一种土体崩解性状和水下休止角联合测试方法及试验装置与流程

本发明涉及土体水理性能试验技术领域，具体是一种土体崩解性状和水下休止角联合测试方法及试验装置。

背景技术：
土的湿化是土体在水中发生崩解的现象，土体崩解性是指一定体积的土体在静水中发生吸水分散、崩裂成碎块和碎粒的现象。土壤的崩解性按照土壤崩解率来定量，崩解率愈低，土壤抗冲性愈弱。随着国民经济的迅速发展，国家加大了基础设施的发展力度。土石料在压实作用下，使土的工程性质得到改善。其中土体的抗冲性能与工程安全密切先关，崩解特性对确保工程建设质量具有重要意义，同时也是工程设计、建设人员关心关键问题之一。水下休止角是土体的一个重要特性，研究水下休止角，不仅对推移质运动、沙波运动等理论问题的研究有重要的作用，而且对于水库淤积、水库坝前冲刷漏斗、水库淤积形态及护岸工程的岸坡稳定等生产性课题也有着重要的实际意义。土体崩解是近几十年来研究的热门课题，国内外学者对土体的崩解机理并未达成共识。有些学者从温度、湿度等入手，探究外部环境因素对崩解的影响，证明湿度变化对岩土体崩解影响很大，含水量是崩解的主要原因，而温度变化对崩解作用的影响很小。有些学者从土体组成、矿物成分性质、土体内部结构分析，通过这些因素与水反应后的土体现象分析土体崩解机理，他们认为崩解的破坏机理主要有由于被封闭的孔隙或裂隙中气体的压缩导致了张应力的产生、由于差异膨胀而产生张应力或剪应力导致应力集中、由于颗粒间胶结物遇水溶蚀而导致强度降低，裂隙、片理等结构性缺陷是崩解的重要因素。还有些学者针对土体不同的种类进行室内崩解试验，以崩解量和崩解速率为指标，控制不同的影响因素进行总结分析，研究对象主要包括粉砂岩、膨胀岩、泥质软岩、黄土、花岗岩残积土等，影响因素主要包括含水量、颗粒级配、颗粒大小、基质吸力等，指出土体崩解速度随着含水量的增大而增大，崩解量随粗颗粒含量的增大而增大，级配良好的土体有显著的抗崩解性，失水后的土体更容易发生崩解，即基质吸力较强的土体更易发生崩解。水下休止角是在静水状态下砂类土在堆积时其天然坡面和水平面所形成的最大倾角，与颗粒的形状、大小、密度等因素密切相关。许多学者通过试验，综合各类影响因素提出了水下休止角计算公式。在崩解试验中，主要考虑崩解量的测定，本发明能准确测定崩解量的变化，而且可以将土体由饱和崩解至水下松散堆积的过程演示记录。现有技术中介绍了传统的湿化试验方法和确定休止角的试验方法。规范规定湿化试验方法为将已测定含水率和密度的土样置于网板中央，网板挂在浮筒下，然后手持浮筒颈端迅速地将试样浸入水筒中开动秒表，立即测记开始时浮筒齐水面处刻度的瞬间稳定读数及开始时间。每隔一段时间测记浮筒齐水面处的刻度读数并描述各该时试样的崩解情况。传统的方法依托于排开水的体积来测定土体的崩解量，以此可得知其缺陷为随着崩解进行，浮筒上下浮动难以稳定读出准确的刻度，导致读数误差大；土样有吸水性和内部有空隙，崩解初期土体吸水，随着崩解进行，内部空隙气体逸出，造成体积测量不准确，精确度下降。确定水下休止角的试验方法为使用小勺将土体沿着铁杆四周倾倒试样，小勺始终保持在离试样表面高度1cm左右，直至圆盘外缘完全盖满为止。然后慢慢转动制动器，使圆盘平稳升起，直至离开底盘试样为止，然后测量锥体高度H，根据公式计算获得土体的休止角。传统方法的缺陷是，利用小勺将土体倾倒的方法，对于土体颗粒粒径差别较大时在颗粒下落过程中会产生一定的分选性，因此只适用于颗粒粒径差别不大，即窄级配的土体；试验过程中土体由干态进入水中，此时未达到饱和状态，与实际情况有所差异，因此传统的试验方法较难准确测出土体的水下休止角。综合两个试验方法，通过对传统试验方法缺陷的改进，提出能够准确对土体崩解性状和土体水下休止角测试方法和试验装置。

