土体三类侧向压力值的测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种土体侧向压力测试装置和方法，具体来说是一种使竖向压力作用下的土体发生不同类型的侧向变形，采用气囊压力平衡不同类型侧向变形下的土体侧向压力，从而测试出土体三类侧向压力(静止、主动、被动)值的装置和方法。

背景技术：

土体边坡的支挡设计实质是设计出安全、经济的支挡结构(如重力式墙、桩板墙、锚钉等)来平衡土体的侧向压力，以保持边坡的安全稳定，因此土体侧向压力值的准确测试对于边坡的支挡设计至关重要。在三类侧向压力中，由于一般的边坡都允许坡体发生一定量的向外变形，支挡结构设计时土体侧向压力按主动侧向压力值计算；当坡顶有非常重要的建筑物时，不允许坡体向外变形，此时土体侧向压力按静止侧向压力值计算；当边坡受外力作用向坡体内变形时，土体侧向压力按被动侧向压力值计算。

目前，在土体边坡设计时，土体侧向压力值主要是按照规范公式计算得出，规范公式是根据土体的抗剪强度参数，即粘聚力c和内摩擦角φ，并假定边坡的破裂面为直线，从而理论推导得出，由于粘聚力c值和内摩擦角φ往往不准确，加上破裂面人为假设成直线，因此按规范公式计算出的侧向压力值与支挡结构施工完成后的监测值相差较大，无法保证支挡结构设计的安全与经济。

公开号为CN105784495A、名称为《一种测量岩土材料侧压力系数及泊松比的装置》的实用新型专利，只能用于测试土体静止时(即土体不发生任何侧向变形时)的侧向压力，且该专利中岩土材料是制好的标准圆柱状土体，且要求圆柱状土体的直径比钢环直径小10毫米，否则无法放入钢环，对于许多土体，如砂土、碎石土、强风化泥页岩体，根本无法制作成圆柱状试样，更无法放入钢环，因此，该专利只能对强度较大的粘性土有效。

公开号为CN103076436B、名称为《测量土体侧向压力用装置以及固结仪》的实用新型专利，同样是只能用于测试土体静止时的侧向压力，其通过空腔环刀内壁孔洞处的薄膜压力来感应侧向压力，由于孔洞面积很小，加上薄膜与环刀(通常为不锈钢)刚度差别很大，必然会发生应力转移，因此测试出的侧向压力准确性不够可靠。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种土体三类侧向压力值的测试装置，以解决上述背景技术所指出的问题。

本实用新型提供的土体三类侧向压力值的测试装置，包括：钢板模框、旋转钢板、底板、钢板转轴、转动指针、拉杆、乳胶气囊、充排气管和气囊测压表；其中，底板插接在钢板模框的底部，底板与钢板模框围成一个腔体；在钢板模框的两个长壁的顶部分别突出有连接部，在连接部上开设有圆孔，钢板转轴穿过圆孔，使钢板转轴的两端露在连接部外；旋转钢板位于钢板模框内，并与钢板转轴焊接，随钢板转轴同步转动，旋转钢板将钢板模框的内部空间分隔成土体腔室和气囊腔室，在土体腔室的顶部盖有承载板，在气囊腔室的顶部盖有乳胶气囊盖板；乳胶气囊置于气囊腔室内，且乳胶气囊与充排气管的一端相连通，充排气管的另一端从乳胶气囊盖板穿出与气泵相连接；气囊测压表连接在充排气管上；转动指针固定在钢板转轴的两端，与钢板转轴同步转动，在钢板模框上对应于转动指针的转动轨迹的位置印有刻度线；拉杆与旋转钢板焊接，且拉杆的两端分别伸出钢板模框的两个长壁，拉杆的两端分别通过螺丝与钢板模框的两个长壁固定。

利用上述本实用新型提供的土体三类侧向压力值的测试装置，可测试出土体三类侧向压力(静止、主动、被动)值，不仅可以为土体边坡的支挡设计提供准确的、合乎工程实际需要的土体侧向压力值的计算依据，也可以根据静止侧向压力值与竖向压力值的对比进一步计算出土体的泊松比ν，还可以根据主动侧向压力值和被动竖向压力值进一步计算出土体的粘聚力c和内摩擦角φ，相比较于土体c、φ的其它室内测试方法，如常用的直接剪切法和三轴压缩实验法，本实用新型可应用于无法成型的砂土、碎石土、强风化泥页岩体的测试，且测试过程快速、测试成本经济。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本实用新型的更全面理解，本实用新型的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本实用新型实施例的土体三类侧向压力值的测试装置的俯视图；

图2为图1沿A-A线的剖视图；

图3为根据本实用新型实施例的土体三类侧向压力值的测试装置的右视图。

其中的附图标记包括：钢板模框1、连接部1-1、开口1-2、旋转钢板2、钢板转轴3、转动指针4、拉杆5、乳胶气囊6、充排气管7、气囊测压表8、底板9、土体腔室10、气囊腔室11、承载板12、乳胶气囊盖板13、刻度线 14。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述。

