CN109211676A - 测量岩土体应力饱和传递规律的装置及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，它包括测量架、检测盒、应力模块、位移模块和采集系统，通过在测量架内放置填充试样的检测盒，通过检测盒内设置应力模块和位移模块与采集系统连接，通过施压机构对传压板施加压力挤压试样，模拟岩土体应力饱和传递规律。本发明克服了原岩土体现场测量应力饱和传递规律劳动强度高，成本高，测量不准确的问题，具有结构简单，可模拟岩土体应力饱和传递规律，无需现场测量，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确的特点。
Description
技术领域
本发明属于装配式建筑技术领域，涉及一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置及模拟方法。
背景技术
岩石体由加荷到出现最终结果的过程中，应力分布、传递、集聚的过程是一个中间桥梁，且随时间推移，距离改变呈梯度变化的趋势。城市、公路、桥梁等工程建设等同于在下伏岩土体上不断施加荷载，土或岩石中应力分布和传递的规律、集聚的最大区域、应力的边界效应和地基的薄弱部位的测量在实际环境中难以完成，目前，主要采用的测量方法有岩土体的原位测试技术、现场监控、原型试验、超声波测验和工程地球物理探测，存在的问题是：
现场岩土应力传递规律测量前需要平整设备安放场地，占地面积大；
受现场环境影响，设备进场困难，操作劳动强度大；
现场测量工期长，成本高；
设备测量运行过程中，破坏了原有土体的实际力学分布结构，测量不准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，结构简单，采用在测量架内放置填充试样的检测盒，检测盒内设置应力模块和位移模块与采集系统连接，施压机构对传压板施加压力挤压试样，模拟岩土体应力饱和传递规律，无需现场测量，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，它包括测量架、检测盒、应力模块、位移模块和采集系统；施压机构位于检测盒的传压板上与测量架抵触施压，应力模块位于检测盒内，位移模块与测量架垂直连接深入检测盒内测量垂直位移，采集系统与应力模块和位移模块连接在单位时间内采集压力和位移数据。
所述测量架包括由支撑柱两端连接的底板和顶板组成的中空框架，检测盒位于底板上；所述施压机构为液压千斤顶，伸缩端与测量架的顶板抵触，座体与传压板连接。
所述检测盒为上部开口的盒体，外壁设置有定位和监测沉降量的刻度，与盒口配合有传压板。
所述检测盒透明，各面连接处及上侧的盒口包覆碳纤维布。
所述应力模块包括与杆体连接的多个薄片，薄片上连接压力传感器，压力传感器与采集系统连接。
多个所述应力模块分层布设于检测盒内。
所述检测盒内壁相邻两面沿其中一对角线分层布设多个压力传感器，检测盒底部沿对角线交叉布设多个压力传感器，各压力传感器与采集系统连接。
所述位移模块为直线位移传感器，固定端与测量架的顶板连接，伸缩端与检测盒内的传压板抵触。
所述采集系统包括与电脑连接的压力采集模块、位移采集模块和计时器，计时器与施压机构和压力采集模块连接；压力采集模块与压力传感器连接，位移采集模块与直线位移传感器连接。
如上所述的测量岩土体应力饱和传递规律的模拟方法，它包括如下步骤：
S1，填料，填充试样，压密实；
S2，施压，施加试样压力；
S3，测量，采集系统采集压力、位移数据至电脑；
S4，扫描，CT扫描施压后的试样。
一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，它包括测量架、检测盒、应力模块、位移模块和采集系统，通过在测量架内放置填充试样的检测盒，通过检测盒内设置应力模块和位移模块与采集系统连接，通过施压机构对传压板施加压力挤压试样，模拟岩土体应力饱和传递规律。本发明克服了原岩土体现场测量应力饱和传递规律劳动强度高，成本高，测量不准确的问题，具有结构简单，可模拟岩土体应力饱和传递规律，无需现场测量，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明检测盒与应力模块布设的结构示意图。
图3为本发明检测盒与应力模块布设的另一种结构示意图。
图4为本发明检测盒内填充层的结构示意图。
图5为本发明检测盒底部压力传感器分布的结构示意图。
图6为本发明检测盒侧壁压力传感器分布的结构示意图。
图中：测量架1，施压机构11，检测盒2，刻度21，传压板22，碳纤维布23，应力模块3，杆体31，薄片32，压力传感器33，位移模块4，采集系统5，计时器51。
具体实施方式
