CN115343167B - 地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置 - Google Patents

地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，包括压力室、加载系统、溶液加排系统以及监测系统，加载系统将力作用到土样上；压力室装有弯曲元、压力传感器等以测量地质与应力历史耦合作用模拟过程中土体的力学特性；溶液加排系统控制土体中溶液的注入和排出以模拟地质与应力历史耦合作用过程；监测系统用于地质与应力历史耦合作用模拟过程中土体的应力应变以及剪切波速等力学特性的监测与记录。本发明的有益效果：实现了含有胶结物质的溶液或腐蚀性溶液的注入和排出，从而实现了真实的地质过程与应力历史过程耦合的模拟，适用于研究深层土体地质与应力历史耦合过程作用下土体的力学变化规律和损伤演化规律。

Description

地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置
技术领域
本发明涉及土木工程验证技术领域，尤其涉及地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置。
背景技术
开发利用深层地下空间是超大城市实现可持续发展，解决城市病，优化城市空间结构的重要途径，北京、上海等超大城市已经制定或正在编制深层地下空间的开发利用规划，且部分先行工程已经开工建设。但由于地下空间赋存土体环境的不确定性，施工期常出现各类事故和灾害，包括地下结构失稳破坏、开挖面突泥涌砂等，这不仅影响自身的安全建设，还会对邻近地下空间、地表空间等造成不良影响，而其中核心的理论基础是深层土的力学特性。其中，深层土胶结过程主要是由于某些土体矿物（方解石等）的溶解以及重结晶形成胶结物质，对土颗粒起到粘结作用，施工过程中的卸荷作用将极大地削弱这种胶结强度；深层土的溶蚀过程是由于土体孔隙水与土体颗粒、粒间胶结物的物理化学作用导致部分土体颗粒或胶结物溶解，这改变了土体的充填条件，进而导致应力变化、变形，而施工的扰动于暴露将会加快这种溶解的过程，使得土体强度进一步降低。
目前，地质与应力历史耦合的模拟是在低应力下（<50kPa）完成土体的胶结过程，再进行固结卸荷试验。自然状态的土体是在一定应力历史下发生地质演化（即胶结）后又经历一段应力历史改变过程的，而胶结过程所处的应力条件是土体地质与应力历史耦合过程中力学特性的重要影响因素，所以传统的固结装置并不能模拟土体的胶结与应力历史耦合过程。而对于土体溶蚀-应力历史耦合过程，现有固结试验的装置无法模拟，目前是通过酸性溶液条件下的三轴试验进行模拟，但三轴试验并不能保证完全侧限的条件，尤其是在高应力条件下。
为了明确深层土体在地质与应力历史耦合过程中的力学特性演化规律，有必要模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合过程。然而，由于研究目的不同，传统的固结装置和三轴仪不能满足上述的试验需求。因此，一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，以满足研究胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合过程中土体力学特性变化的试验需求，并依据土体在上述过程中的特性制定深层地下结构施工安全控制理论及技术，进而深层地下结构施工过程中的安全与质量。
发明内容
本发明公开了一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，包括压力室、加载系统、溶液加排系统以及监测系统，其中，
所述压力室包括底座、位于所述底座上方并间隔设置的顶盖以及连接所述顶盖和所述底座的侧壁，所述底座和所述顶盖上分别各自设有进水口和排水口；
所述加载系统包括砝码、加载力放大机构、传力杆、竖向压力传感器以及横梁，所述加载力放大机构将所述砝码提供的加载力放大后通过所述传力杆传递给所述竖向压力传感器，再经所述竖向压力传感器下端的球铰传至所述横梁上，所述横梁与所述顶盖相连；
所述溶液加排系统包括溶液箱、溶液传输管道、蠕动泵以及收集箱，所述溶液箱通过所述溶液传输管道与所述底座和所述顶盖上的进水口和排水口连接，所述蠕动泵安装于所述溶液箱与进水口之间的所述溶液传输管道上，所述收集箱通过所述溶液传输管道与所述排水口连接；
所述监测系统装配于所述压力室上以用于地质-应力历史耦合模拟过程中土体的应力应变以及剪切波速的力学特性的监测与记录。
作为本发明的一种优选改进，所述侧壁沿其周向方向贯穿设有多个装配孔，所述压力室还包括装配于所述装配孔内的传力轴、装配于所述装配孔内的弯曲元、安装于所述传力轴尾端并位于所述压力室外侧的密封盖以及安装于所述传力轴尾端并位于所述密封盖内的压力传感器。
作为本发明的一种优选改进，所述底座和所述顶盖相互正对的表面均凹陷形成有环形槽。
