本发明涉及一种土壤测量装置，尤其是涉及一种勘探工程土壤膨胀率测量装置以及测量方法。
背景技术：
膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土。膨胀土特性主要包括胀缩性、超固结性、裂隙性以及强度衰减特性等。膨胀土工程性状的特殊性表现为吸水膨胀软化，失水收缩干裂；强度随含水率的变化波动幅度大，峰值强度高、残余强度低；具有超固结性和裂隙性。膨胀土作为路基工程中常见的一种特殊土路基，常在水和交通荷载的共同作用下发生路基下沉外挤、基床翻浆冒泥以及滑坡等病害。
我国膨胀土主要分布在云南、广西、河南、湖北、山西、陕西、甘肃、新疆、内蒙、东北等地区。在这些膨胀土膨胀土地区的工程建设中，常用膨胀土作为建筑物以及工程的地基。由于膨胀土含有强亲水性土矿物成分如蒙脱石和伊利石，使得膨胀土吸水膨胀，失水收缩，从而引起建筑物的开裂、倾斜破坏，或使开挖体的边坡产生滑移失稳等现象，对工程建筑产生极大的危害。
因而从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害无所不包，成为浅表层轻型工程建设的技术难题。加强对膨胀土工程特性的研究，总结探讨其内在的变形规律性，对工程建设具有十分重要的经济意义和工程实践价值。
在膨胀土众多膨胀指标之中,有荷膨胀率是最具有工程指导意义的一项,表征在一定的上覆荷载及侧限条件下,膨胀土吸水膨胀的强弱,能够较为真实地模拟路基实际受荷状态。因此研究膨胀土的有荷膨胀率具有十分重大的工程实际意义。
现有技术中，膨胀土的膨胀率的测量方法通常是在含水容器中底部设置透水石层，将土壤试样设置于透水石层上，容器内的水通过透水石层传递到土壤试样中，使土壤膨胀后测量土壤的膨胀力或者膨胀率，例如上海大学、北京交通大学、以及山东大学分别在201210390847.6、201310311612.8、CN201510059071.8的发明专利中所示的。
但是，现有技术的上述技术方案中，测量容器中的水从试样的底部或者顶部渗透到试样中需要足够长的时间，而对于土壤膨胀力或者膨胀力的测量需要在整个测量周期中多个时间节点进行测量，对于早期的测量节点测量容器中水还没有完全渗透到试样中，导致测量值无法反应试样的真实物理参数。
技术实现要素：
本发明提供了一种土壤试样膨胀测量装置以及测量方法，能够在土壤膨胀测量中对于早期的测量节点也能够反应试样的真实物理参数。
作为本发明的一个方面，提供一种土壤膨胀率测量装置，用于测量土壤径向膨胀率，包括：密封基座、环刀、固定顶板以及供水槽；所述环刀设置于所述密封基座上；所述土壤试样为环形土壤试样，其与所述环刀同轴设置，其内壁与所述环刀紧密接触；所述环刀包括上半部以及下半部，所述上半部为密封结构，所述下半部沿周向均匀设置透水孔；所述环刀内部设置透水石，所述供水槽通过管路向所述环刀内部供水；所述固定顶板设置于土壤试样上方，包括环形顶板以及与环形顶板固定的可伸缩杆П形杆，所述可伸缩杆П形杆能够通过螺栓固定于所述密封基座。
优选的，所述密封基座上表面设置以环刀底面圆点为零点，左右两侧延伸的刻度线。
优选的，所述环形顶板的内环与所述土壤试样的内径相同，所述环形顶板的外径大于所述土壤试样的外径。
优选的，所述环形顶板的外径大于所述土壤试样的外径的1.3倍。
优选的，所述土壤为膨胀土。
优选的，所述环刀内表面能够贴附滤纸。
优选的，所述土壤试样的高度低于所述环刀下半部高度。
优选的，还包括塑料薄膜，所述塑料薄膜用于包裹所述环刀外表面，其高度高于所述环刀。
作为本发明的另外一个方面，提供上述土壤膨胀率测量装置的测量方法，包括如下步骤：（1）准备试验用土；（2）将环刀外表面包裹塑料薄膜，通过环刀以及直径大于环刀的外环刀在密封基座上制备将试验用土制备试样；制备成的试样为环形试样，内壁与所述环刀紧密接触；（3）在环刀内表面贴附滤纸；（4）向环刀内部加入透水石；（5）调整П形杆的高度，使固定顶板与试样顶部紧密接触，通过螺栓使固定顶板固定，确定土壤试样外环的初始直径；（6）通过供水槽向环刀内部注入测试水；（7）在测试水到达环刀的底部后，向上抽拉环刀外表面包裹的塑料薄膜，使塑料薄膜的底部与试样顶部位于同一高度；（8）间隔特定时间，记录土壤试样外环的实时直径，直到试样膨胀结束。
优选的，在所述步骤（4）中，在向环刀内部加入透水石前，在所述环刀的内壁底部设置一圈环形PH试纸；所述步骤（6）中，所述测试水为酸性水或者碱性水；在所述步骤（7）中，根据所述环形PH试纸的颜色变化判断测试水到达环刀内部的底部。
优选的，还包括步骤（9）通过各个测试时间的测量值，确定土壤试样在各个测试时间的膨胀率。
