用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法

本发明涉及岩土工程测试，尤其涉及一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法。

背景技术：

1、由于岩土体存在湿陷性、水敏性等不良工程特性，各类岩土体地区工程建设在前期勘查工作中需要格外重视原状土各项参数的精准测试。

2、岩土工程与地质工程领域中，通常需要钻取地层岩土体试样进行室内试验用于测定岩土体的物理力学性质参数，作为划分地层、鉴定类别的依据，并指导施工和监测。另外，岩土体天然地层界面、填挖界面、含水层界面等各种界面处的物理力学性质参数往往是指导工程建设的重要指标，获取这些界面处精准的物理力学性质参数对工程建设活动至关重要。

3、在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

4、事实上，钻取地层岩土体样品会破坏岩土体的原位受力状态与微观结构，导致室内测定的岩土体物理力学性质参数量值与原位实际的岩土体物理力学性质参数量值有一定误差。

5、因此需要一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法，以至少部分地解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法，可以在室内模拟岩土体实际地压，可以模拟土层界面及原位土体实际受力。

2、第一方面，本发明提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置，所述模拟装置包括：反力架，所述反力架包括：水平的底板；竖立于所述底板的两侧的左立杆和右立杆；两端分别穿设在所述左立杆和所述右立杆的水平的顶板，所述顶板沿竖向方向相对于所述底板可上下移动；下模型箱，所述下模型箱固定在所述底板位于所述左立杆和所述右立杆之间的位置，所述下模型箱具有供容纳岩土体的容纳腔；可拆卸地连接至所述下模型箱的上模型箱，所述上模型箱具有竖直贯穿的对应所述容纳腔的空腔；所述上模型箱和所述下模型箱的侧壁在相对的位置各设置有竖直的开口，所述开口处可拆卸地安装第一弧形板或第二弧形板，所述第一弧形板和所述第二弧形板之间可围合成圆孔；其中，所述第一弧形板构造为向所述上模型箱和所述下模型箱的内部凸出；可抽离地垫在所述上模型箱和所述下模型箱之间的分隔板；以及位于所述顶板的下方的压板，所述压板经由竖直的导向杆活动连接至所述顶板且沿竖向方向相对于所述顶板可上下移动，所述压板具有对应所述第一弧形板的缺口；其中，当所述开口处安装所述第一弧形板时，所述压板可伸入所述上模型箱或所述下模型箱，并将所容纳的岩土体压实。

3、根据本发明的模拟装置，可以使上、下模型箱分别装入不同的岩土体并压实，上、下模型箱可以独立工作互不影响，并可以通过拆除中间的分隔板使两者合为一体，从而模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。

4、可选地，所述左立杆和所述右立杆构造为螺纹杆，所述螺纹杆在所述顶板的上下方各套设有调节螺母，以实现固定或松开所述顶板。和/或所述第二弧形板为采用亚克力材质制成的透明弧形板。

5、可选地，所述导向杆构造为可滑动地穿过所述顶板，所述导向杆在所述顶板的上方的位置套设有导套和螺母，以连接至所述顶板。和/或所述上模型箱和所述下模型箱在其前后侧壁的相对位置各设置一个竖直的开口。

6、可选地，模拟装置还包括用于驱动所述压板上下移动的驱动装置，所述驱动装置连接至所述顶板。

7、可选地，所述驱动装置包括竖直地安装至所述顶板的伺服电缸，所述伺服电缸的输出轴经由连接杆连接至所述压板。

8、可选地，所述连接杆在与所述压板的连接处还设置压力传感器。和/或所述顶板和所述压板之间还设置竖直的位移传感器。

9、可选地，所述下模型箱和所述上模型箱在连接的端面处通过各自水平向外的折边经由螺栓可拆卸地连接。和/或所述第一弧形板和所述第二弧形板经由螺栓可拆卸地连接至所述开口处。

10、第二方面，本发明还提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟方法，基于上述技术方案的模拟装置，所述方法包括以下步骤：

