CN113686259B - 一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，包括试验底座，试验底座内设空腔，试验底座顶面设置有刚性土样容器，试验底座顶面还设置有透水石，刚性土样容器内侧壁设置有不透水乳胶袋，不透水乳胶袋通过直通螺纹接头和通水管与体积压力控制器连接，体积压力控制器与数据采集处理器连接，刚性土样容器上方设置有激光位移计，本发明还公开了一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，本发明更全面真实的反映土体处于复杂围压状态下的膨胀收缩过程及胀缩规律。

Description

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法及装置

技术领域

本发明涉及土力学、岩土工程、环境科学等领域，具体涉及一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，还涉及一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，适用但不限于测试各种类型的膨胀土、膨润土、红黏土、换填土等在不同围压控制条件下吸湿或脱湿过程中胀缩变形。

背景技术

首先，传统测量土体胀缩变形的方法往往忽略土体所处的实际工程条件，从而开展常规条件下没有围压控制的土体胀缩变形量测，该方法所测得的土体胀缩变形与实际工况下的土体胀缩变形有一定偏差。其次，由于实际土体埋深、工程条件等的变化，土体往往处于围压分布不均匀的状态，因此在测量土体因吸湿或脱湿发成胀缩变形时，要考虑围压分布对于实际测量结果造成的影响。第三，由于土体发生吸湿或脱湿是一个动态过程，因此对于该形变过程进行连续的监测更能反映土体真实的胀缩过程。因此，本发明拟在传统的土体胀缩变形量测基础上进行改进，并提出一种精确度更高，获取信息更全面，更符合实际工况的围压控制下的土体胀缩量测方法及装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的测量土体膨胀收缩的常规方法难以反映土体真实的围压状态，针对该问题提供一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，还涉及一套量测不同围压控制条件下的土体胀缩测量装置。可以测量处于不同围压状态下的土体线膨胀率、体积膨胀率、线收缩率、体积收缩率，同时还可以获得土体膨胀收缩系数随时间的连续变化规律。结构设计简单、操作方便、实用性强，可以获取复杂围压状态下的土体胀缩变化规律，在膨胀土、膨润土、结构性黏土的土力学性质方面有广泛应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，包括试验底座，试验底座内设空腔，试验底座顶面设置有上下敞口的刚性土样容器，试验底座顶面位于刚性土样容器下方的位置设置有透水石，刚性土样容器内侧壁设置有不透水乳胶袋，刚性土样容器侧壁固定有直通螺纹接头，不透水乳胶袋通过直通螺纹接头与通水管一端连接，通水管另一端与体积压力控制器连接，体积压力控制器与数据采集处理器连接，刚性土样容器上方设置有激光位移计，激光位移计通过固定支架设置在试验底座上。

如上所述的刚性土样容器为从下至上叠放的多个，各个刚性土样容器之间通过法兰盘和紧固螺栓连接。

如上所述的不透水乳胶袋上设置有固定沿，不透水乳胶袋的固定沿被穿过刚性土样容器上的法兰盘的紧固螺栓固定在法兰盘上。

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，包括以下步骤：

步骤一、将试验土样放置于已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体实际工况通过体积压力控制器设置不透水乳胶袋的围压值K₀；

步骤二、开展吸湿膨胀试验，不透水乳胶袋中维持围压值K₀，体积压力控制器记录不透水乳胶袋内液态水的体积变化Δq，激光位移计记录试验土体高度变化值Δh；

步骤三、根据以下公式计算线膨胀率和体积膨胀率：

线膨胀率

体积膨胀率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，包括以下步骤：

步骤一、将试验土样放置于已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体实际工况通过体积压力控制器设置不透水乳胶袋的围压值K₀；

步骤二、开展脱湿收缩试验，在这个过程中，不透水乳胶袋中维持围压值K₀，体积压力控制器记录不透水乳胶袋内液态水的体积变化Δq′，激光位移计记录土体高度变化值Δh′；

