本實用新型公開了一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀；特別是指一種具有開合功能的環(huán)刀，以消除土樣靜壓制樣產(chǎn)生的超固結(jié)水平應(yīng)力。屬于公路膨脹土土工試驗技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(jīng)濟的高速發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)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(qū)。膨脹土地區(qū)公路建設(shè)中，支擋結(jié)構(gòu)物后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(fā)生增濕膨脹，膨脹潛勢的釋放將產(chǎn)生一定的膨脹力。膨脹力包括豎向膨脹力和側(cè)向膨脹力，其中側(cè)向膨脹力對支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著顯著影響。

公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)中膨脹力的試驗方法，是采用環(huán)刀取原狀土或靜壓制備重塑土環(huán)刀樣，然后進行膨脹力的試驗，在試樣浸水產(chǎn)生一定膨脹量后，采用增加筒中砂的質(zhì)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(chǎn)生膨脹量時的筒中砂質(zhì)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(cè)向膨脹力。造成在邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以豎向膨脹力等同于側(cè)向膨脹力進行設(shè)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(xiàn)有膨脹力的試驗方法存在的不足，國內(nèi)外學(xué)者對膨脹力的測試方法開展了一些研究，歸結(jié)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(wěn)定后再施加荷載使其恢復(fù)到初始體積。加壓膨脹法是通過一系列壓力-膨脹量對應(yīng)關(guān)系曲線確定膨脹力，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(nèi)，通過測試容器壁受力確定膨脹力，多用于模型試驗，要求模型有足夠剛度在膨脹力作用下不產(chǎn)生變形。

其中前三種都是使試樣先發(fā)生濕化膨脹變形，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(jié)過程，固結(jié)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(xué)過程和粒間結(jié)合水膜增厚的過程，因此該膨脹力實際為固結(jié)力而非膨脹力，且是豎向作用力而非側(cè)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，而對于實際膨脹土邊坡來說，它的吸水膨脹是一個無側(cè)限的過程，因此該方法并不符合實際工況。

此外還有一些模型裝置，通過在模型箱的箱壁上設(shè)有多個壓力傳感器，分設(shè)于不同深度位置的用于測量膨脹土側(cè)向膨脹力；以及采用伺服加載裝置，當(dāng)土樣發(fā)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制作困難、試驗耗時費力等問題，伺服裝置同樣對土樣施加了側(cè)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(xiàn)有土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀是固定結(jié)構(gòu)，而靜壓制樣的過程中，試樣內(nèi)部土體在壓制過程中，必然會產(chǎn)生超固結(jié)效應(yīng)，而形成超固結(jié)水平應(yīng)力，這部分應(yīng)力蓄積在試樣中，而現(xiàn)有技術(shù)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(chǎn)生的超固結(jié)水平應(yīng)力，導(dǎo)致測得的側(cè)向膨脹力與實際工況受力情況存在巨大誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，而提供一種結(jié)構(gòu)簡單合理、操作方便、可以完全消除試樣初始超固結(jié)水平應(yīng)力的土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀。

發(fā)明人經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)采用公路土工試驗規(guī)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(nèi)部會產(chǎn)生超固結(jié)效應(yīng)，在試驗的過程中，通過在土樣和環(huán)刀內(nèi)壁間貼合薄膜壓力傳感器，監(jiān)測到試樣(ω₀＝22％,ρ_d＝1.60g/cm³)成型后的側(cè)向力達到了287.24kPa，隨著試樣吸水膨脹，側(cè)向膨脹力將逐漸增大，超固結(jié)效應(yīng)將緩慢釋放，監(jiān)測的側(cè)向力為兩者的合力，無法實現(xiàn)剝離。因此本實用新型設(shè)計了帶凹槽和可釋放超固結(jié)效應(yīng)的帶箍環(huán)的環(huán)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(cè)土樣整體密度的均勻性；另一方面可釋放制樣過程產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)，確保試驗時傳感器所測壓力增量即為側(cè)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(cè)向膨脹力，進一步可得到沿深度的側(cè)向膨脹力變化情況，為支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)。