如图1~图6中，一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，它包括测量架1、检测盒2、应力模块3、位移模块4和采集系统5；施压机构11位于检测盒2的传压板22上与测量架1抵触施压，应力模块3位于检测盒2内，位移模块4与测量架1垂直连接深入检测盒2内测量垂直位移，采集系统5与应力模块3和位移模块4连接在单位时间内采集压力和位移数据。结构简单，通过在测量架1内放置填充试样的检测盒2，通过检测盒2内设置应力模块3和位移模块4与采集系统5连接，通过施压机构11对传压板22施加压力挤压试样，模拟岩土体应力饱和传递规律，无需现场测量，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确。
优选的方案中，所述测量架1包括由支撑柱两端连接的底板和顶板组成的中空框架，检测盒2位于底板上；所述施压机构11为液压千斤顶，伸缩端与测量架1的顶板抵触，座体与传压板22连接。结构简单，使用时，测量架1为中空的框架，空间大，便于操作；底板用于支撑检测盒2和承受施压过程中的压力，顶板用于承受施压过程中的反推力；为液压千斤顶的施压机构11动作稳定，伸缩端对传压板22施加推挤力，试样压缩时受力均衡，采用垂直动作推挤，推挤力大，便于调整不同的压力，有利于试样夯实趋向饱和状态；优先地，液压千斤顶的型号和行程可以根据实际需要更换调整。
优选的方案中，所述检测盒2为上部开口的盒体，外壁设置有定位和监测沉降量的刻度21，与盒口配合有传压板22。结构简单，使用过程中，位于检测盒2盒口配合的平整的传压板22用于与试样接触，刻度21用于安装应力模块3时进行定位，以及试样压实前后进行记录初始数值和结束数值，用于后续的计算；优选地，与传压板22配套有多个厚度不一的调节板，用于调节垫高施压机构11，使其伸缩端在工作前能够与测量架1接触，避免施加压力时产生一段空行程造成测量误差。
优选的方案中，所述检测盒2透明，各面连接处及上侧的盒口包覆碳纤维布23。结构简单，采用透明的检测盒2有利于直观观察施压过程中的受力变化，便于控制调整施压大小，有利于记录压缩量，提高安装应力模块3的精准度；位于检测盒2各连接处及盒口的碳纤维布23增加了整体结构强度，使检测盒2能够承受更大加压力；优选地，检测盒2的材质为亚克力板，透明性好，强度高。
优选的方案中，所述应力模块3包括与杆体31连接的多个薄片32，薄片32上连接压力传感器33，压力传感器33与采集系统5连接。结构简单，使用时，与杆体31连接的薄片32连接压力传感器33组成一体，便于安装时定位，不易错位，提高安装精确度，相应地提高了测量精度；优先地，压力传感器33通过碳纤维复合导线引出与采集系统5连接，碳纤维复合导线具有抗拉强度大，膨胀系数小，导电率高，线损耗低的特点，提高了受压状态下信号输出的稳定性；优选地，杆体31为钢丝，薄片32为刚性塑料，与杆体31粘结，薄片32和压力传感器33的数量为三个，应力模块3的数量为五个，检测盒2均为为六层，应力模块3位于下部五层布设。
优选的方案中，多个所述应力模块3分层布设于检测盒2内。结构简单，均匀布设于检测盒2内的多个应力模块3用于检测试样受压时多个受压点，有利于形成压力路径，便于测得应力饱和状态下力的传递规律，有利于模拟，提高模拟的真实性；优先地，应力模块3分层水平布设或垂直间隔布设，水平布设时，应力模块3随试样受挤压时下降，水平方向的应力测量更精确，垂直布设时，应力模块3不随试样下降，垂直方向的应力测量更精确；水平布设时，应力模块3的杆体31与检测盒2侧壁连接，水平布设时，杆体31与检测盒2底部连接。
优选的方案中，所述检测盒2内壁相邻两面沿其中一对角线分层布设多个压力传感器33，检测盒2底部沿对角线交叉布设多个压力传感器33，各压力传感器33与采集系统5连接。结构简单，在检测盒2内壁相邻的面和底部设置交叉的压力传感器33与采集系统5连接，进一步提高了应力点的测量，使模拟时的数据趋向真实。
优选的方案中，所述位移模块4为直线位移传感器，固定端与测量架1的顶板连接，伸缩端与检测盒2内的传压板22抵触。结构简单，使用时，为直线位移传感器的位移模块4一端固定在测量架1的顶板上，可伸缩的一端与检测盒2内的传压板22抵触，在施压机构11驱动传压板22挤压试样的过程中，测量试样的伸缩量，与其连接的采集系统5采集单位时间内的测量数据至电脑。
优选的方案中，所述采集系统5包括与电脑连接的压力采集模块、位移采集模块和计时器51，计时器51与施压机构11和压力采集模块连接；压力采集模块与压力传感器33连接，位移采集模块与直线位移传感器连接。结构简单，使用时，施压机构11施压前，计时器51、压力采集模块和位移采集模块均处于采集初始状态，施压时同时工作，施压过程中电脑记录单位时间内的各压力点的受压数据和试样的位移量；将电脑记录的数据导入模拟软件中即可得出试样受压过程中的受力情况，模拟岩土体应力饱和传递规律，无需野外现场测量，劳动轻度低，成本低；
