深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發明涉及一種深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置及其測試方法。評價工程地基狀態最直接可靠的是載荷板試驗，但目前無針對孔內載荷板試驗的裝置。本發明將液壓橡膠膜套在支撐環外，將支撐環套放在下心管外的支撐板上，然后將千斤頂和壓力傳感器連接于下心管頂部，將位移傳感器固定在支撐環上；將氣壓橡膠膜套裝在上心管外，然后固定上下蓋板；布置測試系統，開啟氣壓泵、液壓泵記錄壓力傳感器和位移傳感器的測量值。本發明將氣壓摩擦反力裝置、加載裝置和測試裝置組成一個獨立孔內載荷板試驗系統，系統通過氣壓膜與孔壁摩擦為系統提供支撐反力支撐，測試傳感器直接測量載荷板的沉降量，實現了孔內載荷板試驗的測試。
【專利說明】深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于巖土工程原位測試【技術領域】，具體涉及一種深孔內土體壓縮變形模量 及強度的測試裝置及其測試方法。
【背景技術】
[0002] 自然界中的土體受其成因條件、氣候環境等影響造成其物理力學性質的千差萬 另IJ，獲取土體準確的物理力學參數不僅是工程勘察的重要內容，同時也直接關系著工程設 計的安全性和合理性。工程中常用土工室內試驗成果作為設計依據，但是土體作為一種典 型三相顆粒散體堆積物，取樣時的擾動、邊界條件變化，運輸過程、尺寸效應等都對試驗結 果有一定影響，所以在試驗場地內開展原位試驗是獲得準確土體物理力學參數相對較好方 法。
[0003] 評價工程地基狀態最直接可靠的試驗方法即是載荷板試驗，孔內載荷板試驗可以 分層評價地基的壓縮模量及承載力特征，其結果對工程的設計分析具有重要意義。但是目 前并沒有針對孔內載荷板試驗系統和方法，一般由人工開挖成孔后放入大直徑載荷板后在 孔口堆載，采用傳力桿給孔底載荷板提供反力，位移桿在地表測量孔底載荷板位移，較長的 傳力桿和位移桿對于微米級的試驗精度要求影響較大，而且人工挖孔風險大、深度小、成本 高、周期長，僅在重要的地鐵設計項目勘察中有較少應用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置及其測試 方法，對深層地基進行精確的測試。
[0005] 本發明所采用的技術方案是： 深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 包括氣壓反力系統、液壓載荷板系統和測試系統； 氣壓反力系統設置有圓筒形的上心管，上心管外環套氣壓橡膠膜；上心管的頂端通過 螺紋連接方式固定有上蓋板，上蓋板頂部設置有吊環；上心管的底端焊接固定有下蓋板； 液壓載荷板系統設置有圓筒形的下心管；下心管頂端通過螺紋連接方式固定有壓力傳 感器，壓力傳感器頂面焊接固定有千斤頂，千斤頂通過法蘭盤與上心管相連接；下心管下部 外圈焊接有環形水平的支撐板，支撐板上方設置有支撐環；支撐環內圈通過滾柱軸承固定 于下心管外壁，外圈固定有環下心管設置的環帶狀的液壓橡膠膜，內圈與外圈之間設置有 輻射狀的肋條，置于支撐板上；下心管底端焊接固定有載荷板； 測試系統中包括液壓泵、液壓管、氣壓泵、氣壓管、測試儀器、測試線和位移傳感器；液 壓管從液壓泵接出，另一端接入液壓橡膠膜；氣壓管從氣壓泵接出，另一端接入氣壓橡膠 膜；測試線從測試儀器接出，另一端接入支撐環上設置的位移傳感器。
[0006] 液壓管上設置有液壓橡膠膜控制閥。
[0007] 液壓管上設置有分支，接入千斤頂，分支上設置有千斤頂控制閥。
[0008] 載荷板底部設置有墊層。
[0009] 液壓管、氣壓管和測試線均穿過上心管。
[0010] 吊環通過吊裝鋼纜與吊裝設備相連接。
