CN113324899B - 一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法 - Google Patents

一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，包括控制装置、固结压力加载装置、摩擦压力测试装置和液压加载装置；固结压力加载装置中压力加载伺服电机与固结压力加载压头相连接，固结压力加载压头底端与摩擦压力测试装置相接触，摩擦压力测试装置中承压腔体呈中空的圆柱体结构，其内部的土体试样通过顶部压头和底部压头封堵，顶部压头与固结压力加载压头底端相紧贴，承压腔体底面与液压加载装置相紧贴，液压加载装置中液压加载压头通过高压管道与伺服液压泵相连接，压力加载伺服电机和伺服液压泵均与控制装置相连接。本发明还提供了一种实验方法，实现了土体与导管之间摩擦性能的室内测量，具有重要的工程意义。

Description

一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置 及方法
技术领域
本发明涉及岩土力学技术领域，具体涉及一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法。
背景技术
随着陆地油气资源的日益枯竭，油气勘探开发朝向深海、超深海领域发展。在深海钻井作业中由于表层土体具有弱胶结、低强度的特征，通常通过喷射下导管进入浅部地层，随后安装水下井口与隔水管系统。受上部地层的重力作用，地层会对导管产生外挤力并进一步产生摩擦作用，维持导管到达目标深度后不再下沉，并且该摩擦作用也会用来支撑数百吨的水下井口系统、隔水管系统的重量。然而，在实际作业中，当导管与地层之间的摩擦力不足时，井口将会出现下沉，严重影响后续作业与施工安全。因此，准确测量高应力固结状态下土体与导管之间的摩擦性能，是深水钻井井深结构及井口装备设计的依据，具有重要的工程意义。
由实际工况中深水地层与导管之间的相互作用可以看出，两者的摩擦作用产生于高固结力下，由粘结力与滑动摩擦组成。当土体性质一定时，其粘结力与滑动摩擦系数由固结应力的大小和固结时间决定，因此，亟需提供一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法，针对固结压力作用下土体与管壁之间的摩擦性能开展研究。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提出了一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法，通过在承压腔体底面施加载荷模拟水上井口及隔水管系统对导管的作用，实现了对不同土体固结时间和固结应力条件下，各类型土体骨架与导管之间摩擦性能的准确测试，为深水地层的钻井设计提供了依据，具有重要的工程意义。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，包括控制装置、固结压力加载装置、摩擦压力测试装置和液压加载装置；
所述固结压力加载装置包括压力加载伺服电机和固结压力加载压头，压力加载伺服电机与固结压力加载压头相连接，固结压力加载压头两端设置有丝杠，底端与摩擦压力测试装置相接触；
所述摩擦压力测试装置包括承压腔体、顶部压头、土体试样和底部压头，承压腔体嵌于底座内，采用与实际导管相同材料制作而成，呈中空的圆柱体结构，顶面与固结压力加载压头之间存在间隙，底面与液压加载装置相紧贴，内部设置有土体试样，土体试样侧壁与承压腔体内壁相接触，两端分别用顶部压头、底部压头封堵，顶部压头顶端与固结压力加载压头底端相紧贴；
所述液压加载装置包括伺服液压泵和液压加载压头，伺服液压泵与液压加载压头相连接，液压加载压头呈环状结构，包括压头和液压油槽，压头顶部与承压腔体底面相紧贴，底部通过密封橡胶圈与液压油槽密封连接，液压油槽通过高压管道与伺服液压泵相连接，近伺服液压泵一侧高压管道上设置有阀门；
所述压力加载伺服电机和伺服液压泵均与控制装置相连接。
优选地，所述底座顶部设置有环形盖，环形盖通过螺丝固定，用于固定承压腔体。
优选地，所述顶部压头、土体试样、底部压头均设置为圆柱体结构，直径均与承压腔体内径相同，液压加载压头内径与承压腔体内径相同。
