[發明專利]小孔擴張試驗裝置及其試驗方法

有效

• 申請號: 201910535486.1
• 申請日: 2019-06-20
• 公開（公告）號: CN110208493B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 馬建軍;黃林沖;梁禹;賴正首
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 東莞合方知識產權代理有限公司 44561
• 代理人: 許建成

本發明公開了一種小孔擴張試驗裝置及其試驗方法，在飽和軟粘土中埋設擴張器，并在擴張器的彈性膜的橫截面所在的平面徑向間隔設置多個土壓力盒和孔隙水壓傳感器，通過控制封閉空間的內壓即可實現彈性膜的徑向擴張，從而模擬小孔擴張的力學行為，同時，通過監測裝置獲取液壓傳感器、孔隙水壓傳感器和土壓力盒的數據，得到彈性膜擴張前后封閉空間的內壓變化和彈性膜周圍的孔隙壓力的變化和徑向應力的變化情況，以及通過地表位移測量輔助參照的輔助測量得到彈性膜擴張前后飽和軟粘土頂部的位移變化情況，最終，對試驗獲得的孔隙壓力、徑向應力以及地表位移等數據進行分析并計算，以輔助獲得可以準確解釋飽和軟粘土中小孔擴張的本構模型。

技術領域

本發明涉及小孔擴張試驗技術領域，特別涉及一種小孔擴張試驗裝置及其試驗方法。

背景技術

當外界物體(如樁基、觸探桿等)受到作用力被“壓”入巖土介質中時，原來位置處的巖土介質會被“擠”開，并產生位移。因此，變形的巖土體對進入的物體產生壓力，而物體周圍的巖土體應力場、位移場會發生改變。為了探究物體周圍巖土介質的應力、位移、孔隙水壓等因外界物體“擠入”產生的變化，將物體端部與巖土體的相互作用問題簡化為球形小孔擴張，而非端部與巖土體的相互作用簡化為柱形小孔的擴張。

如圖1所示，以球形小孔擴張為例，一個飽和軟粘土空心圓球的內半徑為r，外半徑為R，內部受到的壓力為p，外部受到的壓力為p₀(所謂外部壓力即為初始地應力)，當球孔受到外力的影響發生擴張或收縮時，它的內徑、外徑、內部壓力和外部壓力均發生改變，同時引起土體的孔隙水壓力、位移的變化。因此，可以根據小孔擴張的理論來研究土體的應力和位移，判斷土體是否到達了臨界狀態，結構是否有發生破壞的風險。此外，根據小孔擴張解答和工程中的測試數據可以反向求得小孔的外部壓力P₀，即測試得到初始地應力的分布(水壓致裂法即用此原理)；抑或通過柱孔擴張的解答和土體的強度參數得到地基的承載力(或者樁基和錨桿的端阻力和側面阻力)。在土木工程中，如隧道開挖、錨桿鉆孔、鉆井等情況下，完整土體被開挖而損失，在地應力的作用下開挖產生的小孔會收縮變形，并由此產生孔壁的失穩等問題。飽和黏土中小孔擴張問題的研究則正好可以給軟土地區隧道開挖變形預測以及鉆孔的穩定性等提供幫助。

飽和黏土中小孔擴張問題的研究能否給軟土地區隧道開挖變形預測以及鉆孔的穩定性等提供幫助，主要在于能否得出準確解釋飽和軟粘土中小孔擴張的本構模型，而本構模型的獲得重點在于能否準確地模擬飽和軟粘土中小孔擴張的力學行為，并在模擬試驗得到的巖土體的應力、孔隙壓力以及位移等數據的基礎上，根據力學平衡方程、巖土體變形的相容方程，以及巖土體的本構模型來計算巖土體的應力、位移和孔隙水壓力分布。

目前針對小孔擴展的模擬方法有：離心模型試驗法，其能與孔擴張的試驗相結合，但是離心機試驗較為昂貴；此外，也有研究者采用其他材料如巖石、橡膠等來模擬小孔擴張的力學行為。總的來說，針對模擬飽和軟粘土中柱形孔和球形孔的擴張和收縮問題的試驗研究很少，尚無類似的模型試驗設計。

發明內容

本發明的主要目的是提出一種小孔擴張試驗裝置及其試驗方法，旨在準確地模擬飽和軟粘土中小孔擴張的力學行為，以輔助獲得可以準確解釋飽和軟粘土中小孔擴張的本構模型。

為實現上述目的，本發明提出一種小孔擴張試驗裝置，包括：

模型箱，所述模型箱內盛裝有飽和軟粘土；

擴張器，埋設于飽和軟粘土中，包括剛性支撐體以及彈性膜，所述彈性膜直接或者通過中間件與支撐體相連并將支撐體部分或全部包圍形成柱狀或者球狀的封閉空間，支撐體或者彈性膜連接有通連封閉空間和外界的注水管和出水管，注水管與位于模型箱外的供水裝置通連，出水管則直接或者通過中間連接管延伸至模型箱外，且出水管安裝有出水控制閥門，封閉空間內還裝有用于檢測內壓的液壓傳感器，封閉空間內壓變化時，彈性膜可實現徑向擴張；