一种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法

摘要

一种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法，属于静止土压力试验装置及方法。该装置由两侧带法兰的组合模具，弹性薄膜层，润滑层组成。组合模具四个侧面中间位置设有液压腔，液压腔中液体通过圆形孔与弹性薄膜层接触；圆形孔范围弹性薄膜层内外面上贴有电阻应变片；润滑层在圆形孔周围通过〇形密封圈和紧固螺栓与组合模具密封。试验分两个阶段和静止土压力试验阶段。冻融循环后将组合模具拆除，并将试样在竖直平面上旋转90°后重新组合模具进行固结压缩试验。通过控制液压腔中液体压力实现电阻应变片读数为零，从而保证试样侧限状态，此时液压腔中液体压力即为土样的静止土压力。该方法完全满足梯度微观结构土静止土压力及其各向异性测试的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静止土压力试验装置及方法，尤其是一种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法 

背景技术

人工冻结是我国中东部特厚表土层和西部白垩系—侏罗系地层中重要的凿井方法。冻结完成后冻结壁将自然解冻或加速解冻成为人工冻融循环介质。冻结壁中温度场通常是不均匀的，由若干个动态温度梯度组成，特别是单圈管冻结过程中冻结壁中的温度梯度将更加显著。冻结是水热力三场耦合的过程，该过程可改变岩土介质中颗粒排列方式和粘结形式，并促使其原有的孔隙结构发生变化。冻融循环将导致试样中结构性的出现，而温度梯度冻融循环则在导致试样中微观结构性出现的同时，诱发其结构的梯度特征。这种温度梯度冻融循环诱发的梯度结构有别于受沉积环境和沉积应力影响的初始梯度结构，后者多是平行于井筒埋深方向，不参与水平荷载即土压力的发挥。 

现有关于静止土压力研究多集中在试样单元尺度，所建立的土压力理论建立在连续介质力学理论基础上，很少考虑岩土介质多颗粒介质及其微观结构梯度存在对土压力发挥和演化的动态影响。所用试验装置也多基于刚性压力室-柔性侧条件和刚性压力室-刚性侧限条件两种，难以准确获得水平静止土压力，由此带来的(水平地压 荷载误差无法量化评估。 

梯度微观结构土静止土压力试验方法属于跨尺度试验方法，介于原位物理模拟试验—结构尺度和单元试验—材料尺度之间，该方法对于完善跨尺度试验具有重要的学术价值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，形式灵活，功能先进，且能够满足梯度微观结构土静止土压力与其各向异性测试的一种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法。 

本发明的目的是这样实现的：梯度微观结构土静止土压力试验装置包括：两侧带连接法兰的组合模具，弹性薄膜层、润滑层；组合模具侧面中间位置设有液压腔，液压腔中液体通过圆形孔与弹性薄膜层接触；圆形孔直径范围内弹性薄膜层内外面上粘贴有电阻应变片；润滑层在圆形孔周围通过〇形密封圈和紧固螺栓与组合模具密封连接。 

所述的组合模具由两半对接组成，在连接法兰处通过紧固螺栓连接；组合模具为正方形形状，四个侧面中间位置均设有液压腔，可获得试样相互垂直的两个方向上的静止土压力。 

所述的弹性薄膜层内外粘贴的电阻应变片尺寸、型号和布置方式完全相同；当弹性薄膜受力发生弯曲变形后带动电阻应变片发生拉伸变形；圆形孔的直径减电阻应变片的长度=2~5mm。 

所述的液压腔的厚度与组合模具的壁厚相等。 

梯度微观结构土静止土压力试验方法：梯度微观结构土静止土压力试验装置沿壁厚方向由外到内依次为组合模具层即持力层、弹性薄膜层即测量层和润滑层即降摩擦层，具有初始梯度微观结构制备和后续静止土压力各向异性测试的双重功能；通过动态控制液压腔中液体压力实现电阻应变片读数为零，即弹性薄膜内外面电阻应变片读数差的平均值为零，保证试样处于严格侧限状态即侧向变形为零，此时液压腔中液体压力即为试样的静止土压力； 

