一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法
【專利摘要】本發(fā)明涉及土木工程【技術領域】，特別是涉及一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法。本發(fā)明提供一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，包括由壓力室底座和下敞口式壓力室罩所構成的中空的壓力室，所述中空的壓力室中設有中空的試樣裝置，所述試樣裝置位于壓力室底座上，所述試樣裝置底部為試樣裝置底座、側壁為橡皮膜、頂部為試樣上帽，所述試樣裝置底座上表面設有高進氣值陶土板，所述試樣上帽下表面設有透水石，還包括反壓傳感器、孔隙水壓力傳感器、氣壓傳感器和圍壓傳感器。本發(fā)明所提供的試驗方法所用儀器制造簡單，試驗結果精度高，使用方便，滿足試樣干濕循環(huán)試驗控制要求，可以直接進行各種多孔介質包括砂、砂土、粉土、黏土的干濕循環(huán)試驗。
【專利說明】一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及土木(巖土)工程【技術領域】，進一步涉及一種土工測試方法，特別是涉及一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法。
【背景技術】
[0002]道路在運營期間，由于邊坡滲流、地下水位升降、地表水蒸發(fā)與植物吸收等原因，將會造成路基濕度反復變化，特別是路基的邊坡等位置極易出現此類干濕循環(huán)現象。已有研究表明，非飽和土經過反復干濕循環(huán)的應力路徑后，其力學特性將產生不可逆轉的變化。因此，針對干濕循環(huán)后的路基性能研究是保障路基穩(wěn)定性、提聞路基路用性能的基礎，而在室內模擬路基干濕循環(huán)是此類研究的第一步，也是關鍵的一步。目前，室內干濕循環(huán)試驗主要應用于膨脹土研究，所采用的方法有常規(guī)的浸水(噴水)-蒸發(fā)干燥法，也有化學分析法。常規(guī)方法對含水率的變化情況沒有有效的控制措施、對于試樣在吸水過程中可能會出現膨脹破壞預防不足，且手段粗糙、人為影響因素多，誤差大?；瘜W分析法試驗步驟多、溶液配制復雜、對使用人員技術要求高、不易操作。該申請就是要發(fā)明一種試驗裝置，以準確模擬路基干濕循環(huán)過程，確保試樣經歷干濕循環(huán)過程后依然滿足后續(xù)試驗要求。

【發(fā)明內容】

[0003]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，用于解決現有技術中的問題。
[0004]為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，包括由壓力室底座和下敞口式壓力室罩所構成的中空的壓力室，所述中空的壓力室中設有中空的試樣裝置，所述試樣裝置位于壓力室底座上，所述試樣裝置底部為試樣裝置底座、側壁為橡皮膜、頂部為試樣上帽，所述試樣裝置底座上表面設有高進氣值陶土板，所述試樣上帽下表面設有透水石，還包括反壓傳感器、孔隙水壓力傳感器、氣壓傳感器和圍壓傳感器，所述反壓傳感器通過反壓管道與高進氣值陶土板相連，所述反壓管道上設有反壓控制閥，所述孔隙水壓力傳感器通過孔隙水壓力管道與高進氣值陶土板相連，所述氣壓傳感器通過氣壓管道與透水石相連，所述氣壓傳感器上設有氣壓控制閥，所述圍壓傳感器通過圍壓管道與壓力室相通，所述圍壓管道上設有圍壓控制閥。
[0005]在試驗時，試樣填充于試樣裝置中。
[0006]優(yōu)選的，還包括固定桿，所述試樣上帽通過固定桿與壓力室罩罩體相連。
[0007]優(yōu)選的，所述高進氣值陶土板的上表面和所述透水石的下表面均設有濾紙。
[0008]優(yōu)選的，所述反壓控制閥、反壓傳感器、孔隙水壓力傳感器、氣壓控制閥、氣壓傳感器、圍壓控制閥和圍壓傳感器均位于壓力室外。
[0009]優(yōu)選的，所述橡皮膜長度為15~20cm,直徑為4~6cm。
