CN110824139A - 一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法。本发明的试验装置主要包括模型槽和模型槽内板，模型槽和模型槽内板之间具有加热制冷装置，并连接温度控制器；模型槽内板底部具有排水层可以承装测试的土样；土样顶部具有加载板和加载块，加载板上预留有排水孔，可对土体进行加载固结；模型槽顶部安装有钢架、反力架和电机，通过加载板上预留静探孔，电机驱动滑动支座可将静力触探探头贯入土体中；反力架上安装有采集竖向位移的位移传感器。本发明适用于不同温度条件下室内孔压静力触探试验研究，能对不同类型土样在不同温度条件进行室内孔压静力触探试验，得到不同温度条件下的静力触探校准参数。

Description

一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验 方法

技术领域

本发明属于与岩土工程勘察相关的，在不同温度环境下进行静力触探模型试验测定土体强度特性的室内试验领域，涉及一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法。

背景技术

随着我国经济的大力发展，基础建设工程数量及规模越来越大，岩土工程作为基础建设工程中重要的一环，常占到整个建筑工程造价20％～30％。传统岩土工程勘察中，钻孔取样扰动导致的土体参数不可靠和不明确等问题，将导致设计过于保守，并大大提高造价。

原位测试技术对土体扰动较少，高精度现场原位测试能够有效获得土体参数。孔压静力触探试验(CPTU)作为近些年传入中国的原位测试技术，在岩土工程勘察中得到了广泛应用。孔压静力触探试验是通过采用准静力以恒定贯入速率将圆锥探头压入土中，同时测量并记录贯入过程中的探头阻力、侧摩阻力和孔隙水压力来反算土体参数的一种原位测试方法。孔压静力触探试验具有测量速度快、数据连续、再现性较好、操作省时具有经济性等特点。可对土层的端阻力和侧阻力特征值进行估算，为桩基础设计提供基本参数。

温度作为影响土体性质的一个重要因素，环境温度升高后会对土体工程性质产生较大影响，常反映为土体强度随着温度升高而增大。实际勘察工程中，土体环境温度因素往往被忽略，得到的测试结果计算得到的土体参数不够精确。因此，建立考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法，能够顺利开展不同温度下不同土体的室内孔压静力触探模型试验研究，从而可以为实际工程提供更加准确的土体参数，且具有重要的工程意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对现有技术不足，旨在提供一种用于研究土体在不同温度条件下孔压静力触探试验响应的室内模型试验装置，通过不同温度下的试验结果，得到不同土体在不同温度是的孔压静力触探试验解译参数，孔压静力触探试验解译参数与温度的关系，其实用性较强，能够很好解决不同温度环境下孔压静力触探试验结果的解译修正，为实际岩土工程勘察中的原位测试提供理论依据及基础。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，包括模型槽、模型槽顶部钢板、模型槽内板、加热制冷装置、钢架、顶部加载板、静力触探探头、探杆、反力架、滑动支座、电机、数据采集器、温度控制器、排水阀等。所述长方体模型槽水平放置于试验区域内，模型槽顶部钢板焊接于模型槽上；所述加热制冷装置焊接于模型槽顶部钢板之下，比将所述模型槽内板焊接于模型槽顶部钢板，所述模型槽与模型槽顶部钢板、模型槽内板形成封闭腔室；通过所述模型槽顶部钢板上的注水孔，可往封闭腔室内灌注水；所述模型槽内板底部铺设砂砾石排水层和底层土工布，在砂砾石排水层侧面安装有排水阀，可实现底部排水功能；所述土体位于底层土工布之上，并覆有顶层土工布和加载板，所述加载板上具有可拆卸静探口和排水孔，所述顶层土工布在可拆卸静探口相应位置进行镂空，同时可拆卸静探口在试验时拆除，可为所述静力触探探头提供贯入空间，通过排水孔和顶层土工布可实现顶层排水功能；所述加载板之上有加载块，可实现加载功能；所述钢架用螺栓紧固于模型槽顶部钢板，同时所述反力架用螺栓紧固于所述钢架之上；所述电机用螺栓紧固于反力架之上，可带动传动轴承；所述位移传感器固定于反力架之上，将所述滑动支座嵌固于反力架上的滑槽内，并通过固定节点连接于所述位移传感器，滑动时可通过所述位移传感器记录位移；所述探杆穿过传动轴承和滑动支座，通过固定扣件固定于滑动支座之上；所述探杆端头具有螺纹可连接静力触探探头，同时静力触探探头中具有力传感器；所述静力触探探头端部具有孔压传感器和温度传感器；所述孔压传感器、温度传感器、力传感器和位移传感器都连接至数据采集器，可量测试验过程中土体的孔隙水压力、温度、探头的锥尖阻力和位移。

