本发明涉及一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法及装置，属于岩土工程、公路建设领域。
背景技术
红粘土是我国西南部广泛分布的一种特殊土，具有对环境湿度变化敏感，多裂缝、强胀缩和强度衰减等特性，在干湿循环与荷载的共同作用下大量以红粘土作为基础的构筑物发生破坏，损失巨大。目前采用的干湿循环试验方法及装置多是模拟土体无荷载作用下的胀缩变形情况，对于有荷作用下胀缩变形的模拟，干湿循环过程中都需要对试样卸载，对试样的扰动太大，这与工程实际情况差异较大。但是这样的试验方法及装置的存在,主要有以下两个原因：(1)室内试验室缺少可以完整对试样进行干湿循环且不拆卸试样的试验装置；(2)除恒温烘箱外，缺乏相关的对试样加热烘干的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法及装置。该方法及装置在整个干湿循环过程中不需对试样卸载，而且整个过程中不需要恒温烘箱即可实现试样的加热烘干。
本发明的技术方案：一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，其特征在于：该试验方法包括有以下步骤：
a、将立杆与压缩容器底板固定连接，并将大透水石放置于压缩容器底部；
b、根据试验方案制作所要求初始含水率和压实度环刀试样，将试样连同环刀一并置于大透水石上，且环刀口朝上；
c、将小透水石置于试样顶面，并将传压板置于小透水石上,称量整个装置的质量，记为m；
d、在传压板上方设置加载杆，加载杆两端通过竖杆与固结仪连接，将加载螺栓穿过加载杆中部螺纹孔，使加载螺栓底部与传压板顶面接触；
e、百分表固定杆一端固定安装百分表，另一端与立杆固定连接，并使百分表底部测量头顶在加载螺栓顶面上；
f、通过调节加载螺栓将固结仪底端加载杠杆调节水平，将百分表读数归零，增加砝码对试样加载，直至试样固结变形稳定，读取百分表读数；
g、固结稳定后，向压缩容器中注水，每隔一定时间记录百分表读数，直至百分表读数趋于稳定，百分表最终读数与固结稳定后读数之差即为试样的膨胀量；
h、膨胀稳定后，将压缩容器中多余水分抽出，用滤纸将容器内残余水分吸收，向压缩容器内加入酒精，点燃酒精对试样加热烘干，并记录酒精燃烧烘干时间t和百分表读数，至加热烘干到要求的含水率状态则完成一次循环，此时百分表读数与膨胀稳定后读数之差即为试样的收缩量；
j、通过烘干时间t后称取整体质量m，利用初始质量m与烘干t时间后整体质量m之差，计算出试样烘干t时间后试样含水率，进行多组测试后，最终确定烘干至所需含水率状态的烘干时间t。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，步骤a中，将护环放置于压缩容器底部环形凹槽中固定，再将大透水石、环刀放入护环中。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，步骤c中，将导环置于环刀上，使环刀口卡入导环下部凹槽中固定，然后再将小透水石置入导环中与试样顶面接触。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，步骤d中，设置加载杆的同时，在加载杆上方设置1块隔热板；步骤e中，在加载螺栓顶面设置1块隔热木块，然后将百分表底部测量头顶在隔热木块上。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，步骤d中，将加载螺栓穿过加载杆中部螺纹孔后，使加载螺栓底部球形尖端与传压板顶面球形凹槽接触。
一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，包括有压缩容器，压缩容器内底部放置有大透水石，大透水石上设置有套入环刀中试样，试样上设有小透水石，小透水石上设置有传压板，传压板上方设置有加载杆，加载杆两头端经竖杆与固结仪连接，加载螺栓杆身穿过加载杆后其底部与传压板顶部接触，加载螺栓顶面与百分表底部测量头接触，百分表固定在百分表固定杆上，百分表固定杆另一端与立杆连接，立杆底部固定在压缩容器上。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，所述压缩容器底部设置有环形凹槽，环形凹槽中放入有护环，护环中放入有大透水石和环刀。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，所述环刀顶部卡入导环下部凹槽中，导环中放入有小透水石和传压板。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，所述加载杆上方设置有隔热板，加载螺栓顶面上设置有隔热木块，百分表底部测量头放于隔热木块上。
