CN208688892U - 一种应力可控的路基土体定量湿化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及道路工程领域，特别是涉及一种应力可控的路基土体定量湿化装置。本实用新型提供一种应力可控的路基土体定量湿化装置，包括加载装置和土体湿化装置，土体湿化装置包括具有上敞口的腔体的底座，底座的腔体内设有竖直延伸的环刀，环刀的上方设有刚性透水板、刚性储水透水板和固定顶盖，加载装置与固定顶盖连接，刚性透水板上设有储水透水孔，刚性储水透水板上设有透水孔，固定顶盖上设有可开闭的注水孔，底座的侧壁向上延伸形成固定套筒，底座和/或固定套筒的内壁与环刀之间的空隙填充有弹性密封体。本实用新型所提供的试验方法所用仪器制造简单，试验结果精度高，使用方便。

Description

一种应力可控的路基土体定量湿化装置

技术领域

本实用新型涉及道路工程领域，特别是涉及一种应力可控的路基土体定量湿化装置。

背景技术

公路路基在施工时通常控制路基填料含水率接近最佳含水率，以得到良好的压实效果。我国南方地区气候湿热，在大气环境、地表水及地下水共同作用下，运营期间路基土的平衡含水率常常远大于最佳含水率。当前研究表明，含水率对路基工程特性影响显著，不同的含水率下路基填料的服役性能有很大的差异。因此有必要研究在运营期路基填料含水率增加至平衡含水率所造成的影响，而开展此类研究关键的一步是模拟路基的湿化过程。目前，路基湿化试验多集中于路基的干湿循环，而干湿循环仪器结构较为复杂，操作繁琐且经济成本较高，更重要的是，当前的干湿循环装置不能实现含水率变化的定量控制和土样应力状态的控制。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种应力可控的路基土体定量湿化装置及应力可控的路基土体定量湿化控制方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型第一方面提供一种应力可控的路基土体定量湿化装置，其特征在于，包括加载装置和土体湿化装置，所述土体湿化装置包括具有上敞口的腔体的底座，所述底座的腔体内设有竖直延伸的环刀，所述环刀的底部与所述腔体的底面相配合且所述环刀的高度高于腔体的高度，所述环刀的上方自下而上依次设有刚性透水板、刚性储水透水板和固定顶盖，所述加载装置与固定顶盖连接，刚性透水板、刚性储水透水板和固定顶盖形成圆柱体且圆柱体的外径与环刀的内径相配合，所述刚性透水板上设有透水孔，所述刚性储水透水板上设有储水透水孔，所述固定顶盖上设有可开闭的注水孔，所述底座的侧壁向上延伸形成固定套筒，所述底座和/或固定套筒的内壁与环刀之间的空隙填充有弹性密封体。

在本实用新型一些实施方式中，所述固定顶盖上的注水孔通过胶塞闭合。

在本实用新型一些实施方式中，储水透水孔的孔径为10-25mm。

在本实用新型一些实施方式中，储水透水孔的孔径为15-20mm。

在本实用新型一些实施方式中，储水透水孔的孔隙率为7.8％-49.1％。

在本实用新型一些实施方式中，储水透水孔的孔隙率为17.7％-31.4％。

在本实用新型一些实施方式中，透水孔的孔径为2-3mm。

在本实用新型一些实施方式中，透水孔的孔隙率为0.25％-1.5％。

在本实用新型一些实施方式中，透水孔的孔隙率为0.3％-0.7％。

在本实用新型一些实施方式中，注水孔的孔径为3-5mm。

在本实用新型一些实施方式中，注水孔的孔隙率为0.7％-2.0％。

在本实用新型一些实施方式中，透水孔的孔径小于储水透水孔的孔径。

在本实用新型一些实施方式中，储水透水孔的孔径大于注水孔的孔径。

在本实用新型一些实施方式中，所述刚性透水板的下表面设有滤纸。

在本实用新型一些实施方式中，所述底座内腔的底面上设有滤纸。

在本实用新型一些实施方式中，所述固定套筒的内壁与固定顶盖的侧壁相契合。

在本实用新型一些实施方式中，所述固定套筒的内壁与至少部分的刚性储水透水板的侧壁相契合。

在本实用新型一些实施方式中，所述加载装置包括加载杆，所述加载杆的固定端与固定支架铰接，所述加载杆上还铰接有垂杆，所述垂杆上设有砝码承台，所述加载杆还通过连接杆与固定顶盖连接。

