CN103323569A - 一种变速率孔压静力触探测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速率孔压静力触探测试装置，由从上至下依次连接设置的孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽和孔压记录仪组成，孔压静力触探测试系统包括用于数据采集与控制系统、反压架、探杆、侧壁摩擦筒、孔压过滤环和圆锥头；柔性壁标定槽包括顶板、底部固定环、底板、活塞、环形的外壁、环形的薄膜、内壁、环形密封圈、螺杆、测试孔、排水孔、竖向孔压管、排水管、孔压传感器电路元件和活塞导承。该测试装置具有准确和可重复性高等特点，为土木工程勘探实践与理论研究提供有力的测试工具。

Description

一种变速率孔压静力触探测试装置

 

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种变速率孔压静力触探测试装置。

 

背景技术

孔压静力触探测试技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。国际上孔压静力触探技术至今已有30多年的历史。国际上广泛应用孔压静力触探测试技术，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国目前广泛应用的是电测式静力触探，服务于工程勘察，然而并不测量贯入过程中孔隙水压力，与国际广泛采用的孔压静力触探测试技术相比存在很大的差距。尽管如此，国内许多研究机构对该测试技术进行了不断的引入和改造。孔压静力触探测试技术在我国经历了长期的研制之后，目前正处于推广和普及阶段。然而，在工程实践中，孔压静力触探测试技术的应用仍然存在一系列的难题，主要包括贯入机理与排水条件分析等。

为了研究孔压静力触探的贯入机理，国内外的学者和研究机构进行了一系列的试验研究工作，首当其冲的便是进行标定槽试验。为了模拟土的原位测试，国外研究机构进行了大型的标定槽试验，以控制测试中的排水条件和应力条件，得出测试成果和边界条件的相关关系。国外的模型试验起步较早，开展较多，自动化程度也较高，对标定槽的边界条件、尺寸效应等问题已有较为深入的研究。但所用的标定槽大多较小，直径、高度一般都不超过2 m，多采用微型探头。同时所有的标定槽试验中均不能实现对孔压静力触探贯入过程中排水条件的控制。研究表明，孔压静力触探探头在贯入过程中，从排水变换至不排水条件时，所测得的关键指标锥尖阻力变化幅度可达±30%，说明对贯入过程中排水条件的正确理解是保证测试结果精确可靠的重要前提。尤其是对粉土而言，排水条件复杂多变，更需要可靠的分析。

孔压静力触探探头贯入过程的排水条件与探头的贯入速率密切相关，通常认为在标准速率200mm/s的条件下，对砂土为完全排水，对粘土为不排水，对粉土则排水条件不明，应当介于上述两者之间；贯入速率越低，则约趋于完全排水。因此，为实现粘土中的排水测试，需要降低孔压静力触探探头的贯入速率。利用这一原理，结合常规标定槽，本发明提出了一种利用变速率与变探头尺寸测试来分析孔压静力触探测试贯入机理与排水条件的柔性壁标定槽。

 

发明内容

技术问题：本发明针对国内外现有孔压静力触探标定槽存在的缺陷，提出一种方便、快捷、精确的评价孔压静力触探贯入过程中排水条件的改变以及其对测试结果影响的变速率孔压静力触探测试装置。

技术方案：本发明的一种变速率孔压静力触探测试装置，包括从上至下依次连接设置的孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽和孔压记录仪，孔压静力触探测试系统包括用于采集测试数据和控制探头贯入速率的数据采集与控制系统、提供贯入反力的反压架和通过卡瓦固定在反压架上的孔压静力触探探头，孔压静力触探探头通过数据传输线与数据采集与控制系统连接，孔压静力触探探头包括从上至下依次连接的探杆、侧壁摩擦筒、孔压过滤环和圆锥头；柔性壁标定槽包括顶板、底部固定环、设置在底部固定环内侧的底板、与底板下侧固定连接的活塞、连接顶板和底部固定环的环形的外壁、连接顶板和底板的环形的薄膜、内壁，薄膜、内壁和外壁从内至外依次设置，外壁由多个不锈钢环从下至上依次叠加而成，环形密封圈设置在顶板与薄膜的接缝处，外壁外侧设置有周向对称排列的多根螺杆，将顶板和底部固定环固定拉紧；顶板上设置有用于穿过孔压静力触探探头的测试孔，底板上设置有排水孔和多根竖向孔压管，排水孔的底部开口与排水管连接，竖向孔压管的底部开口设置有孔压传感器电路元件；在活塞底部设有活塞导承，孔压传感器电路元件通过数据传输线穿过活塞与活塞导承中的小孔与孔压记录仪连接。

