[發(fā)明專利]一種鉆孔中原狀土試樣套膜裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011496308.1
• 申請(qǐng)日: 2020-12-17
• 公開（公告）號(hào): CN112683578A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃杜若;金峰;崔治;梁婷;杜三林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司;華能集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司;北京歐美大地儀器設(shè)備有限公司
• 主分類號(hào): G01N1/08
• 分類號(hào): G01N1/08;G01N1/28
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發(fā)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(yàn)中土樣套膜困難的技術(shù)難題。所述鉆孔中原狀土試樣套膜裝置包括套膜保護(hù)筒，固定于套膜保護(hù)筒頂端的壓力補(bǔ)償進(jìn)氣口，以及固定于套膜保護(hù)筒內(nèi)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(hù)筒內(nèi)壁之間形成空腔；壓力補(bǔ)償進(jìn)氣口與空腔連通；差壓傳感器用于測(cè)量空腔內(nèi)和原狀土試樣內(nèi)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(hù)筒底部側(cè)壁上的固定壓環(huán)固定。本發(fā)明在切割制樣過程中，在壓力補(bǔ)償作用下膜隨套膜保護(hù)筒同步下降，實(shí)現(xiàn)邊切土邊套膜，以最大限度地保護(hù)原狀土樣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原位三軸試驗(yàn)套膜方法，特別涉及一種能將現(xiàn)場(chǎng)原狀土切割制樣與套膜同步進(jìn)行的套膜裝置。

背景技術(shù)

土的應(yīng)力水平和顆粒-孔隙微觀結(jié)構(gòu)是土體強(qiáng)度參數(shù)的主要影響因素。然而，室內(nèi)試驗(yàn)中土體承受的荷載與真實(shí)情況差別較大。同時(shí)，取樣往往引起土樣擾動(dòng)、孔隙結(jié)構(gòu)與含水量改變、應(yīng)力卸載等，造成室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量的土體參數(shù)與原位土差別很大。而對(duì)于含有卵石、碎石層、疏松砂層、風(fēng)化巖層等難以獲取高質(zhì)量土樣的土層，取樣法不適用，需要通過原位測(cè)試確定其力學(xué)參數(shù)，以反映一個(gè)較大范圍(相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)的小塊試驗(yàn)而言)土體特性。

原位測(cè)試手段中原位三軸試驗(yàn)是取得地基土體力學(xué)參數(shù)最直接的手段，通過在場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)直接取樣制樣進(jìn)行試驗(yàn)獲得土體參數(shù)。而要在場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)鉆孔地下對(duì)原狀土試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)，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(yīng)力模擬周圍土體的水平擠壓狀態(tài)，然后再施加剪切應(yīng)力，從而獲得土體抗剪切力學(xué)參數(shù)。目前原位三軸試驗(yàn)套膜的難點(diǎn)在于：

1)自動(dòng)化問題：由于原位試驗(yàn)的鉆孔深度可達(dá)數(shù)十米，人手無法到達(dá)孔底，所以沒有辦法進(jìn)行人工套膜，必須在探頭切削前進(jìn)的過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)套膜；

2)擾動(dòng)土樣問題：由于原位三軸試驗(yàn)的土樣強(qiáng)度通常不高，如果膜沒有提前科學(xué)地折疊好，強(qiáng)行給土樣套膜會(huì)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)土樣，甚至發(fā)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(qū)，鉆孔往往深于地下水位線，地下水會(huì)給孔下實(shí)驗(yàn)裝備施加一個(gè)向上的浮力，讓膜內(nèi)外壓差過大，進(jìn)而影響套膜過程。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)獲取土體原狀動(dòng)力特性參數(shù)的難題，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校MFRiemer等人2007年研發(fā)出世界上首臺(tái)深部土體的原位三軸試驗(yàn)技術(shù)，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(yàn)，直接測(cè)量土體動(dòng)參數(shù)。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(shí)內(nèi)腔充入氣體，保持切削時(shí)土柱的測(cè)壓力，并使橡膠膜貼在切削管壁上向下運(yùn)動(dòng)。土樣與管壁之間形成氣壓避免了土樣應(yīng)力卸載；切割成土樣后，膜外加壓使膜整個(gè)貼在試樣上，制成原位試樣，整個(gè)過程大約20分鐘。最后，對(duì)原位土樣進(jìn)行三軸加載剪切試驗(yàn)。Riemer教授的研究表明，取樣擾動(dòng)對(duì)土體剪切模量測(cè)量的影響達(dá)到20％以上。

但是，Riemer教授的試驗(yàn)裝置及方法在實(shí)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(gè)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(gè)貼在試樣上，理論可行實(shí)際操作卻極為困難，切割過程20分鐘內(nèi)膜不能對(duì)土樣進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述背景技術(shù)中的難題及不足，本發(fā)明提出一種鉆孔中原狀土試樣套膜裝置，實(shí)現(xiàn)了套膜的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了邊切土邊套膜，以最大限度減小土樣擾動(dòng)，解決了地下水存在情況下對(duì)膜的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：