基准基床系数测试仪及其室内通用测试方法
【专利摘要】一种基准基床系数测试仪及其室内通用测试方法，通过现场与室内实测数据的比对分析，基于变形模量的等量关系推导出室内试验的计算公式，基于土体在均布荷作用下，变形与时间变化规律，设计了室内测试控制与计算方法。经试验验证，该方法具有效性与可靠性，能在室内准确测定各类细粒土在原位状态下的基准基床系数值。其优点是：仪器结构简单，使用方便，试验周期短，所测结果与原位K30测试结果等效，测试原理符合基本理论；本方法测定基床系数快速、简单、准确。
【专利说明】基准基床系数测试仪及其室内通用测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土测量【技术领域】，具体的说是一种基准基床系数测试仪及其室内通 用测试方法。
【背景技术】
[0002] 基床系数是Winkler地基模型的关键参数。当前用于测定基床系数的标准方法是 原位K 3(l荷载试验，没有室内测定基床系数的标准试验方法。仅在《地下铁道、轨道交通岩石 工程勘察》规范中提出了可用三轴试验和固结试验方法确定基床系数，却没有具体的实验 方法标准与评价方法，在实际操作中存在诸多不确定因素，难以执行。经长江隧道、天津地 铁等工程实际应用，所测值与标准值相差5-10倍，这两种方法的实验边界条件与Κ 3(ι载荷试 验相差很大，其所测值与Κ3(ι标准值之间是如何关联的至今也没有答案。
[0003] 随着科学技术的高速发展，建筑基坑、地铁、隧道等工程越来越多，用载荷试验测 定基床系数受到诸多因素的制约，采用室内试验快速准确测定基准基床系数有着较大的实 用价值和经济价值。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是研制一种结构简单、行之有效的基准基床系测试仪器在室内快速 准确的测定各类细粒土基准基床系数的通用测试方法。
[0005] 本发明基准基床系数测试仪，包括：机架7,机架7上设置有容器6,机架7通过外 加压框3固定安装力传感器18,位移传感器固定在力传感器18下端。
[0006] 所述的容器6,包括：内传压板8,外传压板9,导向环10,上法兰11，腔体13,下法 兰，底座14 ;内传压板8与外传压板9之间通过内置4组直线轴承联接导向；腔体13内壁 套有圆筒状乳胶薄膜，与上法兰11、下法兰通过螺栓连接密封形成压力腔16 ;腔体13两侧 设有阀门一 15、阀门二12 ;阀门一 15连接压力腔16容积调节管，阀门二12连接侧压控制 器；导向环10通过螺钉固定在上法兰11上。
[0007] 所述的机架7,包括：杠杆一 1、杠杆二2、外加压框3、内加压框4、调节杠杆一 1水 平的手轮一 17、调节杠杆二2水平的二手轮5、容器座；内加压框4固定杠杆一 1上，外加压 框3固定杠杆二2上。
[0008] 所述的力传感器18、位移传感器通过导线和采集器相连，采集器和电脑控制系统 相连；侧向加压装置的液压腔容积调节筒、全自动液压控制器分别通过管道、阀门和压力腔 16相连。
[0009] 本发明基准基床系数测试仪室内通用测试方法，其具体步骤如下：
[0010] ①将容器按结构要求装配好，往液压腔容积调节筒中注满脱气蒸馏水；打开进 水阀，往压力腔中注满脱气水，排除全部气泡；将标准校正试块（Φ = 100mm/150mm、h = 150mm)放入容器；按100KPa/min逐级施加侧向压力，直至800KPa，保持800KPa压10分钟 不漏水即可；卸除压力，取出校正块；
[0011] ②制备直径100mm或150mm、高140mm试样，两端要平，饱和软土试样四周贴宽度 5mm的滤纸条15?18条，其它试样不贴滤纸条；排除管路中气体，，在容器底座上放上透水 板，将滤纸片与制备好的试样放在透水板上，套上容器腔体并与底座锁紧，将传压活塞套放 在试样顶端，固定活塞套导向环，并将容器放在机架上，转动手轮使杠杆一与杠杆二保持水 平状态；
[0012] ③升高压力腔容积调节管高度，使压力腔容积调节管液面高度高于试样顶面20cm 左右，当膜与试样完全贴紧时，关闭阀门1 ;
