专利名称：一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种土工现场测试领域，具体涉及一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，还涉及一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，用来现场测试不同深度地基土承载力和变形特性参数。
背景技术：
采用大尺寸平板载荷试验来确定地基土承载力是最直接和可靠的方法，但平板载荷试验周期长，资金投入大，不可能大范围的采用，尤其是对于公路、铁路等线状工程更是如此。因此，测试速度快、成本低的原位测试技术被广泛应用于地质勘查工作中，其中螺旋板载荷试验是目前应用最广的原位测试技术。螺旋板载荷试验是近30年来由常规的平板载荷试验演变发展而来的，该试验最初是从挪威技术学院等人提出并研制的现场压缩仪开始的。经过近30年的发展，现在国际上的挪威、瑞典、加拿大、澳大利亚等国家分别用它来测试砂类土、软粘土、硬粘土的岩土工程指标。螺旋板载荷试验是将一螺旋形的承压板(以下简称螺旋板)借用人力或机械力旋人地面以下预定的试验深度，通过传力杆对螺旋板施加荷载，由传力杆下端与螺旋板相连的电阻应变式传感器测读螺旋板承受的荷载，通过观测与螺旋板相连的传力杆的变形测读螺旋板承受不同荷载时的相应变形，通过所获得的应力一变形一时间关系曲线，求取地基土的承载力、变形模量、固结系数及饱和软粘土不排水抗剪强度等设计参数，对难以取得原状土试样的砂类土尤为实用。螺旋板载荷试验的优点在于:试验深度大，可以在地下水位以下，地基土的应力状态没有破坏的条件下，根据需要在不同深度进行试验；加荷方式是竖向的，与工程中地基土的实际受荷方向相同，比起旁压试验更接近实际情况，特别是对各向异性的土体更具重要意义；测试范围大，对具有微裂隙、微层理、特是对夹薄层砂的土层及砂层.取样做室内试验样扰动大，甚至不能采取原状样，可以测得比较符合实际的岩土工程参数；设备简单，操作方便，便于在实际工作中推广。然而螺旋板载荷试验也有其自身的缺陷，由于螺旋板的荷载是靠传力杆传递的，这就要求杆的刚度足够大，事实上如果把杆的连接等因素考虑在内，当杆达到一定长度后，势必产生一定的挠曲；另外螺旋板在地面采用千斤顶对传力杆进行施加荷载，传力杆的垂直度是影响测试结果可靠性和准确性的关键因素。因此，为解决螺旋板以上缺陷问题，急需对现有的螺旋板载荷试验仪进行改造，研制一套深层加载的螺旋板载荷试验装置，确保试验成果真实可靠。
发明内容
本发明的目的就在于研究不同深度地基土的承载力及变形特性，提供一种现场测试不同深度地基土承载力和变形特性的试验装置及其方法。本发明的目的是这样实现的: 一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，包括地锚和螺旋板，地锚与地锚传力杆连接，地锚传力杆上设置有压板，压板上架设有横梁，螺旋板一端与深层加载单向油压千斤顶一端连接，深层加载单向油压千斤顶另一端与传力杆一端连接，深层加载单向油压千斤顶上设置有用于测量其油压的压力传感器，传力杆另一端通过传力柱与横梁连接，压力传感器与数据采集仪连接，深层加载单向油压千斤顶与手动油泵连接。如上所述的地锚为4个，呈矩形分布，位于矩形短边的2个地锚上架设有压板，所述的地锚传力杆穿过压板，并通过螺帽固紧在压板上，所述的横梁两端分别架设在矩形短边的2个压板上且位于矩形的中心线，横梁通过抱箍固紧在压板上。如上所述的传力柱位于横梁的中心，所述的传力杆为若干个，传力柱垂直放置，传力柱的垂直中心线、传力杆的垂直中心线和螺旋板的垂直中心线重合。如上所述的压力传感器设置在深层加载单向油压千斤顶与传力杆之间，压力传感器通过电缆与数据采集仪连接，深层加载单向油压千斤顶通过油管与手动油泵连接，传力杆为空心，电缆和油管从传力杆穿出至地面。一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，还包括用于测量手动油泵油量的油量表和用于测量手动油泵油压的油压表。如上所述的螺旋板上设置有方榫，与螺旋板连接的深层加载单向油压千斤顶上设置有与方榫外形适配的方孔，方榫插入到方孔内，方榫上设置有方榫连接孔，方孔的孔壁上设置有方孔连接孔，一金属线依次穿过方榫连接孔和方孔连接孔。一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，包括以下步骤:
