不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置的制作方法

本发明属于岩土工程测试领域，涉及水平受荷桩、基坑围护与隧道支护设计的土体侧向基床反力系数确定问题，具体来说是一种不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置。

背景技术：

侧向基床反力系数是水平受荷桩、基坑围护和隧道支护设计的重要工程参数，其受诸多因素影响。目前各类工程测试方法可靠度较低，原位测试精度又较难保证。而规范法中给出的各土层侧向基床反力系数范围变化大，难以结合实际土层条件确定具体数值。传统侧向基床反力系数一般通过旁压试验来估算或利用水平静载试桩进行反算，但这两种方法耗时较长且费用较高。因而，如何有效地获得侧向基床反力系数一直是岩土工程界的难题之一。

扁铲侧胀试验是一种侧向受荷试验，其对土体的扰动小，可提供连续的土性参数。扁铲侧胀仪的工作原理是利用静力或动力把扁铲探头贯入土中，达测试深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张以测得压力与变形关系，进而利用扁铲侧胀数据换算求解侧向基床反力系数。目前该方法已经较为成熟，很多行之有效的计算模型可以采用。

利用扁铲侧胀试验不仅能较为准确地获得土层的侧向基床反力系数，还能近似连续地得到侧向基床反力系数随深度的变化关系。依托实际工程开展现场原位扁铲侧胀试验无疑是最直接、可靠的方法，但现场试验测试费用昂贵，受场地条件、施工环境的影响严重，且测试细节不容易把握控制。因此，研制室内测试装置快速测定土体侧向基床反力系数具有较大的实用价值和经济价值，且室内测试加载条件便于控制，测试高效快捷，造价又低于现场试验。但目前还没有一套室内测定土体侧向基床反力系数的装置及标准试验方法。侧向基床反力系数影响因素众多，除了与土体本身的性质(如土类、地下水条件、前期固结压力和密实度等)有关外，还与加载应力路径、加载速率等因素有关。特别是不同应力路径下的侧向基床反力系数确定更是难点问题，通过室内试验装置模拟土体的不同加载应力路径，继而测试土体侧向基床反力系数是行之有效的解决方法。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有土体侧向基床反力系数确定方法的不足与缺陷，本发明提出一种可以测试不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置，从而利于研究不同状态土体侧向基床反力系数取值及其变化规律。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置，包括测试箱体、加载装置及扁铲侧胀仪，所述加载装置为扁铲侧胀仪的贯入测试及土体顶面、侧面载荷板的不同应力路径加载试验提供力源。

具体地，所述测试箱体是由金属框架和有机玻璃板组成的正方体，有机玻璃安装在箱体的侧面和底面上，一个侧面的有机玻璃上具有开口。即所述测试箱体的侧面和底面被有机玻璃板封闭，顶面开口，其中一个侧面不完全封闭。

具体地，所述开口处安装有侧面载荷机构，所述侧面载荷机构包括依次连接的载荷板、顶推杆、千斤顶、反力梁和反力架，所述反力架固定连接在测试箱体上。在测试箱体的侧面上局部开设有允许荷载板自由推进的空腔。

具体地，所述载荷板通过顶推杆传力，在液压千斤顶的加、卸载下水平前进或后退；所述顶推杆安置在滑道内，顶推杆、滑道、液压千斤顶三者中心轴线位于同一水平线上；所述顶推杆与液压千斤顶之间设有用于测试液压千斤顶加载水平的压力传感器，所述顶推杆侧面还安装有位移读取装置。

具体地，所述测试箱体的顶面设有横向的支撑杆，所述支撑杆上安装有顶面载荷机构和扁铲侧胀仪贯入机构，所述顶面载荷机构和扁铲侧胀仪贯入机构均包括反力架、反力梁和千斤顶。

具体地，所述顶面载荷机构的千斤顶连接压力传感器与载荷板，所述载荷板上具有用于穿过扁铲侧胀仪的预留孔。

具体地，所述载荷板与土体接触面设有与载荷板等面积的柔性橡胶垫。用于消除载荷板在土体表面产生的应力集中现象。

上述不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置的具体实施过程如下：

S1.将装置按测试要求装配好，检验液压千斤顶的工作情况及反力架、反力梁的固定情况，并对顶推杆在滑道内能否自由水平移动进行查看。往测试箱体内装入待测定的土体，待测定土体须按土质分类、含水率等条件预先制备好；

S2.在顶面土体、侧面土体分别安装载荷板和橡胶垫，载荷板、橡胶垫以布置在土体表面中央位置为宜，载荷板、橡胶垫、土层表面三者须严格相贴；

S3.安装压力传感器、位移表，并对压力传感器、位移表的初始值进行校正。安装扁铲侧胀仪，并保证其能沿载荷板与橡胶垫的预留孔垂直贯入；

S4.液压千斤顶开始工作，按不同应力路径对土体进行加载，对应开展扁铲侧胀试验。扁铲侧胀仪在液压千斤顶作用下贯入土体，达到预定深度后，测定钢膜膨胀情况下的受力变形关系；

