一种硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法与流程

本发明涉及一种探针试验装置和方法，尤其适用于超固结、非均质土的强度和结构测试时使用的硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法。

背景技术：

硬土强度介于岩石和土之间，常规土力学试验装备由于加载能力不足对于硬土无能为力，常规岩石力学试验装备在加载初期硬土就发生显著破坏，不利于捕捉硬土变形破坏的力学过程。同时，硬土内滑面、裂隙和孔洞发育，结构性对其性质影响也极为突出。目前，宏观尺度的岩土地层界面和构造参数测试一般采用物探、钻探、槽探和洞探等方法，微观微米或纳米尺度孔隙的测试一般采用扫描电镜、压汞试验和ct扫描进行测试，但试块试样内介于微观和宏观之间的结构特征测试，尚缺乏有效的装置和方法。鉴于此，研究和试制硬土内部软弱带和硬土强度的测试方法，是结构性硬土土性质测试研究的重要内容。

技术实现要素：

技术问题：本发明是针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，测试效果好的硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：它包括设置在压力机上压头和压力机工作台之间的探针固定架、探针、计算机、位移计和上方设有试样保护帽的柱状硬土试样；

所述探针固定架包括探针固定板，探针固定板四角上分别设有将探针固定板固定在压力机上压头上的强力磁铁，探针固定板中心设有拉压应力传感器，拉压应力传感器上垂直设有探针索头，拉压应力传感器两侧在探针固定板上设有固定孔，探针固定板、拉压应力传感器和探针锁头利用胶水连接，探针锁头上设有探针，探针直径0.5-3mm，硬土试样设置在探针正下方的压力机工作台上；所述位移计上端固定在压力机上压头上，位移计下端采用磁铁吸附在压力机工作台上；

所述拉压应力传感器和所述位移计通过导线与计算机相连接，用于采集贯入阻力和贯入深度。

所述试样保护帽上均匀设有多个探孔，探孔与探针直径相匹配，探孔位置按顺序采用激光刻写编码和精确记录探孔中心坐标，试样保护帽的外径与采集柱状硬土试样的环刀内径配合一致，探孔直径大于探针0.2mm；所述探针索头为可调结构，用于更换不同长度和直径的探针。

一种硬土强度和结构测试试验方法，其步骤如下：

a.试验前先在拟定区域采集原状硬土样，利用环刀制成柱状试样，其上下表面保持平行且上表面低于环刀上口2mm，每个被测地层制备2-3件柱状试样，放置入恒温恒湿养护箱内待用，试验全过程中柱状试样始终处于环刀的侧限边界条件和保护之下；

b.试验采用伺服压力机的控制系统提供加载条件：控制压力机抬起压力机上压头，在压头和压力机工作台之间安装位移计，利用强力磁铁将探针固定板吸附固定在压力机的上压头上，利用螺栓通过固定孔将探针固定板固定牢固，然后根据硬土试样的强度，按照高强度小直径、低强度大直径的原则选择探针直径，将探针垂直向下固定在探针索头上，安装拉压应力传感器和位移计并与计算机相连接；

c.选择探孔与探针直径匹配的试样保护帽，在探针索头正下方的压力机工作台上平稳地放置硬土试样，在硬土试样上安装试样保护帽，使试样保护帽与硬土试样接实并嵌入环刀内；

d.缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，手握环刀缓慢移动试样，在保护帽上选择一个探孔作为测试孔，使探孔与探针对准后进行进行预贯入测试，

采用位移计与拉压应力传感器连接电脑采集探针贯入过程的应力和变形参数，进行硬土试样强度和结构测试采用应变控制式和应力控制式加载方式的两者之一驱动探针，采用应力控制式加载方式时，探针以固定应力贯入试样，检测贯入速率；采用应变控制式加载方式驱动时，探针以固定应变速率匀速贯入试样检测贯入阻力，贯入应变速率根据试样强度多级可选，其范围为0.01–5mm/min，土质坚硬取小值，土质软弱取大值；

c.利用计算机分析试验数据时，在应变控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入阻力曲线出现突然下跌的近似平底谷状曲线时即判断试样内部存在软弱带；在应力控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入速度曲线出现突然跃起的近似平顶山峰状曲线时即判断当前的硬土试样内部存在软弱带；

d.当获得硬土试样多个探孔的软弱带分布的上下界位置后，利用计算机按探孔坐标和软弱带的上下界，重建试样软弱带的空间结构，根据探针截面积和贯入荷载，获得硬土试样不同位置的贯入阻力分布特征，采用统计方法研究试样的强度。

