土体基床系数的测量装置和测量方法与流程

本发明涉及地质勘探领域，具体讲是一种土体基床系数的测量装置和测量方法。

背景技术：

可持续发展是我国的基本国策，主要体现在节能、环保、低碳和创新等方面。对于城市建设来说，科学、合理、充分的开发利用地下空间是一个很重要的举措。要做到地下空间安全经济有效的开发利用，工程地质勘探提供准确的地质数据是十分关键的，其中地层的力学性能指标之一的基床系数是进行地下空间开发利用设计中一个十分重要的参数和依据。

所述的基床系数就是地基土受到应力与相应土体形变量之比，也称为土体的弹性抗力系数或地基反力系数，用公式表达为K＝P/⊿S。式中K为土层的基床系数(MPa/m)，P为作用在地基上的压强(MPa)，⊿S为相应地基的沉降量(m)。而当⊿S等于1.25mm时，对应的那个基床系数即K_1.25mm为标准基床系数，本申请中所有对基床系数的测量，实质上就是在测量这个标准基床系数。综上，基床系数是计算结构物(基础、衬砌、桩等)内力和形变的重要参数，这一参数与地基土的类别、土的状态、土的物理力学性质、基础形状及作用受力情况等因素相关。

现有技术通过土样的室内土工试验来测定基床系数的方法主要有三轴法和固结法。三轴法是利用三轴仪进行测量的方法，而三轴仪原本是用来进行三轴试验的。如图1所示，三轴仪的具体结构包括支架101，支架101上安装有升降杆102，升降杆102上固定一个底板103，底板103上安装有一个用于注水的筒套104，筒套104侧壁设有进水口105和排水口106，筒套104上开口设有密封盖107，密封盖107的中心孔密封套合有一根顶杆108，顶杆108下端固定有压板109，顶杆108上端与支架101固定且两者之间设有压力传感器110，而筒套104上设有位移传感器111。

三轴法的具体步骤为，打开筒套的密封盖，将瘦高型圆柱土样用一层防水塑料膜包裹后放入套筒，再安装好密封盖，然后驱动升降杆上升，带动底板将土样与压板抵紧，此时为坐标原点，压力传感器和位移传感器都为零，再对套筒内注水，使得液压对土样也形成侧压力，然后继续驱动升降杆上升，随着升降杆继续上升压缩土样，压力传感器和位移传感器都会显示读数，用计算机将两个传感器测得的值采集起来并拟合成压力和形变量的曲线，最后在曲线上找到⊿S为1.25mm的点作为标准采样点，并找到标准采样点对应的P值，两者相除获得该标准采样点的基床系数就是标准基床系数K_1.25mm。

而固结法则是利用固结仪进行测量的方法，而固结仪原本则是用来做固结试验的，该方法其实与三轴法大方向上相似，同样是在固结仪中增设了压力传感器和位移传感器，并采集两个传感器的值并拟合成压力和形变量的曲线，然后同样选取⊿S为1.25mm的点作为标准采样点，进而获得标准基床系数K_1.25mm。但固结法的区别主要在于固结仪是通过增加砝码从上往下逐级施加压力使得土样固结稳定后采样的。

上述现有技术的测量装置及测量方法存在以下弊端。首先看三轴法，由于三轴仪本身是进行静压三轴试验的，所以为符合试验需求，其容器和最后压缩的土样是瘦长型的，这样，同样受压条件下土体式样更容易被压缩变形，这就干扰了最后测验的基床系数的准确性；而且，在土样放入套筒前，需要先包裹防水塑料膜，在包膜过程中可能会对土样表层产生扰动，同样影响最后测量结果的精确性；如果为避免扰动干脆不包膜，又会使得土样与水混合，同样会对土体性能产生影响干扰最后测量结果的精确性。而固结法也存在类似的问题，固结仪本身是为了进行固结试验的，为满足试验需求，固结仪中装土样的容器及受压的土样是矮粗型的，同样受压条件下土体式样更难压缩，同样会干扰最后测量结果的准确性。

况且，无论是三轴法还是固结法都共同存在一个问题，即拟合曲线时，都是将土样抵紧作为坐标的原点。然而，土样从土层中取样以后，会出现压力释放和变形回弹现象，即都已经释放了这部分先期固结应力，而上述两种方法的坐标原点的确立及标准采样点的选取均未考虑到去弥补这个先期固结应力，所以最后采集到⊿S自然不准确，进而导致最后获得的标准基床系数K_1.25mm也不准确。