步骤1、平整场地，择定试验孔位置，根据试验孔的位置确定地锚的位置，试验孔的位置位于各个地锚连成的矩形中心，将4个地锚旋入地面；
步骤2、将螺旋板的方榫插入深层加载单向油压千斤顶一端的与方榫适配的方孔中，用金属丝依次插入方榫上方榫连接孔和方孔孔壁上的方孔连接孔，深层加载单向油压千斤顶另一端上设置有压力传感器；再将传力杆通过传力杆接头与压力传感器连接好；然后将扭头和加长杆与传力杆连接好，顺时针将螺旋板在择定的试验孔旋入土中；
步骤3、根据测试深度的需要旋入多节传力杆，旋入一节传力杆之后，卸掉扭头和加长杆，再将另一节传力杆与已经旋入的传力杆连接，然后将扭头和加长杆与传力杆连接好后继续往下旋入，直至到达预定的测试深度，按传力杆连接顺序依次将电缆和油管穿入传力杆，并保持传力杆的垂直状态；再将地锚和地锚传力杆连接好，然后依次安装压板和横梁，并对横梁应用水平尺校准，使横梁保持水平；
步骤4、调整好传力杆顶部至横梁的垂直距离，使其恰好能安装传力柱，保持传力柱、传力杆、深层加载单向油压千斤顶和螺旋板的垂直度一致，避免偏压；
步骤5、将电缆连接到数据采集仪，将油管连接到手动油泵，然后对深层加载单向油压千斤顶进行供油，使得传力柱和横梁紧密接触，检查信号输出是否正常，并将数据采集仪调零，并记录油量表初始读数；
步骤6、进行螺旋板载荷试验；
步骤7、对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再将拆除传力柱和横梁；然后增加传力杆将螺旋板旋到下一个测试深度，重复步骤3 6直至依次完成择定试验位置孔内不同深度的载荷试验；步骤8、当择定试验位置孔各点试验全部完后，对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再拆除传力柱和横梁；将传力杆上拔，使加载单向油压千斤顶、压力传感器、传力杆接头、传力杆拉出地面，螺旋板弃于孔内；最后拆除压板、地锚传力杆，再将扭头和地锚连接，加长杆与扭头连接，逆时针旋转地锚，使得地锚旋出地面，试验完毕。如上所述的步骤6包括以下步骤:
当需要同时测定地基土模量及承载力时，采用慢法试验，自加荷开始后按1、2、2、5、5、15、15、15min间隔，以后每隔30min观测油泵的油量表I次，直至连续2小时内的每小时沉降量小于0.1mm时,施加下一级荷载直至所有载荷加载完毕；
当仅需测定地基承载力时，采用快法试验，每施加一级荷载后隔15分钟观测一次出油量，累计观测达2小时时，施加下一级荷载直至所有载荷加载完毕。如上所述载荷相邻级的增量为预先设定的极限荷载的1/7 1/10。如上所述 的同一试验孔内不同测试深度的距离大于等于I米。本发明与现有技术相比，具有以下效果:
1、采用深层加载可以避免荷载偏心引起的测量误差，提高测试精度，确保测试成果真实可靠；
2、可以测试和研究土体不同深度处的承载力和变形参数；
3、适用于粘性土、砂土和淤泥等地基土的承载力和变形特性的现场试验。
图1是本装置的结构示意 图2是反力装置结构 图3是深层加载单向油压千斤顶结构图。其中:
00一反力装置，
I一地锚， 2—横梁，3—压板， 4 一螺帽，
5一抱箍， 6—地锚传力杆，7—扭头， 8—加长杆；
10—加载装置，
II一深层加载单向油压千斤顶， 12—手动油泵，13—油压表，
14一油量表，15—油管，16—传力杆接头，17—传力杆，
18—传力柱；
20—测试系统，
21一压力传感器， 22—数据米集仪，23—电缆，
24—蓄电池；
30 一螺旋板。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明:
一、装置
1、总体 如图1，本装置包括反力装置(00)、加载装置(10)、测力装置(20)、螺旋板(30)。螺旋板(30)、加载装置(10)反力装置(00)依次从下往上连接构成试验平台，测力装置(20 )与加载装置(10 )连接，组成深层螺旋板载荷试验装置。2、功能块 反力装置00:
由地锚1、横梁2、压板3、螺帽4、抱箍5、地锚传力杆6、扭头7和加长杆8组成；