所述在以应变控制式加载方式试验时:

a1.预贯入测试主要用于调整探针直径和检测试样保护帽与探针的配合情况，在启动伺服压力机加载和观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针贯入试样的情况：当探针卡在试样保护帽上时，立即停止试验，调整试样表面水平和试样保护帽的探孔与探针同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；

b1在确定探针直径后，保持环刀与试样保护帽相对位置固定不变，整体转动环刀和硬土试样，缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，微微调整硬土试样使探针对准保护帽上的一个非测试孔的探孔，探针接触试样后压力机上压头停止下降使垂直荷载清零，完成一次硬土试样的探孔测试；

c1.按照隔一孔测一孔的方式从保护帽任意位置探孔开始测试，逐步在所有探孔位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计读数和拉压应力传感器读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针贯入硬土试样情况，当出现拉压应力传感器读数超过量程90％、肉眼观察探针弯曲、卡住试样保护帽的探孔、探针贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头；

d1.调整硬土试样的平面位置，重复步骤a1-c1，根据试样保护帽探孔位置，逐孔进行贯入测试和获得试验数据。

所述在以应力控制式加载方式试验时：

a2.预贯入测试主要用于调整探针直径和检测试样保护帽与探针的配合情况，在启动伺服压力机加载和观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针贯入试样的情况：当探针卡在试样保护帽上时，立即停止试验，调整试样表面水平和试样保护帽的探孔与探针同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；

b2.获得硬土贯入的探针直径和最大贯入阻力后按照[0,2倍贯入阻力]的范围，分为5-8级荷载，作为应力控制式加载的贯入应力；

c2.在确定探针直径后，保持环刀与试样保护帽相对位置固定不变，整体转动环刀和硬土试样，缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，微微调整硬土试样使探针对准保护帽上的一个非测试孔的探孔，探针接触试样后压力机上压头停止下降使垂直荷载清零，完成一次硬土试样的探孔测试；

d2.按照隔一孔测一孔的方式从保护帽任意位置探孔开始测试，逐步在所有探孔位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计读数和拉压应力传感器读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针贯入硬土试样情况，当出现拉压应力传感器读数超过量程90％、肉眼观察探针弯曲、卡住试样保护帽的探孔、探针贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头。

所述采集硬土试样的环刀直径为39.1-100mm、高度70mm，采集的硬土试样为高度68mm的柱状硬土试样，柱状硬土试样上端距离环刀顶部预留有装试样保护帽的2mm空间高度。

有益效果：本发明通过在压力机上设置探针和硬土试样，利用计算机采集压力机带动探针贯入硬土和检测贯入阻力或贯入速度，通过采集探针贯入硬土试样时的信息来判断硬土试样的贯入迹线上是否存在软弱带，并还原出软弱带的在硬土试样内的三维分布和结构，硬土试样结构识别更加形象直观；

通过在硬土试样多次分布式贯入阻力采集获得充分的硬土强度基础数据，硬土强度参数确定可采用统计方法并提高可靠性；

不改变既有压力机结构，试验装置拆装方便，结构简单；

试验检测既可依靠压力机系统实现也可独立完成，采集的数据详细可靠；通过调整探针尺度、环刀和试样保护帽尺寸可适应多尺寸试验和多类硬土，适应性广。

附图说明

图1为本发明的机构图。

图2为本发明的探针固定架结构图。

图3为本发明试样保护帽结构图。

图4为本发明的硬土试样结构图。

图5(a)为本发明的贯入方式与硬土结构识别示意图。

图5(b)为本发明的贯入硬土结构曲线图。

图6(a)为本发明实施例探针第一次贯入位移与贯入荷载曲线。

图6(b)为本发明实施例探针第二次贯入位移与贯入荷载曲线。

图中：1-压力机上压头，2-探针固定板，3-强力磁铁，4-拉压应力传感器，5-数据线，6-探针索头，7-探针，8-试样保护帽，9-软弱带，10-柱状试样，11-压力机工作台，12-位移计，13-固定孔，14-探孔，15-环刀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步说明:

如图1所示一种硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：它包括设置在压力机上压头1和压力机工作台(11)之间的探针固定架、探针7、计算机、位移计12和上方设有试样保护帽8的柱状硬土试样10；