步骤三、根据以下公式计算线收缩率和体积收缩率：

公式线收缩率

体积收缩率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，包括以下步骤：

步骤一、将各层的试验土样放置于对应层已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体不同层的实际工况分别通过体积压力控制器设置不同层的不透水乳胶垫的围压值K₀,K₁,....K_n；下标0～n对应的是不同层的序号，

步骤二、开展吸湿膨胀试验或脱湿收缩试验，在这个过程中，不同层的不透水乳胶袋中维持设定的围压值K₀,K₁,....K_n，每台体积压力控制器记录对应的不透水乳胶袋内液态水的体积变化Δq₀,Δq₁,...Δq_n，激光位移计记录试验土体高度变化值Δh；

步骤三、根据以下公式计算线膨胀率和体积膨胀率：

公式线膨胀率

体积膨胀率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，包括以下步骤：

步骤一、将各层的试验土样放置于对应层已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体不同层的实际工况分别通过体积压力控制器设置不同层的不透水乳胶垫的围压值K₀,K₁,....K_n；下标0～n对应的是不同层的序号，

步骤二、开展脱湿收缩试验，每台体积压力控制器记录对应的不透水乳胶袋内的液态水的体积变化Δq′₀,Δq′₁,...Δq′_n，激光位移计记录土体高度变化值Δh′；

步骤三、根据以下公式计算线收缩率和体积收缩率：

公式线收缩率

体积收缩率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

基于现有的土体胀缩测量方式主要考虑了土体在没有外界约束或者只有一种围压条件下的土体膨胀收缩情况，没有考虑到土体受埋深、工程条件的影响而处于围压分布不均匀时土体胀缩特性，本发明为克服以上局限性，首先根据实际工况对所要研究的土层进行划分，根据围压变化情况设置不同的围压值，然后将设置好围压值的试验装置放置于相应的工况下开展膨胀收缩试验，通过体积压力控制器和垂直方向的激光位移计获取试验土样在不同围压控制条件下的体积和高度变化值，上述获取的体积变化值和高度变化值计算得到试验土样在不同围压控制条件下的胀缩体变规律。本发明有效全面的反映土体处于复杂围压下发生吸湿或脱湿作用时的胀缩变化情况，为土力学的研究提供一种新思路，在特殊土的物理力学性质研究中有一定的理论指导意义。

附图说明

图1是一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置的结构示意图；

图2是的当土体处于围压分布不均匀时的土体胀缩量测装置的实施方式结构示意图。

图中：1-土样，2-激光位移计，3-固定支架，4-不透水乳胶袋，5-刚性土样容器，6-紧固螺纹，7-法兰盘，8-直通螺纹接头，9-体积压力控制器，10-透水石，11-液态水，12-试验底座，13-通水管，14-数据采集处理器，15-数据传输线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，包括试验底座12，试验底座12内设空腔，试验底座12顶面设置有上下敞口的刚性土样容器5，试验底座12顶面位于刚性土样容器5下方的位置设置有透水石10，刚性土样容器5通过透水石与试验底座12内的空腔连通，刚性土样容器5内侧壁设置有不透水乳胶袋4，优选的，刚性土样容器5内壁为圆筒状，不透水乳胶袋4整体呈圆筒状，刚性土样容器5侧壁固定有直通螺纹接头8，不透水乳胶袋4通过直通螺纹接头8与通水管13一端连接，通水管13另一端与体积压力控制器9连接，体积压力控制器9与数据采集处理器14连接，刚性土样容器5上方设置有激光位移计2，激光位移计2通过固定支架3设置在试验底座12上。

体积压力控制器9可以实现不透水乳胶袋4内的水保持在设定的围压值，当不透水乳胶袋4内的水压力超过上述设定围压值时，水会回流到体积压力控制器9内并被测量回流水体积，当不透水乳胶袋4内的水压力低于上述设定围压值时，体积压力控制器9会将水持续泵入到不透水乳胶袋4内，直至不透水乳胶袋4内水压维持在设定围压值。

