CN110208493B - 小孔扩张试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小孔扩张试验装置及其试验方法，在饱和软粘土中埋设扩张器，并在扩张器的弹性膜的横截面所在的平面径向间隔设置多个土压力盒和孔隙水压传感器，通过控制封闭空间的内压即可实现弹性膜的径向扩张，从而模拟小孔扩张的力学行为，同时，通过监测装置获取液压传感器、孔隙水压传感器和土压力盒的数据，得到弹性膜扩张前后封闭空间的内压变化和弹性膜周围的孔隙压力的变化和径向应力的变化情况，以及通过地表位移测量辅助参照的辅助测量得到弹性膜扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化情况，最终，对试验获得的孔隙压力、径向应力以及地表位移等数据进行分析并计算，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。

Description

小孔扩张试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及小孔扩张试验技术领域，特别涉及一种小孔扩张试验装置及其试验方法。
背景技术
当外界物体(如桩基、触探杆等)受到作用力被“压”入岩土介质中时，原来位置处的岩土介质会被“挤”开，并产生位移。因此，变形的岩土体对进入的物体产生压力，而物体周围的岩土体应力场、位移场会发生改变。为了探究物体周围岩土介质的应力、位移、孔隙水压等因外界物体“挤入”产生的变化，将物体端部与岩土体的相互作用问题简化为球形小孔扩张，而非端部与岩土体的相互作用简化为柱形小孔的扩张。
如图1所示，以球形小孔扩张为例，一个饱和软粘土空心圆球的内半径为r，外半径为R，内部受到的压力为p，外部受到的压力为p0(所谓外部压力即为初始地应力)，当球孔受到外力的影响发生扩张或收缩时，它的内径、外径、内部压力和外部压力均发生改变，同时引起土体的孔隙水压力、位移的变化。因此，可以根据小孔扩张的理论来研究土体的应力和位移，判断土体是否到达了临界状态，结构是否有发生破坏的风险。此外，根据小孔扩张解答和工程中的测试数据可以反向求得小孔的外部压力P0，即测试得到初始地应力的分布(水压致裂法即用此原理)；抑或通过柱孔扩张的解答和土体的强度参数得到地基的承载力(或者桩基和锚杆的端阻力和侧面阻力)。在土木工程中，如隧道开挖、锚杆钻孔、钻井等情况下，完整土体被开挖而损失，在地应力的作用下开挖产生的小孔会收缩变形，并由此产生孔壁的失稳等问题。饱和黏土中小孔扩张问题的研究则正好可以给软土地区隧道开挖变形预测以及钻孔的稳定性等提供帮助。
饱和黏土中小孔扩张问题的研究能否给软土地区隧道开挖变形预测以及钻孔的稳定性等提供帮助，主要在于能否得出准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型，而本构模型的获得重点在于能否准确地模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为，并在模拟试验得到的岩土体的应力、孔隙压力以及位移等数据的基础上，根据力学平衡方程、岩土体变形的相容方程，以及岩土体的本构模型来计算岩土体的应力、位移和孔隙水压力分布。
目前针对小孔扩展的模拟方法有：离心模型试验法，其能与孔扩张的试验相结合，但是离心机试验较为昂贵；此外，也有研究者采用其他材料如岩石、橡胶等来模拟小孔扩张的力学行为。总的来说，针对模拟饱和软粘土中柱形孔和球形孔的扩张和收缩问题的试验研究很少，尚无类似的模型试验设计。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种小孔扩张试验装置及其试验方法，旨在准确地模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。
为实现上述目的，本发明提出一种小孔扩张试验装置，包括：
模型箱，所述模型箱内盛装有饱和软粘土；
扩张器，埋设于饱和软粘土中，包括刚性支撑体以及弹性膜，所述弹性膜直接或者通过中间件与支撑体相连并将支撑体部分或全部包围形成柱状或者球状的封闭空间，支撑体或者弹性膜连接有通连封闭空间和外界的注水管和出水管，注水管与位于模型箱外的供水装置通连，出水管则直接或者通过中间连接管延伸至模型箱外，且出水管安装有出水控制阀门，封闭空间内还装有用于检测内压的液压传感器，封闭空间内压变化时，弹性膜可实现径向扩张；
多个土压力盒，埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜的横截面所在平面径向间隔分布，用于检测弹性膜扩张前后弹性膜周围径向应力的变化；
多个孔隙水压传感器，埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜的横截面所在平面上径向间隔分布，用于检测弹性膜扩张前后弹性膜周围孔隙压力的变化；
