CN109974593B - 一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法。该装置包括模型箱、门型支架、挤土装置、高速摄像机、围压装置和数据采集装置；所述模型箱为长方体结构，它的一个短边侧面采用钢化玻璃板制作，高速摄像机正对该透明玻璃面，所述门型支架立于模型箱短边方向的两侧，所述挤土装置包括辊轴组件、挂布、曲柄摇手和盖板；围压装置设置在与模型箱透明玻璃相对应的另一侧，所述围压装置包括气囊、加载板、隔板和真空泵；所述数据采集装置包括测力传感器、孔隙水压力计和土压力盒。本发明实现了对挤土效应的同步动态测试，克服了以往只能通过理论分析来研究土体柱孔扩张的不足。

Description

一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法，属于岩土工程技术领域。

背景技术

小孔扩张理论源于弹性无限体受均布压力作用的问题，主要研究圆柱形或球形孔的扩张和收缩所引起的应力、孔隙水压力和位移变化。由于小孔扩张理论提供了许多解决复杂岩土力学问题的简单、实用的方法，在岩土工程领域得到了广泛应用，诸如原位旁压试验，隧道开挖、锚杆支护、井筒沉桩和桩基承载力等问题。尽管基于各种岩土本构模型的小孔扩张理论已开展了大量的解析和数值分析，但目前试验研究水平尚不尽人意。由于岩土材料特性的不确定性和力学行为的复杂性，尤其对于复杂地层条件，有必要从试验角度对小孔扩张理论加以研究，以验证理论推导或数值模拟的正确性。

目前，有关土体柱孔扩张的研究主要借助于理论分析。中国发明专利“一种高压水平旋喷施工引起土体变形的确定方法”（CN201410228453.X）和“一种高压垂直旋喷施工引起土体变形的确定方法”（CN201410228870.4），基于半无限平面内圆孔受均布力作用的复变函数解答和全无限域的柱形及球形圆孔扩张理论，确定了高压水平和竖直旋喷桩引起的土体位移计算方法。然而，土体在扩张挤压过程中往往发生扰动、重塑，结构破坏或超孔隙水压力等现象，土体性质将发生改变，加之纯粹的理论分析难于求解复杂地层情况。因此，有必要设计一种模拟土体柱孔扩张的实验装置，能实现现场复杂地质条件，以便解释土体位移规律、孔压增长消散及破坏特性等现象。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟土体柱孔扩张的试验装置及试验方法，实现了对挤土效应的同步动态测试，克服了以往只能通过理论分析来研究土体柱孔扩张的不足。

本发明通过设置门型支架，实现土体柱形动态扩张的精确模拟；使用围压装置为模拟不同深度处土体柱形扩张提供了真实的应力环境；利用数据采集装置记录土体扩张过程中各传感器数据，并利用高速摄像机对土体内部的示踪粒子进行拍摄追踪，获取其运动轨迹，利用图像分析软件得到粒子的移动距离和速度，可对土体位移进行整体量测。

本发明提供了一种模拟土体柱孔扩张的试验装置，包括模型箱、门型支架、挤土装置、高速摄像机、围压装置和数据采集装置；

所述模型箱为长方体结构，它的一个短边侧面采用钢化玻璃板制作，高速摄像机正对该透明玻璃面，模型箱的短边长度须满足消除箱壁对土体柱孔扩张的影响；所述模型箱的箱顶短边方向设置有第一外伸板，长边方向等间距布置有两个第二外伸板；

所述门型支架立于模型箱短边方向的两侧，门型支架由横梁和两根立柱组成，立柱底部固定于地面；

所述挤土装置包括辊轴组件、挂布、曲柄摇手和盖板；其中辊轴组件由四组辊轴组成，分别为第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴、第四辊轴，第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴通过T型轴承支承于模型箱上方的门型支架横梁上，其中辊轴直径与轴承相匹配；第四辊轴沿模型箱的对称轴设置在模型箱的顶部，第四辊轴的两端通过轴承置于第一外伸板上，并在模型箱透明玻璃一侧与曲柄摇手连接；所述挂布数量为两套，缠绕并悬挂于辊轴组件上，其中一套挂布连接第二辊轴和第四辊轴，另一套连接第一辊轴和第三辊轴；预先将缠绕在第二辊轴上的橡胶模黏结在第四辊轴上，第一辊轴和第三辊轴上的橡胶模在第四辊轴下方黏结在一起，两套挂布在第四辊轴下方贴合，中间涂抹减阻剂；减阻剂可选择石墨粉、润滑油（脂）等；所述盖板位于模型箱顶部，由固定板和滑动板组成，盖板以第四辊轴为对称轴左右对称布置，在模型箱短边上设置了滑槽，滑动板沿该滑槽进行滑动，固定板和滑槽固定在第一外伸板和第二外伸板上；通过设置盖板，防止在挤土过程中土体向上隆起；