[0010]優(yōu)選的,所述壓力室罩內徑≥20cm,高度為25~35cm。
[0011]優(yōu)選的，所述試樣裝置底座的高度為7~9cm，[0012]優(yōu)選的，所述試樣上帽的高度為I?3cm，直徑為4?6cm。一般情況下試樣上帽的直徑與橡皮膜的直徑相匹配。
[0013]本領域技術人員可根據實際情況，選擇適當的管道類型和尺寸作為氣壓管道、圍壓管道、反壓管道。
[0014]優(yōu)選的，所述氣壓管道、圍壓管道、反壓管道采用高壓水管或氣管。
[0015]本發(fā)明第二方面提供一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，使用所述路基干濕循環(huán)試驗裝置，包括如下步驟:
[0016]I)將試樣置于試樣裝置中，
[0017]2)關閉反壓控制閥、氣壓控制閥和圍壓控制閥，在壓力室內注滿水；
[0018]3)開周圍壓力閥，先對試樣施加一定量的圍壓，觀察圍壓傳感器讀數，待圍壓變化穩(wěn)定，開反壓控制閥，再施加一定量的反壓，檢查孔隙水壓力傳感器，待孔隙水壓力穩(wěn)定，再進一步逐級交替提高圍壓和反壓，直至試樣飽和；
[0019]4)待試樣飽和后，關閉反壓控制閥，進一步適當提升圍壓至試樣固結穩(wěn)定；再關閉圍壓控制閥、打開氣壓控制閥，并將氣壓調節(jié)至與孔隙水壓力相等，此時基質吸力S = O;
[0020]5)打開反壓控制閥，并提升氣壓開始脫濕過程；
[0021]6)脫濕過程結束后，降低氣壓開始吸濕過程；
[0022]重復步驟5)和步驟6)進行干濕循環(huán)試驗，評價試樣的干濕循環(huán)性能。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟I)中，將橡皮膜分別與試樣上帽和壓力室底座扎緊，以密封內部試樣。
[0024]優(yōu)選的，所述步驟2)中的水不含有殘留的氣泡。
[0025]步驟3)中，施加圍壓的具體方式為通過圍壓管道注入水，施加反壓的具體方式為通過反壓管道注入水。
[0026]具體的，先對試樣施加50kPa的圍壓，觀察圍壓傳感器讀數，待圍壓變化穩(wěn)定，開反壓力控制閥，再施加40kPa的反壓，檢查孔隙水壓力傳感器，待孔隙水壓力穩(wěn)定，再進一步逐級交替提高圍壓和反壓，每級圍壓和反壓均為50kPa。每施加一級壓力后都需測定孔隙水壓力。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟3)中，所述試樣飽和具體指:當孔隙水壓力增量與圍壓壓力增量之比小于0.98時,試樣達到飽和。
[0028]所述孔隙水壓力增量和圍壓壓力增量具體指逐級施加圍壓和反壓時，每次增加的量。
[0029]所述步驟3)的加壓過程中，試樣中本來所含有的少量空氣由于壓力提升，會溶于水內。
[0030]優(yōu)選的，所述步驟4)中，圍壓值應與工程實際荷載相適應，根據土樣所處層位計
算確定。
[0031]優(yōu)選的，所述步驟5)中，所述脫濕過程的結束以反壓管道中排水基本結束為準。
[0032]優(yōu)選的，所述步驟6)中，所述吸濕過程的結束以反壓管道中注水基本結束為準。
[0033]所述排水和注水基本結束具體為:24h測得試樣排水或者吸水體積小于試樣體積的 0.05%。
[0034]氣壓傳感器的壓力為Ua，孔隙水壓力傳感器的壓力為uw。[0035]步驟3)中飽和完成時圍壓為σ。，步驟4)中固結穩(wěn)定時圍壓為Otl，步驟5)中提升氣壓和步驟6)中降低氣壓的量為Aua。所述飽和完成時圍壓σ。為各級施加的圍壓之和。
[0036]優(yōu)選的，重復步驟5)和步驟6)進行干濕循環(huán)的總次數為5-8次。