地表位移测量辅助参照，设于饱和软粘土上方对应扩张器的区域，用于辅助测量弹性膜扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化；以及
监测系统，用于采集弹性膜扩张前后液压传感器、孔隙水压传感器和土压力盒的检测到的数据。
本发明还提出一种小孔扩张试验方法，包括步骤：
S1、根据试验要求，往模型箱内分层加入饱和软粘土并压实的过程中，将扩张器、多个孔隙水压传感器和多个土压力盒放入模型箱，以使扩张器、多个孔隙水压传感器和多个土压力盒埋没于模型箱内的饱和软粘土中，其中，封闭空间充满水并保持一定的初始内压；
S2、通过监测系统获取并记录多个所述孔隙水压传感器和多个所述土压力盒以及封闭空间内的液压传感器检测的初始内压数值；
S3、在饱和软粘土的上方对应扩张器的区域设置地表位移测量辅助参照，并测量地表的初始位置；
S4、通过出水控制阀门和供水装置的配合增加或者减少封闭空间内的水量直至封闭空间的水压增大或减小至预定值，以使弹性膜径向扩张或者收缩并驱使弹性膜周围的饱和软粘土产生变形；
S5、通过监测系统获取弹性膜径向扩张或者收缩后多个孔隙水压传感器、多个土压力盒以及液压传感器检测到的新数值，同时，在地表位移测量辅助参照的辅助下测量地表的新位置以得到地表位移值。
本发明技术方案在盛装于模型箱的饱和软粘土中埋设扩张器，并在饱和软粘土位于扩张器的弹性膜的横截面所在的平面间隔设置多个土压力盒和孔隙水压传感器，其中，扩张器的弹性膜将支撑体部分或者全部包围形成圆柱状或者圆形的封闭空间并设有用于检测封闭空间水压的液压传感器，同时，扩张器设置通连封闭空间的注水管和出水管以控制封闭空间的内压，试验过程中，通过控制封闭空间的内压即可实现弹性膜的径向扩张，从而模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为，同时，通过监测装置获取的液压传感器、孔隙水压传感器和土压力盒的数据，得到弹性膜扩张前后封闭空间的内压变化和弹性膜周围的孔隙压力的变化和径向应力的变化情况，以及通过地表位移测量辅助参照的辅助测量得到弹性膜扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化情况，最终，对试验获得的孔隙压力、径向应力、内压以及地表位移等数据进行分析并计算，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。
附图说明
图1为球形小孔的扩张原理图；
图2为柱形扩张器与模型箱的配合示意图；
图3为柱形扩张试验时，土压力盒和孔隙水压传感器在模型箱内的分布图；
图4为球形扩张器与模型箱的配合示意图；
图5为球形扩张试验时，土压力盒和孔隙水压传感器在模型箱内的分布图；
图6为密封结构的示意图；
图7为柱形扩张器的示意图；
图8为球形扩张器的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种小孔扩张试验装置。
本发明实施例中，如图2至8所示，该小孔扩张试验装置，包括模型箱1，扩张器、多个土压力盒3，多个孔隙水压传感器4，地表位移测量辅助参照5和监测系统(未图示)。
其中，模型箱1内盛装有饱和软粘土(未图示)，扩张器埋设于饱和软粘土中，包括刚性支撑体以及弹性膜21-1、21-2，弹性膜21-1、21-2优选橡胶制成，弹性膜21-1、21-2直接或者通过中间件与支撑体相连并将支撑体部分或全部包围形成柱状或者球状的封闭空间20-1、20-2，支撑体或者弹性膜21-1、21-2连接有通连封闭空间20-1、20-2和外界的注水管6和出水管7，注水管6与位于模型箱1外的供水装置(未图示)通连，供水装置可根据需要为封闭空间20-1、20-2注水，出水管7则直接或者通过中间连接管延伸至模型箱1外，且出水管7安装有出水控制阀门71，封闭空间20-1、20-2内还装有用于检测内压的液压传感器8，封闭空间20-1、20-2的内压变化时，弹性膜21-1、21-2可实现径向扩张以模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为；多个土压力盒3(一般为微型土压力盒3)埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜21-1、21-2的横截面所在平面径向间隔分布，用于检测弹性膜21-1、21-2扩张前后弹性膜21-1、21-2周围径向应力的变化；多个孔隙水压传感器4(一般为微型孔隙水压传感器4)埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜21-1、21-2的横截面所在平面上径向间隔分布，用于检测弹性膜21-1、21-2扩张前后弹性膜21-1、21-2周围孔隙压力的变化；地表位移测量辅助参照5设于饱和软粘土上方对应扩张器的区域，用于辅助测量弹性膜21-1、21-2扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化(即相当于地表位移变化)；监测系统用于采集弹性膜21-1、21-2扩张前后液压传感器8、孔隙水压传感器4和土压力盒3检测到的数据，监测系统为现有技术，其可直接或者间接与液压传感器8、孔隙水压传感器4和土压力盒3连接，至于具体连接方式以及工作原理为现有技术，这里不再进行赘述。