深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置及其测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置及其测试方法。评价工程地基状态最直接可靠的是载荷板试验，但目前无针对孔内载荷板试验的装置。本发明将液压橡胶膜套在支撑环外，将支撑环套放在下心管外的支撑板上，然后将千斤顶和压力传感器连接于下心管顶部，将位移传感器固定在支撑环上；将气压橡胶膜套装在上心管外，然后固定上下盖板；布置测试系统，开启气压泵、液压泵记录压力传感器和位移传感器的测量值。本发明将气压摩擦反力装置、加载装置和测试装置组成一个独立孔内载荷板试验系统，系统通过气压膜与孔壁摩擦为系统提供支撑反力支撑，测试传感器直接测量载荷板的沉降量，实现了孔内载荷板试验的测试。
【专利说明】深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩土工程原位测试【技术领域】，具体涉及一种深孔内土体压缩变形模量 及强度的测试装置及其测试方法。
【背景技术】
[0002] 自然界中的土体受其成因条件、气候环境等影响造成其物理力学性质的千差万 另IJ，获取土体准确的物理力学参数不仅是工程勘察的重要内容，同时也直接关系着工程设 计的安全性和合理性。工程中常用土工室内试验成果作为设计依据，但是土体作为一种典 型三相颗粒散体堆积物，取样时的扰动、边界条件变化，运输过程、尺寸效应等都对试验结 果有一定影响，所以在试验场地内开展原位试验是获得准确土体物理力学参数相对较好方 法。
[0003] 评价工程地基状态最直接可靠的试验方法即是载荷板试验，孔内载荷板试验可以 分层评价地基的压缩模量及承载力特征，其结果对工程的设计分析具有重要意义。但是目 前并没有针对孔内载荷板试验系统和方法，一般由人工开挖成孔后放入大直径载荷板后在 孔口堆载，采用传力杆给孔底载荷板提供反力，位移杆在地表测量孔底载荷板位移，较长的 传力杆和位移杆对于微米级的试验精度要求影响较大，而且人工挖孔风险大、深度小、成本 高、周期长，仅在重要的地铁设计项目勘察中有较少应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置及其测试 方法，对深层地基进行精确的测试。
[0005] 本发明所采用的技术方案是： 深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 包括气压反力系统、液压载荷板系统和测试系统； 气压反力系统设置有圆筒形的上心管，上心管外环套气压橡胶膜；上心管的顶端通过 螺纹连接方式固定有上盖板，上盖板顶部设置有吊环；上心管的底端焊接固定有下盖板； 液压载荷板系统设置有圆筒形的下心管；下心管顶端通过螺纹连接方式固定有压力传 感器，压力传感器顶面焊接固定有千斤顶，千斤顶通过法兰盘与上心管相连接；下心管下部 外圈焊接有环形水平的支撑板，支撑板上方设置有支撑环；支撑环内圈通过滚柱轴承固定 于下心管外壁，外圈固定有环下心管设置的环带状的液压橡胶膜，内圈与外圈之间设置有 辐射状的肋条，置于支撑板上；下心管底端焊接固定有载荷板； 测试系统中包括液压泵、液压管、气压泵、气压管、测试仪器、测试线和位移传感器；液 压管从液压泵接出，另一端接入液压橡胶膜；气压管从气压泵接出，另一端接入气压橡胶 膜；测试线从测试仪器接出，另一端接入支撑环上设置的位移传感器。
[0006] 液压管上设置有液压橡胶膜控制阀。
[0007] 液压管上设置有分支，接入千斤顶，分支上设置有千斤顶控制阀。
[0008] 载荷板底部设置有垫层。
[0009] 液压管、气压管和测试线均穿过上心管。
[0010] 吊环通过吊装钢缆与吊装设备相连接。
