CN114813207A - 一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法。该装置的液压顶进取样系统置于轴向压缩系统内，液压顶进取样系统与轴向压缩系统的中心处设有供螺杆贯穿的通孔，螺杆的底端设有试样帽，试样帽位于在土样的顶部；高强度绝缘塑料内土样的顶端及底端分别设有铜电极，位于顶端及底端的铜电极通过导线与电阻率采集模块相连，位于底端的铜电极通过导线与孔压传感器相连；液压顶进取样系统与轴向压缩系统驱动螺杆向高强度绝缘塑料内的土样施压，使孔压传感器及电阻率采集模块获得相应数据。实现了模拟不同深度受压状态下土体取样造成的扰动，对于室内试验获取土体参数重要的参考意义。

Description

一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法
技术领域
本发明涉及岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法。
背景技术
在岩土工程领域中，相关科研和技术人员获取土体的工程性质参数主要以钻探取样和室内试验为主，存在取样扰动大、取样点不连续，试验数据可靠性低等问题，如何评价取样过程中发生的扰动是一个亟待解决的问题。目前一些学者利用室内试验评价土体的扰动，大多是通过固结试验获得的土的物理力学指标来评价取样的扰动程度，用到的土的力学指标有孔隙比、孔隙水压力、结构屈服应力、剪切应变等，这些方法均未考虑土体受到取土器切削的影响。
电阻率法通过测试土体的电阻率来反应土的性质，由于该方法具有快捷、成本低廉等优点而被广泛应用。电阻率法已在测试土体含水率、强度等方面有了较多应用。在取土的过程中，土体受取土器切削影响试样内的水、孔隙体积发生改变，电阻率因此也会产生变化，如何利用电阻率法评价土体的扰动度是目前未能解决的技术难题。
发明内容
本发明针对上述不足提供了一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法，利用电阻率法来研究取土后土体的扰动度情况。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置，包括用于包括土样的高强度绝缘塑料，高强度绝缘塑料的布置在底座上，底座内设有与高强度绝缘塑料相连通排水管，高强度绝缘塑料的上方设有液压顶进取样系统及轴向压缩系统；液压顶进取样系统置于轴向压缩系统内，液压顶进取样系统与轴向压缩系统的中心处设有供螺杆贯穿的通孔，螺杆的底端设有试样帽，所述试样帽位于在土样的顶部；高强度绝缘塑料内土样的顶端及底端分别设有铜电极，位于所述顶端及底端的铜电极通过导线与电阻率采集模块相连，位于所述底端的铜电极通过导线与孔压传感器相连；
通过所述液压顶进取样系统与轴向压缩系统驱动螺杆向高强度绝缘塑料内的土样施压，使孔压传感器及电阻率采集模块获得相应数据。
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置，所述轴向压缩系统包括多孔绝缘透水石，钢架，杠杆架，砝码，台架；
所述钢架布置在台架上，该钢架由两个相平行的竖杆、竖杆顶部的横杆、竖杆底部的杠杆架组成框架结构，竖杆底端贯穿台架与杠杆架相连；
杠杆架上设有放置砝码的托盘，利用砝码的自重让钢架向下运动，且带动螺杆驱动试样帽向试样施压；
所述高强度绝缘塑料的土样顶部与底部分别布置多孔绝缘透水石。
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置，所述液压顶进取样系统包括取样器，竖向刚性支架，螺旋杆，液压千斤顶，变速器、联轴器、控制器，夹具，载荷平台，圆形螺母；
所述竖向刚性支架布置高强度绝缘塑料容器的外侧，竖向刚性支架的高度大于强度绝缘塑料容器的高度；
所述取样器的圆心与竖向刚性支架圆心保持一致，螺杆延伸至取样器内，试样帽置于取样器内，所述取样器的底部套置在试样帽的外侧；
所述的液压千斤顶通过变速器与联轴器相连，联轴器与螺旋杆相连，螺旋杆的顶端设有控制器，液压千斤顶、联轴器、螺旋杆、控制器沿竖向架设；
所述载荷平台的两端分别设有圆形螺母，所述圆形螺母与螺旋杆组成螺纹旋动部；所述夹具布置在载荷平台，该夹具用于夹取取样器。
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置，所述高强度绝缘塑料的外侧设有通过钢护环进行约束，高强度绝缘塑料的内侧通过橡皮膜与土体接触；橡皮膜包的底端裹底座，橡皮膜包的顶端包裹至取样器底端外侧。
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置，所述的排水管上设有夹子。
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置的评价方法，步骤如下：