一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，采用如上所述的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，根据目的区块土体的类型、粒径组合和含水饱和度，选取土颗粒，确定土颗粒与蒸馏水的比例，按照该比例将土颗粒与蒸馏水均匀混合后制备成土体试样，将土体试样置于承压腔体内，两端分别用顶部压头与底部压头进行封堵；
步骤2，将承压腔体嵌于底座内，承压腔体底面与液压加载压头相紧贴，开启控制装置、压力加载伺服电机和伺服液压泵，利用压力加载伺服电机控制固结压力加载压头运动，顶部压头与固结压力加载压头相紧贴；
步骤3，利用控制装置设置固结压力加载压头施加的固结压力值为Fu、施加的固结时间为t，通过压力加载伺服电机控制固结压力加载压头施加压力，顶部压头挤压土体试样，使得固结状态下的土体试样沿径向膨胀；
步骤4，开启阀门，控制伺服液压泵以恒定速度向液压油槽内注入高压液压油，使得液压加载压头向承压腔体施加压力；
步骤5，利用控制装置记录液压加载压头对承压腔体施加的载荷P，当土体试样与承压腔体之间发生相对运动时，液压加载压头施加的载荷P达到最大值Pmax，随着土体试样与承压腔体之间相对运动的进行，土体试样与承压腔体之间产生的摩擦逐渐趋于稳定，液压加载压头施加的载荷P达到稳定值Ps；
步骤6，关闭控制装置、压力加载伺服电机和伺服液压泵，卸载固结压力加载压头和液压加载压头施加在承压腔体上的载荷，取出承压腔体内的土体试样，测量土体试样的底面积和侧面积，确定土体试样的泊松比μ，计算土体试样对承压腔体内壁的压力Fr，如式(1)所示：
Figure BDA0003061383790000031
其中，
Figure BDA0003061383790000032
式中，Fu为固结压力加载压头施加的压力值；Ar为土体试样的端面面积；为土体试样的侧面面积Al；k为土体试样的侧压系数；μ为土体试样的泊松比；
步骤7，根据控制装置记录的液压加载压头载荷，获取液压曲线，确定各阶段土体试样与承压腔体之间的摩擦力，具体包括以下步骤：
步骤7.1，当土体试样与承压腔体均处于静止状态时，土体试样与承压腔体之间存在静摩擦，产生的静摩擦力与液压加载压头所施加的载荷相等，如式(3)所示：
Figure BDA0003061383790000033
式中，
Figure BDA0003061383790000034
为土体试样与承压腔体之间的静摩擦力值；P为控制装置记录的液压加载压头所施加的载荷；
步骤7.2，当土体试样与承压腔体之间刚出现相对运动时，土体试样与承压腔体之间存在最大静摩擦力，最大静摩擦力值与液压加载压头所施加的最大载荷相等，如式(4)所示：
Figure BDA0003061383790000035
式中，
Figure BDA0003061383790000036
为土体试样与承压腔体之间的最大静摩擦力值；Pmax为控制装置记录的液压加载压头所施加的最大载荷；
步骤7.3，当土体试样与承压腔体之间发生相对运动时，土体试样与承压腔体之间存在滑动摩擦，液压加载压头所施加的载荷趋于稳定，滑动摩擦力值与液压加载压头所施加的稳定载荷相等，如式(5)所示：
Figure BDA0003061383790000037
式中，
Figure BDA0003061383790000038
为土体试样与承压腔体之间的滑动摩擦力值；Ps为控制装置记录的液压加载压头所施加载荷的稳定值；
步骤8，根据滑动摩擦力与摩擦系数之间的关系，结合土体试样与承压腔体之间的滑动摩擦力值，计算固结状态下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数，如式(6)所示：
Figure BDA0003061383790000041
式中，f为固结状态下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数；
再根据最大静摩擦力与胶结力之间的关系，结合高应力固结状态下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数，计算固结状态下土体试样与承压腔体之间的胶结力，如式(7)所示：
Figure BDA0003061383790000042
式中，
Figure BDA0003061383790000043
为固结状态下土体试样与承压腔体之间的胶结力。