如图2和图3所示，探针固定架包括探针固定板2，探针固定板2四角上分别设有将探针固定板2固定在压力机上压头1上的强力磁铁3，探针固定板2中心设有拉压应力传感器4，拉压应力传感器4上垂直设有探针索头6，拉压应力传感器4两侧在探针固定板2上设有固定孔13，探针固定板2、拉压应力传感器4和探针锁头6利用胶水连接，探针锁头6上设有探针7，探针7直径0.5-3mm，硬土试样10设置在探针7正下方的压力机工作台11上；所述位移计12上端固定在压力机上压头1上，位移计12下端采用磁铁吸附在压力机工作台11上；，所述探针索头6为可调结构，用于更换不同长度和直径的探针7

所述拉压应力传感器4和所述位移计12通过导线与计算机相连接，用于采集贯入阻力和贯入深度。

如图3和图4所示，所述试样保护帽8上均匀设有多个探孔13，探孔13与探针8直径相匹配，探孔位置按顺序采用激光刻写编码和精确记录探孔中心坐标，试样保护帽的外径与采集柱状硬土试样10的环刀15内径配合一致，探孔14直径大于探针0.2mm。

一种硬土强度和结构测试的试验方法，其步骤如下：

a.试验前先在拟定区域采集原状硬土样，利用环刀15制成柱状试样10，其上下表面保持平行且上表面低于环刀15上口2mm，每个被测地层制备2-3件柱状试样10，放置入恒温恒湿养护箱内待用，试验全过程中柱状试样10始终处于环刀15的侧限边界条件和保护之下；

b.试验采用伺服压力机的控制系统提供加载条件：控制压力机抬起压力机上压头1，在压头1和压力机工作台(11)之间安装位移计12，利用强力磁铁3将探针固定板2吸附固定在压力机的上压头1上，利用螺栓通过固定孔13将探针固定板固定牢固，然后根据硬土试样10的强度，按照高强度小直径、低强度大直径的原则选择探针7直径，将探针7垂直向下固定在探针索头6上，安装拉压应力传感器4和位移计12并与计算机相连接；

c.选择探孔14与探针7直径匹配的试样保护帽8，在探针索头6正下方的压力机工作台11上平稳地放置硬土试样10，在硬土试样10上安装试样保护帽8，使试样保护帽8与硬土试样10接实并嵌入环刀15内；

d.缓慢下降压力机上压头1直至探针7接触试样保护帽8，手握环刀15缓慢移动试样10，在保护帽8上选择一个探孔14作为测试孔，使探孔14与探针7对准后进行进行预贯入测试，采用位移计12与拉压应力传感器4连接电脑采集探针7贯入过程的应力和变形参数，进行硬土试样10强度和结构测试采用应变控制式和应力控制式加载方式的两者之一驱动探针7，如图5a和图6b所示，采用应力控制式加载方式时，探针7以固定应力贯入试样10，检测贯入速率；采用应变控制式加载方式驱动时，探针7以固定应变速率匀速贯入试样10检测贯入阻力，贯入应变速率根据试样强度多级可选，其范围为0.01–5mm/min，土质坚硬取小值，土质软弱取大值；

e.利用计算机分析试验数据时，在应变控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入阻力曲线出现突然下跌的近似平底谷状曲线时即判断试样10内部存在软弱带；在应力控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入速度曲线出现突然跃起的近似平顶山峰状曲线时即判断当前的硬土试样10内部存在软弱带；

f.当获得硬土试样10多个探孔14的软弱带9分布的上下界位置后，利用计算机按探孔14坐标和软弱带9的上下界，重建试样软弱带9的空间结构，根据探针7截面积和贯入荷载，获得硬土试样10不同位置的贯入阻力分布特征，采用统计方法研究试样的强度。

所述在以应变控制式加载方式试验时:

a1.预贯入测试主要用于调整探针7直径和检测试样保护帽8与探针7的配合情况，在启动伺服压力机加载并观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针7贯入试样10的情况：当探针7卡在试样保护帽8上时，立即停止试验，调整试样10表面水平和试样保护帽8的探孔14与探针7同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针7有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；

b1在确定探针7直径后，设定应变控制式加载的应变速率，保持环刀15与试样保护帽8相对位置固定不变，整体转动环刀15和硬土试样10，缓慢下降压力机上压头1直至探针7接触试样保护帽8，微微调整硬土试样使探针7对准保护帽8上一个未测试过的探孔14，探针7接触试样后，压力机上压头1停止下降，令垂直荷载清零后完成一次硬土试样的探针测试；

c1.按照隔一孔测一孔的方式从保护帽8任意位置探孔14开始测试，逐步在所有探孔14位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计12读数和拉压应力传感器4读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针7贯入硬土试样10情况，当出现拉压应力传感器4读数超过量程90％、肉眼观察探针7弯曲、卡住试样保护帽8的探孔14、探针7贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头1；