(1)、切取原状土试样，底座上依次放置多孔绝缘透水石、铜电极、土试样、铜电极、多孔绝缘透水石和试样帽；连接电阻率采集模块及孔压传感器，将螺栓对准试样帽；用橡皮圈将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。在试样周围布设高强度绝缘塑料，并用钢护环箍紧，调节螺栓压住试样帽，压紧土试样；
(2)施加不同数量的砝码模拟土体在不同深度处的受压状态，松开排水的夹子使受压土体内的水排出；
(3)观察孔压传感器，直至显示土样孔压消散为零，夹紧排水管不再排水。启动电阻率采集装置，记录土试样的电阻率ρ1；
(4)启动液压千斤顶、变速器，将夹具连接的取样器顶进土样中，直至土样被完全切削；
(5)在螺栓顶住试样帽的前提下，将取样器缓慢上提，直至土试样完全脱离取样器3；
(6)启动电阻率采集装置，记录土试样被切削之后的电阻率ρ2。通过两次电阻率的变化情况，获得土体取样的扰动度大小，扰动度表示为:
Figure RE-GDA0003676397230000031
本发明所述的模拟原位土体取样扰动装置的评价方法，根据获得土体取样的扰动度大小的扰动度D，当扰动度D≥10％时，将土试样视为受到明显扰动；当扰动度D＜10％时，视为受到微小扰动。
有益效果
本发明提出了一种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法，设计了轴向压缩、侧向绝缘支护、液压顶进取样、排水控制系统和电阻率采集系统，实现了数据的自动监控与采集，实现了模拟不同深度受压状态下土体取样造成的扰动，对于室内试验获取土体参数重要的参考意义。整个系统装置可控性强、功能性强且易于携带、操作和推广使用。
附图说明
图1为模拟原位土体取样扰动装置的结构示意图；
图2为模拟原位土体取样扰动装置夹具及试件俯视结构示意图；
图3为模拟原位土体取样扰动装置夹具及载荷平台结构示意图；
图中有螺杆1、钢架2、取样器3、多孔绝缘透水石4、橡皮膜5、高强度绝缘塑料6、钢护环7、阻率采集模块8、排水管9、砝码10、夹子11、底座12、铜电极13、液压千斤顶14、试样15、变速器16、联轴器17、控制器18、试样帽 19、螺旋杆20、竖向刚性支架21、圆形螺母22、夹具23、载荷平台24、导向环25、杠杆架26、孔压传感器27、台架28、滑轨29。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的种模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法的实施例，引入电阻率法评价取样扰动大小，设计了轴向压缩、侧向绝缘支护、液压顶进取样、排水控制系统和电阻率采集系统，实现了数据的自动监控与采集，实现了模拟不同深度受压状态下土体取样造成的扰动。
本实施例采用的土试样直径略大于取样器直径。
轴向压缩系统包括底座12、多孔绝缘透水石4、试样帽19、螺杆1、钢架2、杠杆架26、砝码10和孔压传感器27；多孔绝缘透水石4置于土样15的上下表面处，上部设有试样帽19、螺杆1；螺杆1通过钢架2连接着杠杆架26和砝码 10；
侧向绝缘支护系统包括高强度绝缘塑料6，外侧通过钢护环7进行约束，内侧通过橡皮膜5与土试样15接触；
液压顶进取样系统包括竖向刚性支架21、螺旋杆20、液压千斤顶14、变速器 16、联轴器17、控制器18，螺旋杆20通过联轴器17与液压千斤顶14及变速器 16相连并竖直架设于竖向刚性支架21中，所述控制器18与液压千斤顶14通过电缆相连，所述变速器16安装于螺旋杆20与液压千斤顶14之间；所述竖向刚性支架21中心点穿过可移动螺栓1，取样器3通过夹具23锁紧在载荷平台24中，可移动拉杆能够上下移动；在载荷平台24中布置用于搭载夹具23滑动的滑轨 29；载夹具23通过滑动锁紧或松开取样器3。在该结构中滑轨29在载荷平台24 的下方或内嵌在载荷平台24中。
排水控制系统包括橡皮膜5、排水管9和夹子11，橡皮膜5套在试样外，橡皮膜5的底端包裹至底座12并扎紧，橡皮膜5的顶端包裹至夹具23，排水管9 内嵌在底座12中；排水管9上布设有可开放的夹子11。
电阻率采集处理系统包括铜电极13、电阻率采集模块8，电阻率采集模块8 可在取样器3顶进前后分别测试电极间土试样的电阻率，通过电阻率变化评价土体取样的扰动度。
上述模拟原位土体取样扰动装置及扰动评价方法，包括以下步骤：
(1)切取原状土试样，底座12上依次放置多孔绝缘透水石4、铜电极13、土试样15、铜电极13、多孔绝缘透水石4和试样帽19，连接电阻率采集模块8、孔压传感器27，将螺杆1对准试样帽19。用橡皮圈将橡皮膜5两端与底座12 及试样帽19分别扎紧。在试样周围布设高强度绝缘塑料6，并用钢护环7箍紧，调节螺栓1压住试样帽19，压紧土试样15；