优选地，针对固结压力加载压头设置多个固结压力值，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结压力值条件下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结压力之间的关系以及胶结力与固结压力之间的关系。
优选地，针对固结压力加载压头设置多个固结时间，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结时间条件下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结时间之间的关系以及胶结力与固结时间之间的关系。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出了一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，该装置实现了上覆岩层固结底部土体的实验室模拟，具有制造成本低、实验结果准确、易于操作的特点，同时，本发明还提出了一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，该方法中土体试样用于模拟实际地层，承压腔体用于模拟导管，利用固结压力加载压头挤压土体试样，使得土体试样处于高应力固结状态，模拟实际钻井过程中地层对导管的挤压作用，通过对承压腔体施加轴向压力，实现了实验室条件下对不同固结压力及固结时间条件下地层与导管之间摩擦系数和胶结力的准确测量，有利于确定摩擦系数、胶结力与固结压力、固结时间之间的关系，指导深水钻井井深结构及井口装备的设计，具有重要的工程意义。
附图说明
图1为本发明实验装置的结构示意图。
图2为本发明摩擦压力测试装置的俯视图。
图3为实验过程中承压腔体的受力分析图；其中，P为液压加载压头对承压腔体施加的载荷，Ff为土体试样与承压腔体之间的摩擦力。
图4为实验过程中土体试样的受力分析图；其中，Fr为土体试样对承压腔体内壁的压力，Fu为固结压力加载压头施加的固结压力值，Ff为土体试样与承压腔体之间的摩擦力，Fb为底部压头对土体试样施加的支撑力。
图中，1、控制装置，2、信号传输线路，3、压力加载伺服电机，4、固结压力加载压头，5、丝杠，6、顶部压头，7、土体试样，8、承压腔体，9、底部压头，10、底座，11、液压加载压头，12、密封橡胶圈，13、液压油槽，14、快插接头，15、高压管道，16、阀门，17、伺服液压泵，18、环形盖，19、螺丝。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，如图1所示，包括控制装置、固结压力加载装置、摩擦压力测试装置和液压加载装置。
固结压力加载装置包括压力加载伺服电机3和固结压力加载压头4，压力加载伺服电机3与固结压力加载压头4通过信号传输线路2相连接，固结压力加载压头4两端设置有丝杠5，采用丝杠加载的方式加载压力，底端与摩擦压力测试装置相接触。
摩擦压力测试装置包括承压腔体8、顶部压头6、土体试样7和底部压头9，承压腔体8嵌于底座10顶面的环形盖18内，环形盖18通过螺丝19固定于底座10顶面，用于固定承压腔体8，避免实验过程中承压腔体8发生径向位移；承压腔体8采用与实际导管相同材料制作而成，用于模拟实际作业中使用的导管，承压腔体8呈中空的圆柱体结构，如图2所示，顶面与固结压力加载压头4之间存在间隙，底面与液压加载装置的液压加载压头11相紧贴，内部设置有土体试样7，土体试样7侧壁与承压腔体8内部相紧贴，两端分别用顶部压头6、底部压头9进行封堵，顶部压头6、底部压头9和土体试样7均设置为圆柱体结构，直径与承压腔体8内径相同，顶部压头6与固结压力加载压头4相紧贴，用于向土体试样7顶部施加压力，使得土体试样7处于高应力固结状态下。
液压加载装置包括伺服液压泵17和液压加载压头11，伺服液压泵17与液压加载压头11相连接，伺服液压泵17设置于底座10外部，液压加载压头11设置于底座10内部，呈环状结构，内径与承压腔体8内径相等，外径大于环形盖18内径，有效避免了液压加载压头11因液压油槽13内的液压油压力过高或位移过大而导致的液压加载压头11弹出；液压加载压头11包括压头和液压油槽13，压头顶部与承压腔体8底面相紧贴，用于向承压腔体8施加压力推动承压腔体8向上运动，压头底部通过密封橡胶圈12与液压油槽13密封连接，密封橡胶圈12有效防止了液压油槽13内高压液压油的溢出，液压油槽13用于为压头提供液压，底面与底座10内壁相紧贴，底座10为液压加载压头11提供支撑，保证了高压液压油流入液压油槽13内推动压头向上运动，液压油槽13通过快接插头14与高压管道15相连接，高压管道15与伺服液压泵17相连接，靠近伺服液压泵17一侧的高压管道15上设置有阀门16。
