一种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种梯度微观结构土静止土压力试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 人工冻结是我国中东部特厚表土层和西部白垩系一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。
[0003] 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。
[0004] 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 验一结构尺度和单元试验一材料尺度之间，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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 所述的液压腔的厚度与组合模具的壁厚相等。
[0010] 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，并将试样在坚直平面 上旋转
【权利要求】
1. 一种梯度微观结构土静止土压力试验装置，其特征是：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。
2. 根据权利要求1所述的梯度微观结构土静止土压力试验装置，其特征在于：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。
3. 根据权利要求1所述的梯度微观结构土静止土压力试验装置，其特征在于：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。
4. 根据权利要求1所述的梯度微观结构土静止土压力试验装置，其特征在于：圆形孔 的直径-电阻应变片的长度=2飞_。
5. 根据权利要求1所述的梯度微观结构土静止土压力试验装置，其特征在于：液压腔 的厚度与组合模具的壁厚相等。
6. 根据权利要求1所述的梯度微观结构土静止土压力试验方法，其特征在于：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，并将试样在坚直平面 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。
【文档编号】G01N3/12GK104297066SQ201410468902
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】赵晓东, 周国庆, 阴琪翔, 陈鑫, 梁亚武, 季雨坤, 吕亚 申请人:中国矿业大学