地锚I 一端与扭头7连接，扭头7与加长杆8连接，通过人力顺时针旋转，将地锚I另一端旋入一定深度后；卸掉扭头7和加长杆8,将地锚I 一端与地锚传力杆6连接；压板3直接放在两个地锚传力杆6上，通过螺帽4分别将压板3直接固定在地锚传力杆6上；最后将横梁2放在压板中间，通过抱箍5将横梁进行固定，组成反力装置。反力装置00的功能是给加载装置10提供反力。加载装置10:
加载装置10包括深层加载单向油压千斤顶11、手动油泵12、油压表13、油量表14、油管15、传力杆接头16、传力杆17和传力柱18 ；
深层加载单向油压千斤顶11下部与螺旋板30连接，上部直接与压力传感器21连接，通过传力杆接头16依次往上连接传力杆17，传力杆17和传力杆17之间通过传力杆接头16连接，最后通过传力柱18与横梁2紧密接触；深层加载单向油压千斤顶11和油管15连接，油管15从传力杆17中间穿出，分别与油压表13和油量表14连接，最后与手动油泵12连接，组成加载装置。加载装置10的功能是给螺旋板30提供荷载，通过油量表14的出油量换算成螺旋板30的沉降量。测力装置20:
测力装置20包括压力传感器21、数据采集仪22、电缆23和蓄电池24 ；
压力传感器21 —端与深层加载单向油压千斤顶11上部连接，另一端通过传力杆接头16与传力杆17连接，同时与电缆23连接；电缆23从传力杆17中间穿出，与数据采集仪22连接，同时数据采集仪22和蓄电池24直接连接，为数据采集仪供电。测力装置20的功能是测试螺旋板板头30施加荷载大小。一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法 本方法包括下列步骤:
步骤1、平整场地，择定试验孔位置，根据试验孔的位置确定地锚的位置，4个地锚组成长1.6m,宽0.5m的长方形，试验孔的位置位于长方形中心，然后通过设置在地锚上的扭头和与扭头连接的加长杆采用人力旋下，分别将4个地锚旋入大约1.5m左右；
步骤2、将螺旋板的方榫插入深层加载单向油压千斤顶一端的与方榫适配的方孔中，用一根Φ3 mm的软金属丝(铝丝或保险丝)依次插入方榫上预留的孔和方孔孔壁预留的孔，防止螺旋板与深层加载单向油压千斤顶脱落，深层加载单向油压千斤顶另一端上设置有用于检测单向油压千斤顶施加荷载的压力传感器；再将传力杆通过传力杆接头与压力传感器连接好；然后将扭头和加长杆与传力杆连接好，通过人力将螺旋板在择定的位置顺时针旋入土中；
步骤3、根据测试深度的需要，可以旋入多节传力杆，旋入一节传力杆之后，卸掉扭头和加长杆，再将另一节传力杆与已经旋入的传力杆连接，然后将扭头和加长杆与传力杆连接好后继续往下旋入，直至到达预定的测试深度，应按传力杆连接顺序依次将电缆和油管穿入传力杆，将螺旋板旋到既定测试深度，并保持传力杆的垂直状态；再将地锚和地锚传力杆连接好，然后依次安装压板和横梁，并对横梁应用水平尺校准，使横梁保持水平；
步骤4、调整好传力杆顶部至横梁的垂直距离，使其恰好能安装传力柱，保持整体反力系统的垂直度，避免偏压；
步骤5、将电缆和油管分别连接到数据采集仪和手动油泵，然后缓慢的对深层加载单向油压千斤顶进行供油，使得整个传力柱和横梁紧密接触，检查信号输出是否正常，并将数据采集仪调零；
步骤6、按以下技术要求进行螺旋板载荷试验:
(1)根据试验目的选择试验方法，如需要同时测定地基土模量及承载力时，应采用慢法试验；仅需测定地基承载力,可使用快法试验；
(2)对于慢法，自加荷开始后按l、2、2、5、5、15、15、15min间隔，以后每隔30min观测油泵的油量表I次，直至连续2h内每小时的沉降量小于0.1mm时，可施加下一级荷载；而对于快法，每施加一级荷载后隔15min观测一次出油量，累计观测达2h时，可以施加下一级荷载；
(3)荷载增量取值可取设定极限荷载的1/7 1/10，当极限荷载不易估计时，可按15 50kPa进行取值，对于淤泥、流塑粘土、松散的砂土荷载增量取小于15kPa，对软弱粘性土、新近沉积的黄土、稍密砂土、粉土荷载增量可取15 25kPa，对于坚硬粘性土、新黄土、中密砂土荷载增量可取25 50kPa ；
(4)出现以下情况之一时，可终止试验:荷载增加很小，但出油量急剧增大，换算成沉降量急剧增大，荷载与沉降量关系曲线上出现陡降段；换算后沉降量与螺旋板的直径的比值大于0.1。步骤7、完成孔内试验点后，对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再将拆除传力柱和横梁；然后增加传力杆将螺旋板旋到下一个深度，一般同一试验孔内相邻深度的试验点间距等于或大于lm，特殊要求也不应小于0.75m，试验过程按照步骤3 6进行；依次类推完成择定试验位置孔内不同深度的载荷试验；