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀，所述環(huán)刀為開口環(huán)，在環(huán)刀開口位置的外壁上設(shè)有開口調(diào)節(jié)裝置，所述開口調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)開口的大??；在環(huán)刀的內(nèi)壁設(shè)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(huán)刀，環(huán)刀的開口處為搭接結(jié)構(gòu)；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀，開口調(diào)節(jié)裝置由分別設(shè)置于環(huán)刀開口兩側(cè)外壁上的螺母與旋裝于兩個螺母中的螺桿構(gòu)成；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀，開口調(diào)節(jié)裝置為卡箍或卡環(huán)，所述卡箍或卡環(huán)上設(shè)有螺桿、螺母調(diào)節(jié)卡箍或卡環(huán)的直徑大??；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)刀，容置壓力傳感器的凹槽沿環(huán)刀軸向設(shè)置在環(huán)刀內(nèi)壁；

本實用新型一種土體有荷膨脹試驗用環(huán)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(cè)向膨脹力測量的方法，按下述步驟：

第一步：試樣制備

取設(shè)定含水率的土樣，將標定后的壓力傳感器與外設(shè)壓力實時采集裝置連接好，記錄壓力傳感器初始讀數(shù)；然后，將壓力傳感器貼裝在環(huán)刀的凹槽中，按公路土工試驗規(guī)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干密度和含水率確定；

第二步：試樣超固結(jié)水平應(yīng)力釋放

制樣完成后，調(diào)節(jié)開口調(diào)節(jié)裝置，使環(huán)刀開口張開，消除靜壓制樣時試樣中的土樣產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)，觀察實時采集系統(tǒng)中顯示的壓力傳感器讀數(shù)，待壓力實時采集裝置的讀數(shù)回復(fù)到壓力傳感器初始讀數(shù)時，調(diào)節(jié)開口調(diào)節(jié)裝置，使環(huán)刀開口閉合；調(diào)節(jié)環(huán)刀開口閉合過程中，控制壓力實時采集裝置的讀數(shù)與壓力傳感器初始讀數(shù)之差小于等于5kPa；環(huán)刀開口閉合時，確保壓力實時采集裝置的讀數(shù)與壓力傳感器初始讀數(shù)之差小于等于2kPa，得到無超固結(jié)水平應(yīng)力的試樣；

第三步：測量

將無超固結(jié)水平應(yīng)力的試樣放置于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(guī)程對試樣施加預(yù)定載荷并進行試驗，實時記錄壓力傳感器上的壓力；每隔2h查看壓力瞬時值，當(dāng)相鄰兩次壓力瞬時值的差小于等于1kPa時，結(jié)束測量，保存監(jiān)測數(shù)據(jù)并作出側(cè)向膨脹力的時程曲線，曲線的峰值即為試樣的側(cè)向膨脹力。

本實用新型采用上述結(jié)構(gòu)，利用有荷膨脹試驗裝置測定膨脹土在側(cè)向變形完全限制和上覆荷載作用條件下的側(cè)向膨脹力，為膨脹土地區(qū)結(jié)構(gòu)物設(shè)計提供重要參數(shù)。采用特制環(huán)刀可調(diào)節(jié)開閉且具有凹槽，一方面可釋放靜壓制樣過程中產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)，另一方面可使試樣的體積不因薄膜傳感器的增加而發(fā)生改變，從而保證制樣的質(zhì)量和良好的初始狀態(tài)。實現(xiàn)對土樣增濕膨脹時，側(cè)向膨脹力的精確量測。本實用新型的主要特點在于可以消除靜壓制樣過程中產(chǎn)生的超固結(jié)水平應(yīng)力，嚴格控制試樣的初始狀態(tài)。

本實用新型的優(yōu)點是：

1.采用可松緊式環(huán)刀，徹底消除了靜壓制樣產(chǎn)生的超固結(jié)水平側(cè)壓力對測試的顯著影響，使得結(jié)果更為精確。由于采用上述試驗方法及裝置，使得薄膜壓力傳感器緊密貼合于環(huán)刀樣中，保證了試樣的體積與規(guī)范環(huán)刀樣一致；在制樣完成后稍稍調(diào)松調(diào)節(jié)螺絲，使得特制環(huán)刀微微張開而釋放超固結(jié)應(yīng)力，對從而對壓力傳感器進行了調(diào)零，保證了試驗時的壓力增長量即為側(cè)向膨脹力的增量。