试验结束后，考虑相似比，对试验获得的孔隙压力、径向应力、内压以及地表位移等数据进行分析并计算，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。至于具体如何分析以及计算，这里不再进行赘述，如可以参考现有技术的分析和计算方法。
在本发明实施例中，模型箱1优选顶部开口并配有顶盖10的方形容器，整体尺寸可根据试验需求而定，例如可为1.5m×1.0m×1.0m规格，模型箱1左、右侧面和底面由角钢作为骨架，再于内侧焊接钢面板而成，模型箱1前、后两侧面亦由角钢作为骨架，根据试验需求，可采用前、后两侧面内部均采用钢化玻璃面板、或仅前侧面采用钢化玻璃面板而后侧面焊接钢面板、或者仅前侧面部分采用钢化玻璃面板这三种方案。
在本发明一实施例中，如图2、图7所示，所述扩张器为柱形扩张器2-1，以用于进行柱形小孔的扩张模拟试验，所述柱形扩张器2-1的支撑体包括刚性的圆管状内管22(优选钢管制成)，内管22敞开的两端分别连接有第一端盖23和第二端盖24，弹性膜21-1呈圆管状，弹性膜21-1敞开的两端分别与第一端盖23和第二端盖24连接，且连接处密封处理(例如通过设置密封圈25、26进行密封处理)，使弹性膜21-1与第一端盖23和第二端盖24之间围成一个将内管22包于其内的柱状封闭空间20-1，弹性膜21-1位于第一端盖23和第二端盖24之间的部分为可径向扩张的部分，所述液压传感器8设于内管22的外壁，液压传感器8的测压线缆81从第一端盖23向外伸出封闭空间20-1，测压线缆81与第一端盖23的配合处密封处理，第一端盖23还设有用于安装注水管6和出水管7的进水口(未图示)和出水口(未图示)。具体地，所述出水管7部分伸入内管22和弹性膜21-1的间隙之间，所述注水管6伸入内管22，并与内管22和弹性膜21-1的间隙所在的空间相通。更具体地，所述注水管6位于内管22的端部通连有中空的腔体62，所述腔体62的周壁开设有循环孔621，注水管6的水流入腔体62后，经循环孔621流充填封闭空间20-1。注水管6可以设置进水控制阀门61，往封闭空间20-1注水时，需开启进水控制阀门61，而停止向封闭空间20-1注水时，则可关闭进水控制阀门61。开启进水控制阀门61并关闭出水管7后，对封闭空间20-1进行注水，根据液压传感器8的指示，可以实现指定扩张压力的加载，从而驱使弹性膜21-1实现径向扩张以模拟饱和软粘土中的柱形小孔扩张。而打开出水控制阀门71，使水缓慢经出门管流出封闭空间20-1，并根据液压传感器8的指示，则可以实现柱形小孔收缩的减压，从而使弹性膜21-1径向收缩以模拟饱和软粘土中的柱形小孔收缩。
进一步地，模型箱1前、后两侧面的中部分别预留定位孔(未图示)，柱形扩张器2-1的两端(所述两端一般指第一端盖23和第二端盖24)架设于两定位孔中，并部分伸出模型箱1，以在模拟试验时，对柱形扩张器2-1进行定位，同时，便于连接注水管6和出水管7等。可以理解的是，柱形扩张器2-1的两端应与定位孔水密处理，例如通过密封结构9进行密封处理。
具体地，所述密封结构9包括可部分卡入定位孔并与柱形扩张器2-1的端部的周壁以及定位孔孔壁密封相抵的密封环93、以及第一夹板91和第二夹板92，第一夹板91和第二夹板92相对的位置开设有直径略小于密封环93外直径的半圆形卡孔，所述第一夹板91和第二夹板92通过半圆形卡孔卡于密封环93后通过固紧装置固连，以将密封环93位于定位孔外的部分紧压固紧于柱形扩张器2-1的端部。具体地，所述第一夹板91和第二夹板92的两侧分别成型有螺孔，固紧装置包括至少两根连接条94，每根连接条94的两端分别通过螺钉95固定于第一夹板91和第二夹板92相应的螺孔处，以使第一夹板91和第二夹板92紧压密封环93。应当说明的是，所述密封结构9也可以采用其他形式的结构，例如采用现有技术。优选地，第一夹板91和第二夹板92采用硬质橡制成，第一夹板91和第二夹板92靠近模型箱1一侧有磨砂处理以使其防滑防渗。