[0011] 深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試方法，其特征在于： 由以下步驟實現： 步驟一：鉆孔的施工： 利用吊裝設備和機械洛陽鏟鏟頭在試驗點位成孔，鉆孔直徑為載荷板直徑加100mm ; 鉆孔到試驗深度后提出鉆頭并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平； 步驟二：測試裝置組裝： 組裝液壓載荷板系統，將液壓橡膠膜套在支撐環外端，并將支撐環套放在下心管外 的支撐板上，然后將千斤頂和壓力傳感器連接于下心管頂部，將位移傳感器固定在支撐環 上； 在鉆孔孔口固定墊叉，用吊裝設備將組裝好的液壓載荷板系統放在墊叉上； 組裝氣壓反力系統，首先將氣壓橡膠膜套裝在上心管外，然后將上蓋板擰緊在上心管 上，將下蓋板焊接于上心管低端； 用吊裝設備將氣壓反力系統吊裝至鉆孔孔口的液壓載荷板系統上，用螺栓將法蘭盤緊 固后取掉墊叉； 布置測試系統：液壓管從液壓泵接出，另一端接入液壓橡膠膜；測試線從測試儀器接 出，另一端接入位移傳感器；氣壓管從氣壓泵接出，另一端接入氣壓橡膠膜； 步驟三：測試： 將組裝好的液壓載荷板系統和氣壓反力系統緩慢放入孔底后，松開吊裝鋼纜，開啟氣 壓泵送氣至氣壓橡膠膜，維持30kpa氣壓15分鐘后，打開氣壓泵的泄氣閥將氣壓橡膠膜內 的氣體壓力減小至5kpa ; 讀取壓力傳感器初值，打開氣壓泵將氣壓橡膠膜內氣壓加至30kpa，打開液壓泵和千斤 頂控制閥，緩慢加壓讀取壓力傳感器壓力值，壓力傳感器壓力達20kpa時穩定壓力； 打開液壓橡膠膜控制閥，維持液壓橡膠膜內壓力30kpa，關閉液壓橡膠膜控制閥，讀取 位移傳感器初值； 將試驗荷載分8級，用千斤頂逐級加壓，每級壓力穩定后才能進入下一級壓力，壓力穩 定標準為60分鐘內位移傳感器記錄載荷板沉降小于0. 1_，每級加壓后10分鐘一次記錄壓 力傳感器和位移傳感器的測量值。
[0012] 本發明具有以下優點： 本發明將氣壓摩擦反力裝置、加載裝置和測試裝置組成一個獨立孔內載荷板試驗系 統，系統通過氣壓膜與孔壁摩擦為系統提供支撐反力支撐，測試傳感器直接測量載荷板的 沉降量，既沒有復雜堆載方法，也沒有較長的壓力桿和位移桿，實現了孔內載荷板試驗的自 動化測試。本發明與傳統試驗方法相比不僅安全可靠、測試數據更加精準，而且實現了深孔 內的載荷板試驗，試驗一定程度上將不再受試驗深度限制，也更加快速，試驗成本也較低。 利用本發明在較小成本的條件下即可進行工程地基的深孔載荷板試驗，在勘察階段即可對 地基各層位土體的承載力、壓縮模量等參數進行原位測試，用試驗成果替代室內試驗成果 進行設計，具有更加準確描述地基土的實際受力變形特征和更加準確的分析工程地基的穩 定性和工后沉降量的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明結構圖。
[0014] 圖中，1-吊裝設備，2-鉆孔，3-氣壓管，4-吊環，5-上蓋板，6-氣壓橡膠膜，7-上 心管，8-測試線，9-法蘭盤，10-千斤頂，11-壓力傳感器，12-下心管，13-滾柱軸承，14-支 撐環，15-液壓橡膠膜，16-墊層，17-液壓泵，18-測試儀器，19-氣壓泵，20-下蓋板，21-液 壓管，22-千斤頂控制閥，23-支撐板，24-液壓橡膠膜控制閥，25-位移傳感器，26-載荷板， 27-墊叉。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細的說明。
[0016] 本發明所涉及的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，包括氣壓反力系 統、液壓載荷板系統和測試系統： 氣壓反力系統設置有圓筒形的上心管7,上心管7外環套氣壓橡膠膜6 ;上心管7的頂 端通過螺紋連接方式固定有上蓋板5,上蓋板5頂部設置有吊環4 ;上心管7的底端焊接固 定有下蓋板20。
