CN112942292A

CN112942292A - 一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐

Info

Publication number: CN112942292A
Application number: CN202110147946.0A
Authority: CN
Inventors: 刘涛; 丁晨浩; 张艳; 魏冠立; 田仲洋; 王楷迪; 刘语诺
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2021-06-11

Abstract

本发明涉及海洋岩土工程技术领域，具体涉及一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐。包括罐体，所述罐体内设置有试验样品腔，所述试验样品腔的周向设置有水平应力调节机构，所述试验样品腔的底部设置有垂直应力调节机构，所述水平应力调节机构和垂直应力调节机构不连通。本发明能够保证样品量少的情况下展开研究，整个测试周期大约需要10小时，也大大提高了制样和试验效率。同时，本发明通过水平应力调节机构和垂直应力调节机构实现了标定罐动态控制边界条件，避免了边界条件对CPT试验的影响，在一定程度上保证了样品和试验的精准度，符合现场测试情况。此外，本发明的模拟覆盖层应力可以达到5兆帕，也在更大的程度上满足现场测试的实际情况。

Description

一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐

技术领域

本发明涉及海洋岩土工程技术领域，具体涉及一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐。

背景技术

由于岩土工程参数与复杂多变的自然条件密切联系，确定岩土工程参数与合理设计成为工程建设的难点，亦是保证工程质量、缩短工程周期、降低工程造价、提高工程经济效益和社会效益的关键技术之一。原位测试技术凭借无需取样，可以简便准确获得土性参数的特点，在岩土工程性能测试中应用广泛。原位测试技术的测试方法主要包括标准贯入法、静力触探法和原位剪切波束法。而标准贯入法和原位剪切波速法一次只能测试一层土体，静力触探法为连续贯入，所以静力触探法较其他两种方法具有效率高、扰动小以及连续性好等优点，是目前使用最广泛的原位测试方法。由于现场试验不能够完全对土体性质进行直接的测量和评估，需要积累到大量的数据，在此基础上通过相应的理论推导和反算公式以求得最后的土壤参数。

相关的现场原位试验相对于室内试验周期较长，并不能确定单一土壤参数的变化。为了解决这些相关的问题，可以通过室内的标定罐试验和现场测试的数据对比，亦或是展开例如孔穴扩张、有限元、离散元素分析，再控制相应的条件，推导出具体的经验公式，是最直接有效简单的方式。

标定罐试验是条件许可下在室内进行的现场原位的模拟，由于受到土样大小和应力状态的限制，无法达到完全的现场状态，数据与原位试验有一定的区别。研究表明，影响室内标定罐试验的因素有很多，其主要的影响因素有边界条件、尺寸效应等。然而，由于标定罐的有限尺寸，所有这些边界条件都会人为导致边界效应。使用直径大于1 m的大型标定罐可减少边界效应，但大型标定罐的缺点是需要大量样品，当样品量少时无法采用大型标定罐来进行试验。小型标定罐较大型标定罐来说更经济、更实用，并且在样品数量有限的情况下也可进行试验。

因此，现在亟需设计一种能够动态控制边界条件的用于海底土静力触探试验的小体积标定罐。

发明内容

针对现有大型标定罐需大量样品进行试验以及小型标定罐中样品受边界条件影响较大的问题，提供了一种能够动态控制边界条件的小体积海底土静力触探试验标定罐，该标定罐是一种小型室内原位模拟测试装置，整体形状为圆柱形，高度为54.5 cm，直径为30 cm。本标定罐具有可控水平应力、小样本尺寸以及模拟覆盖层应力高达5兆帕的能力，能够保证样品量不够的情况下展开研究。

CPT（静力触探试验）标定罐具有不同的应力应变边界条件，分为BC1-BC5，共5种边界条件。通过分别往标定罐中盛水腔和充水胶垫中施加水压，使其等于给试验样品施加水平压力和垂直压力，由此可以控制试验样品水平和垂直方向的应力应变。其中，BC1条件的垂直应力和水平应力均为定值。BC2条件的垂直应变和水平应变均为0。BC3条件的垂直应力为定值，水平应变为0。BC4条件的垂直应变为0，水平应力为定值。BC5条件的垂直应力为定值，水平应力可调。

本发明的技术方案为：

一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，包括罐体，所述罐体内设置有试验样品腔，所述试验样品腔的周向设置有水平应力调节机构，所述试验样品腔的底部设置有垂直应力调节机构，所述水平应力调节机构和垂直应力调节机构不连通。