步骤8、当择定试验位置孔各点试验全部完后，对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再将拆除传力柱和横梁；然后可用人力或机械将传力杆上拔，使加载单向油压千斤顶、压力传感器、传力杆接头、传力杆等拉出地面，螺旋板弃于孔内；最后拆除压板、地锚传力杆，再将扭头和地锚连接，加长杆与扭头连接，逆时针旋转地锚，使得地锚慢慢旋出地面，试验完毕。3、本发明的工作原理
①反力装置给加载单向油压千斤顶提供反力，其中传力柱可以调整传力杆和横梁之间的距离；
②在试验前，必须对手动油泵的油压表的读数和千斤顶的伸出量进行校正，测定千斤顶伸出1mm、5mm、lcm、2cm、5cm、IOcm时手动油泵油压表的读数,然后通过插值计算，可以根据试验过程中油压表的读数，方便地换算出螺旋板的沉降量；
③深层加载单向油压千斤顶连同螺旋板、压力传感器和传力杆一起旋入测试的预定深度，油管和电缆通过传力杆中间孔心部分穿出地面，分别与手动油泵和数据采集仪连接，再慢慢手动供油对螺旋板进行加载，通过单向油压千斤顶上部的压力传感器测定施加荷载大小，并记录油泵油量表的读数；
本发明具有下列优点和积极效果:
①采用深层加载可以避免荷载偏心引起的测量误差，提高测试精度，确保测试成果真实可靠；
②可以测试和研究土体不同深度处的承载力和变形参数；
③适用于粘性土、砂土和淤泥等地基土的承载力和变形特性的现场试验。
权利要求
1.一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，包括地锚(I)和螺旋板(30)，其特征在于，地锚(I)与地锚传力杆(6)连接，地锚传力杆(6)上设置有压板(3)，压板(3)上架设有横梁(2)，螺旋板(30)—端与深层加载单向油压千斤顶(11)一端连接，深层加载单向油压千斤顶(11)另一端与传力杆(17) —端连接，深层加载单向油压千斤顶(11)上设置有用于测量其油压的压力传感器(21)，传力杆(17)另一端通过传力柱(18)与横梁(2)连接，压力传感器(21)与数据采集仪(22)连接，深层加载单向油压千斤顶(11)与手动油泵(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，其特征在于，所述的地锚(I)为4个，呈矩形分布，位于矩形短边的2个地锚(I)上架设有压板(3)，所述的地锚传力杆(6)穿过压板(3)，并通过螺帽(4)固紧在压板(3)上，所述的横梁(2)两端分别架设在矩形短边的2个压板(3)上且 位于矩形的中心线，横梁(2)通过抱箍(5)固紧在压板(3)上。
3.根据权利要求2所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，其特征在于:所述的传力柱(18)位于横梁(2)的中心,所述的传力杆(17)为若干个,传力柱(18)垂直放置，传力柱(18)的垂直中心线、传力杆(17)的垂直中心线和螺旋板(30)的垂直中心线重合。
4.根据权利要求3所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，其特征在于，所述的压力传感器(21)设置在深层加载单向油压千斤顶(11)与传力杆(17)之间，压力传感器(21)通过电缆(23)与数据采集仪(22)连接，深层加载单向油压千斤顶(11)通过油管(15)与手动油泵(12)连接，传力杆(17)为空心，电缆(23)和油管(15)从传力杆(17)穿出至地面。
5.根据权利要求4所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，其特征在于，还包括用于测量手动油泵(12)油量的油量表(14)和用于测量手动油泵(12)油压的油压表(13)。
6.根据权利要求5所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，其特征在于，所述的螺旋板(30)上设置有方榫，与螺旋板(30)连接的深层加载单向油压千斤顶(11)上设置有与方榫外形适配的方孔，方榫插入到方孔内，方榫上设置有方榫连接孔，方孔的孔壁上设置有方孔连接孔，一金属线依次穿过方榫连接孔和方孔连接孔。
