CN109030182B - 一种基于全流触探的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于全流触探的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置，属于岩土、地质和环境研究技术领域。该装置主要包括上覆压力加载系统与全流触探系统两部分。本发明主要针对饱和黏土应用全流触探仪对土体强度及应变软化参数测量中存在的土体不完全回流问题，应用传统固结仪工作原理，通过对土样竖向加压保证土体的回流，提高了全流触探仪在土体强度及应变软化参数测量方面的适用性，对实验研究及海洋工程设计具有重要的实用价值。应用该设备可对实验室土样以及海洋勘查中的原状土样进行测量，获得样本土样的不排水抗剪强度、充分扰动之后的土体强度以及土体的软化参数。最终为海底管线、海洋基础等设施的设计和稳定性评价提供可靠的土体材料参数。
Description
技术领域
本发明属于岩土、地质和环境研究技术领域，涉及一种基于全流触探的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置。
背景技术
海床土体强度参数的测量是一切海洋岩土工程设计和分析的基础。随着深海油气开发和海洋工程的日益增多，为油气钻进平台、海底管线、海底电缆等工程设施的合理设计及稳定性评价，原位试验、实验室测量以及二者的相互配合和验证是实际工程中土体参数的主要确定方法。其中，现场取样作为海洋地质调查的一部分，是获取海底土体原状样的重要手段之一，如何针对现场取样样本对海洋土体强度参数进行快速、连续、准确、全面的测量是对实验方法和设备的重要考验。
目前实验室中常采用全流贯入仪测试土样的强度。全流贯入仪(T-bar、ball-bar等)循环贯入和拔出实验过程中，测量实验过程中贯入阻力的变化，继而通过贯入阻力与土体的不排水抗剪强度之间的近似线性关系，最终确定土体的不排水抗剪强度指标、应变软化参数以及达到完全重塑时的参与抗剪强度指标。全流贯入仪相比于十字板具有测量速度快、设备简单、能连续测量土体强度、能测量土体应变软化参数等优点，近年来在海洋软土强度测量方面得到了广泛应用，其测量结果也经过了三轴压缩实验、直接剪切实验、环剪实验、原位十字板实验等试验方法的验证。海底现场取样样本以管状样为主，样品长度由几米到几十米不等，样品直径有7.5cm、10cm、12.5cm等不同的尺寸。对长度几米的管状现场取样土进行单次连续触探实验以获得土体强度随深度连续变化是不现实的，实验室中常常将取得的管状样进行分段截取然后分别测量。但是，对于具有一定强度的土体，分段截取后土体上覆土压力被人为消除了，这样触探过程中探头后土体形成空洞，土体难以发生完全回流，这种条件下触探仪无法测量土体的参数。因此，如能在传统触探仪测试过程中给土样施加一定上覆压力，保证探头周围土体发生完全回流，则能实现采用循环触探的方式测试现场取样土的强度及其应变软化参数。
传统固结仪采用杠杆原理，通过对土样一端加载实现上覆压力的加载，具有设备简单、操作方便等优点，在室内试验中得到了广泛的应用。因此，结合全流触探仪的测量原理，采用类似传统固结仪的杠杆加载方式施加上覆压力，就能使得全流触探仪在高强度饱和土体中也能适用，对饱和土体强度测量方面的实验技术具有重要的应用价值。研究本试验的装置的目的就在于提高全流触探仪的土体强度的适用范围，对室内超固结高强度土样以及海洋土体现场取样样本进行测量，连续获得土样峰值强度、应变软化参数以及充分扰动之后的残余强度。
发明内容
本发明针对采用全流触探仪测试分段截取的土样时难以发生完全回流的问题，利用类似传统固结仪的方式施加可控的上覆压力，实现对土样峰值强度、应变软化参数以及充分扰动之后的残余强度的快速测量，为海底管线、海洋基础等设施的设计和稳定性评价提供可靠的强度指标。
本发明的技术方案：
一种基于全流触探的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置，主要由上覆压力加载系统I和全流触探系统II两部分组成；
上覆压力加载系统I包括实验工作台1、杠杆压力转化装置2、加载砝码3、环形加压架4、传力杆5、环形钢圈6、全流贯入仪7、圆柱刚性盒8、刚性盒底座9、刚性盒侧壁10、刚性盒连接法兰11、刚性盒可活动顶盖12、顶盖定位杆13、可密封孔14、固定螺丝15、排水阀门16、土工布19、滤纸20和透水石21；
