CN117890206A - 原状黄土湿陷系数测试系统及方法 - Google Patents

原状黄土湿陷系数测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原状黄土湿陷系数测试系统及方法，其中系统包括恒力顶进装置、增湿保持装置、湿陷系数确定装置；恒力顶进装置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；增湿保持装置包覆于环状土体的外部，用于对环状土体进行逐步增湿，并获取环状土体的含水量；湿陷系数确定装置与恒力顶进装置和增湿保持装置连接，用于根据恒力顶进装置的顶进距离确定环状土体在不同含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数。本发明采用了现场环状的原状黄土，无需取样后在室内进行试验获取湿陷系数或者自重湿陷系数，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

原状黄土湿陷系数测试系统及方法
技术领域
本发明公开了一种原状黄土湿陷系数测试系统及方法，属于湿陷系数测试技术领域。
背景技术
湿陷性是黄土最特殊的工程性质之一，对黄土湿陷性作出客观评价是湿陷性黄土区工程勘察的核心和设计的基础。
现有技术获取黄土湿陷性的方法主要以现场取样，在室内使用单轴压缩仪确定为主。然而，黄土性状较为特殊，其具有结构疏松的特点，取样会破坏其结构性，导致室内测试确定的湿陷系数与真实值之间存在较大差异，难以反应黄土的真实湿陷性。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种原状黄土湿陷系数测试系统及方法，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原状黄土湿陷系数测试系统，包括恒力顶进装置、增湿保持装置、湿陷系数确定装置；
所述恒力顶进装置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；
所述增湿保持装置包覆于所述环状土体的外部，用于对所述环状土体进行逐步增湿，并获取所述环状土体的含水量；
所述湿陷系数确定装置与所述恒力顶进装置和所述增湿保持装置连接，用于根据所述恒力顶进装置的顶进距离确定所述环状土体在不同含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数。
优选地，所述增湿保持装置包括壳体、增湿单元和含水量获取单元；
所述壳体包覆于所述环状土体的外部；
所述增湿单元穿过所述壳体，并位于所述环状土体的上表面，用于对所述环状土体进行逐步增湿；
所述含水量获取单元固定设置于所述壳体内，并与所述湿陷系数确定装置连接，用于将获取的所述环状土体的含水量传输至所述湿陷系数确定装置。
优选地，所述增湿单元包括多根增湿管；
所述多根增湿管并列设置于所述环状土体的上表面；
每根所述增湿管的管体上开设有多个增湿孔。
优选地，所述增湿单元还包括与所述增湿孔数量对应的多个雾化喷头；
一个所述雾化喷头设置于一个所述增湿孔上。
优选地，所述增湿保持装置还包括隔水槽；
所述隔水槽设置于所述壳体内，并与所述环状土体的下表面相接。
优选地，所述恒力顶进装置包括顶进结构和顶进板；
所述顶进结构的顶进端与所述顶进板的一侧表面连接；
所述顶进板的另一侧表面与所述环状土体的第一侧壁相接。
优选地，所述恒力顶进装置还包括挡板；
所述挡板的一侧表面与所述顶进结构的底端连接，另一侧表面与所述环状土体的第二侧壁相接；
所述第二侧壁与所述第一侧壁相对设置。
优选地，所述湿陷系数确定装置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装置连接，用于采集所述恒力顶进装置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，确定所述环状土体在不同含水量下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装置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装置对不同含水量的所述环状土体的顶进距离。
优选地，所述湿陷系数确定装置还包括显示单元；
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利用上述原状黄土湿陷系数测试系统的原状黄土湿陷系数测试方法，包括：
获取恒力顶进装置向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；
通过增湿保持装置对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进装置向不同含水量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。
本发明的原状黄土湿陷系数测试系统及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明采用了现场环状的原状黄土，无需取样后在室内进行试验获取湿陷系数或者自重湿陷系数，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。
本发明利用增湿保持装置对环状土体进行逐步增湿，并获取了环状土体的含水量，因此，在确定湿陷系数时，可以获取黄土在压力作用下由于不同含水量所产生的全部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。
附图说明
图1为本发明实施例中原状黄土湿陷系数测试系统的结构示意图。
部件和附图标记列表：
1为恒力顶进装置；11为顶进结构；12为顶进板；13为挡板；2为增湿保持装置；21为壳体；22为增湿单元；221为增湿管；222为雾化喷头；23为隔水槽；3为湿陷系数确定装置；4为测试孔；5为环状土体；6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原状黄土湿陷系数测试系统，如图1所示，包括恒力顶进装置1、增湿保持装置2、湿陷系数确定装置3；
其中恒力顶进装置1设置于测试孔4内的环状土体5处，用于向环状土体5施加水平方向的恒定顶进力；
增湿保持装置2包覆于环状土体5的外部，用于对环状土体5进行逐步增湿，并获取环状土体5的含水量；