压力加载伺服电机3和伺服液压泵17均通过信号传输线路2与控制装置1相连接，控制装置1用于控制固结压力加载装置、摩擦压力测试装置和液压加载装置，本实施例中控制装置1为控制电脑；压力加载伺服电机3用于控制固结压力加载压头4施加的压力，可以通过调整固结压力加载压头4的位移和压力进行加载；伺服液压泵17通过控制液压油槽13内注入液压油的流量和压力调整液压加载压头11施加的压力，可以通过调整液压加载压头11的位移和压力进行加载。
本发明还提出了一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，利用上述测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，根据目的区块土体的类型、粒径组合和含水饱和度，选取土颗粒，确定土颗粒与蒸馏水的比例，按照该比例将土颗粒与蒸馏水均匀混合后制备成土体试样7，将土体试样7置于承压腔体8内，两端分别用顶部压头6与底部压头9进行封堵。
步骤2，将承压腔体8置于底座10顶面的环形盖18内，顶部压头6与固结压力加载压头4相接触，开启控制装置1、压力加载伺服电机3和伺服液压泵17，利用压力加载伺服电机3控制固结压力加载压头4推动顶部压头6运动，使得承压腔体8嵌于底座10内，承压腔体8底面与液压加载压头11顶面相紧贴，液压加载压头11底面与底座10内壁相接触。
步骤2，将承压腔体8嵌于底座10顶面的环形盖18内，承压腔体8底面与液压加载压头11顶面相紧贴，开启控制装置1、压力加载伺服电机3和伺服液压泵17，利用压力加载伺服电机3控制固结压力加载压头4向下运动，使得顶部压头6顶面与固结压力加载压头4底面相紧贴，底部压头9底部嵌于液压加载压头11内部空腔中，固结压力加载压头4推动顶部压头运动。
步骤3，利用控制装置1设置固结压力加载压头4施加的固结压力值为Fu、施加的固结时间为t，通过压力加载伺服电机3控制固结压力加载压头4施加压力，顶部压头6挤压土体试样7，使得固结状态下的土体试样7沿径向膨胀，模拟地层对导管的挤压作用。
步骤4，开启阀门16，控制伺服液压泵17以恒定的流速向液压油槽13内注入高压液压油，使得液压加载压头11向承压腔体8施加向上的压力。
步骤5，利用控制装置1记录液压加载压头11对承压腔体8施加的载荷P，当土体试样7与承压腔体8之间发生刚刚发生相对运动时，液压加载压头11施加的载荷P达到最大值Pmax，随着土体试样7与承压腔体8之间相对运动的进行，土体试样7沿承压腔体8内壁滑动，土体试样7与承压腔体8之间产生的摩擦逐渐趋于稳定，液压加载压头11施加的载荷P达到稳定值Ps。
步骤6，关闭控制装置1、压力加载伺服电机3和伺服液压泵17，卸载固结压力加载压头4和液压加载压头11施加在承压腔体8上的载荷，取出承压腔体8内的土体试样7，测量土体试样7的底面积和侧面积，确定土体试样7的泊松比μ，计算土体试样7对承压腔体8内壁的压力Fr，如式(1)所示：
Figure BDA0003061383790000071
其中，
Figure BDA0003061383790000072
式中，Fu为固结压力加载压头施加的压力值；Ar为土体试样的端面面积；为土体试样的侧面面积Al；k为土体试样的侧压系数；μ为土体试样的泊松比。
步骤7，根据控制装置1记录的液压加载压头11的载荷，获取液压曲线，确定各阶段土体试样7与承压腔体8之间的摩擦力，具体包括以下步骤：
步骤7.1，当土体试样7与承压腔体8均处于静止状态时，土体试样7与承压腔体8之间存在静摩擦，产生的静摩擦力与液压加载压头11所施加的载荷相等，如式(3)所示：
Figure BDA0003061383790000073
式中，
Figure BDA0003061383790000074
为土体试样与承压腔体之间的静摩擦力值；P为控制装置记录的液压加载压头所施加的载荷。