技术实现要素：
本发明的目的是解决现有技术中，崩解过程排开水体积测量不准确、精确度下降、不能广泛适用于各种土体、不能同时测定崩解量和休止角等问题。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体崩解性状和水下休止角联合测试的试验装置，其特征在于：包括荷重传感器、水平支杆、两根螺杆、底盘、垫高底座、透明水箱、圆盘、量杆、漏斗、圆形网板和试样。所述底盘和水平支杆通过两根螺杆支撑相连。所述底盘、水平支杆和两根螺杆构成矩形框架。所述透明水箱置于底盘上。所述荷重传感器悬挂在水平支杆上。所述荷重传感器上连接有挂钩，所述挂钩通过若干根丝线悬挂漏斗。所述漏斗的管口向下。所述漏斗的顶端开口被圆形网板覆盖。所述试样放置在圆形网板上。所述漏斗、圆形网板和试样均位于透明水箱中，且被水没过。所述垫高底座位于透明水箱的底面。所述圆盘安装在垫高底座上方。所述圆盘上开有一个通孔，所述通孔的位置与漏斗底端边缘在圆盘上的投影位置相对应，所述通孔上安装有量杆。进一步，所述底盘和螺杆的底端通过固定螺丝相连。所述螺杆和水平支杆通过升降螺丝相连。进一步，所述垫高底座的中心和圆盘的圆心处均开有螺孔，所述垫高底座和圆盘通过螺钉固定相连。进一步，所述垫高底座的材质密度大于水。进一步，所述圆盘在透明水箱上的投影，将垫高底座在透明水箱上的投影完全覆盖。进一步，所述圆形网板的孔径大于试样的最大颗粒的粒径。本发明还公开一种关于上述试验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在平整地面上放置试验装置。2)调整升降螺丝、荷重传感器和垫高底座的位置，使荷重传感器重心、圆形网板圆心、漏斗中心和圆盘中心在同一直线上，且量杆与漏斗的下端管口靠近且不接触。3)向透明水箱内注水，水面高度大于漏斗顶端相对于透明水箱的高度与试样的高度之和。4)将制备好的试样平稳的放置在圆形网板的圆心处，同时开始通过计算机数据采集系统进行记录，并观察记录各时段试样的崩解现象。5)当荷重传感器测得的数据稳定时，记为土体崩解结束，同时记录堆积土体顶点对应在量杆上的刻度值；6)整理数据、绘制崩解量随时间的崩解曲线，通过量杆上刻度值得出堆积体高度，并通过堆积体高度和圆盘半径计算出土体的水下休止角；所述崩解曲线为不考虑考虑试验开始时的吸水过程的曲线；7)重复步骤1)～3)，用透水石将相同的试样的上下两端夹紧，用橡皮膜包裹住试样和透水石，并用橡皮筋箍紧橡皮膜两端，将被包裹的试样平稳放入圆形网板，记录试样随时间变化的质量增长过程；8)整理步骤6)和步骤7)所得数据，根据考虑吸水过程的崩解过程质量＝未考虑吸水过程的崩解过程质量-土体吸水过程质量，得到考虑试验开始时的吸水过程的崩解曲线。值得说明的是，网板孔径与试样最大粒径有关，孔径越大则试样崩解土体越容易完全从孔径漏下，但当孔径过大时则由于孔隙的应力集中，从而影响崩解过程的准确性。所以，网板孔径大小的选取十分重要，本发明建议：在土颗粒粒径较小时，取孔面积为1cm2的网板进行试验；当所取土样粒径过大时，网板孔径应大于最大颗粒的粒径，即D≥dmax。测量水下休止角的圆盘直径愈大，测得的结果愈准确，为了保证试验成果的准确，圆盘直径的下限应视试样粒径的上限而定，目前国内通用的圆盘直径为10cm的休止角测定仪，并规定适用于粒径小于2mm的无粘性土。