本发明在采用上述技术方案的同时，还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述顶部加载板均匀分布有排水孔，加载板底面至下具有顶层土工布，可实现顶面排水。

作为本发明的优选技术方案：所述加热制冷装置安装于所述模型槽、模型槽顶部钢板和模型槽内板三者形成的封闭腔室内，所述模型槽顶部钢板上具有注水孔，可对封闭腔室内进行注水，通过所述温度控制器可控制封闭腔室内的水温。

作为本发明的优选技术方案：所述顶部加载板在中心处预留有可拆卸静探口，可在孔压静力触探试验时拆除，在不卸除加载板和加载块的情况下能方便地进行试验。

作为本发明的优选技术方案：所述静力触探探头前端具有温度传感器，可实时测量土体的环境温度。

本发明还提供了一种用于考虑土体温度效应的室内静力触探试验方法，包括以下试验步骤：

步骤一，准备试验所需土样：

步骤101，在模型槽内板侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的泥浆倒入后，打开排水阀；

步骤102，静置一段后，铺设顶层土工布并吊装放入加载板，打开排水孔分级放置加载块，直至土体固结完毕形成试验试样。

步骤二，安装静力触探反力架：

步骤201，将钢架用螺栓紧固于模型槽顶部钢板上，同时将反力架用螺栓紧固于钢架的中部；

步骤202，将位移传感器安装于反力架顶部并调零，同时将位移传感器端部用固定节点固定于滑动支座上；

步骤203，将电机用螺栓紧固于反力架上，电机上安装有传动轴承，可驱动传动轴承；

步骤204，将探杆安装于传动轴承中，穿过滑动支座后用固定扣件将探杆与滑动支座紧固；

步骤205，将静力触探探头通过螺纹与探杆进行连接，并将探头上的孔压传感器、温度传感器和力传感器的接线与数据采集器相连。

步骤三，静力触探探头贯入：

步骤301，打开模型槽顶部钢板上的注水孔，灌满水后关闭注水孔；

步骤302，打开温度控制器，将水加热或制冷至指定温度；

步骤303，打开可拆卸静探口，启动电机转动传动轴承，将探杆和探头缓慢贯入土体中，数据采集器记录试验过程的数据；

步骤304，试验结束后，提升探头，拆卸反力架和钢架，卸除加载块和顶部加载板，移除顶部土工布，挖除土体，完成整个试验。

步骤四，重复步骤一至步骤三，在不同温度下进行多组试验，得到多组试验结果；

步骤五，分析试验结果，总结不同温度下孔压静力触探试验结果的规律，结合土体室内单位试验结果，量化土体在不同温度条件下孔压静力触探试验的解译参数。具体计算公式如下：

考虑黏土不排水抗剪强度解译公式：

黏土温度与不排水抗剪强度公式：

考虑温度效应的解译参数计算公式：

式中，s_u为黏土原位的不排水抗剪强度；q_t为静力触探探头的锥尖阻力；σ_v0为静力触探位置处的土体自重应力；N_kt为解译参数；T为静力触探测试处的土体温度；T₀为室内单元试验的温度，常取20℃；s_u0为黏土室内单元试验测得的不排水抗剪强度；θ为温度相关系数，一般可取0.15。