本发明中，数据采集与控制系统可控制孔压静力触探探头的贯入速率变化范围为0.01mm/s至200mm/s，可根据测试需求具体选择。

本发明中，孔压静力触探探头的侧壁摩擦筒外径变化范围为1.13cm至3.57cm，表面积变化范围为15cm²至150cm²。

本发明中，孔压静力触探探头的孔压过滤环外径与圆锥头锥底外径相同，为1.13cm至3.57cm。

本发明中，孔压静力触探探头的圆锥头顶角为60°，探头外径为1.13cm至3.57cm。

本发明中，柔性壁标定槽外壁中单个不锈钢环的高度为0.4m至0.6m，外径为1.0m至1.8m，内径为0.9m至1.7m。

孔压记录仪存储不同时刻下孔压传感器电路元件所记录的孔隙水压力，可通过现有的计算机技术和仪器科学技术轻松实现，常见的孔压记录仪通常内置在孔压静力触探和孔压计等测试系统中。

本发明的变速率孔压静力触探测试装置，其变速率测试部分由孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽与孔压记录仪三部分共同完成。在实验室内配制成预期的土样后，将土样装置入柔性壁标定槽内，往柔性壁标定槽的外壁、内壁和薄膜之间注入水。在外部压力控制系统的作用下对水施加径向压力，以模拟土层天然应力K ₀状态；在土层中注入脱气水，对活塞施加200kPa的竖向反压力以保证土层的完全饱和，然后对活塞施加230kPa的竖向压力，完成土层的K ₀固结试验，测定土层的固结系数。在数据采集与控制系统操作下，孔压静力触探探头以预先设定的速率贯入柔性壁标定槽内部的土层中，由反压架提供贯入反力，并固定探头。数据采集与控制系统记录贯入过程中侧壁摩擦筒所受到的侧摩阻力，孔压过滤环处的孔隙水压力和圆锥头所受到的锥尖阻力。探头的贯入引起周围土层孔隙水压力的变化，对完全排水条件而言，孔压变化不大；而对不排水条件，则孔压变化很大。因此，当探头贯入土层中时，布置于竖向孔压管底部的孔压传感器可监测与探头不同间距处的孔隙水压力变化情况，并经过数据传输线将信号传输至孔压记录仪中，供数据的分析采用。对比不同贯入速率条件下，测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，可以得出不同土类在不同贯入速率条件下的响应特征，从而指导工程实践。

研究表明，对一般的砂土，200mm/s的贯入速率可以保证贯入过程中的排水条件，若需要达到不排水贯入，则贯入速率可能需要高达200mm/s。对粘土而言，由于粘土具有很低的渗透性，因此需要非常低的贯入速率，可能低达0.2mm/s。本发明控制的贯入速率选定在0.01mm/s至200mm/s的范围内，可以满足对砂土的排水贯入，也可同时实现对粉土与粘土的排水和不排水贯入，对不同土层中孔压静力触探测试结果的正确解译具有重要的理论与工程实践研究意义。

孔压静力触探标定槽试验结果易受边界效应的影响，当探头距离标定槽边界过近时，受到边界约束的影响，测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力均会发生改变，引起失真。因此，本发明设计了双壁式的柔性壁标定槽，一方面可以模拟现场的K ₀状态，另一方面降低了边界效应的影响，使得孔压静力触探测试结果更易得到正确解释。此外，本发明还设计了不同尺寸的孔压静力触探探头，可选择不同规格的侧壁摩擦筒与圆锥头，以分析边界效应的影响，同时扩大标定槽对不同土类的适用范围。