[0011] 深孔内土体压缩变形模量及强度的测试方法，其特征在于： 由以下步骤实现： 步骤一：钻孔的施工： 利用吊装设备和机械洛阳铲铲头在试验点位成孔，钻孔直径为载荷板直径加100mm ; 钻孔到试验深度后提出钻头并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平； 步骤二：测试装置组装： 组装液压载荷板系统，将液压橡胶膜套在支撑环外端，并将支撑环套放在下心管外 的支撑板上，然后将千斤顶和压力传感器连接于下心管顶部，将位移传感器固定在支撑环 上； 在钻孔孔口固定垫叉，用吊装设备将组装好的液压载荷板系统放在垫叉上； 组装气压反力系统，首先将气压橡胶膜套装在上心管外，然后将上盖板拧紧在上心管 上，将下盖板焊接于上心管低端； 用吊装设备将气压反力系统吊装至钻孔孔口的液压载荷板系统上，用螺栓将法兰盘紧 固后取掉垫叉； 布置测试系统：液压管从液压泵接出，另一端接入液压橡胶膜；测试线从测试仪器接 出，另一端接入位移传感器；气压管从气压泵接出，另一端接入气压橡胶膜； 步骤三：测试： 将组装好的液压载荷板系统和气压反力系统缓慢放入孔底后，松开吊装钢缆，开启气 压泵送气至气压橡胶膜，维持30kpa气压15分钟后，打开气压泵的泄气阀将气压橡胶膜内 的气体压力减小至5kpa ; 读取压力传感器初值，打开气压泵将气压橡胶膜内气压加至30kpa，打开液压泵和千斤 顶控制阀，缓慢加压读取压力传感器压力值，压力传感器压力达20kpa时稳定压力； 打开液压橡胶膜控制阀，维持液压橡胶膜内压力30kpa，关闭液压橡胶膜控制阀，读取 位移传感器初值； 将试验荷载分8级，用千斤顶逐级加压，每级压力稳定后才能进入下一级压力，压力稳 定标准为60分钟内位移传感器记录载荷板沉降小于0. 1_，每级加压后10分钟一次记录压 力传感器和位移传感器的测量值。
[0012] 本发明具有以下优点： 本发明将气压摩擦反力装置、加载装置和测试装置组成一个独立孔内载荷板试验系 统，系统通过气压膜与孔壁摩擦为系统提供支撑反力支撑，测试传感器直接测量载荷板的 沉降量，既没有复杂堆载方法，也没有较长的压力杆和位移杆，实现了孔内载荷板试验的自 动化测试。本发明与传统试验方法相比不仅安全可靠、测试数据更加精准，而且实现了深孔 内的载荷板试验，试验一定程度上将不再受试验深度限制，也更加快速，试验成本也较低。 利用本发明在较小成本的条件下即可进行工程地基的深孔载荷板试验，在勘察阶段即可对 地基各层位土体的承载力、压缩模量等参数进行原位测试，用试验成果替代室内试验成果 进行设计，具有更加准确描述地基土的实际受力变形特征和更加准确的分析工程地基的稳 定性和工后沉降量的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明结构图。
[0014] 图中，1-吊装设备，2-钻孔，3-气压管，4-吊环，5-上盖板，6-气压橡胶膜，7-上 心管，8-测试线，9-法兰盘，10-千斤顶，11-压力传感器，12-下心管，13-滚柱轴承，14-支 撑环，15-液压橡胶膜，16-垫层，17-液压泵，18-测试仪器，19-气压泵，20-下盖板，21-液 压管，22-千斤顶控制阀，23-支撑板，24-液压橡胶膜控制阀，25-位移传感器，26-载荷板， 27-垫叉。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0016] 本发明所涉及的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，包括气压反力系 统、液压载荷板系统和测试系统： 气压反力系统设置有圆筒形的上心管7,上心管7外环套气压橡胶膜6 ;上心管7的顶 端通过螺纹连接方式固定有上盖板5,上盖板5顶部设置有吊环4 ;上心管7的底端焊接固 定有下盖板20。
