一种用于中粗颗粒填料压实检测深度的室内标定装置及标定方法与流程

本发明涉及路基压实检测领域，特别是涉及一种用于中粗颗粒填料压实检测深度的室内标定装置及标定方法。

背景技术：

路基是公路的基础，随着公路行业迅速发展和生态环保的矛盾日益突出，农田耕地和优质填料日益缺乏，中粗粒料(土石混填、填石)作为一种路基填料正越来越广泛的应用于公路路基工程。中粗粒填料具有透水性强、抗剪强度高、压实密度大，沉陷变形小等工程特性，是良好的路基填料。但是，由于这种填料颗粒粒度变化大且难以控制，再加之其含水量极不均匀，使得在实际工程中路基施工困难，施工质量得不到可靠的保证。

目前，国内对于粗粒料压实尚没有成熟施工质量控制手段及压实检测方法，目前的检测技术和方法也多适用于细粒土。中粗粒土压实存在的主要问题：超粒径问题(实际常是几十厘米)，级配的变异性问题，室内试验与现场的差异性问题。工程应用的粗粒料的粒径达到几十厘米，若按粒径与试验仪器的尺寸关系，按照原级配和原环境条件对土样进行室内试验是不现实的，因此为了解决室内试验与现场实际情况的差异而导致的结果差异问题，需要对室内试验进行标定和简化，从而通过换算可得到与现场实际情况相近的结果。

因此通过对室内中粗粒土压实检测深度试验的标定，可解决中粗粒土室内压实试验因模具边界所造成的动应力影响问题和由于级配而导致的难操作问题，可准确得出实际动应力在不同填土厚度下的应力变化规律，提高室内压实检测试验结果的准确性，最终可得出在现场实际中粗颗粒填土路基承受动荷载条件下的应力影响深度，从而为现场试验提供代表性的参考，指导路基现场施工，但是目前现有技术中还缺乏相关技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种中粗颗粒填土压实检测深度的室内标定装置及标定方法，该方法可消除室内压实试验模具其尺寸边界对应力传递的影响，能够解决中粗粒土由于级配而导致的室内试验难操作问题，准确得出实际动应力在不同填土厚度下的应力变化规律，通过建立不同尺寸填土所测应力之间关系，最终确定室内填土受动荷载情况下其准确的动应力影响深度，同时可确定不同含水率和不同级配情况下动荷载在填土中的应力影响深度。提高室内压实检测试验结果的准确性，从而为现场试验提供代表性的参考，指导路基现场施工。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于中粗颗粒填料压实检测深度的室内标定装置，其特征在于：包括大小两种不同尺寸的堆叠式模具、围压调节装置、动态回弹模量检测仪、土压力盒和动态应变采集仪；所述土压力盒放置于堆叠式模具的第一层模具底部中间并与动应变采集仪相连接；模具内填充并压实已知质量的土样，所述围压调节装置套设于堆叠式模具外围，用于调节因模具内土样压实过程中产生的围压，所述动态回弹模量检测仪用于在已填充土样的模具顶部锤击测试，并通过土压力盒和动态应变采集仪采集动应力。

作为改进，所述大小两种不同尺寸的堆叠式模具包括大模具和小模具，所述大模具和小模具均为分层堆叠设置，每层模具均为由硬质木条拼接而成的多边形模具。

作为改进，所述围压调节装置套设于多边形模具外围，其由与多边形模具边数相同的围条组成，所述围条两端设有外翻的连接部，相邻的围条的连接部之间设有间隙并通过连接件相连，通过调节连接部之间间隙大小即可调节围压调节装置对多边形模具的围压大小。

作为改进，所述多边形模具四周设有至少一个安装围条的环形槽。

作为改进，所述多边形模具内壁设有防止模板损坏的橡胶垫。

作为改进，所述大模具的面积与小模具的面积比为4:1～25:1。

一种用于中粗颗粒填料压实检测深度的室内标定方法，其特征在于，该室内标定方法采用的设备有大模具、小模具、围压调节装置、动态回弹模量检测仪、土压力盒和动态应变采集仪，具体步骤如下：

步骤1、分别组装大模具和小模具，并置于相同的整平基底之上，大模具和小模具中间均放置土压力盒，在大模具和小模具外围分别套上相应尺寸的围压调节装置，之后填筑与施工现场一致的颗粒填土，并采用小型夯机压实颗粒填土；

步骤2、通过模具上围压调节装置释放部分围压，再利用动态回弹模量检测仪分别对填充好颗粒填土的对大模具和小模具进行锤击测试，通过土压力盒记录最大动应力，大模具的动应力记为d，小模具的动应力记为d1，将d/d1＝α记为尺寸效应系数；

