循環荷載下土體內應力測試簡易儀器及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖土工程方面的土體動力學特性測試技術，特別涉及一種循環荷載下土體內應力測試簡易儀器及方法。本發明還可以用于沉降變形測試、變形模量測試。本發明屬于一種室內試驗簡單、方便獲取土體動力學特性的創新技術。
【背景技術】
[0002]公路、鐵路、飛機跑道等地基所承受的荷載均為長期反復動荷載，動荷載下的土體力學行為與靜荷載下的土體力學行為存在著本質的差異。許多路基土會在遠小于靜力強度的循環荷載下發生破壞。在反復荷載作用下，基層和地基的永久變形將會加速上層路面結構的變形，這將引起路面災害和交通安全問題。
[0003]在道路工程和基礎工程中，土中動應力是指土中的動附加應力，簡稱動應力。需要說明的是，區別于單元體試驗(如三軸試驗)的外荷載，土中動應力是指一種結構內應力。
[0004]道路基礎工程領域的原位測試和模型試驗，均有記錄得路基土中動附加應力響應隨車輛荷載次數增加而累積的現象。另一方面，動應力法加固軟土地基時，亦有監測得地基中總應力和孔壓的響應均滯后于夯擊的加載和卸載；土中殘余有效應力隨夯擊次數的增加而增加。
[0005]雖然研究及工程報告都記錄得在循環荷載下路基土、天然地基土會發生動應力累積。但土中動應力累積現象沒有引起學者們的重視。我們應該認識到，路基土和天然地基土在交通荷載下的應力累積現象是一種客觀的、長期的現象。應力累積現象應引起學者和工程師們的重視且加以研究。
[0006]本發明主要功能是可測量土中內應力對不同循環荷載量大小、加載波形、加載頻率、土體初始密實程度等因素的響應。本儀器還可獲取土體在循環荷載作用下的沉降曲線、動態彈性模量、總變形模量、靜態彈性模量等參數。
【發明內容】
[0007]為了模擬行車過程中或動力法加固地基過程中路基土和天然地基土中的動應力響應，本發明借鑒了測定土體彈性模量的杠桿壓力儀的優點，經加工改進，設計了專門的循環荷載下土體內應力測試儀。借助杠桿壓力儀，本儀器可實現10倍輸出循環荷載，節約了儀器耗材和動力能源。通過計算機控制系統，本發明可控制循環荷載的加載波形、幅度、周期、間歇時間，使用靈活方便。本發明主要功能是可測量土中內應力對不同循環荷載量大小、加載波形、加載頻率、土體初始密實程度等因素的響應。本儀器還可獲取土體在循環荷載作用下的沉降曲線、動態彈性模量、總變形模量、靜態彈性模量等參數。
[0008]本發明的技術方案為:循環荷載下土體內應力測試儀，包括:(I) 土樣周圍位置靜荷載施加系統，(2) 土樣中心位置循環荷載施加系統，(3)應力、位移測量系統，和(4)計算機控制系統。
[0009]周圍位置靜荷載施加系統和中心位置循環荷載施加系統需要利用到杠桿壓力儀。杠桿壓力儀的尺寸和結構組成見《土工試驗方法標準GB/T50123-1999》和《杠桿壓力儀JJG107-2012》。
[0010]本發明各分部分的詳細描述如下:
[0011](I)所述土樣周圍位置靜荷載施加系統包括:剛性受力架，測力環，千斤頂，杠桿壓力儀中的重型擊實筒和壓力傳遞桿。重型擊實筒(土樣筒)的尺寸為:內徑152_、筒高166mm ;筒內墊塊直徑151mm ;護筒高度50mm。壓力傳遞桿與土樣接觸的部位為一個環形:外徑151mm、內徑51mm(見圖2和圖3)。
[0012](2)所述土樣中心位置循環荷載施加系統包括:信號發生器、功率放大器、電動式激振器、激振器固定架、杠桿壓力儀、承載板。承載板接觸面的尺寸為:直徑5_。土樣中心受靜荷載加循環荷載的作用(見圖2)。本發明可控制循環荷載的加載波形、幅度、周期、間歇時間，使用靈活方便。激振器被固定在激振器固定架上，向下輸出激振力，激振器頂桿與杠桿壓力儀的10倍杠桿壓力位接觸。
[0013](3)所述應力、位移測量系統包括:筒內電線導槽、微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力傳感器、位移傳感器、A\D轉換器、數據采集記錄儀。筒內電線導槽(圖4)為一根方形空心管，長度15cm，方形橫截外邊長15_:電線導槽上半部分為四壁空心管，下半部分為三壁空心管。微型孔隙水壓力傳感器的導線和微型土壓力傳感器的導線從電線導槽中穿出。
[0014](4)所述計算機控制系統包括:微型計算機、激振器信號發生器的控制軟件、數據采集分析軟件。
[0015]記錄循環荷載下土中的土壓力值和孔隙水壓力值的實測值。壓力實測值與初始值之差為土中附加應力響應。利用數據采集儀和計算機系統記錄和分析數據，可繪制出土體內應力和沉降位移的時間過程量曲線或循環數過程量曲線。根據外荷載和變形量，可進一步獲得沉降變形曲線、總變形模量、每個應力應變循環中的彈性模量。
【附圖說明】
[0016]圖1循環荷載下土體內應力測試儀結構示意圖:1_剛性受力架，2-測力環，3-千斤頂，4-重型擊實筒，5-壓力傳遞桿，6-信號發生器，7-功率放大器，8-電動式激振器，
9-激振器固定架，10-杠桿壓力儀，11-A\D轉換器和數據采集記錄儀，12-微型計算機，13-位移傳感器，14-導線
[0017]圖2循環荷載下土樣的受力示意圖:15_靜荷載，16-循環荷載
[0018]圖3壓力傳遞桿結構示意圖
[0019]圖4試樣筒電線導槽結構示意圖
[0020]圖5試樣筒土樣、傳感器安裝示意圖:14_導線，17-試驗筒，18-墊塊，19-套筒，20-底板，21孔隙水壓力傳感器，22- 土壓力傳感器，23-試樣筒電線導槽
[0021]圖6試樣筒全面積壓板示意圖
【具體實施方式】
[0022]1.根據實驗所需，制備某含水率條件的重塑土樣。每組測試準備的土樣應大于8kg0
[0023]2.將擊實筒與底座聯接好，平穩至于剛性基礎上。安裝好護筒，在擊實筒內壁均勻涂一層潤滑油，稱取一定量的試樣，倒入擊實筒，分層填筑。首先填筑40mm的土樣，在中心處水平放置孔隙水壓力傳感器；孔隙水壓力傳感器周圍用飽和的人工濾料包圍，以保證孔隙水壓力測量的準確性。然后填筑40mm的土樣，在中心處水平放置土壓力傳感器；在壓力盒上下表面均勻鋪1.5cm厚的細砂，保證土壓力盒受力均勻。孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器的電線需穿過電線導槽(圖4)，以防止傳感器導線阻礙土體壓密和位移。繼續向上填筑土樣，最終填土高度應高于護筒最低面的40mm，擦凈筒外壁。
[0024]3.將擊實筒和土樣搬至周圍位置靜荷載施加系統。擊實筒置于受力鋼架中軸線位置，在土樣筒上方依次放置全面積壓板(圖6，直徑151mm的圓形板)、壓力傳遞桿(圖3)、千斤頂、和測力環。通過控制千斤頂的位移，對擊實筒內的土樣施加擬定的固結壓力。當固結位移小于0.lmm/h時，可視為固結完成。