專利名稱：一種用于土層濕陷性判定的測試裝置及其測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程測試領(lǐng)域，尤其涉及一種土層濕陷性判定的測試裝置及其測試方法。
背景技術(shù)：
濕陷性黃土地區(qū)的建設(shè)工程設(shè)計(jì)中，地基土的濕陷類型、濕陷等級及其平面與深度的界限，直接關(guān)系到建筑物的基礎(chǔ)選型與地基處理方法，當(dāng)然也就關(guān)系到地基基礎(chǔ)的工期、造價(jià)和質(zhì)量保證。國家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》在現(xiàn)場勘察一節(jié)中對勘探點(diǎn)深度的規(guī)定中要求“應(yīng)有一定數(shù)量的控制性取土勘探點(diǎn)穿透濕陷性黃土層”。在實(shí)際操作中，有些場地的濕陷性土層厚度可以參考鄰近場地已有的巖土工程資料估算，以確定探井取樣深度；有些場地?zé)o法預(yù)知濕陷性土層厚度，只有通過探井取樣后進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)得到，這就造成探井取樣時(shí)無法確定取樣深度，室內(nèi)試驗(yàn)后探井已被回填而使得取土勘探點(diǎn)未能穿透濕陷性黃土層的問題。所以有必要在探井取樣前，采用一種簡單且有效的方法對土層進(jìn)行濕陷性的判定，以確定探井取樣深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了提供一種體積小、操作簡單、能用于對黃土濕陷性進(jìn)行判定的原位測試裝置，并能提供地層壓縮性及承載力等參數(shù)。本發(fā)明提供一種用于土層濕陷性判定的測試裝置，該測試裝置包括從錐形探頭開始依次連接的外套筒、推進(jìn)桿及數(shù)據(jù)處理器，所述的錐形探頭內(nèi)包含有土壤水分探測器及應(yīng)力傳感器，土壤水分探測器包括水分傳感器和負(fù)載電阻，應(yīng)力傳感器包括電阻應(yīng)變片及頂柱，所述的數(shù)據(jù)處理器中包含信息輸入裝置及信息輸出裝置，數(shù)據(jù)處理器采用導(dǎo)線穿過推進(jìn)桿連接至探頭內(nèi)，并通過分線器將電纜內(nèi)導(dǎo)線分出連接至錐形探頭內(nèi)用于采集電子信號，所述的測試裝置內(nèi)還有注水裝置，該注水裝置包括注水開關(guān)、輸水通道和注水環(huán)，所述注水環(huán)包括帶孔隔板、砂礫和出水孔，位于錐形探頭與外套筒連接處的圓筒外壁分布出水孔；上述的輸水通道分兩部分，一部分為環(huán)形輸水通道，另一部分為輸水管，其中環(huán)形輸水通道位于外套筒內(nèi)并靠近外套筒的筒壁，環(huán)形輸水通道與外套筒共用軸線，輸水管位于推進(jìn)桿內(nèi)并與環(huán)形輸水通道相連接，該連接處有密封墊圈套，輸水管的進(jìn)水口上有注水開關(guān)，打開注水開關(guān)后，水流通過輸水管進(jìn)入環(huán)形輸水通道，再通過注水環(huán)的出水孔進(jìn)入土壤中。上述外套筒可以為圓筒型金屬外套筒，輸水通道和注水環(huán)是由外壁和內(nèi)壁組成的雙層中間有空腔的環(huán)形圓筒構(gòu)成，上部內(nèi)壁有孔和輸水管相接，下部用隔板隔出10 20mm高部分充填砂礫作為注水環(huán)。注水環(huán)和輸水通道為同一環(huán)形圓筒，因此其制作簡單，隔出注 水環(huán)是因?yàn)橹恍柙谕獗谟锌椎牟课怀涮钌暗[，外壁有孔的高度不能太高，能順利出水即可。輸水通道做成環(huán)形通道的目的是水可以均勻地分布在注水環(huán)里而注入土中。輸水管的進(jìn)水口上有注水開關(guān)，打開注水開關(guān)后，水流通過輸水管進(jìn)入環(huán)形輸水通道，再通過注水環(huán)進(jìn)入土壤中。