技术实现要素：

本发明要解决的一个技术问题是，提供一种既能有效避免与水接触且不会对土样本身造成扰动、而且能有效排除先期固结应力的影响，确保测量结果精确的土体基床系数的测量装置。

本发明的一个技术解决方案是，提供一种土体基床系数的测量装置，它包括支架，支架上安装有一升降杆，升降杆上固定有底板，底板上安装有套筒，支架还经一个压力传感器连接有一根压杆，底板内置有排水管路，套筒的内壁设有内凹的环形槽，套筒内设有上下开口的橡胶筒，套筒侧壁贯穿有进水管和出水管，套筒上端固定有限位环板，限位环板上设有位移传感器，限位环板的中心孔内配合有压盖。

本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种既能有效避免与水接触且不会对土样本身造成扰动、而且能有效排除先期固结应力的影响，确保测量结果精确的土体基床系数的测量方法。

本发明的另一个技术解决方案是，提供一种土体基床系数的测量方法，其步骤包括：

a、将压盖揭开，从进水管对套筒内壁的环形槽与橡胶筒之间的缝隙注水，使得橡胶筒向内鼓起，再从出水管抽水，使得橡胶筒与套筒环形槽缝隙的水压减小，橡胶筒向外凸起，便于放入土样；

b、将取土器中取出的第一个圆柱土样削成方柱土样，且该方柱的方形截面为该圆柱土样的圆形截面的内接正方形；然后将方柱削成第二个圆柱土样，第二个圆柱土样的圆形截面为方柱土样方形截面的内切圆；且第二个圆柱土样的直径与高度相等；

c、在橡胶筒内铺设一层排水垫层，将第二个圆柱土样放在排水垫层上，且在圆柱土样顶部再铺设一层排水垫层，再用压盖盖住，然后再次从进水管对套筒内壁的环形槽与橡胶筒之间的缝隙注水，使得橡胶筒与土样完全贴合；

d、驱动升降杆上升，使得压盖与压杆下端抵靠，此刻，为坐标原点，压力传感器和位移传感器都为零；

e、然后继续驱动升降杆上升，随着升降杆继续上升压缩土样，压力传感器和位移传感器都会显示读数，用计算机将两个传感器测得的读数采集起来并拟合成压力和形变量的曲线；

f、在曲线上修正出标准采样点，并用该标准采样点对应的P值除以该标准采样点对应的⊿S，获得该标准采样点的标准基床系数。

本发明土体基床系数的测量装置及测量方法与现有技术相比，具有以下优点和效果。

首先，由于该测量装置是专门针对测量基床系数设计的，所以其容纳土样的容器不再像三轴仪或者固结仪一样受到三轴试验或固结试验的限制，故能将容器及土样设置成高径比1比1，这样，即不像三轴法那么高瘦，也不像固结法那么矮胖，受压后土样形变量合理，确保最后测量结果的精确。其次，该装置将隔水的橡胶筒设置在套筒内，且在套筒内壁设内凹的环形槽，通过往两者间缝隙先注满水，然后抽水，使得橡胶筒的筒壁向外凸，便于土样放入，并在土样放入后再次注水，使得橡胶筒与土样贴紧压实，既保证了对土样提供侧压力，又便捷了土样的放入过程，且不会对土样造成扰动和破坏，进一步保障测量结果的精确性。而且，制作土样时，先将第一圆柱土样削成内接方柱，再将内接方柱削成内切圆柱，这样尽可能的获得了横截面最大的土样，增大了土样受压时的受力面积，进一步提高最后测量结果的精确性。况且，上述测量方法中的标准采样点不再是⊿S为1.25mm的点，而是修正出新的标准采样点，这样，就充分考虑到土体取样后压力释放和变形回弹的现象，弥补了先期固结应力，确保最后测量出的标准基床系数的准确性。

作为改进，步骤f中修正出标准采样点是指，在压力和形变量的曲线上找到⊿S值为1.25mm+γh的点F作为标准采样点；式中，γ为土样的密度，h为土样采集的深度。上述修正方式是一种预估法，就是根据土样的取样深度，乘以土体密度，获得的就是土体取样后释放的先期固结应力的大小，最后加上1.25mm，获得的就是排除先期固结应力干扰后的标准采样点的标准基床系数。

作为优选，步骤f中修正出标准采样点是指，重新拟合出一条以压力的变量LgP为横标而⊿S为竖标的曲线，再在压力变量和形变量的曲线上找到曲率半径Rmin最小的一个点O，再过O点做水平线OA和切线OB，然后做出角∠AOB的平分线OD，压力变量和形变量的曲线发展到最后会化为一条直线，反向延长该直线使得该直线与平分线OD相交于点E，而从点E做一条竖线，该竖线与压力变量和形变量的曲线存在一个交点F，交点F对应的⊿S值就是标准采样点的⊿S值，最后将该⊿S值重新带入压力和形变量的曲线，进而获得修正后的标准采样点。该方法能找到更精确的修正先期固结应力后的标准采样点，进而获取更精准的标准基床系数。

