CN111158064B - 一种可模拟真实土体等刚度边界条件的cpt试验装置及测试方法 - Google Patents

一种可模拟真实土体等刚度边界条件的cpt试验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置及测试方法，本发明的试验装置主要包括：外箱、土样盒、加压盖板等。其中内箱由多个等刚度侧壁单元组成；本发明通过弹簧模拟远场等刚度土体，解决了室内试验中无法精确模拟土体边界条件的问题，操作简单，试验结果准确，优势突出。通过本发明的实验装置可在室内开展复杂土体的CPT静力触探研究，为真实情况下复杂地层的解译提供研究基础。

Description

一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置及测试 方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT(cone penetration test)试验装置及测试方法。
背景技术
在岩土工程勘察中，CPT静力触探是获取地层参数的重要测试方法。近年来，随着土木工程建设向着地质条件更加复杂的区域(含气地层、泥沙混合地层等)延伸，通过CPT测试数据的解译来反映真实地层条件变得更加困难。因此，在实验室中开展复杂土体的CPT静力触探试验研究十分必要，为复杂地层的解译提供研究基础。但是，真实的土体边界条件为等刚度边界，即CPT插入土体过程中会引起CPT探杆侧壁与土体界面的剪切作用，这将导致界面附近土体产生剪胀、剪缩现象，等刚度边界条件下界面土体的剪胀、剪缩将引起探杆侧壁受到的土体法向力发生变化，从而使得CPT探杆测得的侧壁摩擦力的改变。为了消除室内CPT静力触探试验中土体边界条件不准确的问题，通常采用的做法是增加土体的范围，一般来讲，CPT探杆中心点到土体边界的距离应该大于100D(D为CPT探杆直径)，这就导致了CPT静力触探试验需要大量的实验土体，使得实验过程费时费力。目前来看，现在的实验内CPT静力触探模拟试验基本上只是常应力边界条件，即土对探杆侧壁的法向力保持不变，这与真实土体边界条件不符，因此实验室试验结果难以准确反映实际情况。
发明内容
本发明针对实验室CPT静力触探试验过程中土体边界条件无法反映真实土体边界的问题，提出了一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置及测试方法。本发明通过不同刚度的弹簧模拟远场土体等效刚度，通过上部加压盖板中的加压气囊施加竖向应力来模拟不同深度处的土体；并通过CPT探杆测量贯入过程中的锥尖和侧壁阻力，用获得的阻力数据反演获得土体的力学性质。具有土体边界刚度可调节、加载方便、边界条件更为贴合实际情况等诸多优点，解决了实验室内CPT静力触探试验中边界条件与实际不相符的问题，能够保证室内试验与现场实际测试具有一致性。
本发明采取以下技术方案：
一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，包括外箱、土样盒、加压盖板和CPC探杆，
所述的土样盒设于外箱内，所述的外箱和土样盒之间设有限位板，所述的加压盖板设于外箱顶部；所述的限位板上开有限位孔；
所述的土样盒为正方体结构，其侧面由若干个等刚度侧壁单元组成；所述的土样盒内部铺有土工织物；所述的等刚度侧壁单元内侧为一块平整钢板，位于同一侧的等刚度侧壁单元的内侧面在同一平面内；所述的等刚度侧壁单元外侧设有弹簧和若干限位柱，所述的弹簧可更换，限位柱用于限制弹簧只发生轴向位移；限位柱的另一端插入限位孔中，可限制等刚度侧壁单元只发生轴向位移；相邻的等刚度侧壁单元之间由橡胶条连接；
所述的加压盖板下方设有加压气囊，加压盖板上开有气孔，通过气孔向加压气囊内注入压缩空气从而向土样施加竖向压力；加压盖板上还设有气压计，用于监测加压气囊内的压力；加压盖板中心处还设有静力触探孔，供所述的CPC探杆穿过。
上述技术方案中，优选的，所述的外箱上方连接有反力架，反力架上设有步进电机，步进电机与CPT探杆上端连接。
优选的，所述的外箱下部设有排水孔，用于土样的排水固结以及控制试验过程中的排水条件。
优选的，所述的加压盖板与外箱采用螺栓连接。
优选的，所述的土样盒用于盛放土样，土样内设置有孔压计和土压力计，用于测量土样内孔压和土压力响应。
