CN112683578A - 一种钻孔中原状土试样套膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔中原状土试样套膜装置，以解决岩土原位三轴试验中土样套膜困难的技术难题。所述钻孔中原状土试样套膜装置包括套膜保护筒，固定于套膜保护筒顶端的压力补偿进气口，以及固定于套膜保护筒内部的差压传感器、膜、固接的试样加载头和试样顶帽，在试样加载头与套膜保护筒内壁之间形成空腔；压力补偿进气口与空腔连通；差压传感器用于测量空腔内和原状土试样内部的孔隙水压力的压力差值；膜的一端固定于试样加载头与试样顶帽之间，另一端按照先向上弯折再向下弯折的方式由套膜保护筒底部侧壁上的固定压环固定。本发明在切割制样过程中，在压力补偿作用下膜随套膜保护筒同步下降，实现边切土边套膜，以最大限度地保护原状土样。

Description

一种钻孔中原状土试样套膜装置

技术领域

本发明涉及原位三轴试验套膜方法，特别涉及一种能将现场原状土切割制样与套膜同步进行的套膜装置。

背景技术

土的应力水平和颗粒-孔隙微观结构是土体强度参数的主要影响因素。然而，室内试验中土体承受的荷载与真实情况差别较大。同时，取样往往引起土样扰动、孔隙结构与含水量改变、应力卸载等，造成室内试验测量的土体参数与原位土差别很大。而对于含有卵石、碎石层、疏松砂层、风化岩层等难以获取高质量土样的土层，取样法不适用，需要通过原位测试确定其力学参数，以反映一个较大范围(相对于室内试验的小块试验而言)土体特性。

原位测试手段中原位三轴试验是取得地基土体力学参数最直接的手段，通过在场地现场直接取样制样进行试验获得土体参数。而要在场地现场钻孔地下对原状土试样进行三轴试验，需要把膜套在孔底的圆柱状土样上，才能够给土体施加水平应力模拟周围土体的水平挤压状态，然后再施加剪切应力，从而获得土体抗剪切力学参数。目前原位三轴试验套膜的难点在于：

1)自动化问题：由于原位试验的钻孔深度可达数十米，人手无法到达孔底，所以没有办法进行人工套膜，必须在探头切削前进的过程中同时实现自动套膜；

2)扰动土样问题：由于原位三轴试验的土样强度通常不高，如果膜没有提前科学地折叠好，强行给土样套膜会严重扰动土样，甚至发生土样破坏，所以在套膜的过程中膜不能给土样施加额外的荷载；

3)地下水问题：在高地下水位地区，钻孔往往深于地下水位线，地下水会给孔下实验装备施加一个向上的浮力，让膜内外压差过大，进而影响套膜过程。

针对现场获取土体原状动力特性参数的难题，美国加州大学伯克利分校MFRiemer等人2007年研发出世界上首台深部土体的原位三轴试验技术，彻底取消取样，通过深部钻孔、切割土样并在原位开展三轴试验，直接测量土体动参数。MF Riemer的仪器使用主力切割头向下切割土体，形成10cm直径、40cm高的土样，同时内腔充入气体，保持切削时土柱的测压力，并使橡胶膜贴在切削管壁上向下运动。土样与管壁之间形成气压避免了土样应力卸载；切割成土样后，膜外加压使膜整个贴在试样上，制成原位试样，整个过程大约20分钟。最后，对原位土样进行三轴加载剪切试验。Riemer教授的研究表明，取样扰动对土体剪切模量测量的影响达到20％以上。

但是，Riemer教授的试验装置及方法在实际使用过程中的成功率低，其原因在于其在切割制样的过程中使用气压维持土样，整个过程需维持大约20分钟，切割完土样后，用膜外加压使膜整个贴在试样上，理论可行实际操作却极为困难，切割过程20分钟内膜不能对土样进行及时的保护。

发明内容

针对上述背景技术中的难题及不足，本发明提出一种钻孔中原状土试样套膜装置，实现了套膜的自动化，实现了边切土边套膜，以最大限度减小土样扰动，解决了地下水存在情况下对膜的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，包括套膜保护筒，固定于所述套膜保护筒顶端的压力补偿进气口，以及固定于所述套膜保护筒内部的差压传感器、膜、固接的试样加载头和试样顶帽，在所述试样加载头与套膜保护筒内壁之间形成空腔，压力补偿进气口通过管道与压力补偿容器连通；其中，所述压力补偿进气口安装于所述套膜保护筒顶端并与所述空腔连通；所述差压传感器具有两个接口，第一接口安装于所述套膜保护套的顶端内侧，用于测量所述空腔内的压力，第二接口的一端安装于所述套膜保护筒的顶端内侧，第二接口的另一端安装于所述试样加载头底部并穿过所述试样顶帽后与原状土试样连通，用于测量原状土试样内部的孔隙水压力；所述膜的一端固定于所述试样加载头与试样顶帽之间，膜的另一端先沿所述试样顶帽侧壁向下延伸直至达到所述试样顶帽底部后折叠沿所述试样顶帽侧壁向上延伸一段距离后再次折叠沿所述套膜保护筒内侧壁向下延伸至套膜保护筒底部由套膜保护筒内侧壁上的固定压环固定。