围压装置设置在与模型箱透明玻璃相对应的另一侧，所述围压装置包括气囊、加载板、隔板和真空泵；在模型箱侧面设有一个空腔，该空腔由加载板、上部隔板和模型箱的侧壁围成，气囊内置于该空腔中，并通过气囊管与外部真空泵连接；加载板位于气囊一侧，竖直立于模型箱内部，加载板高度与模型箱高度一致；加载板将模型箱与围压装置分隔开；

所述数据采集装置包括测力传感器、孔隙水压力计和土压力盒；两个测力传感器分别设置在固定第四辊轴的轴承的上方，孔隙水压力计和土压力盒均匀设置在土体内部。

进一步地，所述第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴通过T型轴承支承于模型箱上方的门型支架横梁上。

进一步地，所述挂布为橡胶膜，所述橡胶膜的端部设有挡环，橡胶模幅宽为模型箱长边的四分之三，缠绕在第四辊轴的橡胶模的一端紧贴模型箱透明箱壁，另一端在辊轴上固定挡环。在第四辊轴的辊面端部设有挡环，避免围压装置挤压挂布。

进一步地，所述加载板距离模型箱不透明一端的距离为模型箱长边的四分之一。

进一步地，滑槽和固定板通过螺栓固定在第一外伸板和第二外伸板上；所述滑动板紧贴第四辊轴位于固定板的内侧，固定板紧靠滑动板，其中，滑动板比固定板高2mm，滑动板两端与滑槽上滑轮固定，通过滑轮带动滑动板在滑槽里滚动。

进一步地，所述隔板与模型箱的顶部齐平，并在其下表面与箱壁交界的四个角点处以及箱底紧靠加载板处分别焊接一个挡块；上部四个挡块和隔板上均预留螺孔，通过螺栓使两者连接。

进一步地，测力传感器卡设于第四辊轴两端的轴承内，顶部设置一字角码；将无头螺栓穿过一字角码和第一外伸板的螺栓孔，紧固轴承和测力传感器。

进一步地，孔隙水压力计和土压力盒埋在土里，位置随实验人员需要测量的数据数量而定。

本发明试验装置的操作方法，包括如下步骤：

① 在模型箱内安装围压装置（占据模型箱的一块区域），并在箱壁预留气囊管路孔口，将气囊与真空泵连接；

② 在模型箱内分层填筑模型土，并分层夯实，同时埋设孔隙水压力计和土压力盒，且每隔相同厚度均匀铺设示踪粒子；当填土接近箱顶时，利用螺栓将第四辊轴固定于外伸板上，之后继续填土至箱顶；

③ 将第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴分别套设于模型箱上方的门式支架横梁上，并在第二辊轴和第四辊轴、第一辊轴和第三辊轴之间缠绕橡胶膜，形成“挂布”；其中，第一辊轴、第三辊轴之间的挂布与第二辊轴、第四辊轴之间的挂布在下端密贴，形成双层结构，中间涂抹减阻剂，接着安装盖板；

④ 采用真空泵对气囊充气，推动加载板挤压土体，施加侧向压力；接着转动曲柄摇手，每个辊轴外侧缠绕若干圈橡胶模，通过转动曲柄摇手，使第四辊轴转动，带动第四辊轴缠绕挂布；同时带动第二辊轴上的橡胶模使第四辊轴的橡胶膜越来越多，第四辊轴的半径会越来越大，随着缠绕半径的增加实现不同围压条件下土体圆柱形动态扩张过程；