在本发明另一实施例中，如图4、图8所示，所述扩张器为球形扩张器2-2，用于进行球形小孔的扩张模拟试验，所述球形扩张器2-2的支撑体包括刚性的空心球体27，空心球体27优选钢制成，空心球体27的壳壁成型有多个过孔271，过孔271优选沿空心球体27均匀分布，所述弹性膜21-2呈球壳状并将空心球体27包围于其内形成所述球状封闭空间20-2，所述液压传感器8设于空心球体27的外壁，液压传感器8的测压线缆81从球壳状的弹性膜21-2向外伸出封闭空间20-2，且测压线缆81与弹性膜21-2的配合处密封处理，空心球体27开设有进水孔，所述注水管6伸入弹性膜21-2后，装于进水孔，所述弹性膜21-2与注水管6的配合处密封处理，所述弹性膜21-2还开设有所述出水孔以安装出水管7。出水管7部分伸入弹性膜21-2并与空心球体27和弹性膜21-2的间隙所在的空间相通。注水管6的水流入空心球体27后，经过孔271充填封闭空间20-2。往封闭空间20-2注水时，需开启进水控制阀门61，而停止向封闭空间20-2注水时，则可关闭进水控制阀门61。开启进水控制阀门61并关闭出水管7后，对封闭空间20-2进行注水，根据液压传感器8的指示，可以实现指定扩张压力的加载，从而驱使弹性膜21-2实现径向扩张以模拟饱和软粘土中的球形小孔扩张。而打开出水控制阀门71，使水缓慢经出门管流出封闭空间20-2，并根据液压传感器8的指示，则可以实现减压，从而使弹性膜21-2径向收缩以模拟饱和软粘土中的球形小孔收缩。应当说明的是，球形扩张器2-2和柱状扩张器2-1可共同使用一个模型箱1，使用同一个模型箱1的情况下，在进行球形小孔扩张模拟试验时，应当将定位孔密封封闭。
在本发明中，所述土压力盒3的数量可以根据具体的试验需求而设定，例如可以设置五个。针对柱形扩张模拟，如图3所示，柱形扩张器2-1水平埋设于饱和软粘土中，其横截面与竖直平面平行或者大致平行，所述土压力盒3在弹性膜21-1的横截面所在平面径向且垂向间隔分布，与弹性膜21-1的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为柱形扩张器2-1的弹性膜21-1的初始外径。而针对球形扩张器2-2，由于球形扩张器2-2的注水管6和出水管7在重力方向上，因此，球壳状弹性膜21-2的横截面选择在水平面上并穿过球心，土压力盒3在弹性膜21-2的所述横截面所在平面径向且水平分布，与弹性膜21-2的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为球形扩张器2-2的弹性膜21-2的初始外径。所述土压力盒3优选LY-350/TYJ20B型或者AD-16型微型土压力盒3，上述型号土压力盒3的直径约为28mm。
在本发明中，所述孔隙水压传感器4的数量可以根据具体的试验需求而设定，例如可以设置五个。针对柱形扩张模拟，柱形扩张器2-1水平埋设于饱和软粘土中，其横截面选择与竖直平面平行，所述孔隙水压传感器4在弹性膜21-1的横截面所在平面径向且水平间隔分布，与弹性膜21-1的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为柱形扩张器2-1的弹性膜21-2的初始外径。而针对球形扩模拟，由于球形扩张器2-2的注水管6和出水管7在重力方向上，因此，球壳状弹性膜21-2的横截面选择在水平面上并穿过球心，孔隙水压传感器4在弹性膜21-2的所述横截面所在平面径向且水平分布，并与土压力盒的分布方向垂直，与弹性膜21-2的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为球形扩张器2-2的弹性膜21-2的初始外径。所述孔隙水压传感器4优选AD-25型微型孔隙水压传感器或者HC-25型微型孔隙水压传感器，上述型号的孔隙水压传感器的直径约为5mm，量程可以涵盖-100KPa～100KPa。
在本发明实施例中，针对柱形扩张的地表位移量测，所述地表位移测量辅助参照5为设置在模型箱1顶盖10位于弹性膜21-1的所述横截面上方的水平方向的参考线51，试验过程中，通过直尺或者其他测量手段可以量测扩张前后顶部土体量测点与参考线51的距离，从而确定柱形扩张前后模型的地表位移变化以及扩张前后的地表位移分布情况。具体地，试验前，在柱形扩张的地表(即饱和软粘土顶部)设置多个测量点52，在参考线51的参照下，测量模拟试验前后多个测量点52的位移。
而对于球形扩张的地表位移量测，则可在模型箱1顶盖10设置一纵一横的两根相互垂直的水平参考线51，并在扩张的地表(即饱和软粘土顶部)设置多个测量点52，通过直尺或者其他测量手段可以量测扩张前后量测点与参考线51的距离，可以得到球形扩张前后地表位移变化，以及扩张前后地表位移在纵向和横向的分布情况。
可以理解地，圆管状弹性膜21-1和球壳状弹性膜21-2的直径可以根据试验需求而定，例如均选择10cm。在模拟试验设计时，很难满足所有条件均满足相似关系。因此，选择使影响试验测试结果的主要因素满足相似关系，而对测试结果影响不大的，在难以满足相似条件时就允许其不满足相似条件。在此次试验中，土体材料对试验的影响最大，扩张器为主动施加压力的装置，试验不需要量测扩张器的位移和变形，故而不考虑扩张器的位移和变形是否满足相似关系，只考虑土体材料(即饱和软粘土)是否满足相似关系。
