一种土体静止侧压力系数测定仪

1.一种土体静止侧压力系数测定仪，其特征在于：包括压力室(1)、加载装置(2)、测量控制装置(3)；所述加载装置(2)与压力室(1)连接；所述压力室(1)包括底座(101)、设于底座(101)上的底板(102)和支承垫(103)、设于支承垫(103)上的试样筒(104)、与试样筒(104)顶部开口配合的上压板(105)、自下而上依次设于上压板(105)上的加压盖板(106)和荷重传感器(107)；所述底板(102)为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形底板；所述底板(102)底部设有第一滚珠腔组，所述第一滚珠腔组内设有滚珠；所述支承垫(103)顶部设有第二滚珠腔组，所述第二滚珠腔组内设有滚珠；所述试样筒(104)为由两个半径相同的半圆筒组成并在外侧壁上通过至少二对拉压力传感器(108)连接的圆筒；所述上压板(105)为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形上压板；所述加压盖板(106)下底面设有第三滚珠腔组，所述第三滚珠腔组内设有滚珠；所述测量控制装置(3)的信号接口分别与加载装置(2)、荷重传感器(107)以及拉压力传感器(108)连接；所述测量控制装置(3)输出信号至加载装置(2)，所述荷重传感器(107)和拉压力传感器(108)输出信号至测量控制装置(3)；所述底座(101)顶部中间设有定位销(109)，所述底板(102)底部设有与底座(101)顶部定位销(109)配合的凹槽(110)；所述支承垫(103)为固定在底座(101)边缘顶部的相对设置的长方体垫块，数量为2至4对；所述第一滚珠腔组均匀分布于底板(102)底部；所述第二滚珠腔组均匀分布于支承垫(103)顶部；所述第三滚珠腔组均匀分布于加压盖板(106)底部；所述由两个半圆形金属板组成的底板(102)、由两个半圆形金属板组成的上压板(105)及由两个半圆筒组成的试样筒(104)的直径断口位于同一平面内；所述拉压力传感器(108)相对均匀设置于试样筒(104)外侧壁上；所述加载装置(2)包括加压油缸(201)和顶边可活动的加压框(202)，所述加压油缸(201)和压力室(1)自下而上依次设于加压框(202)内。

一种土体静止侧压力系数测定仪
技术领域
[0001] 本发明属于土体参数测量设备领域，特别涉及一种土体静止侧压力系数测定仪。
背景技术
[0002] 静止侧压力系数是指土体在无侧向变形条件下压缩后的水平向主应力和竖向主应力之比，即原始应力状态下的水平向主应力和竖向主应力之比，是岩土工程中一个非常重要的参数，实际应用范围愈来愈广，如确定水平场地中的应力状态、计算静止土压力、土坝施工期的孔隙水压力、桩侧向摩擦力等需要准确地测定静止侧压力系数。
[0003] 现有室内测定土体静止侧压力系数的方法大致有两种，一种是侧向变形指示器法，即利用三轴剪切仪在橡皮膜包裹的试样侧面安装侧向变形指示器，用来反映在施加轴向压力时是否会发生侧向变形，若有侧向变形的趋势，立即增大侧向压力或减小轴向压力，保持试样在轴向加压过程中不发生侧向变形；另一种是侧压力仪法，这种方法是试样在施加垂直压力后不允许发生侧向变形，即垂直向应变和体积应变相等，在此条件下试样侧面所承受的压力与竖向应力之比即静止侧压力系数，此方法的侧壁为橡皮膜水囊。上述两种测定方法的侧壁均为橡皮膜，对于饱和粘质土和砂质土静止侧压力系数测定结果较准确，然而，对粗粒土，在静止侧压力系数测定时，由于侧壁橡皮膜为可变性的软质结构，轴向受压，粗粒土侧面的孔隙被软质侧壁橡皮膜嵌入，从而导致无法保证无侧向变形的条件，因此，用于粗粒土静止侧压力系数测定不可靠。粗粒土静止侧压力系数至今没有可靠的测定方法。
发明内容
[0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种使用方便、测定结果准确的静止侧压力系数测定仪。
[0005] 技术方案：本发明提供的一种土体静止侧压力系数测定仪，包括压力室、加载装置、测量控制装置；所述加载装置与压力室连接，可设于压力室顶部或底部；所述压力室包括底座、设于底座上的底板和支承垫、设于支承垫上的试样筒、与试样筒顶部开口配合的上压板、自下而上依次设于上压板上的加压盖板和荷重传感器；所述底板为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形底板；所述底板底部设有第一滚珠腔组，所述第一滚珠腔组内设有滚珠；所述支承垫顶部设有第二滚珠腔组，所述第二滚珠腔组内设有滚珠；所述试样筒为由两个半径相同的半圆筒组成并在外侧壁上通过至少二对拉压力传感器连接的圆筒；所述上压板为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形上压板；所述加压盖板下底面设有第三滚珠腔组，所述第三滚珠腔组内设有滚珠；所述测量控制装置的信号接口分别与加载装置、荷重传感器以及拉压力传感器连接，所述测量控制装置输出信号至加载装置，所述荷重传感器和拉压力传感器输出信号至测量控制装置。