11、将下模型箱的前后侧壁的两个开口处均安装第一弧形板，并往下模型箱内装入第一种岩土体；

12、启动伺服电缸向下推动压板，在导向杆的导向作用下，压板将下模型箱内的第一种岩土体压实到规定密度，此时下模型箱内的被压实的第一种岩土体在对应第一弧形板的位置形成弧形孔壁；

13、在下模型箱上放置分隔板，将上模型箱的前后侧壁的两个开口处也均安装第一弧形板，然后将上模型箱放置在分隔板上并与下模型箱对齐，通过螺栓连接将上模型箱和下模型箱固定；

14、往上模型箱内装入第二种岩土体，启动伺服电缸向下推动压板，压板将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度，此时上模型箱内的被压实的第二种岩土体在对应第一弧形板的位置也形成弧形孔壁；

15、拆除上模型箱和下模型箱之间的螺栓，待抽离分隔板后再通过螺栓将上模型箱和下模型箱再次固定；

16、启动伺服电缸向下推动压板，将上模型箱内的被压实的第二种岩土体接触下模型箱内的被压实的第一种岩土体上；继续向下推动压板，通过观察压力传感器显示的压力值直至施加预定的法向应力模拟地压；

17、拆除上模型箱和下模型箱各自两个开口处的第一弧形板，然后均安装上第二弧形板，此时第二弧形板与弧形孔壁之间围合成一个圆孔。

18、可选地，为了将下模型箱内的第一种岩土体压实到规定密度ρ1和将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度ρ2，方法还包括以下步骤：

19、对待装入的第一种岩土体和第二种岩土体预先进行称重，对应获得重量w1、w2；

20、在启动伺服电缸向下推动压板之前，通过调整螺纹杆上的调节螺母的位置调节压板到合适高度，记录此时压板与底板，或压板与分隔板之间的距离，对应获得距离l1、l2；

21、基于重量w1、w2，及开口处安装第一弧形板时的下模型箱、上模型箱内的空间的水平截面面积s1、s2，计算出被压实到规定密度时的第一种岩土体、第二种岩土体的厚度d1、d2；

22、其中w1＝ρ1*d1*s1，w2＝ρ2*d2*s2；

23、基于厚度d1、d2分别计算出压板需要下压的距离h1、h2，其中h1＝l1-d1，h2＝l2-d2；

24、通过观察位移传感器的数值变化，直至伺服电缸向下推动压板达到预定距离h1、h2。

25、可选地，方法还包括以下步骤：

26、在圆孔内对被施加一定的法向应力后的第二种岩土体和第一种岩土体进行试验，具体内容包括：

27、将微型静力触探仪竖直放入其中一个圆孔内，借助透明的第二弧形板观察，当微型静力触探仪的触探探杆到达第一种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第一种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；

28、调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第一种岩土体和第二种岩土体之间的界面处对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入土层界面内，通过触探探杆获取触探数据；

29、调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第二种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第二种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；其中，触探探杆获取的触探数据包括锥尖阻力；

30、重复上述步骤在其他圆孔内进行试验，得到精准的触探数据；

31、通过将室内直剪试验数据与锥尖阻力数据拟合，获得不同类型岩土体抗剪强度参数与锥尖阻力之间的经验关系式；

32、其中，古土壤的经验关系式为：c＝57.43-18.73lnγh+(121.4+2.32lnγh)lnqc，

33、黄土的经验关系式为：c＝(17.94-0.15γh)+(47.912-0.036γh)lnqc，

34、古土壤-黄土复合土体的经验关系式为：c＝(-8.47+1.02lnγh)qc+19.87-0.0082γh，

35、

36、式中，c为粘聚力，为内摩擦角，γ为土体重度，h为自土体上表面至测试位置的深度，qc为峰值锥尖阻力，p为法向应力，ω为岩土体含水率；

37、根据所得的经验关系式和触探试验数据，从而能够快速地确定土体的力学参数指标c、。

38、根据本发明的方法，其操作简单，可以模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。

39、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

40、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。