专利名称：一种用于土层湿陷性判定的测试装置及其测试方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程测试领域，尤其涉及一种土层湿陷性判定的测试装置及其测试方法。
背景技术：
湿陷性黄土地区的建设工程设计中，地基土的湿陷类型、湿陷等级及其平面与深度的界限，直接关系到建筑物的基础选型与地基处理方法，当然也就关系到地基基础的工期、造价和质量保证。国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》在现场勘察一节中对勘探点深度的规定中要求“应有一定数量的控制性取土勘探点穿透湿陷性黄土层”。在实际操作中，有些场地的湿陷性土层厚度可以参考邻近场地已有的岩土工程资料估算，以确定探井取样深度；有些场地无法预知湿陷性土层厚度，只有通过探井取样后进行室内土工试验得到，这就造成探井取样时无法确定取样深度，室内试验后探井已被回填而使得取土勘探点未能穿透湿陷性黄土层的问题。所以有必要在探井取样前，采用一种简单且有效的方法对土层进行湿陷性的判定，以确定探井取样深度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了提供一种体积小、操作简单、能用于对黄土湿陷性进行判定的原位测试装置，并能提供地层压缩性及承载力等参数。本发明提供一种用于土层湿陷性判定的测试装置，该测试装置包括从锥形探头开始依次连接的外套筒、推进杆及数据处理器，所述的锥形探头内包含有土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括水分传感器和负载电阻，应力传感器包括电阻应变片及顶柱，所述的数据处理器中包含信息输入装置及信息输出装置，数据处理器采用导线穿过推进杆连接至探头内，并通过分线器将电缆内导线分出连接至锥形探头内用于采集电子信号，所述的测试装置内还有注水装置，该注水装置包括注水开关、输水通道和注水环，所述注水环包括带孔隔板、砂砾和出水孔，位于锥形探头与外套筒连接处的圆筒外壁分布出水孔；上述的输水通道分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒内并靠近外套筒的筒壁，环形输水通道与外套筒共用轴线，输水管位于推进杆内并与环形输水通道相连接，该连接处有密封垫圈套，输水管的进水口上有注水开关，打开注水开关后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环的出水孔进入土壤中。上述外套筒可以为圆筒型金属外套筒，输水通道和注水环是由外壁和内壁组成的双层中间有空腔的环形圆筒构成，上部内壁有孔和输水管相接，下部用隔板隔出10 20mm高部分充填砂砾作为注水环。注水环和输水通道为同一环形圆筒，因此其制作简单，隔出注 水环是因为只需在外壁有孔的部位充填砂砾，外壁有孔的高度不能太高，能顺利出水即可。输水通道做成环形通道的目的是水可以均匀地分布在注水环里而注入土中。输水管的进水口上有注水开关，打开注水开关后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环进入土壤中。
本发明体积小、操作简单，能够在现场直接对原位土体进行试验，测定湿陷土层厚度及分界面，具有简单直观的优点，所述测试装置能够在现场土层不开挖取样情况下，通过原位测试对土体的湿陷性进行判定，初步确定湿陷性与非湿陷性土层的分界面及湿陷土层厚度，以此确定湿陷性土层下限深度，进而确定勘察时探井的取样深度；对于大面积的土性调查，优越性尤其明显，不用开挖，省时省力。
