一种囊压原型试验方法与试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程测试领域中的一种囊压原型试验方法与试验装置。

背景技术

岩土体为天然形成的材料，岩土体的物质组分与各组分之间相互作用关系因地而异，因岩土体材料体量巨大、组分不定、力学作用关系复杂，依据取样试验或小区域局部加载的原位测试数据进行计算分析的精度低，远不能满足工程需求，因而造成了巨量的工程浪费，且时有安全隐患。利用可实施且造价及试验时间可接受的原型试验，即利用接近实际使用状态下的应力水平，在清晰的边界条件下，对岩体或土体进行加载，并测定加载条件下的变形响应，可高精度测定岩体或土体的应力应变关系，为岩土工程计算与分析提供可靠参数依据，是岩土工程领域亟待解决的科技难题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种囊压原型试验方法，该方法能够利用袋装流体实现在岩土体中施加足够大的加载作用，进而使岩土体在一定距离范围产生足够大的变形，将特定范围内岩体或土体作为共同受力体而产生位移，通过位移的测定确定岩土体在与工程使用中可以相比拟的荷载作用下的受力变形特性，从而确定岩土体的应力应变关系，测试成本较低，速度较快，可靠性高，易于实施。

该种囊压原型试验方法包括如下步骤：

a)根据测试目的，确定最大加载量、分级加载量、卸载要求与单级加载侧向位移测试要求、单级加载后侧向位移稳定标准、终止加载标准，并在岩体或土体中钻孔作为试验孔；

b)将外径小于步骤a)中形成的试验孔直径的护壁管与测斜管放入试验孔内，并使得测斜管位于护壁管外侧；

c)用颗粒状固体填实护壁管与测斜管的外侧与试验孔侧壁之间的空隙；

d)利用灌注于密封袋内的流体压力，使密封袋与步骤c)中填充的颗粒状固体紧密接触；

e)利用密封袋及密封袋内的流体对步骤a)中施工的试验孔侧壁施加压应力，测算压应力大小，并满足步骤a)中的确定的分级加载要求，完成单级加载；

f)按照步骤a)中确定的侧向位移测试要求，利用测斜仪与测斜管测量试验孔的侧壁在步骤e)中施加的压应力作用下产生的侧向位移量，直至步骤e)中加载后的侧向位移量满足步骤a)中确定的单级加载稳定标准；

g)进行下一级加载，重复步骤e)～步骤f)，直至满足步骤a)中确定的终止加载标准。

在上述的囊压原型试验方法中，在上述的步骤g)中，在加载完成后，按照以下方法完成囊压原型卸载试验：分级减小密封袋内流体压强，完成分级卸载；利用测斜仪与测斜管测量试验孔的侧壁在卸载后的压应力作用下的侧向位移量；进行下一级卸载，直至卸载完成。

在上述的囊压原型试验方法中，上述步骤b)中，将密封袋套在护壁管的外侧。

在上述的囊压原型试验方法中，在上述步骤a)中，在试验孔附近岩土体中施工测斜孔，在上述步骤f)与步骤g)中同步测量深层土体侧向位移，测算各水平面上试验孔与测斜孔的水平距离。

在上述的囊压原型试验方法中，上述步骤d)中，在密封袋内设置杆件，阻止密封袋上下移动，并将密封袋放置于护壁管的内，在密封袋充入流体后，拔出护壁管。

在上述的囊压原型试验方法中，上述步骤g)中，利用同一土层在不同渗径条件下的试验孔侧壁位移测试值差异，计算土体变形与时间相关性参数。

在上述的囊压原型试验方法中，上述步骤g)中，将各测试点的实测加载持续时间除以等效渗径的平方的进行渗透条件影响的归一化处理，以消除岩土体固结引起的测试参数差异或缩短试验时间。

本发明的第二个目的是提供一种囊压原型试验装置，该试验装置可对岩土体进行原型试验测试，性能可靠，测试操作简单，测试精度高，造价低。

该种囊压原型试验装置包括密封袋、护壁管、测斜管、测斜仪、密封连接、流体输入输出装置及流体压强测定装置七部分，其中的密封袋为具备密封性能的由柔性布状不透水材料围合而成的袋状部件，流体压强测定装置是具备测量流体压强功能的装置，流体输入输出装置是具备将流体输入或输出密封袋功能的装置，密封连接是将密封袋与流体输入输出装置连接的部件，护壁管是置放于密封袋内侧或外侧的具备维持密封袋外侧颗粒状固体稳定功能的构件，测斜管放置于密封袋的外侧，密封连接位于密封袋与流体输入输出装置之间。