[0037]基質吸力控制法的試驗原理就是運用軸平移技術控制基質吸力的改變，從而實現室內模擬路基干濕循環(huán)過程，采用軸平移技術，必須能夠控制孔隙氣壓力，并且能夠控制或者量測孔隙水壓力，通常的做法是借助于封閉在儀器底座的飽和高進氣值陶土板，這種陶土板是一種多孔陶瓷板，水可以通過，而自由空氣不能通過，且須保證土樣中的水同高進氣值陶土板中的水是連續(xù)的，這樣才能正確量測吸力；受公路所在地大氣環(huán)境及地下水位等因素的綜合影響，路基運營期的含水率遠大于填筑期的最佳含水率ω_±2%情況，一般為ωορ?~ω_+7%，出于對路基最不利狀態(tài)的考慮及便于試驗過程的操作等方面，本方法建議選擇路基飽和含水率為干濕循環(huán)上限，目標含水率為下限，即S = OkPa為基質吸力范圍下限，目標含水率時的基質吸力做為上限；本試驗所采用吸力平衡的判別標準為:24h測得試樣排水或者吸水體積小于試樣體積的0.05%，穩(wěn)定后控制圍壓不變，進行下一級基質吸力加、減過程。
[0038]本發(fā)明第三方面提供所述路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法在土工測試領域的應用。
[0039]如上所述，本發(fā)明所提供的試驗方法所用儀器制造簡單，試驗結果精度高，使用方便，滿足試樣干濕循環(huán)試驗控制要求，可以直接進行各種多孔介質包括砂、砂土、粉土、黏土的干濕循環(huán)試驗。
[0040]此外，本發(fā)明所提供的試驗方法和裝置適用范圍，可用于道路工程中遇到的各種多孔介質干濕循環(huán)過程的室內模擬試驗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1顯示為本發(fā)明路基干濕循環(huán)試驗裝置示意圖。
[0042]元件標號說明
[0043]I固定桿
[0044]2壓力室罩
[0045]3試樣
[0046]4橡皮膜
[0047]5濾紙
[0048]6高進氣值陶土板
[0049]7壓力室底座
[0050]8反壓管道
[0051]9反壓控制閥
[0052]10反壓傳感器
[0053]11孔隙水壓力管道
[0054]12孔隙水壓力傳感器
[0055]13氣壓管道[0056]14氣壓控制閥
[0057]15氣壓傳感器
[0058]16圍壓管道
[0059]17圍壓控制閥
[0060]18圍壓傳感器
[0061]19透水石
[0062]20試樣上帽
[0063]21試樣裝置底座
【具體實施方式】
[0064]以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。
[0065]請參閱圖1。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內 容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發(fā)明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發(fā)明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發(fā)明可實施的范疇。
[0066]如圖1所示，一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，包括由壓力室底座(7)和下敞口式壓力室罩(2)所構成的中空的壓力室，所述中空的壓力室中設有中空的試樣裝置，所述試樣裝置位于壓力室底座(7)上，所述試樣裝置底部為試樣裝置底座(21)、側壁為橡皮膜(4)、頂部為試樣上帽(20)，所述試樣裝置底座(21)上表面設有高進氣值陶土板(6)，所述試樣上帽(20)下表面設有透水石(19)，還包括反壓傳感器(10)、孔隙水壓力傳感器(12)、氣壓傳感器(15)和圍壓傳感器(18)，所述反壓傳感器(10)通過反壓管道(8)與高進氣值陶土板
(6)相連，所述反壓管道(8)上設有反壓控制閥(9)，所述孔隙水壓力傳感器(12)通過孔隙水壓力管道(11)與高進氣值陶土板(6)相連，所述氣壓傳感器(15)通過氣壓管道(13)與透水石(19)相連，所述氣壓傳感器(15)上設有氣壓控制閥(14)，所述圍壓傳感器(18)通過圍壓管道(16)與壓力室相通，所述圍壓管道(16)上設有圍壓控制閥(17)。還包括固定桿(I)，所述試樣上帽(20)通過固定桿(I)與壓力室罩(2)罩體相連。所述高進氣值陶土板(6)的上表面和所述透水石(19)的下表面均設有濾紙(5)。所述反壓控制閥(9)、反壓傳感器(10)、孔隙水壓力傳感器(12)、氣壓控制閥(14)、氣壓傳感器(15)、圍壓控制閥(17)和圍壓傳感器(18)均位于壓力室外。