在本实用新型一些实施方式中，所述加载杆的自由端铰接有垂杆。

在本实用新型一些实施方式中，所述加载杆的中部通过连接杆与固定顶盖连接。

在本实用新型一些实施方式中，所述固定支架包括固定基座和位于固定基座上的支撑杆，所述加载杆的固定端与支撑杆铰接。

本实用新型第二方面提供一种应力可控的路基土体定量湿化控制方法，使用如上所述的路基土体定量湿化装置，包括：

1)利用环刀制取试样并置于密封胶套中；

2)将步骤1)所得试样置于底座的上敞口腔体中；

3)在底座上放置固定套筒；

4)将刚性透水板放置在试样上，将刚性储水透水板放置在刚性透水板上，将固定顶盖放置在刚性储水透水板上；

5)通过加载杆向固定顶盖施加一定的压力；

6)通过注水孔注入一定量的水。

本实用新型第三方面提供所述路基土体定量湿化装置和路基土体定量湿化控制方法在土工测试领域的应用。

附图说明

图1显示为本实用新型整体结构示意图。

图2显示为本实用新型固定顶盖结构示意图。

图3显示为本实用新型刚性储水透水板结构示意图。

图4显示为本实用新型刚性透水板结构示意图。

元件标号说明

1 土体湿化装置

11 底座

12 环刀

13 刚性透水板

131 透水孔

14 刚性储水透水板

141 储水透水孔

15 固定顶盖

151 注水孔

16 固定套筒

17 弹性密封体

2 加载装置

21 加载杆

22 固定支架

221 固定基座

222 支撑杆

23 垂杆

24 砝码承台

25 连接杆

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1-4所示，本实用新型第一方面提供一种应力可控的路基土体定量湿化装置，包括加载装置2和土体湿化装置1。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化装置中，可以包括土体湿化装置1，所述土体湿化装置1可以包括具有上敞口的腔体的底座11，所述底座11的腔体内设有竖直延伸的环刀 12，环刀通常指土工试验中常用的一种取土样工具，一般为钢制品，其形状通常为中空的圆柱体，所述腔体通常可以是圆柱体，以使得腔体内部的形状可以与环刀12的形状相配合，所述环刀12的底部与所述腔体的底面相配合(例如，通常可以在环刀12内部形成底部尽量闭合的上敞口的腔体)，从而可以保证试样稳定位于环刀12所形成的圆柱体内部空间中，所述环刀12的高度通常高于腔体的高度，以便于环刀12的放置。所述环刀12所形成的圆柱体内部空间中，通常用于存放试样，环刀12的上方自下而上依次设有刚性透水板13、刚性储水透水板14和固定顶盖15(所述刚性通常指材料具有一定的硬度，在承受实验过程中所施加的力时没有明显的变形)，在实验时，试样通常充满环刀12，刚性透水板13、刚性储水透水板14和固定顶盖15通常依次叠加于环刀12中的试样上方，所述刚性透水板13上设有透水孔131，所述刚性储水透水板14上设有储水透水孔141，所述固定顶盖15上设有可开闭的注水孔151，从而可以将水通过固定顶盖15依次经过刚性储水透水板14、刚性透水板13引入试样。所述刚性透水板13的下表面和/或所述底座11内腔的底面上设有滤纸，从而可以防止土样沿透水孔131挤出或粘附在装置上，同时也可以对引入试样的水体进行过滤。所述加载装置2通常与固定顶盖15连接，从而可以通过加载装置2向固定顶盖15施加压力，并进一步通过固定顶盖15自上而下向试样施加一定的压力，所述刚性透水板13可以与环刀12的内径相配合，刚性储水透水板14可以与环刀12的内径相配合，固定顶盖15的外径可以与环刀 12的内径相配合，从而刚性透水板13、刚性储水透水板14和固定顶盖15可以形成圆柱体且圆柱体的外径通常与环刀12的内径相配合，从而便于压力的施加。