所述环形输水通道为双层中间有空腔的环型圆筒，称为圆筒双层壁通道，其圆筒双层壁的间隙为3 6_，其中圆筒双层壁的间隙优选为5_，可以达到最佳的注水效果；所述注水环位于锥形探头与外套筒的连接处，顶部由带孔隔板与输水通道隔开，带孔隔板用于隔开外套筒和砂砾，注水环空腔内填充有直径I. 5 2. 5mm的砂砾颗粒，该砂砾颗粒的直径优选为2_，主要是起滤层作用，既能够防止泥土堵塞注水通道，又能够让注入的水顺利通过；注水环圆筒外壁分布大量孔径为0. 8 2mm的出水孔，出水孔的孔径优选为1mm，该孔径下，可顺利排水，同时又可阻止空腔内的砂砾漏出。上述的注水环圆筒外壁分布孔径为0. 8 2mm的出水孔，可根据不同的土壤来采用不同孔径的出水孔，对于常见的黄土层，孔径为Imm效果最好，既能顺利排水，又能防止出水孔被堵塞。本发明的进一步改进在于，注水环的高度为I 3cm，即填充砂砾和出水孔的顶部平面距离锥形探头锥底平面的高度为I 3cm ;锥形探头的圆锥体锥尖角一般为55 65度，其中60度是优选的锥尖角，此角度下，锥形探头前进的阻力适中，可取得良好的测试数据；锥形探头的圆锥体底面直径为3 5cm，其中优选的直径为4. 5cm，此时投影面的面积约16cm2，即圆锥体底部面积；锥形探头的圆锥体的锥尖为球型，球型锥尖与圆锥体相切的圆形横截面为锥尖平面，该锥尖平面的直径为I. 5 3mm，其中优选直径为2mm，锥尖被削成球型后，在土壤中前进的阻力变均匀，更有利于提高测试数据的精确度。此发明仪器能在现场直接对原位土体进行试验，测定湿陷土层厚度及分界面，具有简单直观的优势。它是基于如下理论实现的非湿陷性土层中，非饱和土的强度高于饱和土，随含水量的增加其强度缓慢下降；湿陷性土层中，土体结构强度在较低的初始含水量时表现为较高的强度，但随着含水量的增加，土体结构受浸水破坏，其强度随之迅速降低，当含水量提高到一定值(或称为临界含水量)时，就不再存在结构强度了。因而，通过比较天然含水量土体和饱和土体的强度变化，能初判黄土是否为湿陷性黄土 ； 土体的强度则通过锥形探头贯入阻力来测定。本发明还提供一种根据上述测试装置来判定土层湿陷性的测试方法，包括如下测试判定步骤I)对测试装置顶部施加一个力，将锥形探头匀速压入土中，测得某一深度处土的贯入阻力，推算该处土的强度，其中，所述贯入阻力与土体抗剪强度直接存在以下关系T=aR-b ；其中，不排水抗剪强度T同土体极限承载力qu存在如下关系T =qu/c，所述c为系数，2 < c < 3，所述天然状态土体强度与锥形探头的圆锥体底面积关系为P = qu S ;2)开启水阀，加水使锥形探头所在位置土层至饱和后测该处的饱和土体强度；3)通过比较土体浸水前后强度的变化，判定土层的湿陷性，其中，P彡6MPa时，判定为非湿陷性土 ；P < 6MPa时，当p/pm彡3. 5时,判定为湿陷性土 ；P < 6MPa时，当p/pm< 3. 5时，判定为非湿陷性土 ；其中，所述p为天然状态土体强度，Pffl为饱和状态土体强度。更为详细的，所述判定土层湿陷性的测试方法解释如下首先，对测试装置顶部施加一个力，将锥形探头匀速压入土中，测得某一深度处土的贯入阻力，可推算该处土的强度，其中，此锥形探头的加力方法是在地面上设置反力装置，通过油压设备，对测试装置顶端施加贯入力。然后，需要判别土体湿陷性时，开启注水开关，加水至锥形探头所在位置土层至饱和后测该处的饱和土体强度。锥尖周围体积为V的土体从天然含水量w ^加水至饱和含水量O1时，所需注水量V1同锥尖底面半径r及天然含水量Qci存在以下关系
权利要求
1.一种用于土层湿陷性判定的测试装置，包括从锥形探头(16)开始依次连接的外套筒(12)、推进杆(10)及数据处理器(8)，所述锥形探头(16)内包含有土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括水分传感器(I)和负载电阻(2)，应力传感器包括电阻应变片(3)和顶柱(4)，所述的数据处理器(8)中包含信息输入装置及信息输出装置，数据处理器(8)采用电缆(6)穿过推进杆(10)连接至锥形探头(16)，并通过分线器(5)将电缆(6)内导线分出连接至锥形探头(16)用于采集电子信号，其特征在于，所述的测试装置内还有注水装置，该注水装置包括注水开关(9)、输水通道(7)和注水环，所述注水环包括带孔隔板(13)、砂砾(14)和出水孔(15)，位于锥形探头(16)与外套筒(12)连接处的圆筒外壁分布出水孔(15);所述输水通道(7)分两部分，一部分为环形输水通道，另一部分为输水管，其中环形输水通道位于外套筒(12)内并靠近外套筒(12)的筒壁，环形输水通道与外套筒(12)共用轴线，输水管位于推进杆(10)内并与环形输水通道相连接，该连接处有密封垫圈套(11)，输水管的进水口上有注水开关(9)，打开注水开关(9)后，水流通过输水管进入环形输水通道，再通过注水环的出水孔(15)进入土壤中。