步骤7.2，当土体试样7与承压腔体8之间刚刚出现相对运动时，土体试样7与承压腔体8之间的静摩擦力为最大静摩擦力，最大静摩擦力值与液压加载压头11所施加的最大载荷相等，如式(4)所示：
Figure BDA0003061383790000075
式中，
Figure BDA0003061383790000076
为土体试样与承压腔体之间的最大静摩擦力值；Pmax为控制装置记录的液压加载压头所施加的最大载荷。
步骤7.3，当土体试样7与承压腔体8之间发生相对运动时，土体试样7沿承压腔体8内壁滑动，液压加载压头11所施加的载荷趋于稳定，承压腔体8和土体试样7的受力状况如图3和图4所示，此时滑动摩擦力值与液压加载压头11所施加的稳定载荷相等，如式(5)所示：
Figure BDA0003061383790000081
式中，
Figure BDA0003061383790000082
为土体试样与承压腔体之间的滑动摩擦力值；Ps为控制装置记录的液压加载压头所施加载荷的稳定值；。
步骤8，根据滑动摩擦力与摩擦系数之间的关系，结合土体试样7与承压腔体8之间的滑动摩擦力值，计算固结状态下土体试样7与承压腔体8之间的摩擦系数，如式(6)所示：
Figure BDA0003061383790000083
式中，f为固结状态下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数。
再根据最大静摩擦力与胶结力之间的关系，结合高应力固结状态下土体试样7与承压腔体8之间的摩擦系数，计算固结状态下土体试样7与承压腔体8之间的胶结力，如式(7)所示：
Figure BDA0003061383790000084
式中，Ffc为固结状态下土体试样与承压腔体之间的胶结力。
采用本发明提出的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，还可以针对固结压力加载压头4设置多个固结压力值，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结压力值条件下土体试样7与承压腔体8之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结压力之间的关系以及胶结力与固结压力之间的关系。同时，还可以针对固结压力加载压头4设置多个固结时间，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结时间条件下土体试样7与承压腔体8之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结时间之间的关系以及胶结力与固结时间之间的关系。
实施例
采用本发明提出的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置及方法进行实验。根据目的区块土体的类型、粒径组合和含水饱和度，选取土颗粒50g与蒸馏水10g均匀混合后制成土体试样，将土体试样置于承压腔体内，承压腔体的内径为25mm、外径为75mm、高度为75mm，土体试样两端分别用顶部压头与底部压头进行封堵，顶部压头与底部压头的直径为25mm、高度为30mm，将承压腔体嵌于底座内。
将顶部压头与固结压力加载压头相接触，开启控制装置、压力加载伺服电机和伺服液压泵，利用压力加载伺服电机控制固结压力加载压头推动顶部压头运动，使得承压腔体嵌于底座内，承压腔体底面与液压加载压头相紧贴，完成实验装置的装配。
利用本发明提出的实验装置模拟深度为50m处土体与导管之间的摩擦性能，根据该深度处地层密度为1800kg/m3，设置固结压力加载压头施加的固结压力为0.98MPa、固结时间为24h，通过压力加载伺服电机控制固结压力加载压头的载荷为480.8125N，保持载荷不变维持24h，使得顶部压头挤压土体试样，处于固结状态下的土体试样沿径向膨胀。
调整固结压力加载压头施加的固结压力为1.96MPa，利用压力加载伺服电机控制固结压力加载压头的载荷为961.625N，保持固结压力加载压头的载荷不变维持24h，同时以1mL/mm的速率向液压油槽内注入高压液压油，当液压达到0.1kPa时，将高压液压油的注入速率调整至0.1mL/mm，并记录液压数据的变化。
