一种土体最小孔隙率的测量方法及土体最小孔隙率测量仪与流程

本发明涉及测量试验领域，具体而言，涉及一种土体最小孔隙率的测量方法及土体最小孔隙率测量仪。

背景技术：

土体孔隙率是天然土层重要的物理性质指标，是指在自然状态下，土体中孔隙体积与土体总体积的百分比；土体最小孔隙率是室内模拟实验常用的物理参数，是指土体最紧密状态时，土体中孔隙体积与土体总体积的百分比。目前，土体孔隙率常用的测试方法可以分成两大类：一类是对于不易扰动的土，在现场取样后带回，进行室内试验方法测定；另一类是对易扰动的土，如灵敏粘性土、海底沉积土和砂类土等，大多根据现场试验(如触探)资料由曲线或者经验公式来估算。可见，探讨土体最小孔隙率的测定方法有一定的工程实践用途。

虽然国内外学者对于测量土的最小孔隙率的实验仪器、测量方法以及经验公式等都有相关的研究，但测试过程需较多人为干预，而且准确性较差，因此在土体最小孔隙率测量的精确度以及可操作性都需提高和改善。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种土体最小孔隙率的测量方法及土体最小孔隙率测量仪，其能够减少人工干预，可操作性强，同时保证试验精度。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，提供一种土体最小孔隙率的测量方法，其包括以下步骤：

在盒体里装入一定质量、烘干的土体，使盒体绕竖直方向自转，并多次敲打盒体的外壁，直至盒体内的土体高度恒定，测量盒体内土体的恒定高度；

根据土体质量和恒定高度、盒体的内腔形状计算土体最小孔隙率。

上述技术方案中，不断敲打旋转盒体的外壁可以使盒体内的土体挤密至最小孔隙状态，即高度不再下降时，土体的恒定高度和盒体的内腔形状代表土体的总体积。而最小孔隙率是室内模拟实验常用的物理参数，是指土体最紧密状态时的孔隙体积与土体总体积的百分比，因此可以根据质量和恒定高度、盒体的内腔形状计算土体最小孔隙率，该测量方法的原理利于理解，并且实现的可能性高，可操作性强，容易保证试验精度。

第二方面，提供一种土体最小孔隙率测量仪，其包括用于盛放土体的盒体，盒体能够绕竖直方向自转；盒体的一侧设置有用于敲打盒体外壁的敲打器，以及用于测量盒体内土体高度的高度测量器。

上述技术方案中，盒体和敲打器、高度测量器配合在一起，在盒体内装入土体，而且敲打绕竖直方向自转的盒体外壁，就能使土体挤密至最紧密状态，从而便于测量计算土体最小孔隙率，该土体最小孔隙率测量仪结构简单，安装及拆卸简单省时，可操作性强，能简单地实现较高速度的敲击，可以较为精确地测量土的最小孔隙率，从而代替人工实验，加快实验速率和提高精确度。

