申请/专利权人：山西省交通规划勘察设计院有限公司

申请日：2022-01-28

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114509354B

主分类号：G01N3/24

分类号：G01N3/24;G01N33/24;G01N1/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.06.03#实质审查的生效;2022.05.17#公开

摘要：本发明涉及土工试验领域，特别涉及一种填料物性参数测量装置及其测量方法。所述的一种填料物性参数测量装置包括击实筒、击实锤和各类传感器及其采集仪等。同时，本发明公开了详细具体的物性参数测量方法，以及采用本方法测得含水率、剪切强度、剪切模量在路基设计中的应用方法。相比较现有技术，本发明旨在解决现有路基施工中对实际含水率进行调整缺乏科学计算方法和理论依据的问题。本发明所提供的方法能够实现同时以剪切模量、剪切强度、压实度评价控制效果，以剪切模量、剪切强度约束现场含水率指标，确保填筑路基具有足够的抵抗变形和破坏能力。此外，本发明可显著简化施工后现场测试的工作量，尤其在路线多测点测试中高效便捷性突出。

主权项：1.一种填料物性参数测量方法，其特征在于：该方法是基于一种填料物性参数测量装置实现的，该装置包括击实筒、圆形传感器固定板、击实锤、加速度计、加速度计采集仪、弯曲元传感器、弯曲元信号示波器、吸力计、吸力计采集仪、含水率传感器、含水率传感器采集仪和数据线；所述弯曲元传感器、含水率传感器和吸力计设置在击实筒内部；所述含水率传感器分布在圆形传感器固定板上和击实筒内部的土体试样中；加速度计的数据线、含水率传感器的数据线、吸力计的数据线可分别连接至击实筒外部的加速度计采集仪、含水率传感器采集仪和吸力计采集仪；所述方法采用如下步骤实现：步骤S1：制备土体样品；设置土体递增含水率梯度，搅拌均匀后闷料24h备用；步骤S2：击实筒底部传感器准备；取出定制的击实筒待用；取出圆形传感器固定板，将L型陶瓷信号发射片放在圆形传感器固定板的L型凹槽内，并用高强度结构胶将吸力计、含水率传感器黏结在圆形传感器固定板上，连接好数据线后，将圆形传感器固定板缓慢放置在击实筒底端；将吸力计、含水率传感器相应的数据线统一收纳至橡胶竖线器后固定，将数据线沿穿线槽口穿出，对应连接吸力计采集仪和含水率传感器采集仪；步骤S3：击实锤侧面传感器准备；将加速度计通过高强度结构胶黏结于击实锤侧面中部，通过数据线连接至加速度计采集仪；步骤S4：试样土体的第一层击实；将击实筒固定在击实仪上，首先启动吸力计采集仪和含水率传感器采集仪，抬高击实锤至指定位置，设置好击实次数及位置后启动击实仪；在土体试样的击实过程中确保吸力计、含水率传感器正常工作后完成击实，实时采集并保存数据；在土体试样第一层击实完毕后，参照步骤S2将含水率传感器、L型陶瓷信号发射片以相同方式放置在土体上表面，并将含水率传感器与含水率传感器采集仪进行连接；步骤S5：试样土体的分层击实；重复步骤S4，分别完成所规定的击实层数N的N-1次击实，实时采集并保存数据；填入最后一次击实土体，再次启动击实仪击实3-5次，使土体试样上表面基本成型，而后在土体试样顶面正中位置埋入弯曲元信号接收器，并连接弯曲元信号示波器；再试击3-5次以检测弯曲元信号示波器是否能够正常接收信号，在弯曲元信号示波器正常接收信号后完成全部击实实验；步骤S6：数据整理，计算土体试样的各项物性指标；提取加速度计采集仪、含水率传感器采集仪、吸力计采集仪、弯曲元信号示波器的所有数据，含水率w和土体试样的吸力Ψ可通过含水率传感器采集仪和吸力计采集仪直接得到，土体试样剪切模量Gmax通过式1进行计算；土体试样在击实过程中所接收的冲量Ft通过式2进行计算：Gmax＝ρVs21式中：Gmax——土体试样剪切模量，MPa；Vs——弯曲元传感器测定的剪切波速，ms；ρ——土体试样密度，gcm3； 式中：Ft——土体试样在击实过程中所接收冲量，N·s；Ml——落锤质量，kg；a——落锤加速度，ms2，通过加速度计测得；t0——落锤击实总时长，s；该测量方法在应用于路基设计时，还包括如下步骤：步骤F1：根据式3计算土体的剪切强度qmax，绘制土体试样的含水率w-剪切强度qmax相关性曲线并进行线性函数拟合，得到函数关系式qmaxw；qmax＝c+σ-uatgfi+xua-uwtgfi3式中：qmax——土体的剪切强度，kPa；fi——土体试样的摩擦角，°；c——土体试样的粘聚力，kPa；ua——土体试样的孔隙气压，kPa；如路基土可以排水，则ua＝0uw——土体试样的孔隙水压，kPa；ua-uw＝ψ，土体试样的吸力ψ可通过吸力计采集仪测得；x——土体试样的饱和度，％；σ——土体试样的应力，kPa；步骤F2：绘制土体试样的含水率w和剪切模量Gmax相关性曲线并进行线性函数拟合，得到函数关系式Gmaxw；步骤F3：绘制土体试样的含水率w-土体试样吸力Ψ的实验散点图；步骤F4：根据击实实验结果，绘制土体试样的含水率w-土体干密度ρd的相关性曲线，得出最优含水率wopt和土体最大干密度ρdmax；步骤F5：确定路基土施工完毕后的剪切模量目标值Gmax0和剪切强度目标值qmax0，将qmax0代入前述步骤F1中得到的函数关系式qmaxw中，反算得到能够使土体达到剪切强度要求的含水率范围{w1,w2}；将Gmax0代入前述步骤F2中得到的函数关系式Gmaxw中，反算得到能够使土体达到剪切模量要求的含水率范围：{w3,w4}；因含水率越高，土体吸力越低，因此在施工中应尽可能降低填料的含水率，因此根据前述步骤F4得到的最优含水率wopt，最终确定控制含水率范围为：w∈{w1,w2}∩{w3,w4}，计算出现场的实际含水率下限允许最大偏差为wopt-[w1,w3]max，计算出现场的实际含水率上限允许最大偏差为[w2,w4]min-wopt，以此指导路基的施工设计；步骤F6：施工后的现场监测与评价；首先根据现场实测的土体干密度ρd和步骤F4中得出的土体最大干密度ρdmax按照式4计算压实度K0，评价压实度是否满足规范标准，如K0≥K，K为规范中要求的压实度指标值，则满足规范要求；其次对现场湿度进行测量，根据公式5反算土体试样吸力Ψ，并根据前述步骤F3得到的含水率w-土体试样吸力Ψ的实验散点图，反算现场实际含水率w’，若w’∈{w1,w2}∩{w3,w4},则现场含水率控制良好； 式中：ψ——土体试样吸力，MPa；R——温度常数，取值0.082；MW——质量常数，取值18；T——温度，℃；RH——相对湿度，％。

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