本发明还提供一种基于上述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置的测试方法，步骤如下：
1)拼装土样盒：先安装最底层的等刚度侧壁单元，其外侧的限位柱先插入对应位置的限位孔中，最底层的等刚度侧壁单元全部安装完成之后再安装橡胶条，之后依次向上安装直至完成，全部的等刚度侧壁单元安装完成后，须调整等刚度侧壁单元的伸出位置，使得同一侧面上的等刚度侧壁单元全部位于同一平面；然后将土样盒装入外箱中；
2)进行CPT试验：将土样装入土样盒中，并同时设置有孔压计和土压力计；盖上加压盖板，充气达到设定压强；将CPT探杆安装在步进电机上，并穿过静力触探孔置于土样上，通过步进电机将CPT探杆压入土样，采集数据。
本发明的发明原理为：
通过可更换的弹簧模拟远场土体等刚度边界条件，每个等刚度侧壁单元由限位板限位，防止单元发生法向之外的变形，各等刚度单元之间由橡胶条进行密封，土样盒由若干个等刚度侧壁单元组成，土样盒可以是圆形或者方形，加压盖板中部设有静力触探孔，板下有加压气囊，通过注入压缩空气向土体施加竖向压力，加压盖板与外箱采用螺栓连接，给加压气囊提供反力；外箱上方设有反力架，反力架上安装有步进电机，通过步进电机将CPT探杆压入土样中。
本发明的优点在于：
本发明的可反映真实土体边界条件的多种打桩试验装置采用多个等刚度侧壁单元的形式模拟远场等刚度土体，刚度的控制可以通过弹簧的更换来实现；加压盖板下部的加压气囊可以施加竖向压力，来模拟不同深度处的土体；采用CPT探杆测量贯入阻力。
因此，采用本发明装置及方法可以很好的在室内还原了目标场地的土体边界条件，且可模拟不同深度处的土体。
附图说明
图1是可反映真实土体边界条件的CPT试验装置总示意图
图2是等刚度土样箱示意图；
图3是等刚度侧壁单元侧视图；
图4是等刚度侧壁单元正视图；
图5是限位板正视图；
图6是加压盖板侧视图；
图7是土样盒俯视图；
图8是CPT装置示意图
其中，1、外箱，2、土样盒，3、加压盖板，4、限位板，5、等刚度侧壁单元，6、橡胶条，7、限位柱，8、弹簧，9、加压气囊，10、气孔，11、静力触探孔，12、CPT探杆，13、反力架，14、步进电机，15、数据线。16、土工织物，17、排水孔，18、土压力计，19、孔压计，20、气压计，21、限位孔。
具体实施方式
本发明中的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，包括外箱1、土样盒2、加压盖板3和CPT探杆12等。土样盒2的四个侧壁由多个等刚度侧壁单元5组成，土样盒内部铺有土工织物16，作为土样排水固结的水流通道；装样时可将土压力计18埋于土样内；测量CPT探杆12插入过程中土样的土压力响应，反映CPT探杆12插入过程中对周围土体的影响。外箱1与土样盒2之间设有限位板4，以便控制等刚度侧壁单元5只发生轴向位移，限位板4上开有限位孔21；外箱1上方设有反力架13，步进电机14安装在反力架13上；外箱1下部设有排水孔17，用于土样的排水固结以及控制试验过程中的排水条件，土样内设有孔压计19，用于测量土样内孔压，以便获得CPT插入土体过程中土体内孔压变化。等刚度侧壁单元5之间通过橡胶条6相连接；等刚度侧壁单元5上设有限位柱7，与限位板4上的限位孔21配合限制等刚度侧壁单元5位移方向；等刚度侧壁单元5上还设有弹簧8，实现对远场土体的等刚度模拟；加压盖板3下方设有加压气囊9，加压盖板3上还开有气孔10、其中心处设有静力触探孔11，通过气孔10充气对土体施加竖向压力，模拟不同深度处的土体；加压盖板3与外箱1采用螺栓连接；CPT探杆12端部连接有数据线15，可与计算机连接采集数据。CPT探杆12上部与步进电机14相连，通过步进电机14转动实现不同速率下CPT探杆的压入过程。
具体试验流程和操作步骤如下：
步骤1：根据试验需要模拟的现场实际条件选取一定刚度的弹簧，安装在等刚度侧壁单元上，再拼成土样盒，拼装入外箱中；
步骤2：根据试验要求进行装样，在土体内部埋置土压力计并整平，装样高度应与土样盒上表面平齐；
步骤3：在整平的土样上覆盖加压气囊，盖上加压盖板，并拧紧螺栓，启动气泵对气囊进行充气加压，直至设计压力；
步骤4：将CPT探杆穿过静力触探孔轻轻放在土样上，再将步进电机与CPT探杆上端部相连；
步骤5：步进电机通电，设置步进电机转速，按照设定速率将CPT探杆压入设计深度处，采集CPT探杆的端阻和侧阻数据。

