一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法
【专利摘要】本发明涉及土木工程【技术领域】，特别是涉及一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法。本发明提供一种路基干湿循环试验装置，包括由压力室底座和下敞口式压力室罩所构成的中空的压力室，所述中空的压力室中设有中空的试样装置，所述试样装置位于压力室底座上，所述试样装置底部为试样装置底座、侧壁为橡皮膜、顶部为试样上帽，所述试样装置底座上表面设有高进气值陶土板，所述试样上帽下表面设有透水石，还包括反压传感器、孔隙水压力传感器、气压传感器和围压传感器。本发明所提供的试验方法所用仪器制造简单，试验结果精度高，使用方便，满足试样干湿循环试验控制要求，可以直接进行各种多孔介质包括砂、砂土、粉土、黏土的干湿循环试验。
【专利说明】一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法【技术领域】
[0001] 本发明涉及土木(岩土)工程【技术领域】，进一步涉及一种土工测试方法，特别是涉及一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法。
【背景技术】
[0002]道路在运营期间，由于边坡渗流、地下水位升降、地表水蒸发与植物吸收等原因，将会造成路基湿度反复变化，特别是路基的边坡等位置极易出现此类干湿循环现象。已有研究表明，非饱和土经过反复干湿循环的应力路径后，其力学特性将产生不可逆转的变化。因此，针对干湿循环后的路基性能研究是保障路基稳定性、提闻路基路用性能的基础，而在室内模拟路基干湿循环是此类研究的第一步，也是关键的一步。目前，室内干湿循环试验主要应用于膨胀土研究，所采用的方法有常规的浸水(喷水)-蒸发干燥法，也有化学分析法。常规方法对含水率的变化情况没有有效的控制措施、对于试样在吸水过程中可能会出现膨胀破坏预防不足，且手段粗糙、人为影响因素多，误差大。化学分析法试验步骤多、溶液配制复杂、对使用人员技术要求高、不易操作。该申请就是要发明一种试验装置，以准确模拟路基干湿循环过程，确保试样经历干湿循环过程后依然满足后续试验要求。
【发明内容】
[0003]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，用于解决现有技术中的问题。
[0004]为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种路基干湿循环试验装置，包括由压力室底座和下敞口式压力室罩所构成的中空的压力室，所述中空的压力室中设有中空的试样装置，所述试样装置位于压力室底座上，所述试样装置底部为试样装置底座、侧壁为橡皮膜、顶部为试样上帽，所述试样装置底座上表面设有高进气值陶土板，所述试样上帽下表面设有透水石，还包括反压传感器、孔隙水压力传感器、气压传感器和围压传感器，所述反压传感器通过反压管道与高进气值陶土板相连，所述反压管道上设有反压控制阀，所述孔隙水压力传感器通过孔隙水压力管道与高进气值陶土板相连，所述气压传感器通过气压管道与透水石相连，所述气压传感器上设有气压控制阀，所述围压传感器通过围压管道与压力室相通，所述围压管道上设有围压控制阀。
[0005]在试验时，试样填充于试样装置中。
[0006]优选的，还包括固定杆，所述试样上帽通过固定杆与压力室罩罩体相连。
[0007]优选的，所述高进气值陶土板的上表面和所述透水石的下表面均设有滤纸。
[0008]优选的，所述反压控制阀、反压传感器、孔隙水压力传感器、气压控制阀、气压传感器、围压控制阀和围压传感器均位于压力室外。
[0009]优选的，所述橡皮膜长度为15~20cm,直径为4~6cm。
[0010]优选的,所述压力室罩内径≥20cm,高度为25~35cm。
[0011]优选的，所述试样装置底座的高度为7~9cm，[0012]优选的，所述试样上帽的高度为I?3cm，直径为4?6cm。一般情况下试样上帽的直径与橡皮膜的直径相匹配。
[0013]本领域技术人员可根据实际情况，选择适当的管道类型和尺寸作为气压管道、围压管道、反压管道。
[0014]优选的，所述气压管道、围压管道、反压管道采用高压水管或气管。
[0015]本发明第二方面提供一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，使用所述路基干湿循环试验装置，包括如下步骤:
[0016]I)将试样置于试样装置中，
