本發明涉及一種土壤測量裝置，尤其是涉及一種勘探工程土壤膨脹率測量裝置以及測量方法。
背景技術：
膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊粘性土。膨脹土特性主要包括脹縮性、超固結性、裂隙性以及強度衰減特性等。膨脹土工程性狀的特殊性表現為吸水膨脹軟化，失水收縮干裂；強度隨含水率的變化波動幅度大，峰值強度高、殘余強度低；具有超固結性和裂隙性。膨脹土作為路基工程中常見的一種特殊土路基，常在水和交通荷載的共同作用下發生路基下沉外擠、基床翻漿冒泥以及滑坡等病害。
我國膨脹土主要分布在云南、廣西、河南、湖北、山西、陜西、甘肅、新疆、內蒙、東北等地區。在這些膨脹土膨脹土地區的工程建設中，常用膨脹土作為建筑物以及工程的地基。由于膨脹土含有強親水性土礦物成分如蒙脫石和伊利石，使得膨脹土吸水膨脹，失水收縮，從而引起建筑物的開裂、傾斜破壞，或使開挖體的邊坡產生滑移失穩等現象，對工程建筑產生極大的危害。
因而從某種意義上講，膨脹土對工程建筑的危害無所不包，成為淺表層輕型工程建設的技術難題。加強對膨脹土工程特性的研究，總結探討其內在的變形規律性，對工程建設具有十分重要的經濟意義和工程實踐價值。
在膨脹土眾多膨脹指標之中,有荷膨脹率是最具有工程指導意義的一項,表征在一定的上覆荷載及側限條件下,膨脹土吸水膨脹的強弱,能夠較為真實地模擬路基實際受荷狀態。因此研究膨脹土的有荷膨脹率具有十分重大的工程實際意義。
現有技術中，膨脹土的膨脹率的測量方法通常是在含水容器中底部設置透水石層，將土壤試樣設置于透水石層上，容器內的水通過透水石層傳遞到土壤試樣中，使土壤膨脹后測量土壤的膨脹力或者膨脹率，例如上海大學、北京交通大學、以及山東大學分別在201210390847.6、201310311612.8、CN201510059071.8的發明專利中所示的。
但是，現有技術的上述技術方案中，測量容器中的水從試樣的底部或者頂部滲透到試樣中需要足夠長的時間，而對于土壤膨脹力或者膨脹力的測量需要在整個測量周期中多個時間節點進行測量，對于早期的測量節點測量容器中水還沒有完全滲透到試樣中，導致測量值無法反應試樣的真實物理參數。
技術實現要素：
本發明提供了一種土壤試樣膨脹測量裝置以及測量方法，能夠在土壤膨脹測量中對于早期的測量節點也能夠反應試樣的真實物理參數。
作為本發明的一個方面，提供一種土壤膨脹率測量裝置，用于測量土壤徑向膨脹率，包括：密封基座、環刀、固定頂板以及供水槽；所述環刀設置于所述密封基座上；所述土壤試樣為環形土壤試樣，其與所述環刀同軸設置，其內壁與所述環刀緊密接觸；所述環刀包括上半部以及下半部，所述上半部為密封結構，所述下半部沿周向均勻設置透水孔；所述環刀內部設置透水石，所述供水槽通過管路向所述環刀內部供水；所述固定頂板設置于土壤試樣上方，包括環形頂板以及與環形頂板固定的可伸縮桿П形桿，所述可伸縮桿П形桿能夠通過螺栓固定于所述密封基座。
優選的，所述密封基座上表面設置以環刀底面圓點為零點，左右兩側延伸的刻度線。
優選的，所述環形頂板的內環與所述土壤試樣的內徑相同，所述環形頂板的外徑大于所述土壤試樣的外徑。
優選的，所述環形頂板的外徑大于所述土壤試樣的外徑的1.3倍。
優選的，所述土壤為膨脹土。
優選的，所述環刀內表面能夠貼附濾紙。
優選的，所述土壤試樣的高度低于所述環刀下半部高度。
優選的，還包括塑料薄膜，所述塑料薄膜用于包裹所述環刀外表面，其高度高于所述環刀。
作為本發明的另外一個方面，提供上述土壤膨脹率測量裝置的測量方法，包括如下步驟：（1）準備試驗用土；（2）將環刀外表面包裹塑料薄膜，通過環刀以及直徑大于環刀的外環刀在密封基座上制備將試驗用土制備試樣；制備成的試樣為環形試樣，內壁與所述環刀緊密接觸；（3）在環刀內表面貼附濾紙；（4）向環刀內部加入透水石；（5）調整П形桿的高度，使固定頂板與試樣頂部緊密接觸，通過螺栓使固定頂板固定，確定土壤試樣外環的初始直徑；（6）通過供水槽向環刀內部注入測試水；（7）在測試水到達環刀的底部后，向上抽拉環刀外表面包裹的塑料薄膜，使塑料薄膜的底部與試樣頂部位于同一高度；（8）間隔特定時間，記錄土壤試樣外環的實時直徑，直到試樣膨脹結束。
優選的，在所述步驟（4）中，在向環刀內部加入透水石前，在所述環刀的內壁底部設置一圈環形PH試紙；所述步驟（6）中，所述測試水為酸性水或者堿性水；在所述步驟（7）中，根據所述環形PH試紙的顏色變化判斷測試水到達環刀內部的底部。
優選的，還包括步驟（9）通過各個測試時間的測量值，確定土壤試樣在各個測試時間的膨脹率。