本发明在采用上述技术方案的同时，还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：步骤101中，模型槽内板中涂抹有硅脂，可以降低土体与模型槽内板的摩擦力，将顶部荷载传递至整个土体。

作为本发明的优选技术方案：步骤102中，加载板上具有可拆卸排水孔，在加载时可直接拆卸，并通过顶部土工布，实现土体的顶部排水。

作为本发明的优选技术方案：步骤302中，通过温度控制器可以控制整个封闭腔室水温，以达到控制模型槽温度的作用，并且可以实时显示水体温度。

作为本发明的优选技术方案：步骤303中，所述顶部加载板中具有可拆卸静探口，同时相应位置处的顶层土工布进行了镂空，可以在顶部荷载板和荷载块不卸除的情况下，直接将静力触探探头贯入；所述静力触探探头具有温度传感器，试验时可以实时测量土体温度。

本发明提供一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法，具有如下有益效果：

1、本发明通过在模型槽内部设置模型槽内板和模型槽顶部钢板，形成封闭腔室，并在模型槽顶部钢板上焊接有加热制冷装置，通过对封闭腔室进行注水，并通过温度控制器对水温进行控制，以达到对模型槽内部的土体进行温度控制，可以实现在不同温度条件下进行室内静力触探模型试验，达到了研究土体温度效应对静力触探试验影响的目的。

2、本发明通过加载板上部的可拆卸排水孔，并在土体上部设置顶层土工布，通过在加载时拆卸排水孔，可实现土体的顶面排水。模型槽底层砂砾石排水层、底层土工布和排水阀门形成了土体底面排水层，两者共同作用可对土体进行双排水，大大降低了土体的固结试验，节约整个试验时长。

3、本发明所述钢架与模型槽顶部钢板之间为螺栓连接，方便拆卸。钢架其上安装有反力架，反力架上安装有电机和传动轴承，并具有滑动槽和滑动支座；通过将探杆夹于传动轴承之间，穿过滑动支座，将滑动支座和探杆用固定扣件连接，启动电机可以对探杆进行贯入和拔出控制，将探杆连接静力触探探头即可实现静力触探探头的贯入；通过位移传感器与滑动支座上的固定节点，通过测定滑动支座的位移，以得到静力触探探头的位移；同时滑动支座与探杆的固定连接可以保证整个探杆与静力触探探头在贯入过程中的垂直度。

4、本发明所述加载板上具有可拆卸静探口，在土体固结完后，可以拆除可拆卸静探口，直接在不卸除土体压力的情况下进行静力触探试验，使得模型试验土体的应力状态与现场实际更加吻合，得到的静力触探试验结果更精确。

5、本发明所述静力触探探头端部具有温度传感器，可以在贯入的同时测量土体的温度。

6、本发明所提供的试验方法，设计合理，流程简单，便于操作，能够保证试验结果的准确性。

综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过加载板顶部可拆卸排水孔以及顶部土工布，解决了加载过程中土体顶部排水问题，可实现土体双面排水；通过在模型槽的封闭腔室内加入加热制冷装置，通过温度控制器对水的温度进行控制，实现了对整个模型槽中土体的温度控制；通过加载板顶部可拆卸静探口，可实现不卸载的情况下对土体进行静力触探试验；探杆与滑动支座通过固定扣件连接固定，可以保证整个探杆与静力触探探头在贯入过程中的垂直度；并且通过静力触探探头上的温度传感器，可实现贯入过程中对土体温度的测量。

