[发明专利]环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置及土体侧向膨胀力测量方法；特别是指一种通过制作具有开合功能的环刀及配套设备，严格消除土样静压制样产生的超固结水平应力的侧向膨胀力测量装置及土体侧向膨胀力测量方法。属于公路膨胀土土工试验技术领域。

背景技术

膨胀土富含膨胀性粘土矿物，具有显著的遇水膨胀软化、失水收缩开裂特性。随着我国经济的高速发展，对基础设施的投入比重越来越大，越来越多的公路将穿越膨胀土分布区。膨胀土地区公路建设中，支挡结构物后的膨胀土体在降雨入渗和大气作用下含水率会逐渐升高发生增湿膨胀，膨胀潜势的释放将产生一定的膨胀力。膨胀力包括竖向膨胀力和侧向膨胀力，其中侧向膨胀力对支挡结构的稳定性有着显著影响。在支挡结构设计以及边坡稳定性计算时，仍旧采用的是库伦土压力理论，而未考虑膨胀土的膨胀力对土压力的影响，导致支挡结构在设计过程中存在不切实际和边坡稳定性结果失真。因此掌握实际工况下侧向膨胀力随边坡高度的变化规律，正确预估和控制膨胀土边坡变形破坏，确保膨胀土边坡的长期稳定，是合理有效利用膨胀土填筑路堤和膨胀土路堑边坡处治的关键，对于降低造价、减少借弃土占地、保证工程质量具有重要工程实际意义。

公路土工试验规程(JTG E40-2007)中膨胀力的试验方法，是采用环刀取原状土或静压制备重塑土环刀样，然后进行膨胀力的试验，在试样浸水产生一定膨胀量后，采用增加筒中砂的质量的方法将试样压回原高度，膨胀一点就加砂压回去一点，以试样不再产生膨胀量时的筒中砂质量作为膨胀力。该方法对于竖向膨胀力的测定是有效的，可为地面防隆起、地面建筑物和构筑物设计服务。在边坡支挡结构设计中，需要考虑的是土样吸水产生的侧向膨胀力对结构的作用，相关研究表明原位测试所得中等膨胀土的侧向膨胀力约为竖向膨胀力的四分之一(杨果林,滕珂,秦朝辉.膨胀土侧向膨胀力原位试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2014,07:2326-2332.)，因此将规范方法确定的竖向膨胀力等同于侧向膨胀力的做法是不合适的，且现有的一些侧向膨胀力测试发现仍存在着实际工况有出入、造价过高或操作繁琐的问题。

国内外学者对膨胀力的测试方法开展了一些研究，归结起来有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法及等体积加压法4种。膨胀反压法是使试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。加压膨胀法是通过一系列压力-膨胀量对应关系曲线确定膨胀力，分为多试样法和单试样法。平衡加压法是在试样吸水开始膨胀时，逐步施加荷载维持体积不变。等体积法是将膨胀土放置在刚性容器内，通过测试容器壁受力确定膨胀力，多用于模型试验，要求模型有足够刚度在膨胀力作用下不产生变形。

其中前三种都是使试样先发生湿化膨胀变形，再施加荷载将试样压回原始体积或高度，该荷载即为膨胀力。但是施荷压缩土体是一种固结过程，固结是土体压缩、去水而逐渐密实的物理过程，而膨胀是晶格扩张的化学过程和粒间结合水膜增厚的过程，因此该膨胀力实际为固结力而非膨胀力，且是竖向作用力而非侧向。等体积法完全限定了试样的体积，加水使其膨胀进行膨胀力的测定，而对于实际膨胀土边坡来说，它的吸水膨胀是一个无侧限的过程，因此该方法并不符合实际工况。此外还有一些模型装置，通过在模型箱的箱壁上设有多个压力传感器，分设于不同深度位置的用于测量膨胀土侧向膨胀力；以及采用伺服加载装置，当土样发生膨胀时，伺服装置自动加压使土样压回原始体积。但是模型箱存在模型制作困难、试验耗时费力等问题，伺服装置同样对土样施加了侧限，不符合实际工况，还存在着造价昂贵的问题。更为重要的是，以往所涉及测试膨胀力的装置和方法均未考虑消除制样过程中产生的超固结水平应力。一种经济适用、操作方便、能完全消除初始超固结水平应力的侧向膨胀力试验方法与装置亟待开发。

发明内容

本发明为了克服现有规程的不足和缺陷，而提供一种结构简单合理、操作方便、严格控制试样初始水平应力状态的环刀、含该环刀的土体侧向膨胀力测量装置。

本发明的另一个目的在于提供一种土体侧向膨胀力测量方法。