CN106018740A

CN106018740A - 孔压静力触探标定罐系统

Info

Publication number: CN106018740A
Application number: CN201610335012.9A
Authority: CN
Inventors: 刘松玉; 杨岩; 蔡国军; 李俊才
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: CN106018740B

Abstract

本发明公布了一种用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：该标定罐系统的最外围是一个轴向加载框架(11)、该框架内设有外部压力计(1)、与外部压力计(1)下方相连的外部探杆(2)和与外部探杆(2)相连的直线轴承(3)轴向加载框架(11)经外部压力计(1)、外部探杆(2)和直线轴承(3)与标定罐罐体相连；本发明的孔压标定罐系统，充分考虑到中低密度砂土对土体液化和应变软化的影响，以精密的仪器设备和细致化的试验操作对中低密度砂土的土性做出更为真实可靠的预测，为现场孔压静力触探试验提供补充依据。

Description

孔压静力触探标定罐系统

技术领域

本发明涉及一种能够用于孔压静力触探测试的标定罐系统，应用于岩土工程领域，能够在一定条件下实现对现场孔压静力触探测试的室内模拟，进而对相关经验公式的建立和参数分析提供补充依据。

背景技术

由于岩土工程参数与复杂多变的自然条件密切联系，确定岩土工程参数与合理设计成为工程建设的难点，亦是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高工程经济效益和社会效益的关键技术之一。钻孔取样、室内试验会造成土样扰动，试验结果难以反映出地基岩土的真实状况，原位测试技术是在天然位置对岩土工程性能进行测试的一种技术，勿需取样，简便快捷，是准确获得土性参数的有效方法。因此，研究基于高精度现场原位测试理论与技术，建立基于原位测试的土木工程设计计算理论，是当前我国工程领域迫切需要解决的重要课题。这些参数必须积累到大量的数据，并通过相应的理论推导和反算公式以求得最后的土壤参数，相关的现场原位试验相对于室内试验周期较长，并不能确定单一土壤参数的变化。为了解决这些相关的问题使用标定罐试验以来积累相关的数据，并可以控制相应的条件，推导出具体的经验公式，是最直接有效简单的方式。

工程地质的分析和设计要求对土层性质进行精确的判断，也包含对土体内任何一点处土壤地层学的评价。为实现这一目标，需要对饱和的中低密度无粘性土体的性质做出足够精确的判断。这是一种对土性影响至关重要的土体，因其对静态或循环液化的高敏感性并且极有可能诱发土体的流动液化破坏。基于此，对能够造成土体破坏的地下土体性质的判断才显得十分重要，必须在土性的基础上展开砂土液化的参数确定从而成功对液化进行预测。获取无粘性土体的未扰动样本十分困难，尤其是当此类土位于地下水位以下时，这使得工程勘察大多依赖于标准贯入试验(SPT)和孔压静力触探(CPTU)试验。二者以孔压静力触探更加方便和可靠，基于其试验数据获取的连续性和精确性，孔压静力触探已然成为应用最广的原位测试手段之一。探头规格应为锥角60°，锥底直径35.7mm，锥底横截面积10cm²，侧壁摩擦筒表面积150cm²。孔压过滤环必须安装在圆锥头肩部(u₂)位置。由于现场试验不能够完全对土体性质进行直接的测量和评估，需要在大量实验数据的基础上建立相应的经验公式总结。这其中便涉及到室内的标定罐试验和现场测试的数据对比，亦或是展开例如孔穴扩张、有限元、离散元素分析。