进一步地，当所述第一接口与第二接口测量压力存在差值时，通过所述压力补偿进气口向所述空腔内施加在该差值大小的补偿压力，使所述空腔内压力值与原状土试样的孔隙水压力平衡。

本发明具有以下特点及有益效果：

本发明提出的一种钻孔中原状土试样套膜装置，使膜自动随切割筒同步下降，实现“边切土边套膜”以最大限度地保护原状土样。而针对套膜过程中或许存在地下水的影响，本发明通过设置差压传感器与压力补偿装置使膜内外压力平衡不被地下水浮力所影响。此外，为了防止膜折叠层自身发生粘连，以及孔底泥浆水进入折叠层间磨损膜，我们提出膜1与原状土试样不接触的那一面应涂抹填充半固态润滑剂。

综上，本发明实现了套膜的自动化，实现了“边切土边套膜”以最大限度减小土样扰动，解决了地下水存在情况下对膜的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的套膜装置的套膜前结构示意图。

图2为图1所述套膜装置中膜的折叠细部图。

图3为图1所述套膜装置在套膜过程中的结构示意图。

图4为图1所述套膜装置在套膜完成后的结构示意图。

附图标记：

1：膜；2：试样顶帽；3：膜固定压环；4：加载头；5：空腔；

6：差压传感器；7：压力补偿进气口；8：套膜保护筒；9：土样；10：加载杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种钻孔中原状土试样套膜装置的应用实例。

参见图1、图2，本发明实施例的一种钻孔中原状土试样套膜装置，包括套膜保护筒8，固定于套膜保护筒8顶端的压力补偿进气口7，以及固定于套膜保护筒8内部的差压传感器6、膜1、固接的试样加载头4和试样顶帽2，在试样加载头4与套膜保护筒8内壁之间形成空腔5，压力补偿进气口7通过管道与地面的压力补偿容器(所述管道和压力补偿容器在图中均未示意出)连通。其中，压力补偿进气口7安装于套膜保护筒8顶端并与空腔5连通。差压传感器6具有两个接口6-1与6-2，第一接口6-1安装于套膜保护套8的顶端内侧，用于测量空腔5内的压力，第二接口6-2的一端安装于套膜保护筒8的顶端内侧，第二接口6-2的另一端安装于试样加载头4底部并穿过试样顶帽2后与试样连通，用于测量试样内部孔隙水压力，第一接口6-1与第二接口6-2测量压力差值即为应当施加在空腔5的补偿压力的差值，通过差压传感器6的工作使得压力补偿装置能实时调整通过压力补偿进气口7补偿空腔5的压力，使空腔5内压力值与试样孔隙水压力平衡。膜1的一端固定于试样加载头4与试样顶帽2之间，膜1的另一端先沿试样顶帽2侧壁向下延伸直至达到试样顶帽2底部后折叠沿试样顶帽2侧壁向上延伸一段距离后再次折叠沿套膜保护筒8内侧壁向下延伸至套膜保护筒8底部由套膜保护筒8内侧壁上的固定压环3固定。套膜保护筒8、试样顶帽2和加载头4是原位三轴仪的组成部分。

本实施例中各组件的具体实现方式及功能分别描述如下：

套膜保护筒8、加载头4和试样顶帽2围合形成空腔5，用于容纳采集的原状土试样9，参见图3、图4。加载头4通过加载杆10与驱动装置(该驱动装置在图中未示意出，不属于本发明保护范畴)连接，由该驱动装置带动加载头4在套膜保护筒8内的上下运动。试样顶帽2用于向其下的原状土试样传递施加的载荷。套膜保护筒8材质为铝合金，加载头4和试样顶帽材质为316不锈钢。

考虑到套膜过程中或许存在地下水的影响，通过设置差压传感器6与压力补偿进气口7使膜1内外侧即膜1与原状土试样9接触和不接触的一侧压力平衡不被地下水浮力所影响，进一步实现边切土边套膜。具体地，当存在地下水时，差压传感器6用于测量空腔5内气压与外部地下水水压之间的差值，并通过压力补偿进气口7实时补偿调整空腔5内的气压，保证空腔5内的气压始终等于地下水压，使提前折叠好的膜1不被水的浮力所影响而向上运动。

