隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法
【专利摘要】一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是：A、取样部位荷载的测试；B、试样制备；C、试样安装；D、施加压力；E、进行试验；F、数据处理。再根据有限元计算得到每次测量时的体积膨胀率ηn和对应的膨胀力pn，最后根据每次测量时的含水量ωn和对应的膨胀力pn，拟合得出隧道支护条件下膨胀土含水量ω与膨胀力p的关系。该方法能很好地模拟隧道开挖过程中，膨胀土体在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，从而更真实、准确的测出膨胀土在三向应力状态下含水量与膨胀力的关系。从而更加准确的掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供更可靠的试验依据。
【专利说明】隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法。
【背景技术】
[0002]由于膨胀土 “吸水膨胀一失水收缩”的特性，其循环变化会引起结构受力变得复杂，致使膨胀土隧道的支护结构受力和变形与一般隧道的不同。通常，采用室内试验测出膨胀土含水量与体积膨胀率的关系，再根据体积膨胀率由有限元方法计算出膨胀力得到膨胀土含水量与膨胀力的关系。然后，根据现场测得的含水量及其变化范围，计算得到相应的膨胀力，从而掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供依据。
[0003]目前，室内试验测定膨胀土含水量与体积膨胀率的关系，主要是采用一系列的有荷侧限膨胀试验，即采用静压法制成重塑膨胀土试样，再使土样径向受到环刀的刚性约束，上部受到设定荷载，然后对系列土样分别注入不同的水量，测出不同含水量与体积膨胀率的关系。这种方法存在一定的局限性:(1)膨胀土在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，理论上是三向应力状态，即土体自身上下、前后、左右各个方向上都受到一定大小的力。而有荷侧限膨胀由于其只能对膨胀土样上方施加特定的荷载值，水平方向(前后、左右)的力由于受到环刀的约束，其值的大小是波动的、无法控制的。其侧向荷载不能按照现场实际压力进行施加，与工程实际情况差别大，得到的试验数据与工程实际的误差大、可靠性差。(2)由于膨胀土活性太强，同一批采用静压法制成的重塑膨胀土试样，其吸收膨胀的速率和能力不可能绝对相同；即系列试验中的主体并不是同一个试样，其变形并不具有绝对的连续性，所得到的数据必定具有一定的误差，也导致其试验数据的可靠性差。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的是提供一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，该方法能很好地模拟隧道开挖过程中，膨胀土体在一定埋深条件下的吸水膨胀受力形态，从而更真实、准确的测出膨胀土在三向应力状态下含水量与膨胀力的关系。从而更加准确的掌握膨胀土隧道支护结构应力及变形分布规律，为该类隧道的设计和施工提供更可靠的试验依据。
[0005]本发明实现其发明目的所采用技术方案是，一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是:
[0006]A、取样部位荷载的测试
[0007]测出工程现场的取样部位上方的垂直荷载σ i及水平方向的荷载σ 3 ；
[0008]B、试样制备
[0009]将所取土样采用静压法制成重塑的膨胀土试样，并在制备时记录膨胀土试样的土颗粒质量ms、初始含水质量mw和体积V ；
[0010]C、试样安装[0011]用橡皮膜将膨胀土试样的侧面包裹好，在应变式三轴仪的压力室底座上依次放置不透水石一、下滤纸、膨胀土试样，然后在膨胀土试样上部放置上滤纸、不透水石二，试样帽；上排水管的内端穿过试样帽及不透水石二与膨胀土试样的顶部相连，外端穿出压力室；下排水管的内端穿过不透水石一与膨胀土试样的底部相连，外端穿出压力室；最后在压力室上部盖上压力室盖；
[0012]D、施加压力
[0013]拧开应变式三轴仪的压力室盖上的排气阀，水压系统通过压力室底座的进水孔向压力室注水，待压力室盖上的排气阀有水溢出时，关闭排气阀，调节水压系统的调压阀使压力室内的水压等于A步测得的水平方向的荷载σ 3 ；
[0014]转动加压手轮，使应变式三轴仪的穿过压力室盖的活塞的下端部通过试样帽向膨胀土试样加载，并通过与活塞上端部相连的测力计测出其加载的载荷Λ σ，当Δ O = O J- O 3 Bi,保持该加载载荷；
[0015]E、进行试验