優選的，所述步驟（9）中，各個測試時間的土壤試樣的膨脹率的計算方法為：δ＝(Vt-V0)/V0，其中V0為土壤試樣的初始體積V0＝π（r12－r22）h，Vt為測試時間t時土壤試樣的實時體積Vt＝π（rt2－r22）h，其中r1為土壤試樣外環初始半徑，r2為土壤試樣內環半徑，rt為測試時間t時土壤試樣外環實時半徑，h為土壤試樣高度。
附圖說明
圖1是本發明實施例的結構示意圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將使用實施例對本發明進行簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的僅僅是本發明的一個實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些實施例獲取其他的技術方案，也屬于本發明的公開范圍。
如圖1所示，本發明實施例的土壤試樣膨脹測量裝置，用于測量土壤徑向膨脹率，包括：密封基座10，環刀20，固定頂板30以及供水槽40。
其中，密封基座10設置于底部，環刀20設置于密封基座10上。在檢測時，環形土壤試樣50設置于密封基座10上，其與環刀20同軸設置，其內壁與環刀20緊密接觸。環形土壤試樣50使用待檢測的膨脹土制備。在密封基座10上表面設置以圓點為零點，左右兩側延伸的刻度線。從而，通過刻度線能夠確定環形土壤試樣50膨脹后的外徑。
環刀20包括上半部21以及下半部22，上半部21為密封結構，下半部22沿周向均勻設置透水孔23。優選的，由于水壓隨著深度增加，可以將透水孔23的直徑從下半部22的底部到頂部逐漸增大，從而使試樣的各個高度滲透均勻的水量。優先的，透水孔23的總面積站下半部22面積的20%～40%，優選的，透水孔23的總面積站下半部22面積的30%。在檢測時，在環刀20的內表面貼附濾紙24。環刀20的下半部22內部設置透水石區域25，供水槽40通過管路41向環刀20的透水石區域25供水。
固定頂板30設置于土壤試樣上方，包括頂板31以及與頂板31固定的П形桿32。П形桿32具有兩個支撐桿，分別固定于頂板31的左右兩個。該兩個支撐桿為可伸縮桿，通過調節其高度能夠使頂板31緊貼于環形土壤試樣50的上表面。T形桿32能夠通過螺栓33固定于密封基座10。其中，優選的，為了使徑向膨脹率的測量值更加精確，可以設置頂板31的外徑大于土壤試樣50的外徑，例如大于土壤試樣的外徑的1.3倍，從而在測量過程中使土壤試樣僅在徑向膨脹，而不存在其他方向的變形。
本發明實施例的土壤試樣膨脹測量裝置的測量方法，包括如下步驟：（1）準備試驗用土；（2）將環刀20外表面包裹塑料薄膜，通過環刀20以及直徑大于環刀的外環刀在密封基座10上制備將試驗用土制備試樣；制備成的試樣50為環形試樣，內壁與環刀20緊密接觸；（3）在環刀20內表面貼附濾紙24；在環刀20外表面包裹高度高于環刀20的塑料薄膜；（4）向環刀20內部加入透水石，透水石的高度低于環刀20的下半部22；（5）調整П形桿32的高度，使固定頂板30與試樣50頂部緊密接觸，通過螺栓33使固定頂板30固定，確定土壤試樣50外環的初始直徑；（6）通過供水槽40向環刀20內部注入測試水；（7）在測試水到達環刀20的底部后，向上抽拉環刀20外表面包裹的塑料薄膜，使塑料薄膜的底部與試樣50頂部位于同一高度；（8）間隔特定時間，記錄土壤試樣50外環的實時直徑，直到試樣50膨脹結束。
優選的，在所述步驟（4）中，在向環刀20內部加入透水石前，在環刀20的內壁底部設置一圈環形PH試紙；所述步驟（6）中，測試水為酸性水或者堿性水；在所述步驟（7）中，根據環形PH試紙的顏色變化判斷測試水到達環刀20內部的底部。
優選的，還包括步驟（9），通過各個測試時間的測量值，確定土壤試樣50在各個測試時間的膨脹率。
優選的，所述步驟（9）中，各個測試時間的土壤試樣50的膨脹率的計算方法為：δ＝(Vt-V0)/V0，其中V0為土壤試樣的初始體積V0＝π（r12－r22）h，Vt為測試時間t時土壤試樣的實時體積Vt＝π（rt2－r22）h，其中r1為土壤試樣外環初始半徑，r2為土壤試樣內環半徑，rt為測試時間t時土壤試樣外環實時半徑，h為土壤試樣高度。
通過本發明的上述實施例，使在膨脹土的測試過程中，測量容器中的水均勻得滲透到試樣中，從而使測量過程中各個時間節點的測量值更加準確。
綜上所述，本發明所述的實施方式僅提供一種最佳的實施方式，本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術的人士仍可能基于本發明所揭示的內容而作各種不背離本發明 創作精神的替換及修飾；因此，本發明的保護范圍不限于實施例 所揭示的技術內容，故凡依本發明的形狀、構造及原理所做的等效變化，均涵蓋在本發明的保護范圍內。