本发明所设计的柔性壁标定槽外壁由一系列不锈钢环组成，不锈钢环的尺寸根据标定槽边界效应的研究成果所确定，能有效降低边界的束缚影响；外壁的高度可由不锈钢环的增加或减小进行调整，扩展了标定槽的灵活性与适用性。螺杆则起固定作用，维持整个柔性壁标定槽系统的平稳性。    

有益效果：孔压静力触探的贯入机理和贯入过程中排水条件的变化对测试结果的正确解译具有重要意义，是确保工程建设可靠性的重要依据。国内现有的标定槽存在缺陷，首先标定槽侧壁为薄钢板，不具备足够的柔性；其次静力触探探头的贯入过程为匀速过程，或为人工手摇贯入，不能对贯入速率进行精确有效且可变的控制；最后，国内的标定槽试验多采用固定尺寸的静力触探探头，不能明确贯入过程中边界条件对测试结果的影响，使得测试结果存在较大误差。本发明与现有技术相比，具有以下优点：首先，标定槽侧边界通过双壁设置，外壁实现刚性约束，内壁与薄膜实现柔性约束，在外壁-内壁-薄膜之间注入水，可以实现侧向加压和K ₀边界条件，从而同时实现了刚性边界、柔性边界和K ₀边界；其次对孔压静力触探探头的贯入实现了规范化的变速率控制，对不同的土层实施不同的贯入速率，能系统、科学的分析不同贯入速率对静力触探测试结果的影响，从而指导土木工程实践；最后应用了不同尺寸规格的孔压静力触探探头，通过对不同直径的孔压静力触探探头所受到的贯入阻力进行分析，可定量评价边界条件对测试结果的影响，有利于消除边界效应。该项技术具有可靠性和可重复性的特点。

 

附图说明

图1是本发明采用的变速率柔性壁标定槽元件装置图；

图2是柔性壁标定槽侧壁三维示意图与局部截面放大图；

图中有：数据采集与控制系统1、反压架2、探杆3、侧壁摩擦筒4、孔压过滤环5、圆锥头6、顶板7、测试孔71、环形密封圈8、多根螺杆9、外壁10、内壁11、薄膜12、竖向孔压管13、排水孔14、排水管15、活塞16、活塞导承17、孔压传感器电路元件18、孔压记录仪19、底部固定环20、底板21。

 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明变速率孔压静力触探测试装置作出进一步说明。

本发明的变速率孔压静力触探测试装置，见图1，包括从上至下依次连接设置的孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽和孔压记录仪，孔压静力触探测试系统包括用于采集测试数据和控制探头贯入速率的数据采集与控制系统1、固定在地面可提供贯入反力的反压架2和通过卡瓦固定在反压架2上的孔压静力触探探头，孔压静力触探探头通过数据传输线与数据采集与控制系统1连接，孔压静力触探探头包括从上至下依次连接的探杆3、侧壁摩擦筒4、孔压过滤环5和圆锥头6；柔性壁标定槽包括顶板7、底部固定环20、设置在底部固定环20内侧的底板21、与底板21下侧固定连接的活塞16、连接顶板7和底部固定环20的环形的外壁10、连接顶板7和底板21的环形的薄膜12、内壁11，薄膜12、内壁11和外壁10从内至外依次设置，外壁10由多个不锈钢环从下至上依次叠加而成，环形密封圈8设置在顶板7与薄膜12的接缝处，外壁10外侧设置有周向对称排列的多根螺杆9，将顶板7和底部固定环20固定拉紧；顶板7上设置有用于穿过孔压静力触探探头的测试孔71，底板21上设置有排水孔14和多根竖向孔压管13，排水孔14的底部开口与排水管15连接，竖向孔压管13的底部开口设置有孔压传感器电路元件18；在活塞16底部设有活塞导承17，孔压传感器电路元件18通过数据传输线穿过活塞16与活塞导承17中的小孔与孔压记录仪19连接。

