一種土體有荷膨脹試驗用環刀的製作方法

2023-05-17 08:57:11

本實用新型公開了一種土體有荷膨脹試驗用環刀；特別是指一種具有開合功能的環刀，以消除土樣靜壓制樣產生的超固結水平應力。屬於公路膨脹土土工試驗技術領域。

背景技術：

膨脹土富含膨脹性粘土礦物，具有顯著的遇水膨脹軟化、失水收縮開裂特性。隨著我國經濟的高速發展，對基礎設施的投入比重越來越大，越來越多的公路將穿越膨脹土分布區。膨脹土地區公路建設中，支擋結構物後的膨脹土體在降雨入滲和大氣作用下含水率會逐漸升高發生增溼膨脹，膨脹潛勢的釋放將產生一定的膨脹力。膨脹力包括豎向膨脹力和側向膨脹力，其中側向膨脹力對支擋結構的穩定性有著顯著影響。

公路土工試驗規程(JTG E40-2007)中膨脹力的試驗方法，是採用環刀取原狀土或靜壓製備重塑土環刀樣，然後進行膨脹力的試驗，在試樣浸水產生一定膨脹量後，採用增加筒中砂的質量的方法將試樣壓回原高度，膨脹一點就加砂壓回去一點，以試樣不再產生膨脹量時的筒中砂質量作為膨脹力。該方法測得的實際是豎向膨脹力而未考慮側向膨脹力。造成在邊坡支擋結構設計中，以豎向膨脹力等同於側向膨脹力進行設計，造成與實際工況受力情況存在巨大誤差，增加了工程的造價。

為解決現有膨脹力的試驗方法存在的不足，國內外學者對膨脹力的測試方法開展了一些研究，歸結起來有膨脹反壓法、加壓膨脹法、平衡加壓法及等體積加壓法4種。

膨脹反壓法是使試樣充分吸水自由膨脹穩定後再施加荷載使其恢復到初始體積。加壓膨脹法是通過一系列壓力-膨脹量對應關係曲線確定膨脹力，分為多試樣法和單試樣法。平衡加壓法是在試樣吸水開始膨脹時，逐步施加荷載維持體積不變。等體積法是將膨脹土放置在剛性容器內，通過測試容器壁受力確定膨脹力，多用於模型試驗，要求模型有足夠剛度在膨脹力作用下不產生變形。

其中前三種都是使試樣先發生溼化膨脹變形，再施加荷載將試樣壓回原始體積或高度，該荷載即為膨脹力。但是施荷壓縮土體是一種固結過程，固結是土體壓縮、去水而逐漸密實的物理過程，而膨脹是晶格擴張的化學過程和粒間結合水膜增厚的過程，因此該膨脹力實際為固結力而非膨脹力，且是豎向作用力而非側向。

等體積法完全限定了試樣的體積，加水使其膨脹進行膨脹力的測定，而對於實際膨脹土邊坡來說，它的吸水膨脹是一個無側限的過程，因此該方法並不符合實際工況。

此外還有一些模型裝置，通過在模型箱的箱壁上設有多個壓力傳感器，分設於不同深度位置的用於測量膨脹土側向膨脹力；以及採用伺服加載裝置，當土樣發生膨脹時，伺服裝置自動加壓使土樣壓回原始體積。但是模型箱存在模型製作困難、試驗耗時費力等問題，伺服裝置同樣對土樣施加了側限，不符合實際工況，還存在著造價昂貴的問題。

造成上述問題的原因主要是現有土體有荷膨脹試驗用環刀是固定結構，而靜壓制樣的過程中，試樣內部土體在壓制過程中，必然會產生超固結效應，而形成超固結水平應力，這部分應力蓄積在試樣中，而現有技術所涉及的測試膨脹力的裝置和方法均未考慮消除制樣過程中產生的超固結水平應力，導致測得的側向膨脹力與實際工況受力情況存在巨大誤差。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服現有技術的不足和缺陷，而提供一種結構簡單合理、操作方便、可以完全消除試樣初始超固結水平應力的土體有荷膨脹試驗用環刀。