膜1位于加载头4、试样顶帽2与套膜保护筒8之间，并采用上述折叠方式，即膜1的一端固定于试样加载头4与试样顶帽2之间，膜1的另一端先沿试样顶帽2侧壁向下延伸直至达到试样顶帽2底部后折叠沿试样顶帽2侧壁向上延伸一段距离后再次折叠沿套膜保护筒8内侧壁向下延伸至套膜保护筒8底部由套膜保护筒8内侧壁上的固定压环3固定，本实施例中采用橡皮膜。

按照上述方式折叠膜1的优点在于：1)套膜前的固定方向和套膜后完全一样，确保套膜前便可提前将膜1固定好，套膜后无需再考虑膜1的固定；2)膜1在试样顶帽2位置自然向下至和试样顶帽2下表面持平后向上折，等同于将膜1内侧翻转使内侧外露，便于套住原状土试样9；3)套膜保护筒8的直径比原状土试样9直径略大(10mm)，向下运动时候会呈喇叭状起到导向的作用，不容易被土颗粒刺破膜1。

进一步地，膜1与试样顶帽2间通过粘结物如液态橡胶粘接，以防止本自动套膜装置在到达采样深度前的下降过程中在地下水浮力作用下膜1和试样顶帽2之间产生脱离界面。

进一步地，膜1折叠的界面应涂抹填充半固态润滑剂，如凡士林或黄油等，以避免在空腔5压力作用下使膜1折叠界面间摩擦力过大，或出现粘连现象，使得膜1无法完整的向下移动甚至于破损。膜1折叠界面涂抹填充半固态润滑剂，还可保证在切割制样过程中，孔下泥浆水不进入膜1折叠界面之间，以免杂物进入而损坏膜1。

本发明自动套膜装置的工作过程如下：

1)将膜1两层之间涂抹润滑剂，如凡士林或黄油等；

2)将膜1按所述方式折叠，所述折叠方式为将膜1一端固定于试样顶帽2顶部与加载头4之间，膜1另一端通过膜1端部固定压环3固定，先向下折叠延伸膜至试样顶帽2底部，膜1与试样顶帽2间通过粘结物如液态橡胶粘接，然后将膜1向上折叠延伸至一段距离后向下折叠并延伸至膜套膜保护筒8底部通过套膜保护筒8侧壁上的膜固定压环3固定，折叠好的膜如图2所示，此时原位三轴试验仪如图1所示。

3)用原位三轴试验仪进行原位试验制样，套膜保护筒8下降到指定制样深度后，开始切割制样，膜1随着套膜保护筒8同步下降，实现“边切土边套膜”，套膜进行一半时的工程图如图3，随着制样完成，膜1也完全覆盖于土样9，形成原位三轴试验的试验样，如图4。

进一步地，套膜保护筒8切割制样过程中，当地层中存在地下水时，差压传感器6用于测量空腔5内的气压与外部水压之间的差值，并通过压力补偿进气口7实时补偿调整空腔5内气压，保证空腔5内气压始终等于或略大于地下水压，使提前折叠好的膜1不被水的浮力所影响。

综上所述，本发明提供的一种孔中水下原状试样自动套膜装置，可实现边切土边套膜，以最大限度地保护原状土样。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，包括套膜保护筒，固定于所述套膜保护筒顶端的压力补偿进气口，以及固定于所述套膜保护筒内部的差压传感器、膜、固接的试样加载头和试样顶帽，在所述试样加载头与套膜保护筒内壁之间形成空腔，压力补偿进气口通过管道与压力补偿容器连通；其中，所述压力补偿进气口安装于所述套膜保护筒顶端并与所述空腔连通；所述差压传感器具有两个接口，第一接口安装于所述套膜保护套的顶端内侧，用于测量所述空腔内的压力，第二接口的一端安装于所述套膜保护筒的顶端内侧，第二接口的另一端安装于所述试样加载头底部并穿过所述试样顶帽后与原状土试样连通，用于测量原状土试样内部的孔隙水压力；所述膜的一端固定于所述试样加载头与试样顶帽之间，膜的另一端先沿所述试样顶帽侧壁向下延伸直至达到所述试样顶帽底部后折叠沿所述试样顶帽侧壁向上延伸一段距离后再次折叠沿所述套膜保护筒内侧壁向下延伸至套膜保护筒底部由套膜保护筒内侧壁上的固定压环固定。

2.根据权利要求1所述的钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，当所述第一接口与第二接口测量压力存在差值时，通过所述压力补偿进气口向所述空腔内施加在该差值大小的补偿压力，使所述空腔内压力值与原状土试样的孔隙水压力平衡。

3.根据权利要求1所述的钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，所述膜与试样顶帽间通过粘结物粘接。

4.根据权利要求3所述的钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，所述粘结物为液态橡胶。

5.根据权利要求2所述的钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，所述膜在折叠的界面范围涂抹填充半固态润滑剂。

6.根据权利要求5所述的钻孔中原状土试样套膜装置，其特征在于，所述填充半固态润滑剂选用凡士林或黄油。

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