优选的，所述步骤（9）中，各个测试时间的土壤试样的膨胀率的计算方法为：δ＝(Vt-V0)/V0，其中V0为土壤试样的初始体积V0＝π（r12－r22）h，Vt为测试时间t时土壤试样的实时体积Vt＝π（rt2－r22）h，其中r1为土壤试样外环初始半径，r2为土壤试样内环半径，rt为测试时间t时土壤试样外环实时半径，h为土壤试样高度。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将使用实施例对本发明进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些实施例获取其他的技术方案，也属于本发明的公开范围。
如图1所示，本发明实施例的土壤试样膨胀测量装置，用于测量土壤径向膨胀率，包括：密封基座10，环刀20，固定顶板30以及供水槽40。
其中，密封基座10设置于底部，环刀20设置于密封基座10上。在检测时，环形土壤试样50设置于密封基座10上，其与环刀20同轴设置，其内壁与环刀20紧密接触。环形土壤试样50使用待检测的膨胀土制备。在密封基座10上表面设置以圆点为零点，左右两侧延伸的刻度线。从而，通过刻度线能够确定环形土壤试样50膨胀后的外径。
环刀20包括上半部21以及下半部22，上半部21为密封结构，下半部22沿周向均匀设置透水孔23。优选的，由于水压随着深度增加，可以将透水孔23的直径从下半部22的底部到顶部逐渐增大，从而使试样的各个高度渗透均匀的水量。优先的，透水孔23的总面积站下半部22面积的20%～40%，优选的，透水孔23的总面积站下半部22面积的30%。在检测时，在环刀20的内表面贴附滤纸24。环刀20的下半部22内部设置透水石区域25，供水槽40通过管路41向环刀20的透水石区域25供水。
固定顶板30设置于土壤试样上方，包括顶板31以及与顶板31固定的П形杆32。П形杆32具有两个支撑杆，分别固定于顶板31的左右两个。该两个支撑杆为可伸缩杆，通过调节其高度能够使顶板31紧贴于环形土壤试样50的上表面。T形杆32能够通过螺栓33固定于密封基座10。其中，优选的，为了使径向膨胀率的测量值更加精确，可以设置顶板31的外径大于土壤试样50的外径，例如大于土壤试样的外径的1.3倍，从而在测量过程中使土壤试样仅在径向膨胀，而不存在其他方向的变形。
本发明实施例的土壤试样膨胀测量装置的测量方法，包括如下步骤：（1）准备试验用土；（2）将环刀20外表面包裹塑料薄膜，通过环刀20以及直径大于环刀的外环刀在密封基座10上制备将试验用土制备试样；制备成的试样50为环形试样，内壁与环刀20紧密接触；（3）在环刀20内表面贴附滤纸24；在环刀20外表面包裹高度高于环刀20的塑料薄膜；（4）向环刀20内部加入透水石，透水石的高度低于环刀20的下半部22；（5）调整П形杆32的高度，使固定顶板30与试样50顶部紧密接触，通过螺栓33使固定顶板30固定，确定土壤试样50外环的初始直径；（6）通过供水槽40向环刀20内部注入测试水；（7）在测试水到达环刀20的底部后，向上抽拉环刀20外表面包裹的塑料薄膜，使塑料薄膜的底部与试样50顶部位于同一高度；（8）间隔特定时间，记录土壤试样50外环的实时直径，直到试样50膨胀结束。
优选的，在所述步骤（4）中，在向环刀20内部加入透水石前，在环刀20的内壁底部设置一圈环形PH试纸；所述步骤（6）中，测试水为酸性水或者碱性水；在所述步骤（7）中，根据环形PH试纸的颜色变化判断测试水到达环刀20内部的底部。
优选的，还包括步骤（9），通过各个测试时间的测量值，确定土壤试样50在各个测试时间的膨胀率。
优选的，所述步骤（9）中，各个测试时间的土壤试样50的膨胀率的计算方法为：δ＝(Vt-V0)/V0，其中V0为土壤试样的初始体积V0＝π（r12－r22）h，Vt为测试时间t时土壤试样的实时体积Vt＝π（rt2－r22）h，其中r1为土壤试样外环初始半径，r2为土壤试样内环半径，rt为测试时间t时土壤试样外环实时半径，h为土壤试样高度。
通过本发明的上述实施例，使在膨胀土的测试过程中，测量容器中的水均匀得渗透到试样中，从而使测量过程中各个时间节点的测量值更加准确。
综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明 创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例 所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。