CN111735935A - 一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于土层测量领域，公开了一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，包括上顶盘、若干注水管、反力盘以及若干位移计。上顶盘上开设若干注水管安装孔；若干注水管的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔；且，注水管连接注水管安装孔的一端端部开口；若干位移计的一端均连接反力盘，另一端均连接上顶盘。设置上顶盘及若干注水管，进而通过若干注水管将测试装置固定在原位膨胀土层中，在注水时由于土层膨胀使得注水管起到很好的锚固作用，同时，反力盘与膨胀土层表面贴合，通过测量反力盘的位移量表征膨胀土层的膨胀量，实现膨胀土层膨胀性参数的原位测量，使得测量值尽可能接近实际情况。

Description

一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置

技术领域

本发明属于土层测量领域，涉及一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置。

背景技术

大气影响深度是指在自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。此范围内的膨胀土层易受环境影响，对工程影响较大，所以明确大气影响深度内膨胀土层的膨胀性参数对于建筑结构设计非常重要。当前膨胀土层膨胀性参数基本均在在实验室中进行，即利用钻孔取出的土样后，在浸水饱和、限制土样变形的情况下实测其膨胀性参数。

虽然该方法简单易行，但是由于以下原因：1、土样存在扰动，膨胀变形有所释放；2、室内采用试验为隔段取样进行试验，无法完全代表整个土层；3、充分浸水饱和与现场浸水渗透引起的土样含水率不同；4、室内变形为侧限情况，而原位变形为三维应力状态；5、室内试验无法获取准确的土体增湿变形与膨胀力变形过程；经常导致膨胀性参数的测量值与现场实际情况存在较大差异。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中膨胀性参数的测量值往往与现场实际情况存在较大差异的缺点，提供一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，包括：

上顶盘，所述上顶盘上开设若干注水管安装孔；

若干注水管，所述若干注水管的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔；且，所述注水管连接所述注水管安装孔的一端端部开口；

反力盘；以及

若干位移计，所述若干位移计的一端均连接所述反力盘，另一端均连接所述上顶盘；

使用状态时：所述若干注水管远离所述上顶盘的一端插入膨胀土层，所述反力盘位于所述上顶盘与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘表面与膨胀土层表面贴合；所述位移计用于测量所述反力盘的位移。

本发明测试装置进一步的改进在于：

所述若干注水孔在远离所述上顶盘的方向上，相邻两注水孔之间的间距逐渐扩大。

还包括：抽水管，所述抽水管的一端穿过所述反力盘与所述上顶盘上开设的抽水管安装孔连接，另一端上开设若干抽水孔；且，所述抽水管与所述抽水管安装孔的一端端部开口；使用状态时：所述抽水管远离所述上顶盘的一端插入膨胀土层。

所述若干抽水孔在远离所述上顶盘的方向上，相邻两抽水孔之间的间距逐渐减小。

所述反力盘的直径大于大气影响深度。

还包括：若干水分传感器；使用状态时：所述若干水分传感器，自上而下的间隔设置在所述反力盘下方的膨胀土层内。

所述若干注水管远离所述上顶盘的一端端部设置为尖端。

本发明另一方面，一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，包括：

上顶盘，所述上顶盘上开设若干注水管安装孔；

若干注水管，所述若干注水管的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔；且，所述注水管连接所述注水管安装孔的一端端部开口；

反力盘；

若干位移计，所述若干位移计的一端均连接所述反力盘，另一端均连接所述上顶盘；以及

弹簧组件，所述弹簧组件一端连接所述反力盘，另一端连接所述上顶盘；

使用状态时：所述若干注水管远离所述上顶盘的一端插入膨胀土层，所述反力盘位于所述上顶盘与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘表面与膨胀土层表面贴合，所述位移计用于测量所述反力盘的位移。

本发明测试装置进一步的改进在于：

还包括：抽水管，所述抽水管的一端穿过所述反力盘与所述上顶盘上开设的抽水管安装孔连接，另一端上开设若干抽水孔；且，所述抽水管与所述抽水管安装孔的一端端部开口；使用状态时：所述抽水管远离所述上顶盘的一端插入膨胀土层。