优先地，采集系统为M400数据采集管理系统，可通过计算机串行口与压力采集模块、位移采集模块和计时器51连接，并能够实时显示、存储，对存储数据镜像曲线分析，模拟效果更好。
优选的方案中，如上所述的测量岩土体应力饱和传递规律的模拟方法，它包括如下步骤：
S1，填料，填充试样，压密实；
S2，施压，施加试样压力；
S3，测量，采集系统5采集压力、位移数据至电脑；
S4，扫描，CT扫描施压后的试样。
S1中，详细步骤为：
S1-1：试样选定，根据所要测量的岩土体结构参数，选定相对应的试样；试样可以为岩石砂岩、火成岩或花岗岩、碎石土、砂土或粘性土及其混合；优先地，试样制备时的粘度与实际所需模拟饱和应力岩土体的粘度一致，必要时可添加膨胀剂进行调和，使试样的粘度和所模拟岩土体粘度趋向一致；
S1-2：将制备好的试样装入检测盒2内，装入时，逐步倾倒，使应力模块3的位置不发生改变，试样覆盖应力模块3；
S1-3：抚平试样，盖上传压板22封闭检测盒2，将施压机构11放置在传压板22上，调整施压机构11使伸缩端与测量架1顶板抵触，调整时，可在施压机构11与传压板22之间增加调节板。
S2中，详细步骤为：
S2-1：开启采集系统5，压力采集模块、位移采集模块和计时器51处于工作状态，电脑采集系统M400归零后进入采集模式；
S2-2：调整施压机构11的初始压力，开启施压机构11施压，压力达到设定值时伸缩端停止挤压传压板22，试样经过初压；
S2-3：分阶段逐步增大调整施压机构11的压力值，试样经过多次受压；
S2-4：再次调整施压机构11至试样承受压力时，采集系统5M400实时显示的数据趋向稳定、波动较小后停止；
步骤S2-1至S2-4中，采用手动记录设定的压力值。
S3中，详细步骤为：
S3-1：测量归零状态时，压力采集模块、位移采集模块和计时器51的数据进入采集系统5M400后显示在电脑上，单位时间内的各压力点的压力曲线及位移曲线平稳，并储存；
S3-2：初压过程中，压力采集模块和位移采集模块的数据进入采集系统5M400后，单位时间内的各压力点的压力曲线及位移曲线开始波动，并实时显示，存储；
S3-3：增压过程中，单位时间内的各压力点的压力曲线及位移曲线进一步波动，并实时显示，存储；
S3-4：调整压力过程中，单位时间内的各压力点的压力曲线及位移曲线趋向稳定，波动较小，并实时显示，存储；
S4中，详细步骤为：
S4-1：关闭施压机构11，解除施压机构11与传压板22的抵触力；
S4-2：从检测盒2内取出施压机构11，从测量架1移出检测盒2；
S4-3：对检测盒2进行CT扫描，测定试样密实度，并测得阴影图像。
上述步骤中，即可得出检测盒2压实饱和的CT阴影图像，结合电脑存储的试样各施压阶段的曲线图，可直接观看对比岩土体受压后应力的传递规律；该方法简单，测量精准。
如上所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，安装使用时，在测量架1内放置填充试样的检测盒2，检测盒2内设置应力模块3和位移模块4与采集系统5连接，施压机构11对传压板22施加压力挤压试样，模拟岩土体应力饱和传递规律，无需现场测量，劳动强度低，成本低，测量方法简单，测量准确。
使用时，测量架1为中空的框架，空间大，便于操作；底板用于支撑检测盒2和承受施压过程中的压力，顶板用于承受施压过程中的反推力；为液压千斤顶的施压机构11动作稳定，伸缩端对传压板22施加推挤力，试样压缩时受力均衡，采用垂直动作推挤，推挤力大，便于调整不同的压力，有利于试样夯实趋向饱和状态。
使用过程中，位于检测盒2盒口配合的平整的传压板22用于与试样接触，刻度21用于安装应力模块3时进行定位，以及试样压实前后进行记录初始数值和结束数值，用于后续的计算；与传压板22配套有多个厚度不一的调节板，用于调节垫高施压机构11，使其伸缩端在工作前能够与测量架1接触，避免施加压力时产生一段空行程造成测量误差。
采用透明的检测盒2有利于直观观察施压过程中的受力变化，便于控制调整施压大小，有利于记录压缩量，提高安装应力模块3的精准度；位于检测盒2各连接处及盒口的碳纤维布23增加了整体结构强度，使检测盒2能够承受更大加压力；检测盒2的材质为亚克力板，透明性好，强度高。
使用时，与杆体31连接的薄片32连接压力传感器33组成一体，便于安装时定位，不易错位，提高安装精确度，相应地提高了测量精度；压力传感器33通过碳纤维复合导线引出与采集系统5连接，碳纤维复合导线具有抗拉强度大，膨胀系数小，导电率高，线损耗低的特点，提高了受压状态下信号输出的稳定性。