本發(fā)明體積小、操作簡單，能夠在現(xiàn)場直接對原位土體進(jìn)行試驗(yàn)，測定濕陷土層厚度及分界面，具有簡單直觀的優(yōu)點(diǎn)，所述測試裝置能夠在現(xiàn)場土層不開挖取樣情況下，通過原位測試對土體的濕陷性進(jìn)行判定，初步確定濕陷性與非濕陷性土層的分界面及濕陷土層厚度，以此確定濕陷性土層下限深度，進(jìn)而確定勘察時(shí)探井的取樣深度；對于大面積的土性調(diào)查，優(yōu)越性尤其明顯，不用開挖，省時(shí)省力。
所述環(huán)形輸水通道為雙層中間有空腔的環(huán)型圓筒，稱為圓筒雙層壁通道，其圓筒雙層壁的間隙為3 6_，其中圓筒雙層壁的間隙優(yōu)選為5_，可以達(dá)到最佳的注水效果；所述注水環(huán)位于錐形探頭與外套筒的連接處，頂部由帶孔隔板與輸水通道隔開，帶孔隔板用于隔開外套筒和砂礫，注水環(huán)空腔內(nèi)填充有直徑I. 5 2. 5mm的砂礫顆粒，該砂礫顆粒的直徑優(yōu)選為2_，主要是起濾層作用，既能夠防止泥土堵塞注水通道，又能夠讓注入的水順利通過；注水環(huán)圓筒外壁分布大量孔徑為0. 8 2mm的出水孔，出水孔的孔徑優(yōu)選為1mm，該孔徑下，可順利排水，同時(shí)又可阻止空腔內(nèi)的砂礫漏出。上述的注水環(huán)圓筒外壁分布孔徑為0. 8 2mm的出水孔，可根據(jù)不同的土壤來采用不同孔徑的出水孔，對于常見的黃土層，孔徑為Imm效果最好，既能順利排水，又能防止出水孔被堵塞。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，注水環(huán)的高度為I 3cm，即填充砂礫和出水孔的頂部平面距離錐形探頭錐底平面的高度為I 3cm ;錐形探頭的圓錐體錐尖角一般為55 65度，其中60度是優(yōu)選的錐尖角，此角度下，錐形探頭前進(jìn)的阻力適中，可取得良好的測試數(shù)據(jù)；錐形探頭的圓錐體底面直徑為3 5cm，其中優(yōu)選的直徑為4. 5cm，此時(shí)投影面的面積約16cm2，即圓錐體底部面積；錐形探頭的圓錐體的錐尖為球型，球型錐尖與圓錐體相切的圓形橫截面為錐尖平面，該錐尖平面的直徑為I. 5 3mm，其中優(yōu)選直徑為2mm，錐尖被削成球型后，在土壤中前進(jìn)的阻力變均勻，更有利于提高測試數(shù)據(jù)的精確度。此發(fā)明儀器能在現(xiàn)場直接對原位土體進(jìn)行試驗(yàn)，測定濕陷土層厚度及分界面，具有簡單直觀的優(yōu)勢。它是基于如下理論實(shí)現(xiàn)的非濕陷性土層中，非飽和土的強(qiáng)度高于飽和土，隨含水量的增加其強(qiáng)度緩慢下降；濕陷性土層中，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在較低的初始含水量時(shí)表現(xiàn)為較高的強(qiáng)度，但隨著含水量的增加，土體結(jié)構(gòu)受浸水破壞，其強(qiáng)度隨之迅速降低，當(dāng)含水量提高到一定值(或稱為臨界含水量)時(shí)，就不再存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度了。因而，通過比較天然含水量土體和飽和土體的強(qiáng)度變化，能初判黃土是否為濕陷性黃土 ； 土體的強(qiáng)度則通過錐形探頭貫入阻力來測定。本發(fā)明還提供一種根據(jù)上述測試裝置來判定土層濕陷性的測試方法，包括如下測試判定步驟I)對測試裝置頂部施加一個(gè)力，將錐形探頭勻速壓入土中，測得某一深度處土的貫入阻力，推算該處土的強(qiáng)度，其中，所述貫入阻力與土體抗剪強(qiáng)度直接存在以下關(guān)系T=aR-b ；其中，不排水抗剪強(qiáng)度T同土體極限承載力qu存在如下關(guān)系T =qu/c，所述c為系數(shù)，2 < c < 3，所述天然狀態(tài)土體強(qiáng)度與錐形探頭的圓錐體底面積關(guān)系為P = qu S ;2)開啟水閥，加水使錐形探頭所在位置土層至飽和后測該處的飽和土體強(qiáng)度；3)通過比較土體浸水前后強(qiáng)度的變化，判定土層的濕陷性，其中，P彡6MPa時(shí)，判定為非濕陷性土 ；P < 6MPa時(shí)，當(dāng)p/pm彡3. 