在一种可能的实现方式中，土体最小孔隙率测量仪包括可绕竖直方向自转的旋转底座，盒体安装于旋转底座上。

上述技术方案中，通过旋转底座，可以带动盒体及盒体内的土体绕竖直方向自转，再通过敲打震动，使土体挤密至最紧密状态。

在一种可能的实现方式中，盒体与旋转底座可拆卸连接。

上述技术方案中，盒体与旋转底座连接在一起，旋转底座就能带着盒体绕竖直方向自转，盒体与旋转底座解除连接，就能取下盒体，便于装入或倒出土体。

在一种可能的实现方式中，盒体的外底面设置有凹槽或凸起，旋转底座的上表面设置有与凹槽配合的凸起或与凸起的凹槽。

上述技术方案中，盒体安装于旋转底座上时，盒体的外底面和旋转底座的上表面配合在一起，实现盒体和旋转底座可拆卸连接。

在一种可能的实现方式中，高度测量器包括竖直设置的液压器，以及与液压器的顶端连接的伸缩杆，伸缩杆的顶端设置有用于感应盒体内土体高度的高度传感器。

上述技术方案中，液体器可以带动伸缩杆自动升降，从而使高度传感器升降至土体的上表面高度上，高度传感器就能感应土体的高度。

在一种可能的实现方式中，高度测量器还包括延长臂，延长臂与伸缩杆的端部可转动地连接，高度传感器安装于延长臂远离伸缩杆的端部。

上述技术方案中，延长臂可以绕伸缩杆转动，从而可以将延长臂端部的高度传感器转动至靠近盒体的位置，从而精确感应盒体内土体的高度。

在一种可能的实现方式中，敲打器包括可绕竖直方向往复自转的底柱，底柱的顶端连接有水平设置的旋转臂，旋转臂的端部设置有敲击部，敲击部正对盒体的外壁。

上述技术方案中，底柱可以带着旋转臂及旋转臂端部的敲击部绕竖直方向往复自转，从而使敲击部敲打盒体的外部，同时盒体自转，盒体内的土体均匀沉积。

在一种可能的实现方式中，土体最小孔隙率测量仪还包括结构底板，旋转底座、敲打器以及高度测量器均安装于结构底板上。

上述技术方案中，通过结构底板，就能是将旋转底座、敲打器和高度测量器集成在一起。

在一种可能的实现方式中，旋转底座包括固定座和旋转轴，固定座固定于结构底板，旋转轴穿出固定座且可绕竖直方向自转，旋转轴的顶端连接有托板，盒体安装于托板上。

上述技术方案中，通过固定座可以将旋转底座固定在结构底板上，而且便于设置能够自转的旋转轴，旋转轴带着托板旋转，从而实现旋转底座自转。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种土体最小孔隙率测量仪的结构示意图；

图2为图1中盒体的结构示意图；

图3为图1中旋转底座的结构示意图；

图4为图1中旋转底座另一视角的结构示意图；

图5为图1中敲打器的结构示意图；

图6为图1中高度测量器的结构示意图。

图标：100-土体最小孔隙率测量仪；110-盒体；111-十字凹槽；120-旋转底座；121-十字凸起；122-固定座；123-旋转轴；124-托板；130-敲打器；131-底柱；132-旋转臂；133-敲击部；140-高度测量器；141-液压器；142-伸缩杆；143-延长臂；144-高度传感器；150-结构底板；151-显示器；152-开关；153-指示灯。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种土体最小孔隙率的测量方法，其包括以下步骤：

步骤s1、在盒体里装入一定质量、烘干的待测土体，土体质量记为m。

步骤s2、使盒体绕竖直方向自转，并多次敲打盒体的外壁，直至盒体内的土体高度恒定，测量盒体内土体的恒定高度，记为h；

根据土体质量m和恒定高度h、盒体的内腔形状计算土体最小孔隙率

需要说明的是，本实施例中的待测土体为无粘性土，其中的粘粒含量甚少，呈单粒结构，从而保证土体最小孔隙率测量结果的准确性。在计算最小孔隙率时，根据恒定高度h及土体(即盒体内腔)的形状计算土体最紧密状态时的总体积v，根据土体质量m和土体在紧密状态时的总体积v，计算土体最大干密度ρ＝m/v，再根据土体最大干密度ρ和土体的土粒比重gs计算土体最小孔隙率即土体最紧密状态时孔隙体积与土体总体积的百分比。

通常情况下，为了便于计算，使盒体的内腔竖直设置，且内腔任意位置的水平截面s相同，这样一来，土体最大干密度ρ＝m/(sh)，土体最小孔隙率

参见图1所示，本实施例还提供一种土体最小孔隙率测量仪100，其包括结构底板150、可绕竖直方向自转的旋转底座120、用于盛放土体的盒体110，盒体110安装于旋转底座120上，且能够绕竖直方向自转；盒体110的一侧设置有用于敲打盒体110外壁的敲打器130，以及用于测量盒体110内土体高度的高度测量器；旋转底座120、敲打器130以及高度测量器均安装于结构底板150上。

为了便于计算最小孔隙率，盒体110竖直设置，且内腔任意位置的水平截面相同。本实施例对盒体110的内腔形状不做具体限制，只需要是竖直设置时任意横截面的形状相同即可，比如盒体110的内腔可以为圆柱体，或者横截面为三角形、四边形……的立柱。作为一个示例，盒体110的内腔为圆柱体，保证盒体110内的土体均匀沉积，避免在横截面的某个夹角处堆积。

本实施例对盒体110的外形不做特别限制，只需要盒体110至少底部封闭，以避免盒体110内的土体逸出或漏出，影响测量精度。可选的，作为一个示例，盒体110外形呈圆柱体，上表面开口，当盒体110绕设置竖直方向自转过程中，敲打器130敲打空间中的同一处，对盒体110的作用力都是相同的，进一步保证盒体110内的土体均匀沉积。

本实施例中，盒体110与旋转底座120可拆卸连接。比如，盒体110与旋转底座120通过卡扣件连接，或者盒体110的外底面设置有凹槽或凸起，旋转底座120的上表面设置有与凹槽配合的凸起或与凸起的凹槽。可选的，作为一个示例，参见图2和图3所示，盒体110用于盛放测量最小孔隙率的土体，外底面有一十字凹槽111，旋转底座120的上表面有一十字凸起121，旋转底座120的十字凸起121可以和盒体110的十字凹槽111镶嵌，实现可拆卸连接。