根据试验条件，确定试验土体的几何比例尺为1/M，即几何相似常数C1＝M。以C加上下标来表示相关物理量的相似常数，其中，以几何相似常数C1和容重相似常数Cγ＝1为设计基础。基于现有的弹性力学方法及现有的相似第一定理、相似第二定理、相似第三定理推导，各相关物理量的设计相似常数如下所示：
表1：各种相关物理量的设计相似常数
Figure GDA0002391524690000091
对于试验土(即饱和软粘土)，其主要力学参数包括压缩模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比等，对应的理论相似常数分别为CE＝M，Cc＝M，
Figure GDA0002391524690000092
(因内摩擦角
Figure GDA0002391524690000093
通过正切值
Figure GDA0002391524690000094
影响剪切强度，原型土与试验土内摩擦角
Figure GDA0002391524690000095
保持一致即可)，Cμ＝1。黏聚力与内摩擦角主要影响土体的强度，在弹性范围内考虑试验时，黏聚力与内摩擦角可以不满足相似关系，本次实验仍需考虑粘聚力和摩擦角的影响。土体的泊松比对侧土压力系数有一定影响，当试验土采用真实土体或其他相似散粒体材料模拟时，实际土体与试验土的泊松比近似地满足相似要求。因此，需要重点考虑试验土的压缩模量。根据试验相似理论，如果使试验土的容重与实际岩体材料的容重相同，即容重比尺等于1.0时，则弹性模量比尺和应力比尺将与几何比尺相同。这将大大简化和方便模型参数与实际工程物理参数之间的换算。
过一步地，所述模型箱1的钢面板内壁可涂抹黄油，并粘贴塑料薄膜(如聚四氟乙烯塑料薄膜)以减少边界摩擦力，从而提高试验精度。土体为分层填入，每填一层土都先进行边界处理。本次试验只考虑了自重应力场。如果试验土体为单一材料土体，不考虑地层的情况时，土体材料的容重比尺定位1：1，地层范围一直模拟到地面，那么初始应力场是自动按比例形成的。
本模拟试验所采用的饱和软粘土，一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度很低的呈软塑、流塑状态的黏性土。现有技术中，饱和软粘土的制备方法有多种，例如可以重塑土或者其他物质来制备。以其他物质为例，在模拟饱和软粘土时，一般使用清洁河沙、重晶石粉、凡士林进行混合，使用单一变量法控制各材料的比例，然后通过直剪试验仪来测定参数。例如标准贯入度N≤5的软弱黏土，通过查阅《工程地质手册》等确定指标范围，在河砂和粉煤灰为主的材料中加入一定比例的重晶石粉、粗石英砂、细石英砂、凡士林、松香和机油的热融混合物，各物质的比例采用反复配比试验获得，由于该制备方法为现有技术，这里不再进行赘述。
本发明还提出一种基于上述小孔扩张试验装置的小孔扩张试验方法。
在本发明实施例中，该小孔扩张试验方法，包括步骤：
S1、根据试验要求，往模型箱1内分层加入饱和软粘土并压实的过程中，将扩张器、多个孔隙水压传感器4和多个土压力盒3放入模型箱1，以使扩张器、多个孔隙水压传感器4和多个土压力盒3埋没于模型箱1内的饱和软粘土中，其中，封闭空间20-1、20-2充满水并保持一定的初始内压；
具体地，模型箱1的饱和软粘土加入过程使用分层压实的方法，每次填筑适当的厚度，然后均匀地将土体平摊，再进行压实，压实之后将上表面进行拉毛处理，保证填筑层与层之间的紧密接触；扩张器放入后，需要先对扩张器周围进行土体的填筑，并小心压实扩张器周围土体，避免破坏扩张器2以及使扩张器的位置发生变动；孔隙水压传感器4和土压力盒3埋设后要及时的进行测试，保证传感器存活后再填筑上层的土体，并在填筑孔隙水压传感器4和土压力盒3周围及上层的土体时小心处理，避免扰动孔隙水压传感器4和土压力盒3或破坏孔隙水压传感器4和土压力盒3；土体填筑完成后亦须对孔隙水压传感器4和土压力盒3进行测试，保证所有的孔隙水压传感器4和土压力盒3均处于正常工作状态，并对传感器进行校准。
S2、通过监测系统获取并记录多个所述孔隙水压传感器4和多个所述土压力盒3以及封闭空间20-1、20-2内的液压传感器8检测的初始内压数值；