發明人經過研究，發現採用公路土工試驗規程(JTG E40-2007)中膨脹力的試驗方法進行膨脹力試驗，在靜壓制樣的過程中，試樣內部會產生超固結效應，在試驗的過程中，通過在土樣和環刀內壁間貼合薄膜壓力傳感器，監測到試樣(ω0＝22％,ρd＝1.60g/cm3)成型後的側向力達到了287.24kPa，隨著試樣吸水膨脹，側向膨脹力將逐漸增大，超固結效應將緩慢釋放，監測的側向力為兩者的合力，無法實現剝離。因此本實用新型設計了帶凹槽和可釋放超固結效應的帶箍環的環刀，一方面在貼合薄膜壓力傳感器時，確保貼合了傳感器一側土樣整體密度的均勻性；另一方面可釋放制樣過程產生的超固結效應，確保試驗時傳感器所測壓力增量即為側向膨脹力。此外，本實用新型還可得到在不同上覆荷載作用下的側向膨脹力，進一步可得到沿深度的側向膨脹力變化情況，為支擋結構設計提供有力的數據。

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，所述環刀為開口環，在環刀開口位置的外壁上設有開口調節裝置，所述開口調節裝置用於調節開口的大小；在環刀的內壁設有供容置壓力傳感器的凹槽；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，環刀的開口處為搭接結構；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，開口調節裝置由分別設置於環刀開口兩側外壁上的螺母與旋裝於兩個螺母中的螺杆構成；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，開口調節裝置為卡箍或卡環，所述卡箍或卡環上設有螺杆、螺母調節卡箍或卡環的直徑大小；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，容置壓力傳感器的凹槽沿環刀軸向設置在環刀內壁；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環刀，凹槽的深度與壓力傳感器厚度匹配；

使用本實用新型進行土體側向膨脹力測量的方法，按下述步驟：

第一步：試樣製備

取設定含水率的土樣，將標定後的壓力傳感器與外設壓力實時採集裝置連接好，記錄壓力傳感器初始讀數；然後，將壓力傳感器貼裝在環刀的凹槽中，按公路土工試驗規程(JTG E40-2007)要求，靜壓制樣；試樣壓制密度及含水率按工程中待測土體的實際幹密度和含水率確定；

第二步：試樣超固結水平應力釋放

制樣完成後，調節開口調節裝置，使環刀開口張開，消除靜壓制樣時試樣中的土樣產生的超固結效應，觀察實時採集系統中顯示的壓力傳感器讀數，待壓力實時採集裝置的讀數回復到壓力傳感器初始讀數時，調節開口調節裝置，使環刀開口閉合；調節環刀開口閉合過程中，控制壓力實時採集裝置的讀數與壓力傳感器初始讀數之差小於等於5kPa；環刀開口閉合時，確保壓力實時採集裝置的讀數與壓力傳感器初始讀數之差小於等於2kPa，得到無超固結水平應力的試樣；

第三步：測量

將無超固結水平應力的試樣放置於有荷膨脹試驗裝置中，試樣上、下各放置一塊透水石，按有荷膨脹試驗規程對試樣施加預定載荷並進行試驗，實時記錄壓力傳感器上的壓力；每隔2h查看壓力瞬時值，當相鄰兩次壓力瞬時值的差小於等於1kPa時，結束測量，保存監測數據並作出側向膨脹力的時程曲線，曲線的峰值即為試樣的側向膨脹力。

本實用新型採用上述結構，利用有荷膨脹試驗裝置測定膨脹土在側向變形完全限制和上覆荷載作用條件下的側向膨脹力，為膨脹土地區結構物設計提供重要參數。採用特製環刀可調節開閉且具有凹槽，一方面可釋放靜壓制樣過程中產生的超固結效應，另一方面可使試樣的體積不因薄膜傳感器的增加而發生改變，從而保證制樣的質量和良好的初始狀態。實現對土樣增溼膨脹時，側向膨脹力的精確量測。本實用新型的主要特點在於可以消除靜壓制樣過程中產生的超固結水平應力，嚴格控制試樣的初始狀態。

本實用新型的優點是：

1.採用可鬆緊式環刀，徹底消除了靜壓制樣產生的超固結水平側壓力對測試的顯著影響，使得結果更為精確。由於採用上述試驗方法及裝置，使得薄膜壓力傳感器緊密貼合於環刀樣中，保證了試樣的體積與規範環刀樣一致；在制樣完成後稍稍調松調節螺絲，使得特製環刀微微張開而釋放超固結應力，對從而對壓力傳感器進行了調零，保證了試驗時的壓力增長量即為側向膨脹力的增量。