作为本发明的一种优选改进，还包括设置于所述顶盖与所述侧壁之间的密封圈。
作为本发明的一种优选改进，所述加载力放大机构包括用于将加载力放大十倍的一级杠杆和用于将加载力放大五倍的二级杠杆，所述一级杠杆一端与所述砝码连接，另一端与所述二级杠杆的一端连接，所述二级杠杆的另一端与所述传力杆连接。
作为本发明的一种优选改进，所述竖向压力传感器通过球铰将放大后的加载力传至所述横梁上。
作为本发明的一种优选改进，所述加载系统还包括竖向设置的导向杆，所述横梁可移动的装配于所述导向杆上。
本发明的有益效果如下：
1）通过压力室上下进排水通道的设置以及蠕动泵的应用，实现了固结过程中含有胶结物质溶液或腐蚀性溶液的注入和排出，从而实现了与真实的地质过程相同的地质-应力历史耦合过程模拟，适用于研究胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合过程下土体的力学变化规律和损伤演化规律；
2）通过传力轴将侧向应力传至装在压力室外部的压力传感器，在保证完全侧限的同时避免了内壁安装土压力盒对其弧度的影响，并且为弯曲元的安装提供了充足空间；
3）通过在压力室侧壁加装水平向传力轴，可测量地质-应力历史耦合模拟过程中土体的水平应力系数K0的变化；同时在压力室侧壁以及顶盖和底部加装弯曲元，可测量地质-应力历史耦合过程模拟中土体的剪切波速变化，与土体K0系数以及压缩模量共同表征土体的力学特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明溶液加排系统与监测系统、压力室的装配结构示意图；
图2为本发明压力室的俯视结构示意图；
图3为沿图2中A-A线的剖视结构示意图；
图4为本发明传力轴的装配结构示意图；
图5为本发明加载系统的总体结构示意图；
图6为本发明加载系统的部分结构示意图；
图7为本发明监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1-4所示，本发明提供一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，包括压力室1、加载系统2、溶液加排系统3以及监测系统4。
所述压力室1包括底座11、位于所述底座11上方并间隔设置的顶盖12以及连接所述顶盖12和所述底座11的侧壁13。所述底座11和所述顶盖12上分别各自设有进水口（未图示）和排水口（未图示），以便与所述溶液加排系统3相连。
所述侧壁13沿其周向方向贯穿设有多个装配孔，所述压力室1还包括装配于所述装配孔内的传力轴14、安装于所述传力轴14前端并位于所述压力室1内的弯曲元15、安装于所述传力轴14尾端并位于所述压力室1外侧的密封盖16以及安装于所述传力轴14尾端并位于所述密封盖16内的压力传感器17，所述传力轴14与弯曲元15装在侧壁13上，外侧加装密封盖16，以保证在实验过程中整个压力室1的密封性。
所述底座11和所述顶盖12相互正对的表面均凹陷形成有环形槽112，以保证在溶液进出的过程中均匀分布。
进一步的，所述压力室1还包括设置于所述顶盖12与所述侧壁13之间的密封圈，确保在加载过程中压力室1的密封性。
再结合图4所示，所述加载系统2包括砝码21、加载力放大机构、传力杆22、竖向压力传感器23以及横梁24，所述加载力放大机构将所述砝码21提供的加载力放大后通过所述传力杆22传递给所述竖向压力传感器23，所述竖向压力传感器23将放大后的加载力传至所述横梁24上，所述横梁24与所述顶盖12相连。
所述加载力放大机构包括用于将加载力放大十倍的一级杠杆25和用于将加载力放大五倍的二级杠杆26，所述一级杠杆25一端与所述砝码21连接，另一端与所述二级杠杆26的一端连接，所述二级杠杆26的另一端与所述传力杆22连接。这样，可以通过所述加载力放大机构将所述砝码21的加载力放大50倍。
进一步的，经上述过程放大的力传至所述竖向压力传感器23上，并通过球铰传至所述横梁24上，所述竖向压力传感器23的作用为测量放大后的竖向加载力，以避免加载力放大机构两次放大加载力造成的加载误差过大。
再结合图6所示，所述加载系统2还包括竖向设置的导向杆27，所述横梁24可移动的装配于所述导向杆27上，这样，通过所述横梁24与所述导向杆27共同保证力的加载处于竖直方向上。
所述溶液加排系统3包括溶液箱31、溶液传输管道（未图示）、蠕动泵32以及收集箱33，所述溶液箱31通过所述溶液传输管道与所述底座11和所述顶盖12上的进水口和排水口连接，所述蠕动泵32安装于所述溶液箱31与进水口之间的所述溶液传输管道上，所述收集箱33通过所述溶液传输管道与所述排水口连接。
需要说明的是，所述溶液箱31盛放配置好的可产生胶结物质溶液或腐蚀性溶液，在蠕动泵32的作用下经溶液传输管道流入、流出土体，最终流入所述收集箱33中。
所述监测系统4装配于所述压力室1上以用于地质-应力历史耦合模拟过程中土体的应力应变以及剪切波速的力学特性的监测与记录。