进一步的，所述水平应力调节机构设置为柔性膜层，所述柔性膜层的内侧与试验样品接触，所述柔性膜层的外侧与罐体的内壁之间的空隙形成盛水腔，所述罐体上设置有与盛水腔连通的进水口，所述进水口与第一水泵连接。

更进一步的，所述柔性膜层设置为乳胶膜，所述乳胶膜的底部与罐体的底部用皮筋拉紧固定，挤压连接，所述乳胶膜的顶部与罐体的顶部用皮筋拉紧固定，挤压连接。

进一步的，所述盛水腔内设置有垂直于罐体顶部和底部的支撑杆。

进一步的，所述垂直应力调节机构设置为充水胶垫，所述充水胶垫上设置有充水孔，所述充水孔与第二水泵连接。

更进一步的，所述充水胶垫的上表面设置有土工布。

进一步的，所述罐体的顶部设置有顶板，所述顶板的中心位置设置有可更换的探头入口件。

进一步的，所述试验样品腔的顶部设置有烧结金属透水石。

进一步的，所述罐体的侧壁上设置有可视化PIV观察窗口。

进一步的，所述罐体的侧壁上设置有用于测量水平应力的水平应力传感器和所述罐体的底部设置有用于测量垂直应力的垂直应力传感器。

本发明所达到的有益效果为：

本发明能够保证在样品量少的情况下展开研究，整个测试周期大约需要10小时，也大大提高了制样和试验效率。同时，本发明通过水平应力调节机构和垂直应力调节机构实现了标定罐动态控制边界条件，避免了边界条件对CPT试验的影响，并保证了应力、应变和混合应力-应变-应力边界条件（BC1–BC5）均能够实施，在一定程度上保证了样品和试验的精准度，符合现场测试情况。此外，本发明的模拟覆盖层应力可以达到5兆帕，也在更大的程度上满足现场测试的实际情况。

附图说明

图1为本发明标定罐的剖面图。

图2为本发明标定罐的正视图。

图3为本发明标定罐的俯视图。

其中：1、顶板；2、顶盖；3、烧结金属透水石；4、支撑杆；5、标定罐壳体；6、乳胶膜；7、盛水腔；8、土工布；9、底板；10、CPT探头入口件；11、锥形开口；12、安装环；13、激光三角测量传感器；14、窗口；15、试验样品；16、充水胶垫；17、环形间隙；18、充水孔。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1~3所示，该小体积海底土静力触探试验标定罐高度为54.5 cm，直径为30cm。

标定罐从上至下依次设置顶板部分、中间样品试验装置部分以及底板部分。其中顶板部分设置方式为： CPT探头入口件10嵌固在标定罐的顶板1的中心、锥形开口11嵌固在顶盖2中心、安装环12上方与顶盖2相连，下方与支撑杆4连接。安装环12的设置同时也起到固定烧结金属透水石3的作用。

CPT探杆可通过CPT探头入口件10和锥形开口11贯入试验样品15中，且为提高试验精度，CPT探头入口件10和锥形开口11可根据试验所需探杆大小来进行不同内径口大小的更换调整，满足不同试验要求。中间样品试验装置部分为：烧结金属透水石3的上方与标定罐的顶盖2相连，烧结金属透水石3下方与试验样品15的顶部直接接触，试验样品15的底部与土工布8直接相接触，土工布8下方为充水胶垫16和标定罐的底板9。

标定罐从外至内依次包含标定罐壳体5，标定罐壳体5上有三组从上到下间隔距离依次排布的窗口14和三组充水孔18。标定罐间隙水直接充填于标定罐壳体5与乳胶膜6之间的盛水腔7中，通过充水孔18使用第一高压水泵进行充水。盛水腔7中设置有支撑杆4，支撑杆4支撑标定罐的顶板1与底板9。试验样品15由乳胶膜6横向包围，试验样品15所受到的水平应力通过盛水腔7的水压来进行施加。试验样品15所受到的垂直应力由标定罐底部的充水胶垫16施加，通过下部的充水孔18使用第二高压水泵进行充水。