附图说明

图1是现有技术的土体基床系数的测量装置(三轴仪)的正剖视结构示意图。

图2是本发明土体基床系数的测量装置的正剖视结构示意图。

图3是在本发明土体基床系数的测量方法拟合出的压力和形变量的曲线上修正标准采样点的第一种方式的示意图。

图4是在本发明土体基床系数的测量方法拟合出的压力变量和形变量的曲线上修正标准采样点的第二种方式的示意图。

图中所示

现有技术的连接结构的零部件 101、支架，102、升降杆，103、底板，104、筒套，105、进水口，106、排水口，107、密封盖，108、顶杆，109、压板，110、压力传感器，111、位移传感器；

本发明连接结构的零部件 1、支架，2、升降杆，3、底板，4、套筒，5、压力传感器，6、压杆，7、排水管路，8、环形槽，9、橡胶筒，10、进水管，11、出水管，12、限位环板，13、位移传感器，14、压盖，15、排水垫层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明土体基床系数的测量装置，它包括支架1，支架1上安装有一升降杆2，具体的说，升降杆2上设有电动机驱动的滚珠丝杠副的升降装置，电动机启动能带动升降杆2升降。升降杆2上固定有底板3，底板3内置有排水管路7，能排出土样受压后的水分。

底板3上安装有套筒4，套筒4的内壁设有内凹的环形槽8，套筒4内设有上下开口的橡胶筒9。套筒4侧壁贯穿有进水管10和出水管11，两水管均与橡胶筒9外壁和套筒4内壁环形槽8之间的缝隙连通。套筒4上端固定有限位环板12，限位环板12上设有位移传感器13。限位环板12的中心孔内配合有压盖14，压盖14与限位环板12中心孔套合且密封。支架1还经一个压力传感器5连接有一根压杆6。

如图2、图3、图4所示，基于本发明的土体基床系数的测量装置的土体基床系数的测量方法，其步骤如下。

a、将压盖14揭开，从进水管10对套筒4内壁的环形槽8与橡胶筒9之间的缝隙注水，使得橡胶筒9向内鼓起，再用针筒从出水管11抽水，使得橡胶筒9与套筒4环形槽8缝隙的水压减小，橡胶筒9向外凸起，便于放入土样。

b、将取土器中取出的第一个圆柱土样削成方柱土样，且该方柱的方形截面为该圆柱土样的圆形截面的内接正方形；然后将方柱土样削成第二个圆柱土样，第二个圆柱土样的圆形截面为方柱土样方形截面的内切圆；且第二个圆柱土样的直径与高度相等。

c、在橡胶筒9内铺设一层排水垫层15，将第二个圆柱土样放在排水垫层15上，且在圆柱土样顶部再铺设一层排水垫层15，再用压盖14盖住，然后再次从进水管10对套筒4内壁的环形槽8与橡胶筒9之间的缝隙注水，使得橡胶筒9向内凸起与土样完全贴合。

d、驱动升降杆2上升，经底板3带动土样上升，进而使得压盖14与压杆6下端抵靠，此刻，为坐标原点，压力传感器5和位移传感器13都为零。

e、然后继续驱动升降杆2上升，随着升降杆2继续上升压缩土样，压力传感器5和位移传感器13都会显示读数，用计算机将两个传感器测得的读数采集起来并拟合成压力和形变量的曲线；该曲线中，P值为横标，而⊿S为纵标。

f、在曲线上修正出标准采样点，并用该标准采样点对应的P值除以该标准采样点对应的⊿S，获得该标准采样点的标准基床系数。

该步骤中修正出标准采样点的方法有两种。

一是如图3所示在压力和形变量的曲线上找到⊿S值为1.25mm+γh的点F作为标准采样点。式中，γ为土样的密度，单位是kg/m³，h为土样采集的深度，单位是m。

二是如图4所示，重新拟合出一条以压力的变量LgP为横标而⊿S为竖标的曲线，再在压力变量和形变量的曲线上找到曲率半径Rmin最小的一个点O，再过O点做水平线OA和切线OB，然后做出角∠AOB的平分线OD，压力变量和形变量的曲线发展到最后会化为一条直线，反向延长该直线使得该直线与平分线OD相交于点E，而从点E做一条竖线，该竖线与压力变量和形变量的曲线存在一个交点F，交点F对应的⊿S值就是标准采样点的⊿S值，最后将该⊿S值重新带入压力和形变量的曲线，进而获得修正后的标准采样点。