[0017] 液压载荷板系统设置有圆筒形的下心管12 ;下心管12顶端通过螺纹连接方式固 定有压力传感器11，压力传感器11顶面焊接固定有千斤顶10,千斤顶10通过法兰盘9与 上心管7相连接；下心管12下部外圈焊接有环形水平的支撑板23,支撑板23上方设置有 支撑环14 ;支撑环14内圈通过滚柱轴承固定于下心管12外壁，外圈固定有环下心管12设 置的环带状的液压橡胶膜15,内圈与外圈之间设置有辐射状的肋条，置于支撑板23上；下 心管12底端焊接固定有载荷板26。
[0018] 测试系统中包括液压泵17、液压管21、气压泵19、气压管3、测试仪器18、测试线8 和位移传感器25 ;液压管21从液压泵17接出，另一端接入液压橡胶膜15 ;气压管3从气压 泵19接出，另一端接入气压橡胶膜6 ;测试线8从测试仪器18接出，另一端接入支撑环14 上设置的位移传感器25。
[0019] 液压管21上设置有液压橡胶膜控制阀24。液压管21上设置有分支，接入千斤顶 10,分支上设置有千斤顶控制阀22。载荷板26底部设置有垫层16。液压管21、气压管3和 测试线8均穿过上心管7。吊环4通过吊装钢缆与吊装设备1相连接。
[0020] 利用上述设备进行深孔内土体压缩变形模量及强度测试的方法，由以下步骤实 现： 步骤一：钻孔2的施工： 利用吊装设备1和机械洛阳铲铲头在试验点位成孔，钻孔2直径为载荷板26直径加 100mm ； 钻孔到试验深度后提出钻头并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平。
[0021] 步骤二：测试装置组装： 组装液压载荷板系统，将液压橡胶膜15套在支撑环14外端，并将支撑环14套放在下 心管12外的支撑板23上，然后将千斤顶10和压力传感器11连接于下心管12顶部，将位 移传感器25固定在支撑环14上； 在钻孔2孔口固定垫叉27,用吊装设备1将组装好的液压载荷板系统放在垫叉27上； 垫叉27由两个半圆环组装而成，边缘设置有突出的搭板可置于孔口边缘。
[0022] 组装气压反力系统，首先将气压橡胶膜6套装在上心管7外，然后将上盖板5拧紧 在上心管7上； 用吊装设备1将气压反力系统吊装至钻孔2孔口的液压载荷板系统上，用螺栓将法兰 盘9紧固后取掉垫叉27 ; 布置测试系统：液压管21从液压泵17接出，另一端接入液压橡胶膜15 ;测试线8从测 试仪器18接出，另一端接入位移传感器25 ;气压管3从气压泵19接出，另一端接入气压橡 胶膜6。
[0023] 步骤三：测试： 1将组装好的液压载荷板系统和气压反力系统缓慢放入孔底后，松开吊装钢缆，开启气 压泵19送气至气压橡胶膜6,维持30kpa气压15分钟后，打开气压泵19的泄气阀将气压橡 胶膜6内的气体压力减小至5kpa ; 读取压力传感器11初值，打开气压泵19将气压橡胶膜6内气压加至30kpa，打开液压 泵17和千斤顶控制阀22,缓慢加压读取压力传感器11压力值，压力传感器11压力达20kpa 时稳定压力； 打开液压橡胶膜控制阀24,维持液压橡胶膜15内压力30kpa，关闭液压橡胶膜控制阀 24,读取位移传感器25初值； 将试验荷载分8级，用千斤顶10逐级加压，每级压力稳定后才能进入下一级压力，压力 稳定标准为60分钟内位移传感器25记录载荷板沉降小于0. 1_，每级加压后10分钟一次 记录压力传感器11和位移传感器25的测量值。
[0024] 试验完成后，先卸去千斤顶10内压力，然后卸去液压橡胶膜15内的压力，将吊装 钢缆张紧后再卸去气压橡胶膜6内的压力，按安装的反过程拆卸试验设备。取出试验设备 后，可继续钻孔至下一试验地层，再次装入试验设备开始试验。
[0025] 数据处理： 根据测量记录的压力值和沉降值绘制P-S、s-t曲线，从而获得该层位地基土的承载力 特征值和压缩变形模量。
[0026] 取P-S曲线上有比例极限所对应的荷载值作为土体载荷试验强度值，根据下士计 算压缩变形模量： Pd ES=A -- J s 其中，λ为试验参数，取〇. 4-0. 45 ; Ρ为测试压力； d为载荷板直径； s为测试沉降量。