湿陷系数确定装置3与恒力顶进装置1和增湿保持装置2连接，用于根据恒力顶进装置1的顶进距离确定环状土体5在不同含水量下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5的获取方式为：在测试孔4内预设高程的上下预设范围内扩孔，得到环状土体5以及位于其上、下方的扩孔6。
其中预设范围为环状土体5高度的一半以上，例如：环状土体5的高度为h，则预设范围为h/2以上。
本发明实施例中，测试孔4可为新钻钻孔或者勘探孔，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。
本发明采用了现场的环状的原状黄土，无需取样后在室内进行试验获取湿陷系数或者自重湿陷系数，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。
本发明利用增湿保持装置2对环状土体5进行逐步增湿，并获取了环状土体5的含水量，因此，在确定湿陷系数或者自重湿陷系数时，可以获取黄土在压力作用下由于不同含水量所产生的全部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。
为实现环状土体5的增湿及水分的保持，避免现场环境影响测试结果的精度，本发明实施例的增湿保持装置2包括壳体21、增湿单元22和含水量获取单元(图中未示出)；
其中壳体21包覆于环状土体5的外部；
增湿单元22穿过壳体21，并位于环状土体5的上表面，用于对环状土体5进行逐步增湿；
含水量获取单元固定设置于壳体21内，并与湿陷系数确定装置3连接，用于将获取的环状土体5的含水量传输至湿陷系数确定装置3。
本发明的壳体21可仅包覆于环状土体5的测试部分，也可以将全部环状土体5进行包覆。
本发明的含水量获取单元具体可为土壤含水量传感器，土壤含水量传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。
为更进一步地模拟自然降雨环境，本发明实施例的增湿单元22包括多根增湿管221；
多根增湿管221并列设置于环状土体5的上表面；
每根增湿管221的管体上开设有多个增湿孔。
本发明通过并列设置的多根增湿管221及每个增湿管221上开设的多个增湿孔，实现均匀、逐步的增湿，避免水的冲刷对环状土体5的影响，从而更为真实地模拟深层黄土所处环境，使得所得湿陷系数或者自重湿陷系数更为准确。
为进一步避免水的冲刷对环状土体5的影响，本发明的增湿单元22还包括与增湿孔数量对应的多个雾化喷头222；一个雾化喷头222设置于一个增湿孔上，从而实现更为均匀、更为平缓的增湿。
本发明实施例的增湿保持装置2还包括隔水槽23；
隔水槽23设置于壳体21内，并与环状土体5的下表面相接。
本发明实施例使用隔水槽23避免水外流，结合壳体21和增湿单元22，保证环状土体5的含水率，使测试所得湿陷系数或者自重湿陷系数更为准确。
本发明实施例的恒力顶进装置1包括顶进结构11和顶进板12；
其中，顶进结构11的顶进端与顶进板12的一侧表面连接，顶进板12的另一侧表面与环状土体5的第一侧壁相接。本发明实施例使用顶进板12对环状土体5的第一侧壁施力，增大了施力面，从而达到均匀施力的效果，避免因为单点施力造成的环状土体5结构的破坏。
进一步地，本发明的顶进板12为弧形结构，其弧度与环状土体5第一侧壁的弧度相同，以此保证环状土体5整体均匀受力。
本发明实施例的恒力顶进装置1还包括挡板13；
挡板13的一侧表面与顶进结构11的底端连接，另一侧表面与环状土体5的第二侧壁相接；第二侧壁与第一侧壁相对设置。
本发明实施例设置挡板13的目的是为顶进结构11提供稳定的顶进力。
进一步地，为避免损坏挡板13处的第二侧壁，本发明实施例的挡板13为弧形结构，其弧度与第二侧壁的弧度相同。
本发明实施例中的湿陷系数确定装置3包括采集单元和与采集单元连接的处理单元；
采集单元与恒力顶进装置1连接，用于采集恒力顶进装置1的第一顶进距离和第二顶进距离；
处理单元，用于根据环状土体5的初始环宽、第一顶进距离和第二顶进距离，确定环状土体5在不同含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数；
其中第一顶进距离为恒力顶进装置1对未增湿的环状土体5的顶进距离，当测量自重湿陷系数时，其具体为：利用恒力顶进装置1向未增湿的环状土体5施加水平方向的恒定顶进力，直至未增湿的环状土体5稳定后恒力顶进装置1的顶进距离；当测量湿陷系数时，其具体为利用恒力顶进装置1向未增湿的环状土体5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稳定后恒力顶进装置1的顶进距离
第二顶进距离为恒力顶进装置1对不同含水量的环状土体5的顶进距离，具体为：利用恒力顶进装置1向确定含水量的环状土体5施加水平方向的恒定顶进力，直至该环状土体5稳定后恒力顶进装置1的顶进距离，如想继续获取进一步增加含水量的环状土体5的湿陷系数或者自重湿陷系数，则继续利用恒力顶进装置1向增加含水量的环状土体5施加水平方向的恒定顶进力，直至该环状土体5稳定后恒力顶进装置1的顶进距离，重复该步骤，即可得到不同含水量的环状土体5的顶进距离。
本发明实施例的湿陷系数确定装置3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5的湿陷系数或者自重湿陷系数。
本发明实施例设置显示单元的目的是可以直观地观察环状土体5的湿陷系数或者自重湿陷系数。
本发明的测试系统结构简单，能够测得表层及深层原状黄土不同含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数，所得结果准确性高，且更为全面。
本发明的第二方面提供了一种利用上述原状黄土湿陷系数测试系统的原状黄土湿陷系数测试方法，包括：
步骤1、获取恒力顶进装置向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；
步骤2、通过增湿保持装置对环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进装置向不同含水量的环状土体施加恒定顶进力时的第二顶进距离；
步骤3、根据环状土体的初始环宽、第一顶进距离和第二顶进距离，确定不同含水量的环状土体的湿陷系数或者自重湿陷系数，得到多个湿陷系数或者自重湿陷系数。
示例性地，利用上述原状黄土湿陷系数测试系统的原状黄土湿陷系数测试方法，当测量自重湿陷系数时，具体为：
步骤1、对天然湿度下的环状土体5施加预设的恒定顶进力，待环状土体5变形稳定获取恒力顶进装置向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；
