CN206557205U

CN206557205U - 一种土体有荷膨胀试验用环刀

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Publication number: CN206557205U
Application number: CN201720078658.3U
Authority: CN
Inventors: 张锐; 郑健龙; 刘正楠; 张博亚
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2027-01-20

Abstract

一种土体有荷膨胀试验用环刀，所述环刀为开口环刀，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽。取设定含水率的土样，使用本实用新型按公路土工试验规程静压制样时，可消除静压制样产生的超固结效应，随后，采用有荷膨胀试验规程对试样进行侧向膨胀力的测量，测得的侧向膨胀力数据与实际工况更为接近。本实用新型装置简单、结构合理、造价经济、测量方便，解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土边坡在增湿膨胀后的稳定性问题，可以简便、准确地测量侧向膨胀力，为膨胀土地区公路、铁路、水利、建筑工程设计提供了重要设计参数，适于在工程上进行推广应用。

Description

一种土体有荷膨胀试验用环刀

技术领域

本实用新型公开了一种土体有荷膨胀试验用环刀；特别是指一种具有开合功能的环刀，以消除土样静压制样产生的超固结水平应力。属于公路膨胀土土工试验技术领域。

背景技术

膨胀土富含膨胀性粘土矿物，具有显著的遇水膨胀软化、失水收缩开裂特性。随着我国经济的高速发展，对基础设施的投入比重越来越大，越来越多的公路将穿越膨胀土分布区。膨胀土地区公路建设中，支挡结构物后的膨胀土体在降雨入渗和大气作用下含水率会逐渐升高发生增湿膨胀，膨胀潜势的释放将产生一定的膨胀力。膨胀力包括竖向膨胀力和侧向膨胀力，其中侧向膨胀力对支挡结构的稳定性有着显著影响。

公路土工试验规程(JTG E40-2007)中膨胀力的试验方法，是采用环刀取原状土或静压制备重塑土环刀样，然后进行膨胀力的试验，在试样浸水产生一定膨胀量后，采用增加筒中砂的质量的方法将试样压回原高度，膨胀一点就加砂压回去一点，以试样不再产生膨胀量时的筒中砂质量作为膨胀力。该方法测得的实际是竖向膨胀力而未考虑侧向膨胀力。造成在边坡支挡结构设计中，以竖向膨胀力等同于侧向膨胀力进行设计，造成与实际工况受力情况存在巨大误差，增加了工程的造价。

为解决现有膨胀力的试验方法存在的不足，国内外学者对膨胀力的测试方法开展了一些研究，归结起来有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法及等体积加压法4种。

膨胀反压法是使试样充分吸水自由膨胀稳定后再施加荷载使其恢复到初始体积。加压膨胀法是通过一系列压力-膨胀量对应关系曲线确定膨胀力，分为多试样法和单试样法。平衡加压法是在试样吸水开始膨胀时，逐步施加荷载维持体积不变。等体积法是将膨胀土放置在刚性容器内，通过测试容器壁受力确定膨胀力，多用于模型试验，要求模型有足够刚度在膨胀力作用下不产生变形。

其中前三种都是使试样先发生湿化膨胀变形，再施加荷载将试样压回原始体积或高度，该荷载即为膨胀力。但是施荷压缩土体是一种固结过程，固结是土体压缩、去水而逐渐密实的物理过程，而膨胀是晶格扩张的化学过程和粒间结合水膜增厚的过程，因此该膨胀力实际为固结力而非膨胀力，且是竖向作用力而非侧向。

等体积法完全限定了试样的体积，加水使其膨胀进行膨胀力的测定，而对于实际膨胀土边坡来说，它的吸水膨胀是一个无侧限的过程，因此该方法并不符合实际工况。

此外还有一些模型装置，通过在模型箱的箱壁上设有多个压力传感器，分设于不同深度位置的用于测量膨胀土侧向膨胀力；以及采用伺服加载装置，当土样发生膨胀时，伺服装置自动加压使土样压回原始体积。但是模型箱存在模型制作困难、试验耗时费力等问题，伺服装置同样对土样施加了侧限，不符合实际工况，还存在着造价昂贵的问题。

造成上述问题的原因主要是现有土体有荷膨胀试验用环刀是固定结构，而静压制样的过程中，试样内部土体在压制过程中，必然会产生超固结效应，而形成超固结水平应力，这部分应力蓄积在试样中，而现有技术所涉及的测试膨胀力的装置和方法均未考虑消除制样过程中产生的超固结水平应力，导致测得的侧向膨胀力与实际工况受力情况存在巨大误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，而提供一种结构简单合理、操作方便、可以完全消除试样初始超固结水平应力的土体有荷膨胀试验用环刀。