[0017] 液壓載荷板系統設置有圓筒形的下心管12 ;下心管12頂端通過螺紋連接方式固 定有壓力傳感器11，壓力傳感器11頂面焊接固定有千斤頂10,千斤頂10通過法蘭盤9與 上心管7相連接；下心管12下部外圈焊接有環形水平的支撐板23,支撐板23上方設置有 支撐環14 ;支撐環14內圈通過滾柱軸承固定于下心管12外壁，外圈固定有環下心管12設 置的環帶狀的液壓橡膠膜15,內圈與外圈之間設置有輻射狀的肋條，置于支撐板23上；下 心管12底端焊接固定有載荷板26。
[0018] 測試系統中包括液壓泵17、液壓管21、氣壓泵19、氣壓管3、測試儀器18、測試線8 和位移傳感器25 ;液壓管21從液壓泵17接出，另一端接入液壓橡膠膜15 ;氣壓管3從氣壓 泵19接出，另一端接入氣壓橡膠膜6 ;測試線8從測試儀器18接出，另一端接入支撐環14 上設置的位移傳感器25。
[0019] 液壓管21上設置有液壓橡膠膜控制閥24。液壓管21上設置有分支，接入千斤頂 10,分支上設置有千斤頂控制閥22。載荷板26底部設置有墊層16。液壓管21、氣壓管3和 測試線8均穿過上心管7。吊環4通過吊裝鋼纜與吊裝設備1相連接。
[0020] 利用上述設備進行深孔內土體壓縮變形模量及強度測試的方法，由以下步驟實 現： 步驟一：鉆孔2的施工： 利用吊裝設備1和機械洛陽鏟鏟頭在試驗點位成孔，鉆孔2直徑為載荷板26直徑加 100mm ； 鉆孔到試驗深度后提出鉆頭并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平。
[0021] 步驟二：測試裝置組裝： 組裝液壓載荷板系統，將液壓橡膠膜15套在支撐環14外端，并將支撐環14套放在下 心管12外的支撐板23上，然后將千斤頂10和壓力傳感器11連接于下心管12頂部，將位 移傳感器25固定在支撐環14上； 在鉆孔2孔口固定墊叉27,用吊裝設備1將組裝好的液壓載荷板系統放在墊叉27上； 墊叉27由兩個半圓環組裝而成，邊緣設置有突出的搭板可置于孔口邊緣。
[0022] 組裝氣壓反力系統，首先將氣壓橡膠膜6套裝在上心管7外，然后將上蓋板5擰緊 在上心管7上； 用吊裝設備1將氣壓反力系統吊裝至鉆孔2孔口的液壓載荷板系統上，用螺栓將法蘭 盤9緊固后取掉墊叉27 ; 布置測試系統：液壓管21從液壓泵17接出，另一端接入液壓橡膠膜15 ;測試線8從測 試儀器18接出，另一端接入位移傳感器25 ;氣壓管3從氣壓泵19接出，另一端接入氣壓橡 膠膜6。
[0023] 步驟三：測試： 1將組裝好的液壓載荷板系統和氣壓反力系統緩慢放入孔底后，松開吊裝鋼纜，開啟氣 壓泵19送氣至氣壓橡膠膜6,維持30kpa氣壓15分鐘后，打開氣壓泵19的泄氣閥將氣壓橡 膠膜6內的氣體壓力減小至5kpa ; 讀取壓力傳感器11初值，打開氣壓泵19將氣壓橡膠膜6內氣壓加至30kpa，打開液壓 泵17和千斤頂控制閥22,緩慢加壓讀取壓力傳感器11壓力值，壓力傳感器11壓力達20kpa 時穩定壓力； 打開液壓橡膠膜控制閥24,維持液壓橡膠膜15內壓力30kpa，關閉液壓橡膠膜控制閥 24,讀取位移傳感器25初值； 將試驗荷載分8級，用千斤頂10逐級加壓，每級壓力穩定后才能進入下一級壓力，壓力 穩定標準為60分鐘內位移傳感器25記錄載荷板沉降小于0. 1_，每級加壓后10分鐘一次 記錄壓力傳感器11和位移傳感器25的測量值。
[0024] 試驗完成后，先卸去千斤頂10內壓力，然后卸去液壓橡膠膜15內的壓力，將吊裝 鋼纜張緊后再卸去氣壓橡膠膜6內的壓力，按安裝的反過程拆卸試驗設備。取出試驗設備 后，可繼續鉆孔至下一試驗地層，再次裝入試驗設備開始試驗。
[0025] 數據處理： 根據測量記錄的壓力值和沉降值繪制P-S、s-t曲線，從而獲得該層位地基土的承載力 特征值和壓縮變形模量。
[0026] 取P-S曲線上有比例極限所對應的荷載值作為土體載荷試驗強度值，根據下士計 算壓縮變形模量： Pd ES=A -- J s 其中，λ為試驗參數，取〇. 4-0. 45 ; Ρ為測試壓力； d為載荷板直徑； s為測試沉降量。
[0027] 地基土深孔載荷板試驗可在盡量保持地基土邊界條件的基礎上獲取原位土體的 物理力學參數，對于地基工程設計和研究具有重要意義。