参见图5所示，高度测量器包括竖直设置的液压器141，与液压器141的顶端连接的伸缩杆142，以及水平设置的延长臂143，延长臂143与伸缩杆142的端部可转动地连接，具体的，延长臂143与伸缩杆142的端部连接，且能够绕伸缩杆142转动。高度传感器144安装于延长臂143远离伸缩杆142的端部，另外，伸缩杆142和液压器141实现高度传感器144是可升降、可旋转的，从而调整高度传感器144的高度和位置，增强测量的便利性和准确性。高度传感器144是通过信号感应测量物体高度的仪器，比如，通过测量高度传感器144与土体上表面之间的距离，以及土体到土体下表面(盒体110内底面)的距离，具体的，位于土体正上方的高度传感器144向土体的上表面或盒体110内底面发射信号，根据信号反射回的时间计算高度传感器144到土体上表面的距离或者传感器到盒体110内底面的距离，再根据高度传感器144距离土体上下表面的距离，计算土体的高度。

参见图6所示，敲打器130包括可绕竖直方向往复自转的底柱131，底柱131的顶端连接有水平设置的旋转臂132，旋转臂132的端部设置有敲击部133，敲击部133正对盒体110的外壁，具体的，敲击部133为正方体；底柱131通过螺丝与结构底板150相连，实现敲打器130的安装，为了实现旋转臂132转动，结构底板150内安装有驱动马达，驱动马达的转动轴由底柱131伸出并与旋转臂132的端部连接，通过驱动马达就能使旋转臂132正反往复转动，旋转臂132端部的敲击部133就能实现敲打、复位、敲打、复位……的循环动作。

参见图3和图4所示，旋转底座120包括竖直设置的固定座122和旋转轴123，固定座122固定于结构底板150，旋转轴123穿出固定座122且可绕竖直方向自转，旋转轴123的顶端连接有托板124，盒体110安装于托板124上。具体的，固定座122通过螺丝固定于结构底板150，固定底板的开设有中心孔，旋转底座120镶嵌于中心孔内，具体的，中心孔内安装驱动马达，固定座122固定于中心孔上，驱动马达具有旋转轴123，旋转轴123伸出固定座122。另外，旋转底座120还可以有称重功能。

本实施例中，土体最小孔隙率测量仪100还包括控制器，控制器用于控制旋转底座120、敲打器130的旋转，具体的，控制器分别与旋转底座120的驱动马达和敲打器130的驱动马达连接。相应的，结构底板150的上表面装有显示器151、指示灯153、开关152，其中指示灯153用于指示实验的正常开始运行；开关152用于开启和关闭试验；显示器151用于测量盒体110中的土体质量。

本发明的运作可以通过底板上的开关152以及指示灯153控制，同时通过显示器151精确地控制以及测量土体的质量及仪器使用安全。

参见图1至图6所示，通过土体最小孔隙率测量仪100可以进行土体最小孔隙率的测量方法，具体步骤如下：

1、首先将土体最小孔隙率测量仪100的所有的零件都准备好，并且记录盒体110各个部分的尺寸(包括高度、长度、宽度、内径)，将结构底板150上安装开关152、指示灯153、显示器151；组装土体最小孔隙率测量仪100，先用螺丝将旋转底座120的固定座122、敲打器130的底座固定于结构底板150，并使旋转底座120和敲打器130的其他各部分安装到位。

2、组装完成之后，将盒体110的十字凹槽111与旋转底座120的十字凸起121镶嵌，实现盒体110与旋转底座120的可拆卸连接和旋转功能，调整好显示器151，此时显示的土体质量为零，通过高度测量器140的高度传感器144测量出高度传感器144与盒体110内底部的距离并记录；将盒体110拆卸下后，装入适宜的土体，再镶嵌安装于旋转底座120上，用高度测量器140测量出高度传感器144与盒体110内土体上表面的距离并记录；打开开关152，内部电路接通，开始实验，此时敲打器130在盒体110旋转5圈的过程中一共敲打盒体110的外壁50次，实现土体敲击均匀；实验结束后，关闭开关152，用高度测量器140的高度传感器144测量出其与盒体110内实验后土体的距离并再次记录；根据土体质量和上述距离数据计算土体的恒定高度，计算最大干密度，从而得到土体最小孔隙率。

3、不断更改装入土体的体积，重复以上的操作，获得多组数据。

综上所述，本发明实施例的土体最小孔隙率的测量方法及土体最小孔隙率测量仪能够减少人工干预，可操作性强，同时保证试验精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。