发明人经过研究，发现采用公路土工试验规程(JTG E40-2007)中膨胀力的试验方法进行膨胀力试验，在静压制样的过程中，试样内部会产生超固结效应，在试验的过程中，通过在土样和环刀内壁间贴合薄膜压力传感器，监测到试样(ω₀＝22％,ρ_d＝1.60g/cm³)成型后的侧向力达到了287.24kPa，随着试样吸水膨胀，侧向膨胀力将逐渐增大，超固结效应将缓慢释放，监测的侧向力为两者的合力，无法实现剥离。因此本实用新型设计了带凹槽和可释放超固结效应的带箍环的环刀，一方面在贴合薄膜压力传感器时，确保贴合了传感器一侧土样整体密度的均匀性；另一方面可释放制样过程产生的超固结效应，确保试验时传感器所测压力增量即为侧向膨胀力。此外，本实用新型还可得到在不同上覆荷载作用下的侧向膨胀力，进一步可得到沿深度的侧向膨胀力变化情况，为支挡结构设计提供有力的数据。

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，所述环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小；在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽；

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，环刀的开口处为搭接结构；

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，开口调节装置由分别设置于环刀开口两侧外壁上的螺母与旋装于两个螺母中的螺杆构成；

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，开口调节装置为卡箍或卡环，所述卡箍或卡环上设有螺杆、螺母调节卡箍或卡环的直径大小；

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，容置压力传感器的凹槽沿环刀轴向设置在环刀内壁；

本实用新型一种土体有荷膨胀试验用环刀，凹槽的深度与压力传感器厚度匹配；

使用本实用新型进行土体侧向膨胀力测量的方法，按下述步骤：

第一步：试样制备

取设定含水率的土样，将标定后的压力传感器与外设压力实时采集装置连接好，记录压力传感器初始读数；然后，将压力传感器贴装在环刀的凹槽中，按公路土工试验规程(JTG E40-2007)要求，静压制样；试样压制密度及含水率按工程中待测土体的实际干密度和含水率确定；

第二步：试样超固结水平应力释放

制样完成后，调节开口调节装置，使环刀开口张开，消除静压制样时试样中的土样产生的超固结效应，观察实时采集系统中显示的压力传感器读数，待压力实时采集装置的读数回复到压力传感器初始读数时，调节开口调节装置，使环刀开口闭合；调节环刀开口闭合过程中，控制压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于5kPa；环刀开口闭合时，确保压力实时采集装置的读数与压力传感器初始读数之差小于等于2kPa，得到无超固结水平应力的试样；

第三步：测量

将无超固结水平应力的试样放置于有荷膨胀试验装置中，试样上、下各放置一块透水石，按有荷膨胀试验规程对试样施加预定载荷并进行试验，实时记录压力传感器上的压力；每隔2h查看压力瞬时值，当相邻两次压力瞬时值的差小于等于1kPa时，结束测量，保存监测数据并作出侧向膨胀力的时程曲线，曲线的峰值即为试样的侧向膨胀力。

本实用新型采用上述结构，利用有荷膨胀试验装置测定膨胀土在侧向变形完全限制和上覆荷载作用条件下的侧向膨胀力，为膨胀土地区结构物设计提供重要参数。采用特制环刀可调节开闭且具有凹槽，一方面可释放静压制样过程中产生的超固结效应，另一方面可使试样的体积不因薄膜传感器的增加而发生改变，从而保证制样的质量和良好的初始状态。实现对土样增湿膨胀时，侧向膨胀力的精确量测。本实用新型的主要特点在于可以消除静压制样过程中产生的超固结水平应力，严格控制试样的初始状态。

本实用新型的优点是：

1.采用可松紧式环刀，彻底消除了静压制样产生的超固结水平侧压力对测试的显著影响，使得结果更为精确。由于采用上述试验方法及装置，使得薄膜压力传感器紧密贴合于环刀样中，保证了试样的体积与规范环刀样一致；在制样完成后稍稍调松调节螺丝，使得特制环刀微微张开而释放超固结应力，对从而对压力传感器进行了调零，保证了试验时的压力增长量即为侧向膨胀力的增量。