5時(shí),判定為濕陷性土 ；P < 6MPa時(shí)，當(dāng)p/pm< 3. 5時(shí)，判定為非濕陷性土 ；其中，所述p為天然狀態(tài)土體強(qiáng)度，Pffl為飽和狀態(tài)土體強(qiáng)度。更為詳細(xì)的，所述判定土層濕陷性的測試方法解釋如下首先，對測試裝置頂部施加一個(gè)力，將錐形探頭勻速壓入土中，測得某一深度處土的貫入阻力，可推算該處土的強(qiáng)度，其中，此錐形探頭的加力方法是在地面上設(shè)置反力裝置，通過油壓設(shè)備，對測試裝置頂端施加貫入力。然后，需要判別土體濕陷性時(shí)，開啟注水開關(guān)，加水至錐形探頭所在位置土層至飽和后測該處的飽和土體強(qiáng)度。錐尖周圍體積為V的土體從天然含水量w ^加水至飽和含水量O1時(shí)，所需注水量V1同錐尖底面半徑r及天然含水量Qci存在以下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種用于土層濕陷性判定的測試裝置，包括從錐形探頭(16)開始依次連接的外套筒(12)、推進(jìn)桿(10)及數(shù)據(jù)處理器(8)，所述錐形探頭(16)內(nèi)包含有土壤水分探測器及應(yīng)力傳感器，土壤水分探測器包括水分傳感器(I)和負(fù)載電阻(2)，應(yīng)力傳感器包括電阻應(yīng)變片(3)和頂柱(4)，所述的數(shù)據(jù)處理器(8)中包含信息輸入裝置及信息輸出裝置，數(shù)據(jù)處理器(8)采用電纜(6)穿過推進(jìn)桿(10)連接至錐形探頭(16)，并通過分線器(5)將電纜(6)內(nèi)導(dǎo)線分出連接至錐形探頭(16)用于采集電子信號，其特征在于，所述的測試裝置內(nèi)還有注水裝置，該注水裝置包括注水開關(guān)(9)、輸水通道(7)和注水環(huán)，所述注水環(huán)包括帶孔隔板(13)、砂礫(14)和出水孔(15)，位于錐形探頭(16)與外套筒(12)連接處的圓筒外壁分布出水孔(15);所述輸水通道(7)分兩部分，一部分為環(huán)形輸水通道，另一部分為輸水管，其中環(huán)形輸水通道位于外套筒(12)內(nèi)并靠近外套筒(12)的筒壁，環(huán)形輸水通道與外套筒(12)共用軸線，輸水管位于推進(jìn)桿(10)內(nèi)并與環(huán)形輸水通道相連接，該連接處有密封墊圈套(11)，輸水管的進(jìn)水口上有注水開關(guān)(9)，打開注水開關(guān)(9)后，水流通過輸水管進(jìn)入環(huán)形輸水通道，再通過注水環(huán)的出水孔(15)進(jìn)入土壤中。
2.如權(quán)利要求I所述的用于土層濕陷性判定的測試裝置，其特征在于 所述環(huán)形輸水通道為圓筒雙層壁通道，其圓筒雙層壁的間隙為3 6_ ; 圓筒下部的注水環(huán)中填充直徑I. 5 2. 5mm的砂碌(14)顆粒； 填充砂礫(14)的注水環(huán)圓筒外壁上面分布有孔徑為O. 8 2_的出水孔(15)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的用于土層濕陷性判定的測試裝置，其特征在于 注水環(huán)的高度為I 3cm，即填充砂礫(14)和出水孔(15)的頂部平面距離錐形探頭(16)錐底平面的高度為I 3cm ; 錐形探頭(16)的圓錐體錐尖角為55 65度； 圓錐體的錐尖(17)為球型，球型的錐尖(17)與圓錐體相切的圓形橫截面直徑為L 5 3mm ； 錐形探頭(16)的圓錐體底面直徑為3 5cm。
