本發(fā)明涉及地質(zhì)勘探領域，具體講是一種土體基床系數(shù)的測量裝置和測量方法。

背景技術：

可持續(xù)發(fā)展是我國的基本國策，主要體現(xiàn)在節(jié)能、環(huán)保、低碳和創(chuàng)新等方面。對于城市建設來說，科學、合理、充分的開發(fā)利用地下空間是一個很重要的舉措。要做到地下空間安全經(jīng)濟有效的開發(fā)利用，工程地質(zhì)勘探提供準確的地質(zhì)數(shù)據(jù)是十分關鍵的，其中地層的力學性能指標之一的基床系數(shù)是進行地下空間開發(fā)利用設計中一個十分重要的參數(shù)和依據(jù)。

所述的基床系數(shù)就是地基土受到應力與相應土體形變量之比，也稱為土體的彈性抗力系數(shù)或地基反力系數(shù)，用公式表達為K＝P/⊿S。式中K為土層的基床系數(shù)(MPa/m)，P為作用在地基上的壓強(MPa)，⊿S為相應地基的沉降量(m)。而當⊿S等于1.25mm時，對應的那個基床系數(shù)即K_1.25mm為標準基床系數(shù)，本申請中所有對基床系數(shù)的測量，實質(zhì)上就是在測量這個標準基床系數(shù)。綜上，基床系數(shù)是計算結構物(基礎、襯砌、樁等)內(nèi)力和形變的重要參數(shù)，這一參數(shù)與地基土的類別、土的狀態(tài)、土的物理力學性質(zhì)、基礎形狀及作用受力情況等因素相關。

現(xiàn)有技術通過土樣的室內(nèi)土工試驗來測定基床系數(shù)的方法主要有三軸法和固結法。三軸法是利用三軸儀進行測量的方法，而三軸儀原本是用來進行三軸試驗的。如圖1所示，三軸儀的具體結構包括支架101，支架101上安裝有升降桿102，升降桿102上固定一個底板103，底板103上安裝有一個用于注水的筒套104，筒套104側壁設有進水口105和排水口106，筒套104上開口設有密封蓋107，密封蓋107的中心孔密封套合有一根頂桿108，頂桿108下端固定有壓板109，頂桿108上端與支架101固定且兩者之間設有壓力傳感器110，而筒套104上設有位移傳感器111。

三軸法的具體步驟為，打開筒套的密封蓋，將瘦高型圓柱土樣用一層防水塑料膜包裹后放入套筒，再安裝好密封蓋，然后驅(qū)動升降桿上升，帶動底板將土樣與壓板抵緊，此時為坐標原點，壓力傳感器和位移傳感器都為零，再對套筒內(nèi)注水，使得液壓對土樣也形成側壓力，然后繼續(xù)驅(qū)動升降桿上升，隨著升降桿繼續(xù)上升壓縮土樣，壓力傳感器和位移傳感器都會顯示讀數(shù)，用計算機將兩個傳感器測得的值采集起來并擬合成壓力和形變量的曲線，最后在曲線上找到⊿S為1.25mm的點作為標準采樣點，并找到標準采樣點對應的P值，兩者相除獲得該標準采樣點的基床系數(shù)就是標準基床系數(shù)K_1.25mm。

而固結法則是利用固結儀進行測量的方法，而固結儀原本則是用來做固結試驗的，該方法其實與三軸法大方向上相似，同樣是在固結儀中增設了壓力傳感器和位移傳感器，并采集兩個傳感器的值并擬合成壓力和形變量的曲線，然后同樣選取⊿S為1.25mm的點作為標準采樣點，進而獲得標準基床系數(shù)K_1.25mm。但固結法的區(qū)別主要在于固結儀是通過增加砝碼從上往下逐級施加壓力使得土樣固結穩(wěn)定后采樣的。