在本发明中，所述土压力盒3的数量可以根据具体的试验需求而设定，例如可以设置五个。针对柱形扩张模拟，如图3所示，柱形扩张器2-1水平埋设于饱和软粘土中，其横截面与竖直平面平行或者大致平行，所述土压力盒3在弹性膜21-1的横截面所在平面径向且垂向间隔分布，与弹性膜21-1的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为柱形扩张器2-1的弹性膜21的初始外径。而针对球形扩张器2-2，由于球形扩张器2-2的注水管6和出水管7在重力方向上，因此，球壳状弹性膜21-2的横截面选择在水平面上并穿过球心，土压力盒3在弹性膜21-2的所述横截面所在平面径向且水平分布，与弹性膜21-2的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为球形扩张器2-2的弹性膜21-2的初始外径。所述土压力盒3优选LY-350/TYJ20B型或者AD-16型微型土压力盒3，上述型号土压力盒3的直径约为28mm。
在本发明中，所述孔隙水压传感器4的数量可以根据具体的试验需求而设定，例如可以设置五个。针对柱形扩张模拟，柱形扩张器2-1水平埋设于饱和软粘土中，其横截面选择与竖直平面平行，所述孔隙水压传感器4在弹性膜21-1的横截面所在平面径向且水平间隔分布，与弹性膜21-1的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为柱形扩张器2-1的弹性膜21-1的初始外径。而针对球形扩模拟，由于球形扩张器2-2的注水管6和出水管7在重力方向上，因此，球壳状弹性膜21-2的横截面选择在水平面上并穿过球心，孔隙水压传感器4在弹性膜21-2的所述横截面所在平面径向且水平分布，与弹性膜21-2的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为球形扩张器2-2的弹性膜21-2的初始外径。所述孔隙水压传感器4优选AD-25型微型孔隙水压传感器或者HC-25型微型孔隙水压传感器，上述型号的孔隙水压传感器的直径约为5mm，量程可以涵盖-100KPa～100KPa。
S3、在饱和软粘土的上方对应扩张器的区域设置地表位移测量辅助参照5，并测量地表的初始位置。
具体地，针对柱形扩张的地表位移量测，所述地表位移测量辅助参照5为设置在模型箱1的顶盖10位于弹性膜21-2的所述横截面上方的水平方向的参考线51，试验过程中，通过直尺或者其他测量手段可以量测扩张前后顶部土体量测点与参考线51的距离，从而确定柱形扩张前后模型的地表位移变化以及扩张前后的地表位移分布情况。具体地，试验前，在柱形扩张器2-1的地表(即饱和软粘土顶部)设置多个测量点52，在参考线51的参照下，测量模拟试验前后多个测量点52的地表位移。
而对于球形扩张的地表位移量测，则可在模型箱1顶盖10设置一纵一横的两根相互垂直的水平参考线51，并在扩张的地表(即饱和软粘土顶部)设置多个测量点52，通过直尺或者其他测量手段可以量测扩张前后量测点与参考线51的距离，可以得到球形扩张前后地表位移变化，以及扩张前后地表位移在纵向和横向的分布情况。
S4、通过出水控制阀门71和供水装置的配合增加或者减少封闭空间20-1、20-2内的水量直至封闭空间20-1、20-2的内压增大或减小至预定值，以使弹性膜21-1、21-2径向扩张或者收缩并驱使弹性膜21-1、21-2周围的饱和软粘土产生变形。
S5、通过监测系统获取弹性膜21-1、21-2径向扩张或者收缩后多个孔隙水压传感器4、多个土压力盒3以及液压传感器8检测到的新数值，同时，在地表位移测量辅助参照5的辅助下测量地表的新位置以得到地表位移值。
实施例1：
本发明进行柱形小孔扩张模拟试验的过程，包括如下步骤：
1)按要求往模型箱1填实下层的土体(饱和软粘土)，并将柱形扩张器2-1的第二端盖24插入一个所述定位孔后，将第一端盖23卡入模型箱1的另一所述定位孔，以保持柱形扩张器2-1放置水平稳固并密封处理；
2)打开进水控制阀门61，同时打开出水控制阀门71，往柱形扩张器2-1的弹性膜21-1内充满水至弹性膜21-1保持表面平齐(此状态下的弹性膜21-1的外径为其上述初始外径)，并使封闭空间20-1的气体从出水管7排尽后，关闭进水控制阀门61，停止注水并检查封闭空间20-1是否漏水，如不漏水，则关闭出水控制阀门71，并打开进水控制阀门61往封闭空间20-1注水至封闭空间20-1保持一定的初始内压；
3)往柱形扩张器2-1周围土体设土压力盒3、孔隙水压传感器4，读取并记录土压力盒3、孔隙水压传感器4和液压传感器8的初始显示数值后，完成后续的土体填充，并保持封闭空间20-1内的液压传感器8测得的内压基本不变；
4)土体填充完毕后，盖上模型箱1的顶盖10，并结合参考线51量测地表的初始位置；
5)打开进水控制阀门61，通过注水增大封闭空间20-1的内压至预定值，再关闭进水控制阀门61，以使弹性膜21-1的半径增大，使其周围土体产生变形，同时，读取液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的新数值，并量测地表位移值。
实施例2：
本发明进行柱形小孔收缩模拟试验的过程，包括如下步骤：