4.如權(quán)利要求3所述的用于土層濕陷性判定的測試裝置，其特征在于 所述環(huán)形輸水通道為圓筒雙層壁通道，其圓筒雙層壁的間隙為5_ ； 圓筒下部的注水環(huán)中填充直徑2mm砂礫(14)顆粒； 注水環(huán)外壁分布孔徑為Imm的出水孔(15)。
5.如權(quán)利要求4所述的用于土層濕陷性判定的測試裝置，其特征在于注水環(huán)的高度為 I. 5cm。
6.如權(quán)利要求5所述的用于土層濕陷性判定的測試裝置，其特征在于 錐形探頭(16)的圓錐體錐尖角為60度； 錐尖(17)與圓錐體相切的圓形橫截面直徑為2mm ； 錐形探頭(16)的圓錐體底面直徑為4.5cm。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的測試裝置來判定土層濕陷性的測試方法，其特征在于，包括如下測試判定步驟.1)對測試裝置頂部施加一個(gè)力，將錐形探頭(16)勻速壓入土中，測得某一深度處土的貫入阻力，推算該處土的強(qiáng)度，其中，所述貫入阻力與土體抗剪強(qiáng)度關(guān)系如下τ = aR-b ；其中，不排水抗剪強(qiáng)度τ與土體極限承載力qu存在如下關(guān)系τ =qu/c，所述c為系數(shù)，2 < c < 3，所述天然狀態(tài)土體強(qiáng)度與錐形探頭(16)的圓錐體底面積關(guān)系為P = qu-S； 2)開啟注水開關(guān)，加水使錐形探頭(16)所在位置土層至飽和后測該處的飽和土體強(qiáng)度；以及， 3)通過比較土體浸水前后強(qiáng)度的變化，判定土層的濕陷性，其中，P^ 6MPa時(shí)，判定為非濕陷性土 ；P < 6MPa時(shí)，當(dāng)p/pm彡3. 5時(shí)，判定為濕陷性土 ；P < 6MPa時(shí)，當(dāng)p/pm < 3. 5時(shí)，判定為肖_濕陷性土 ； 其中，所述P為天然狀態(tài)土體強(qiáng)度，Pffl為飽和狀態(tài)土體強(qiáng)度。
8.如權(quán)利要求7所述的判定土層濕陷性的測試方法，其特征在于，當(dāng)錐形探頭(16)的貫入速率較未浸水時(shí)的貫入速率增大，則判定黃土產(chǎn)生濕陷；若土層遇水后在未加貫入壓力也會產(chǎn)生貫入阻力的變化，則判定為自重濕陷性黃土；若土層在施加貫入壓力才會有貫入阻力的變化，則判定為非自重濕陷性黃土。
9.如權(quán)利要求7所述的判定土層濕陷性的測試方法，其特征在于，在控制所述錐形探頭(16)的探入深度時(shí)，最小時(shí)步控制為50cm，其中，所述時(shí)步為錐形探頭兩個(gè)測點(diǎn)的間隔距離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于土層濕陷性判定的測試裝置及其測試方法，所述測試裝置包括從錐形探頭開始依次連接的外套筒、推進(jìn)桿及數(shù)據(jù)處理器，錐形探頭內(nèi)包含有土壤水分探測器及應(yīng)力傳感器，土壤水分探測器包括負(fù)載電阻和水分傳感器，用于探測土體內(nèi)的含水量，應(yīng)力傳感器包括應(yīng)變片和頂柱，用于測量錐形探頭的貫入阻力；該測試裝置內(nèi)還有注水裝置用于測試土體強(qiáng)度時(shí)模擬臨界含水量。本發(fā)明體積小、操作簡單、能用于對黃土濕陷性進(jìn)行初判，該測試裝置能夠在現(xiàn)場土層不開挖取樣情況下，初步確定濕陷性與非濕陷性土層的分界面及濕陷土層厚度，以此確定濕陷性土層下限深度，進(jìn)而確定勘察時(shí)探井的取樣深度；對于大面積的土性調(diào)查，優(yōu)越性尤其明顯。
文檔編號G01N33/24GK102636631SQ201210116539
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者張可, 張森安, 張?jiān)ゴ? 辛明靜, 高毅 申請人:蘭州大學(xué)