土體基床係數的測量裝置和測量方法與流程
2023-05-07 04:12:58
本發明涉及地質勘探領域，具體講是一種土體基床係數的測量裝置和測量方法。
背景技術：
可持續發展是我國的基本國策，主要體現在節能、環保、低碳和創新等方面。對於城市建設來說，科學、合理、充分的開發利用地下空間是一個很重要的舉措。要做到地下空間安全經濟有效的開發利用，工程地質勘探提供準確的地質數據是十分關鍵的，其中地層的力學性能指標之一的基床係數是進行地下空間開發利用設計中一個十分重要的參數和依據。
所述的基床係數就是地基土受到應力與相應土體形變量之比，也稱為土體的彈性抗力係數或地基反力係數，用公式表達為K＝P/⊿S。式中K為土層的基床係數(MPa/m)，P為作用在地基上的壓強(MPa)，⊿S為相應地基的沉降量(m)。而當⊿S等於1.25mm時，對應的那個基床係數即K1.25mm為標準基床係數，本申請中所有對基床係數的測量，實質上就是在測量這個標準基床係數。綜上，基床係數是計算結構物(基礎、襯砌、樁等)內力和形變的重要參數，這一參數與地基土的類別、土的狀態、土的物理力學性質、基礎形狀及作用受力情況等因素相關。
現有技術通過土樣的室內土工試驗來測定基床係數的方法主要有三軸法和固結法。三軸法是利用三軸儀進行測量的方法，而三軸儀原本是用來進行三軸試驗的。如圖1所示，三軸儀的具體結構包括支架101，支架101上安裝有升降杆102，升降杆102上固定一個底板103，底板103上安裝有一個用於注水的筒套104，筒套104側壁設有進水口105和排水口106，筒套104上開口設有密封蓋107，密封蓋107的中心孔密封套合有一根頂杆108，頂杆108下端固定有壓板109，頂杆108上端與支架101固定且兩者之間設有壓力傳感器110，而筒套104上設有位移傳感器111。
三軸法的具體步驟為，打開筒套的密封蓋，將瘦高型圓柱土樣用一層防水塑料膜包裹後放入套筒，再安裝好密封蓋，然後驅動升降杆上升，帶動底板將土樣與壓板抵緊，此時為坐標原點，壓力傳感器和位移傳感器都為零，再對套筒內注水，使得液壓對土樣也形成側壓力，然後繼續驅動升降杆上升，隨著升降杆繼續上升壓縮土樣，壓力傳感器和位移傳感器都會顯示讀數，用計算機將兩個傳感器測得的值採集起來並擬合成壓力和形變量的曲線，最後在曲線上找到⊿S為1.25mm的點作為標準採樣點，並找到標準採樣點對應的P值，兩者相除獲得該標準採樣點的基床係數就是標準基床係數K1.25mm。
而固結法則是利用固結儀進行測量的方法，而固結儀原本則是用來做固結試驗的，該方法其實與三軸法大方向上相似，同樣是在固結儀中增設了壓力傳感器和位移傳感器，並採集兩個傳感器的值並擬合成壓力和形變量的曲線，然後同樣選取⊿S為1.25mm的點作為標準採樣點，進而獲得標準基床係數K1.25mm。但固結法的區別主要在於固結儀是通過增加砝碼從上往下逐級施加壓力使得土樣固結穩定後採樣的。
上述現有技術的測量裝置及測量方法存在以下弊端。首先看三軸法，由於三軸儀本身是進行靜壓三軸試驗的，所以為符合試驗需求，其容器和最後壓縮的土樣是瘦長型的，這樣，同樣受壓條件下土體式樣更容易被壓縮變形，這就幹擾了最後測驗的基床係數的準確性；而且，在土樣放入套筒前，需要先包裹防水塑料膜，在包膜過程中可能會對土樣表層產生擾動，同樣影響最後測量結果的精確性；如果為避免擾動乾脆不包膜，又會使得土樣與水混合，同樣會對土體性能產生影響幹擾最後測量結果的精確性。而固結法也存在類似的問題，固結儀本身是為了進行固結試驗的，為滿足試驗需求，固結儀中裝土樣的容器及受壓的土樣是矮粗型的，同樣受壓條件下土體式樣更難壓縮，同樣會干擾最後測量結果的準確性。
況且，無論是三軸法還是固結法都共同存在一個問題，即擬合曲線時，都是將土樣抵緊作為坐標的原點。然而，土樣從土層中取樣以後，會出現壓力釋放和變形回彈現象，即都已經釋放了這部分先期固結應力，而上述兩種方法的坐標原點的確立及標準採樣點的選取均未考慮到去彌補這個先期固結應力，所以最後採集到⊿S自然不準確，進而導致最後獲得的標準基床係數K1.25mm也不準確。
技術實現要素：