均匀布设于检测盒2内的多个应力模块3用于检测试样受压时多个受压点，有利于形成压力路径，便于测得应力饱和状态下力的传递规律，有利于模拟，提高模拟的真实性；应力模块3分层水平布设或垂直间隔布设，水平布设时，应力模块3随试样受挤压时下降，水平方向的应力测量更精确，垂直布设时，应力模块3不随试样下降，垂直方向的应力测量更精确；水平布设时，应力模块3的杆体31与检测盒2侧壁连接，水平布设时，杆体31与检测盒2底部连接。
在检测盒2内壁相邻的面和底部设置交叉的压力传感器33与采集系统5连接，进一步提高了应力点的测量，使模拟时的数据趋向真实。
使用时，为直线位移传感器的位移模块4一端固定在测量架1的顶板上，可伸缩的一端与检测盒2内的传压板22抵触，在施压机构11驱动传压板22挤压试样的过程中，测量试样的伸缩量，与其连接的采集系统5采集单位时间内的测量数据至电脑。
使用时，施压机构11施压前，计时器51、压力采集模块和位移采集模块均处于采集初始状态，施压时同时工作，施压过程中电脑记录单位时间内的各压力点的受压数据和试样的位移量；将电脑记录的数据导入模拟软件中即可得出试样受压过程中的受力情况，模拟岩土体应力饱和传递规律，无需野外现场测量，劳动轻度低，成本低；采集系统为M400数据采集管理系统，可通过计算机串行口与压力采集模块、位移采集模块和计时器51连接，并能够实时显示、存储，对存储数据镜像曲线分析，模拟效果更好。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：它包括测量架（1）、检测盒（2）、应力模块（3）、位移模块（4）和采集系统（5）；施压机构（11）位于检测盒（2）的传压板（22）上与测量架（1）抵触施压，应力模块（3）位于检测盒（2）内，位移模块（4）与测量架（1）垂直连接深入检测盒（2）内测量垂直位移，采集系统（5）与应力模块（3）和位移模块（4）连接在单位时间内采集压力和位移数据。
2.根据权利要求1所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述测量架（1）包括由支撑柱两端连接的底板和顶板组成的中空框架，检测盒（2）位于底板上；所述施压机构（11）为液压千斤顶，伸缩端与测量架（1）的顶板抵触，座体与传压板（22）连接。
3.根据权利要求1所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述检测盒（2）为上部开口的盒体，外壁设置有定位和监测沉降量的刻度（21），与盒口配合有传压板（22）。
4.根据权利要求3所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述检测盒（2）透明，各面连接处及上侧的盒口包覆碳纤维布（23）。
5.根据权利要求1所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述应力模块（3）包括与杆体（31）连接的多个薄片（32），薄片（32）上连接压力传感器（33），压力传感器（33）与采集系统（5）连接。
6.根据权利要求5所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：多个所述应力模块（3）分层布设于检测盒（2）内。
7.根据权利要求5所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述检测盒（2）内壁相邻两面沿其中一对角线分层布设多个压力传感器（33），检测盒（2）底部沿对角线交叉布设多个压力传感器（33），各压力传感器（33）与采集系统（5）连接。
8.根据权利要求1所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述位移模块（4）为直线位移传感器，固定端与测量架（1）的顶板连接，伸缩端与检测盒（2）内的传压板（22）抵触。
9.根据权利要求1所述的测量岩土体应力饱和传递规律的装置，其特征是：所述采集系统（5）包括与电脑连接的压力采集模块、位移采集模块和计时器（51），计时器（51）与施压机构（11）和压力采集模块连接；压力采集模块与压力传感器（33）连接，位移采集模块与直线位移传感器连接。
10.根据权利要求1~9任一项所述的测量岩土体应力饱和传递规律的模拟方法，其特征在于，它包括如下步骤：
S1，填料，填充试样，压密实；
S2，施压，施加试样压力；
S3，测量，采集系统（5）采集压力、位移数据至电脑；
S4，扫描，CT扫描施压后的试样。
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