[0067]實施例1
[0068]實施例中所使用的裝置的尺寸如下:
[0069]橡皮膜長度為15~20cm,直徑為5cm ;壓力室罩內徑不小于20cm,高度為30cm ;試樣裝置底座下部高度為8cm，直徑25cm，上部高度為4cm，直徑5cm ;試樣上帽高度2cm，直徑5cm;氣壓管道、圍壓管道、反壓管道采用高壓水管(氣管)，氣壓管道直徑6_，圍壓管道、反壓管道直徑8mm。[0070]實例中所采用土樣為低液限黏土 ；通過重型擊實試驗，得到土樣的最佳含水率為
13.6%，最大干密度為1.82g/cm3。試驗壓實度為94%，目標含水率為18%，飽和含水率為21%,計算得圍壓控制值約為50kPa，測試采用圓柱體試件，于最佳含水率時靜壓法成型，試樣高度IOcm,直徑5cm。
[0071]I)將試樣填充于試樣裝置中，將橡皮膜分別與試樣上帽和壓力室底座扎緊，以密封內部試樣；
[0072]2)關閉反壓控制閥、氣壓控制閥和圍壓控制閥，在壓力室內注滿純水且水不含有殘留的氣泡；
[0073]3)先對試樣施加50kPa的圍壓，觀察圍壓傳感器讀數，待圍壓變化穩(wěn)定，開反壓力控制閥，再施加40kPa的反壓，檢查孔隙水壓力傳感器，待孔隙水壓力穩(wěn)定，再進一步逐級交替提高圍壓和反壓，每級圍壓和反壓均為50kPa。每施加一級壓力后都需測定孔隙水壓力，直至試樣飽和；所述試樣飽和具體指:當孔隙水壓力增量與圍壓壓力增量之比小于
0.98時，試樣達到飽和；飽和完成時圍壓為σ。= 500kPa ；
[0074]4)待試樣飽和后，關閉反壓控制閥，進一步適當提升圍壓至試樣固結穩(wěn)定，提升量為50kPa ;再關閉圍壓控制閥、打開氣壓控制閥，并將氣壓調節(jié)至與孔隙水壓力相等，ua = Uw=500kPa ;此時基質吸力S = O;
[0075]5)打開反壓控制閥，并提升氣壓開始脫濕過程；脫濕過程的結束以反壓管道中排水基本結束為準；Aua = 50kPa ；
[0076]6)脫濕過程結束后，降低氣壓開始吸濕過程；吸濕過程的結束以反壓管道中注水基本結束為準；Aua = 50kPa ；
[0077]所述排水和注水基本結束具體為:24h測得試樣排水或者吸水體積小于試樣體積的0.05%;重復步驟5)和步驟6)進行干濕循環(huán)試驗，評價試樣的干濕循環(huán)性能，重復步驟
5)和步驟6)進行干濕循環(huán)的總次數為3次。
[0078]結果表明:各循環(huán)脫濕結束時的含水率(即目標含水率)Q1 = 18.53%?18.86%，吸濕結束時的含水率(即飽和含水率)ω2 = 19.73 %?21.50 %，各階段試樣含水率變異性低，相對誤差在工程可接受范圍內；此外，試驗結束時，測得試樣尺寸為h =100.lcm, d = 49.5mm,無明顯體積變化現象發(fā)生。說明基質吸力控制法不僅能夠降低試樣因干濕循環(huán)而產生的體積膨脹現象，而且能夠有效控制試樣的各階段目標含水率具有較高的精度。
[0079]綜上所述，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。
[0080]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，其特征在于，包括由壓力室底座(7)和下敞口式壓力室罩(2)所構成的中空的壓力室，所述中空的壓力室中設有中空的試樣裝置，所述試樣裝置位于壓力室底座(7)上，所述試樣裝置底部為試樣裝置底座(21)、側壁為橡皮膜(4)、頂部為試樣上帽(20)，所述試樣裝置底座(21)上表面設有高進氣值陶土板(6)，所述試樣上帽(20)下表面設有透水石(19)，還包括反壓傳感器(10)、孔隙水壓力傳感器(12)、氣壓傳感器(15)和圍壓傳感器(18)，所述反壓傳感器(10)通過反壓管道(8)與高進氣值陶土板(6)相連，所述反壓管道(8)上設有反壓控制閥(9)，所述孔隙水壓力傳感器(12)通過孔隙水壓力管道(11)與高進氣值陶土板(6)相連，所述氣壓傳感器(15)通過氣壓管道(13)與透水石(19)相連，所述氣壓傳感器(15)上設有氣壓控制閥(14)，所述圍壓傳感器(18)通過圍壓管道(16)與壓力室相通，所述圍壓管道(16)上設有圍壓控制閥(17)。