所述的实验工作台1放置于平整地面，通过调整杠杆前端对加载砝码3及尾部配重进行调平；所述的杠杆压力转化装置2安装在实验工作台1的台面上，杠杆压力转化装置2上连接有加载砝码3；
所述的圆柱刚性盒8置于杠杆压力转化装置2的顶面，柱状土样置于圆柱刚性盒8内部；所述的圆柱刚性盒8底部与刚性盒底座9间通过刚性盒连接法兰11相连，刚性盒连接法兰11通过其上的固定螺丝15固定在刚性盒底座9上，刚性盒底座9与排水通道连通，并通过排水阀门16控制，排水阀门16用于控制加压过程中的土体排水条件；所述的圆柱刚性盒8顶部设有刚性盒可活动顶盖12，刚性盒可活动顶盖12上设有用于通过全流贯入仪7的可密封孔14和顶盖定位杆13，定位杆13用于固定环形钢圈6以及刚性盒可活动盖板12的安装和拆卸，可密封孔14用于阻止全流贯入仪7贯入和拔出过程中土体的挤出；所述的环形钢圈6固定于刚性盒可活动顶盖12上，环形加压架4与环形钢圈6采用四根钢杆进行连接；所述的杠杆压力转化装置2通过传力杆5与环形加压架4相连；所述的环形加压架4两端设有用于传力杆5穿过的通孔，中间设有与全流贯入仪7的可密封孔14和顶盖定位杆13相对应的通孔；柱状土样自上向下分别铺设滤纸20、土工布19、透水石21、滤纸20、土工布19和刚性盒可活动顶盖12；将全流贯入仪7与圆柱刚性盒8组装好，调节加载砝码3配重，通过环形加压架4对刚性盒内土样进行施加压力；
全流触探系统II包括全流贯入仪7、加载及数据采集系统17和全流触贯入支架18；所述的全流触贯入支架18放置于实验工作台1顶面；所述的全流贯入仪7的贯入测杆与全流触贯入支架18上的加载电机相连，探头顶端装有压力传感器，用于测量循环贯入和拔出过程中探头贯入阻力的大小；所述的全流贯入仪7是针对小型土样设计的微型全流贯入仪，设备的探头、测杆以及配套压力传感器都是具有测量精度高，对土样尺寸要求低的特点，对土体现场取样样本进行试验测量具有很好的适用性。所述的加载及数据采集系统17包括加载电机、压力传感器、供配电稳压电源和数据采集所需的计算机等，利用电机控制测杆7的贯入和拔出速度，降低贯入速率对土体强度测量的影响，实验过程中采集压力传感器信号，通过测量压力信号与强度之间的关系最终计算贯入过程中土体强度的变化。
本发明的有益效果：本发明的装置适用于现场取样黏土以及实验室固结的高强黏土的土体强度及软化参数的测量，解释黏土体强度的变化特征及软化特征，最终对工程设施的设计和安全性评价提供可靠的强度指标。在全流触探仪贯入过程中利用杠杆加载装置对试样土体施加上覆压力，解决了全流贯入仪在高强度土体中循环贯入过程中土体不完全回流的问题。本发明实验装置将传统触探仪进行改进，利用杠杆加载装置对土样施加上覆压力，保证全流触探仪贯入和拔出过程中土体的回流，扩大了全流触探仪的土体强度测量适用范围。
附图说明
图1(a)是本发明的上覆压力加载系统布局图。
图1(b)是本发明的全流触探系统模布局图。
图2是本发明圆柱刚性盒的布局图。
图3(a)是本发明圆柱刚性盒的剖面图。
图3(b)是本发明全流贯入仪测杆构造图。
图3(c)是本发明柱状刚性盒俯视图。
图4是本发刚性盒顶盖与环形加压钢圈接触细部图。
图5是本发明环形加压架俯视图。
图中：1实验工作台；2杠杆压力转化装置；3加载砝码；4环形加压架；5传力杆；6环形钢圈；7全流贯入仪；8圆柱刚性盒；9刚性盒底座；10刚性盒侧壁；11刚性盒连接法兰；12刚性盒可活动顶盖；13顶盖定位杆；14可密封孔；15固定螺丝；16排水阀门；17加载及数据采集系统；18全流触贯入支架；19土工布；20滤纸；21透水石。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
首先，组装实验装置。工作台1放置于平整地面，对覆压力加载系统进行调平；按照透水石、土工布、滤纸首先铺设于刚性盒底部，并向里面加入适量蒸馏水，使水面超过滤纸一定高度，打开排水阀门16，带有水流出时使其关闭，排净水面以下气体；将待测柱状土样按刚性盒尺寸进行切削并安置于刚性盒8内，后自下而上分别放置带有型探头大小孔洞的饱和滤纸、土工布；将全流贯入仪7测杆穿过顶盖可密封孔14，静置于土体表面；将环形加压架4与环形钢圈6采用钢质杆件进行连接，调至刚性盒可活动顶盖12顶面2cm处静置，准备循环贯入和拔出实验。