⑤ 利用数据采集装置记录土体扩张过程中各传感器数据，并利用高速摄像机对土体内部的示踪粒子进行拍摄追踪，获取其运动轨迹，利用图像分析软件得到粒子的移动距离和速度。

本发明的有益效果：

（1）通过旋转辊轴，带动挂布缠绕半径均匀扩大，实现土体柱形动态扩张的精确模拟，试验方法巧妙，可操作性强；

（2）通过设置双层挂布并涂抹减阻剂，避免了辊轴Ⅳ在旋转过程中带动下层挂布运动，隔离土颗粒与辊轴Ⅳ橡胶膜的直接接触，提高了测试精度。

（3）通过改变气囊压力，对土体施加不同围压，为模拟不同深度处土体柱形扩张提供了真实的应力环境。

（4）引入PIV技术测定土体内示踪粒子的运动轨迹和速度，可对土体位移进行整体量测。

附图说明

图1是模拟土体柱孔扩张的试验装置的立体结构示意图；

图2是模拟土体柱孔扩张的试验装置的主视图；

图3是辊轴组件及挂布的连接关系图；

图4是围压装置的结构示意图（图2中右视）；

图5是盖板装置的放大结构图；

图6是门型支架与辊轴组件的连接关系图；

图7是第四辊轴的周边连接关系图。

图中：1、模型箱，2轴承，3、曲柄摇手，4、第四辊轴，5、挡环，6、一字角码，7、第一外伸板，8、第二外伸板，9、滑槽，10、滑动板，11、固定板，12、加载板，13、气囊，14、真空泵，15、隔板，16、挡块，17、测力传感器，18、孔隙水压力计，19、土压力盒，20、门型支架，21、T型轴承，22、第一辊轴，23、第二辊轴，24、第三辊轴，25、高速摄像机，26、挂布，27、滑轮，28、气囊管。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~7所示，本发明提供了一种模拟土体柱孔扩张的试验装置，包括模型箱1、门型支架20、挤土装置、高速摄像机25、围压装置和数据采集装置；

所述模型箱1为长方体结构，它的一个短边侧面采用钢化玻璃板制作，高速摄像机25正对该透明玻璃面，模型箱1的短边长度须满足消除箱壁对土体柱孔扩张的影响；所述模型箱1的箱顶短边方向设置有第一外伸板7，长边方向等间距布置有两个第二外伸板8；

所述门型支架20立于模型箱1短边方向的两侧，门型支架20由横梁和两根立柱组成，立柱底部固定于实验室地面；

所述挤土装置包括辊轴组件、挂布、曲柄摇手3和盖板；其中辊轴组件由四组辊轴组成，分别为第一辊轴22、第二辊轴23、第三辊轴24、第四辊轴4，第一辊轴22、第二辊轴23、第三辊轴24通过T型轴承21支承于模型箱1上方的门型支架20横梁上，其中辊轴直径与轴承相匹配；第四辊轴4沿模型箱1的对称轴设置在模型箱的顶部，第四辊轴4的两端通过轴承2置于第一外伸板7上，并在模型箱1透明玻璃一侧与曲柄摇手3连接；所述挂布数量为两套，缠绕并悬挂于辊轴组件上，其中一套挂布连接第二辊轴23和第四辊轴4，另一套连接第一辊轴22和第三辊轴24；预先将缠绕在第二辊轴上的橡胶模黏结在第四辊轴上，第一辊轴和第三辊轴上的橡胶模在第四辊轴下方黏结在一起，两套挂布在第四辊轴4下方贴合，中间涂抹减阻剂；减阻剂可选择石墨粉、润滑油（脂）等；所述盖板位于模型箱顶部，由固定板11和滑动板10组成，盖板以第四辊轴4为对称轴左右对称布置，在模型箱短边上设置了滑槽，滑动板沿该滑槽进行滑动，固定板11和滑槽9固定在第一外伸板7和第二外伸板8上；通过设置盖板，防止在挤土过程中土体向上隆起；

围压装置设置在与模型箱透明玻璃相对应的另一侧，所述围压装置包括气囊13、加载板12、隔板15和真空泵14；在模型箱侧面设有一个空腔，该空腔由加载板12、上部隔板15和模型箱1的侧壁围成，气囊13内置于该空腔中，并通过气囊管28与外部真空泵14连接；加载板12位于气囊13一侧，竖直立于模型箱1内部，加载板12高度与模型箱1高度一致；加载板12将模型箱与围压装置分隔开；

所述数据采集装置包括测力传感器17、孔隙水压力计18和土压力盒19；两个测力传感器17分别设置在固定第四辊轴的轴承的上方，孔隙水压力计18和土压力盒19均匀设置在土体内部。

