CN110954674B - 一种静力触探室内模拟测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静力触探室内模拟测试装置，其属于静力触探技术领域，包括外壳、柔性隔水膜、挡板、托盘和触探组件，柔性隔水膜位于外壳内，柔性隔水膜的上端与外壳固定连接，柔性隔水膜中能够盛放试样，柔性隔水膜与外壳之间形成水腔；挡板至少设置有两个，位于柔性隔水膜与外壳之间，挡板能够沿外壳的径向移动以围成圆柱腔；托盘位于外壳内，柔性隔水膜的下端与托盘固定连接，托盘能够沿竖直方向向上移动以使柔性隔水膜中的试样固结；触探组件的探头能够沿竖直方向贯入所述试样中。通过在柔性隔水膜中盛放试样，控制水腔中水的压力和托盘施加的竖向力，能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态，使得测量结果更具有一致性。

Description

一种静力触探室内模拟测试装置
技术领域
本发明涉及静力触探技术领域，尤其涉及一种静力触探室内模拟测试装置。
背景技术
静力触探技术是岩土工程较为可靠且常用的一种现场测试手段，其基本原理是通过机械压力将装有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测量土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。将静力触探所得的贯入阻力与载荷试验、土工试验中的有关指标进行回归分析，可以得到适用于一定地区或一定土性的经验公式。
静力触探技术中，试验数据需根据贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。
为了达到更好的数据分析效果，往往利用室内模拟测试装置来进行静力触探贯入试验。在试验过程中，通过控制土层参数，如不同的孔隙比、不同的固结压力，来得到不同的测量数据。但是现有的室内模拟测试装置只能模拟一种条件下的土层应力状态，使用范围受限，无法模拟各种工况下的地层下土的应力状态，使得测试结果准确性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种静力触探室内模拟测试装置，以解决现有技术中存在的无法模拟各种工况下的地层下土的应力状态的技术问题。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种静力触探室内模拟测试装置，包括：
外壳；
柔性隔水膜，位于所述外壳内，所述柔性隔水膜的上端与所述外壳固定连接，所述柔性隔水膜中能够盛放试样，所述柔性隔水膜与所述外壳之间形成水腔；
挡板，至少设置有两个，位于所述柔性隔水膜与所述外壳之间，所述挡板能够沿所述外壳的径向移动以围成圆柱腔；
托盘，位于所述外壳内，所述柔性隔水膜的下端与所述托盘固定连接，所述托盘能够沿竖直方向向上移动以使所述柔性隔水膜中的试样固结；
触探组件，设置于所述外壳的上方，所述触探组件的探头能够沿竖直方向贯入所述试样中。
其中，所述挡板设置有三个，所述挡板呈圆弧形，三个所述挡板能够沿所述外壳的径向同步移动以围成圆柱腔。
其中，还包括第一动力机构，所述第一动力机构与所述外壳固定连接，所述第一动力机构的输出端与所述挡板固定连接。
其中，还包括第二动力机构，所述第二动力机构与所述外壳固定连接，所述第二动力机构的输出端与所述托盘的底端连接以带动所述托盘沿竖直方向移动。
其中，所述外壳上开设有与所述水腔连通的进水口和出水口。
其中，所述外壳为分体结构，包括：
筒体，其两端具有开口，所述柔性隔水膜的上端与所述筒体固定连接；
上端盖，设置于所述筒体的顶端，所述上端盖上开设有用于穿设所述触探组件的贯入孔；
下端盖，设置于所述筒体的底端。
其中，所述筒体的内壁上环设有凸台，所述柔性隔水膜的上端边缘与所述凸台固定连接。
其中，所述托盘上开设有与所述柔性隔水膜的内腔连通的第一进水孔，所述下端盖上开设有第二进水孔，所述第一进水孔与所述第二进水孔之间通过管路连通。