[0027] 地基土深孔载荷板试验可在尽量保持地基土边界条件的基础上获取原位土体的 物理力学参数，对于地基工程设计和研究具有重要意义。
[0028] 本发明试验方法利用气压橡胶膜6在一定压力作用膨胀后与钻孔孔壁产生摩擦 力作为为载荷板试验的支撑反力，利用液压橡胶膜15在一定压力作用下膨胀后与孔壁固 定从而为系统提供一个稳定的位移监测标准点。千斤顶10工作时上部顶在固定在孔壁上 的气压反力系统上，从而产生向下的试验要求压力直接作用与载荷板26,作用力传递距离 端，保证了系统工作的稳定性。液压橡胶膜15膨胀后将支撑环14紧紧固定在孔壁上，试验 时支撑环14独立与系统保持静止，位移传感器25固定在支撑环14上，下端连接载荷板26， 实现了精确测量载荷板在试验过程中的位移量。
[0029] 本发明试验方法将整个载荷板试验设备集中在一个相对较小的系统内，利用吊装 设备1即可实现任意孔深范围内的载荷板试验，测试系统安全稳定，测试结果精确。试验系 统拆装方便，大大减小了试验周期，降低了试验成本，为大量开展土体分层原位试验提供了 技术可能，对地基工程的勘察和设计具有推动作用。
[0030] 目前现有技术中所做的深层平板试验一般由人工挖孔，钻孔直径在lm以上，试验 系统复杂，成本较高，且存在一定的安全隐患。
[0031] 宝兰客运专线天水南车站湿陷性黄土地基处理工程为探明地基土的工程性质，开 展了深层平板试验。利用人工挖孔，孔径1.0m，孔口堆载8吨，千斤顶放在孔口压力杆顶端， 利用传力杆给孔底载荷板施压，位移杆在孔口测量载荷板沉降量。试验过程中出现了许多 问题，人工挖孔深度限制在了 15m左右，且人工挖孔中风险很大，孔内做衬砌成本又很大。 试验深度较大时很难保证压力杆在孔内的垂直度，荷载较大时压力杆有摇摆现象，且载荷 板居中困难，位移杆长度较大时有挠曲跳动，测试数据误差较大。时间成本上，一次试验挖 孔要用2天，堆载、连接监测设备2天，测试1天，一次试验平均用时5天，成本10000元左 右，若要进行下一次试验需要移开孔口的堆载设备，周期更长。利用本发明方法，采用机械 洛阳铲钻孔孔径400mm，钻孔仅需要4个小时，设备安装4个小时，试验1天，成本2000元左 右，孔口无堆载，测试系统在孔内自动调节稳定，试验安全性高，试验数据更加准确稳定，进 行下一层位试验时仅需吊出试验设备继续钻孔即可，最大试验深度可达30m，安全稳定。
[0032] 本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书 而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1. 深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 包括气压反力系统、液压载荷板系统和测试系统； 气压反力系统设置有圆筒形的上心管（7)，上心管（7)外环套气压橡胶膜（6);上心管 (7)的顶端通过螺纹连接方式固定有上盖板（5)，上盖板（5)顶部设置有吊环（4);上心管 (7)的底端焊接固定有下盖板（20); 液压载荷板系统设置有圆筒形的下心管（12);下心管（12)顶端通过螺纹连接方式固定 有压力传感器（11)，压力传感器（11)顶面焊接固定有千斤顶（10)，千斤顶（10)通过法兰盘 (9)与上心管（7)相连接；下心管（12)下部外圈焊接有环形水平的支撑板（23)，支撑板（23) 上方设置有支撑环（14);支撑环（14)内圈通过滚柱轴承固定于下心管（12)外壁，外圈固定 有环下心管（12)设置的环带状的液压橡胶膜（15)，内圈与外圈之间设置有辐射状的肋条， 置于支撑板（23)上；下心管（12)底端焊接固定有载荷板（26); 测试系统中包括液压泵（17)、液压管（21)、气压泵（19)、气压管（3)、测试仪器（18)、测 试线（8)和位移传感器（25);液压管（21)从液压泵（17)接出，另一端接入液压橡胶膜（15); 气压管（3)从气压泵（19)接出，另一端接入气压橡胶膜（6);测试线（8)从测试仪器（18)接 出，另一端接入支撑环（14 )上设置的位移传感器（25 )。