步骤3、取第二个小模具置于步骤1中小模具之上，按照步骤1方法填充颗粒填土，并压实；

步骤4、通过模具上围压调节装置释放部分围压，之后利用动态回弹模量检测仪对小模具进行锤击测试，通过土压力盒记录最大动应力，该小模具的动应力记为d2；

步骤5、重复步骤3和步骤4，直至叠加第n层小模具时，获得第n层动应力的响应比值比m＝dn/d1<m0为止，m0为动应力响应阈值，dn为第n层模具时的动应力，之后通过内插法获得dn/d1＝0.2时的填土层厚度h0，再乘以尺寸效应系数α得与现场实际情况相一致的动应力影响深度h＝h0*α。

作为改进，所述动应力响应阈值m0范围为0.13-0.3。

作为改进，在步骤2和步骤4中，锤击测试进行多次，测得的动应力数据剔除异常值后取平均值。

作为改进，所述大模具和小模具中装填的颗粒填土与施工现场一致，颗粒填土用量根据孔隙率以及大小模具的容积计算，颗粒填土的含水率为±2％以内。

本发明有益效果是：

本发明通过动态回弹模量检测仪施加动荷载，用所述电阻应变式土压力盒检测通过上部填土传递而来的动应力，根据所述两种尺寸模具条件下填土的应力检测，确定其尺寸效应(标定)系数，根据所述填土的深度和所述电阻应变式土压力盒应力信号，确定动应力与填土深度之间的关系，进而可确定不同含水率和不同级配情况下动荷载在填土中的应力影响深度，该标定方法消除了室内试验模具边界对应力传递的影响，提高了中粗粒填料路基施工压实检测深度的精确性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明用于中粗颗粒填土压实检测的室内标定装置的结构示意。

图2为本发明中采用的大模具结构示意图图，图中尺寸1.5为大模具的内部净宽，0.2为大模具内部空间净高。

图3为本发明中采用的小模具结构示意图图，图中尺寸0.5为小模具的内部净宽，0.2为小模具内部空间净高。

图4为本发明实施例中大模具和小模具的俯视图，其中尺寸0.06为组成模具的木条厚度。

图5为与大模具尺寸匹配的围压调节装置结构示意图。

图6为与小模具尺寸匹配的围压调节装置结构示意图。

图7为本发明实施例中围压调节装置围条连接关系示意图。

图8为本发明实施例中，组成大模具的木条结构示意图。

图9为本发明实施例中，组成小模具的木条结构示意图。

图10是本发明实施例中，堆叠式模具的顶层、中间层和底层连接部示意图。

1-大模具，2-小模具，3-围压调节装置，4-动态回弹模量检测仪，5-电阻应变式土压力盒，6-动态应变采集仪，7-环形槽，8-螺栓，9-木条，10-数据处理系统，11-连接部，12-橡胶垫，13-围条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于进一步说明和解释本发明，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，并不用于限制本发明。

如图1至图10所示，本发明提供的标定装置包括大小两种不同尺寸的堆叠式模具、围压调节装置3、动态回弹模量检测仪4、电阻应变式土压力盒5和动态应变采集仪6；所述电阻应变式土压力盒5放置于堆叠式模具的第一层模具底部中间并与动应变采集仪相连接；模具内填充并压实已知质量的土样，所述围压调节装置3套设于堆叠式模具外围，用于调节因模具内土样压实过程中产生的围压，所述动态回弹模量检测仪4用于在已填充土样的模具顶部锤击测试，并通过电阻应变式土压力盒5和动态应变采集仪6采集动应力。

堆叠式模具为硬木质模板拼装成的内壁紧贴橡胶垫12的模具，模具内加有已知质量的填土(即本实施例中中粗颗粒土填料)，模具的尺寸是固定的已知的，以便计算填土所需量和填土总深度。本实施例中堆叠式模具可以为多边形模具，下面以常见的正方形模具为例进行说明。

所述两种尺寸的模具，简称为大模具1和小模具2，如图2至图4所示，本实施例中推荐大模具1尺寸采用1.5m(长)×1.5m(宽)×0.2m(厚)；推荐小模具2尺寸采用0.5m(长)×0.5m(宽)×0.2m(厚)，大模具1和小模具2仅仅是尺寸不同，所采用材质和安装方式均相同，以大模具1为例，该模具由四根木条9拼接而成，模具内侧木条9上设置橡胶垫12或者其他缓冲保护材料，以防止在压实和锤击测试过程中损坏模具，木条9外侧设有上下两条沟槽，以在模具外侧四周形式两条环形槽7。所述围压调节装置3围绕并模具四周，采用的是拼装式铁条，嵌装需要未压实的模具四周的环形槽7内，每层模具上下各嵌置一个围压调节装置3，铁条两端设置有螺栓8孔，采用的是螺栓8调节，利用螺栓8以调节木模对于压实土体的围压。

对于模具堆叠方式，如图10所示，为堆叠小模具2三种侧视意图，最底层模具底部为平底，顶部设有台阶状的连接部11，中部部分模具顶部和底部均设有台阶状的连接部11，且顶部和底部的台阶方向刚好相反，以实现相邻模具的嵌合安装，最顶层的模具顶部为平顶，底部设有台阶状的连接部11，该连接部11与其相邻模具顶部的台阶状连接部11嵌合安装。