试验分两个阶段：

a．冻融循环制备结构梯度试样：将试样装进组合模具中，在试样上下两端配置制冷板，通过调节冻融循环温度和冻融循环次数实现试样在温度梯度方向上的梯度微观结构；

b．静止土压力试验阶段。冻融循环后将组合模具和制冷板拆除，并将试样在竖直平面上旋转 后重新装进组合模具中，在试样上下两端配置透水板，进行固结压缩试验。

有益效果： 

1.本发明的试验装置通过冻融循环制备梯度微观结构土，所得试样可以在竖直平面上旋转后进行固结压缩试验以模拟冻结井壁后土压力和季节冻土区越冬基坑中支护结构后土压力性态，也可以保持不旋转而直接进行固结压缩试验，从而模拟天然冻土区季节活动层土土压力性态；

2.本发明装置中弹性薄膜+电阻应变片联合控制土样径向变形的方法，可实现被测试试样侧限的条件，克服传统土压力盒自身测量土压力过程中存在的误差，即刚度协调和变形量测误差，不仅适用于较高固结压力，亦可适用常规荷载，试验压力范围更为宽泛；

3.本发明的梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法不仅可以进行冻融诱发的微观结构梯度土静止土压力试验，也可进行受自然沉积环境和沉积应力影响的初始微观结构梯度土的静止土压力与各向异性试验。

4. 本发明的梯度微观结构土静止土压力试验装置，可以在组合模具上施加固定约束，也可在试样上施加各类荷载，从而完成复杂温度、荷载和环境模式下的冻融循环试验，以模拟实际的冻结工程边界条件。 

附图说明

图1为本发明组合模具整体平面示意图。 

图2为本发明润滑层平面图。 

图3为本发明弹性薄膜平面图。 

图4为发明制冷板平面图。 

图5为本发明透水板平面图。 

图中，1、组合模具；2、弹性薄膜层；3、润滑层；4、液压腔；5、圆形孔；6、电阻应变片；7、〇形密封圈；8、紧固螺栓；9、连接法兰；11、制冷板；12、透水板。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

梯度微观结构土静止土压力试验装置包括：两侧带连接法兰9的组合模具1，弹性薄膜层2和润滑层3；组合模具1侧面中间位置设有液压腔4，液压腔中液体通过圆形孔5与弹性薄膜层2接触；圆形孔5直径范围内弹性薄膜层2内外面上粘贴有电阻应变片6；润滑层3在圆形孔5周围通过〇形密封圈7和紧固螺栓8与组合模具1密封连接。组合模具1在连接法兰9处通过紧固螺栓8连接。

所述的组合模具1由两半对接组成，在连接法兰9处通过紧固螺栓8连接；组合模具1为正方形形状，四个侧面中间位置均设有液压腔4，可获得试样相互垂直的两个方向上的静止土压力。 

所述的弹性薄膜层2内外粘贴的电阻应变片6尺寸、型号和布置方式完全相同；当弹性薄膜2受力发生弯曲变形后带动电阻应变片6发生拉伸变形；圆形孔5的直径减电阻应变片6的长度=2~5mm。 

所述的液压腔4的厚度与组合模具1的壁厚相等。 

梯度微观结构土静止土压力试验方法：梯度微观结构土静止土压力试验装置沿壁厚方向由外到内依次为组合模具层1即持力层、弹性薄膜层2即测量层和润滑层3即降摩擦层，具有初始梯度微观结构制备和后续静止土压力各向异性测试的双重功能；通过动态控制液压腔4中液体压力实现电阻应变片6读数为零，即弹性薄膜2内外面电阻应变片6读数差的平均值为零，保证试样处于严格侧限状态即侧向变形为零，此时液压腔4中液体压力即为试样的静止土压力； 

试验分两个阶段：

a．冻融循环制备结构梯度试样：将试样装进组合模具1中，在试样上下两端配置制冷板11，通过调节冻融循环温度和冻融循环次数实现试样在温度梯度方向上的梯度微观结构；

b．静止土压力试验阶段。冻融循环后将组合模具1和制冷板11拆除，并将试样在竖直平面上旋转后重新装进组合模具1中，在试样上下两端配置透水板12，进行固结压缩试验。