2.試驗測試完全保持側(cè)向不發(fā)生變形，豎向則可在指定的上覆壓力下發(fā)生有荷膨脹，使試驗條件與工程中的實際工況一致，結(jié)果更為可靠。本實用新型提出的一種土體側(cè)向膨脹力試驗方法，可以消除靜壓制樣時產(chǎn)生的初始水平應(yīng)力，嚴格控制試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)；能保證膨脹土試樣的側(cè)向膨脹力試驗是在確定的初始狀態(tài)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(yīng)的砝碼重量，得到膨脹土在一定上覆荷載下的側(cè)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(cè)向膨脹力變化情況。

3.本實用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單合理、實施方便，廉價實用。相對于現(xiàn)有開發(fā)的大尺寸側(cè)向膨脹力試驗裝置，本實用新型的試驗尺寸與常規(guī)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(cè)向膨脹力穩(wěn)定。時間由原來的一個星期縮短為一天半左右。側(cè)向膨脹力和豎向膨脹變形全部自動化監(jiān)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(jié)構(gòu)簡單合理、操作方便、造價經(jīng)濟，解決了本領(lǐng)域長期以來希望精確評價膨脹土邊坡在增濕膨脹后的膨脹力可靠性的問題，從而可以簡便、準確地測量側(cè)向膨脹力，為膨脹土地區(qū)公路、鐵路、水利、建筑工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計提供了重要設(shè)計參數(shù)，裝置簡單實用，適于在工程上進行推廣應(yīng)用。

附圖說明

附圖1為環(huán)刀示意圖。

附圖2為環(huán)刀外圍環(huán)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(guī)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(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中：

附圖1為本實用新型特制的環(huán)刀示意圖，特制環(huán)刀內(nèi)徑為61.8mm，高度為20mm，側(cè)壁厚度3mm，并在一側(cè)預(yù)留20mm*20mm*1mm的凹槽。在另一側(cè)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(jié)構(gòu)。

附圖2是特制環(huán)刀外圍環(huán)箍的示意圖。特制環(huán)刀外壁上套有一圈鋼制箍環(huán)，在箍環(huán)上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲用于調(diào)節(jié)箍環(huán)的尺寸，從而實現(xiàn)對特制環(huán)刀開口張閉的控制，進而釋放靜壓制樣產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)。

附圖3是與特制環(huán)刀配套使用的護刀示意圖。內(nèi)徑為61.8mm，外徑為69.8mm，高度為16mm，所述護刀在與環(huán)刀貼合時的環(huán)形凹槽高度為3mm，寬度為2mm，在與環(huán)刀凹槽貼合的一側(cè)預(yù)留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于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(guī)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(cè)向膨脹力試驗得到的曲線1的側(cè)向膨脹力為68.4kPa，僅為對比例1常規(guī)試驗方法測得豎向膨脹力的31.9％。常規(guī)方法中把所測得的豎向膨脹力作為側(cè)向膨脹力來進行邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以對比例1是完全按照規(guī)范來測試的，只測了豎向膨脹力，沒有測側(cè)向膨脹力。

附圖5中，1—容器，2—透水石，3—定位環(huán)，4—試樣(由環(huán)刀+土樣構(gòu)成，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8mm)，5—蓋板，6—套環(huán)。

具體實施方式

本實用新型的具體結(jié)構(gòu)，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(huán)刀，所述環(huán)刀為開口環(huán)，在環(huán)刀開口位置的外壁上設(shè)有開口調(diào)節(jié)裝置，所述開口調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)開口的大小；在環(huán)刀的內(nèi)壁沿環(huán)刀軸向設(shè)有供容置壓力傳感器的凹槽；環(huán)刀的開口處為搭接結(jié)構(gòu)；環(huán)刀開口調(diào)節(jié)裝置為卡箍，所述卡箍上設(shè)有螺桿、螺母調(diào)節(jié)卡箍的直徑大??；

本實施例中，凹槽的深度與壓力傳感器厚度匹配；

環(huán)刀內(nèi)徑為61.8mm，高度為20mm，側(cè)壁厚度3mm，并在一側(cè)預(yù)留20mm*20mm*1mm的凹槽，另一側(cè)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(jié)構(gòu)。