(1)按要求往模型箱1填实下层的土体(饱和软粘土)后，将柱形扩张器2-1的第二端盖24插入一个定位孔后，将第一端盖23卡入模型箱1的另一个定位孔，以保持柱形扩张器2-1放置水平稳固并密封处理；
(2)打开进水控制阀门61，同时打开出水控制阀门71，往柱形扩张器2-1的弹性膜21-1内充满水至弹性膜21-1保持表面平齐，并使封闭空间20-1的气体从出水管7排尽后，关闭进水控制阀门61，停止注水并检查封闭空间20-1是否漏水，如不漏水，则关闭出水控制阀门71，并打开进水控制阀门61往封闭空间20-1注水至封闭空间20-1保持一定的初始内压
(3)往柱形扩张器2-1周围土体设土压力盒3、孔隙水压传感器4，读取并记录取水压传感器、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的初始显示数值后，完成后续的土体填充，并保持封闭空间20-1内的液压传感器8测得的压力基本不变；
(4)土体填充完毕后，盖上模型箱1的顶盖10，并结合参考线51量测地表的初始位置；
(5)打开出水控制阀门71，通过排水降低封闭空间20-1的内压至预定值，再关闭出水控制阀门71，以使弹性膜21-1的半径缩小，使其周围土体产生变形，同时，读取液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的新数值，并量测地表位移值。
实施例3：
本发明进行球形小孔扩张模拟试验的过程，包括如下步骤：
A、按要求往模型箱1填实下层的土体(饱和软粘土)后，为球形扩张器2-2预留一个小凹槽，将球形扩张器2-2放置在小凹槽中，保持球形扩张器2-2放置水平且注水管6朝上；
B、打开球形扩张器2-2的进水控制阀门61，同时打开出水控制阀门71，使球形扩张器2-2的橡皮膜内充满水至弹性橡胶膜保持接近正圆形，并使封闭空间20-2的气体从出水管7排尽后，关闭进水控制阀门61，并检查是否漏水，如不漏水，则在关闭出水控制阀门71后，打开进水控制阀门61并继续往封闭空间20-2注水加压至使球形扩张器2-2内部保持一定的初始内压；
C、填充并压实球形扩张器2-2周围土体，使球型扩张器2-2保持放置稳固；
D、填充球形扩张器2-2周围土体并布设土压力盒3、孔隙水压传感器4，同时读取并记录液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的初始显示数值后，完成后续的土体填充，并保持封闭空间20-2内的液压传感器8测得的内压基本不变；
E、土体填充完毕后，盖上模型箱1顶盖10并量测地表的初始位置，；
F、打开进水控制阀门61，通过注水增大封闭空间20-2内压至预定值后，关闭进水控制阀门61，使球壳状弹性膜21-2半径增大，使其周围土体产生变形，同时，读取液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的新数值，并量测地表位移值。
实施例4：
本发明进行球形小孔收缩模拟试验的过程，包括如下步骤：
a、按要求往模型箱1填实下层的土体(饱和软粘土)后，为球形扩张器2-2预留一个小凹槽，将球形扩张器2-2放置在小凹槽中，保持球形扩张器2-2放置水平且注水管6朝上；
b、打开球形扩张器2-2的进水控制阀门61，同时打开出水控制阀门71，使球形扩张器2-2的橡皮膜内充满水至弹性橡胶膜保持接近正圆形，并使封闭空间20-2的气体从出水管7排尽后，关闭进水控制阀门61，并检查是否漏水，如不漏水，则在关闭出水控制阀门71后，打开进水控制阀门61并继续往封闭空间20-2加压至使球形扩张器2-2内部保持一定的初始内压；
c、填充并压实球形扩张器2-2周围土体，使球型扩张器2-2保持放置稳固；
d、填充球形扩张器2-2周围土体并布设土压力盒3、孔隙水压传感器4，同时读取并记录液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的初始显示数值后，完成后续的土体填充，并保持封闭空间20-2内的液压传感器8测得的内压基本不变；
e、土体填充完毕后，盖上模型箱1顶盖10并量测地表的初始位置；
f、打开出水控制阀门71，通过排水降低封闭空间20-2内压至预定值后，关闭进水控制阀门61，使球壳状弹性膜21-2半径增大，使其周围土体产生变形，同时，读取液压传感器8、土压力盒3以及孔隙水压传感器4的数值，并量测地表位移值。
上述试验结束后，考虑相似比，对试验获得的孔隙压力、径向应力、内压以及地表位移等数据进行分析并计算，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。至于具体如何分析以及计算，这里不再进行赘述，如可以参考现有技术的分析和计算方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种小孔扩张试验装置，其特征在于，包括：
模型箱，所述模型箱内盛装有饱和软粘土；