标定罐试验最初的建立是确定圆锥静力触探的相应地质参数，而经过多年的发展现如今已延伸到其他的原位试验方法中，如旁压仪、膨胀仪、大型压密仪。标定罐试验是条件许可下在室内进行的现场原位的模拟，由于受到土样大小和应力状态的限制，无法达到完全的现场状态，数据与原位试验有一定的区别。研究表明，影响室内标定罐试验的因素有很多，其主要的影响因素有边界条件、尺寸效应、土样性质。室内的孔压静力触探标定罐系统能够最为真实有效的对现场CPTU试验进行模拟，得到最接近真实值的经验关系式。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是基于现有的孔压静力触探测试技术，设计并建立与之对应的室内标定罐试验系统，以此来丰富孔压静力触探技术的数据可靠性并增强其工程实践性。目前，孔压静力触探试验以其获取数据的连续性和精确性，正逐步发展成为确定岩土工程参数最常用的原位测试手段之一。但现场试验时间周期较长，且不能确定单一土体参数的变化，需要大量的数据来进行相应理论推导和经验总结。本发明的标定罐系统能够较好的解决上述问题，进而对孔压静力触探技术相关经验公式的建立和参数分析提供补充依据。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于孔压静力触探测试的标定罐系统，该标定罐系统的最外围是一个轴向加载框架、该框架内设有外部压力计、与外部压力计下方相连的外部探杆与外部探杆相连的直线轴承轴向加载框架经外部压力计、外部探杆和直线轴承与标定罐罐体相连；

标定罐罐体为密封式的侧向受限容器，其内包含有顶板、与顶板相连且设置在顶板下表面的内部压力计、与内部压力计相连且设置在内部压力计下方的微型孔压静力触探探头、微型孔压静力触探探头下方是土体样本、和设于标定罐罐体底部的底座；

该系统还设置有进排水管、第一机电压力泵和第二机电压力泵；第一机电压力泵和第二机电压力泵通过进排水管分别控制土体样本和罐体内硅油的液压；

该系统内还包含有设置在圆锥头和孔压过滤环之间的O型防尘圈和唇口密封件。

优选的，微型孔压静力触探探头采用圆锥头形式，锥底直径为6mm，锥底横截面积28.3mm²，探头锥角为60°，探头有效面积比为0.75。

优选的，外部压力计与外部探杆相连，外部探杆穿过顶板，并在二者上部相接处安装直线轴承，在保证外部探杆做精确直线运动的同时减小摩擦力；微型孔压探头和外部探杆之间设有内部压力计，内部压力计被置于一个封闭空间内，避免与罐体内硅油接触。

优选的，标定罐罐体是一个直径为300mm，高450mm的密封式圆柱型KO容器；试验要求采用直径为150mm，高195mm的柱形土体样本。

优选的，轴向加载框架用于提供最大10kN的推进力，框架所能承受的最大变形速率为0.423mm/s，探头的贯入速率低于此值。

优选的，顶板孔洞内沿着外部探杆环向安置有唇口密封圈，避免探杆与顶板直接接触，维持罐内硅油压力和土样孔隙水压的差异性；同样的也在微型孔压探头处安置相应大小的唇口密封圈。

优选的，两个容积分别为75毫升和170毫升的第一机电压力泵和第二机电压力泵分别用来监控土样和罐体内硅油的体积变化。

优选的，本标定罐系统试验对象为中低密实度的砂土，采用分层欠压法制样，要求土样的相对密实度在45％以内。

优选的，微型孔压探头探杆部分由空心钢轴和内杆构成，在锥肩位置设置孔压过滤环，并在过滤环与圆锥头之间加设O型防尘圈，防止土体颗粒在锥尖和孔压过滤环之间形成阻塞。

优选的，土样装罐完成后，用硅油充填满罐体。

有益效果：本发明中的一种用于孔压静力触探测试的标定罐系统，在特制微型孔压静力触探探头的基础上，与前人的标定罐系统相比具有以下优点：(1)能够同步测量锥尖阻力、侧壁摩阻力和锥肩位置的孔隙水压力的值；(2)有效减小所需土体样本的体积，并且严格控制土样的边界效应，采用较高的土样直径D_c与探头直径d_c比值，即D_c/d_c＝25来控制土样的边界，将实验范围扩大到中等密实砂土至松散砂土之间土体皆可；(3)采用更加精确的土样击实方法，提高测试土样的均一性和可重复性，并对其初始密度和孔隙率加强控制；(4)精确测量实验过程中土样的体积变化，尤其是固结完成后和探头贯入过程中基于孔隙率变化而导致的土样体积变化。值得注意的是，虽然本发明中的微型CPTU探头不能够直接运用于工程实践中，但其不仅更加完善一些基于CPTU的跟土体变异性有关的经验关系式，还能有助于其他相关标定罐实验的有效、快速进行。