d1.调整硬土试样10的平面位置，重复步骤a1-c1，根据试样保护帽8探孔14位置，逐孔进行贯入测试和获得试验数据。

所述在以应力控制式加载方式试验时：

a2.预贯入测试主要用于调整探针7直径和检测试样保护帽8与探针7的配合情况，在启动伺服压力机加载和观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针7贯入试样10的情况：当探针7卡在试样保护帽8上时，立即停止试验，调整试样10表面水平和试样保护帽8的探孔14与探针7同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针7有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；

b2.获得硬土贯入的探针直径和最大贯入阻力后按照[0,2倍贯入阻力]的范围，分为5-8级荷载，作为应力控制式加载的贯入应力；

c2.在确定探针7直径后，设定应力控制式加载的第一级荷载，保持环刀15与试样保护帽8相对位置固定不变，整体转动环刀15和硬土试样10，缓慢下降压力机上压头1直至探针7接触试样保护帽8，微微调整硬土试样使探针7对准保护帽8上一个为测试过的探孔14，探针7接触试样后，压力机上压头1停止下降，令垂直荷载清零后完成一次硬土试样探针测试；

d2.根据b2确定的荷载，按照隔一孔测一孔方式更换探孔14，施加第二级荷载，重复c2相同的测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计12读数和拉压应力传感器4读数，直至完成所有级别荷载测试，以贯入过程中贯入速率随时间出现明显波动的荷载级别确定为较优荷载；

e2.按照较优荷载设定应力控制式加载的荷载，按隔一孔测一孔的方式从保护帽8任意位置未测试过探孔14开始测试，逐步在所有探孔14位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计12读数和拉压应力传感器4读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针7贯入硬土试样10情况，当出现拉压应力传感器4读数超过量程90％、肉眼观察探针7弯曲、卡住试样保护帽8的探孔14、探针7贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头1。

所述采集硬土试样10的环刀15直径为39.1-100mm、高度70mm，采集的硬土试样10为高度68mm的柱状硬土试样10，柱状硬土试样10上端距离环刀15顶部预留有装试样保护帽8的2mm空间高度。

实施例一：试样取自河南省禹州市某矿井k-10钻孔，取样深度110.2m，为新近系中部砂质黏土，单轴抗压强度接近1mpa。试样制备时，用削土刀将原状土的上下表面削平后安装在三轴试样制样器上，用削土刀切至接近50mm直径时卸下土样，采用内径50mm、高度70mm特制环刀15，用切土刀边削土样边压入环刀15，顶部预留2mm安装试样保护帽9，共制备硬土试样10两个，放入养护瓶待用。

试验采用1.1mm直径、长80mm探针7，外径50mm试样保护帽8，探孔14直径1.2mm，探孔14间距10mm，按照试验步骤进行贯入试验。其要点是：先启动压力机，抬起上压头1到合适高度，安装好探针固定架2和探针7，检测探针7垂直后在切割出平面的原状土上进行预贯入测试，探针7工作稳定后提起上压头1；将安装好试样保护帽8的环刀15连同试样缓慢推至压力机工作台11中央，缓慢落下上压头1和探针7，按照隔一探一的方式逐个对准探孔14，调整压力设置、位移设置，最大行程设置为60mm，清零后启动贯入程序和采集程序，观察探针7的弯曲情况和压力机反馈的贯入阻力，直至逐一探孔14完成两个试样的贯入探测。

根据试验数据，以贯入位移s为横坐标，贯入荷载q为纵坐标，绘制q-s曲线，如图6所示。其中图6a为第一次贯入，图6b为第二次贯入。由图6a可见，在贯入位移离试样顶部9-18mm和27-39mm两个区间，贯入荷载明显处于“低谷”，谷底平缓，可判断试样内部存在两个软弱带；图6b验证了图6a结果，在贯入位移离硬土试样10顶部14-21mm和26-41mm区间，同样有软弱带分布，但空间分布位置略有变化。如果获得多个探孔14的软弱带分布特征，则可重建试样软弱带的空间结构。根据探针截面积和贯入荷载，可获得不同位置的贯入阻力分布特征，在贯入迹线上按照不同分段长度，采集贯入阻力，作为统计分析的样本，当分段长度不影响贯入阻力分布的统计规律时，求出贯入阻力的平均值和样本方差，与硬土试样的宏观力学强度进行比较并建立强度关系，从而采用统计方法研究试样的强度。