实验结果显示，液压曲线中液压值先增大至0.5Mpa，随后降低并稳定在0.2Mpa，测量得到土体试样长度为53.7mm，从而获得土体试样的侧面积，通过计算得到固结时间设置为24h时，土体试样与承压腔体之间的最大静摩擦力为1.9625kN、滑动摩擦力为0.785kN，即固结时间为24h时，地层与导管之间的最大静摩擦力为1.9625kN、滑动摩擦力为0.785kN。
保持固结压力不变，将固结时间设置为48h，重复上述实验，得到液压曲线中液压的最大值为0.54MPa、稳定值为0.22Mpa，测量得到土体试样长度为53.2mm，通过计算得到土体试样与承压腔体之间的最大静摩擦力为2.1195kN、滑动摩擦力为0.8635kN，即固结时间为48h时，地层与导管之间的最大静摩擦力为2.1195kN、滑动摩擦力为0.8635kN。
根据土体试样的泊松比为0.38，通过计算可以得到，当固结时间为24h时，地层与导管之间的胶结力为1.1775kN、摩擦系数为0.155，当固结时间为48h时，地层与导管之间的胶结力为1.256kN、摩擦系数为0.172。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，其特征在于，包括控制装置、固结压力加载装置、摩擦压力测试装置和液压加载装置；
所述固结压力加载装置包括压力加载伺服电机(3)和固结压力加载压头(4)，压力加载伺服电机(3)与固结压力加载压头(4)相连接，固结压力加载压头(4)两端设置有丝杠(5)，底端与摩擦压力测试装置相接触；
所述摩擦压力测试装置包括承压腔体(8)、顶部压头(6)、土体试样(7)和底部压头(9)，承压腔体(8)嵌于底座(10)内，采用与实际导管相同材料制作而成，呈中空的圆柱体结构，顶面与固结压力加载压头(4)之间存在间隙，底面与液压加载装置相紧贴，内部设置有土体试样(7)，土体试样(7)侧壁与承压腔体(8)内壁相接触，两端分别用顶部压头(6)、底部压头(9)封堵，顶部压头(6)顶端与固结压力加载压头(4)底端相紧贴；
所述液压加载装置包括伺服液压泵(17)和液压加载压头(11)，伺服液压泵(17)与液压加载压头(11)相连接，液压加载压头(11)呈环状结构，包括压头和液压油槽(13)，压头顶部与承压腔体(8)底面相紧贴，底部通过密封橡胶圈(12)与液压油槽(13)密封连接，液压油槽(13)通过高压管道(15)与伺服液压泵(17)相连接，近伺服液压泵(17)一侧高压管道(15)上设置有阀门(16)；
所述压力加载伺服电机(3)和伺服液压泵(17)均与控制装置(1)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，其特征在于，所述底座顶部设置有环形盖(18)，环形盖(18)通过螺丝(19)固定，用于固定承压腔体(8)。
3.根据权利要求1所述的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验装置，其特征在于，所述顶部压头(6)、土体试样(7)、底部压头(9)均设置为圆柱体结构，直径均与承压腔体(8)内径相同，液压加载压头(11)内径与承压腔体(8)内径相同。
4.一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的实验装置，具体包括如下步骤：
步骤1，根据目的区块土体的类型、粒径组合和含水饱和度，选取土颗粒，确定土颗粒与蒸馏水的比例，按照该比例将土颗粒与蒸馏水均匀混合后制备成土体试样(7)，将土体试样(7)置于承压腔体(8)内，两端分别用顶部压头(6)与底部压头(9)进行封堵；
步骤2，将承压腔体(8)嵌于底座(10)内，承压腔体(8)底面与液压加载压头(11)相紧贴，开启控制装置(1)、压力加载伺服电机(3)和伺服液压泵(17)，利用压力加载伺服电机(3)控制固结压力加载压头(4)运动，顶部压头(6)与固结压力加载压头(4)相紧贴；
步骤3，利用控制装置(1)设置固结压力加载压头(4)施加的固结压力值为Fu、施加的固结时间为t，通过压力加载伺服电机(3)控制固结压力加载压头(4)施加压力，顶部压头(6)挤压土体试样(7)，使得固结状态下的土体试样(7)沿径向膨胀；
步骤4，开启阀门(16)，控制伺服液压泵(17)以恒定速度向液压油槽(13)内注入高压液压油，使得液压加载压头(11)向承压腔体(8)施加压力；