其中，所述托盘上开设有与所述柔性隔水膜的内腔连通的第一排水孔，所述下端盖上开设有第二排水孔，所述第一排水孔与所述第二排水孔之间通过管路连通。
其中，所述上端盖上开设有与所述柔性隔水膜的内腔连通的上排水孔。
本发明的有益效果：
本发明提出的静力触探室内模拟测试装置，通过在外壳内设置柔性隔水膜，并将位于外壳与柔性隔水膜之间的挡板沿外壳的径向移动以围成圆柱腔，向柔性隔水膜中盛放试样，使得试样成型为圆柱体，柔性隔水膜与外壳之间形成水腔；操作柔性隔水膜下端的托盘竖直向上移动，以使柔性隔水膜中的试样固结；通过控制水腔中水的压力和托盘施加的竖向力，能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态，包括但不限于初始各向异性条件下土的固结特性以及等向固结条件下土的压缩特性，同时使制备的试样保持均匀性与饱和，使得测量结果更具有一致性。在不同的固结条件下开展静力贯入试验及室内常规力学试验，从而为野外试验数据的解释提供技术支持。
附图说明
图1是本发明实施例提供的静力触探室内模拟测试装置处于试样成型状态的示意图；
图2是本发明实施例提供的静力触探室内模拟测试装置处于试样固结状态的示意图。
图中：
11、筒体；111、进水口；112、出水口；12、上端盖；121、上排水孔；13、下端盖；131、第二进水孔；132、第二排水孔；
21、柔性隔水膜；22、水腔；
31、挡板；32、第一动力机构；
41、托盘；411、第一进水孔；412、第一排水孔；42、第二动力机构；
51、探头；52、探杆；53、驱动机构；54、支撑架；
6、支撑座。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1和图2，本发明实施例提供一种静力触探室内模拟测试装置，能够用于对试样成型、模拟各种工况的真实地层下土的应力状态、对试样施加固结力以及对试样进行静力触探，下面进行详细介绍。
静力触探室内模拟测试装置包括外壳、设置于外壳内的柔性隔水膜21和托盘41，柔性隔水膜21的上端与外壳固定连接，柔性隔水膜21中能够盛放试样，柔性隔水膜21与外壳之间形成水腔22，柔性隔水膜21的下端与托盘41固定连接。在本实施例中，外壳为圆柱体。由于圆柱体的试样受力较均匀，具有较小的应力，因此选用圆柱体的外壳，并成型圆柱体的试样。
外壳为分体结构，包括筒体11、上端盖12和下端盖13，筒体11的两端均具有开口，上端盖12设置于筒体11的顶端，能够封堵筒体11的上端开口，下端盖13设置于筒体11的底端，能够封堵筒体11的下端开口。上端盖12与筒体11之间以及下端盖13与筒体11之间均设置有密封圈。
柔性隔水膜21呈筒状，柔性隔水膜21的上端与筒体11固定连接。具体地，筒体11的内壁上环设有凸台，柔性隔水膜21的上端边缘与凸台固定连接。凸台上设置有第一法兰，柔性隔水膜21的上端边缘夹设于凸台与第一法兰之间，使得柔性隔水膜21的上端边缘固定。托盘41上设置有第二法兰，柔性隔水膜21的下端边缘夹设于托盘41与第二法兰之间，使得柔性隔水膜21的下端边缘固定。凸台与第一法兰以及托盘41与第二法兰之间均设置有密封圈。
柔性隔水膜21与外壳之间至少设置有两个挡板31，挡板31能够沿外壳的径向移动以围成圆柱腔。也就是说，挡板31设置在水腔22内。在使用时，同步移动所有挡板31，使得相邻挡板31的边缘接触以围成圆柱腔，此时柔性隔水膜21位于圆柱腔内，由于托盘41与挡板31的配合，使得向柔性隔水膜21中放置试样后，试样能够成型为圆柱体。
在本实施例中，挡板31设置有三个，挡板31呈圆弧形，三个挡板31能够沿外壳的径向同步移动以围成圆柱腔。相邻挡板31之间的夹角为120°，每个挡板31均呈1/3圆弧，三个挡板31构成一个完整的圆形。当然，挡板31的数量可以根据实际需要确定，可以为两个、四个或者其他数量。
静力触探室内模拟测试装置还包括第一动力机构32，第一动力机构32与外壳固定连接，第一动力机构32的输出端与挡板31固定连接。第一动力机构32可以为气缸、油缸或者电机与丝杠的配合结构，只要能够带动挡板31做直线移动即可。