2.如权利要求I所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于 所述环形输水通道为圆筒双层壁通道，其圆筒双层壁的间隙为3 6_ ; 圆筒下部的注水环中填充直径I. 5 2. 5mm的砂碌(14)颗粒； 填充砂砾(14)的注水环圆筒外壁上面分布有孔径为O. 8 2_的出水孔(15)。
3.如权利要求I或2所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于 注水环的高度为I 3cm，即填充砂砾(14)和出水孔(15)的顶部平面距离锥形探头(16)锥底平面的高度为I 3cm ; 锥形探头(16)的圆锥体锥尖角为55 65度； 圆锥体的锥尖(17)为球型，球型的锥尖(17)与圆锥体相切的圆形横截面直径为L 5 3mm ； 锥形探头(16)的圆锥体底面直径为3 5cm。
4.如权利要求3所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于 所述环形输水通道为圆筒双层壁通道，其圆筒双层壁的间隙为5_ ； 圆筒下部的注水环中填充直径2mm砂砾(14)颗粒； 注水环外壁分布孔径为Imm的出水孔(15)。
5.如权利要求4所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于注水环的高度为 I. 5cm。
6.如权利要求5所述的用于土层湿陷性判定的测试装置，其特征在于 锥形探头(16)的圆锥体锥尖角为60度； 锥尖(17)与圆锥体相切的圆形横截面直径为2mm ； 锥形探头(16)的圆锥体底面直径为4.5cm。
7.一种根据权利要求I或2所述的测试装置来判定土层湿陷性的测试方法，其特征在于，包括如下测试判定步骤.1)对测试装置顶部施加一个力，将锥形探头(16)匀速压入土中，测得某一深度处土的贯入阻力，推算该处土的强度，其中，所述贯入阻力与土体抗剪强度关系如下τ = aR-b ；其中，不排水抗剪强度τ与土体极限承载力qu存在如下关系τ =qu/c，所述c为系数，2 < c < 3，所述天然状态土体强度与锥形探头(16)的圆锥体底面积关系为P = qu-S； 2)开启注水开关，加水使锥形探头(16)所在位置土层至饱和后测该处的饱和土体强度；以及， 3)通过比较土体浸水前后强度的变化，判定土层的湿陷性，其中，P^ 6MPa时，判定为非湿陷性土 ；P < 6MPa时，当p/pm彡3. 5时，判定为湿陷性土 ；P < 6MPa时，当p/pm < 3. 5时，判定为肖_湿陷性土 ； 其中，所述P为天然状态土体强度，Pffl为饱和状态土体强度。
8.如权利要求7所述的判定土层湿陷性的测试方法，其特征在于，当锥形探头(16)的贯入速率较未浸水时的贯入速率增大，则判定黄土产生湿陷；若土层遇水后在未加贯入压力也会产生贯入阻力的变化，则判定为自重湿陷性黄土；若土层在施加贯入压力才会有贯入阻力的变化，则判定为非自重湿陷性黄土。
9.如权利要求7所述的判定土层湿陷性的测试方法，其特征在于，在控制所述锥形探头(16)的探入深度时，最小时步控制为50cm，其中，所述时步为锥形探头两个测点的间隔距离。
全文摘要
本发明提供一种用于土层湿陷性判定的测试装置及其测试方法，所述测试装置包括从锥形探头开始依次连接的外套筒、推进杆及数据处理器，锥形探头内包含有土壤水分探测器及应力传感器，土壤水分探测器包括负载电阻和水分传感器，用于探测土体内的含水量，应力传感器包括应变片和顶柱，用于测量锥形探头的贯入阻力；该测试装置内还有注水装置用于测试土体强度时模拟临界含水量。本发明体积小、操作简单、能用于对黄土湿陷性进行初判，该测试装置能够在现场土层不开挖取样情况下，初步确定湿陷性与非湿陷性土层的分界面及湿陷土层厚度，以此确定湿陷性土层下限深度，进而确定勘察时探井的取样深度；对于大面积的土性调查，优越性尤其明显。
文档编号G01N33/24GK102636631SQ201210116539
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者张可, 张森安, 张豫川, 辛明静, 高毅 申请人:兰州大学