但在适用于本发明的试样中会遇到粒径大于2mm的无粘性土，因此本发明建议，若试样粒径大于2mm，取圆盘直径为20cm。本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：1)本发明可以同时测定崩解量和休止角，避免了多次试验，节约了时间和试验成本，提升了试验效率。2)本发明避免了测量排开水的体积，因此避免了崩解过程中的读数不准确、土体内部空气逸出等问题造成的测量体积不准确问题。本发明可以准确测定崩解量和休止角试验。3)本发明可以测定饱和土体的水下休止角，适用于更多土体。4)本发明使用传感器与信号采集系统进行测定，可以将土体由饱和崩解至水下松散堆积的质量变化过程准确记录。5)本发明考虑了土体崩解初始阶段的吸水过程，独立试验确定后与土体崩解试验曲线结合，计算出崩解量更准确。附图说明图1为测量土体崩解和水下休止角联合装置的结构示意图；图2为圆形网板的结构示意图；图3为量杆和圆盘的结构示意图；图4为垫高底座的结构示意图；图5为试样颗粒级配曲线；图6为未考虑吸水过程的崩解过程质量曲线；图7为土体吸水过程质量曲线；图8为考虑吸水过程的崩解过程质量曲线。图中：荷重传感器1、水平支杆2、升降螺丝3、螺杆4、固定螺丝5、底盘6、垫高底座7、透明水箱8、圆盘9、量杆10、漏斗11、圆形网板12、试样13。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。实施例1：一种土体崩解性状和水下休止角联合测试的试验装置，其特征在于：包括荷重传感器1、水平支杆2、升降螺丝3、两根螺杆4、固定螺丝5、底盘6、垫高底座7、透明水箱8、圆盘9、量杆10、漏斗11、圆形网板12和试样13。所述螺杆4底端通过固定螺丝5与底盘6相连，螺杆4顶端通过升降螺丝3与水平支杆2相连，所述水平支杆2平行于底盘6。其中，固定螺丝5固定在底盘6的底部，固定螺丝5将螺杆4与底盘6固定在一起；升降螺丝3可沿着螺杆4的螺纹方向进行旋转从而进行上下移动，所述升降螺丝3位于水平支杆下端，升降螺丝3将水平支杆2撑起，水平支杆2随着升降螺丝3的上下移动而2移动，从而改变位置。所述荷重传感器1的一端与水平支杆2的中心位置相连，另一端与漏斗11通过挂钩相连，所述挂钩通过丝线悬挂漏斗11，并且漏斗11的顶部圆面平行于水平支杆2。所述漏斗11的边缘四周开有孔洞，通过细铁丝将圆形网板12安装在漏斗11的顶端开口处所述圆形网板12的直径与漏斗11的顶端横截面直径相等。本实施例中所使用的圆形网板12的直径D＝20cm，孔径d＝10mm。所述试样13放置在圆形网板12的圆心处，所述荷重传感器1重心、漏斗11中心轴、圆形网板12圆心和试样13重心均在同一直线上。所述试样13的直径为101mm，高度为100mm，所述试样13中颗粒最大粒径10mm。所述透明水箱8放置在底盘6的中心位置，所述垫高底座7放置在透明水箱8中心位置，所述垫高底座7中心开有螺孔。所述圆盘9的直径D＝20cm的圆心处开有螺孔，所述垫高底座7直径10cm、高2cm与圆盘9通过螺钉相固定。所述漏斗11的底端边缘在圆盘9上的投影位置上开有一个通孔，所述通孔上安装有量杆10量程5cm，分度值1mm。所述量杆10可安装在圆盘9的圆心处的通孔位置，当量杆10位于此位置时，更容易在放置各部件时，使其中心对齐于一条直线上；当量杆10置于漏斗出口边缘是为了防止崩解下落的土体击中量杆而改变下沉轨迹，能更准确的测出水下休止角大小。