附图说明

图1为本发明所提供的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置正视剖面图；

图2为本发明所提供的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置侧视图；

图3为本发明所提供的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置顶视图；

图4为土体试样准备阶段试验装置剖面图；

图5为室内孔压静力触探试验贯入前试验装置剖面图；

图中：1-模型槽、2-模型槽顶部钢板、3-注水孔、4-模型槽内板、5-加热制冷装置、6-钢架、7-砂砾石排水层、8-底层土工布、9-土体、10-顶层土工布、11-顶部加载板、12-可拆卸静探口、13-排水孔、14-加载块、15-静力触探探头、16-孔压传感器、17-温度传感器、18-力传感器、19-探杆、20-反力架、21-滑动支座、22-电机、23-传动轴承、24-位移传感器、25-固定节点、26-固定扣件、27-数据采集器、28-温度控制器、29-排水阀。

具体实施方式

为使本申请目的、技术方案和要点更清晰，以下结合附图，对考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置及试验方法进行进一步详细说明。

考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置通过本实施例1进行详细说明：

实施例1：

如图1至图3所示考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，包括模型槽1、模型槽顶部钢板2、注水孔3、模型槽内板4、加热制冷装置5、钢架6、砂砾石排水层7、底层土工布8、土体9、顶层土工布10、顶部加载板11、可拆卸静探口12、排水孔13、加载块14、静力触探探头15、孔压传感器16、温度传感器17、力传感器18、探杆19、反力架20、滑动支座21、电机22、传动轴承23、位移传感器24、固定节点25、固定扣件26、数据采集器27、温度控制器28、排水阀29。

模型槽1水平放置于试验区域内，模型槽1为长方体，模型槽顶部钢板2焊接于模型槽1上；模型槽内板4焊接于模型槽顶部钢板2，模型槽1与模型槽顶部钢板2、模型槽内板4形成封闭腔室；加热制冷装置5位于封闭腔室内，焊接于模型槽顶部钢板2上；模型槽顶部钢板2具有注水孔3，可往封闭腔室内灌注水；模型槽内板4底部铺设砂砾石排水层7和底层土工布8，砂砾石排水层侧面安装有排水阀29；土体9位于底层土工布8之上，并覆有顶层土工布10和加载板11；加载板11上具有可拆卸静探口12和排水孔13，通过加载块14可完成加载；钢架6用螺栓紧固于模型槽顶部钢板2，同时反力架20用螺栓紧固于钢架6之上；电机22紧固于反力架20之上，可带动传动轴承23；位移传感器24固定于反力架20之上；滑动支座21嵌固于反力架20上的滑槽内，并通过固定节点25连接于位移传感器24，滑动时可通过位移传感器24记录位移；探杆19穿过传动轴承23和滑动支座21，并通过固定扣件固定于滑动支座21之上；探杆19端头具有螺纹可连接静力触探探头15，同时静力触探探头15端部具有力传感器18；静力触探探头15端部具有孔压传感器16和温度传感器17；孔压传感器16、温度传感器17、力传感器18和位移传感器24都连接至数据采集器27，可以测量试验过程中探头的位移、锥尖阻力、土体的孔隙水压力和温度。

考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验方法通过实施例2进行详细说明：

实施例2：

如图4、图5：一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验方法，包括以下步骤：

步骤一，准备试验所需土样：

步骤101，在模型槽内板4侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的泥浆倒入，打开排水阀29；