[0013] ④按照试样原位自重压力的大小给试样施加压力恢复原位应力状态，当按浅层公 式换算时，自重压力可全部加在杠杆一上（1:24);当按深层公式换算时，自重压力应分别 加在杠杆一（1:24)与杠杆二（1:12)上，杠杆二对应压板的直径为5cm，杠杆一对应的受压 面积是外径为试样直径、内直径为5cm的圆环面积；
[0014] ⑤开启智能液压控制器，打开阀门2,观察实时侧压值与位移值，当移位值每小时 变化量不大于〇. 〇〇5mm时，按照侧压当前值（也可按静止侧压力系数计算的侧压值）进行 稳压；
[0015] ⑥当按深层公式换算时，直接在杠杆二的吊盘上分级施加垂直荷载，确保在试样 产生0. 2mm位移前有2-3级荷载，总级数不少于8级，每级荷载增量的大小按试样的压缩特 性确定，当按浅层公式换算时，应先卸除施加垂直压力，当液压控制器重新稳定后，在杠杆 二的吊盘上分级施加垂直荷载，确保在试样产生0. 2mm位移前有2-3级荷载，总级数不少于 8级，每级荷载增量的大小按试样的压缩特性确定；
[0016] @每级荷载测读0、10、20、30、60、90、12011^11对应的位移值并施加下一级荷载， 直至试样破坏或预定的荷载结束试验，卸除全部压力，取出试样，清洁容器；
[0017] ⑧计算与制图
[0018] 1)按下计算各级荷载下式每个测读时段的平均沉降速度的倒数；
[0019] Μ = Τ/ Δ S
[0020] Δ S = St-S〇
[0021] 式中Μ为沉降速度的倒数（h/mm) ;T为测读点的时长（h) ;Λ S为测读点的绝对沉 降量（mm) &为某级荷载加载前的读数（mm) ;St为某个测读点的读数（mm)
[0022] 2)以Τ/ Λ S为纵座标，T为横座标绘制直角座标图，用图解法或一元线性回归求 解直线的斜率Α值见图4 ;
[0023] 3)计算某级荷载的最终沉降量Λ Sn
[0024] Δ Sn = 1/A
[0025] 式中A为直线的斜率（1/mm);
[0026] 4)依加荷的顺序将各级荷载的最终沉降量Λ Sn依次累加并放大6 α倍（α为常 数，原位采用直径30cm压板作基准时α = 0.930)，对园形板作基准即5. 58倍，得到累积沉 降量修正值，以累积沉降量修正值为纵座标，压力值为横座绘制p-s曲线，在此p-s曲线上 求取视基床系数I;
[0027] 5)计算基准基床系数
[0028] 按浅层控制测试
[0029] Κ30 园=心
[0030] K3(l0为原位采用直径为30cm园形压板测得的基准基床系数（MPa · m-1) ;Ki为视 基床系数心= P1.25/1.25 *K1 = P1/2/sl/2*P-S曲线起始段直线斜率，Ph25为曲线图中对 应1. 25毫米沉降的压力值（kpa) ;P1/2为临塑荷载一半的压力值（kpa) ;S1/2为临塑荷载一 半的压力值对应的沉降值（_);
[0031] 按深层控制测试
[0032]
【权利要求】
1. 一种基准基床系数测试仪，其特征在于：包括：机架（7)，机架（7)上设置有容器 (6)，机架（7)通过外加压框（3)固定安装力传感器（18)，位移传感器固定在力传感器（18) 下端。
2. 根据权利要求1所述的一种基准基床系数测试仪，其特征在于：所述的容器（6)，包 括：内传压板（8)，外传压板（9)，导向环（10)，上法兰（11)，腔体（13)，下法兰，底座（14); 内传压板（8)与外传压板（9)之间通过内置（4)组直线轴承联接导向；腔体（13)内壁套有 圆筒状乳胶薄膜，与上法兰（11)、下法兰通过螺栓连接密封形成压力腔（16);腔体（13)两 侦揽有阀门一（15)、阀门二（12);阀门一（15)连接压力腔（16)容积调节管，阀门二（12)连 接侧压控制器；导向环（10 )通过螺钉固定在上法兰（11)上。
3. 根据权利要求1所述的一种基准基床系数测试仪，其特征在于：所述的机架（7)， 包括：杠杆一（1)、杠杆二（2)、外加压框（3)、内加压框（4)、调节杠杆一（1)水平的手轮一 (17) 、调节杠杆二（2)水平的二手轮（5)、容器座；内加压框（4)固定杠杆一（1)上，外加压 框（3)固定杠杆二（2)上。