然后，对土样进行施加竖向压力。在设备组装完毕之后，在未加载竖向压力条件下，通过控制加载及数据采集系统17，使全流贯入仪贯入土样表面2倍探头直径的距离后停止贯入，在贯入过程中进行贯入阻力的数据采集，为正式循环实验提供数据初值；将圆柱刚性盒8顶盖放置于土体表面，调整环形钢圈6至刚性盒可活动顶盖12表面，保证其均匀接触；根据设计压力值，通过施加砝码重量加压至设计荷载。
最后，利用全流贯入仪正式进行循环贯入和拔出实验。待土样上覆压力达到设计要求后，采用全流贯入仪对试样土体进行循环贯入和拔出试验；贯入速度根据实验目标进行设定，在不考虑应变速率的条件下，贯入速度按0.1D/s(D为探头直径)，若考虑应变速率对土体强度的影响可针对实验要求自行设计不同的贯入速率；在初始贯入深对基础上继续贯入至距土样地面2cm停止贯入。针对海洋黏土的软化特性，在土样中部进行至少10个循环的贯入和拔出，贯入和拔出竖向范围在5cm以上；待最后一次循环结束，对土样进行卸载，拆除加压架及顶盖，准备下一组试验。待实验完成，清理台面，进行后续试验的数据处理；分析试验现象并及时完善实验中的不足，继续后续的实验工况。
Claims (1)
1.一种基于全流触探的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置，其特征在于，所述的饱和黏土试样强度及应变软化参数测量装置主要由上覆压力加载系统I和全流触探系统II两部分组成；
上覆压力加载系统I包括实验工作台(1)、杠杆压力转化装置(2)、加载砝码(3)、环形加压架(4)、传力杆(5)、环形钢圈(6)、全流贯入仪(7)、圆柱刚性盒(8)、刚性盒底座(9)、刚性盒侧壁(10)、刚性盒连接法兰(11)、刚性盒可活动顶盖(12)、顶盖定位杆(13)、可密封孔(14)、固定螺丝(15)、刚性盒侧壁(10)、土工布(19)、滤纸(20)和透水石(21)；
所述的实验工作台(1)放置于平整地面，通过调整杠杆前端对加载砝码(3)及尾部配重进行调平；所述的杠杆压力转化装置(2)安装在实验工作台(1)的台面上，杠杆压力转化装置(2)上连接有加载砝码(3)；
所述的圆柱刚性盒(8)置于杠杆压力转化装置(2)的顶面，柱状土样置于圆柱刚性盒(8)内部；所述的圆柱刚性盒(8)底部与刚性盒底座(9)间通过刚性盒连接法兰(11)相连，刚性盒连接法兰(11)通过其上的固定螺丝(15)固定在刚性盒底座(9)上，刚性盒底座(9)与排水通道连通，并通过排水阀门(16)控制，排水阀门(16)用于控制加压过程中的土体排水条件；所述的圆柱刚性盒(8)顶部设有刚性盒可活动顶盖(12)，刚性盒可活动顶盖(12)上设有用于通过全流贯入仪(7)的可密封孔(14)和顶盖定位杆(13)，顶盖定位杆(13)用于固定环形钢圈(6)以及刚性盒可活动顶盖(12)的安装和拆卸，可密封孔(14)用于阻止全流贯入仪(7)贯入和拔出过程中土体的挤出；所述的环形钢圈(6)固定于刚性盒可活动顶盖(12)上，环形加压架(4)与环形钢圈(6)采用四根钢杆进行连接；所述的杠杆压力转化装置(2)通过传力杆(5)与环形加压架(4)相连；所述的环形加压架(4)两端设有用于传力杆(5)穿过的通孔，中间设有与全流贯入仪(7)的可密封孔(14)和顶盖定位杆(13)相对应的通孔；柱状土样的顶部和底部由内至外均依次铺设滤纸(20)、土工布(19)、透水石(21)，刚性盒可活动顶盖(12)位于柱状土样顶部的透水石(21)上；将全流贯入仪(7)与圆柱刚性盒(8)组装好，调节加载砝码(3)配重，通过环形加压架(4)对刚性盒内土样进行施加压力；
全流触探系统II包括全流贯入仪(7)、加载及数据采集系统(17)和全流触贯入支架(18)；所述的全流触贯入支架(18)放置于实验工作台(1)顶面；所述的全流贯入仪(7)的贯入测杆与全流触贯入支架(18)上的加载电机相连，探头顶端装有压力传感器，用于测量循环贯入和拔出过程中探头贯入阻力的大小；所述的加载及数据采集系统(17)包括加载电机、压力传感器、供配电稳压电源和数据采集所需的计算机，利用电机控制全流贯入仪(7)的贯入和拔出速度，降低贯入速率对土体强度测量的影响，实验过程中采集压力传感器信号，通过测量压力信号与强度之间的关系最终计算贯入过程中土体强度的变化。
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