前述的模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，所述传压板顶面设置有球形凹槽，加载螺栓底部伸入至球形凹槽中，加载杆上方设置有1块平衡固定螺片，加载螺栓穿过平衡固定螺片和加载杆后与传压板接触。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的试验装置及方法在整个干湿循环过程中不需对试样卸载,避免了对试样的扰动，只需在正式开展试验前，对不同初始状态试样从吸水膨胀稳定状态烘干至试验要求的含水率状态的酒精燃烧时间t进行预前测定即可。同时试验使用的装置材质简单、操作简便、模拟荷载作用下试样干湿循环过程受力情况更接近工程实际、易掌握、便于推广。
附图说明
附图1本发明的结构示意图；
附图2为附图1的侧面结构示意图；
图3为本发明实施例中红粘土试样荷载作用下5次干湿循环胀缩试验的试验结果示意图。
附图标记：1-压缩容器，2-护环，3-环刀，4-大透水石，5-小透水石，6-导环，7-传压板，8-立杆，9-百分表固定杆，10-百分表，11-加载螺栓，12-加载杆，13-隔热板，14-隔热木块，15-试样，16-竖杆，17-平衡固定螺片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例：一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验方法，该试验方法包括有以下步骤：
a、将立杆与压缩容器底板固定连接，并将大透水石放置于压缩容器底部；
b、根据试验方案制作所要求初始含水率和压实度环刀试样，将试样连同环刀一并置于大透水石上，且环刀口朝上；
c、将小透水石置于试样顶面，并将传压板置于小透水石上,称量整个装置的质量，记为m；
d、在传压板上方设置加载杆，加载杆两端通过竖杆与固结仪连接，将加载螺栓穿过加载杆中部螺纹孔，使加载螺栓底部与传压板顶面接触；
e、百分表固定杆一端固定安装百分表，另一端与立杆固定连接，并使百分表底部测量头顶在加载螺栓顶面上,以测量试样竖向变形量；
f、通过调节加载螺栓将固结仪底端加载杠杆调节水平，将百分表读数归零，在固结仪上增加砝码对试样加载，直至试样固结变形稳定，读取百分表读数；
g、固结稳定后，向压缩容器中注水，水面不超过试样顶面，每隔一定时间记录百分表读数，直至百分表读数趋于稳定，百分表最终读数与固结稳定后读数之差即为试样的膨胀量；
h、膨胀稳定后，将压缩容器中多余水分抽出，用滤纸将容器内残余水分吸收，向压缩容器内加入酒精，点燃酒精对试样加热烘干，并记录酒精燃烧烘干时间t和百分表读数，至加热烘干到要求的含水率状态则完成一次循环，此时百分表读数与膨胀稳定后读数之差即为试样的收缩量，如此反复，可实现多次循环；
j、如要测定试样由吸水膨胀稳定至烘干至初始含水率状态的时间t，通过烘干时间t后称取整体质量m，利用初始质量m与烘干t时间后整体质量m之差，计算出试样烘干t时间后试样含水率，进行多组测试后，最终确定烘干至所需含水率状态的烘干时间t。
步骤a中，将护环放置于压缩容器底部环形凹槽中固定，再将大透水石、环刀放入护环中，通过护环可以固定住大透水石以及放入环刀中的试样，避免其试验过程中发生移动。
步骤c中，将导环置于环刀上，使环刀口卡入导环下部凹槽中固定，然后再将小透水石置入导环中与试样顶面接触。通过导环可以固定住环刀中的试样、小透水石以及传压板，避免其试验过程中发生移动。
步骤d中，设置加载杆的同时，在加载杆上方设置1块隔热板；步骤e中，在加载螺栓顶面设置1块隔热木块，然后将百分表底部测量头顶在隔热木块上。由于试验过程中需要燃烧酒精，故会产生高温，而该高温会对处于上方的百分表造成损伤，故设置有隔热板和隔热木块用于保护百分表。