[0028] 本發明試驗方法利用氣壓橡膠膜6在一定壓力作用膨脹后與鉆孔孔壁產生摩擦 力作為為載荷板試驗的支撐反力，利用液壓橡膠膜15在一定壓力作用下膨脹后與孔壁固 定從而為系統提供一個穩定的位移監測標準點。千斤頂10工作時上部頂在固定在孔壁上 的氣壓反力系統上，從而產生向下的試驗要求壓力直接作用與載荷板26,作用力傳遞距離 端，保證了系統工作的穩定性。液壓橡膠膜15膨脹后將支撐環14緊緊固定在孔壁上，試驗 時支撐環14獨立與系統保持靜止，位移傳感器25固定在支撐環14上，下端連接載荷板26， 實現了精確測量載荷板在試驗過程中的位移量。
[0029] 本發明試驗方法將整個載荷板試驗設備集中在一個相對較小的系統內，利用吊裝 設備1即可實現任意孔深范圍內的載荷板試驗，測試系統安全穩定，測試結果精確。試驗系 統拆裝方便，大大減小了試驗周期，降低了試驗成本，為大量開展土體分層原位試驗提供了 技術可能，對地基工程的勘察和設計具有推動作用。
[0030] 目前現有技術中所做的深層平板試驗一般由人工挖孔，鉆孔直徑在lm以上，試驗 系統復雜，成本較高，且存在一定的安全隱患。
[0031] 寶蘭客運專線天水南車站濕陷性黃土地基處理工程為探明地基土的工程性質，開 展了深層平板試驗。利用人工挖孔，孔徑1.0m，孔口堆載8噸，千斤頂放在孔口壓力桿頂端， 利用傳力桿給孔底載荷板施壓，位移桿在孔口測量載荷板沉降量。試驗過程中出現了許多 問題，人工挖孔深度限制在了 15m左右，且人工挖孔中風險很大，孔內做襯砌成本又很大。 試驗深度較大時很難保證壓力桿在孔內的垂直度，荷載較大時壓力桿有搖擺現象，且載荷 板居中困難，位移桿長度較大時有撓曲跳動，測試數據誤差較大。時間成本上，一次試驗挖 孔要用2天，堆載、連接監測設備2天，測試1天，一次試驗平均用時5天，成本10000元左 右，若要進行下一次試驗需要移開孔口的堆載設備，周期更長。利用本發明方法，采用機械 洛陽鏟鉆孔孔徑400mm，鉆孔僅需要4個小時，設備安裝4個小時，試驗1天，成本2000元左 右，孔口無堆載，測試系統在孔內自動調節穩定，試驗安全性高，試驗數據更加準確穩定，進 行下一層位試驗時僅需吊出試驗設備繼續鉆孔即可，最大試驗深度可達30m，安全穩定。
[0032] 本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書 而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1. 深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 包括氣壓反力系統、液壓載荷板系統和測試系統； 氣壓反力系統設置有圓筒形的上心管（7)，上心管（7)外環套氣壓橡膠膜（6);上心管 (7)的頂端通過螺紋連接方式固定有上蓋板（5)，上蓋板（5)頂部設置有吊環（4);上心管 (7)的底端焊接固定有下蓋板（20); 液壓載荷板系統設置有圓筒形的下心管（12);下心管（12)頂端通過螺紋連接方式固定 有壓力傳感器（11)，壓力傳感器（11)頂面焊接固定有千斤頂（10)，千斤頂（10)通過法蘭盤 (9)與上心管（7)相連接；下心管（12)下部外圈焊接有環形水平的支撐板（23)，支撐板（23) 上方設置有支撐環（14);支撐環（14)內圈通過滾柱軸承固定于下心管（12)外壁，外圈固定 有環下心管（12)設置的環帶狀的液壓橡膠膜（15)，內圈與外圈之間設置有輻射狀的肋條， 置于支撐板（23)上；下心管（12)底端焊接固定有載荷板（26); 測試系統中包括液壓泵（17)、液壓管（21)、氣壓泵（19)、氣壓管（3)、測試儀器（18)、測 試線（8)和位移傳感器（25);液壓管（21)從液壓泵（17)接出，另一端接入液壓橡膠膜（15); 氣壓管（3)從氣壓泵（19)接出，另一端接入氣壓橡膠膜（6);測試線（8)從測試儀器（18)接 出，另一端接入支撐環（14 )上設置的位移傳感器（25 )。
