[发明专利]无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置

说明书

技术领域

本发明属于土样物理量测试设备技术领域，具体涉及一种无扰动可控制饱和的土样膨胀力测试装置。

背景技术

土工试验是土力学研究的基本内容之一，土工试验可以揭示土体特有的力学性质，可以确定各种理论和工程设计参数，同时也可以验证各种理论的正确性及实用性。因此，土工试验对于土力学的理论研究和工程应用具有无法替代的作用。

正因为土工试验的这种重要性，使得土工试验的准确性受到重视。而土工试验中土样参数的准确测定又更加关乎到理论研究的正确性和可行性。因此，研制的测试新装置对土样实现快速、无扰动条件下参数的测定具有十分重要的意义，特别是针对特殊土的力学性质，应由特殊的试验装置和试验方法来研究其特殊的力学性质。

膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有显著胀缩特性的地质体，粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土具有超固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂等与正常固结黏土不同的工程性质，因此，修筑在典型膨胀土分布区的路基和边坡常常是“逢堑必滑，有堤必坍”。膨胀土对建筑物尤其是对轻型建筑、路基、机场、边坡以及堤坝等都有严重的破坏作用，而且这种破坏作用常具有反复性和长期潜伏性。膨胀土及其工程问题是岩土界到目前为止仍没妥善解决的世界性技术难题之一，而这一系列问题均由膨胀土的膨胀力所导致。因此，如何测定和评价膨胀土的膨胀力便成为研究膨胀土力学特性的关键问题之一。

膨胀力作为膨胀土的特殊力学性质，具有重要的研究价值。膨胀力测试试验方法有很多，目前常见的有膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法。

膨胀反压法是指使土样充分吸水自由膨胀稳定后再施加荷载使其恢复到初始体积，试验中让土样膨胀到最大限度后，逐级加荷压缩，直至土样回复到初始体积为止，这时所需施加的压力定义为膨胀力。

加压膨胀法是先将土样压缩然后浸水膨胀，土样在某一压力下浸水所产生的膨胀量和该压力下产生的压缩量相等，该压力定义为膨胀力，试验过程中通过一系列的荷载—膨胀量对应关系曲线而确定膨胀力值。

平衡加压法是指在土样吸水开始产生一定的膨胀时，逐级逐步施加荷载消除膨胀变形，维持土样体积不变，最后施加荷载的累计值即为膨胀力。

分析可知，这些膨胀力测试方法均具有不同程度的缺点：

1.膨胀反压法测得的压力为“固结压力”而非真正意义上的“膨胀压力”，具体原因是：施荷压缩土体是一种固结过程，固结是组成土骨架的颗粒发生滑移、破碎、重组、孔隙自由水排出和孔隙减小的物理过程；膨胀则是晶间、粒间结合水膜增厚“楔”开颗粒的物理化学到力学的过程。可见，膨胀反压法测得的力为“固结压力”而非“膨胀压力”。试验装置为：试验采用环刀和固结仪进行，其操作大体过程是，首先用2cm高的环刀备样，然后将环刀接高，装入固结仪，调整百分表指针为零，加水任由土样充分膨胀稳定后，分级加荷直至出现体积小于土样初始体积的压缩变形为止。整理试验成果得到一条“浸水加压曲线”，该曲线与零变形线的交点相应的压力即为膨胀力。其缺点为：此方法测得的力为“固结压力”而非“膨胀压力”，与膨胀力的物理意义不符；最大膨胀力的测试需通过绘制曲线得出，并不能通过试验直接测得，不方便，不能反映试验真实值。此外，该试验方法无法控制土样的饱和状态。

2.加压膨胀法在施加最大一级荷载时，土体产生了压缩变形，改变了土体的干密度和原状结构，因此，试验值与实际值有区别。试验装置为：试验采用环刀和固结仪进行，其操作大体过程是，试验中用多个土样分别在不同荷载下压缩稳定，调整百分表指针位置（考虑仪器变形量），加水任土样膨胀至稳定，整理试验成果得到一条“不同荷载下的膨胀率曲线”，该曲线与零变形线交点相应的压力即为膨胀力。其缺点为：试验中先将土样进行了压缩，产生了土体扰动，破坏了土样的微结构；需通过绘制曲线间接求得膨胀力，较直接测试膨胀力操作显得麻烦；试验中需用多个土样进行试验，占用了多台仪器，影响设备的周转，该试验也无法控制土样的饱和状态。