隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法
【專利摘要】一種隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法，其做法是：A、取樣部位荷載的測試；B、試樣制備；C、試樣安裝；D、施加壓力；E、進行試驗；F、數(shù)據處理。再根據有限元計算得到每次測量時的體積膨脹率ηn和對應的膨脹力pn，最后根據每次測量時的含水量ωn和對應的膨脹力pn，擬合得出隧道支護條件下膨脹土含水量ω與膨脹力p的關系。該方法能很好地模擬隧道開挖過程中，膨脹土體在一定埋深條件下的吸水膨脹受力形態(tài)，從而更真實、準確的測出膨脹土在三向應力狀態(tài)下含水量與膨脹力的關系。從而更加準確的掌握膨脹土隧道支護結構應力及變形分布規(guī)律，為該類隧道的設計和施工提供更可靠的試驗依據。
【專利說明】隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法。
【背景技術】
[0002]由于膨脹土 “吸水膨脹一失水收縮”的特性，其循環(huán)變化會引起結構受力變得復雜，致使膨脹土隧道的支護結構受力和變形與一般隧道的不同。通常，采用室內試驗測出膨脹土含水量與體積膨脹率的關系，再根據體積膨脹率由有限元方法計算出膨脹力得到膨脹土含水量與膨脹力的關系。然后，根據現(xiàn)場測得的含水量及其變化范圍，計算得到相應的膨脹力，從而掌握膨脹土隧道支護結構應力及變形分布規(guī)律，為該類隧道的設計和施工提供依據。
[0003]目前，室內試驗測定膨脹土含水量與體積膨脹率的關系，主要是采用一系列的有荷側限膨脹試驗，即采用靜壓法制成重塑膨脹土試樣，再使土樣徑向受到環(huán)刀的剛性約束，上部受到設定荷載，然后對系列土樣分別注入不同的水量，測出不同含水量與體積膨脹率的關系。這種方法存在一定的局限性:(1)膨脹土在一定埋深條件下的吸水膨脹受力形態(tài)，理論上是三向應力狀態(tài)，即土體自身上下、前后、左右各個方向上都受到一定大小的力。而有荷側限膨脹由于其只能對膨脹土樣上方施加特定的荷載值，水平方向(前后、左右)的力由于受到環(huán)刀的約束，其值的大小是波動的、無法控制的。其側向荷載不能按照現(xiàn)場實際壓力進行施加，與工程實際情況差別大，得到的試驗數(shù)據與工程實際的誤差大、可靠性差。(2)由于膨脹土活性太強，同一批采用靜壓法制成的重塑膨脹土試樣，其吸收膨脹的速率和能力不可能絕對相同；即系列試驗中的主體并不是同一個試樣，其變形并不具有絕對的連續(xù)性，所得到的數(shù)據必定具有一定的誤差，也導致其試驗數(shù)據的可靠性差。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法，該方法能很好地模擬隧道開挖過程中，膨脹土體在一定埋深條件下的吸水膨脹受力形態(tài)，從而更真實、準確的測出膨脹土在三向應力狀態(tài)下含水量與膨脹力的關系。從而更加準確的掌握膨脹土隧道支護結構應力及變形分布規(guī)律，為該類隧道的設計和施工提供更可靠的試驗依據。
[0005]本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用技術方案是，一種隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法，其做法是:
[0006]A、取樣部位荷載的測試
[0007]測出工程現(xiàn)場的取樣部位上方的垂直荷載σ i及水平方向的荷載σ 3 ；
[0008]B、試樣制備
[0009]將所取土樣采用靜壓法制成重塑的膨脹土試樣，并在制備時記錄膨脹土試樣的土顆粒質量ms、初始含水質量mw和體積V ；
[0010]C、試樣安裝[0011]用橡皮膜將膨脹土試樣的側面包裹好，在應變式三軸儀的壓力室底座上依次放置不透水石一、下濾紙、膨脹土試樣，然后在膨脹土試樣上部放置上濾紙、不透水石二，試樣帽；上排水管的內端穿過試樣帽及不透水石二與膨脹土試樣的頂部相連，外端穿出壓力室；下排水管的內端穿過不透水石一與膨脹土試樣的底部相連，外端穿出壓力室；最后在壓力室上部蓋上壓力室蓋；
[0012]D、施加壓力
[0013]擰開應變式三軸儀的壓力室蓋上的排氣閥，水壓系統(tǒng)通過壓力室底座的進水孔向壓力室注水，待壓力室蓋上的排氣閥有水溢出時，關閉排氣閥，調節(jié)水壓系統(tǒng)的調壓閥使壓力室內的水壓等于A步測得的水平方向的荷載σ 3 ；
[0014]轉動加壓手輪，使應變式三軸儀的穿過壓力室蓋的活塞的下端部通過試樣帽向膨脹土試樣加載，并通過與活塞上端部相連的測力計測出其加載的載荷Λ σ，當Δ O = O J- O 3 Bi,保持該加載載荷；
[0015]E、進行試驗
[0016]用吸耳球向應變式三軸儀的上排水管和下排水管注水，當兩者的液面高于膨脹土試樣頂部后，打開上排水管的閥門及下排水管的閥門，使上排水管穿過試樣帽的內端向膨脹土試樣的頂部滲水，使下排水管穿過不透水石的內端向膨脹土試樣的底部滲水；再打開與壓力室相連的體變管的閥門；