上述現(xiàn)有技術的測量裝置及測量方法存在以下弊端。首先看三軸法，由于三軸儀本身是進行靜壓三軸試驗的，所以為符合試驗需求，其容器和最后壓縮的土樣是瘦長型的，這樣，同樣受壓條件下土體式樣更容易被壓縮變形，這就干擾了最后測驗的基床系數(shù)的準確性；而且，在土樣放入套筒前，需要先包裹防水塑料膜，在包膜過程中可能會對土樣表層產(chǎn)生擾動，同樣影響最后測量結果的精確性；如果為避免擾動干脆不包膜，又會使得土樣與水混合，同樣會對土體性能產(chǎn)生影響干擾最后測量結果的精確性。而固結法也存在類似的問題，固結儀本身是為了進行固結試驗的，為滿足試驗需求，固結儀中裝土樣的容器及受壓的土樣是矮粗型的，同樣受壓條件下土體式樣更難壓縮，同樣會干擾最后測量結果的準確性。

況且，無論是三軸法還是固結法都共同存在一個問題，即擬合曲線時，都是將土樣抵緊作為坐標的原點。然而，土樣從土層中取樣以后，會出現(xiàn)壓力釋放和變形回彈現(xiàn)象，即都已經(jīng)釋放了這部分先期固結應力，而上述兩種方法的坐標原點的確立及標準采樣點的選取均未考慮到去彌補這個先期固結應力，所以最后采集到⊿S自然不準確，進而導致最后獲得的標準基床系數(shù)K_1.25mm也不準確。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的一個技術問題是，提供一種既能有效避免與水接觸且不會對土樣本身造成擾動、而且能有效排除先期固結應力的影響，確保測量結果精確的土體基床系數(shù)的測量裝置。

本發(fā)明的一個技術解決方案是，提供一種土體基床系數(shù)的測量裝置，它包括支架，支架上安裝有一升降桿，升降桿上固定有底板，底板上安裝有套筒，支架還經(jīng)一個壓力傳感器連接有一根壓桿，底板內(nèi)置有排水管路，套筒的內(nèi)壁設有內(nèi)凹的環(huán)形槽，套筒內(nèi)設有上下開口的橡膠筒，套筒側壁貫穿有進水管和出水管，套筒上端固定有限位環(huán)板，限位環(huán)板上設有位移傳感器，限位環(huán)板的中心孔內(nèi)配合有壓蓋。

本發(fā)明要解決的另一個技術問題是，提供一種既能有效避免與水接觸且不會對土樣本身造成擾動、而且能有效排除先期固結應力的影響，確保測量結果精確的土體基床系數(shù)的測量方法。

本發(fā)明的另一個技術解決方案是，提供一種土體基床系數(shù)的測量方法，其步驟包括：

a、將壓蓋揭開，從進水管對套筒內(nèi)壁的環(huán)形槽與橡膠筒之間的縫隙注水，使得橡膠筒向內(nèi)鼓起，再從出水管抽水，使得橡膠筒與套筒環(huán)形槽縫隙的水壓減小，橡膠筒向外凸起，便于放入土樣；

b、將取土器中取出的第一個圓柱土樣削成方柱土樣，且該方柱的方形截面為該圓柱土樣的圓形截面的內(nèi)接正方形；然后將方柱削成第二個圓柱土樣，第二個圓柱土樣的圓形截面為方柱土樣方形截面的內(nèi)切圓；且第二個圓柱土樣的直徑與高度相等；

c、在橡膠筒內(nèi)鋪設一層排水墊層，將第二個圓柱土樣放在排水墊層上，且在圓柱土樣頂部再鋪設一層排水墊層，再用壓蓋蓋住，然后再次從進水管對套筒內(nèi)壁的環(huán)形槽與橡膠筒之間的縫隙注水，使得橡膠筒與土樣完全貼合；

d、驅(qū)動升降桿上升，使得壓蓋與壓桿下端抵靠，此刻，為坐標原點，壓力傳感器和位移傳感器都為零；

e、然后繼續(xù)驅(qū)動升降桿上升，隨著升降桿繼續(xù)上升壓縮土樣，壓力傳感器和位移傳感器都會顯示讀數(shù)，用計算機將兩個傳感器測得的讀數(shù)采集起來并擬合成壓力和形變量的曲線；

f、在曲線上修正出標準采樣點，并用該標準采樣點對應的P值除以該標準采樣點對應的⊿S，獲得該標準采樣點的標準基床系數(shù)。

本發(fā)明土體基床系數(shù)的測量裝置及測量方法與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和效果。