如图5至图7所示，所述围压调节装置3套设于多边形模具外围，其由与多边形模具边数相同的围条13(本实施例中为铁条)组成，所述铁条两端设有外翻的连接部，相邻的铁条的连接部之间设有间隙并通过螺栓8相连，通过螺栓8调节连接部之间间隙大小即可调节围压调节装置3对模具的围压大小。

小模具2和对应小模具2的围压调节装置3与上述大模具1的相同，在此不在赘述，本发明实施例中，所述大模具1的面积与小模具2的面积比为4:1～25:1，当然不限于此范围，但是比例过小，尺寸效应不明显，无法计算现场精确的动应力影响深度，比例过大，试验困难复杂，因此本发明给出最优比例为9：1。

本实施例中模具内颗粒填土采用与现场路基中粗粒填筑相一致的填料，颗粒填土用量根据孔隙率和模具内侧容积计算，室内标定试验填土含水率为最佳含水率±2％，并采用小型夯机压实试验土体。填土通过内衬模具逐层叠加堆载的方式置于整平基底上。

在本实施方式中，还提供一种用于中粗颗粒填料压实检测深度的室内标定方法，填土通过内衬模具逐层叠加堆载，具体实施如下：

步骤1、分别组装大模具1和小模具2，并置于相同的整平基底之上，大模具1和小模具2中间均放置电阻应变式土压力盒5，在大模具1和小模具2外围分别套上相应尺寸的围压调节装置3，之后在大模具1和小模具2内分别填筑与现场填筑一致的颗粒填土，并采用小型夯机压实颗粒填土；

步骤2、通过拧松模具上围压调节装置3的螺栓8释放部分围压，之后利用动态回弹模量检测仪4分别对填充好颗粒填土的对大模具1和小模具2进行锤击测试，通过电阻应变式土压力盒5记录最大动应力，大模具1的动应力记为d，小模具2的动应力记为d1，将d/d1＝α记为尺寸效应系数，α可取三次试验的平均值；

步骤3、取第二个小模具2置于步骤1中小模具2之上，按照步骤1方法填充颗粒填土，并压实；

步骤4、通过拧松模具上围压调节装置3的螺栓8释放部分围压，之后利用动态回弹模量检测仪4对小模具2进行锤击测试，通过电阻应变式土压力盒5记录最大动应力，该小模具2的动应力记为d2；

步骤5、重复步骤3和步骤4，直至叠加第n层小模具2时，获得第n层动应力的响应比值比m＝dn/d1<m0(本实施例中m0＝0.02)为止，m0为动应力响应阈值，dn为第n层模具时的动应力，之后通过内插法获得dn/d1＝0.2时的填土层厚度h0，再乘以尺寸效应系数α得与现场实际情况相一致的动应力影响深度h＝h0*α。

本实施例中，小模具2的高度是已知的固定值s，可以计算第n层小模具2时，填土层厚度hn，通过采集的动应力数据点，即可拟合填土层厚度hn与响应比值比m之间的函数关系，取m＝0.02，即可计算出此时的填土层厚度h0。

所述填土用量根据孔隙率和模板内侧容积计算，本标定方法可进而确定在不同含水率和不同级配情况下动荷载在中粗颗粒填土中的应力影响深度。

在上述堆载过程中，每层填土用量应计量精确，以保证计算的精确度；在用夯土机对填土夯实过程中，要注意检查电阻应变式土压力盒5是否损坏，若损坏则需要重新更换并埋置电阻应变式土压力盒5。优选地，在试验过程中，每层压实完成之进行动态回弹模量测试仪锤击，锤击次数应多取几次，取得多组数据并分析，以消除因人为因素或者仪器而可能造成的动荷载误差，具体本实施例中每堆载一层填土，所述动态回弹模量测试仪即在该层填土顶部施加三次动荷载，再由所述电阻应变式土压力盒5接收相应的由上部填土传递而来的动应力，最终由所述动应变采集仪采集并输出其动应力值。测定值为三次试验的平均值。

本方法试验填土可以为与现场填筑相一致的中粗颗粒填土，但是本发明并不限制于此。优选地，本方法也适用于检测其他粒径路基填土。

其中，所述围压调节装置3所用铁条，其作用是为了保护木模具并限制木模具散开，以维持模具稳定。

另外，所述模具内壁可设置橡胶垫12，但本发明并不会限制于此。优选地，还可以采用其他具有相似作用的材料。

进一步，模具内填土可以以逐层卸载的方式卸载。

通过本发明提供的装置和方法能够消除室内试验模具边界对应力传递的影响，能够消除室内压实试验模具因其尺寸边界对应力传递的影响，能够解决中粗粒土由于级配等因素而导致的室内试验难操作问题，可准确得出与现场实际情况相一致的动荷载在中粗颗粒填土中的应力影响深度，提高室内压实检测的准确性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何在本技术领域范围内的同等变化或替换，均应属于本发明的保护范围。