本实施例中所使用的垫高底座7的材质优选为铸铁。材料密度大，放置水中不易被干扰，中心有一个预制螺孔，作用有确定圆盘中心位置，固定圆盘在颗粒下落时不致被下落土体扰动。实施例2：使用实施例1中的试验装置，进行土体崩解性状和水下休止角联合测试，其特征在于，包括以下步骤：1)在平整地面上放置试验装置。2)调整升降螺丝3、荷重传感器1和垫高底座7的位置，使荷重传感器1重心、圆形网板12圆心、漏斗11中心和圆盘9中心在同一直线上，且量杆10与漏斗11的下端管口靠近且不接触。3)向透明水箱8内注水，水面高度大于漏斗顶端相对于透明水箱8的高度与试样13的高度之和。即水面高度没过试样13顶面。4)制备试样13：选择泥岩颗粒作为试验土料，根据设计的颗粒级配(如表1)进行配料，做标准的击实功能击实试验，含水率10％，最大干密度2.165g/cm3。图1为本实施例中试样13的颗粒级配曲线。表1级配特征值表将制备好的试样13平稳的放置在圆形网板12的圆心处，同时开始通过计算机数据采集系统进行记录，并观察记录各时段试样的崩解现象。5)当荷重传感器1测得的数据稳定时，记为土体崩解结束，同时记录堆积土体顶点对应在量杆10上的刻度值。崩解过程中崩落土体会从已满的圆盘上滚落，且不会淤积在圆盘边缘。6.1)整理数据、绘制崩解量随时间的崩解曲线，其中,崩解量计算公式：mt为在t时刻土体的质量；m0为土体的初始质量；At为土体的崩解量。图6即为崩解过程试样质量随时间变化曲线图。如图6所示，进行崩解试验时，若所取试样13较大，试验数据显示土体质量会有先增加后减小的过程，与崩解试验本身有所差别。这是由于试样浸入水中会有一个吸水过程，而崩解尚未完全开始，所以质量会出现增长。因此，对试样进行浸水试验，测取土样本身吸水过程的质量变化。6.2)通过量杆上刻度值得出堆积体高度为4.1cm，并通过堆积体高度和圆盘半径计算出土体的水下休止角。测量水下休止角的计算公式为：其中，为土体的水下休止角；L为圆盘上堆积土体顶点对应量尺上的刻度值；R为圆盘半径。本实施例中，堆积体高度为4.1cm，所述水下休止角：实施例3：使用实施例1中的试验装置，进行土体崩解性状和水下休止角联合测试，其特征在于，包括以下步骤：1)在平整地面上放置试验装置。2)调整升降螺丝3、荷重传感器1和垫高底座7的位置，使荷重传感器1重心、圆形网板12圆心、漏斗11中心和圆盘9中心在同一直线上，且量杆10与漏斗11的下端管口靠近且不接触。3)向透明水箱8内注水，水面高度大于漏斗顶端相对于透明水箱8的高度与试样13的高度之和。即水面高度没过试样13顶面。4)制备试样13：选择泥岩颗粒作为试验土料，根据设计的颗粒级配(如表1)进行配料，做标准的击实功能击实，含水率10％，最大干密度2.165g/cm3。图1为本实施例中试样13的颗粒级配曲线。表1级配特征值表用透水石将制备好的试样13上下两端夹住，用橡皮膜将试样和透水石完全包裹，用橡皮筋箍紧橡皮膜两端，此时试样13不会崩解；将包裹好的试样13平稳的放置在圆形网板12的圆心处，同时开始通过计算机数据采集系统进行采集，记录试样13随时间变化的质量增长过程。图7即为试样13的质量随着时间变化的曲线图。在测量土体吸水过程时，水质量计算公式为：Δm＝mi-mi-1Δm为两个时间段的质量差；mi为在i时刻土体的质量；mi-1为在i-1时刻土体的质量。5)按照：考虑吸水过程的崩解过程质量＝未考虑吸水过程的崩解过程质量-土体吸水过程质量，将图6、图7中的数据进行计算和绘图，得到图8，即考虑吸水过程的崩解过程质量。