实现上述功能的体积压力控制器为现有装置，型号可以选西安康拓力仪器设备有限公司型号为KTL-VPC的体积压力控制器(最大体积200ml，最大压力2MPa)。

如图1-2所示，刚性土样容器5为从下至上叠放的多个，各个刚性土样容器5之间通过法兰盘7和紧固螺栓6连接。各个刚性土样容器5内侧壁均设置有不透水乳胶袋4，各个刚性土样容器5侧壁均固定有直通螺纹接头8，各个不透水乳胶袋4均通过对应的直通螺纹接头8与对应的通水管13一端连接，通水管13另一端与对应的体积压力控制器9连接，各个体积压力控制器9均与数据采集处理器14连接。

各个刚性土样容器5内设的不透水乳胶袋4上设置有固定沿，不透水乳胶袋4的固定沿被穿过刚性土样容器5上的法兰盘7的紧固螺栓6固定在法兰盘7上。

实施例2：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，利用实施例1所述的一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，刚性土样容器为单个，试验土体处于围压均匀分布环境时，测量土体处于吸湿膨胀过程中土体线膨胀率和体积膨胀率，具体包括步骤如下：

步骤一、将试验土样放置于已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体实际工况通过体积压力控制器设置不透水乳胶袋的围压值K₀；

步骤二、开展吸湿膨胀试验，在这个过程中，不透水乳胶袋中维持围压值K₀，体积压力控制器记录因土体吸湿膨胀变形而发生的从不透水乳胶袋向体积压力控制器流出的液态水的体积变化Δq，激光位移计记录试验土体高度变化值Δh；

步骤三、记录体积变化Δq和高度变化值Δh，根据以下公式计算线膨胀率和体积膨胀率：

线膨胀率

体积膨胀率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

得到试验土体在均匀分布围压控制条件下的线膨胀率和体积膨胀率，此外，由于体积压力控制器和激光位移计通过数据采集处理器可以连续的采集不同时刻的液态水体积变化值和土体高度变化值，因此得到随时间连续变化的体积变化值Δq和高度变化值Δh，得到在围压均匀分布时的土体吸湿膨胀随时间变化规律。

实施例3：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，利用实施例1所述的一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，刚性土样容器为单个，试验土体处于围压均匀分布环境时，测量土体处于脱湿收缩过程中土体线收缩率和体积收缩率，包括以下步骤：

步骤一、将试验土样放置于已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，据土体实际工况通过体积压力控制器设置不透水乳胶袋的围压值K₀；

步骤二、开展脱湿收缩试验，在这个过程中，不透水乳胶袋中维持围压值K₀，体积压力控制器记录因土体脱湿收缩变形而发生的从体积压力控制器流向不透水乳胶袋的液态水的体积变化Δq′，激光位移计记录土体高度变化值Δh′；

步骤三、记录体积变化Δq′和土体高度变化值Δh′，根据以下公式计算线收缩率和体积收缩率：

公式线收缩率

体积收缩率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

得到试验土体在均匀分布围压控制条件下的线收缩率和体积收缩率，此外，由于体积压力控制器和激光位移计通过数据采集处理器可以连续的采集不同时刻的液态水体积变化值和土体高度变化值，因此获得随时间连续变化的体积变化值Δq′和高度变化值Δh′，得到在围压均匀分布时的试验土体脱湿收缩随时间变化规律。

实施例4：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，利用实施例1所述的一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，刚性土样容器5为多个，测量土体处于吸湿膨胀过程中土体线膨胀率和体积膨胀率，此时，根据土体所处围压状态对试验土体进行分层，并相应的增加多组刚性土样容器、法兰盘、不透水乳胶袋、体积压力控制器等(如图2所示)，根据实施例1所述的试验方法及操作步骤如下：

步骤一、将各层的试验土样放置于对应层已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体不同层的实际工况分别通过体积压力控制器设置不同层的不透水乳胶垫的围压值K₀,K₁,....K_n；上述下标0～n对应的是不同层的序号。