2.如權利要求1所述的一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，其特征在于，還包括固定桿(1)，所述試樣上帽(20)通過固定桿(1)與壓力室罩(2)罩體相連。
3.如權利要求1所述的一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，其特征在于，所述高進氣值陶土板(6)的上表面和所述透水石(19)的下表面均設有濾紙(5)。
4.如權利要求1所述的一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，其特征在于，所述反壓控制閥(9)、反壓傳感器(10)、孔隙水壓力傳感器(12)、氣壓控制閥(14)、氣壓傳感器(15)、圍壓控制閥(17)和圍壓傳感器(18)均位于壓力室外。
5.如權利要求1所述的一種路基干濕循環(huán)試驗裝置，其特征在于，所述橡皮膜(4)長度為15~20cm，直徑為4~6cm ;所述壓力室罩(2)內徑≥20cm，高度為25~35cm ;所述試樣裝置底座(21)的高度為7~9cm ;所述試樣上帽(20)的高度為I~3cm，直徑為4~6cm。
6.一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，使用如權利要求1-5任一權利要求所述的路基干濕循環(huán)試驗裝置，包括如下步驟: 1)將試樣置于試樣裝置中， 2)關閉反壓控制閥、氣壓控制閥和圍壓控制閥，在壓力室內注滿水； 3)開周圍壓力閥，先對試樣施加一定量的圍壓，觀察圍壓傳感器讀數，待圍壓變化穩(wěn)定，開反壓控制閥，再施加一定量的反壓，檢查孔隙水壓力傳感器，待孔隙水壓力穩(wěn)定，再進一步逐級交替提高圍壓和反壓，直至試樣飽和； 4)待試樣飽和后，關閉反壓控制閥，進一步適當提升圍壓至試樣固結穩(wěn)定；再關閉圍壓控制閥、打開氣壓控制閥，并將氣壓調節(jié)至與孔隙水壓力相等，此時基質吸力S = O; 5)打開反壓控制閥，并提升氣壓開始脫濕過程； 6)脫濕過程結束后，降低氣壓開始吸濕過程； 重復步驟5)和步驟6)進行干濕循環(huán)試驗，評價試樣的干濕循環(huán)性能。 優(yōu)選的，所述步驟I)中，將橡皮膜分別與試樣上帽和壓力室底座扎緊，以密封內部試樣。
7.如權利要求6所述的一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，其特征在于，所述步驟2)中的水不含有殘留的氣泡。
8.如權利要求6所述的一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，其特征在于，所述步驟3)中，所述試樣飽和具體指:當孔隙水壓力增量與圍壓壓力增量之比小于0.98時，試樣達到飽和。
9.如權利要求6所述的一種路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法，其特征在于，所述步驟5)中，所述脫濕過程的結束以反壓管道中排水基本結束為準，所述步驟6)中，所述吸濕過程的結束以反壓管道中注水基本結束為準。
10.如權利要求6-9任一權利要求所述的路基干濕循環(huán)試驗的基質吸力控制法在土工測試領域的應用。
【文檔編號】G01N33/24GK103969422SQ201410192988
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權日:2014年5月8日
【發(fā)明者】錢勁松, 凌建明, 李冬雪 申請人:同濟大學