(2)取好的原状土内部是由土颗粒、水、空气组成的，施加不同数量的砝码10模拟土体在不同深度处的受压状态，通过不同数量的砝码10施加不同压力传递给螺杆1，在受压的情况下水通过多孔绝缘透水石4、及连接的排水管9，松开排水管9的夹子11使受压土体内的水排出；
(3)观察孔压传感器27，直至显示土样孔压消散为零，夹紧排水管9不再排水。启动电阻率采集装置8，记录土试样的电阻率ρ1；
(4)启动伺服液压系统14、变速器16，将夹具23连接的取样器顶进土样中，直至土样被完全切削；
(5)在螺栓顶住试样帽19的前提下，将取样器3缓慢上提，直至土试样完全脱离取样器3；
(6)启动电阻率采集装置8，记录土试样被切削之后的电阻率ρ2。通过两次电阻率的变化情况，获得土体取样的扰动度大小，扰动度表示为:
Figure RE-GDA0003676397230000051
模拟原位土体取样扰动装置的评价方法，根据获得土体取样的扰动度大小的扰动度D，当扰动度D≥10％时，将土试样视为受到明显扰动；当扰动度D＜10％时，视为受到微小扰动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种模拟原位土体取样扰动装置，其特征在于：包括用于包括土样的高强度绝缘塑料，高强度绝缘塑料的布置在底座上，底座内设有与高强度绝缘塑料相连通排水管，高强度绝缘塑料的上方设有液压顶进取样系统及轴向压缩系统；液压顶进取样系统置于轴向压缩系统内，液压顶进取样系统与轴向压缩系统的中心处设有供螺杆贯穿的通孔，螺杆的底端设有试样帽，所述试样帽位于在土样的顶部；高强度绝缘塑料内土样的顶端及底端分别设有铜电极，位于所述顶端及底端的铜电极通过导线与电阻率采集模块相连，位于所述底端的铜电极通过导线与孔压传感器相连；
通过所述液压顶进取样系统与轴向压缩系统驱动螺杆向高强度绝缘塑料内的土样施压，使孔压传感器及电阻率采集模块获得相应数据。
2.根据权利要求1所述的模拟原位土体取样扰动装置，其特征在于：所述轴向压缩系统包括多孔绝缘透水石，钢架，杠杆架，砝码，台架；
所述钢架布置在台架上，该钢架由两个相平行的竖杆、竖杆顶部的横杆、竖杆底部的杠杆架组成框架结构，竖杆底端贯穿台架与杠杆架相连；
杠杆架上设有放置砝码的托盘，利用砝码的自重让钢架向下运动，且带动螺杆驱动试样帽向试样施压；
所述高强度绝缘塑料的土样顶部与底部分别布置多孔绝缘透水石。
3.根据权利要求1所述的模拟原位土体取样扰动装置，其特征在于：所述液压顶进取样系统包括取样器，竖向刚性支架，螺旋杆，液压千斤顶，变速器、联轴器、控制器，夹具，载荷平台，圆形螺母；
所述竖向刚性支架布置高强度绝缘塑料容器的外侧，竖向刚性支架的高度大于强度绝缘塑料容器的高度；
所述取样器的圆心与竖向刚性支架圆心保持一致，螺杆延伸至取样器内，试样帽置于取样器内，所述取样器的底部套置在试样帽的外侧；
所述的液压千斤顶通过变速器与联轴器相连，联轴器与螺旋杆相连，螺旋杆的顶端设有控制器，液压千斤顶、联轴器、螺旋杆、控制器沿竖向架设；
所述载荷平台的两端分别设有圆形螺母，所述圆形螺母与螺旋杆组成螺纹旋动部；所述夹具布置在载荷平台，该夹具用于夹取取样器。
4.根据权利要求1或3所述的模拟原位土体取样扰动装置，其特征在于：所述高强度绝缘塑料的外侧设有通过钢护环进行约束，高强度绝缘塑料的内侧通过橡皮膜与土体接触；橡皮膜包的底端裹底座，橡皮膜包的顶端包裹至取样器底端外侧。
5.根据权利要求1所述的模拟原位土体取样扰动装置，其特征在于：所述的排水管上设有夹子。
6.利用权利要求1至5任一项所述的模拟原位土体取样扰动装置的评价方法，其特征在于：步骤如下：
(1)、切取原状土试样，底座上依次放置多孔绝缘透水石、铜电极、土试样、铜电极、多孔绝缘透水石和试样帽；连接电阻率采集模块及孔压传感器，将螺栓对准试样帽；用橡皮圈将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧；
在试样周围布设高强度绝缘塑料，并用钢护环箍紧，调节螺栓压住试样帽，压紧土试样；
(2)施加不同数量的砝码模拟土体在不同深度处的受压状态，松开排水的夹子使受压土体内的水排出；
(3)观察孔压传感器，直至显示土样孔压消散为零，夹紧排水管不再排水。启动电阻率采集装置，记录土试样的电阻率ρ1；
(4)启动液压千斤顶、变速器，将夹具连接的取样器顶进土样中，直至土样被完全切削；
(5)在螺栓顶住试样帽的前提下，将取样器缓慢上提，直至土试样完全脱离取样器3；
(6)启动电阻率采集装置，记录土试样被切削之后的电阻率ρ2。通过两次电阻率的变化情况，获得土体取样的扰动度大小，扰动度表示为:
Figure FDA0003575990250000021
7.利用权利要求6所述的模拟原位土体取样扰动装置的评价方法，其特征在于：根据获得土体取样的扰动度大小的扰动度D，当扰动度D≥10％时，将土试样视为受到明显扰动；当扰动度D＜10％时，视为受到微小扰动。
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