4. 根据权利要求1所述的一种基准基床系数测试仪，其特征在于：所述的力传感器 (18) 、位移传感器通过导线和采集器相连，采集器和电脑控制系统相连；侧向加压装置的液 压腔容积调节筒、全自动液压控制器分别通过管道、阀门和压力腔（16)相连。
5. -种基准基床系数测试仪室内通用测试方法，其特征在于：其步骤如下： ① 将容器按结构要求装配好，往液压腔容积调节筒中注满脱气蒸馏水；打开进水阀，往 压力腔中注满脱气水，排除全部气泡；将标准校正试块，Φ=100πιπι/150 mm、h=150mm，放入容 器；按100KPa/min逐级施加侧向压力，直至800 KPa，保持800KPa压10分钟不漏水即可； 卸除压力，取出校正块； ② 制备直径1〇〇_或150_、高140mm试样，两端要平，饱和软土试样四周贴宽度5mm的 滤纸条15?18条，其它试样不贴滤纸条；排除管路中气体，，在容器底座上放上透水板，将 滤纸片与制备好的试样放在透水板上，套上容器腔体并与底座锁紧，将传压活塞套放在试 样顶端，固定活塞套导向环，并将容器放在机架上，转动手轮使杠杆一与杠杆二保持水平状 态； ③ 升高压力腔容积调节管高度，使压力腔容积调节管液面高度高于试样顶面20cm左 右，当膜与试样完全贴紧时，关闭阀门1 ; ④ 按照试样原位自重压力的大小给试样施加压力恢复原位应力状态，当按浅层公式换 算时，自重压力可全部加在杠杆一 1:24上；当按深层公式换算时，自重压力应分别加在杠 杆一 1:24与杠杆二1:12上，杠杆二对应压板的直径为5cm，杠杆一对应的受压面积是外径 为试样直径、内直径为5cm的圆环面积； ⑤ 开启智能液压控制器，打开阀门2,观察实时侧压值与位移值，当移位值每小时变化 量不大于0. 〇〇5_时，按照侧压当前值，也可按静止侧压力系数计算的侧压值进行稳压； ⑥ 当按深层公式换算时，直接在杠杆二的吊盘上分级施加垂直荷载，确保在试样产生 0. 2mm位移前有2-3级荷载，总级数不少于8级，每级荷载增量的大小按试样的压缩特性 确定，当按浅层公式换算时，应先卸除施加垂直压力，当液压控制器重新稳定后，在杠杆二 的吊盘上分级施加垂直荷载，确保在试样产生〇. 2mm位移前有2-3级荷载，总级数不少于8 级，每级荷载增量的大小按试样的压缩特性确定； ⑦ 每级荷载测读0、10、20、30、60、90、1201^11对应的位移值并施加下一级荷载，直至试 样破坏或预定的荷载结束试验，卸除全部压力，取出试样，清洁容器； ⑧ 计算与制图 1) 按下式计算各级荷载下每个测读时段的平均沉降速度的倒数； Μ=Τ/ Δ S Δ S=St-S〇 式中Μ为沉降速度的倒数h/mm ;T为测读点的时长h ;Λ S为测读点的绝对沉降量，单 位为mm ;S0为某级荷载加载前的读数，单位为mm ;St为某个测读点的读数，单位为mm ; 2) 以Τ/ Λ S为纵座标，T为横座标绘制直角座标图，用图解法或一元线性回归求解直 线的斜率Α值； 3) 计算某级荷载的最终沉降量Λ Sn Δ Sn =1/A 式中A为直线的斜率1/mm; 4) 依加荷的顺序将各级荷载的最终沉降量Λ Sn依次累加并放大6 α倍，α为常数，原 位采用直径30cm压板作基准时α =0. 930,对园形板作基准即5. 58倍，得到累积沉降量修正 值，以累积沉降量修正值为纵座标，压力值为横座绘制p-s曲线，在此p-s曲线上求取视基 床系数I ; 5) 计算基准基床系数 按浅层控制测试 Κ30 园=I K3Q0为原位采用直径为30cm园形压板测得的基准基床系数，MPa · m-1屯为视基床系 数1(1=?1.25/1. 25或1=?1/2人1/2 *P-S曲线起始段直线斜率，Ph25为曲线图中对应1. 25毫米 沉降的压力值，单位为kpa ;P1/2为临塑荷载一半的压力值，单位为kpa ;S1/2为临塑荷载一半 的压力值对应的沉降值，单位为mm ; 按深层控制测试
式中Z为土的实际埋深（m)，且最小埋深不应小于lm。
【文档编号】G01N3/08GK104089817SQ201410128859
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】陈定安, 程江涛, 黄静 申请人:中冶集团武汉勘察研究院有限公司