[0006] 该土体静止侧压力系数测定仪包括由两个半圆筒组成并由拉压力传感器连接的试样筒，从而可以通过拉压力传感器直接测得侧向膨胀力换算得试样侧向应力；试样筒底部底板及顶部的上压板为传力板，均分别包括两个半圆板，底部半圆板与底座之间、顶部半圆板与加压盖板之间设置滚珠以减小摩擦力，从而使测定结果更准确。
[0007] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的一种改进，所述由两个半圆形金属板组成的底板、由两个半圆形金属板组成的上压板及由两个半圆筒组成的试样筒的直径断口位于同一平面内；从而使受力后，底板、上压板以及试样筒运动方向一致，保证了测量结果的准确。
[0008] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述底座顶部中间设有凸起的定位销，所述底板底部设有与底座顶部定位销配合的凹槽；通过凸起定位销和凹槽的互相配合，从而使底板定位并牢固的固定于底座上，避免底板未放置于中心导致压力不均匀使设备产生位移，从而保证了测定结果的准确。
[0009] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述支承垫为固定在底座边缘顶部的相对设置的长方体垫块，数量为2至4对。
[0010] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述拉压力传感器的数量为2至4对，相对均匀设置于试样筒外侧壁上。
[0011] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第一滚珠腔组均匀分布于底板底部，滚珠腔内布置滚珠，滚珠可在底座顶面自由滚动。
[0012] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第二滚珠腔组均匀分布于支承垫顶部，滚珠腔内布置滚珠。
[0013] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述第三滚珠腔组均匀分布于加压盖板底部，滚珠腔内布置滚珠。
[0014] 作为本发明一种土体静止侧压力系数测定仪的另一种改进，所述加载装置包括加压油缸和顶边可活动的加压框，所述加压油缸和压力室自下而上依次设于加压框内；通过加压油缸对压力室底座施压，由加压框顶边提供反力，从而实现对压力室中试样的加压。
[0015] 测定方法如下：将待测土体置于试样筒内，通过加压油缸加压，从而通过加压框顶边提供反力，并将力分别通过荷重传感器、加压盖板、第三滚珠组及上压板传递到试样顶部，并通过荷重传感器测定竖向荷载，通过拉压力传感器测定侧向膨胀力；根据试样面积计算得试样竖向应力 （N1为竖向荷重传感器测量值；d为试样直径），根据试样直径处的截面面积计算得侧向应力 （N3为4个拉压力传感器测量值之和；h为试样高度），静止侧压力系数由侧向应力与竖向应力的比值确定。
[0016] 有益效果：本发明提供的土体静止侧压力系数测定仪结构简单、使用方便，测定结果准确，适用范围广，可用于测定包括粗粒土及一般粘土、砂土在内的各种土体的静止侧压力系数。
附图说明
[0017] 图1为本发明土体静止侧压力系数测定仪的结构示意图。
[0018] 图2为试样筒结构示意图。
[0019] 图3为加压盖板结构示意图。
[0020] 图4为底座结构示意图。
[0021] 图5为砂土试样的K0-σ1关系图。
[0022] 图6为碎石土试样的K0-σ1关系图。
[0023] 其中，附图标记分别为：1为压力室，2为加载装置，3为测量控制装置；101为底座，102为底板，103为支承垫，104为试样筒，105为上压板，106为加压盖板，107为荷重传感器，108为拉压力传感器，109为定位销，110为凹槽；201为加压油缸，202为加压框。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明的土体静止侧压力系数测定仪做出进一步说明。
[0025] 土体静止侧压力系数测定仪，见图1至4，包括压力室1、加载装置2、测量控制装置
3。
[0026] 压力室1包括底座101、设于底座101上的底板102和支承垫103、设于支承垫103上的试样筒104、与试样筒104顶部开口配合的上压板105、自下而上依次设于上压板105上的加压盖板106和荷重传感器107。本发明中，底座101顶部中间还设有凸起的定位销