进一步地，所述第一辊轴22、第二辊轴23、第三辊轴24通过T型轴承21支承于模型箱1上方的门型支架横梁上。

进一步地，所述挂布26为橡胶膜，橡胶膜的端部设有挡环，橡胶模幅宽为模型箱长边的四分之三，缠绕在第四辊轴的橡胶模的一端紧贴模型箱透明箱壁，另一端在辊轴上固定挡环。在第四辊轴的辊面端部设有挡环5，避免围压装置挤压挂布26。

进一步地，所述加载板12距离模型箱1不透明一端的距离为30~40cm。

进一步地，所述隔板15与模型箱1的顶部齐平，并在其下表面与箱壁交界的四个角点处以及箱底紧靠加载板12处分别焊接一个挡块16；上部四个挡块和隔板上均预留螺孔，通过螺栓实现两者连接。

进一步地，滑槽9和固定板11通过螺栓固定在第一外伸板7和第二外伸板8上；所述滑动板10紧贴第四辊轴4位于固定板11的内侧，固定板11紧靠滑动板10，其中，滑动板10比固定板11高2mm，在两侧滑槽9内安装滑轮27，滑动板10两端与滑槽9上滑轮固定，通过滑轮带动滑动板在滑槽里滚动。当第四辊轴缠绕半径增大时，推动滑动板10向外自由移动。

进一步地，测力传感器17卡设于第四辊轴4两端的轴承2内，顶部设置一字角码6；将无头螺栓穿过一字角码6和第一外伸板7的栓孔，紧固轴承2和测力传感器17。

进一步地，孔隙水压力计18和土压力盒19埋在土里，位置随实验人员需要测量的数据数量而定。

本发明试验装置的操作方法，包括如下步骤：

① 在模型箱内安装围压装置（占据模型箱的一块区域），并在箱壁预留气囊管路孔口，将气囊与真空泵连接；

② 在模型箱内分层填筑模型土，并分层夯实，同时埋设孔隙水压力计18和土压力盒19，且每隔相同厚度均匀铺设示踪粒子；当填土接近箱顶时，利用螺栓将第四辊轴4固定于外伸板上，之后继续填土至箱顶；

③ 将第一辊轴22、第二辊轴23、第三辊轴24分别套设于模型箱上方的门式支架横梁上，并在第二辊轴23和第四辊轴4、第一辊轴22和第三辊轴24之间缠绕橡胶膜，形成“挂布”；其中，第一辊轴22、第三辊轴24之间的挂布与第二辊轴23、第四辊轴4之间的挂布在下端密贴，形成双层结构，中间涂抹减阻剂，接着安装盖板；

④ 采用真空泵对气囊充气，推动加载板挤压土体，施加侧向压力；接着转动曲柄摇手，每个辊轴外侧缠绕若干圈橡胶模，通过转动曲柄摇手，使第四辊轴转动，带动第四辊轴缠绕挂布；同时带动第二辊轴上的橡胶模使第四辊轴的橡胶膜越来越多，第四辊轴的半径会越来越大，随着缠绕半径的增加实现不同围压条件下土体圆柱形动态扩张过程；

⑤ 利用数据采集装置记录土体扩张过程中各传感器数据，并利用高速摄像机对土体内部的示踪粒子进行拍摄追踪，获取其运动轨迹，利用图像分析软件得到粒子的移动距离和速度。

Claims (9)

1.一种模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：包括模型箱、门型支架、挤土装置、高速摄像机、围压装置和数据采集装置；

所述模型箱为长方体结构，它的一个短边侧面采用钢化玻璃板制作，高速摄像机正对该侧面，所述模型箱的箱顶短边方向设置有第一外伸板，长边方向等间距布置有两个第二外伸板；

所述门型支架立于模型箱短边方向的两侧，门型支架由横梁和两根立柱组成，立柱底部固定于地面；

所述挤土装置包括辊轴组件、橡胶膜、曲柄摇手和盖板；其中辊轴组件由四组辊轴组成，分别为第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴、第四辊轴，第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴的两端固定在门型支架横梁上，其中辊轴直径与轴承相匹配；第四辊轴沿模型箱的对称轴设置在模型箱的顶部，第四辊轴的两端通过轴承置于第一外伸板上，并在模型箱透明玻璃一侧与曲柄摇手连接；所述橡胶膜缠绕并悬挂于辊轴组件上；其中一套橡胶膜连接第二辊轴和第四辊轴，另一套连接第一辊轴和第三辊轴；预先将缠绕在第二辊轴上的橡胶膜黏结在第四辊轴上，第一辊轴和第三辊轴上的橡胶膜在第四辊轴下方黏结在一起，两套橡胶膜在第四辊轴下方贴合，中间涂抹减阻剂；所述盖板位于模型箱顶部，由固定板和滑动板组成，盖板以第四辊轴为对称轴左右对称布置，在模型箱短边上设置了滑槽，滑动板沿该滑槽进行滑动，固定板固定在第一外伸板和第二外伸板上，滑槽固定在第一外伸板上；通过设置盖板，防止在挤土过程中土体向上隆起；