扩张器，埋设于饱和软粘土中，包括刚性支撑体以及弹性膜，所述弹性膜直接或者通过中间件与支撑体相连并将支撑体部分或全部包围形成柱状或者球状的封闭空间，支撑体或者弹性膜连接有通连封闭空间和外界的注水管和出水管，注水管与位于模型箱外的供水装置通连，出水管则直接或者通过中间连接管延伸至模型箱外，且出水管安装有出水控制阀门，封闭空间内还装有用于检测内压的液压传感器，封闭空间的内压变化时，弹性膜可实现径向扩张；
多个土压力盒，埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜的横截面所在平面径向间隔分布，用于检测弹性膜扩张前后弹性膜周围径向应力的变化；
多个孔隙水压传感器，埋设于饱和软粘土中，并在弹性膜的横截面所在平面上径向间隔分布，用于检测弹性膜扩张前后弹性膜周围孔隙压力的变化；
地表位移测量辅助参照，设于饱和软粘土上方对应扩张器的区域，用于辅助测量弹性膜扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化；以及
监测系统，用于采集弹性膜扩张前后液压传感器、孔隙水压传感器和土压力盒的检测到的数据；
所述扩张器为柱形扩张器，所述柱形扩张器的支撑体包括刚性的圆管状内管，内管敞开的两端分别连接有第一端盖和第二端盖，弹性膜呈圆管状，弹性膜敞开的两端分别与第一端盖和第二端盖连接，且连接处密封处理，使弹性膜与第一端盖和第二端盖之间围成一个将内管包于其内的柱状封闭空间，弹性膜位于第一端盖和第二端盖之间的部分为可径向扩张的部分，所述液压传感器设于内管的外壁，液压传感器的测压线缆从第一端盖向外伸出封闭空间，第一端盖还设有用于安装注水管和出水管的进水口和出水口，所述出水管部分伸入内管和弹性膜的间隙之间，所述注水管伸入内管，并与内管和弹性膜的间隙所在的空间相通。
2.如权利要求1所述的小孔扩张试验装置，其特征在于：注水管位于内管的端部通连有中空的腔体，所述腔体的周壁开设有循环孔，注水管的水流入腔体后，经循环孔流充填封闭空间，注水管设置进水控制阀门。
3.如权利要求1所述的小孔扩张试验装置，其特征在于：模型箱前、后两侧面的中部分别预留定位孔，柱形扩张器的两端架设于两定位孔中，并部分伸出模型箱，柱形扩张器的两端应与定位孔之间设有密封结构，所述密封结构包括可部分卡入定位孔并与柱形扩张器的端部的周壁以及定位孔孔壁密封相抵的密封环、以及第一夹板和第二夹板，第一夹板和第二夹板相对的位置开设有直径略小于密封环外直径的半圆形卡孔，所述第一夹板和第二夹板通过半圆形卡孔卡于密封环后通过固紧装置固连，以将密封环位于定位孔外的部分紧压固紧于柱形扩张器的端部。
4.如权利要求3所述的小孔扩张试验装置，其特征在于：第一夹板和第二夹板的两侧分别成型有螺孔，固紧装置包括至少两根连接条，每根连接条的两端分别通过螺钉固定于第一夹板和第二夹板相应的螺孔处，以使第一夹板和第二夹板紧压密封环。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的小孔扩张试验装置，其特征在于：柱形扩张器水平埋设于饱和软粘土中，其横截面与竖直平面平行，所述土压力盒在弹性膜的横截面所在平面径向且垂向间隔分布，所述孔隙水压传感器在弹性膜的横截面所在平面径向且水平间隔分布，孔隙水压传感器和土压力盒的数量均为五个，且与弹性膜的距离分别为0.5R、1R、2R、3R、4R，R为柱形扩张器的弹性膜的初始外径。
6.一种如权利要求1至5中任意一项所述小孔扩张试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据试验要求，往模型箱内分层加入饱和软粘土并压实的过程中，将扩张器、多个孔隙水压传感器和多个土压力盒放入模型箱，以使扩张器、多个孔隙水压传感器和多个土压力盒埋没于模型箱内的饱和软粘土中，其中，封闭空间充满水并保持一定的初始内压；
S2、通过监测系统获取并记录多个所述孔隙水压传感器和多个所述土压力盒以及封闭空间内的液压传感器检测的初始内压数值；
S3、在饱和软粘土的上方对应扩张器的区域设置地表位移测量辅助参照，并测量地表的初始位置；
S4、通过出水控制阀门和供水装置的配合增加或者减少封闭空间内的水量直至封闭空间的内压增大或减小至预定值，以使弹性膜径向扩张或者收缩并驱使弹性膜周围的饱和软粘土产生变形；
S5、通过监测系统获取弹性膜径向扩张或者收缩后多个孔隙水压传感器、多个土压力盒以及液压传感器检测到的新数值，同时，在地表位移测量辅助参照的辅助下测量地表的新位置以得到地表位移值。
7.如权利要求6所述小孔扩张试验装置的试验方法，其特征在于：步骤S1中，在孔隙水压传感器和土压力盒埋设完成以及土体填筑完成后，还包括分别对孔隙水压传感器和土压力盒进行测试，保证传感器存活的过程。
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