本发明的优选实施例中，数据采集与控制系统1可控制孔压静力触探探头的贯入速率变化范围为0.01mm/s至200mm/s，可根据测试需求具体选择。

本发明的优选实施例中，反压架2最大提供100kN的贯入反力，通过地锚固定在地面上。

本发明的优选实施例中，孔压静力触探探头通过卡瓦固定在反压架2的横梁上，反压架2的横梁可上下活动。

本发明的优选实施例中，孔压静力触探探头的侧壁摩擦筒4外径变化范围为1.13cm至3.57cm，表面积变化范围为15cm²至150cm²。

本发明的优选实施例中，孔压静力触探探头的孔压过滤环5外径为1.13cm至3.57cm，但尺寸需与圆锥头6锥底外径相同。

本发明的优选实施例中，孔压静力触探探头的圆锥头6顶角为60°，探头外径为1.13cm至3.57cm。

本发明的优选实施例中，顶板7的顶部开设有测试孔71，还可以根据实际需要，在顶板的不同部位开设其他多个测试孔，实现对同一土层的多次测试，充分利用资源，降低工作量；同时还有助于研究边界效应对测试结果的影响。

本发明的优选实施例中，柔性壁标定槽采用双壁设置，分为外壁10和内壁11两部分，在内壁11内部空间内还设有薄膜12，以允许模拟土层的天然K ₀状态。

本发明的优选实施例中，组成柔性壁标定槽外壁10的单个不锈钢环的高度为0.4m至0.6m，外径为1.0m至1.8m，内径为0.9m至1.7m。；可根据实际试验需求进行调整，然而内径要求不低于30倍孔压静力触探探头直径的15至30倍，以充分降低边界效应的影响；组成柔性壁标定槽外壁10的不锈钢环数量推荐为20个，以满足足够的测试深度，同样也可根据试验需求增加或减少。

本发明的优选实施例中，螺杆9按照等分圆周排列，数量可为2至10根，推荐为8根，可根据试验设备的稳定性进行调整。

本发明中，孔压记录仪19存储不同时刻下孔压传感器电路元件18所记录的孔隙水压力，可通过现有的计算机技术和仪器科学技术轻松实现，常见的孔压记录仪通常内置在孔压静力触探和孔压计等测试系统中。

本发明的变速率孔压静力触探测试装置，其变速率测试部分由孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽与孔压记录仪三部分共同完成。在实验室内配制成预期的土样后，将土样装置入柔性壁标定槽内，往柔性壁标定槽的外壁、内壁和薄膜之间注入水。在外部压力控制系统的作用下对水施加径向压力，以模拟土层天然应力K ₀状态；在土层中注入脱气水，对活塞导承施加200kPa的竖向反压力，通过活塞间接施加在底板和柔性壁标定槽内的土体上，以保证土层的完全饱和；然后对活塞导承施加230kPa的竖向压力，完成土层的K ₀固结试验，测定土层的固结系数。

在数据采集与控制系统操作下，孔压静力触探探头以预先设定的速率贯入柔性壁标定槽内部的土层中，贯入过程中由反压架提供贯入反力，并固定探头。当数据采集与控制系统对横梁施加向下贯入压力时，卡瓦可对探杆施加咬合摩擦力，使得孔压静力触探探头与横梁同步运动，实现孔压静力触探探头的贯入；而经过一个行程的贯入后，需要将横梁上提同时保持孔压静力触探探头固定不动，此时，卡瓦可释放对探杆的摩擦力，实现两者的相对运动；除卡瓦之外，还可通过管钳和U型螺栓等固件实现上述操作，这一测试方法已在国内外的车载式静力触探测试系统中得到了成熟的应用。