所述底座11的侧壁向上延伸形成固定套筒16，从而可以防止各部件的侧向偏移，底座11与固定套筒16之间通常紧密连接，从而可以防止物料(例如，试样、水等其他物质)的外泄，所述底座11和/或固定套筒16的内壁与环刀12之间的空隙填充有弹性密封体17，以进一步提升封闭效果，以防止如上所述的物料外泄，所述弹性密封体可以是例如弹性密封胶套等。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化装置中，所述固定顶盖15上的注水孔151通过胶塞闭合，从而可以在需要向试样引入水时通过注水孔151注入适量的水，而在注水完毕后则可以将注水孔151封闭。所述环刀可以是本领域土工试验中所使用各种规格的环刀，例如，环刀的底面积可以为30-50cm²，内径通常可以为30.9mm，高度通常可以为20mm，刚性透水板13厚度通常≤5mm，刚性储水透水板14厚度通常可以为10-15mm，透水孔131的孔径可以为2-3mm，透水孔131的孔隙率可以为0.25％-1.5％，也可以为0.3％-0.7％，储水透水孔141 的孔径可以为10mm-25mm，也可以为15-20mm，储水透水孔141的孔隙率可以为7.8％-49.1％，也可以为17.7％-31.4％，注水孔151的孔径可以为3-5mm，注水孔151的孔隙率可以为 0.7％-2.0％，透水孔131的孔径小于储水透水孔141的孔径，储水透水孔141的孔径大于注水孔151的孔径。透水孔131孔径过大，可能会导致土样在压力作用下沿透水孔131挤出，而当透水孔131孔径过小时，水分不易进入土体，因此，应控制透水孔131孔径在合理范围内，透水孔131孔隙率可通过增加或减少孔数目来调整。储水透水孔141兼具透水和储水的功能，其孔径大小可根据注水多少进行较大范围的调整，但应保证能够容纳所有注入的水分。注水孔151承担着向储水透水孔141注入水分的功能，为保证密封性，其孔径应尽量缩小，但孔径应保证注水器(如注射器等)可以正常注入水分。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化装置中，所述固定套筒16的内壁通常与固定顶盖 15的侧壁相契合，所述固定套筒16的内壁通常与至少部分的刚性储水透水板14的侧壁(通常为上部侧壁)相契合，从而可以尽量闭合内部空间，防止如上所述的物料外泄。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化装置中，可以包括加载装置2，所述加载装置2 包括加载杆21，所述加载杆21的固定端通常与固定支架22铰接，从而可以以固定端作为支点竖直转动，所述加载杆21上还可以铰接有垂杆23(例如，述加载杆21的自由端可以与垂杆23铰接)，所述垂杆23上设有砝码承台24，用于向加载杆21施加一定量的力(例如，向砝码承台24上放置砝码)，从而带动加载杆21转动，所述加载杆21还通过连接杆25与固定顶盖15连接(例如，所述加载杆21的中部可以通过连接杆25与固定顶盖15连接)，从而当加载杆21被带动时，将力施加至固定顶盖15，所述加载杆21通常与固定顶盖15的上部连接，以便于构件的连接。所述固定支架22可以包括固定基座221和位于固定基座221上的支撑杆222，固定基座221通常可以被固定于例如桌面上，从而提供稳定的支撑点，所述加载杆21的固定端可以与支撑杆222铰接，从而在受力后以固定端作为支点转动。