步骤102，静置一天后，铺设顶层土工布8，并吊装放入加载板11，打开排水孔13分级放置加载块12，直至土体固结完毕形成试样。

步骤二，安装静力触探反力架：

步骤201，将钢架6用螺栓紧固于模型槽顶部钢板2上，同时将反力架用螺栓紧固于钢架6的中部；

步骤202，将位移传感器24安装于反力架顶部并调零，同时将位移传感器端部用固定节点25固定于滑动支座21上；

步骤203，将电机22紧固于反力架20上，电机22上安装有传动轴承23，可驱动传动轴承23；

步骤204，将探杆19安装于传动轴承23中，穿过滑动支座21后采用固定扣件26紧固，将滑动支座21与探杆19连为一体。

步骤205，将静力触探探头15通过螺纹与探杆19进行连接，并将静力触探探头15上的孔压传感器16、温度传感器17和力传感器18的接线与数据采集器27相连。

步骤三，静力触探探头贯入：

步骤301，打开模型槽顶部钢板2上的注水孔3，灌满水后关闭注水孔3；

步骤302，打开温度控制器28，将水加热或制冷至指定温度；

步骤303，打开可拆卸静探口12，启动电机22转动传动轴承23，将探杆19和静力触探探头15缓慢贯入土体9中，数据采集器27记录试验过程的数据；

步骤304，试验结束后，提升静力触探探头19，拆卸反力架20和钢架6，卸除加载块14和顶部加载板11，移除顶部土工布8，挖除土体9，完成整个试验。

步骤四，重复步骤一至步骤三，在不同温度下进行多组试验，得到多组试验结果；

步骤五，分析试验结果，总结不同温度下孔压静力触探试验结果的规律，结合土体室内单位试验结果，量化土体在不同温度条件下孔压静力触探试验的解译参数。具体计算公式如下：

考虑黏土不排水抗剪强度解译公式：

黏土温度与不排水抗剪强度公式：

考虑温度效应的解译参数计算公式：

式中，s_u为黏土原位的不排水抗剪强度；q_t为静力触探探头的锥尖阻力；σ_v0为静力触探位置处的土体自重应力；N_kt为解译参数；T为静力触探测试处的土体温度；T₀为室内单元试验的温度，常取20℃；s_u0为黏土室内单元试验测得的不排水抗剪强度；θ为温度相关系数，一般可取0.15。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，其特征在于：所述室内孔压静力触探试验装置包括模型槽、模型槽顶部钢板、注水孔、模型槽内板、加热制冷装置、钢架、砂砾石排水层、底层土工布、土体、顶层土工布、顶部加载板、可拆卸静探口、排水孔、加载块、静力触探探头、孔压传感器、温度传感器、力传感器、探杆、反力架、滑动支座、电机、传动轴承、位移传感器、固定节点、固定扣件、数据采集器、温度控制器、排水阀；

所述模型槽水平放置于试验区域内，模型槽为长方体，模型槽顶部钢板焊接于模型槽上；

所述模型槽内板焊接于模型槽顶部钢板，所述模型槽与模型槽顶部钢板、模型槽内板形成封闭腔室；

所述加热制冷装置位于所述封闭腔室内，焊接于模型槽顶部钢板上；

所述模型槽顶部钢板具有注水孔，可往所述封闭腔室内灌注水；

所述模型槽内板底部铺设砂砾石排水层和底层土工布，砂砾石排水层侧面安装有排水阀；

所述土体位于底层土工布之上，并覆有顶层土工布和加载板；

所述加载板上具有可拆卸静探口和排水孔，通过加载块可完成加载；

所述钢架用螺栓紧固于模型槽顶部钢板，同时所述反力架用螺栓紧固于所述钢架之上；

所述电机紧固于反力架之上，可带动传动轴承；

所述位移传感器固定于反力架之上；

所述滑动支座嵌固于反力架上的滑槽内，并通过固定节点连接于所述位移传感器，滑动时可通过所述位移传感器记录位移；

所述探杆穿过传动轴承和滑动支座，并通过固定扣件固定于滑动支座之上；

所述探杆端头具有螺纹可连接静力触探探头，同时静力触探探头顶部具有力传感器；

所述静力触探探头端部具有孔压传感器和温度传感器；

所述孔压传感器、温度传感器、力传感器和位移传感器都连接至数据采集器，可以测量试验过程中静力触探探头的位移、锥尖阻力、土体的孔隙水压力和温度。

2.按照权利要求1所述的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，其特征在于：所述顶部加载板均匀分布有可拆卸排水孔，顶部加载板底面下具有顶层土工布，加载时拆卸排水孔，可实现土体的顶面排水。