步骤2、通过增湿保持装置对环状土体5进行逐步增湿，增湿后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，获得不同含水量下的第二顶进距离。
步骤3、根据环状土体的初始环宽、第一顶进距离和第二顶进距离，确定不同含水量的环状土体的自重湿陷系数。
示例性地，根据公式(1)确定环状土体5的自重湿陷系数：
式中，δs为环状土体5的自重湿陷系数；h0为环状土体的初始环宽；hp为保持天然含水率(天然湿度)和结构的环状土体5，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；hp′为在恒定顶进力下，确定含水量下环状土体5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。
利用上述原状黄土湿陷系数测试系统的原状黄土湿陷系数测试方法，当测量湿陷系数时，具体为：
步骤1、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5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5在规定级别的恒定顶进力下变形稳定后，获取恒力顶进装置向环状土体5施加恒定顶进力时的第一顶进距离；
步骤2、根据工程情况使环状土体5浸水，在确定的含水量下，对环状土体5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5的湿陷系数：
式中，δm为环状土体5的湿陷系数；h0为环状土体的初始环宽；h1为环状土体5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；h2为在下一级恒定顶进力下，环状土体5在一个确定的含水率下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。
本发明的原状黄土湿陷系数测试方法具有简单、易于操作，准确性高及所述湿陷系数及自重湿陷系数更为全面等优点，可以满足工程设计及灾害治理的需求。
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)

1.一种原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，包括恒力顶进装置、增湿保持装置、湿陷系数确定装置；
所述恒力顶进装置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；
所述增湿保持装置包覆于所述环状土体的外部，用于对所述环状土体进行逐步增湿，并获取所述环状土体的含水量；
所述湿陷系数确定装置与所述恒力顶进装置和所述增湿保持装置连接，用于根据所述恒力顶进装置的顶进距离确定所述环状土体在不同含水量下的湿陷系数或者自重湿陷系数。
2.根据权利要求1所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述增湿保持装置包括壳体、增湿单元和含水量获取单元；
所述壳体包覆于所述环状土体的外部；
所述增湿单元穿过所述壳体，并位于所述环状土体的上表面，用于对所述环状土体进行逐步增湿；
所述含水量获取单元固定设置于所述壳体内，并与所述湿陷系数确定装置连接，用于将获取的所述环状土体的含水量传输至所述湿陷系数确定装置。
3.根据权利要求2所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述增湿单元包括多根增湿管；
所述多根增湿管并列设置于所述环状土体的上表面；
每根所述增湿管的管体上开设有多个增湿孔。
4.根据权利要求3所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述增湿单元还包括与所述增湿孔数量对应的多个雾化喷头；
一个所述雾化喷头设置于一个所述增湿孔上。
5.根据权利要求2所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述增湿保持装置还包括隔水槽；
所述隔水槽设置于所述壳体内，并与所述环状土体的下表面相接。
6.根据权利要求1所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述恒力顶进装置包括顶进结构和顶进板；
所述顶进结构的顶进端与所述顶进板的一侧表面连接；
所述顶进板的另一侧表面与所述环状土体的第一侧壁相接。
7.根据权利要求6所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述恒力顶进装置还包括挡板；
所述挡板的一侧表面与所述顶进结构的底端连接，另一侧表面与所述环状土体的第二侧壁相接；
所述第二侧壁与所述第一侧壁相对设置。
8.根据权利要求1所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述湿陷系数确定装置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装置连接，用于采集所述恒力顶进装置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，确定所述环状土体在不同含水量下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装置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装置对不同含水量的所述环状土体的顶进距离。
9.根据权利要求8所述的原状黄土湿陷系数测试系统，其特征在于，所述湿陷系数确定装置还包括显示单元；
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。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的原状黄土湿陷系数测试系统的原状黄土湿陷系数测试方法，其特征在于，包括：
获取恒力顶进装置向环状土体施加恒定顶进力时的第一顶进距离；
通过增湿保持装置对所述环状土体进行逐步增湿，并获取恒力顶进装置向不同含水量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。
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