在本实施例中，第一动力机构32为油缸，油缸的输出端穿过筒体11与挡板31连接，油缸的输出端与筒体11之间设置有密封圈。挡板31主要采用框架式结构，挡板31的四周均采用一定厚度的不锈钢，挡板31与油缸的活塞的连接处也采用不锈钢加强筋。
油缸与挡板31的这种组合方式所达到的目的是：实现试样制备过程中，保持试样的直径不会发生较大的改变。
在本实施例中，对应每个挡板31布置两组第一动力机构32，两组第一动力机构32沿筒体11的轴向间隔排布，以使得挡板31运行平稳，受力平衡。
所有第一动力机构32可以通过油管串联并与手动液压油源连接，以保证同步性。当液压油源加压时，所有油缸的活塞均向试样方向移动，同时推动挡板31向中心移动直到达到活塞最大行程。设置当活塞最大行程时，三个挡板31紧密结合，根据挡板31的尺寸，可形成与所需试样直径相同的一个圆筒。如此在试样制备时可限制其侧向变形。当液压油源撤消时，由于没有向内的压力，一旦内部有向外的压力，则会推动挡板31向外移动。
托盘41能够沿竖直方向向上移动以使柔性隔水膜21中的试样固结。托盘41对试样的底部起到支撑作用，同时由于托盘41的移动，使得试样受到竖直向上的压力，进而使得试样固结。在托盘41移动过程中，试样会产生一定程度的变形。
为了防止挡板31对托盘41的移动造成干涉，在托盘41移动之前，通过第一动力机构32控制挡板31沿外壳的径向远离试样，直到避开托盘41的移动空间即可。
静力触探室内模拟测试装置还包括第二动力机构42，第二动力机构42与外壳固定连接，第二动力机构42的输出端与托盘41的底端连接以带动托盘41沿竖直方向移动。第二动力机构42可以为气缸、油缸或者电机与丝杠的配合结构，只要能够带动托盘41做直线移动即可。在本实施例中，第二动力机构42为油缸，油缸的输出端穿过下端盖13与托盘41连接，油缸的输出端与下端盖13之间设置有密封圈。
由于柔性隔水膜21为柔性件，具有一定的弹性，柔性隔水膜21不对试样施加外力。当挡板31远离试样时，为了防止试样在自身重力的作用下产生变形，在挡板31远离试样之前，在水腔22中注水，并对水加压到设定值，以对试样的周围提供支撑。
当水腔22中的水作用于试样的径向力与托盘41作用于试样的轴向力相等时，试样处于各项同性的条件下。通过改变水腔22中的水的作用力或者托盘41作用力，能够使得试样处于各项异性的条件下，进而能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态。
外壳的筒体11上开设有与水腔22连通的进水口111和出水口112。通过进水口111向水腔22中注水，此时出水口112处于封闭状态。当试验完成时，打开出水口112，可以进行排水。
托盘41上开设有与柔性隔水膜21的内腔连通的第一进水孔411，下端盖13上开设有第二进水孔131，第一进水孔411与第二进水孔131之间通过管路连通。在对试样进行固结之前，需要对试样进行饱和。通过第二进水孔131注水，水通过管路、第一进水孔411进入柔性隔水膜21中的试样，使得试样中的气体溶解于水中，进而实现对试样的饱和。
托盘41上开设有与柔性隔水膜21的内腔连通的第一排水孔412，下端盖13上开设有第二排水孔132，第一排水孔412与第二排水孔132之间通过管路连通。在对试样进行固结时，由于试样受到挤压，试样中的水排出，通过第一排水孔412、管路、第二排水孔132流出。
上端盖12上开设有与柔性隔水膜21的内腔连通的上排水孔121，使得试样上端的水能够通过上端盖12上的上排水孔121流出。
为了避免试样流失，在第一进水孔411、第一排水孔412和上排水孔121处均设置于透水石。
静力触探室内模拟测试装置还包括触探组件，触探组件设置于外壳的上方，触探组件的探头51能够沿竖直方向贯入试样中。在对试样进行固结之后，通过将触探组件的探头51沿竖直方向贯入试样中，能够对静力学参数进行测量。