外壁上套有一圈鋼制箍環(huán)，在箍環(huán)上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲用于調(diào)節(jié)箍環(huán)的尺寸，從而實現(xiàn)對特制環(huán)刀開口張閉的控制，進而釋放靜壓制樣產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)。所述護刀內(nèi)徑為61.8mm，外徑為69.8mm，高度為16mm，所述護刀在與環(huán)刀貼合時的環(huán)形凹槽高度為3mm，寬度為2mm，在與環(huán)刀凹槽貼合的一側(cè)預(yù)留了20mm*16mm*1mm的凹槽，便于薄膜壓力傳感器的放置。所述底座內(nèi)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(yīng)內(nèi)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(xiàn)場采集膨脹土原狀土樣和擾動土樣，進行基本物理性質(zhì)指標和工程性質(zhì)試驗。室內(nèi)試驗結(jié)果表明：百色高速公路膨脹土土樣的塑性指數(shù)為33.5％，自由膨脹率為63％。根據(jù)公路現(xiàn)行膨脹土判別分類標準，所取土樣為中等膨脹土。采用本實用新型一種土體側(cè)向膨脹力試驗方法，對廣西膨脹土進行試樣制備并進行側(cè)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個特制環(huán)刀(含箍環(huán))，稱重并記錄，在環(huán)刀凹槽中貼合已經(jīng)標定后的薄膜壓力傳感器，采用靜壓制樣的方法制取擾動土試件，控制其初始干密度為1.69g/cm³，保證試件表面光滑整齊、初始高度為20mm。

靜壓完成后讀取一次薄膜壓力傳感器數(shù)值，此時P_h0＝551.9kPa,然后將試樣從強度儀上拿下來，超固結(jié)效應(yīng)發(fā)生釋放，穩(wěn)定后讀數(shù)P_h1＝54.1kPa，說明在靜壓過程中產(chǎn)生的超固結(jié)效應(yīng)還沒得到完全釋放，故調(diào)松螺絲使環(huán)刀稍稍張開，完成超固結(jié)應(yīng)力的卸荷，然后再緩慢調(diào)緊螺絲使環(huán)刀閉合，保證試驗前傳感器讀數(shù)為其初始讀數(shù)。連同特制環(huán)刀、試樣和箍環(huán)再一次稱重，精確至0.01g，得到土樣質(zhì)量。

制樣完成后，按從上到下為護刀、特制環(huán)刀和底座的順序連接好，在特制環(huán)刀和護刀連接時，注意將薄膜壓力傳感器置于兩者的凹槽間，使其不發(fā)生彎折而造成損壞。然后，將整套設(shè)備底部置于土體側(cè)向膨脹力試驗裝置中的普通固結(jié)盒里大護環(huán)內(nèi)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，采用水準儀調(diào)平杠桿平衡系統(tǒng)，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(dǎo)線段通過數(shù)據(jù)采集儀與電腦連接。所述土體側(cè)向膨脹力試驗裝置結(jié)構(gòu)見附圖5；

打開數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置采樣頻率1Hz，采樣時間2d，開始實時監(jiān)測側(cè)向膨脹力。通過杠桿系統(tǒng)和加壓活塞對試樣施加設(shè)定載荷P＝50kPa，并開啟電子百分表進行豎向膨脹率的量測，通過電腦采集軟件可實現(xiàn)自動采集。向固結(jié)儀中注水，并始終保持水面超過試樣上表面5-8mm，使試樣自下而上浸水。

試驗完成后，保存數(shù)據(jù)并導(dǎo)出，取下試樣稱重并烘干，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(cè)向膨脹力峰值為68.4kPa，穩(wěn)定后的側(cè)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(tài)的土樣，通過靜壓制樣的方法制備1個環(huán)刀試件，初始干密度控制為1.69g/cm³。按照現(xiàn)行公路土工試驗規(guī)程(JTG E40-2007)中的膨脹力試驗方法得到試樣在該含水率和干密度狀態(tài)下的膨脹力，按規(guī)范的規(guī)定進行讀數(shù)，然后按公式計算膨脹力。膨脹力隨時間的變化如圖4曲線2所示，穩(wěn)定后的讀數(shù)為214.1kPa。

在相同的試驗土樣及試驗條件下，對比例1常規(guī)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(cè)向膨脹力試驗得到的曲線1的側(cè)向膨脹力為68.4kPa，僅為對比例1常規(guī)試驗方法測得豎向膨脹力的31.9％。常規(guī)方法中把所測得的豎向膨脹力作為側(cè)向膨脹力來進行邊坡支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以對比例1是完全按照規(guī)范來測試的，只測了豎向膨脹力，沒有測側(cè)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(huán)刀測得的有荷側(cè)向膨脹力比常規(guī)試驗方法測量得到的小得多且更接近實際工況中的側(cè)向膨脹力，目前的設(shè)計方法偏于保守了。