循环荷载下土体内应力测试简易仪器及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩土工程方面的土体动力学特性测试技术，特别涉及一种循环荷载下土体内应力测试简易仪器及方法。本发明还可以用于沉降变形测试、变形模量测试。本发明属于一种室内试验简单、方便获取土体动力学特性的创新技术。
【背景技术】
[0002]公路、铁路、飞机跑道等地基所承受的荷载均为长期反复动荷载，动荷载下的土体力学行为与静荷载下的土体力学行为存在着本质的差异。许多路基土会在远小于静力强度的循环荷载下发生破坏。在反复荷载作用下，基层和地基的永久变形将会加速上层路面结构的变形，这将引起路面灾害和交通安全问题。
[0003]在道路工程和基础工程中，土中动应力是指土中的动附加应力，简称动应力。需要说明的是，区别于单元体试验(如三轴试验)的外荷载，土中动应力是指一种结构内应力。
[0004]道路基础工程领域的原位测试和模型试验，均有记录得路基土中动附加应力响应随车辆荷载次数增加而累积的现象。另一方面，动应力法加固软土地基时，亦有监测得地基中总应力和孔压的响应均滞后于夯击的加载和卸载；土中残余有效应力随夯击次数的增加而增加。
[0005]虽然研究及工程报告都记录得在循环荷载下路基土、天然地基土会发生动应力累积。但土中动应力累积现象没有引起学者们的重视。我们应该认识到，路基土和天然地基土在交通荷载下的应力累积现象是一种客观的、长期的现象。应力累积现象应引起学者和工程师们的重视且加以研究。
[0006]本发明主要功能是可测量土中内应力对不同循环荷载量大小、加载波形、加载频率、土体初始密实程度等因素的响应。本仪器还可获取土体在循环荷载作用下的沉降曲线、动态弹性模量、总变形模量、静态弹性模量等参数。
【发明内容】
[0007]为了模拟行车过程中或动力法加固地基过程中路基土和天然地基土中的动应力响应，本发明借鉴了测定土体弹性模量的杠杆压力仪的优点，经加工改进，设计了专门的循环荷载下土体内应力测试仪。借助杠杆压力仪，本仪器可实现10倍输出循环荷载，节约了仪器耗材和动力能源。通过计算机控制系统，本发明可控制循环荷载的加载波形、幅度、周期、间歇时间，使用灵活方便。本发明主要功能是可测量土中内应力对不同循环荷载量大小、加载波形、加载频率、土体初始密实程度等因素的响应。本仪器还可获取土体在循环荷载作用下的沉降曲线、动态弹性模量、总变形模量、静态弹性模量等参数。
[0008]本发明的技术方案为:循环荷载下土体内应力测试仪，包括:(I) 土样周围位置静荷载施加系统，(2) 土样中心位置循环荷载施加系统，(3)应力、位移测量系统，和(4)计算机控制系统。
[0009]周围位置静荷载施加系统和中心位置循环荷载施加系统需要利用到杠杆压力仪。杠杆压力仪的尺寸和结构组成见《土工试验方法标准GB/T50123-1999》和《杠杆压力仪JJG107-2012》。
[0010]本发明各分部分的详细描述如下:
[0011](I)所述土样周围位置静荷载施加系统包括:刚性受力架，测力环，千斤顶，杠杆压力仪中的重型击实筒和压力传递杆。重型击实筒(土样筒)的尺寸为:内径152_、筒高166mm ;筒内垫块直径151mm ;护筒高度50mm。压力传递杆与土样接触的部位为一个环形:外径151mm、内径51mm(见图2和图3)。
[0012](2)所述土样中心位置循环荷载施加系统包括:信号发生器、功率放大器、电动式激振器、激振器固定架、杠杆压力仪、承载板。承载板接触面的尺寸为:直径5_。土样中心受静荷载加循环荷载的作用(见图2)。本发明可控制循环荷载的加载波形、幅度、周期、间歇时间，使用灵活方便。激振器被固定在激振器固定架上，向下输出激振力，激振器顶杆与杠杆压力仪的10倍杠杆压力位接触。
[0013](3)所述应力、位移测量系统包括:筒内电线导槽、微型孔隙水压力传感器、微型土压力传感器、位移传感器、A\D转换器、数据采集记录仪。筒内电线导槽(图4)为一根方形空心管，长度15cm，方形横截外边长15_:电线导槽上半部分为四壁空心管，下半部分为三壁空心管。微型孔隙水压力传感器的导线和微型土压力传感器的导线从电线导槽中穿出。
[0014](4)所述计算机控制系统包括:微型计算机、激振器信号发生器的控制软件、数据采集分析软件。
[0015]记录循环荷载下土中的土压力值和孔隙水压力值的实测值。压力实测值与初始值之差为土中附加应力响应。利用数据采集仪和计算机系统记录和分析数据，可绘制出土体内应力和沉降位移的时间过程量曲线或循环数过程量曲线。根据外荷载和变形量，可进一步获得沉降变形曲线、总变形模量、每个应力应变循环中的弹性模量。
【附图说明】
[0016]图1循环荷载下土体内应力测试仪结构示意图:1_刚性受力架，2-测力环，3-千斤顶，4-重型击实筒，5-压力传递杆，6-信号发生器，7-功率放大器，8-电动式激振器，
9-激振器固定架，10-杠杆压力仪，11-A\D转换器和数据采集记录仪，12-微型计算机，13-位移传感器，14-导线
[0017]图2循环荷载下土样的受力示意图:15_静荷载，16-循环荷载
[0018]图3压力传递杆结构示意图
[0019]图4试样筒电线导槽结构示意图
[0020]图5试样筒土样、传感器安装示意图:14_导线，17-试验筒，18-垫块，19-套筒，20-底板，21孔隙水压力传感器，22- 土压力传感器，23-试样筒电线导槽
[0021]图6试样筒全面积压板示意图
【具体实施方式】
[0022]1.根据实验所需，制备某含水率条件的重塑土样。每组测试准备的土样应大于8kg0
[0023]2.将击实筒与底座联接好，平稳至于刚性基础上。安装好护筒，在击实筒内壁均匀涂一层润滑油，称取一定量的试样，倒入击实筒，分层填筑。首先填筑40mm的土样，在中心处水平放置孔隙水压力传感器；孔隙水压力传感器周围用饱和的人工滤料包围，以保证孔隙水压力测量的准确性。然后填筑40mm的土样，在中心处水平放置土压力传感器；在压力盒上下表面均匀铺1.5cm厚的细砂，保证土压力盒受力均匀。孔隙水压力传感器和土压力传感器的电线需穿过电线导槽(图4)，以防止传感器导线阻碍土体压密和位移。继续向上填筑土样，最终填土高度应高于护筒最低面的40mm，擦净筒外壁。
[0024]3.将击实筒和土样搬至周围位置静荷载施加系统。击实筒置于受力钢架中轴线位置，在土样筒上方依次放置全面积压板(图6，直径151mm的圆形板)、压力传递杆(图3)、千斤顶、和测力环。通过控制千斤顶的位移，对击实筒内的土样施加拟定的固结压力。当固结位移小于0.lmm/h时，可视为固结完成。