附图说明

图1是本发明标定罐系统的主要框架结构图；

图2是微型孔压探头的结构图；

图3是标定罐罐体的细节图。

其中有：外部压力计1，外部探杆2，直线轴承3，内部压力计4，硅油5，土体样本6，罐体底座7，罐体顶板8，微型孔压静力触探探头9，进排水管10，轴向加载框架11，唇口密封圈12，孔隙水压传感器13；微型孔压静力触探探头9包括：O型防尘圈91，内杆92，空心钢轴93，孔压过滤环94，微型圆锥头95。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种用于孔压静力触探测试的标定罐系统，该标定罐系统的最外围是一个轴向加载框架11、该框架内设有外部压力计1、与外部压力计1下方相连的外部探杆2和与外部探杆2相连的直线轴承3轴向加载框架11经外部压力计1、外部探杆2和直线轴承3与标定罐罐体相连；

标定罐罐体为密封式的侧向受限容器，其内包含有顶板8、与顶板8相连且设置在顶板8下表面的内部压力计4、与内部压力计4相连且设置在内部压力计4下方的微型孔压静力触探探头9、微型孔压静力触探探头9下方是土体样本6、和设于标定罐罐体底部的底座7；

该系统还设置有进排水管10、第一机电压力泵a和第二机电压力泵b；第一机电压力泵a和第二机电压力泵b通过进排水管10分别控制土体样本6和罐体内硅油5的液压；

该系统内还包含有设置在圆锥头95和孔压过滤环94之间的O型防尘圈91和唇口密封件12。

微型孔压静力触探探头9采用圆锥头95形式，锥底直径为6mm，锥底横截面积28.3mm²，探头锥角为60°，探头有效面积比为0.75。

外部压力计1与外部探杆2相连，外部探杆2穿过顶板8，并在二者上部相接处安装直线轴承3，在保证外部探杆2做精确直线运动的同时减小摩擦力；微型孔压探头9和外部探杆2之间设有内部压力计4，内部压力计4被置于一个封闭空间内，避免与罐体内硅油接触。

标定罐罐体是一个直径为300mm，高450mm的密封式圆柱型KO容器；试验要求采用直径为150mm，高195mm的柱形土体样本6。

轴向加载框架11用于提供最大10kN的推进力，框架11所能承受的最大变形速率为0.423mm/s，探头9的贯入速率低于此值。

顶板8孔洞内沿着外部探杆2环向安置有唇口密封圈12，避免探杆2与顶板8直接接触，维持罐内硅油5压力和土样6孔隙水压的差异性；同样的也在微型孔压探头9处安置相应大小的唇口密封圈。

两个容积分别为75毫升和170毫升的第一机电压力泵a和第二机电压力泵b分别用来监控土样6和罐体内硅油5的体积变化。

本标定罐系统试验对象为中低密实度的砂土，采用分层欠压法制样，要求土样6的相对密实度在45％以内。

微型孔压探头9探杆部分由空心钢轴93和内杆92构成，在锥肩位置设置孔压过滤环94，并在过滤环94与圆锥头95之间加设O型防尘圈91，防止土体颗粒在锥尖和孔压过滤环之间形成阻塞。

土样6装罐完成后，用硅油5充填满罐体。

微型孔压静力触探探头的基本结构：锥底直径为6mm，探头锥角为60°，探头有效面积比为0.75(等面积比为不受孔隙水压影响的面积和探头横截面总面积比值)。锥尖阻力(Q_c)可直接由探头内部的测压元件测得：

q_{c} = \frac{f_{I}}{A_{c}}

其中f_I＝内部测压元件读数；A_c＝探头横截面积(直径为6mm的微型探头的横截面积是28.3mm²)。

除了安置在探头内部的测压元件以外，在探头外部设置有一外部测压元件，用于测量考虑了测壁摩擦力和贯入阻力在内的总贯入力值Q_s大小，其中侧壁摩擦力包括：探头侧壁与土样的摩阻力f_s、探杆与罐顶板的摩擦力f_v1，以及探杆与上部滚筒的摩擦力f_v2。所以侧壁摩阻力值f_s经下式得到：

f_{s} = \frac{Q_{s}}{A_{s}} = \frac{f_{E} - f_{I} - (f_{v 1} + f_{v 2})}{A_{s}}

其中A_s＝探头与土样接触的外壁表面积；f_E是由外部测压元件测得的压力值。

实验发现，在贯入深度为2mm以内时，f_E-f_I的值与f_v1+f_v2几乎一致。探头的自重在实验开始前就已经通过压力计的调整归零化了。内部测压元件和外部测压元件的测量上限值分别为8896N和889.6N。