围压装置设置在与模型箱透明玻璃相对应的另一侧，所述围压装置包括气囊、加载板、隔板和真空泵；在模型箱侧面设有一个空腔，该空腔由加载板、上部隔板和模型箱的侧壁围成，气囊内置于该空腔中，并通过气囊管与外部真空泵连接；加载板位于气囊一侧，竖直立于模型箱内部，加载板高度与模型箱高度一致；加载板将模型箱与围压装置分隔开；

所述数据采集装置包括测力传感器、孔隙水压力计和土压力盒；两个测力传感器分别设置在固定第四辊轴的轴承的上方，孔隙水压力计和土压力盒均匀设置在土体内部。

2.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴通过T型轴承支承于模型箱上方的门型支架横梁上。

3.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述橡胶膜的端部设有挡环，橡胶膜幅宽为模型箱长边的四分之三，缠绕在第四辊轴的橡胶膜的一端紧贴模型箱透明箱壁，另一端在辊轴上固定挡环。

4.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：减阻剂为石墨粉、润滑油或润滑脂中的一种。

5.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述加载板距离模型箱不透明一端的距离为模型箱长边的四分之一。

6.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：滑槽和固定板通过螺栓固定在第一外伸板和第二外伸板上；所述滑动板紧贴第四辊轴位于固定板的内侧，固定板紧靠滑动板，其中，滑动板比固定板高2mm，滑动板两端与滑槽上滑轮固定，通过滑轮带动滑动板在滑槽里滚动。

7.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：所述隔板与模型箱的顶部齐平，并在其下表面与箱壁交界的四个角点处以及箱底紧靠加载板处分别焊接一个挡块；上部四个挡块和隔板上均预留螺孔，通过螺栓使两者连接。

8.根据权利要求1所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于：测力传感器卡设于第四辊轴两端的轴承内，顶部设置一字角码；将无头螺栓穿过一字角码和第一外伸板的栓孔，紧固轴承和测力传感器；孔隙水压力计和土压力盒埋在土里，位置随实验人员需要测量的数据数量而定。

9.一种模拟土体柱孔扩张的试验方法，采用权利要求1~8任一项所述的模拟土体柱孔扩张的试验装置，其特征在于包括如下步骤：

① 在模型箱内安装围压装置，并在箱壁预留气囊管路孔口，将气囊与真空泵连接；

② 在模型箱内分层填筑模型土，并分层夯实，同时埋设孔隙水压力计和土压力盒，且每隔相同厚度均匀铺设示踪粒子；当填土接近箱顶时，利用螺栓将第四辊轴固定于外伸板上，之后继续填土至箱顶；

③ 将第一辊轴、第二辊轴、第三辊轴分别套设于模型箱上方的门式支架横梁上，并在第二辊轴和第四辊轴、第一辊轴和第三辊轴之间缠绕橡胶膜，形成“挂布”；其中，第一辊轴、第三辊轴之间的橡胶膜与第二辊轴、第四辊轴之间的橡胶膜在下端密贴，形成双层结构，中间涂抹减阻剂，接着安装盖板；

④ 采用真空泵对气囊充气，推动加载板挤压土体，施加侧向压力；接着转动曲柄摇手，每个辊轴外侧缠绕若干圈橡胶膜，通过转动曲柄摇手，使第四辊轴转动，带动第四辊轴缠绕橡胶膜；同时带动第二辊轴上的橡胶膜使第四辊轴的橡胶膜越来越多，第四辊轴的半径会越来越大，随着缠绕半径的增加实现不同围压条件下土体圆柱形动态扩张过程；

⑤ 利用数据采集装置记录土体扩张过程中各传感器数据，并利用高速摄像机对土体内部的示踪粒子进行拍摄追踪，获取其运动轨迹，利用图像分析软件得到粒子的移动距离和速度。

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