109，底板102底部设有与底座101顶部定位销109配合的凹槽110；底板102为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形底板，其底部均匀设置有第一滚珠腔组，第一滚珠腔组内设有滚珠。本发明中，支承垫103为固定在底座101边缘顶部相对设置的垫块，可选地，支承垫103为2至4对相对设置的长方体垫块；支承垫103顶部均匀设置有第二滚珠腔组，第二滚珠腔组内设有滚珠。试样筒104为由两个半径相同的半圆筒组成并在外侧壁上通过2对拉压力传感器108连接的圆筒，可选地，拉压力传感器108的数量也可以根据需要设置为二对以上任意合理的数量，相对均匀设置于试样筒104外侧壁上，优选地为2至4对；上压板105为两片半径相同的半圆形金属板组成的圆形上压板；加压盖板106下底面均匀设置有第三滚珠腔组，第三滚珠腔组内设有滚珠。由两个半圆形金属板组成的底板102、由两个半圆形金属板组成的上压板105及由两个半圆筒组成的试样筒104的直径断口位于同一平面内。
[0027] 加载装置2包括加压油缸201和顶边可活动的加压框202，所述加压油缸201和压力室1自下而上依次设于加压框202内。
[0028] 测量控制装置3的信号接口分别与加载装置2、荷重传感器107以及拉压力传感器
108连接，测量控制装置3输出信号至加载装置2，荷重传感器107和拉压力传感器108输出信号至测量控制装置3。
[0029] 下面利用上述土体静止侧压力系数测定仪测定不同土体的静止侧压力系数。
[0030] （1）测定砂土的静止侧压力系数，试样直径为40cm，试样高度为30cm。
[0031] 测定方法、条件：轴向加载装置施加垂直荷载，荷载由荷重传感器测量；垂直荷载施加后，试样有侧向变形趋势，通过连接试样筒的拉压力传感器限制试样侧向变形，测得此时的试样侧向膨胀力；侧向力由2对拉压力传感器测量；竖向应力和侧向应力根据测量的垂直荷载和侧向力换算得出；静止侧压力系数由侧向应力与竖向应力之比求得。
[0032] 测定结果：试验竖向力、侧向力1、侧向力2、侧向力3、侧向力4的测量值示于表1。
从而，可计算得对应竖向应力和侧向应力时的静止侧压力系数K0，并可绘出竖向应力与静止侧压力系数关系曲线，如图5示。所测定的静止侧压力系数符合一般认识。
[0033] 表1砂土试样测试数据
[0034]
竖向力(kN) 侧向力1(kN) 侧向力2(kN) 侧向力3(kN) 侧向力4kN) K0
92.4 2.46 5.19 11.74 11.67 0.30
112.5 4.05 7.28 15.11 15.37 0.33
194.1 11.70 16.08 27.33 27.69 0.38
199.6 12.65 17.26 29.12 29.70 0.40
199.8 12.46 17.57 29.26 29.32 0.40
260.2 18.01 23.71 36.55 37.54 0.40
401.2 31.43 38.90 56.66 57.89 0.41
400.4 31.39 39.02 56.91 57.99 0.42
542.3 44.63 53.00 74.00 75.34 0.41
592.0 50.35 58.83 81.46 82.39 0.41
600.9 51.05 59.18 82.30 82.82 0.41
600.7 51.17 59.29 82.40 83.19 0.41
800.2 69.33 77.30 104.75 103.02 0.40
801.5 71.73 78.97 107.46 104.47 0.41
799.9 71.65 78.61 107.31 104.57 0.41
800.2 71.71 78.69 107.14 104.38 0.41
800.1 71.59 78.34 107.15 104.23 0.41
799.7 71.74 78.76 107.16 104.18 0.41
728.5 70.64 77.33 105.9 102.85 0.44
421.3 62.14 69.06 97.40 93.04 0.69
325.3 58.63 64.53 93.80 88.24 0.84
223.7 53.42 58.40 86.57 80.00 1.12
117.7 43.03 46.17 69.76 61.91 1.68
23.2 19.94 19.50 32.35 26.27 3.79
[0035] （2）测定碎石土的静止侧压力系数，试样直径为40cm，试样高度为30cm。测定方法、条件：同（1）。
[0036] 测试结果：试验竖向力、侧向力1、侧向力2、侧向力3、侧向力4的测量值示于表2。
竖向力与静止侧压力系数关系曲线如图6示。
[0037] 表2碎石土试样测试数据
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[0039]