首先，由于該測量裝置是專門針對測量基床系數(shù)設計的，所以其容納土樣的容器不再像三軸儀或者固結儀一樣受到三軸試驗或固結試驗的限制，故能將容器及土樣設置成高徑比1比1，這樣，即不像三軸法那么高瘦，也不像固結法那么矮胖，受壓后土樣形變量合理，確保最后測量結果的精確。其次，該裝置將隔水的橡膠筒設置在套筒內(nèi)，且在套筒內(nèi)壁設內(nèi)凹的環(huán)形槽，通過往兩者間縫隙先注滿水，然后抽水，使得橡膠筒的筒壁向外凸，便于土樣放入，并在土樣放入后再次注水，使得橡膠筒與土樣貼緊壓實，既保證了對土樣提供側壓力，又便捷了土樣的放入過程，且不會對土樣造成擾動和破壞，進一步保障測量結果的精確性。而且，制作土樣時，先將第一圓柱土樣削成內(nèi)接方柱，再將內(nèi)接方柱削成內(nèi)切圓柱，這樣盡可能的獲得了橫截面最大的土樣，增大了土樣受壓時的受力面積，進一步提高最后測量結果的精確性。況且，上述測量方法中的標準采樣點不再是⊿S為1.25mm的點，而是修正出新的標準采樣點，這樣，就充分考慮到土體取樣后壓力釋放和變形回彈的現(xiàn)象，彌補了先期固結應力，確保最后測量出的標準基床系數(shù)的準確性。

作為改進，步驟f中修正出標準采樣點是指，在壓力和形變量的曲線上找到⊿S值為1.25mm+γh的點F作為標準采樣點；式中，γ為土樣的密度，h為土樣采集的深度。上述修正方式是一種預估法，就是根據(jù)土樣的取樣深度，乘以土體密度，獲得的就是土體取樣后釋放的先期固結應力的大小，最后加上1.25mm，獲得的就是排除先期固結應力干擾后的標準采樣點的標準基床系數(shù)。

作為優(yōu)選，步驟f中修正出標準采樣點是指，重新擬合出一條以壓力的變量LgP為橫標而⊿S為豎標的曲線，再在壓力變量和形變量的曲線上找到曲率半徑Rmin最小的一個點O，再過O點做水平線OA和切線OB，然后做出角∠AOB的平分線OD，壓力變量和形變量的曲線發(fā)展到最后會化為一條直線，反向延長該直線使得該直線與平分線OD相交于點E，而從點E做一條豎線，該豎線與壓力變量和形變量的曲線存在一個交點F，交點F對應的⊿S值就是標準采樣點的⊿S值，最后將該⊿S值重新帶入壓力和形變量的曲線，進而獲得修正后的標準采樣點。該方法能找到更精確的修正先期固結應力后的標準采樣點，進而獲取更精準的標準基床系數(shù)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術的土體基床系數(shù)的測量裝置(三軸儀)的正剖視結構示意圖。

圖2是本發(fā)明土體基床系數(shù)的測量裝置的正剖視結構示意圖。

圖3是在本發(fā)明土體基床系數(shù)的測量方法擬合出的壓力和形變量的曲線上修正標準采樣點的第一種方式的示意圖。

圖4是在本發(fā)明土體基床系數(shù)的測量方法擬合出的壓力變量和形變量的曲線上修正標準采樣點的第二種方式的示意圖。

圖中所示

現(xiàn)有技術的連接結構的零部件 101、支架，102、升降桿，103、底板，104、筒套，105、進水口，106、排水口，107、密封蓋，108、頂桿，109、壓板，110、壓力傳感器，111、位移傳感器；