本实用新型第二方面提供一种应力可控的路基土体定量湿化控制方法，使用如上所述的路基土体定量湿化装置，包括：

1)利用环刀制取试样并置于密封胶套中；

2)将步骤1)所得试样置于底座的上敞口腔体中；

3)在底座上放置固定套筒；

4)将刚性透水板放置在试样上，将刚性储水透水板放置在刚性透水板上，将固定顶盖放置在刚性储水透水板上；

5)通过加载杆向固定顶盖施加一定的压力；

6)通过注水孔注入一定量的水。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化控制方法中，通常利用环刀制取试样并放置在密封胶套(用于形成弹性密封体的材料)中，再将所述密封胶套放置在底座上，从而可以将固定套筒套住密封胶套并放置在底座上，将刚性透水板放置在试样上，将刚性储水透水板放置在刚性透水板上，将带注水孔的固定顶盖放置在刚性储水透水板上，从而形成所述路基土体定量湿化装置。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化控制方法中，通常将所述土体湿化装置放置在所述加载杆下，控制所述加载杆与所述固定顶盖相连接，从而当加载杆受力时可以将力传送给固定顶盖，使加载杆受力的方法可以是根据目标荷载向所述砝码承台上放置一定重量砝码。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化控制方法中，可以根据试件的重量、含水率以及湿化的目标含水率计算所需要增加的水分，利用称量仪器量取所需要的水分。将水引入试样时，可以采用注射器，通过可开闭的注水孔将水注入刚性储水透水板中。

本实用新型所提供的路基土体定量湿化控制方法中，在试样承受一定压力条件下向试样引入水后，可以使实验体系静置一定时间，从而使试样达到稳定的状态，再将试样卸载，取出试件进行下一步试验，例如，静置的时间可以是24小时左右。

如上所述，本实用新型所提供的路基湿化试验的应力控制装置及方法可以被应用于土工测试领域。本实用新型所提供的试验方法所用仪器制造简单，试验结果精度高，使用方便，满足试样湿化试验控制要求(例如，湿化幅度及应力控制的要求)，可以直接进行各种多空介质包括砂、砂土、粉土、黏土的干湿循环试验、定量湿化试验等实验。此外，本实用新型所提供的试验方法和装置使用范围，可用于道路工程中遇到的各种多孔介质湿化试验的室内模拟试验。

实施例1

某地花岗岩残积土路基定量湿化稳定性分析：

试验试样：

试验材料为选自某地高速公路A7标段的花岗岩残积土，按土的工程分类可划分为粉质砂土。

试验过程：

为对比不同初始状态对土样抗剪强度的影响，试验过程中，制作不同初始状态的花岗岩残积土试件，初始状态见表1。采用击实成型或静压成型的方法制作一定初始状态的环刀试件，环刀内径为61.8mm，高度为20mm，环刀具有一定的刚度，内壁保持较高的光洁度，宜涂一薄层硅脂或聚四氟乙烯。这样得到的试样底面积为30cm²，高2cm。

为对比湿化前后土样抗剪强度变化，将得到的试件进行不同的处理。不做湿化处理的试件有两种试验方法：第一种是将成型后的试件直接进行直剪试验，测定土样的抗剪强度，如编号1、4、7土样；第二种是将成型后的试件放置在本实用新型所提供的装置中，加载至一定荷载(根据模拟的路基层位，该荷载可做适当调整，一般简化为荷载(kPa)为路基高度(m) 的20倍)，并维持一段时间(如24小时)，但不注水湿化，如编号2、5、8、10、12土样。湿化处理的土样则是将成型后的试件放置在本实用新型所提供的装置中中，加载至一定荷载，根据湿化幅度计算所需要的净水质量，称取，用注射吸取后并全部通过注水孔注入到储水透水孔中，维持一段时间(如24小时)，如编号3、6、9、11、13、14、15土样。

表1土样初始状态及湿化幅度

试件湿化的过程如下：

(1)将环刀试样置于密封胶套中；

(2)将步骤(1)所得试样及胶套置于底座的上敞口腔体中，底座上放置干燥滤纸；

(3)在底座上放置固定套筒；

(4)在试样上方放置干燥滤纸，将刚性透水板放置在试样上，将刚性储水透水板放置在刚性透水板上，将固定顶盖放置在刚性储水透水板上；

(5)将连接杆放置在固定顶盖上，在砝码承台上放置砝码，对土样施加荷载，砝码重量计算过程如下：本实例中，垂杆铰接点到固定支架转轴的距离与加载杆到固定支架转轴的距离比值为10:1，试验过程中保证加载杆水平，根据杠杆原理，可计算砝码重力。如若需施加 100kPa荷载，则需在砝码承台上放置重30N的砝码。