所述弹簧组件包括若干弹簧，所述若干弹簧的的一端均连接所述反力盘，另一端均连接所述上顶盘。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过设置上顶盘，在上顶盘上设置若干注水管安装孔，通过若干注水管安装孔将若干注水管固定，然后将若干注水管安装在原位膨胀土层内部，在注水时由于膨胀土膨胀使得注水管起到很好的锚固作用，同时，反力盘与膨胀土层表面贴合，通过设置的位移计测量反力盘的位移量表征膨胀土层的膨胀量，实现膨胀土层膨胀性参数的原位测量，不需要将土样采集回实验室进行测量，有效克服了实验室测量各种缺陷，使得测量值尽可能接近实际情况。同时，设置若干位移计，以若干位移计的均值计算膨胀量，有效减少测量误差。

进一步的，所述若干注水孔在远离所述上顶盘的方向上，相邻两注水孔之间的间距逐渐扩大，以充分模拟实际降水的逐级下渗情况，以使得测量得到的膨胀性参数更加接近实际情况。

进一步的，还包括抽水管，一方面，通过抽水管的抽力作用，使得膨胀土层中央保持一定负压，使得注水管注入的水分能快速膨胀土层内渗流，使得膨胀土层快速浸水饱和，缩短试验时间，提高工作效率。另一方面，抽水管的设计，有效防止水分向大气影响深度下方的土体中渗流，进而导致测量结果出现误差，让水尽量只饱和大气影响深度以内的膨胀土层，尽量减小测量误差。

进一步的，所述若干抽水孔在远离所述上顶盘的方向上，相邻两抽水孔之间的间距逐渐减小，起到让水尽量只饱和大气影响深度以内的膨胀土层的作用。

进一步的，所述反力盘的直径大于大气影响深度。由于过小的尺寸会使反力盘边缘产生较严重的应力集中，此力可能会破坏试验土体，导致测量失败。当水平向的直径大于竖直向的深度时，工程实践中认为这种情况下应力集中较弱，测量的正常进行。

进一步的，还包括若干水分传感器，通过水分传感器可以实时获得膨胀土层内各个深度位置的当前含水率，以便进行含水率与膨胀性参数之间的结合统计和分析，同时，得知当前膨胀土层是否已经浸水饱和。

进一步的，若干注水管远离所述上顶盘的一端端部设置为尖端，便于将注水管固定在膨胀土层中。

进一步的，还设置弹簧组件，弹簧组件一端连接所述反力盘，另一端连接所述上顶盘，通过反力盘的位移量以及弹簧组件的劲度系数，能够计算得到膨胀土层的膨胀力大小，进而实现膨胀土层的原位膨胀力测量。

附图说明

图1为本发明的第一实施例中的测试装置主视图；

图2为本发明的第二实施例中的测试装置主视图；

图3为本发明的第二实施例中的测试装置俯视图。

其中：1-螺栓；2-上顶盘；3-注水管；4-位移计；5-弹簧；6-反力盘；7-抽水管；8-注水孔；9-抽水孔；10-水分传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的第一实施例中，公开了一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，该测试装置包括上顶盘2、若干注水管3、反力盘6、以及若干位移计4。所述上顶盘2上开设若干注水管安装孔；所述若干注水管3的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔8；且，所述注水管3连接所述注水管安装孔的一端端部开口；所述若干位移计4的一端均连接所述反力盘6，另一端均连接所述上顶盘2。且，使用状态时：所述若干注水管3远离所述上顶盘2的一端插入膨胀土层，所述反力盘6位于所述上顶盘2与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘6表面与膨胀土层表面贴合；所述位移计4用于测量所述反力盘6的位移。

具体的，注水管3与注水管安装孔可以通过螺栓1进行固定连接，注水管3一般选用空心钢管，通过在开口端接给水设备向膨胀土层注水。本实施例中，注水管安装孔设置了6个，且沿上顶盘2的外圆周均匀分布，但不以此为限，其他数量和排布方式也可，同时，适应性的也设计了6根注水管3，均匀布置的方式以保证膨胀土层注水均匀。

同时，注水过程中周围膨胀土体遇水膨胀，膨胀力会“挤”压注水管3，足够的压力有助于锚固设备，注水管3在注水的同时起了锚固作用。

优选的，所述若干注水孔8采用上密下疏的排列方式，即所述若干注水孔8在远离所述上顶盘2的方向上，相邻两注水孔8之间的间距逐渐扩大，以充分模拟实际降水的逐级下渗情况，以使得测量得到的膨胀性参数更加接近实际情况。