对于孔隙水压采用探头锥肩u₂位置进行测量，多孔孔压过滤环能够保持探头内部及土样的孔隙水压的一致性，探头内孔压通过空心探杆传至孔压传感器。孔压过滤环的材质为异丁烯酸甲酯(PMMA)，其上附有能够允许水通过，同时阻隔土颗粒的小孔。另外在孔压过滤环和探头锥尖之间还有一个O型密封圈，用以确保锥尖阻力能够完整有效地被内部测压元件测得，同时防止土体颗粒在锥尖和孔压过滤环之间形成阻塞，影响实验精度。

一、制备土样

CPT标定罐测试必须要保证实验土样的应力状态和密度是已知的。所以，为了对土样的密度进行精确控制，有必要保证土体击实得更为均匀。在大型的标定罐试验中，由于所需的土样量过于庞大，很难实现土样均一性的严格控制。不仅如此，大型标定罐中土样的内外应力状态都有可能随着深度的变化而发生改变。

为了尽可能的减小标定罐的体积并降低边界效应的影响，要求砂土样本的相对密实度控制在43％以内。同时，采用分层欠压法制作土样，一定程度上避免密度和孔隙比的不均一性，即先将土样自下而上分层进行击实，击实程度需要精确控制，下层土体的击实程度较低，依次往上击实程度逐级递增，逐渐逼近要求的相对密实度，且土样整体密度较为均匀。整个击实过程的关键在于严格控制土样自下而上的相对孔隙率。

所有的土样在准备前的初始含水率为5％，这个含水率提供给土体颗粒间一定的毛细水压力，使得土样在脱模时保持较为稳定的形态。这一点在制好的土体样本装样和施加10kPa围压前是十分必要的。土样制好后需要精确测量其直径和高度，保证样本的初始相对密实度处于严格控制之内。然后，将微型探头安装在外部测压元件上，并把土样按要求规整安置于标定罐罐体中。最后用硅油充满装好样的罐体中，此举是为了在防止内部测压元件发生短路的同时，确保土样会因为受到各向同性的围压而最终发生塑性破坏。

二、土样的饱和和固结

尽管很多的研究表明，干砂和饱和砂土中贯入阻力的差别小到可以忽略不计，本文为了消除潮湿砂土颗粒中的吸力对CPT测试结果的影响和精确测量固结排水对土样体积变化的影响，仍然对测试土样事先进行了预饱和处理。同样的，需要对微型探头、罐体的排水管道和孔隙水压力传感器进行预饱和以及排气处理。罐体内的液体体积在试验过程中要时刻严密监控，从而推断土样的体积变化，但是理论上这种体积的变化是可以忽略不计的。饱和处理之后，土样在各向同性的设定固结压力下进行固结，在固结过程中测量土样中孔隙体积的变化进而能够得出较为精确的固结后土样孔隙率e_c值。

三、贯入过程

标准的孔压静力触探贯入速率一般在20mm/s，然而无论是现场贯入还是室内的小规模试验，探头的贯入速率都会受到最大变形速率的限制，在本发明的标定罐系统中，承载框架所能够承受的最大变形速率为0.423mm/s，分别以0.423mm/s和0.085mm/s的两组贯入速率进行试验，由此可以判断出本发明的标定罐系统不必要考虑贯入速率的影响。孔隙水压力和罐体所承受的压力将分别受到压力传感器持续的监测和记录。土样的体积在实验过程同样的受到监测，当探头贯入至土样60mm深处并结束贯入后，考虑到探头自身的体积，土样总的孔隙率会减小约0.002。