[0017]2)关闭反压控制阀、气压控制阀和围压控制阀，在压力室内注满水；
[0018]3)开周围压力阀，先对试样施加一定量的围压，观察围压传感器读数，待围压变化稳定，开反压控制阀，再施加一定量的反压，检查孔隙水压力传感器，待孔隙水压力稳定，再进一步逐级交替提高围压和反压，直至试样饱和；
[0019]4)待试样饱和后，关闭反压控制阀，进一步适当提升围压至试样固结稳定；再关闭围压控制阀、打开气压控制阀，并将气压调节至与孔隙水压力相等，此时基质吸力S = O;
[0020]5)打开反压控制阀，并提升气压开始脱湿过程；
[0021]6)脱湿过程结束后，降低气压开始吸湿过程；
[0022]重复步骤5)和步骤6)进行干湿循环试验，评价试样的干湿循环性能。
[0023]优选的，所述步骤I)中，将橡皮膜分别与试样上帽和压力室底座扎紧，以密封内部试样。
[0024]优选的，所述步骤2)中的水不含有残留的气泡。
[0025]步骤3)中，施加围压的具体方式为通过围压管道注入水，施加反压的具体方式为通过反压管道注入水。
[0026]具体的，先对试样施加50kPa的围压，观察围压传感器读数，待围压变化稳定，开反压力控制阀，再施加40kPa的反压，检查孔隙水压力传感器，待孔隙水压力稳定，再进一步逐级交替提高围压和反压，每级围压和反压均为50kPa。每施加一级压力后都需测定孔隙水压力。
[0027]优选的，所述步骤3)中，所述试样饱和具体指:当孔隙水压力增量与围压压力增量之比小于0.98时,试样达到饱和。
[0028]所述孔隙水压力增量和围压压力增量具体指逐级施加围压和反压时，每次增加的量。
[0029]所述步骤3)的加压过程中，试样中本来所含有的少量空气由于压力提升，会溶于水内。
[0030]优选的，所述步骤4)中，围压值应与工程实际荷载相适应，根据土样所处层位计
算确定。
[0031]优选的，所述步骤5)中，所述脱湿过程的结束以反压管道中排水基本结束为准。
[0032]优选的，所述步骤6)中，所述吸湿过程的结束以反压管道中注水基本结束为准。
[0033]所述排水和注水基本结束具体为:24h测得试样排水或者吸水体积小于试样体积的 0.05%。
[0034]气压传感器的压力为Ua，孔隙水压力传感器的压力为uw。[0035]步骤3)中饱和完成时围压为σ。，步骤4)中固结稳定时围压为Otl，步骤5)中提升气压和步骤6)中降低气压的量为Aua。所述饱和完成时围压σ。为各级施加的围压之和。
[0036]优选的，重复步骤5)和步骤6)进行干湿循环的总次数为5-8次。
[0037]基质吸力控制法的试验原理就是运用轴平移技术控制基质吸力的改变，从而实现室内模拟路基干湿循环过程，采用轴平移技术，必须能够控制孔隙气压力，并且能够控制或者量测孔隙水压力，通常的做法是借助于封闭在仪器底座的饱和高进气值陶土板，这种陶土板是一种多孔陶瓷板，水可以通过，而自由空气不能通过，且须保证土样中的水同高进气值陶土板中的水是连续的，这样才能正确量测吸力；受公路所在地大气环境及地下水位等因素的综合影响，路基运营期的含水率远大于填筑期的最佳含水率ω_±2%情况，一般为ωορ?~ω_+7%，出于对路基最不利状态的考虑及便于试验过程的操作等方面，本方法建议选择路基饱和含水率为干湿循环上限，目标含水率为下限，即S = OkPa为基质吸力范围下限，目标含水率时的基质吸力做为上限；本试验所采用吸力平衡的判别标准为:24h测得试样排水或者吸水体积小于试样体积的0.05%，稳定后控制围压不变，进行下一级基质吸力加、减过程。
[0038]本发明第三方面提供所述路基干湿循环试验的基质吸力控制法在土工测试领域的应用。
[0039]如上所述，本发明所提供的试验方法所用仪器制造简单，试验结果精度高，使用方便，满足试样干湿循环试验控制要求，可以直接进行各种多孔介质包括砂、砂土、粉土、黏土的干湿循环试验。
[0040]此外，本发明所提供的试验方法和装置适用范围，可用于道路工程中遇到的各种多孔介质干湿循环过程的室内模拟试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1显示为本发明路基干湿循环试验装置示意图。
[0042]元件标号说明
[0043]I固定杆
[0044]2压力室罩
[0045]3试样
[0046]4橡皮膜
[0047]5滤纸
[0048]6高进气值陶土板
[0049]7压力室底座
[0050]8反压管道
[0051]9反压控制阀
[0052]10反压传感器
[0053]11孔隙水压力管道
[0054]12孔隙水压力传感器
[0055]13气压管道[0056]14气压控制阀
[0057]15气压传感器
[0058]16围压管道