2.試驗測試完全保持側向不發生變形，豎向則可在指定的上覆壓力下發生有荷膨脹，使試驗條件與工程中的實際工況一致，結果更為可靠。本實用新型提出的一種土體側向膨脹力試驗方法，可以消除靜壓制樣時產生的初始水平應力，嚴格控制試樣的初始應力狀態；能保證膨脹土試樣的側向膨脹力試驗是在確定的初始狀態下進行，沒有完全限制膨脹土的豎向膨脹；通過將不同深度膨脹土的上覆土重換算成相應的砝碼重量，得到膨脹土在一定上覆荷載下的側向膨脹力，能很好的模擬膨脹土邊坡在實際狀況下不同深度處的側向膨脹力變化情況。

3.本實用新型裝置結構簡單合理、實施方便，廉價實用。相對於現有開發的大尺寸側向膨脹力試驗裝置，本實用新型的試驗尺寸與常規試驗試樣尺寸一致，且能在較短時間使膨脹土試樣吸水飽和，達到側向膨脹力穩定。時間由原來的一個星期縮短為一天半左右。側向膨脹力和豎向膨脹變形全部自動化監測，無需試驗人員全程值守。裝置價格是大型膨脹力測試裝置的三分之一。

綜上所述，本實用新型結構簡單合理、操作方便、造價經濟，解決了本領域長期以來希望精確評價膨脹土邊坡在增溼膨脹後的膨脹力可靠性的問題，從而可以簡便、準確地測量側向膨脹力，為膨脹土地區公路、鐵路、水利、建築工程結構物設計提供了重要設計參數，裝置簡單實用，適於在工程上進行推廣應用。

附圖說明

附圖1為環刀示意圖。

附圖2為環刀外圍環箍示意圖。

附圖3為護刀示意圖。

附圖4為實施例2與對比例1(常規膨脹力試驗)中不同試驗方法得到的膨脹力對比。

附圖5為本實用新型試驗裝置結構示意圖。

附圖中：

附圖1為本實用新型特製的環刀示意圖，特製環刀內徑為61.8mm，高度為20mm，側壁厚度3mm，並在一側預留20mm*20mm*1mm的凹槽。在另一側進行切割開口，使之成為一部分厚度為2mm、一部分厚度為1mm的搭接嵌鎖結構。

附圖2是特製環刀外圍環箍的示意圖。特製環刀外壁上套有一圈鋼製箍環，在箍環上設置有調節螺絲用於調節箍環的尺寸，從而實現對特製環刀開口張閉的控制，進而釋放靜壓制樣產生的超固結效應。

附圖3是與特製環刀配套使用的護刀示意圖。內徑為61.8mm，外徑為69.8mm，高度為16mm，所述護刀在與環刀貼合時的環形凹槽高度為3mm，寬度為2mm，在與環刀凹槽貼合的一側預留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便於薄膜壓力傳感器的放置。

由附圖4可知，在相同的試驗土樣及試驗條件下，對比例1常規膨脹力試驗所測得的曲線2，豎向膨脹力為214.1kPa，本實用新型實施例2側向膨脹力試驗得到的曲線1的側向膨脹力為68.4kPa，僅為對比例1常規試驗方法測得豎向膨脹力的31.9％。常規方法中把所測得的豎向膨脹力作為側向膨脹力來進行邊坡支擋結構設計，所以對比例1是完全按照規範來測試的，只測了豎向膨脹力，沒有測側向膨脹力。

附圖5中，1—容器，2—透水石，3—定位環，4—試樣(由環刀+土樣構成，環刀內徑為61.8mm)，5—蓋板，6—套環。

具體實施方式

本實用新型的具體結構，通過具體實施例進行詳細說明：

實施例1：

參見附圖1、2、3，一種土體有荷膨脹試驗用環刀，所述環刀為開口環，在環刀開口位置的外壁上設有開口調節裝置，所述開口調節裝置用於調節開口的大小；在環刀的內壁沿環刀軸向設有供容置壓力傳感器的凹槽；環刀的開口處為搭接結構；環刀開口調節裝置為卡箍，所述卡箍上設有螺杆、螺母調節卡箍的直徑大小；

本實施例中，凹槽的深度與壓力傳感器厚度匹配；

環刀內徑為61.8mm，高度為20mm，側壁厚度3mm，並在一側預留20mm*20mm*1mm的凹槽，另一側進行切割開口，使之成為一部分厚度為2mm、一部分厚度為1mm的搭接嵌鎖結構。

