[發明專利]一種鉆孔中原狀土試樣套膜裝置

在審

• 申請號: 202010664724.1
• 申請日: 2020-07-10
• 公開（公告）號: CN111811871A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 黃杜若;金峰;崔治;梁婷
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京歐美大地儀器設備有限公司
• 主分類號: G01N1/08
• 分類號: G01N1/08;G01N1/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明公開了一種鉆孔中原狀土試樣套膜裝置，以解決巖土原位三軸試驗中土樣套膜困難的技術難題。所述鉆孔中原狀土試樣套膜裝置包括套膜保護筒，固定于套膜保護筒頂端的壓力補償進氣口，以及固定于套膜保護筒內部的差壓傳感器、膜、固接的試樣加載頭和試樣頂帽，在試樣加載頭與套膜保護筒內壁之間形成空腔；壓力補償進氣口與空腔連通；差壓傳感器用于測量空腔內和原狀土試樣內部的孔隙水壓力的壓力差值；膜的一端固定于試樣加載頭與試樣頂帽之間，另一端按照先向上彎折再向下彎折的方式由套膜保護筒底部側壁上的固定壓環固定。本發明在切割制樣過程中，在壓力補償作用下膜隨套膜保護筒同步下降，實現邊切土邊套膜，以最大限度地保護原狀土樣。

技術領域

本發明涉及原位三軸試驗套膜方法，特別涉及一種能將現場原狀土切割制樣與套膜同步進行的套膜裝置。

背景技術

土的應力水平和顆粒-孔隙微觀結構是土體強度參數的主要影響因素。然而，室內試驗中土體承受的荷載與真實情況差別較大。同時，取樣往往引起土樣擾動、孔隙結構與含水量改變、應力卸載等，造成室內試驗測量的土體參數與原位土差別很大。而對于含有卵石、碎石層、疏松砂層、風化巖層等難以獲取高質量土樣的土層，取樣法不適用，需要通過原位測試確定其力學參數，以反映一個較大范圍(相對于室內試驗的小塊試驗而言)土體特性。

原位測試手段中原位三軸試驗是取得地基土體力學參數最直接的手段，通過在場地現場直接取樣制樣進行試驗獲得土體參數。而要在場地現場鉆孔地下對原狀土試樣進行三軸試驗，需要把膜套在孔底的圓柱狀土樣上，才能夠給土體施加水平應力模擬周圍土體的水平擠壓狀態，然后再施加剪切應力，從而獲得土體抗剪切力學參數。目前原位三軸試驗套膜的難點在于：

1)自動化問題：由于原位試驗的鉆孔深度可達數十米，人手無法到達孔底，所以沒有辦法進行人工套膜，必須在探頭切削前進的過程中同時實現自動套膜；

2)擾動土樣問題：由于原位三軸試驗的土樣強度通常不高，如果膜沒有提前科學地折疊好，強行給土樣套膜會嚴重擾動土樣，甚至發生土樣破壞，所以在套膜的過程中膜不能給土樣施加額外的荷載；

3)地下水問題：在高地下水位地區，鉆孔往往深于地下水位線，地下水會給孔下實驗裝備施加一個向上的浮力，讓膜內外壓差過大，進而影響套膜過程。

針對現場獲取土體原狀動力特性參數的難題，美國加州大學伯克利分校MFRiemer等人2007年研發出世界上首臺深部土體的原位三軸試驗技術，徹底取消取樣，通過深部鉆孔、切割土樣并在原位開展三軸試驗，直接測量土體動參數。MF Riemer的儀器使用主力切割頭向下切割土體，形成10cm直徑、40cm高的土樣，同時內腔充入氣體，保持切削時土柱的測壓力，并使橡膠膜貼在切削管壁上向下運動。土樣與管壁之間形成氣壓避免了土樣應力卸載；切割成土樣后，膜外加壓使膜整個貼在試樣上，制成原位試樣，整個過程大約20分鐘。最后，對原位土樣進行三軸加載剪切試驗。Riemer教授的研究表明，取樣擾動對土體剪切模量測量的影響達到20％以上。

但是，Riemer教授的試驗裝置及方法在實際使用過程中的成功率低，其原因在于其在切割制樣的過程中使用氣壓維持土樣，整個過程需維持大約20分鐘，切割完土樣后，用膜外加壓使膜整個貼在試樣上，理論可行實際操作卻極為困難，切割過程20分鐘內膜不能對土樣進行及時的保護。

發明內容

針對上述背景技術中的難題及不足，本發明提出一種鉆孔中原狀土試樣套膜裝置，實現了套膜的自動化，實現了邊切土邊套膜，以最大限度減小土樣擾動，解決了地下水存在情況下對膜的影響。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：