一种膨胀土侧向土压力与位移关系的预测方法及测定装置

本发明涉及岩土体参数测试，尤其涉及一种增湿过程中非饱和膨胀土侧向土压力随侧向位移变化关系的预测方法及装置。

背景技术：

1、膨胀土是一种典型的特殊土，由于富含膨胀性粘土矿物蒙脱石，表现出显著的吸水膨胀、失水收缩特性，常导致严重的工程病害。自然界的膨胀土通常处于非饱和状态，其在降雨、地下水位上涨等自然营力的作用下产生显著的三维膨胀变形。当这种变形被临近支挡结构(如挡土墙、地下室外墙等)约束时，膨胀土试会对这些支挡结构产生非常大的侧向土压力，导致其损伤甚至失效，给工程建设带来安全隐患。因此，在膨胀土地区进行支挡结构设计时，对支挡结构而言，要确定非饱和膨胀土在增湿过程中施加给具有不同侧向刚度的支挡结构的侧向土压力；对膨胀土而言，则需要确定增湿过程中非饱和膨胀土的侧向土压力随侧向位移变化的关系。

2、现阶段，国内外对于膨胀土侧向土压力随侧向位移变化关系的研究主要有两种方法：一种是利用膨胀仪对在侧限条件下对增湿后的膨胀土在侧向上进行卸载，研究侧向卸载过程中膨胀土的侧向土压力随侧向位移变化的关系；另外一种是依托模型箱试验研究增湿膨胀过程中膨胀土土体与结构在相互作用、协调位移过程中侧向土压力和侧向位移的关系。第一种方法实际测得的是卸载过程中的侧向力与位移的关系，并非增湿膨胀过程中膨胀土侧向土压力随侧向位移变化关系；在试验过程中，膨胀土多增湿至完全饱和才进行卸载，因此该类方法很少用来确定非饱和状态下膨胀土的侧向土压力随侧向位移变化关系；第二种方式依托于模型箱试验。此类试验前期准备过程复杂、试验过程时间长、土体增湿过程难以控制，对非饱和膨胀土模型试验，膨胀土的含水率随土体深度以及时间变化难免出现波动，试验过程的含水率和吸力控制困难，侧向土压力和侧向位移的变化与吸力变化耦合，分析过程较为复杂。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种膨胀土侧向土压力与位移关系的测定装置及预测方法，符合工程实际、测量精确、操作便捷，能够预测在不同竖向压力、含水率、吸力水平下，非饱和膨胀土土体在增湿膨胀过程中与结构在相互作用、协调位移过程中侧向土压力随侧向位移变化的关系。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种膨胀土侧向土压力与位移关系的预测方法，包括以下步骤：

4、设置测定装置，所述测定装置包括顶部开口的矩形腔体、所述矩形腔体通过侧移挡板或固定块分隔为移动区和试验区，所述试验区自上而下依次设有竖向加载及位移测量系统、多孔加载盖、透水石、膨胀土试样、饱和陶土板和水腔，所述水腔上设有冲洗回路，所述冲洗回路上设有循环泵以及气泡冲洗/水量测定装置，所述试验区侧壁设有多个压力传感器、含水率传感器和吸力传感器，当所述矩形腔体通过侧移挡板分隔时，侧移挡板可移动地设在所述矩形腔体内，当所述矩形腔体通过固定块分隔时，所述固定块固定在所述矩形腔体内；

5、对测定装置进行润滑，将所述矩形腔体通过固定块分隔，将测定装置整体放入密闭容器中，根据试验步骤测定无侧向位移时膨胀土试样在测定装置中的侧向土压力，通过竖向加载装置对试样施加名义竖向压力1kpa至试样稳定后逐级减小试样吸力至0，更换试样并按竖向压力梯度选取下一级恒定初始竖向压力，不断重复试验至最大竖向应力值；