外壁上套有一圈鋼製箍環，在箍環上設置有調節螺絲用於調節箍環的尺寸，從而實現對特製環刀開口張閉的控制，進而釋放靜壓制樣產生的超固結效應。所述護刀內徑為61.8mm，外徑為69.8mm，高度為16mm，所述護刀在與環刀貼合時的環形凹槽高度為3mm，寬度為2mm，在與環刀凹槽貼合的一側預留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便於薄膜壓力傳感器的放置。所述底座內徑為67.8mm，外徑為81.8mm，所述底座分為上下兩個部分，分別對應內徑和外徑，上底座高度為8mm，下底座高度為4mm。

實施例2：

在廣西百色高速公路現場採集膨脹土原狀土樣和擾動土樣，進行基本物理性質指標和工程性質試驗。室內試驗結果表明：百色高速公路膨脹土土樣的塑性指數為33.5％，自由膨脹率為63％。根據公路現行膨脹土判別分類標準，所取土樣為中等膨脹土。採用本實用新型一種土體側向膨脹力試驗方法，對廣西膨脹土進行試樣製備並進行側向膨脹力試驗，具體實施步驟如下：

配置含水率為ω＝17.6％的膨脹土土樣。取1個特製環刀(含箍環)，稱重並記錄，在環刀凹槽中貼合已經標定後的薄膜壓力傳感器，採用靜壓制樣的方法製取擾動土試件，控制其初始幹密度為1.69g/cm3，保證試件表面光滑整齊、初始高度為20mm。

靜壓完成後讀取一次薄膜壓力傳感器數值，此時Ph0＝551.9kPa,然後將試樣從強度儀上拿下來，超固結效應發生釋放，穩定後讀數Ph1＝54.1kPa，說明在靜壓過程中產生的超固結效應還沒得到完全釋放，故調松螺絲使環刀稍稍張開，完成超固結應力的卸荷，然後再緩慢調緊螺絲使環刀閉合，保證試驗前傳感器讀數為其初始讀數。連同特製環刀、試樣和箍環再一次稱重，精確至0.01g，得到土樣質量。

制樣完成後，按從上到下為護刀、特製環刀和底座的順序連接好，在特製環刀和護刀連接時，注意將薄膜壓力傳感器置於兩者的凹槽間，使其不發生彎折而造成損壞。然後，將整套設備底部置於土體側向膨脹力試驗裝置中的普通固結盒裡大護環內的底板上，放置透水石和濾紙，上部同樣覆蓋濾紙和透水石，再放下加壓活塞，採用水準儀調平槓桿平衡系統，再施加1-2kPa的壓力，使儀器各部分密切接觸，將薄膜壓力傳感器導線段通過數據採集儀與電腦連接。所述土體側向膨脹力試驗裝置結構見附圖5；

打開數據採集軟體設置採樣頻率1Hz，採樣時間2d，開始實時監測側向膨脹力。通過槓桿系統和加壓活塞對試樣施加設定載荷P＝50kPa，並開啟電子百分表進行豎向膨脹率的量測，通過電腦採集軟體可實現自動採集。向固結儀中注水，並始終保持水面超過試樣上表面5-8mm，使試樣自下而上浸水。

試驗完成後，保存數據並導出，取下試樣稱重並烘乾，清理場地。試驗過程中的膨脹力和膨脹量時程曲線如圖4中曲線1所示。側向膨脹力峰值為68.4kPa，穩定後的側向膨脹力為34.6kPa，豎向膨脹率為4.94％。

對比例1：

取實施例2相同狀態的土樣，通過靜壓制樣的方法製備1個環刀試件，初始幹密度控制為1.69g/cm3。按照現行公路土工試驗規程(JTG E40-2007)中的膨脹力試驗方法得到試樣在該含水率和幹密度狀態下的膨脹力，按規範的規定進行讀數，然後按公式計算膨脹力。膨脹力隨時間的變化如圖4曲線2所示，穩定後的讀數為214.1kPa。

在相同的試驗土樣及試驗條件下，對比例1常規膨脹力試驗所測得的曲線2，豎向膨脹力為214.1kPa，本實用新型實施例2側向膨脹力試驗得到的曲線1的側向膨脹力為68.4kPa，僅為對比例1常規試驗方法測得豎向膨脹力的31.9％。常規方法中把所測得的豎向膨脹力作為側向膨脹力來進行邊坡支擋結構設計，所以對比例1是完全按照規範來測試的，只測了豎向膨脹力，沒有測側向膨脹力。由此可見由本實用新型提出的土體有荷膨脹試驗用環刀測得的有荷側向膨脹力比常規試驗方法測量得到的小得多且更接近實際工況中的側向膨脹力，目前的設計方法偏於保守了。