触探组件包括探杆52，探头51设置于探杆52的一端，探杆52的另一端设置有驱动机构53，上端盖12上设置有支撑架54，驱动机构53与支撑架54连接。驱动机构53可以为气缸、油缸或者电机与丝杠的配合结构，只要能够带动探杆52做直线移动即可。在本实施例中，驱动机构53为油缸，油缸的输出端与探杆52连接。
上端盖12上开设有用于穿设触探组件的贯入孔，探杆52穿设于贯入孔中，探杆52与上端盖12之间通过密封圈密封。
当然，为了对外壳提供支撑，静力触探室内模拟测试装置还包括支撑座6，支撑座6呈环形并与下端盖13连接，以起到均匀支撑作用。第二动力机构42位于支撑座6的中间，以充分利用空间。为了便于对测量数据进行采集，静力触探室内模拟测试装置还包括与触探组件电连接的数据采集仪，在此不再赘述，可参考现有技术。
上述静力触探室内模拟测试装置，在使用时，包括以下步骤：
S1：将柔性隔水膜21置于外壳中，柔性隔水膜21与外壳之间形成水腔22；
S1即装置的准备阶段，包括：
向下端盖13上安装第二动力机构42，将柔性隔水膜21的下端边缘与托盘41连接，将托盘41与第二动力机构42连接；
向筒体11上安装第一动力机构32和挡板31，将筒体11和下端盖13连接，使得托盘41与柔性隔水膜21位于筒体11中；
将柔性隔水膜21的上端边缘与筒体11固定连接，柔性隔水膜21与外壳之间形成水腔22。
S2：操作位于水腔22中的挡板31，使得挡板31沿外壳的径向移动以围成圆柱腔，向柔性隔水膜21中放置试样；
S2即成型试样阶段，包括：
通过第一动力机构32带动挡板31沿筒体11的径向移动，使得三个挡板31同步移动以围成圆柱腔，此时托盘41位于挡板31的底端以形成圆柱腔的底部。
向柔性隔水膜21中放置试样，试样为泥浆或松砂，由于试样的松散性及柔性隔水膜21刚度较小，如不加限制，填充的试样将会向侧向挤压与坍塌，从而影响试样制备质量，严重的话，阻碍试验进一步开展。因此挡板31能够在填充试样过程中限制试样侧向变形。
试样填充完成后，将上端盖12与筒体11连接，以对试样进行密封，此时触探组件的探头51穿过上端盖12位于柔性隔水膜21中。
S3：向柔性隔水膜21中注水，同时向水腔22中注水并加压，保持水腔22内的水压大于柔性隔水膜21中的水压设定时长；
S3即试样饱和阶段，包括：
通过第二进水孔131、第一进水孔411向柔性隔水膜21中注水，并检测柔性隔水膜21中的水压力值；
筒体11上的出水口112关闭，通过筒体11上的进水口111向水腔22中注水，并检测水腔22中的水压力值，使得水腔22内的水压稍微大于柔性隔水膜21中的水压设定时长，使得试样中的气体溶解于水中。
S4：向水腔22中继续注水并加压，将水加压到设定压力值，操作挡板31沿外壳的径向远离试样；
S4即固结试样阶段，包括：
将水腔22中的水加压到设定压力值，是利用水的各向同性特性，通过底部的托盘41施加额外的力，从而达到设定的应力状态，此时由于水的作用力，挡板31可以远离试样，而试样不会坍塌。
通过第二动力机构42带动托盘41竖直向上移动，以使柔性隔水膜21中的试样固结，试样中的水从上端盖12的上排水孔121和托盘41上的第一排水孔412流出，此时柔性隔水膜21产水一定程度的变形。
S5：操作设置于外壳上方的触探组件，使触探组件的探头51沿竖直方向贯入试样中。
S5即贯入试验阶段，此时的贯入速度可按设定值实施，在此不再赘述。
试验完毕后，操作柔性隔水膜21下端的托盘41竖直向下移动，同时排出水腔22中的水，并操作触探组件的探头51沿竖直方向向上移动。
通过在外壳内设置柔性隔水膜21，并将位于外壳与柔性隔水膜21之间的挡板31沿外壳的径向移动以围成圆柱腔，向柔性隔水膜21中盛放试样，使得试样成型为圆柱体，柔性隔水膜21与外壳之间形成水腔22；操作柔性隔水膜21下端的托盘41竖直向上移动，以使柔性隔水膜21中的试样固结；通过控制水腔22中水的压力和托盘41施加的竖向力，能够模拟各种工况的真实地层下土的应力状态，包括但不限于初始各向异性条件下土的固结特性以及等向固结条件下土的压缩特性，同时使制备的试样保持均匀性与饱和，使得测量结果更具有一致性，与真实数据更接近。在不同的固结条件下开展静力贯入试验及室内常规力学试验，从而为野外试验数据的解释提供技术支持。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，包括：