[0017]隨后，讀取并記錄下列讀數(shù)，然后，每隔一個測量周期又讀取并記錄一次下列讀數(shù):(測量周期一般為20-40分鐘)
[0018]反映膨脹土試樣體積變化的體變管的讀數(shù) <、反映膨脹土試樣頂部滲水量的上排水管的讀數(shù)G、反映膨脹土試樣底部滲水量的下排水管的讀數(shù) /、測力環(huán)的讀數(shù)Λ σ:其中，下標η為讀取次數(shù)的序號；
[0019]直到上排水管的讀數(shù)P連續(xù)三次保持不變，且下排水管的讀數(shù)也連續(xù)三次保持不變，結束試驗；在試驗過程中，當上、下排水管的液面接近膨脹土試樣頂部時，即向其注水，使上、下排水管的液面高出膨脹土試樣的頂部，以保證膨脹土試樣時刻處于吸水狀態(tài)；同時，當讀出的測力環(huán)的讀數(shù)Λ O < O1-O3時，須轉動加壓手輪，增加活塞施加于試樣上部的荷載Λ O直至Λ O=O1-O3時，保持該加載載荷；
[0020]F、數(shù)據處理
[0021]根據D步測出的體變管的讀數(shù)G、上排水管的讀數(shù)G、下排水管的讀數(shù)K 計算得出:
[0022]膨脹土試樣在三維受力情況下，連續(xù)性吸水過程中，第二次以后的每次讀取讀數(shù)時的含水量
【權利要求】
1.一種隧道支護條件下膨脹土含水量與膨脹力關系的測試方法，其做法是: A、取樣部位荷載的測試 測出工程現(xiàn)場的取樣部位上方的垂直荷載O1及水平方向的荷載σ3; B、試樣制備 將所取土樣采用靜壓法制成重塑的膨脹土試樣(16)，并在制備時記錄膨脹土試樣(16)的土顆粒質量Hls、初始含水質量Hlw和體積V ; C、試樣安裝 用橡皮膜(21)將膨脹土試樣(16)的側面包裹好，在應變式三軸儀的壓力室(7)底座上依次放置不透水石一(19)、下濾紙(20)、膨脹土試樣(16)，然后在膨脹土試樣(16)上部放置上濾紙(22)、不透水石二(23)，試樣帽(24);上排水管(15)的內端穿過試樣帽(24)及不透水石二(23)與膨脹土試樣(16)的頂部相連，外端穿出壓力室(7);下排水管(11)的內端穿過不透水石一(19)與膨脹土試樣(16)的底部相連，外端穿出壓力室(7);最后在壓力室(7)上部蓋上壓力室蓋(25)； D、施加壓力 擰開應變式三軸儀的壓力室蓋(25)上的排氣閥(6)，水壓系統(tǒng)通過壓力室(7)底座的進水孔(13)向壓力室(7) 注水，待壓力室蓋(25)上的排氣閥(6)有水溢出時，關閉排氣閥(6)，調節(jié)水壓系統(tǒng)的調壓閥使壓力室(7)內的水壓等于A步測得的水平方向的荷載σ 3 ； 轉動加壓手輪，使應變式三軸儀的穿過壓力室蓋(25)的活塞(5)的下端部通過試樣帽(24)向膨脹土試樣(16)加載，并通過與活塞(5)上端部相連的測力計(3)測出其加載的載荷Λ O，當Δ O = O J- O 3 Bi,保持該加載載荷； E、進行試驗 用吸耳球向應變式三軸儀的上排水管(15)和下排水管(11)注水，當兩者的液面高于膨脹土試樣(16)頂部后，打開上排水管(15)的閥門(15a)及下排水管(11)的閥門(11a)，使上排水管(15)穿過試樣帽(24)的內端向膨脹土試樣(16)的頂部滲水，使下排水管(11)穿過不透水石(19)的內端向膨脹土試樣(16)的底部滲水；再打開與壓力室(7)相連的體變管(17)的閥門(17a)； 隨后，讀取并記錄下列讀數(shù)，然后，每隔一個測量周期又讀取并記錄一次下列讀數(shù): 反映膨脹土試樣(16)體積變化的體變管(17)的讀數(shù)<、反映膨脹土試樣(16)頂部滲水量的上排水管(15)的讀數(shù)G、反映膨脹土試樣(16)底部滲水量的下排水管(11)的讀數(shù)測力環(huán)(3)的讀數(shù)Λ σ:其中，下標η為讀取次數(shù)的序號； 直到上排水管(15)的讀數(shù)G連續(xù)三次保持不變，且下排水管(11)的讀數(shù)?>7也連續(xù)三次保持不變，結束試驗；在試驗過程中，當上、下排水管(15、11)的液面接近膨脹土試樣(16)頂部時，即向其注水，使上、下排水管(15、11)的液面高出膨脹土試樣(16)的頂部，以保證膨脹土試樣(16)時刻處于吸水狀態(tài)；同時，當讀出的測力環(huán)(3)的讀數(shù)Λ σ < O1-O3時，須轉動加壓手輪，增加活塞施加于試樣上部的荷載Λ σ直至Λ σ = σ「σ 3時，保持該加十卜.十卜.-H-載載荷； F、數(shù)據處理 根據D步測出的體變管(17)的讀數(shù)<、上排水管(15)的讀數(shù)G、下排水管(11)的讀數(shù)G、計算得出: 膨脹土試樣(16)在三維受力情況下，連續(xù)性吸水過程中，第二次以后的每次讀取讀數(shù)時的含水量
【文檔編號】G01L5/00GK103760320SQ201410035547
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權日:2014年1月24日
【發(fā)明者】張志強, 李化云, 闞呈, 凌云鵬, 張洋 申請人:西南交通大學