数据采集与控制系统记录贯入过程中侧壁摩擦筒所受到的侧摩阻力，孔压过滤环处的孔隙水压力和圆锥头所受到的锥尖阻力。探头的贯入引起周围土层孔隙水压力的变化，对完全排水条件而言，孔压变化不大；而对不排水条件，则孔压变化很大。因此，当探头贯入土层中时，布置于竖向孔压管底部的孔压传感器可监测与探头不同间距处的孔隙水压力变化情况，包括探头周围土层的超孔压以及其消散过程，并经过数据传输线将信号传输至孔压记录仪中，供数据的分析采用。

实验结束后，在数据采集与控制系统操作下，取出孔压静力触探探头；卸除螺杆和顶板，打开与排水孔相连的排水管阀门，土体中的水通过排水孔与排水管排出，然后取出柔性壁标定槽内的土体，并完成清洗；最后拆分组成外壁的不锈钢环，并保存。

对比不同贯入速率条件下，测得的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，可以得出不同土类在不同贯入速率条件下的响应特征，从而指导工程实践。

本发明中还可在柔性壁标定槽内部的土体中埋设土压力盒，测试探头贯入过程中周围土体的水平方向和竖直方向的应力变化，土压力盒的埋设方法可根据实验的特定需求而确定。

此外，在柔性壁标定槽底部一般需要浇筑底座或支架，以便于测试装置的安放和测试稳定。

Claims (6)

1.一种变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，该装置包括从上至下依次连接设置的孔压静力触探测试系统、柔性壁标定槽和孔压记录仪，所述孔压静力触探测试系统包括用于采集测试数据和控制探头贯入速率的数据采集与控制系统（1）、提供贯入反力的反压架（2）和通过卡瓦固定在所述反压架（2）上的孔压静力触探探头，所述孔压静力触探探头通过数据传输线与数据采集与控制系统（1）连接，孔压静力触探探头包括从上至下依次连接的探杆（3）、侧壁摩擦筒（4）、孔压过滤环（5）和圆锥头（6）；所述柔性壁标定槽包括顶板（7）、底部固定环（20）、设置在所述底部固定环（20）内侧的底板（21）、与所述底板（21）下侧固定连接的活塞（16）、连接所述顶板（7）和底部固定环（20）的环形的外壁（10）、连接所述顶板（7）和底板（21）的环形的薄膜（12）、内壁（11），所述薄膜（12）、内壁（11）和外壁（10）从内至外依次设置，所述外壁（10）由多个不锈钢环从下至上依次叠加而成，顶板（7）下侧与薄膜（12）顶部的接缝处设置有环形密封圈（8），所述外壁（10）外侧设置有周向对称排列的多根螺杆（9），将顶板（7）和底部固定环（20）固定拉紧；所述顶板（7）上设置有用于穿过孔压静力触探探头的测试孔（71），所述底板（21）上设置有排水孔（14）和多根竖向孔压管（13），所述排水孔（14）的底部开口与排水管（15）连接，所述竖向孔压管（13）的底部开口设置有孔压传感器电路元件（18）；在活塞（16）底部设有活塞导承（17），所述孔压传感器电路元件（18）通过数据传输线穿过活塞（16）和活塞导承（17）中的小孔与孔压记录仪（19）连接。

2.根据权利要求1所述的变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，所述数据采集与控制系统（1）控制孔压静力触探探头的贯入速率变化范围为0.01mm/s至200mm/s。

3.根据权利要求1所述的变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，所述孔压静力触探探头的侧壁摩擦筒（4）外径变化范围为1.13cm至3.57cm，表面积变化范围为15cm²至150cm²。

4.根据权利要求1所述的变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，所述孔压静力触探探头的孔压过滤环（5）外径与圆锥头（6）锥底外径相同，为1.13cm至3.57cm。

5.根据权利要求1所述的变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，所述孔压静力触探探头的圆锥头（6）顶角为60°，探头外径为1.13cm至3.57cm。

6.根据权利要求1所述的变速率孔压静力触探测试装置，其特征在于，所述柔性壁标定槽外壁（10）中单个不锈钢环的高度为0.4m至0.6m，外径为1.0m至1.8m，内径为0.9m至1.7m。

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