在上述的囊压原型试验装置中，在上述的测斜管与密封袋之间设置粗砂填充料。

在上述的囊压原型试验装置中，上述的护壁管放置于密封袋的内侧，并在护壁管的外侧安装位移传感器。

本发明的囊压原型试验方法与试验装置，可利用水与气的组合对岩土体施加巨大荷载作用，以使得岩土体在试验过程中的承受的荷载水平与工程实际中承受的荷载水平具备可比性，从而使得试验过程中的各项位移测试值与工程实践中实际值具备可比拟的数值，故称为原型试验，试验设备简单，精度高，造价低，可靠度高。

附图说明

图1为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验的试验孔、测斜孔与土层分布剖面示意图；

图2为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验装置剖面原理图；

图3为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验方法第一步工况示意图；

图4为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验方法第二步工况示意图；

图5为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验方法第三步工况示意图；

图6为本发明的一个实施例所用的囊压原型试验方法第四步工况示意图。

具体实施方式

作为本发明的一个实施例，下面结合图1～图6，介绍本发明的囊压原型试验方法与试验装置的构造及工作原理。首先，结合图2与图6介绍本发明的囊压原型试验装置的构造及工作原理。该种囊压原型试验装置包括密封袋(7)、护壁管(10)、测斜管(6)、测斜仪、密封连接(12)、流体输入输出装置(9)、及流体压强测定装置(14)七部分，其中的密封袋(7)为具备密封性能的由柔性布状不透水材料围合而成的袋状部件，流体压强测定装置(14)是具备测量流体压强功能的装置，流体输入输出装置(9)是具备将流体输入或输出密封袋(7)功能的装置，密封连接(12)是将密封袋(7)与流体输入输出装置(9)连接的部件，其中的测斜管(6)放置于密封袋(7)的外侧，护壁管(10)是置放于密封袋(7)内侧或外侧的具备维持密封袋外侧颗粒状固体稳定功能的构件，密封连接(12)位于密封袋(7)与流体输入输出装置(9)之间。在本实施例中，当护壁管(10)位于密封袋(7)内部时，可将测斜管(6)放置在密封袋(7)的外侧，放入试验孔(5)中进行试验。护壁管(10)也可以放置在密封袋(7)的外侧，在这一情况下，可将测斜管(6)放置在护壁管(10)的外侧放入试验孔(5)，然后填砂，再将密封袋(7)放置在护壁管(10)内，试验加载前，将护壁管(10)拔出，并将密封袋(7)留在试验孔(5)中。在本实施例中，利用流体输入输出装置(9)向密封袋(7)内输送流体(8)，增加密封袋(7)内流体(8)的压强，实现试验加载，并利用流体压强测定装置(14)测算密封袋(7)内流体(8)的压强，确定试验加载量的大小，再利用测斜管(6)与测斜仪，测定在试验加载作用下试验孔直径的变化及土体侧向位移，实现在袋装流体荷载作用下测算土体变形响应的试验目的。在本实施例中，流体输入输出装置(9)可以是稳压液压泵或空气压缩机，相应的流体压强测定装置(14)可以是液压表或气压表。在本实施例中，流体输入输出装置(9)还可以是水塔或被设置于高处的储水罐，相应的流体压强测定装置(14)可以是高差测量装置。在本实施例中，为了避免试验过程中浅部填土的不利影响，可在密封袋(7)的上部用密封连接(12)将填土隔离，密封连接(12)可用钢管制作。在密封连接(12)与试验孔(5)的侧壁之间，可用粗砂(11)填实，避免密封袋(7)局部破裂。在本实施例中，可用如图2所示的顶环(13)将测斜管(6)的顶部相对固定，作为测斜管(6)侧向变形测量的参照点，提高试验测量精度，顶环(13)可用钢筋混凝土或钢管混凝土制作，在本实施例中，护壁管(10)可以放置在密封袋(7)的内侧，当密封袋(7)内充入流体(8)后，便可与外围的回填材料紧密接触。在本实施例中，也可以将护壁管(10)放置于密封袋(7)的外侧，在密封袋(7)充入足够大压力的流体后，拔出护壁管(10)，使得密封袋与回填材料紧密接触。在本实施例中，可将护壁管(10)放置于密封袋(7)的内侧，并在护壁管(10)的外侧安装位移传感器，以在试验中实时测量密封袋(7)的横截面尺寸。