6、在测定装置中，将所述矩形腔体通过侧移挡板分隔，在所述移动区内设有抗压结构件和多个水平方向的位移计，根据试验步骤测定无侧向位移时膨胀土试样在测定装置中的侧向土压力，通过竖向加载装置对试样施加名义竖向压力1kpa至试样稳定后逐级减小试样吸力至0，更换试样并按竖向压力梯度选取下一级恒定初始竖向压力，不断重复试验至最大竖向应力值，更改多个水平方向的弹性件的型号，重复试验；

7、分别获取无侧向位移时和有侧向位移时膨胀土试样的侧向土压力试验结果。

8、进一步地，无侧向位移时膨胀土的侧向土压力试验结果，运用下式进行分析：

9、

10、其中：ps为无侧向位移时膨胀土试样的侧向土压力；ps0为无侧向位移时名义竖向压力下膨胀土试样增湿至饱和时的侧向土压力；s0为膨胀土试样增湿前的初始吸力值；s为膨胀土试样的吸力值；wsat为膨胀土试样的饱和含水率；w为膨胀土试样的含水率；σv为膨胀土试样所受的竖向压力；a、b、c为模型参数。

11、进一步地，有侧向位移时膨胀土的侧向土压力试验结果，运用下式进行分析：

12、

13、其中：pl为任意侧向位移时膨胀土试样的侧向土压力；δ为膨胀土试样的侧向位移；a1为膨胀土试样的长度；d、rf为模型参数。

14、进一步地，通过竖向加载及位移测量系统对膨胀土试样施加初始恒定竖向压力至试样稳定，并通过吸力传感器测得试样的初始吸力值，然后控制膨胀土试样吸力，使试样吸力按照预设的梯度分级减小至0，以模拟增湿过程，在每级吸力稳定后，记录吸力传感器、含水率传感器和压力传感器的读数，在无侧向位移试验与有侧向位移试验中的竖向压力与吸力变化梯度应分别保持一致。

15、进一步地，采用轴平移法逐级减小试样吸力，模拟增湿过程。

16、进一步地，竖向加载稳定的判断条件为：两小时内各压力传感器变化不超过0.5kpa或位移计变化不超过0.01mm；吸力变化稳定的判断条件为：两小时内吸力传感器变化不超过0.1％。

17、一种膨胀土侧向土压力与位移关系的测定装置，包括：

18、矩形腔体，顶部设有开口，底部通过水腔和饱和陶土板密封，通过侧移挡板或固定块将所述矩形腔体分为移动区和试验区，当所述矩形腔体通过侧移挡板分隔时，侧移挡板可移动的设在所述矩形腔体内，当所述矩形腔体通过固定块分隔时，所述固定块固定在所述矩形腔体内；

19、其中，所述移动区内设有抗压结构件和多个水平方向的位移计；

20、所述试验区自上而下依次设有竖向加载及位移测量系统、多孔加载盖、透水石、膨胀土试样、饱和陶土板和水腔，所述水腔上设有冲洗回路，所述冲洗回路上设有循环泵以及气泡冲洗/水量测定装置，所述试验区侧壁设有多个压力传感器、含水率传感器和吸力传感器。

21、进一步地，所述侧移挡板和与所述膨胀土试样接触的矩形腔体侧壁均设有多个凹槽，压力传感器、含水率传感器及吸力传感器安装于凹槽内。

22、进一步地，所述抗压结构件为多个弹簧均匀分布形成的横向的弹簧矩阵。

23、进一步地，所述气泡冲洗/水量测定装置为测量土水特征曲线的压力板仪。

24、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

25、本发明提供一种膨胀土侧向土压力随侧向位移变化关系的预测方法及测定装置，在进行膨胀土侧向土压力试验时，利用吸力传感器、含水率传感器、位移计、压力传感器量测膨胀土的各项数据，并通过公式进行拟合分析。本发明设计的非饱和膨胀土侧向土压力随侧向位移变化关系的试验、分析及预测方法既适用于现场原状土，也适用于室内重塑膨胀土，具有要素控制全面、精度高、操作简单、易于推广、数字化程度高等优点。