图1-图3分别示出了根据本实用新型实施例的土体三类侧向压力值的测试装置的俯视结构、右视结构和沿A-A线的剖视结构。

如图1-图3共同所示，本实用新型提供的土体三类侧向压力值的测试装置，包括：钢板模框1、旋转钢板2、钢板转轴3、转动指针4、拉杆5、乳胶气囊6、充排气管7、气囊测压表8和底板9；其中，钢板模框1为无顶无底的长方体，底板9插接在钢板模框1的底部，使底板9与钢板模框1围成一个腔体，用于装载待测试的土体，采用插接方式实现钢板模框1封底的好处是，底板9可以拆除，当测试完成后，便于取出腔体内的土体，在钢板模框1 的两个长壁的顶部分别突出有连接部1-1，在连接部1-1上开设有圆孔，钢板转轴3穿过圆孔，使钢板转轴3的两端露在连接部1-1外；转动指针4固定在钢板转轴3的两端，与钢板转轴3同步转动；旋转钢板2位于钢板模框1内，并与钢板转轴3焊接，当旋转钢板2带动钢板转轴3转动时，转动指针4随着钢板转轴3同步转动，在钢板模框1上对应于转动指针4的转动轨迹的位置印有刻度线14；旋转钢板2将钢板模框1的内部空间分割为土体腔室10和气囊腔室11，在土体腔室10的顶部盖有承载板12，当土体腔室10内填充土体后，向承载板12施加一个竖直向下的压力，在气囊腔室11的顶部盖有乳胶气囊盖板13，在乳胶气囊盖板13上开设有一个通孔；乳胶气囊6置于气囊腔室11内，且乳胶气囊6与充排气管7的一端相连通，充排气管7的另一端从乳胶气囊盖板13的通孔穿出与气泵相连接，气泵用于向乳胶气囊6充气加压与排气降压；气囊测压表8连接在充排气管7上，用于测量乳胶气囊6的压力；拉杆5与旋转钢板2焊接，且拉杆5的两端分别伸出钢板模框1的侧壁，在钢板模框1的两个长壁上开设有供拉杆5端部伸出的开口1-2，拉杆5 的两端分别通过螺丝与钢板模框1的侧壁固定，当拉杆5被螺丝固定时，旋转钢板2无法转动，当拧松螺丝时，旋转钢板2受力转动；优选地，拉杆5 焊接在旋转钢板1的1/3高度处，力矩越大，固定的越可靠。

利用上述装置可以测试土体三类侧向压力值，土体的三类侧向压力值分别是指土体的静止侧向压力值、被动侧向压力值和主动侧向压力值。本实用新型可以利用上述装置测试土体的静止侧向压力值、被动侧向压力值和主动侧向压力值。

在利用上述装置测试土体的静止侧向压力值的过程中，包括以下步骤：

步骤S11：通过两颗螺丝将拉杆5固定在钢板模框1的测壁上，使旋转钢板2无法转动。

步骤S12：将待测试土体分层压实填入土体腔室10内，使待测试土体的表面与土体腔室10的上边沿齐平，将承载板12放置于待测试土体的表面，并向承载板12施加一个固定的竖向压力py，同时记录转动指针4转动后在刻度线14上的读数。

下面以转动指针4指向的刻度线上的读数是D1为例进行说明。

步骤S13：通过气泵对乳胶气囊6进行充气加压，直到拧松两颗螺丝后，转动指针4所指向的刻度线14上的读数仍为D1为止，停止充气加压，此时，气囊测压表的读数为待测试土体在竖向压力作用下的静止侧向压力。

由于很难通过一次充气将乳胶气囊6内的压力加至指定的压力，因此，在对乳胶气囊6进行充气加压时，加压至一定值后，暂停充气加压，缓慢拧松固定拉杆5的螺丝，同时观察转动指针4的转动方向，当转动指针4向土体腔室10转动时，表明乳胶气囊6内的压力偏大，需排气降压，当转动指针4向气囊腔室11转动时，表明乳胶气囊6内的压力偏小，需充气加压，如此经过几次调整，保证固定拉杆5的螺丝全部拧松后，转动指针4停留在步骤 S12中的位置不发生转动，即转动指针4所指向的刻度线14上的读数仍为D1，此时气囊测压表8的读数即为在竖向压力py作用下的静止侧向压力ps，而ps/py即为土体的泊松比ν。

为了保证测试的精确性，可多次重新装填相同的土体，按步骤S12和步骤S13重新测出在竖向压力py作用下的静止侧向压力ps，可取ps的平均值作为更具有代表性的静止侧向压力。

测试土体的主动侧向压力值的过程，包括：

在测试出静止侧向压力ps后，对乳胶气囊6进行逐级排气降压，降到第一级压力时，观察气囊测压表8的读数，当读数很快稳定后，降到第二级压力，继续观察气囊测压表8的读数，当读数很快稳定后，降到第三级压力，……，直到降到第N级压力时，气囊测压表8的读数无法稳定，表现为在乳胶气囊 6没有充气的情况下读数会上升，说明土体已发生了主动的剪切破坏，此时停止对乳胶气囊6排气降压，第N-1级压力即为在竖向压力py作用下的主动侧向压力pa。

测试土体的被动侧向压力值的过程，包括：

在测试出静止侧向压力ps后，对乳胶气囊6进行逐级充气加压，加到第一级压力时，观察气囊测压表8的读数，当读数很快稳定后，加到第二级压力，继续观察气囊测压表8的读数，当读数很快稳定后，加到第三级压力，……，直到加至第M级压力时，气囊测压表8的读数无法稳定，表现为在乳胶气囊 6没有排气的情况下读数会下降，说明土体已发生了被动的剪切破坏，此时，停止对乳胶气囊6充气加压，第M-1级压力即为在竖向压力py作用下的被动侧向压力pp。

可根据如下两个公式计算出土体的粘聚力c和内摩擦角φ：

对乳胶气囊6的压力进行分级可以通过土木工程测试通常做法来实现，如测得的静止侧向压力是100kPa，预判主动侧向压力是40kPa，一般分为8-10 级，如取10级，每级降6kPa，即第一级的压力为100-6＝94，第二级的压力为 100-2*6＝88，第三级的压力为100-3*6＝82，.......，第十级的压力为100-10*6＝40。

上述的N和M的取值为1≤N≤10，1≤M≤10。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。