(6)根据湿化目标含水率称取一定质量净水，利用注射器通过注水孔注入到储水透水孔中。

(7)装置静置约24小时，土样湿化完成，取出环刀试件进行剪切试验。

试验后测定湿化土样的含水率，基本满足设计预期。

在高速公路建设过程中，为节省社会投资、保护自然环境，可以大量采用花岗岩残积土作为路基填料。由于花岗岩残积土具有良好的保水特性，在南方地区湿热气候环境影响下，施工后的花岗岩残积土路基含水率将有一定波动，并逐渐增加至平衡含水率。根据现场监测得到的数据，花岗岩残积土含水率逐渐由施工时期的20.8％波动至25％左右。大量学者研究显示，花岗岩残积土具有较强的水敏性，含水率的变化对花岗岩残积土工程性质变化有一定的影响。传统试验研究中，通常采用控制成型含水率的方法，分析含水率对土样工程特性的影响，与实际过程中路基土体湿化过程存在较大的差异。由于土体具有应力历史敏感性，这种方法难以反映路基土体工程性质变化。部分学者开展了土体湿化试验的研究，但试验过程中未能较好的控制土体含水率波动和应力状态，试验结果与实际情况也存在一定差异，部分三轴试验中实现了含水率的控制，但该试验方法操作复杂，历时较长且经济成本较高。而本实用新型所提供的装置可以更好地分析路基土体湿化后工程性质的变化，该装置可以模拟路基土体的湿化过程，以进行后续的工程特性演变试验(例如，土样的剪切强度变化实验等)。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种应力可控的路基土体定量湿化装置，其特征在于，包括加载装置(2)和土体湿化装置(1)，所述土体湿化装置(1)包括具有上敞口的腔体的底座(11)，所述底座(11)的腔体内设有竖直延伸的环刀(12)，所述环刀(12)的底部与所述腔体的底面相配合且所述环刀(12)的高度高于腔体的高度，所述环刀(12)的上方自下而上依次设有刚性透水板(13)、刚性储水透水板(14)和固定顶盖(15)，所述加载装置(2)与固定顶盖(15)连接，刚性透水板(13)、刚性储水透水板(14)和固定顶盖(15)形成圆柱体且圆柱体的外径与环刀(12)的内径相配合，所述刚性透水板(13)上设有透水孔(131)，所述刚性储水透水板(14)上设有储水透水孔(141)，所述固定顶盖(15)上设有可开闭的注水孔(151)，所述底座(11)的侧壁向上延伸形成固定套筒(16)，所述底座(11)和/或固定套筒(16)的内壁与环刀(12)之间的空隙填充有弹性密封体(17)。

2.如权利要求1所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述固定顶盖(15)上的注水孔(151)通过胶塞闭合，透水孔(131)的孔径为2-3mm，透水孔(131)的孔隙率为0.25％-1.5％，储水透水孔(141)的孔径为10mm-25mm，储水透水孔(141)的孔隙率为7.8％-49.1％，注水孔(151)的孔径为3-5mm，注水孔(151)的孔隙率为0.7％-2.0％，透水孔(131)的孔径小于储水透水孔(141)的孔径，储水透水孔(141)的孔径大于注水孔(151)的孔径。

3.如权利要求1所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述刚性透水板(13)的下表面和/或所述底座(11)内腔的底面上设有滤纸。

4.如权利要求1所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述固定套筒(16)的内壁与固定顶盖(15)的侧壁相契合。

5.如权利要求1所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述固定套筒(16)的内壁与至少部分的刚性储水透水板(14)的侧壁相契合。

6.如权利要求1所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述加载装置(2)包括加载杆(21)，所述加载杆(21)的固定端与固定支架(22)铰接，所述加载杆(21)上还铰接有垂杆(23)，所述垂杆(23)上设有砝码承台(24)，所述加载杆(21)还通过连接杆(25)与固定顶盖(15)连接。

7.如权利要求6所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述加载杆(21)的自由端铰接有垂杆(23)。

8.如权利要求6所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述加载杆(21)的中部通过连接杆(25)与固定顶盖(15)连接。

9.如权利要求6所述的路基土体定量湿化装置，其特征在于，所述固定支架(22)包括固定基座(221)和位于固定基座(221)上的支撑杆(222)，所述加载杆(21)的固定端与支撑杆(222)铰接。