外壳；
柔性隔水膜(21)，位于所述外壳内，所述柔性隔水膜(21)的上端与所述外壳固定连接，所述柔性隔水膜(21)中能够盛放试样，所述柔性隔水膜(21)与所述外壳之间形成水腔(22)；
挡板(31)，至少设置有两个，位于所述柔性隔水膜(21)与所述外壳之间，所述挡板(31)能够沿所述外壳的径向移动以围成圆柱腔；
托盘(41)，位于所述外壳内，所述柔性隔水膜(21)的下端与所述托盘(41)固定连接，所述托盘(41)能够沿竖直方向向上移动以使所述柔性隔水膜(21)中的试样固结；
触探组件，设置于所述外壳的上方，所述触探组件的探头(51)能够沿竖直方向贯入所述试样中；
所述挡板(31)设置有三个，所述挡板(31)呈圆弧形，三个所述挡板(31)能够沿所述外壳的径向同步移动使得相邻所述挡板(31)的边缘接触以围成圆柱腔；
所述外壳上开设有与所述水腔(22)连通的进水口(111)和出水口(112)；
在所述挡板(31)围成圆柱腔之后，向所述柔性隔水膜(21)中放置试样；在试样饱和阶段，通过向所述柔性隔水膜(21)中注水，同时向所述水腔(22)中注水并加压，保持所述水腔(22)内的水压大于所述柔性隔水膜(21)中的水压设定时长；在试样固结阶段，向所述水腔(22)中继续注水并加压，将水加压到设定压力值，操作所述挡板(31)沿外壳的径向远离试样。
2.根据权利要求1所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，还包括第一动力机构(32)，所述第一动力机构(32)与所述外壳固定连接，所述第一动力机构(32)的输出端与所述挡板(31)固定连接。
3.根据权利要求1所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，还包括第二动力机构(42)，所述第二动力机构(42)与所述外壳固定连接，所述第二动力机构(42)的输出端与所述托盘(41)的底端连接以带动所述托盘(41)沿竖直方向移动。
4.根据权利要求1-3任一项所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，所述外壳为分体结构，包括：
筒体(11)，其两端具有开口，所述柔性隔水膜(21)的上端与所述筒体(11)固定连接；
上端盖(12)，设置于所述筒体(11)的顶端，所述上端盖(12)上开设有用于穿设所述触探组件的贯入孔；
下端盖(13)，设置于所述筒体(11)的底端。
5.根据权利要求4所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，所述筒体(11)的内壁上环设有凸台，所述柔性隔水膜(21)的上端边缘与所述凸台固定连接。
6.根据权利要求4所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，所述托盘(41)上开设有与所述柔性隔水膜(21)的内腔连通的第一进水孔(411)，所述下端盖(13)上开设有第二进水孔(131)，所述第一进水孔(411)与所述第二进水孔(131)之间通过管路连通。
7.根据权利要求4所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，所述托盘(41)上开设有与所述柔性隔水膜(21)的内腔连通的第一排水孔(412)，所述下端盖(13)上开设有第二排水孔(132)，所述第一排水孔(412)与所述第二排水孔(132)之间通过管路连通。
8.根据权利要求4所述的静力触探室内模拟测试装置，其特征在于，所述上端盖(12)上开设有与所述柔性隔水膜(21)的内腔连通的上排水孔(121)。
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