3.按照权利要求1所述的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，其特征在于：所述加热制冷装置安装于所述模型槽、模型槽顶部钢板和模型槽内板三者形成的封闭腔室内，所述模型槽顶部钢板上具有注水孔，可对封闭腔室内进行注水，通过所述温度控制器可控制封闭腔室内水的温度。

4.按照权利要求1所述的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，其特征在于：所述顶部加载板在中心处预留有可拆卸静探口，可在孔压静力触探试验时拆除，在不卸除土体上部荷载的情况下能方便地进行试验。

5.按照权利要求1所述的一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验装置，其特征在于：所述静力触探探头端部具有温度传感器。

6.一种利用如权利要求1所述的试验装置进行温控室内静力触探试验的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，准备试验所需土样：

步骤101，在模型槽内板侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的泥浆倒入，打开排水阀；

步骤102，静置一天后，铺设顶层土工布，并吊装放入加载板，打开排水孔，分级放置加载块，直至土体固结完毕形成试样；

步骤二，安装静力触探反力架：

步骤201，将钢架用螺栓紧固于模型槽顶部钢板上，同时将反力架用螺栓紧固于钢架的中部；

步骤202，将位移传感器安装于反力架顶部并调零，同时将位移传感器端部用固定节点固定于滑动支座上；

步骤203，将电机紧固于反力架上，电机上安装有传动轴承，可驱动传动轴承；

步骤204，将探杆安装于传动轴承中，穿过滑动支座后采用固定扣件紧固，将滑动支座与探杆连为一体；

步骤205，将静力触探探头通过螺纹与探杆进行连接，并将静力触探探头上的孔压传感器、温度传感器和力传感器的接线与数据采集器相连；

步骤三，静力触探探头贯入：

步骤301，打开模型槽顶部钢板上的注水孔，灌满水后关闭注水孔；

步骤302，打开温度控制器，将水加热或制冷至指定温度；

步骤303，打开可拆卸静探口，启动电机转动传动轴承，将探杆和静力触探探头缓慢贯入土体中，数据采集器记录试验过程的数据；

步骤304，试验结束后，提升静力触探探头，拆卸反力架和钢架，卸除加载块和顶部加载板，移除顶部土工布，挖除土体，完成整个试验；

步骤四，重复步骤一至步骤三，在不同温度下进行多组试验，得到多组试验结果；

步骤五，分析试验结果，总结不同温度下孔压静力触探试验结果的规律，结合土体室内单位试验结果，量化土体在不同温度条件下孔压静力触探试验的解译参数；具体计算公式如下：

考虑黏土不排水抗剪强度解译公式：

黏土温度与不排水抗剪强度公式：

考虑温度效应的解译参数计算公式：

式中，s_u为黏土原位的不排水抗剪强度；q_t为静力触探探头的锥尖阻力；σ_v0为静力触探位置处的土体自重应力；N_kt为解译参数；T为静力触探测试处的土体温度；T₀为室内单元试验的温度，常取20℃；s_u0为黏土室内单元试验测得的不排水抗剪强度；θ为温度相关系数，一般可取0.15。

7.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤101中，模型槽内板中涂抹有硅脂，可以降低土体与模型槽内板的摩擦力，将顶部荷载传递至整个土体。

8.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤102中，加载板上具有可拆卸排水孔，在加载时可直接拆卸，并通过顶层土工布，实现土体的顶部排水。

9.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤302中，通过温度控制器可以控制整个封闭腔室水温，以达到控制模型槽温度的作用，并且可以实时显示水体温度。

10.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤303中，所述顶部加载板中具有可拆卸静探口，同时相应位置处的顶层土工布进行了镂空，可以在顶部荷载板和荷载块不卸除的情况下，可直接将静力触探探头贯入；所述静力触探探头具有温度传感器，试验时可以实时测量土体温度。

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