S5.结束测试，将液压千斤顶卸载，缓慢提升出扁铲侧胀仪，清洁回收试验设备；

S6.数据整理，利用扁铲侧胀试验求解侧向基床反力系数时，根据各试验点实测的Δp值，按下式求得侧向基床反力系数计算值K_h0：

式中，s(0)为钢膜中心点的位移量，为1.10mm；Δp为相对应的钢膜侧面土压力增量。

S7.重复前述步骤，分析和归纳不同土层侧向基床反力系数的取值范围及其随深度的变化规律，为水平受荷桩、基坑工程和隧道工程的前期设计提供参考。

有益效果：本发明的不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置，解决了长期存在的侧向基床反力系数难测定问题。该装置可以综合测定不同应力路径下的土体侧向基床反力系数值及其变化规律，且仪器结构简单、操作易于控制，高效快捷。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的装置的整体示意图；

图2为A-A剖面示意图；

图3为B-B剖面示意图；

图中：1-金属框架、2-有机玻璃板、3-液压千斤顶、4-顶推杆、5-滑道、6-反力梁、7-反力架、8-螺栓、9-压力传感器、10-位移表、11-金属焊块、12-载荷板、13-橡胶垫、14-液压千斤顶、15-反力架、16-反力梁、17-螺栓、18-支撑杆、19-压力传感器、20-载荷板、21-橡胶垫、22-扁铲侧胀仪、23-钢膜、24-液压千斤顶、25-反力架、26-反力梁、27-螺栓、28-预留孔。

具体实施方式

实施例：

参见附图1-图3，本实施例的不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置，包括测试箱体、加载装置及扁铲侧胀仪。所述测试箱体由金属框架1和有机玻璃板2组成，测试箱体为长、宽、高均为500mm的正方体结构。测试箱体侧面和底面被有机玻璃板2封闭，顶面开口。测试箱体的一侧面和顶面分别设置有用于试验加载的液压千斤顶3、14、24，具体而言，所述测试箱体的顶面设有2个液压千斤顶14、24，侧面设有1个液压千斤顶3。所述测试箱体的一侧面局部开口设有允许荷载板12自由推进的空腔，载荷板12通过顶推杆4传力，在液压千斤顶3的加、卸载下水平前进或后退。所述顶推杆4安置在滑道5内，顶推杆4、滑道5、液压千斤顶3三者中心轴线位于同一水平线上。所述顶推杆4与液压千斤顶3之间设置一个压力传感器9用于测试液压千斤顶3的加载水平。所述顶推杆4侧面还外延设置有一金属焊块11，所述金属焊块11与顶推杆4完全点焊固定，二者的水平移动位移完全一致，水平移动位移由固定在滑道5上的位移表10读取。

测试箱体顶面设有两根用于固定千斤顶反力架15、25的支撑杆18，侧面的反力架7则直接固定在所述测试箱体的金属框架1上。反力梁6、16、26分别靠螺栓8、17、27固定在反力架7、15、25上，3个液压千斤顶3、14、24分别靠反力梁6、16、26提供反力，为扁铲侧胀仪22的贯入测试及土体顶面载荷板20、侧面载荷板12的不同应力路径加载试验提供力源。为消除载荷板12、20在土体表面产生的应力集中现象，所述载荷板12、20与土体接触面分别设有与载荷板12、20等面积的柔性橡胶垫13、21。所述扁铲侧胀仪22在液压千斤顶24加载下贯入土中进行测试试验，所述顶面载荷板20与橡胶垫21设有允许扁铲侧胀仪22垂直穿过的预留孔28。

上述不同应力路径下侧向基床反力系数室内测试装置的具体实施过程如下：

S1.将装置按测试要求装配好，检验液压千斤顶3、14、24的工作情况及反力架7、15、25、反力梁6、16、26的固定情况，并对顶推杆4在滑道5内能否自由水平移动进行查看。往测试箱体内装入待测定的土体，待测定土体须按土质分类、含水率等条件预先制备好；

S2.在侧面土体、顶面土体分别安装载荷板12、20和橡胶垫13、21，载荷板12、20和橡胶垫13、21以布置在土体表面中央位置为宜，载荷板、橡胶垫、土层表面三者须严格相贴；

S3.安装压力传感器9、位移表10，并对压力传感器9、位移表10的初始值进行校正。安装扁铲侧胀仪22，并保证其能沿载荷板20与橡胶垫21的预留孔28垂直贯入；

S4.液压千斤顶3、14、24开始工作，按不同应力路径对土体进行加载，对应开展扁铲侧胀试验。扁铲侧胀仪22在液压千斤顶24作用下贯入土体，达到预定深度后，测定钢膜23膨胀情况下的受力变形关系；

S5.结束测试，将液压千斤顶3、14、24卸载，缓慢提升出扁铲侧胀仪22，清洁回收试验设备；

S6.数据整理，利用扁铲侧胀试验求解侧向基床反力系数时，根据各试验点实测的Δp值，按下式求得侧向基床反力系数计算值K_h0：

式中，s(0)为钢膜23中心点的位移量，为1.10mm；Δp为相对应的钢膜23侧面土压力增量。

S7.重复前述步骤，分析和归纳不同土层侧向基床反力系数的取值范围及其随深度的变化规律，为水平受荷桩、基坑工程和隧道工程的前期设计提供参考。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。