本实施例的以下部分，主要结合图1～图6，介绍本发明的囊压原型试验方法具体实施方式与步骤。第一步，根据测试目的，确定最大加载量、分级加载量与分级卸载量、单级加载与单级卸载侧向位移测试要求、单级加载与单级卸载后侧向位移稳定标准、终止加载标准、终止卸载标准，并在岩体或土体中钻孔作为试验孔(5)，如图1与图3所示，当不需要卸载试验成果时，在本步骤中可以仅设定加载控制要求。本步骤中加载量可参照工程实际荷载大小及试验目的确定，分级加载、分级卸载及加卸载稳定标准的确定可参照静载荷试验的相关规定进行选取。本步骤中，终止加载标准中的最大压应力可以与测试场地拟建工程在岩体或土体中实际附加应力的大小相匹配。侧向位移测试要求可参照深层土体侧向位移测量要求与标准进行。在本实施例中，选择的试验场地的土层分布如图1所示，包括填土层(1)、砂质粉土层(2)、粉质黏土层(3)及粉砂层(4)。在本步骤中，在试验孔(5)附近的土体中施工测斜管(6)，如图1所示。完成第一步，进入第二步。将外径小于第一步中形成的试验孔(5)直径的护壁管(10)与测斜管(6)放入试验孔(5)内，并使得测斜管(6)位于护壁管(10)的外侧，如图4所示。在本步骤中，可在安装测斜管(6)时，将测斜管(6)沿着护壁管(10)的周边相对固定，使得测斜管(6)在护壁管(10)的周边分布均匀，并使得护壁管(10)与测斜管(6)在垂直方向可以相对移动，便于护壁管(10)的拔出。完成第二步，进入第三步。本步骤中，用粗砂作为颗粒状固体填实护壁管(10)与测斜管(6)的外侧与试验孔(5)侧壁之间的空隙，如图5所示。当护壁管(10)位于密封袋(7)的外侧时，在填砂的过程中，需要预防填砂进入护壁管(10)的内侧，可将护壁管(10)插入试验孔(5)的孔底土体中一定深度予以解决。完成第三步，进入第四步。本步骤中，利用灌注于密封袋(7)内的流体压力，使密封袋(7)与第三步中填充的颗粒状固体紧密接触；在本步骤中，当护壁管(10)位于密封袋(7)的外侧时，需用密封袋(7)及灌注于密封袋(7)内的流体(8)填充护壁管(10)内的空间，然后拔出护壁管(10)。本步骤完成后的试验孔横截面图如图6所示。本步骤的实施要点在于，当需要拔出护壁管(10)时，需预防填砂进入护壁管(10)以内的空间，可通过以下方式实现：在护壁管(10)开始上拔前，将密封袋(7)内充满水，并用密封袋(7)与水完全充填护壁管(10)内的空间；在密封袋(7)内设置杆件，在护壁管(10)拔出过程中，阻止密封袋(7)上下移动。在本步骤中，流体(8)可以是水和气的组合。完成第四步，进入第五步。本步骤中，利用密封袋(7)及密封袋(7)内的流体(8)对第一步中施工的试验孔(5)侧壁施加压应力，测算压应力大小，并满足第一步中的确定的分级加载要求，完成单级加载。在本步骤中，因土体在加载后会产生变形，应实时向密封袋(7)内补充流体(8)，可采用稳压泵补充流体(8)，也可以利用与密封袋(7)连通的水塔或高于试验场地的储水罐补充流体(8)。完成第五步，进入第六步。在本步骤中，按照第一步中确定的侧向位移测试要求，利用测斜仪与测斜管(6)测量试验孔(5)的侧壁在第五步加载压应力作用下的侧向位移量，直至第五步中加载后的侧向位移量满足第一步中确定的单级加载稳定标准。在本步骤中，当埋设多根测斜管(6)时，应尽量缩短对各根测斜管(6)测量的间隔时间，当试验孔(5)外围的岩土体中埋设如图1所示的测斜管(6)时，应同步测量。完成第六步，进入第七步。本步骤是重复步骤，重复第五步与第六步，直至满足第一步中确定的终止加载标准。在本步骤中，在加载完成后，可按照以下方法完成囊压原型卸载试验：按照确定的分级卸载量，开始分级减小密封袋(7)内流体(8)的压强，完成分级卸载；利用测斜仪与测斜管(6)测量试验孔(5)的侧壁在卸载后的压应力作用下的侧向位移量，直至卸载后的侧向位移量满足确定的单级卸载后侧向位移稳定标准；进行下一级卸载，直至完成卸载。在本步骤中，可以利用同一土层在不同渗径条件下的试验孔侧壁位移测试值差异，计算土体变形与时间相关性参数。在本步骤中，还可以将各测试点的实测加载持续时间除以等效渗径的平方进行渗透条件影响的归一化处理，以消除岩土体固结引起的测试参数差异或缩短试验时间。从而完成本发明的囊压原型试验方法。

本专利包括但不限于本领域内专业人士可替代使用的其他类似方法与装置。