[0059]17围压控制阀
[0060]18围压传感器
[0061]19透水石
[0062]20试样上帽
[0063]21试样装置底座
【具体实施方式】
[0064]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0065]请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内 容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0066]如图1所示，一种路基干湿循环试验装置，包括由压力室底座(7)和下敞口式压力室罩(2)所构成的中空的压力室，所述中空的压力室中设有中空的试样装置，所述试样装置位于压力室底座(7)上，所述试样装置底部为试样装置底座(21)、侧壁为橡皮膜(4)、顶部为试样上帽(20)，所述试样装置底座(21)上表面设有高进气值陶土板(6)，所述试样上帽(20)下表面设有透水石(19)，还包括反压传感器(10)、孔隙水压力传感器(12)、气压传感器(15)和围压传感器(18)，所述反压传感器(10)通过反压管道(8)与高进气值陶土板
(6)相连，所述反压管道(8)上设有反压控制阀(9)，所述孔隙水压力传感器(12)通过孔隙水压力管道(11)与高进气值陶土板(6)相连，所述气压传感器(15)通过气压管道(13)与透水石(19)相连，所述气压传感器(15)上设有气压控制阀(14)，所述围压传感器(18)通过围压管道(16)与压力室相通，所述围压管道(16)上设有围压控制阀(17)。还包括固定杆(I)，所述试样上帽(20)通过固定杆(I)与压力室罩(2)罩体相连。所述高进气值陶土板(6)的上表面和所述透水石(19)的下表面均设有滤纸(5)。所述反压控制阀(9)、反压传感器(10)、孔隙水压力传感器(12)、气压控制阀(14)、气压传感器(15)、围压控制阀(17)和围压传感器(18)均位于压力室外。
[0067]实施例1
[0068]实施例中所使用的装置的尺寸如下:
[0069]橡皮膜长度为15~20cm,直径为5cm ;压力室罩内径不小于20cm,高度为30cm ;试样装置底座下部高度为8cm，直径25cm，上部高度为4cm，直径5cm ;试样上帽高度2cm，直径5cm;气压管道、围压管道、反压管道采用高压水管(气管)，气压管道直径6_，围压管道、反压管道直径8mm。[0070]实例中所采用土样为低液限黏土 ；通过重型击实试验，得到土样的最佳含水率为
13.6%，最大干密度为1.82g/cm3。试验压实度为94%，目标含水率为18%，饱和含水率为21%,计算得围压控制值约为50kPa，测试采用圆柱体试件，于最佳含水率时静压法成型，试样高度IOcm,直径5cm。
[0071]I)将试样填充于试样装置中，将橡皮膜分别与试样上帽和压力室底座扎紧，以密封内部试样；
[0072]2)关闭反压控制阀、气压控制阀和围压控制阀，在压力室内注满纯水且水不含有残留的气泡；
[0073]3)先对试样施加50kPa的围压，观察围压传感器读数，待围压变化稳定，开反压力控制阀，再施加40kPa的反压，检查孔隙水压力传感器，待孔隙水压力稳定，再进一步逐级交替提高围压和反压，每级围压和反压均为50kPa。每施加一级压力后都需测定孔隙水压力，直至试样饱和；所述试样饱和具体指:当孔隙水压力增量与围压压力增量之比小于
0.98时，试样达到饱和；饱和完成时围压为σ。= 500kPa ；
[0074]4)待试样饱和后，关闭反压控制阀，进一步适当提升围压至试样固结稳定，提升量为50kPa ;再关闭围压控制阀、打开气压控制阀，并将气压调节至与孔隙水压力相等，ua = Uw=500kPa ;此时基质吸力S = O;
[0075]5)打开反压控制阀，并提升气压开始脱湿过程；脱湿过程的结束以反压管道中排水基本结束为准；Aua = 50kPa ；
[0076]6)脱湿过程结束后，降低气压开始吸湿过程；吸湿过程的结束以反压管道中注水基本结束为准；Aua = 50kPa ；
[0077]所述排水和注水基本结束具体为:24h测得试样排水或者吸水体积小于试样体积的0.05%;重复步骤5)和步骤6)进行干湿循环试验，评价试样的干湿循环性能，重复步骤
5)和步骤6)进行干湿循环的总次数为3次。
[0078]结果表明:各循环脱湿结束时的含水率(即目标含水率)Q1 = 18.53%?18.86%，吸湿结束时的含水率(即饱和含水率)ω2 = 19.73 %?21.50 %，各阶段试样含水率变异性低，相对误差在工程可接受范围内；此外，试验结束时，测得试样尺寸为h =100.lcm, d = 49.5mm,无明显体积变化现象发生。说明基质吸力控制法不仅能够降低试样因干湿循环而产生的体积膨胀现象，而且能够有效控制试样的各阶段目标含水率具有较高的精度。