2. 根據權利要求1所述的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 液壓管（21)上設置有液壓橡膠膜控制閥（24 )。
3. 根據權利要求2所述的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 液壓管（21)上設置有分支，接入千斤頂（10 )，分支上設置有千斤頂控制閥（22 )。
4. 根據權利要求3所述的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 載荷板（26 )底部設置有墊層（16 )。
5. 根據權利要求4所述的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 液壓管（21)、氣壓管（3)和測試線（8)均穿過上心管（7)。
6. 根據權利要求5所述的深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試裝置，其特征在于： 吊環（4)通過吊裝鋼纜與吊裝設備（1)相連接。
7. 深孔內土體壓縮變形模量及強度的測試方法，其特征在于： 由以下步驟實現： 步驟一：鉆孔（2)的施工： 利用吊裝設備（1)和機械洛陽鏟鏟頭在試驗點位成孔，鉆孔（2)直徑為載荷板（26)直 徑加100mm ; 鉆孔到試驗深度后提出鉆頭并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平； 步驟二：測試裝置組裝： 組裝液壓載荷板系統，將液壓橡膠膜（15)套在支撐環（14)外端，并將支撐環（14)套 放在下心管（12)外的支撐板（23)上，然后將千斤頂（10)和壓力傳感器（11)連接于下心管 (12)頂部，將位移傳感器（25)固定在支撐環（14)上； 在鉆孔（2)孔口固定墊叉（27)，用吊裝設備（1)將組裝好的液壓載荷板系統放在墊叉 (27)上； 組裝氣壓反力系統，首先將氣壓橡膠膜（6)套裝在上心管（7)外，然后將上蓋板（5)擰 緊在上心管（7)上，將下蓋板（20)焊接于上心管（7)低端； 用吊裝設備（1)將氣壓反力系統吊裝至鉆孔（2)孔口的液壓載荷板系統上，用螺栓將 法蘭盤（9)緊固后取掉墊叉（27); 布置測試系統：液壓管（21)從液壓泵（17)接出，另一端接入液壓橡膠膜（15);測試線 (8)從測試儀器（18)接出，另一端接入位移傳感器（25);氣壓管（3)從氣壓泵（19)接出，另 一端接入氣壓橡膠膜（6); 步驟三：測試： 將組裝好的液壓載荷板系統和氣壓反力系統緩慢放入孔底后，松開吊裝鋼纜，開啟氣 壓泵（19)送氣至氣壓橡膠膜（6)，維持30kpa氣壓15分鐘后，打開氣壓泵（19)的泄氣閥將 氣壓橡膠膜（6)內的氣體壓力減小至5kpa ; 讀取壓力傳感器（11)初值，打開氣壓泵（19)將氣壓橡膠膜（6)內氣壓加至30kpa，打開 液壓泵（17)和千斤頂控制閥（22)，緩慢加壓讀取壓力傳感器（11)壓力值，壓力傳感器（11) 壓力達20kpa時穩定壓力； 打開液壓橡膠膜控制閥（24)，維持液壓橡膠膜（15)內壓力30kpa，關閉液壓橡膠膜控 制閥（24 )，讀取位移傳感器（25 )初值； 將試驗荷載分8級，用千斤頂（10)逐級加壓，每級壓力穩定后才能進入下一級壓力，壓 力穩定標準為60分鐘內位移傳感器（25)記錄載荷板沉降小于0. 1_，每級加壓后10分鐘 一次記錄壓力傳感器（11)和位移傳感器（25 )的測量值。
【文檔編號】G01N3/12GK104089826SQ201410365884
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】于基寧, 高志偉, 王向陽, 李響, 舒磊, 孫良鑫, 辛文棟, 葛建軍, 王應銘, 張宗棠, 郭剛, 張然 申請人:中鐵第一勘察設計院集團有限公司