本發(fā)明連接結構的零部件 1、支架，2、升降桿，3、底板，4、套筒，5、壓力傳感器，6、壓桿，7、排水管路，8、環(huán)形槽，9、橡膠筒，10、進水管，11、出水管，12、限位環(huán)板，13、位移傳感器，14、壓蓋，15、排水墊層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖2所示，本發(fā)明土體基床系數(shù)的測量裝置，它包括支架1，支架1上安裝有一升降桿2，具體的說，升降桿2上設有電動機驅(qū)動的滾珠絲杠副的升降裝置，電動機啟動能帶動升降桿2升降。升降桿2上固定有底板3，底板3內(nèi)置有排水管路7，能排出土樣受壓后的水分。

底板3上安裝有套筒4，套筒4的內(nèi)壁設有內(nèi)凹的環(huán)形槽8，套筒4內(nèi)設有上下開口的橡膠筒9。套筒4側壁貫穿有進水管10和出水管11，兩水管均與橡膠筒9外壁和套筒4內(nèi)壁環(huán)形槽8之間的縫隙連通。套筒4上端固定有限位環(huán)板12，限位環(huán)板12上設有位移傳感器13。限位環(huán)板12的中心孔內(nèi)配合有壓蓋14，壓蓋14與限位環(huán)板12中心孔套合且密封。支架1還經(jīng)一個壓力傳感器5連接有一根壓桿6。

如圖2、圖3、圖4所示，基于本發(fā)明的土體基床系數(shù)的測量裝置的土體基床系數(shù)的測量方法，其步驟如下。

a、將壓蓋14揭開，從進水管10對套筒4內(nèi)壁的環(huán)形槽8與橡膠筒9之間的縫隙注水，使得橡膠筒9向內(nèi)鼓起，再用針筒從出水管11抽水，使得橡膠筒9與套筒4環(huán)形槽8縫隙的水壓減小，橡膠筒9向外凸起，便于放入土樣。

b、將取土器中取出的第一個圓柱土樣削成方柱土樣，且該方柱的方形截面為該圓柱土樣的圓形截面的內(nèi)接正方形；然后將方柱土樣削成第二個圓柱土樣，第二個圓柱土樣的圓形截面為方柱土樣方形截面的內(nèi)切圓；且第二個圓柱土樣的直徑與高度相等。

c、在橡膠筒9內(nèi)鋪設一層排水墊層15，將第二個圓柱土樣放在排水墊層15上，且在圓柱土樣頂部再鋪設一層排水墊層15，再用壓蓋14蓋住，然后再次從進水管10對套筒4內(nèi)壁的環(huán)形槽8與橡膠筒9之間的縫隙注水，使得橡膠筒9向內(nèi)凸起與土樣完全貼合。

d、驅(qū)動升降桿2上升，經(jīng)底板3帶動土樣上升，進而使得壓蓋14與壓桿6下端抵靠，此刻，為坐標原點，壓力傳感器5和位移傳感器13都為零。

e、然后繼續(xù)驅(qū)動升降桿2上升，隨著升降桿2繼續(xù)上升壓縮土樣，壓力傳感器5和位移傳感器13都會顯示讀數(shù)，用計算機將兩個傳感器測得的讀數(shù)采集起來并擬合成壓力和形變量的曲線；該曲線中，P值為橫標，而⊿S為縱標。

f、在曲線上修正出標準采樣點，并用該標準采樣點對應的P值除以該標準采樣點對應的⊿S，獲得該標準采樣點的標準基床系數(shù)。

該步驟中修正出標準采樣點的方法有兩種。

一是如圖3所示在壓力和形變量的曲線上找到⊿S值為1.25mm+γh的點F作為標準采樣點。式中，γ為土樣的密度，單位是kg/m³，h為土樣采集的深度，單位是m。

二是如圖4所示，重新擬合出一條以壓力的變量LgP為橫標而⊿S為豎標的曲線，再在壓力變量和形變量的曲線上找到曲率半徑Rmin最小的一個點O，再過O點做水平線OA和切線OB，然后做出角∠AOB的平分線OD，壓力變量和形變量的曲線發(fā)展到最后會化為一條直線，反向延長該直線使得該直線與平分線OD相交于點E，而從點E做一條豎線，該豎線與壓力變量和形變量的曲線存在一個交點F，交點F對應的⊿S值就是標準采樣點的⊿S值，最后將該⊿S值重新帶入壓力和形變量的曲線，進而獲得修正后的標準采樣點。