7.一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、平整场地，择定试验孔位置，根据试验孔的位置确定地锚的位置，试验孔的位置位于各个地锚连成的矩形中心，将4个地锚旋入地面； 步骤2、将螺旋板的方榫插入深层加载单向油压千斤顶一端的与方榫适配的方孔中，用金属丝依次插入方榫上方榫连接孔和方孔孔壁上的方孔连接孔，深层加载单向油压千斤顶另一端上设置有压力传感器；再将传力杆通过传力杆接头与压力传感器连接好；然后将扭头和加长杆与传力杆连接好，顺时针将螺旋板在择定的试验孔旋入土中； 步骤3、根据测试深度的需要旋入多节传力杆，旋入一节传力杆之后，卸掉扭头和加长杆，再将另一节传力杆与已经旋入的传力杆连接，然后将扭头和加长杆与传力杆连接好后继续往下旋入，直至到达预定的测试深度，按传力杆连接顺序依次将电缆和油管穿入传力杆，并保持传力杆的垂直状态；再将地锚和地锚传力杆连接好，然后依次安装压板和横梁，并对横梁应用水平尺校准，使横梁保持水平； 步骤4、调整好传力杆顶部至横梁的垂直距离，使其恰好能安装传力柱，保持传力柱、传力杆、深层加载单向油压千斤顶和螺旋板的垂直度一致，避免偏压； 步骤5、将电缆连接到数据采集仪，将油管连接到手动油泵，然后对深层加载单向油压千斤顶进行供油，使得传力柱和横梁紧密接触，检查信号输出是否正常，并将数据采集仪调零，并记录油量表初始读数； 步骤6、进行螺旋板载荷试验； 步骤7、对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再将拆除传力柱和横梁；然后增加传力杆将螺旋板旋到下一个测试深度，重复步骤3 6直至依次完成择定试验位置孔内不同深度的载荷试验； 步骤8、当择定试验位置孔各点试验全部完后，对手动油泵进行回油，使得加载单向油压千斤顶卸压，再拆除传力柱和横梁；将传力杆上拔，使加载单向油压千斤顶、压力传感器、传力杆接头、传力杆拉出地面，螺旋板弃于孔内；最后拆除压板、地锚传力杆，再将扭头和地锚连接，加长杆与扭头连接，逆时针旋转地锚，使得地锚旋出地面，试验完毕。
8.根据权利要求7所述一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，其特征在于，所述的步骤6包括以下步骤: 当需要同时测定地基土模量及承载力时，采用慢法试验，自加荷开始后按1、2、2、5、5、15、15、15min间隔，以后每隔30min观测油泵的油量表I次，直至连续2小时内的每小时沉降量小于0.1mm时,施加下一级荷载直至所有载荷加载完毕； 当仅需测定地基承载力时，采用快法试验，每施加一级荷载后隔15分钟观测一次出油量，累计观测达2小时时，施加下一级荷载直至所有载荷加载完毕。
9.根据权利要求8所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，其特征在于，所述载荷相邻级的增量为预先设定 的极限荷载的1/7 1/10。
10.根据权利要求9所述的一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，其特征在于，所述的同一试验孔内不同测试深度的距离大于等于I米。
全文摘要
本发明公开了一种可深层加载的螺旋板载荷试验装置，包括地锚和螺旋板，地锚与地锚传力杆连接，地锚传力杆上架设有横梁，螺旋板一端与深层加载单向油压千斤顶一端连接，深层加载单向油压千斤顶另一端与传力杆一端连接，深层加载单向油压千斤顶上设置有用于测量其油压的压力传感器，传力杆另一端通过传力柱与横梁连接，压力传感器与数据采集仪连接，深层加载单向油压千斤顶与手动油泵连接。还公开了一种可深层加载的螺旋板载荷试验方法，本发明采用深层加载可以避免荷载偏心引起的测量误差，提高测试精度，确保测试成果真实可靠；可以测试和研究土体不同深度处的承载力和变形参数；适用于粘性土、砂土和淤泥等地基土的承载力和变形特性的现场试验。
文档编号E02D1/00GK103195042SQ20131008268
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者陈善雄, 胡可, 曹光伦, 罗红明, 余飞, 戴张俊 申请人:安徽省交通投资集团有限责任公司, 中国科学院武汉岩土力学研究所