本發明要解決的一個技術問題是，提供一種既能有效避免與水接觸且不會對土樣本身造成擾動、而且能有效排除先期固結應力的影響，確保測量結果精確的土體基床係數的測量裝置。
本發明的一個技術解決方案是，提供一種土體基床係數的測量裝置，它包括支架，支架上安裝有一升降杆，升降杆上固定有底板，底板上安裝有套筒，支架還經一個壓力傳感器連接有一根壓杆，底板內置有排水管路，套筒的內壁設有內凹的環形槽，套筒內設有上下開口的橡膠筒，套筒側壁貫穿有進水管和出水管，套筒上端固定有限位環板，限位環板上設有位移傳感器，限位環板的中心孔內配合有壓蓋。
本發明要解決的另一個技術問題是，提供一種既能有效避免與水接觸且不會對土樣本身造成擾動、而且能有效排除先期固結應力的影響，確保測量結果精確的土體基床係數的測量方法。
本發明的另一個技術解決方案是，提供一種土體基床係數的測量方法，其步驟包括：
a、將壓蓋揭開，從進水管對套筒內壁的環形槽與橡膠筒之間的縫隙注水，使得橡膠筒向內鼓起，再從出水管抽水，使得橡膠筒與套筒環形槽縫隙的水壓減小，橡膠筒向外凸起，便於放入土樣；
b、將取土器中取出的第一個圓柱土樣削成方柱土樣，且該方柱的方形截面為該圓柱土樣的圓形截面的內接正方形；然後將方柱削成第二個圓柱土樣，第二個圓柱土樣的圓形截面為方柱土樣方形截面的內切圓；且第二個圓柱土樣的直徑與高度相等；
c、在橡膠筒內鋪設一層排水墊層，將第二個圓柱土樣放在排水墊層上，且在圓柱土樣頂部再鋪設一層排水墊層，再用壓蓋蓋住，然後再次從進水管對套筒內壁的環形槽與橡膠筒之間的縫隙注水，使得橡膠筒與土樣完全貼合；
d、驅動升降杆上升，使得壓蓋與壓杆下端抵靠，此刻，為坐標原點，壓力傳感器和位移傳感器都為零；
e、然後繼續驅動升降杆上升，隨著升降杆繼續上升壓縮土樣，壓力傳感器和位移傳感器都會顯示讀數，用計算機將兩個傳感器測得的讀數採集起來並擬合成壓力和形變量的曲線；
f、在曲線上修正出標準採樣點，並用該標準採樣點對應的P值除以該標準採樣點對應的⊿S，獲得該標準採樣點的標準基床係數。
本發明土體基床係數的測量裝置及測量方法與現有技術相比，具有以下優點和效果。
首先，由於該測量裝置是專門針對測量基床係數設計的，所以其容納土樣的容器不再像三軸儀或者固結儀一樣受到三軸試驗或固結試驗的限制，故能將容器及土樣設置成高徑比1比1，這樣，即不像三軸法那麼高瘦，也不像固結法那麼矮胖，受壓后土樣形變量合理，確保最後測量結果的精確。其次，該裝置將隔水的橡膠筒設置在套筒內，且在套筒內壁設內凹的環形槽，通過往兩者間縫隙先注滿水，然後抽水，使得橡膠筒的筒壁向外凸，便於土樣放入，並在土樣放入後再次注水，使得橡膠筒與土樣貼緊壓實，既保證了對土樣提供側壓力，又便捷了土樣的放入過程，且不會對土樣造成擾動和破壞，進一步保障測量結果的精確性。而且，製作土樣時，先將第一圓柱土樣削成內接方柱，再將內接方柱削成內切圓柱，這樣儘可能的獲得了橫截面最大的土樣，增大了土樣受壓時的受力面積，進一步提高最後測量結果的精確性。況且，上述測量方法中的標準採樣點不再是⊿S為1.25mm的點，而是修正出新的標準採樣點，這樣，就充分考慮到土體取樣後壓力釋放和變形回彈的現象，彌補了先期固結應力，確保最後測量出的標準基床係數的準確性。
作為改進，步驟f中修正出標準採樣點是指，在壓力和形變量的曲線上找到⊿S值為1.25mm+γh的點F作為標準採樣點；式中，γ為土樣的密度，h為土樣採集的深度。上述修正方式是一種預估法，就是根據土樣的取樣深度，乘以土體密度，獲得的就是土體取樣後釋放的先期固結應力的大小，最後加上1.25mm，獲得的就是排除先期固結應力幹擾後的標準採樣點的標準基床係數。
作為優選，步驟f中修正出標準採樣點是指，重新擬合出一條以壓力的變量LgP為橫標而⊿S為豎標的曲線，再在壓力變量和形變量的曲線上找到曲率半徑Rmin最小的一個點O，再過O點做水平線OA和切線OB，然後做出角∠AOB的平分線OD，壓力變量和形變量的曲線發展到最後會化為一條直線，反向延長該直線使得該直線與平分線OD相交於點E，而從點E做一條豎線，該豎線與壓力變量和形變量的曲線存在一個交點F，交點F對應的⊿S值就是標準採樣點的⊿S值，最後將該⊿S值重新帶入壓力和形變量的曲線，進而獲得修正後的標準採樣點。該方法能找到更精確的修正先期固結應力後的標準採樣點，進而獲取更精準的標準基床係數。