[0016]用吸耳球向应变式三轴仪的上排水管和下排水管注水，当两者的液面高于膨胀土试样顶部后，打开上排水管的阀门及下排水管的阀门，使上排水管穿过试样帽的内端向膨胀土试样的顶部渗水，使下排水管穿过不透水石的内端向膨胀土试样的底部渗水；再打开与压力室相连的体变管的阀门；
[0017]随后，读取并记录下列读数，然后，每隔一个测量周期又读取并记录一次下列读数:(测量周期一般为20-40分钟)
[0018]反映膨胀土试样体积变化的体变管的读数 <、反映膨胀土试样顶部渗水量的上排水管的读数G、反映膨胀土试样底部渗水量的下排水管的读数 /、测力环的读数Λ σ:其中，下标η为读取次数的序号；
[0019]直到上排水管的读数P连续三次保持不变，且下排水管的读数也连续三次保持不变，结束试验；在试验过程中，当上、下排水管的液面接近膨胀土试样顶部时，即向其注水，使上、下排水管的液面高出膨胀土试样的顶部，以保证膨胀土试样时刻处于吸水状态；同时，当读出的测力环的读数Λ O < O1-O3时，须转动加压手轮，增加活塞施加于试样上部的荷载Λ O直至Λ O=O1-O3时，保持该加载载荷；
[0020]F、数据处理
[0021]根据D步测出的体变管的读数G、上排水管的读数G、下排水管的读数K 计算得出:
[0022]膨胀土试样在三维受力情况下，连续性吸水过程中，第二次以后的每次读取读数时的含水量
【权利要求】
1.一种隧道支护条件下膨胀土含水量与膨胀力关系的测试方法，其做法是: A、取样部位荷载的测试 测出工程现场的取样部位上方的垂直荷载O1及水平方向的荷载σ3; B、试样制备 将所取土样采用静压法制成重塑的膨胀土试样(16)，并在制备时记录膨胀土试样(16)的土颗粒质量Hls、初始含水质量Hlw和体积V ; C、试样安装 用橡皮膜(21)将膨胀土试样(16)的侧面包裹好，在应变式三轴仪的压力室(7)底座上依次放置不透水石一(19)、下滤纸(20)、膨胀土试样(16)，然后在膨胀土试样(16)上部放置上滤纸(22)、不透水石二(23)，试样帽(24);上排水管(15)的内端穿过试样帽(24)及不透水石二(23)与膨胀土试样(16)的顶部相连，外端穿出压力室(7);下排水管(11)的内端穿过不透水石一(19)与膨胀土试样(16)的底部相连，外端穿出压力室(7);最后在压力室(7)上部盖上压力室盖(25)； D、施加压力 拧开应变式三轴仪的压力室盖(25)上的排气阀(6)，水压系统通过压力室(7)底座的进水孔(13)向压力室(7) 注水，待压力室盖(25)上的排气阀(6)有水溢出时，关闭排气阀(6)，调节水压系统的调压阀使压力室(7)内的水压等于A步测得的水平方向的荷载σ 3 ； 转动加压手轮，使应变式三轴仪的穿过压力室盖(25)的活塞(5)的下端部通过试样帽(24)向膨胀土试样(16)加载，并通过与活塞(5)上端部相连的测力计(3)测出其加载的载荷Λ O，当Δ O = O J- O 3 Bi,保持该加载载荷； E、进行试验 用吸耳球向应变式三轴仪的上排水管(15)和下排水管(11)注水，当两者的液面高于膨胀土试样(16)顶部后，打开上排水管(15)的阀门(15a)及下排水管(11)的阀门(11a)，使上排水管(15)穿过试样帽(24)的内端向膨胀土试样(16)的顶部渗水，使下排水管(11)穿过不透水石(19)的内端向膨胀土试样(16)的底部渗水；再打开与压力室(7)相连的体变管(17)的阀门(17a)； 随后，读取并记录下列读数，然后，每隔一个测量周期又读取并记录一次下列读数: 反映膨胀土试样(16)体积变化的体变管(17)的读数<、反映膨胀土试样(16)顶部渗水量的上排水管(15)的读数G、反映膨胀土试样(16)底部渗水量的下排水管(11)的读数测力环(3)的读数Λ σ:其中，下标η为读取次数的序号； 直到上排水管(15)的读数G连续三次保持不变，且下排水管(11)的读数?>7也连续三次保持不变，结束试验；在试验过程中，当上、下排水管(15、11)的液面接近膨胀土试样(16)顶部时，即向其注水，使上、下排水管(15、11)的液面高出膨胀土试样(16)的顶部，以保证膨胀土试样(16)时刻处于吸水状态；同时，当读出的测力环(3)的读数Λ σ < O1-O3时，须转动加压手轮，增加活塞施加于试样上部的荷载Λ σ直至Λ σ = σ「σ 3时，保持该加十卜.十卜.-H-载载荷； F、数据处理 根据D步测出的体变管(17)的读数<、上排水管(15)的读数G、下排水管(11)的读数G、计算得出: 膨胀土试样(16)在三维受力情况下，连续性吸水过程中，第二次以后的每次读取读数时的含水量
【文档编号】G01L5/00GK103760320SQ201410035547
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】张志强, 李化云, 阚呈, 凌云鹏, 张洋 申请人:西南交通大学