步骤d中，将加载螺栓穿过加载杆中部螺纹孔后，使加载螺栓底部球形尖端与传压板顶面球形凹槽接触，该设置可以使得增加砝码后，增大的压力能够完全通过加载螺栓顶部作用在传压板顶面上。保证增压后加载螺栓与传压板之间仍然是竖直接触。
一种模拟土体承受载荷作用下干湿循环胀缩试验装置，如附图1-2所示，包括有压缩容器1，压缩容器1内底部放置有大透水石4，大透水石4上设置有套入环刀3中试样15，试样15上设有小透水石5，小透水石5上设置有传压板7，传压板7底面呈圆形，直径与小透水石5相同，传压板7上方设置有加载杆12，加载杆12中间位置设置有1个螺纹孔，加载杆12两头端经竖杆16与固结仪上的加载杠杆连接，加载螺栓11杆身穿过加载杆12上的螺纹孔后后其底部与传压板7顶部接触，加载螺栓11顶面与百分表10底部测量头接触，百分表10固定在百分表固定杆9上，百分表固定杆9两端均有圆孔和螺母，螺母起加紧作用；百分表固定杆9另一端与立杆8连接，立杆8横截面为圆形，底端有螺纹，能与压缩容器1底座拧合固定。
所述压缩容器1底部设置有环形凹槽，环形凹槽中固定放入有护环2，护环2中放入有大透水石4和环刀3。通过护环2可以固定住大透水石4以及放入环刀3中的试样15，避免其试验过程中发生移动。
所述环刀3顶部卡入导环6下部凹槽中，导环6中放入有小透水石5和传压板7。通过导环6可以固定住环刀3中的试样15、小透水石5以及传压板7，避免其试验过程中发生移动。
所述加载杆12上方设置有隔热板13，加载螺栓11顶面上设置有隔热木块14，百分表10底部测量头放于隔热木块14上。由于试验过程中需要燃烧酒精，故会产生高温，而该高温会对处于上方的百分表10造成损伤，故设置有隔热板13和隔热木块14用于保护百分表。
所述传压板7顶面为小圆面，圆面中心设置有球形凹槽，加载螺栓11底部伸入至球形凹槽中，该设置可以使得增加砝码后，增大的压力能够完全通过加载螺栓11顶部作用在传压板7顶面上。保证增压后加载螺栓11与传压板7之间仍然是竖直接触。加载杆12上方设置有1块平衡固定螺片17，加载螺栓11穿过平衡固定螺片17和加载杆12后与传压板7接触。由于砝码加载在加载杠杆上，加载杠杆受压后导致整个装置向重的一方发生偏移，由于加压后增大的压力直接通过加载杠杆传递到加载螺栓11上，再通过加载螺栓11传递给传压板7，装置偏移的同时也会加载螺栓11发生偏移，而通过平衡固定螺片17可以避免加载螺栓11发生偏移。
本发明提供的测量土样在荷载下进行干湿循环胀缩变形试验装置,通过注水至压缩容器1，水经底部大透水石4进入试样15，完成试样15的吸水膨胀过程，试验中通过百分表10读数确定膨胀量。试样15膨胀稳定后，将压缩容器1内多余水分抽出，并用滤纸吸干多余水分，将酒精注入压缩容器1内，点燃酒精对试样15加热，使试样15失水收缩，酒精燃烧烘干时间为试验前测定的时间t，烘干时间t后则完成一次循环。该装置可以不拆卸试样进行反复干湿循环胀缩实验，进而能更准确地评价土样荷载作用下干湿循环过程中的胀缩特性。
压缩装置采用铜质材料制作，隔热板13采用轻质铁材料，隔热木块14采用木质材料，其他物件均采用不锈钢材料制作。
使用本装置对红粘土试样荷载作用下进行5次干湿循环胀缩试验，试验结果如附图3所示。图中横坐标代表干湿循环次数，纵坐标代表胀缩率，由附图3可知，荷载小于50kpa时，试样随干湿循环的进行呈现反复的胀缩特性，但无论试样膨胀还是收缩，其胀缩率始终大于零，试样最终高度均大于初始高度，说明荷载较小时试样发生膨胀，高度增大。荷载大于100kpa时，试样在第一次吸水时，其胀缩率不增反降，之后随干湿循环的进行也呈现出反复的胀缩性，但无论试样膨胀或是收缩，其胀缩率均小于零，试样收缩，试样高度小于初始高度。
以红粘土为例，其基本物理指标见表1，按以上步骤进行荷载作用下试样干湿循环的胀缩试验，每次循环后试样烘干至初始含水率状态，烘干时间t根据试验前多组测试样多次测试最终确定。试验所用试样初始含水率为24.6％，压实度为90％，荷载分别为0kpa、50kpa、100kpa、200kpa,进行三次干湿循环，干湿循环过程中试样膨胀和收缩具体时间见表2。循环过程中，试样不同荷载下的膨胀量和收缩量列于表3。
表1.
表2.
表3.