优选的，还包括抽水管7，所述抽水管7的一端穿过所述反力盘6与所述上顶盘2上开设的抽水管安装孔连接，另一端上开设若干抽水孔9；且，所述抽水管7与所述抽水管安装孔的一端端部开口；使用状态时：所述抽水管7远离所述上顶盘2的一端插入膨胀土层。

一方面，通过抽水管7的抽力作用，使得膨胀土层中央保持一定负压，使得注水管3注入的水分能快速膨胀土层内渗流，使得膨胀土层快速浸水饱和，缩短试验时间，提高工作效率。本实施例中，将抽水管7设置在若干注水管3的中部，这样可使得膨胀土层内负压均匀，各个方向上的渗流速度大致相等，尽量接近实际降雨渗流情况，以提高测量结果的准确性。

另一方面，抽水管7的设计，有效防止水分向大气影响深度下方的土体中渗流，进而导致测量结果出现误差，让水尽量只饱和大气影响深度以内的膨胀土层，尽量减小测量结果与实际情况之间的误差。

优选的，所述若干抽水孔9在远离所述上顶盘2的方向上，相邻两抽水孔9之间的间距逐渐减小，起到让水尽量只饱和大气影响深度以内的膨胀土层的作用。

优选的，所述反力盘6的直径大于大气影响深度，

过小的尺寸会使反力盘边缘产生较严重的应力集中，此力可能会破坏试验土体，导致试验失败。当水平向的直径大于竖直向的深度时，工程实践中可认为这种情况下应力集中较弱，故采用此设计。

优选的，还包括若干水分传感器10；使用状态时：所述若干水分传感器10，自上而下的间隔设置在所述反力盘6下方的膨胀土层内。通过水分传感器10可以实时获得膨胀土层内各个深度位置的当前含水率，以便进行含水率与膨胀性参数之间的结合统计和分析，同时，得知当前膨胀土层是否已经浸水饱和。

优选的，所述若干注水管3远离所述上顶盘2的一端端部设置为尖端，便于将注水管3固定在膨胀土层中。

本实施例膨胀土的膨胀性参数原位测试装置的具体工作过程，这里以大气影响深度的膨胀土层为例说明，试验对象是注水管3和大气影响深度面所包围的圆柱形膨胀土体，其高是大气影响深度，底面积为反力盘6面积。另外，为减小边界效应的影响，本装置的直径应大于大气影响深度，试验土体为扁圆柱体：

步骤1：选择合适的试验场地，利用钻探设备打出深约为大气影响深度，直径约为抽水管7直径的孔，用原位膨胀土包裹好水分传感器10，并实测其干密度，每个一段距离放置一个水分传感器10于钻孔中；将抽水管7放入钻孔中，回填膨胀土后压实。

步骤2：按照预设排列方式打入若干注水管3，安装上顶盘2，并用螺栓1固定注水管3，安装位移计4，反力盘6，并将反力盘6紧贴膨胀土层表面。

步骤3：安装上顶盘2。

步骤4：注水管3接上给水设备，吸水管7接上抽水设备，将位移计4调零。

步骤5：接通电源，使抽水设配和给水设备开始工作，记录水分传感器10以及位移计4各个时刻的读数并于试验后整理数据，由各个时刻位移计4读数的均值及反力盘6的面积即可计算膨胀土层对应的膨胀量。

本发明的第二实施例中，公开了一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，该测试装置包括上顶盘2、若干注水管3、反力盘6、若干位移计4以及弹簧组件。使用状态时：所述若干注水管3远离所述上顶盘2的一端插入膨胀土层，所述反力盘6位于所述上顶盘2与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘6表面与膨胀土层表面贴合，所述位移计4用于测量所述反力盘6的位移。

其中，所述弹簧组件包括若干弹簧5，所述若干弹簧5的的一端均连接所述反力盘6，另一端均连接所述上顶盘2。弹簧5选用大劲度系数的弹簧，位移量在误差允许范围内可视为零，以尽量减少因膨胀土层的变形而产生的膨胀力变化。

根据4位移计的读数的均值表示，在加上已知的劲度系数，可以得出膨胀土层的膨胀力的大小，公式如下：

其中，F为膨胀土层的膨胀力，k为弹簧5的劲度系数，

为位移计4的读数均值。

本实施例膨胀土的膨胀性参数原位测试装置的具体工作过程，这里以大气影响深度的膨胀土层为例说明，试验对象是注水管3和大气影响深度面所包围的圆柱形膨胀土体，其高是大气影响深度，底面积为反力盘6面积。另外，为减小边界效应的影响，本装置的直径应大于大气影响深度，试验土体为扁圆柱体：