具体的，再结合图7所示，所述监测系统4包括数据采集系统、波形发射器42、滤波器43、功率放大器44以及示波器45。所述数据采集系统与试验过程中装置上的所有力、位移传感器连接，主要负责采集试验过程中力、变形相关数据；其余部分为弯曲元剪切波的发射与接收系统。所述功率放大器44连接于所述波形发生器42与所述压力室1之间；所述滤波器43连接于所述示波器45与所述压力室1之间；所述波形发生器42还与所述示波器45连接。弯曲元测试系统工作过程为：由波形发生器42激发一固定频率的剪切波，经功率放大器44放大后传至压力室1中的弯曲元15的发射端，在土体中传播后由弯曲元15的接收端接收该剪切波信号，并经由滤波器43过滤其余频率杂波，最后在示波器45中显示并记录。数据采集系统工作过程为：试验过程中装置上的所有力、位移传感器均连接到该数据采集系统上，数据采集系统以5Hz的频率接收并储存试验数据。
本发明提供的一种地质与应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置的工作原理如下：
所述加载系统2通过两级杠杆将砝码21施加的力传递到压力室1的顶盖12，进而作用到土样上；压力室1为土样赋存空间，并装有弯曲元15、压力传感器17等以测量地质-应力历史耦合模拟过程中土体的力学特性；溶液加排系统3控制地质-应力历史耦合模拟过程中土体中溶液的输入和排出；监测系统4用于地质-应力历史耦合模拟过程中土体的应力应变以及剪切波速的力学特性的监测与记录。
本发明的有益效果如下：
1）通过压力室上下进排水通道的设置以及蠕动泵的应用，实现了固结过程中含有胶结物质溶液或腐蚀性溶液的注入和排出，从而实现了与真实的地质过程相同的地质-应力历史耦合过程模拟，适用于研究胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合过程下土体的力学变化规律和损伤演化规律；
2）通过传力轴将侧向应力传至装在压力室外部的压力传感器，在保证完全侧限的同时避免了内壁安装土压力盒对其弧度的影响，并且为弯曲元的安装提供了充足空间；
3）通过在压力室侧壁加装水平向传力轴，可测量地质-应力历史耦合模拟过程中土体的水平应力系数K0的变化；同时在压力室侧壁以及顶盖和底部加装弯曲元，可测量地质-应力历史耦合模拟过程中土体的剪切波速变化，与土体K0系数以及压缩模量共同表征土体的力学特性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于，包括压力室、加载系统、溶液加排系统以及监测系统，其中，
所述压力室包括底座、位于所述底座上方并间隔设置的顶盖以及连接所述顶盖和所述底座的侧壁，所述底座和所述顶盖上分别各自设有进水口和排水口；
所述侧壁沿其周向方向贯穿设有多个装配孔，所述压力室还包括装配于所述装配孔内的传力轴、装配于所述装配孔内的弯曲元、安装于所述传力轴尾端并位于所述压力室外侧的密封盖以及安装于所述传力轴尾端并位于所述密封盖内的压力传感器，所述弯曲元还安装于所述底座和所述顶盖上；
所述加载系统包括砝码、加载力放大机构、传力杆、竖向压力传感器以及横梁，所述加载力放大机构将所述砝码提供的加载力放大后通过所述传力杆传递给所述竖向压力传感器，再经所述竖向压力传感器下端的球铰传至所述横梁上，所述横梁与所述顶盖相连；
所述溶液加排系统包括溶液箱、溶液传输管道、蠕动泵以及收集箱，所述溶液箱通过所述溶液传输管道与所述底座和所述顶盖上的进水口和排水口连接，所述蠕动泵安装于所述溶液箱与进水口之间的所述溶液传输管道上，所述收集箱通过所述溶液传输管道与所述排水口连接；
所述监测系统装配于所述压力室上以用于地质-应力历史耦合过程中土体的应力应变以及剪切波速的力学特性的监测与记录。
2.根据权利要求1所述的模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于：所述底座和所述顶盖相互正对的表面均凹陷形成有环形槽。
3.根据权利要求1所述的模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于：还包括设置于所述顶盖与所述侧壁之间的密封圈。
4.根据权利要求1所述的模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于：所述加载力放大机构包括用于将加载力放大十倍的一级杠杆和用于将加载力放大五倍的二级杠杆，所述一级杠杆一端与所述砝码连接，另一端与所述二级杠杆的一端连接，所述二级杠杆的另一端与所述传力杆连接。
5.根据权利要求1或4所述的模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于：所述竖向压力传感器通过球铰将放大后的加载力传至所述横梁上。
6.根据权利要求5所述的模拟胶结-应力历史耦合或溶蚀-应力历史耦合作用下土体赋存状态演化试验装置，其特征在于：所述加载系统还包括竖向设置的导向杆，所述横梁可移动的装配于所述导向杆上。
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