与大型的标定罐试验相比，本发明中的标定罐试验从土样的准备到贯入结束，一个专业人员在12个小时之内可以完成，大型的标定罐试验通常需要一组人员好几天的时间协作完成。

四、试验土样的边界效应

在标定罐中进行CPT试验，得到的土样的基本性质受到标定罐边界的影响。而边界效应也就成了标定罐试验能够真实反映现场情况的一个很重要的衡量指标。但是，很多研究表明在试验土样为松散至中等密实砂土时，这种边界效应所能造成的影响微乎其微。Parkin和Lunne在1982年通过采用不同直径的探头和标定罐进行试验得到在D_r≥40％且D_c/d_c≥20的松散砂土中不需要考虑边界效应的影响，而在D_r≈90％且D_c/d_c＝25的密实砂土中则必须要减小边界效应造成的试验干扰。同样的，Jamiolkoski等认为标定罐的边界效应出现在D_r＜43％的砂土中，并随着相对密实度D_r的增加而增加，需要对满足上述条件的密实砂土进行边界效应修正。

近年来，Butlanska等利用3D离散元数值分析技术，得到在D_r＜45％的砂土中无需将边界效应的影响纳入考虑范围。基于上述研究实验，本发明中的土样以及微型探头的直径比D_c/d_c＝25，且测试土样的D_r＜43％，故可以不考虑土样大小与边界条件对贯入阻力的影响。

Claims

1.一种用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：该标定罐系统的最外围是一个轴向加载框架(11)、该框架内设有外部压力计(1)、与外部压力计(1)下方相连的外部探杆(2)和与外部探杆(2)相连的直线轴承(3)轴向加载框架(11)经外部压力计(1)、外部探杆(2)和直线轴承(3)与标定罐罐体相连；

标定罐罐体为密封式的侧向受限容器，其内包含有顶板(8)、与顶板(8)相连且设置在顶板(8)下表面的内部压力计(4)、与内部压力计(4)相连且设置在内部压力计(4)下方的微型孔压静力触探探头(9)、微型孔压静力触探探头(9)下方是土体样本(6)、和设于标定罐罐体底部的底座(7)；

该系统还设置有进排水管(10)、第一机电压力泵(a)和第二机电压力泵(b)；第一机电压力泵(a)和第二机电压力泵(b)通过进排水管(10)分别控制土体样本(6)和罐体内硅油(5)的液压；

该系统内还包含有设置在圆锥头(95)和孔压过滤环(94)之间的O型防尘圈(91)和唇口密封件(12)。

2.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：微型孔压静力触探探头(9)采用圆锥头(95)形式，锥底直径为6mm，锥底横截面积28.3mm²，探头锥角为60°，探头有效面积比为0.75。

3.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：外部压力计(1)与外部探杆(2)相连，外部探杆(2)穿过顶板(8)，并在二者上部相接处安装直线轴承(3)，在保证外部探杆(2)做精确直线运动的同时减小摩擦力；微型孔压探头(9)和外部探杆(2)之间设有内部压力计(4)，内部压力计(4)被置于一个封闭空间内，避免与罐体内硅油接触。

4.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：标定罐罐体是一个直径为300mm，高450mm的密封式圆柱型KO容器；试验要求采用直径为150mm，高195mm的柱形土体样本(6)。

5.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：轴向加载框架(11)用于提供最大10kN的推进力，框架(11)所能承受的最大变形速率为0.423mm/s，探头(9)的贯入速率低于此值。

6.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：顶板(8)孔洞内沿着外部探杆(2)环向安置有唇口密封圈(12)，避免探杆(2)与顶板(8)直接接触，维持罐内硅油(5)压力和土样(6)孔隙水压的差异性；同样的也在微型孔压探头(9)处安置相应大小的唇口密封圈。

7.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：两个容积分别为75毫升和170毫升的第一机电压力泵(a)和第二机电压力泵(b)分别用来监控土样(6)和罐体内硅油(5)的体积变化。

8.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：本标定罐系统试验对象为中低密实度的砂土，采用分层欠压法制样，要求土样(6)的相对密实度在45％以内。

9.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：微型孔压探头(9)探杆部分由空心钢轴(93)和内杆(92)构成，在锥肩位置设置孔压过滤环(94)，并在过滤环(94)与圆锥头(95)之间加设O型防尘圈(91)，防止土体颗粒在锥尖和孔压过滤环之间形成阻塞。

10.根据权利要求1所述的用于孔压静力触探测试的标定罐系统，其特征在于：土样(6)装罐完成后，用硅油(5)充填满罐体。