步骤二、开展吸湿膨胀试验，在这个过程中，不同层的不透水乳胶袋中维持设定的围压值K₀,K₁,....K_n，每台体积压力控制器记录对应层因土体吸湿膨胀变形而发生的从不透水乳胶袋向体积压力控制器流出的液态水的体积变化Δq₀,Δq₁,...Δq_n，激光位移计记录试验土体高度变化值Δh；

步骤三、记录液态水的体积变化Δq₀,Δq₁,...Δq_n和试验土体高度变化值Δh，根据以下公式计算线膨胀率和体积膨胀率：

公式线膨胀率

体积膨胀率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

得到试验土体在不均匀分布围压控制条件下的线膨胀率和体积膨胀率，此外，由于每台体积压力控制器和激光位移计通过数据采集处理器可以连续的采集不同时刻的液态水体积变化值和土体高度变化值，因此将随时间连续变化的体积变化值Δq₀,Δq₁,...Δq_n和高度变化值Δh输入计算机程序，得到在围压分布不均匀时的土体吸湿膨胀随时间变化规律。

实施例5：

一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，利用实施例1所述的一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，刚性土样容器为从下至上叠放固定的多个，测量土体处于脱湿收缩过程中土体线收缩率和体积收缩率，此时，根据土体所处围压状态对试验土体进行分层，包括以下步骤：

步骤一、将各层的试验土样对应放置于对应层的已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体实际工况通过体积压力控制器分别设置不同层的不透水乳胶袋对应的体积压力控制器围压值K₀,K₁,....K_n；

步骤二、开展脱湿收缩试验，在这个过程中，每台体积压力控制器记录因土体吸湿膨胀变形而发生的从不透水乳胶袋向体积压力控制器流出的液态水的体积变化Δq′₀,Δq′₁,...Δq′_n，激光位移计记录土体高度变化值Δh′；

步骤三、记录体积变化Δq′₀,Δq′₁,...Δq′_n和土体高度变化值Δh′，根据以下公式计算线收缩率和体积收缩率：

公式线收缩率

体积收缩率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

得到土体在不均匀分布围压控制条件下的线收缩率和体积收缩率，此外，由于每台体积压力控制器和激光位移计通过数据采集处理器可以连续的采集不同时刻的液态水体积变化值和土体高度变化值，因此获得随时间连续变化的体积变化值Δq′₀,Δq′₁,...Δq′_n和高度变化值Δh′，得到在围压分布不均匀时的土体脱湿收缩随时间变化规律。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种围压控制条件下的土体胀缩量测方法，利用一种围压控制条件下的土体胀缩量测装置，包括试验底座(12)，试验底座(12)内设空腔，试验底座(12)顶面设置有上下敞口的刚性土样容器(5)，试验底座(12)顶面位于刚性土样容器(5)下方的位置设置有透水石(10)，刚性土样容器(5)内侧壁设置有不透水乳胶袋(4)，刚性土样容器(5)侧壁固定有直通螺纹接头(8)，不透水乳胶袋(4)通过直通螺纹接头(8)与通水管(13)一端连接，通水管(13)另一端与体积压力控制器(9)连接，体积压力控制器(9)与数据采集处理器(14)连接，刚性土样容器(5)上方设置有激光位移计(2)，激光位移计(2)通过固定支架(3)设置在试验底座(12)上，刚性土样容器(5)为从下至上叠放的多个，各个刚性土样容器(5)之间通过法兰盘(7)和紧固螺栓(6)连接，

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将各层的试验土样放置于对应层已经固定好不透水乳胶袋的刚性土样容器内，根据土体不同层的实际工况分别通过体积压力控制器设置不同层的不透水乳胶垫的围压值K₀,K₁,....K_n；下标0～n对应的是不同层的序号，

步骤二、开展脱湿收缩试验，每台体积压力控制器记录对应的不透水乳胶袋内的液态水的体积变化Δq′₀,Δq′₁,...Δq′_n，激光位移计记录土体高度变化值Δh′；

步骤三、根据以下公式计算线收缩率和体积收缩率：

线收缩率

体积收缩率

H₀为土体初始高度；A为土样初始横截面积。

Images