试验样品15所受到的水平应力、垂直应力分别由两台1L高压水泵控制独立施加，水泵的容量为5MPa，体积分辨率为1mL，可以满足BC1-BC5的边界条件。试验样品15所受到的水平应力和垂直应力由底板9的一个环形间隙17隔离开，并可以独立控制。试验样品15的孔隙水从下面通过充水胶垫16上的多孔的土工布8连通，从上面通过烧结金属透水石3连接。因此，当试验样品15的上边界是刚性时，试验样品15的水平和下边界是弹性的。水平、垂直压力由控制应力或控制体积独立操作。

在标定罐壳体5上有三组不同高度的窗口14，通过这些窗口14可以用激光三角测量传感器13来监测样品15的横向变形，分辨率为0.3μm。窗口14由耐高压硼硅酸盐玻璃制成。整个标定罐的额定压力高达5MPa。标定罐的顶板1的上方中心处通过螺纹连接着一个可更换的CPT探头入口件10，通过更换不同内径的CPT探头入口件10，可以在试验中使用不同直径的贯入仪探头。

为了应用BC2、BC3和BC5条件，在水平方向上可用九个激光三角测量传感器13测量贯入过程中试验样品15的水平应变。此外，垂直和水平应变通过流体体积测量独立确定。

在制样时，依次打开顶板1、顶盖2，然后将混合好的泥浆缓慢倒入试验样品腔中，在倒浆的过程中要减少气泡的产生。然后将烧结金属透水石3压于试验样品15上方，保证试验样品15处于正常固结状态，排水条件为上下排水。上方通过烧结金属透水石3排水，下方通过多孔土工布8排水。试验样品15所受到的水平应力、垂直应力和由两1L高压水泵控制独立施加，可以通过调整水压力，来满足固结过程中不同试验边界条件的具体要求。

待固结完成后，开始进行贯入试验。本实施例中，使用的微型静力触探仪直径为10mm（样品与圆锥直径之比为25），通过液压油缸将微型静力触探仪依次通过CPT探头入口件10、锥形开口11、烧结金属透水石3，最后贯入试验样品15中。在标定罐壳体5上可设置水平应力传感器（如BK型振弦式土压力传感器等），用于测量周围水体给土体的围压，即测量出给土样提供的水平应力。在顶盖2底部可设置垂直应力传感器（如BK型振弦式土压力传感器等），用于测量充水胶垫给试验样品提供的垂直应力。通过实时控制和记录系统从标定罐内和标定罐外的测量中收集数据。试验过程中所有传感器的数据输入同时以5 kHz的最大频率进行记录，以便在标准贯入速度为2 cm/s的约20s的相对较短贯入试验期间获得高分辨率数据。贯入速度和所有施加的压力均受到实时控制，控制速率为5 kHz。包括样品制备在内的整个试验可在10小时内完成。

本发明中的标定罐可以实现有效的测试，能够保证样品量不够的情况下展开研究。整个测试周期大约需要10小时。通过试验的结果表明，尽管标定罐的尺寸很小，但锥尖阻力能够达到稳定状态，稳定状态取决于样品的密度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：包括罐体，所述罐体内设置有试验样品腔，所述试验样品腔的周向设置有水平应力调节机构，所述试验样品腔的底部设置有垂直应力调节机构，所述水平应力调节机构和垂直应力调节机构不连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述水平应力调节机构设置为柔性膜层，所述柔性膜层的内侧与试验样品接触，所述柔性膜层的外侧与罐体的内壁之间的空隙形成盛水腔，所述罐体上设置有与盛水腔连通的进水口，所述进水口与第一水泵连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述柔性膜层设置为乳胶膜，所述乳胶膜的底部与罐体的底部固定连接，所述乳胶膜的顶部与罐体的顶部固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述盛水腔内设置有垂直于罐体顶部和底部的支撑杆。

5.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述垂直应力调节机构设置为充水胶垫，所述充水胶垫上设置有充水孔，所述充水孔与第二水泵连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述充水胶垫的上表面设置有土工布。

7.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述罐体的顶部设置有顶板，所述顶板的中心位置设置有可更换的探头入口件。

8.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述试验样品腔的顶部设置有烧结金属透水石。

9.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述罐体的侧壁上设置有可视化PIV观察窗口。

10.根据权利要求1所述的一种用于海底土静力触探试验的小体积标定罐，其特征在于：所述罐体的侧壁上设置有用于测量水平应力的水平应力传感器和所述罐体的底部设置有用于测量垂直应力的垂直应力传感器。