2.试验测试完全保持侧向不发生变形，竖向则可在指定的上覆压力下发生有荷膨胀，使试验条件与工程中的实际工况一致，结果更为可靠。本实用新型提出的一种土体侧向膨胀力试验方法，可以消除静压制样时产生的初始水平应力，严格控制试样的初始应力状态；能保证膨胀土试样的侧向膨胀力试验是在确定的初始状态下进行，没有完全限制膨胀土的竖向膨胀；通过将不同深度膨胀土的上覆土重换算成相应的砝码重量，得到膨胀土在一定上覆荷载下的侧向膨胀力，能很好的模拟膨胀土边坡在实际状况下不同深度处的侧向膨胀力变化情况。

3.本实用新型装置结构简单合理、实施方便，廉价实用。相对于现有开发的大尺寸侧向膨胀力试验装置，本实用新型的试验尺寸与常规试验试样尺寸一致，且能在较短时间使膨胀土试样吸水饱和，达到侧向膨胀力稳定。时间由原来的一个星期缩短为一天半左右。侧向膨胀力和竖向膨胀变形全部自动化监测，无需试验人员全程值守。装置价格是大型膨胀力测试装置的三分之一。

综上所述，本实用新型结构简单合理、操作方便、造价经济，解决了本领域长期以来希望精确评价膨胀土边坡在增湿膨胀后的膨胀力可靠性的问题，从而可以简便、准确地测量侧向膨胀力，为膨胀土地区公路、铁路、水利、建筑工程结构物设计提供了重要设计参数，装置简单实用，适于在工程上进行推广应用。

附图说明

附图1为环刀示意图。

附图2为环刀外围环箍示意图。

附图3为护刀示意图。

附图4为实施例2与对比例1(常规膨胀力试验)中不同试验方法得到的膨胀力对比。

附图5为本实用新型试验装置结构示意图。

附图中：

附图1为本实用新型特制的环刀示意图，特制环刀内径为61.8mm，高度为20mm，侧壁厚度3mm，并在一侧预留20mm*20mm*1mm的凹槽。在另一侧进行切割开口，使之成为一部分厚度为2mm、一部分厚度为1mm的搭接嵌锁结构。

附图2是特制环刀外围环箍的示意图。特制环刀外壁上套有一圈钢制箍环，在箍环上设置有调节螺丝用于调节箍环的尺寸，从而实现对特制环刀开口张闭的控制，进而释放静压制样产生的超固结效应。

附图3是与特制环刀配套使用的护刀示意图。内径为61.8mm，外径为69.8mm，高度为16mm，所述护刀在与环刀贴合时的环形凹槽高度为3mm，宽度为2mm，在与环刀凹槽贴合的一侧预留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于薄膜压力传感器的放置。

由附图4可知，在相同的试验土样及试验条件下，对比例1常规膨胀力试验所测得的曲线2，竖向膨胀力为214.1kPa，本实用新型实施例2侧向膨胀力试验得到的曲线1的侧向膨胀力为68.4kPa，仅为对比例1常规试验方法测得竖向膨胀力的31.9％。常规方法中把所测得的竖向膨胀力作为侧向膨胀力来进行边坡支挡结构设计，所以对比例1是完全按照规范来测试的，只测了竖向膨胀力，没有测侧向膨胀力。

附图5中，1—容器，2—透水石，3—定位环，4—试样(由环刀+土样构成，环刀内径为61.8mm)，5—盖板，6—套环。

具体实施方式

本实用新型的具体结构，通过具体实施例进行详细说明：

实施例1：

参见附图1、2、3，一种土体有荷膨胀试验用环刀，所述环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小；在环刀的内壁沿环刀轴向设有供容置压力传感器的凹槽；环刀的开口处为搭接结构；环刀开口调节装置为卡箍，所述卡箍上设有螺杆、螺母调节卡箍的直径大小；

本实施例中，凹槽的深度与压力传感器厚度匹配；

环刀内径为61.8mm，高度为20mm，侧壁厚度3mm，并在一侧预留20mm*20mm*1mm的凹槽，另一侧进行切割开口，使之成为一部分厚度为2mm、一部分厚度为1mm的搭接嵌锁结构。

外壁上套有一圈钢制箍环，在箍环上设置有调节螺丝用于调节箍环的尺寸，从而实现对特制环刀开口张闭的控制，进而释放静压制样产生的超固结效应。所述护刀内径为61.8mm，外径为69.8mm，高度为16mm，所述护刀在与环刀贴合时的环形凹槽高度为3mm，宽度为2mm，在与环刀凹槽贴合的一侧预留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于薄膜压力传感器的放置。所述底座内径为67.8mm，外径为81.8mm，所述底座分为上下两个部分，分别对应内径和外径，上底座高度为8mm，下底座高度为4mm。