Claims (6)

1.一种可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，其特征在于，包括外箱(1)、土样盒(2)、加压盖板(3)和CPC探杆(12)，
所述的土样盒(2)设于外箱(1)内，所述的外箱(1)和土样盒(2)之间设有限位板(4)，所述的加压盖板(3)设于外箱(1)顶部；所述的限位板(4)上开有限位孔(21)；
所述的土样盒(2)为正方体结构，其侧面由若干个等刚度侧壁单元(5)组成；所述的土样盒(2)内部铺有土工织物(16)；所述的等刚度侧壁单元(5)内侧为一块平整钢板，位于同一侧的等刚度侧壁单元(5)的内侧面在同一平面内；所述的等刚度侧壁单元(5)外侧设有弹簧(8)和若干限位柱(7)，所述的弹簧(8)可更换，限位柱(7)用于限制弹簧(8)只发生轴向位移；限位柱(7)的另一端插入限位孔(21)中，可限制等刚度侧壁单元(5)只发生轴向位移；相邻的等刚度侧壁单元(5)之间由橡胶条(6)连接；
所述的加压盖板(3)下方设有加压气囊(9)，加压盖板(3)上开有气孔(10)，通过气孔(10)向加压气囊(9)内注入压缩空气从而向土样施加竖向压力；加压盖板(3)上还设有气压计(20)，用于监测加压气囊(9)内的压力；加压盖板(3)中心处还设有静力触探孔(11)，供所述的CPC探杆(12)穿过。
2.根据权利要求1所述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，其特征在于，所述的外箱(1)上方连接有反力架(13)，反力架(13)上设有步进电机，步进电机与CPT探杆(12)上端连接。
3.根据权利要求1所述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，其特征在于，所述的外箱(1)下部设有排水孔(17)，用于土样的排水固结以及控制试验过程中的排水条件。
4.根据权利要求1所述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，其特征在于，所述的加压盖板(3)与外箱(1)采用螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置，其特征在于，所述的土样盒(2)用于盛放土样，土样内设置有孔压计(19)和土压力计(18)，用于测量土样内孔压和土压力响应。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的可模拟真实土体等刚度边界条件的CPT试验装置的测试方法，其特征在于，步骤如下：
1)拼装土样盒(2)：先安装最底层的等刚度侧壁单元(5)，其外侧的限位柱(7)先插入对应位置的限位孔(21)中，最底层的等刚度侧壁单元(5)全部安装完成之后再安装橡胶条(6)，之后依次向上安装直至完成，全部的等刚度侧壁单元(5)安装完成后，须调整等刚度侧壁单元(5)的伸出位置，使得同一侧面上的等刚度侧壁单元(5)全部位于同一平面；然后将土样盒(2)装入外箱中；
2)进行CPT试验：将土样装入土样盒(2)中，并同时设置有孔压计(19)和土压力计(18)；盖上加压盖板(3)，充气达到设定压强；将CPT探杆(12)安装在步进电机(14)上，并穿过静力触探孔(11)置于土样上，通过步进电机(14)将CPT探杆(12)压入土样，采集数据。
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