[0079]综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0080]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种路基干湿循环试验装置，其特征在于，包括由压力室底座(7)和下敞口式压力室罩(2)所构成的中空的压力室，所述中空的压力室中设有中空的试样装置，所述试样装置位于压力室底座(7)上，所述试样装置底部为试样装置底座(21)、侧壁为橡皮膜(4)、顶部为试样上帽(20)，所述试样装置底座(21)上表面设有高进气值陶土板(6)，所述试样上帽(20)下表面设有透水石(19)，还包括反压传感器(10)、孔隙水压力传感器(12)、气压传感器(15)和围压传感器(18)，所述反压传感器(10)通过反压管道(8)与高进气值陶土板(6)相连，所述反压管道(8)上设有反压控制阀(9)，所述孔隙水压力传感器(12)通过孔隙水压力管道(11)与高进气值陶土板(6)相连，所述气压传感器(15)通过气压管道(13)与透水石(19)相连，所述气压传感器(15)上设有气压控制阀(14)，所述围压传感器(18)通过围压管道(16)与压力室相通，所述围压管道(16)上设有围压控制阀(17)。
2.如权利要求1所述的一种路基干湿循环试验装置，其特征在于，还包括固定杆(1)，所述试样上帽(20)通过固定杆(1)与压力室罩(2)罩体相连。
3.如权利要求1所述的一种路基干湿循环试验装置，其特征在于，所述高进气值陶土板(6)的上表面和所述透水石(19)的下表面均设有滤纸(5)。
4.如权利要求1所述的一种路基干湿循环试验装置，其特征在于，所述反压控制阀(9)、反压传感器(10)、孔隙水压力传感器(12)、气压控制阀(14)、气压传感器(15)、围压控制阀(17)和围压传感器(18)均位于压力室外。
5.如权利要求1所述的一种路基干湿循环试验装置，其特征在于，所述橡皮膜(4)长度为15~20cm，直径为4~6cm ;所述压力室罩(2)内径≥20cm，高度为25~35cm ;所述试样装置底座(21)的高度为7~9cm ;所述试样上帽(20)的高度为I~3cm，直径为4~6cm。
6.一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，使用如权利要求1-5任一权利要求所述的路基干湿循环试验装置，包括如下步骤: 1)将试样置于试样装置中， 2)关闭反压控制阀、气压控制阀和围压控制阀，在压力室内注满水； 3)开周围压力阀，先对试样施加一定量的围压，观察围压传感器读数，待围压变化稳定，开反压控制阀，再施加一定量的反压，检查孔隙水压力传感器，待孔隙水压力稳定，再进一步逐级交替提高围压和反压，直至试样饱和； 4)待试样饱和后，关闭反压控制阀，进一步适当提升围压至试样固结稳定；再关闭围压控制阀、打开气压控制阀，并将气压调节至与孔隙水压力相等，此时基质吸力S = O; 5)打开反压控制阀，并提升气压开始脱湿过程； 6)脱湿过程结束后，降低气压开始吸湿过程； 重复步骤5)和步骤6)进行干湿循环试验，评价试样的干湿循环性能。 优选的，所述步骤I)中，将橡皮膜分别与试样上帽和压力室底座扎紧，以密封内部试样。
7.如权利要求6所述的一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，其特征在于，所述步骤2)中的水不含有残留的气泡。
8.如权利要求6所述的一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，其特征在于，所述步骤3)中，所述试样饱和具体指:当孔隙水压力增量与围压压力增量之比小于0.98时，试样达到饱和。
9.如权利要求6所述的一种路基干湿循环试验的基质吸力控制法，其特征在于，所述步骤5)中，所述脱湿过程的结束以反压管道中排水基本结束为准，所述步骤6)中，所述吸湿过程的结束以反压管道中注水基本结束为准。
10.如权利要求6-9任一权利要求所述的路基干湿循环试验的基质吸力控制法在土工测试领域的应用。
【文档编号】G01N33/24GK103969422SQ201410192988
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】钱劲松, 凌建明, 李冬雪 申请人:同济大学