附圖說明
圖1是現有技術的土體基床係數的測量裝置(三軸儀)的正剖視結構示意圖。
圖2是本發明土體基床係數的測量裝置的正剖視結構示意圖。
圖3是在本發明土體基床係數的測量方法擬合出的壓力和形變量的曲線上修正標準採樣點的第一種方式的示意圖。
圖4是在本發明土體基床係數的測量方法擬合出的壓力變量和形變量的曲線上修正標準採樣點的第二種方式的示意圖。
圖中所示
現有技術的連接結構的零部件 101、支架，102、升降杆，103、底板，104、筒套，105、進水口，106、排水口，107、密封蓋，108、頂杆，109、壓板，110、壓力傳感器，111、位移傳感器；
本發明連接結構的零部件 1、支架，2、升降杆，3、底板，4、套筒，5、壓力傳感器，6、壓杆，7、排水管路，8、環形槽，9、橡膠筒，10、進水管，11、出水管，12、限位環板，13、位移傳感器，14、壓蓋，15、排水墊層。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
如圖2所示，本發明土體基床係數的測量裝置，它包括支架1，支架1上安裝有一升降杆2，具體的說，升降杆2上設有電動機驅動的滾珠絲槓副的升降裝置，電動機啟動能帶動升降杆2升降。升降杆2上固定有底板3，底板3內置有排水管路7，能排出土樣受壓後的水分。
底板3上安裝有套筒4，套筒4的內壁設有內凹的環形槽8，套筒4內設有上下開口的橡膠筒9。套筒4側壁貫穿有進水管10和出水管11，兩水管均與橡膠筒9外壁和套筒4內壁環形槽8之間的縫隙連通。套筒4上端固定有限位環板12，限位環板12上設有位移傳感器13。限位環板12的中心孔內配合有壓蓋14，壓蓋14與限位環板12中心孔套合且密封。支架1還經一個壓力傳感器5連接有一根壓杆6。
如圖2、圖3、圖4所示，基於本發明的土體基床係數的測量裝置的土體基床係數的測量方法，其步驟如下。
a、將壓蓋14揭開，從進水管10對套筒4內壁的環形槽8與橡膠筒9之間的縫隙注水，使得橡膠筒9向內鼓起，再用針筒從出水管11抽水，使得橡膠筒9與套筒4環形槽8縫隙的水壓減小，橡膠筒9向外凸起，便於放入土樣。
b、將取土器中取出的第一個圓柱土樣削成方柱土樣，且該方柱的方形截面為該圓柱土樣的圓形截面的內接正方形；然後將方柱土樣削成第二個圓柱土樣，第二個圓柱土樣的圓形截面為方柱土樣方形截面的內切圓；且第二個圓柱土樣的直徑與高度相等。
c、在橡膠筒9內鋪設一層排水墊層15，將第二個圓柱土樣放在排水墊層15上，且在圓柱土樣頂部再鋪設一層排水墊層15，再用壓蓋14蓋住，然後再次從進水管10對套筒4內壁的環形槽8與橡膠筒9之間的縫隙注水，使得橡膠筒9向內凸起與土樣完全貼合。
d、驅動升降杆2上升，經底板3帶動土樣上升，進而使得壓蓋14與壓杆6下端抵靠，此刻，為坐標原點，壓力傳感器5和位移傳感器13都為零。
e、然後繼續驅動升降杆2上升，隨著升降杆2繼續上升壓縮土樣，壓力傳感器5和位移傳感器13都會顯示讀數，用計算機將兩個傳感器測得的讀數採集起來並擬合成壓力和形變量的曲線；該曲線中，P值為橫標，而⊿S為縱標。
f、在曲線上修正出標準採樣點，並用該標準採樣點對應的P值除以該標準採樣點對應的⊿S，獲得該標準採樣點的標準基床係數。
該步驟中修正出標準採樣點的方法有兩種。
一是如圖3所示在壓力和形變量的曲線上找到⊿S值為1.25mm+γh的點F作為標準採樣點。式中，γ為土樣的密度，單位是kg/m3，h為土樣採集的深度，單位是m。
二是如圖4所示，重新擬合出一條以壓力的變量LgP為橫標而⊿S為豎標的曲線，再在壓力變量和形變量的曲線上找到曲率半徑Rmin最小的一個點O，再過O點做水平線OA和切線OB，然後做出角∠AOB的平分線OD，壓力變量和形變量的曲線發展到最後會化為一條直線，反向延長該直線使得該直線與平分線OD相交於點E，而從點E做一條豎線，該豎線與壓力變量和形變量的曲線存在一個交點F，交點F對應的⊿S值就是標準採樣點的⊿S值，最後將該⊿S值重新帶入壓力和形變量的曲線，進而獲得修正後的標準採樣點。