2. 根据权利要求1所述的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 液压管（21)上设置有液压橡胶膜控制阀（24 )。
3. 根据权利要求2所述的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 液压管（21)上设置有分支，接入千斤顶（10 )，分支上设置有千斤顶控制阀（22 )。
4. 根据权利要求3所述的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 载荷板（26 )底部设置有垫层（16 )。
5. 根据权利要求4所述的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 液压管（21)、气压管（3)和测试线（8)均穿过上心管（7)。
6. 根据权利要求5所述的深孔内土体压缩变形模量及强度的测试装置，其特征在于： 吊环（4)通过吊装钢缆与吊装设备（1)相连接。
7. 深孔内土体压缩变形模量及强度的测试方法，其特征在于： 由以下步骤实现： 步骤一：钻孔（2)的施工： 利用吊装设备（1)和机械洛阳铲铲头在试验点位成孔，钻孔（2)直径为载荷板（26)直 径加100mm ; 钻孔到试验深度后提出钻头并清孔，然后往孔底倒入l〇cm厚中粗砂整平； 步骤二：测试装置组装： 组装液压载荷板系统，将液压橡胶膜（15)套在支撑环（14)外端，并将支撑环（14)套 放在下心管（12)外的支撑板（23)上，然后将千斤顶（10)和压力传感器（11)连接于下心管 (12)顶部，将位移传感器（25)固定在支撑环（14)上； 在钻孔（2)孔口固定垫叉（27)，用吊装设备（1)将组装好的液压载荷板系统放在垫叉 (27)上； 组装气压反力系统，首先将气压橡胶膜（6)套装在上心管（7)外，然后将上盖板（5)拧 紧在上心管（7)上，将下盖板（20)焊接于上心管（7)低端； 用吊装设备（1)将气压反力系统吊装至钻孔（2)孔口的液压载荷板系统上，用螺栓将 法兰盘（9)紧固后取掉垫叉（27); 布置测试系统：液压管（21)从液压泵（17)接出，另一端接入液压橡胶膜（15);测试线 (8)从测试仪器（18)接出，另一端接入位移传感器（25);气压管（3)从气压泵（19)接出，另 一端接入气压橡胶膜（6); 步骤三：测试： 将组装好的液压载荷板系统和气压反力系统缓慢放入孔底后，松开吊装钢缆，开启气 压泵（19)送气至气压橡胶膜（6)，维持30kpa气压15分钟后，打开气压泵（19)的泄气阀将 气压橡胶膜（6)内的气体压力减小至5kpa ; 读取压力传感器（11)初值，打开气压泵（19)将气压橡胶膜（6)内气压加至30kpa，打开 液压泵（17)和千斤顶控制阀（22)，缓慢加压读取压力传感器（11)压力值，压力传感器（11) 压力达20kpa时稳定压力； 打开液压橡胶膜控制阀（24)，维持液压橡胶膜（15)内压力30kpa，关闭液压橡胶膜控 制阀（24 )，读取位移传感器（25 )初值； 将试验荷载分8级，用千斤顶（10)逐级加压，每级压力稳定后才能进入下一级压力，压 力稳定标准为60分钟内位移传感器（25)记录载荷板沉降小于0. 1_，每级加压后10分钟 一次记录压力传感器（11)和位移传感器（25 )的测量值。
【文档编号】G01N3/12GK104089826SQ201410365884
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】于基宁, 高志伟, 王向阳, 李响, 舒磊, 孙良鑫, 辛文栋, 葛建军, 王应铭, 张宗棠, 郭刚, 张然 申请人:中铁第一勘察设计院集团有限公司