实施例2：

在广西百色高速公路现场采集膨胀土原状土样和扰动土样，进行基本物理性质指标和工程性质试验。室内试验结果表明：百色高速公路膨胀土土样的塑性指数为33.5％，自由膨胀率为63％。根据公路现行膨胀土判别分类标准，所取土样为中等膨胀土。采用本实用新型一种土体侧向膨胀力试验方法，对广西膨胀土进行试样制备并进行侧向膨胀力试验，具体实施步骤如下：

配置含水率为ω＝17.6％的膨胀土土样。取1个特制环刀(含箍环)，称重并记录，在环刀凹槽中贴合已经标定后的薄膜压力传感器，采用静压制样的方法制取扰动土试件，控制其初始干密度为1.69g/cm³，保证试件表面光滑整齐、初始高度为20mm。

静压完成后读取一次薄膜压力传感器数值，此时P_h0＝551.9kPa,然后将试样从强度仪上拿下来，超固结效应发生释放，稳定后读数P_h1＝54.1kPa，说明在静压过程中产生的超固结效应还没得到完全释放，故调松螺丝使环刀稍稍张开，完成超固结应力的卸荷，然后再缓慢调紧螺丝使环刀闭合，保证试验前传感器读数为其初始读数。连同特制环刀、试样和箍环再一次称重，精确至0.01g，得到土样质量。

制样完成后，按从上到下为护刀、特制环刀和底座的顺序连接好，在特制环刀和护刀连接时，注意将薄膜压力传感器置于两者的凹槽间，使其不发生弯折而造成损坏。然后，将整套设备底部置于土体侧向膨胀力试验装置中的普通固结盒里大护环内的底板上，放置透水石和滤纸，上部同样覆盖滤纸和透水石，再放下加压活塞，采用水准仪调平杠杆平衡系统，再施加1-2kPa的压力，使仪器各部分密切接触，将薄膜压力传感器导线段通过数据采集仪与电脑连接。所述土体侧向膨胀力试验装置结构见附图5；

打开数据采集软件设置采样频率1Hz，采样时间2d，开始实时监测侧向膨胀力。通过杠杆系统和加压活塞对试样施加设定载荷P＝50kPa，并开启电子百分表进行竖向膨胀率的量测，通过电脑采集软件可实现自动采集。向固结仪中注水，并始终保持水面超过试样上表面5-8mm，使试样自下而上浸水。

试验完成后，保存数据并导出，取下试样称重并烘干，清理场地。试验过程中的膨胀力和膨胀量时程曲线如图4中曲线1所示。侧向膨胀力峰值为68.4kPa，稳定后的侧向膨胀力为34.6kPa，竖向膨胀率为4.94％。

对比例1：

取实施例2相同状态的土样，通过静压制样的方法制备1个环刀试件，初始干密度控制为1.69g/cm³。按照现行公路土工试验规程(JTG E40-2007)中的膨胀力试验方法得到试样在该含水率和干密度状态下的膨胀力，按规范的规定进行读数，然后按公式计算膨胀力。膨胀力随时间的变化如图4曲线2所示，稳定后的读数为214.1kPa。

在相同的试验土样及试验条件下，对比例1常规膨胀力试验所测得的曲线2，竖向膨胀力为214.1kPa，本实用新型实施例2侧向膨胀力试验得到的曲线1的侧向膨胀力为68.4kPa，仅为对比例1常规试验方法测得竖向膨胀力的31.9％。常规方法中把所测得的竖向膨胀力作为侧向膨胀力来进行边坡支挡结构设计，所以对比例1是完全按照规范来测试的，只测了竖向膨胀力，没有测侧向膨胀力。由此可见由本实用新型提出的土体有荷膨胀试验用环刀测得的有荷侧向膨胀力比常规试验方法测量得到的小得多且更接近实际工况中的侧向膨胀力，目前的设计方法偏于保守了。

Claims

1.一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：所述环刀为开口环，在环刀开口位置的外壁上设有开口调节装置，所述开口调节装置用于调节开口的大小；在环刀的内壁设有供容置压力传感器的凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：环刀的开口处为搭接结构。

3.根据权利要求2所述的一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：开口调节装置由分别设置于环刀开口两侧外壁上的螺母与旋装于两个螺母中的螺杆构成。

4.根据权利要求2所述的一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：开口调节装置为卡箍或卡环，所述卡箍或卡环上设有螺杆、螺母调节卡箍或卡环的直径大小。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：容置压力传感器的凹槽沿环刀轴向设置在环刀内壁。

6.根据权利要求5所述的一种土体有荷膨胀试验用环刀，其特征在于：凹槽的深度与压力传感器厚度匹配。