

获取恒力顶进模块向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；

通过增湿模块对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的所述环状土体施加恒定顶进力时的第二顶进距离；

根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的自重湿陷系数。

10.一种黄土孔内湿陷系数测试方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一项所述的黄土孔内湿陷系数测试装置，包括：

利用恒力顶进模块向环状土体施加逐级递增的恒定顶进力；

获取恒力顶进模块向环状土体施加至规定级别的恒定顶进力时的第一顶进距离；

通过增湿模块对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进模块向增湿后的所述环状土体施加下一级别恒定顶进力时的第二顶进距离；

根据所述第一顶进距离和所述第二顶进距离，确定所述环状土体的湿陷系数。