步骤1：选择合适的试验场地，利用钻探设备打出深约为大气影响深度，直径约为抽水管7直径的孔，用原位膨胀土包裹好水分传感器10，并实测其干密度，每个一段距离放置一个水分传感器10于钻孔中；将抽水管7放入钻孔中，回填膨胀土后压实。

步骤2：按照预设排列方式打入若干注水管3，安装上顶盘2，并用螺栓1固定注水管3，安装位移计4，弹簧组件，反力盘6，并将反力盘6紧贴膨胀土层表面。

步骤3：安装上顶盘2。

步骤4：注水管3接上给水设备，吸水管7接上抽水设备，将位移计4调零。

步骤5：接通电源，使抽水设配和给水设备开始工作，记录水分传感器10以及位移计4各个时刻的读数并于试验后整理数据。

步骤6：位移计4记录下的各个时刻的位移量的均值

根据公式

即可换算出各个时刻的膨胀土层的膨胀力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，包括：

上顶盘(2)，所述上顶盘(2)上开设若干注水管安装孔；

若干注水管(3)，所述若干注水管(3)的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔(8)；且，所述注水管(3)连接所述注水管安装孔的一端端部开口；

反力盘(6)；以及

若干位移计(4)，所述若干位移计(4)的一端均连接所述反力盘(6)，另一端均连接所述上顶盘(2)；

使用状态时：所述若干注水管(3)远离所述上顶盘(2)的一端插入膨胀土层，所述反力盘(6)位于所述上顶盘(2)与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘(6)表面与膨胀土层表面贴合；所述位移计(4)用于测量所述反力盘(6)的位移。

2.根据权利要求1所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，所述若干注水孔(8)在远离所述上顶盘(2)的方向上，相邻两注水孔(8)之间的间距逐渐扩大。

3.根据权利要求1所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，还包括：

抽水管(7)，所述抽水管(7)的一端穿过所述反力盘(6)与所述上顶盘(2)上开设的抽水管安装孔连接，另一端上开设若干抽水孔(9)；且，所述抽水管(7)与所述抽水管安装孔的一端端部开口；

使用状态时：所述抽水管(7)远离所述上顶盘(2)的一端插入膨胀土层。

4.根据权利要求3所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，所述若干抽水孔(9)在远离所述上顶盘(2)的方向上，相邻两抽水孔(9)之间的间距逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，所述反力盘(6)的直径大于大气影响深度。

6.根据权利要求1所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，还包括：

若干水分传感器(10)；

使用状态时：所述若干水分传感器(10)，自上而下的间隔设置在所述反力盘(6)下方的膨胀土层内。

7.根据权利要求1所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，所述若干注水管(3)远离所述上顶盘(2)的一端端部设置为尖端。

8.一种膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，包括：

上顶盘(2)，所述上顶盘(2)上开设若干注水管安装孔；

若干注水管(3)，所述若干注水管(3)的一端分别连接若干注水管安装孔，另一端侧壁上均开设若干注水孔(8)；且，所述注水管(3)连接所述注水管安装孔的一端端部开口；

反力盘(6)；

若干位移计(4)，所述若干位移计(4)的一端均连接所述反力盘(6)，另一端均连接所述上顶盘(2)；以及

弹簧组件，所述弹簧组件一端连接所述反力盘(6)，另一端连接所述上顶盘(2)；

使用状态时：所述若干注水管(3)远离所述上顶盘(2)的一端插入膨胀土层，所述反力盘(6)位于所述上顶盘(2)与膨胀土层表面之间，且，所述反力盘(6)表面与膨胀土层表面贴合，所述位移计(4)用于测量所述反力盘(6)的位移。

9.根据权利要求8所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，还包括：

抽水管(7)，所述抽水管(7)的一端穿过所述反力盘(6)与所述上顶盘(2)上开设的抽水管安装孔连接，另一端上开设若干抽水孔(9)；且，所述抽水管(7)与所述抽水管安装孔的一端端部开口；

使用状态时：所述抽水管(7)远离所述上顶盘(2)的一端插入膨胀土层。

10.根据权利要求8所述的膨胀土的膨胀性参数原位测试装置，其特征在于，所述弹簧组件包括若干弹簧(5)，所述若干弹簧(5)的的一端均连接所述反力盘(6)，另一端均连接所述上顶盘(2)。

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