步骤5，利用控制装置(1)记录液压加载压头(11)对承压腔体(8)施加的载荷P，当土体试样(7)与承压腔体(8)之间发生相对运动时，液压加载压头(11)施加的载荷P达到最大值Pmax，随着土体试样(7)与承压腔体(8)之间相对运动的进行，土体试样(7)与承压腔体(8)之间产生的摩擦逐渐趋于稳定，液压加载压头(11)施加的载荷P达到稳定值Ps；
步骤6，关闭控制装置(1)、压力加载伺服电机(3)和伺服液压泵(17)，卸载固结压力加载压头(4)和液压加载压头(11)施加在承压腔体(8)上的载荷，取出承压腔体(8)内的土体试样(7)，测量土体试样(7)的底面积和侧面积，确定土体试样(7)的泊松比μ，计算土体试样(7)对承压腔体(8)内壁的压力Fr，如式(1)所示：
Figure FDA0003061383780000021
其中，
Figure FDA0003061383780000022
式中，Fu为固结压力加载压头施加的压力值；Ar为土体试样的端面面积；为土体试样的侧面面积Al；k为土体试样的侧压系数；μ为土体试样的泊松比；
步骤7，根据控制装置(1)记录的液压加载压头(11)载荷，获取液压曲线，确定各阶段土体试样(7)与承压腔体(8)之间的摩擦力，具体包括以下步骤：
步骤7.1，当土体试样(7)与承压腔体(8)均处于静止状态时，土体试样(7)与承压腔体(8)之间存在静摩擦，产生的静摩擦力与液压加载压头(11)所施加的载荷相等，如式(3)所示：
Figure FDA0003061383780000023
式中，
Figure FDA0003061383780000024
为土体试样与承压腔体之间的静摩擦力值；P为控制装置记录的液压加载压头所施加的载荷；
步骤7.2，当土体试样(7)与承压腔体(8)之间刚出现相对运动时，土体试样(7)与承压腔体(8)之间存在最大静摩擦力，最大静摩擦力值与液压加载压头(11)所施加的最大载荷相等，如式(4)所示：
Figure FDA0003061383780000031
式中，
Figure FDA0003061383780000032
为土体试样与承压腔体之间的最大静摩擦力值；Pmax为控制装置记录的液压加载压头所施加的最大载荷；
步骤7.3，当土体试样(7)与承压腔体(8)之间发生相对运动时，土体试样(7)与承压腔体(8)之间存在滑动摩擦，液压加载压头(11)所施加的载荷趋于稳定，滑动摩擦力值与液压加载压头(11)所施加的稳定载荷相等，如式(5)所示：
Figure FDA0003061383780000033
式中，
Figure FDA0003061383780000034
为土体试样与承压腔体之间的滑动摩擦力值；Ps为控制装置记录的液压加载压头所施加载荷的稳定值；
步骤8，根据滑动摩擦力与摩擦系数之间的关系，结合土体试样(7)与承压腔体(8)之间的滑动摩擦力值，计算固结状态下土体试样(7)与承压腔体(8)之间的摩擦系数，如式(6)所示：
Figure FDA0003061383780000035
式中，f为固结状态下土体试样与承压腔体之间的摩擦系数；
再根据最大静摩擦力与胶结力之间的关系，结合高应力固结状态下土体试样(7)与承压腔体(8)之间的摩擦系数，计算固结状态下土体试样(7)与承压腔体(8)之间的胶结力，如式(7)所示：
Figure FDA0003061383780000036
式中，Ffc为固结状态下土体试样与承压腔体之间的胶结力。
5.根据权利要求4所述的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，其特征在于，针对固结压力加载压头(4)设置多个固结压力值，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结压力值条件下土体试样(7)与承压腔体(8)之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结压力之间的关系以及胶结力与固结压力之间的关系。
6.根据权利要求4所述的一种测量高应力固结状态下土体与导管摩擦性能的实验方法，其特征在于，针对固结压力加载压头(4)设置多个固结时间，分别重复步骤1至步骤8，获得各固结时间条件下土体试样(7)与承压腔体(8)之间的摩擦系数和胶结力，确定摩擦系数与固结时间之间的关系以及胶结力与固结时间之间的关系。
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