一种测量任意破碎情况下钙质砂土临界摩擦角和静止土压力系数的装置的制作方法

本发明属于与海洋工程相关的，用于工程力学特性测定的技术领域，涉及一种用于测定钙质砂土在任意破碎程度下的临界摩擦角和静止土压力系数k0的试验装置。

背景技术：

21世纪是属于海洋的时代，全球70％以上的油气资源蕴藏在海底。在这样的背景下，我国也在大力进行着南海油气资源的开发和岛礁建设，因此大量的尤其勘探和开采平台、人工岛、大型浮式平台需要建设。而由于海上工作环境恶劣，结构物承受着来自台风、海流、波浪等荷载的作用，这些荷载最终将传递到海床。由于我国南海海床以钙质砂土为主，在荷载作用下钙质砂土会发生颗粒破碎，从而改变砂土的力学特性如临界摩擦角和静止土压力系数，使得基础设计偏于不安全。

在海上结构物的基础设计中，钙质砂土的临界摩擦角和静止土压力系数是两个重要参数。正确的评估钙质砂土颗粒破碎后的临界摩擦角和土压力系数，有助于精确的计算基础与海床之间的摩擦特性，从而指导基础设计。目前主要用于钙质砂土力学特性研究的试验装置(三轴加载试验装置)主要存在以下三个问题：

1.无法用于直接测量静止土压力系数；

2.只能得到完全破碎情况下的临界摩擦角，但无法得到任意破碎情况下的临界摩擦角；

3.仪器精密，操作复杂，不适合在南海现场进行快速测试。

因此，开发一套可以同时快速测定钙质砂土在任意颗粒破碎程度下的临界摩擦角和静止土压力系数的试验装置具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明首旨在提供一种用于快速测定钙质砂土在任意破碎程度下的临界摩擦角和静止土压力系数k0的试验装置，其操作简单，实用性较强，且成本较低，能够满足工程设计的需要。

本发明是这样实现的：一种钙质砂土临界摩擦角和静止土压力系数的试验装置，包括反力架、油压千斤顶、轴力计、压力板、刚性试验盒、位移传感器、倾角仪、微型土压力计、底板、支杆、伸缩杆和基座；所述支杆和伸缩杆安装在基座上，所述底板一端与支杆铰接，另一端通过伸缩杆支撑；刚性试验盒和倾角仪固定在底板上；

所述反力架固定于地面，油压千斤顶顶端通过螺栓与反力架相连，油压千斤顶的加载杆与压力板通过轴力计进行连接，压力板顶在装于刚性试验盒中的钙质砂土表面，位移传感器安装在压力板上，两个微型土压力计嵌入式对称安装于刚性试验盒内侧壁。

本发明的有益效果在于：1.首次实现了对钙质砂土任意破碎情况下临界摩擦角和静土压力系数的测定；2技术简单，容易实现；3.测定参数工程意义土体，具有较高的实用性。

附图说明

图1为本发明专利的结构示意图；

图2为测定初始临界摩擦角时的整体主视图；

图3为加载后颗粒破碎下整体主视图；

图4为测定颗粒破碎下临界摩擦角时的整体主视图；

图5为测定土体摩擦角原理示意图；

图中，反力架1、油压千斤顶2、轴力计3、加载杆4、压力板5、刚性试验盒6、位移传感器7、倾角仪8、微型土压力计9、第一l形角钢101、第二l形角钢102、底板11、支杆12、伸缩杆13、基座14。

具体实施方式：

如图1所示，一种钙质砂土临界摩擦角和静止土压力系数的试验装置，包括反力架1，油压千斤顶2，轴力计3，压力板5，刚性试验盒6，位移传感器7，倾角仪8、微型土压力计9、底板11，支杆12，伸缩杆13和基座14；

所述反力架1固定于地面，用于提供系统所需的反力，油压千斤顶2顶端通过螺栓与反力架1相连，通过控制油压千斤顶2的进油和出油平衡，可以实现不同大小的荷载量级的加载，油压千斤顶2的加载杆4与压力板5通过轴力计3进行连接，压力板5顶在装于刚性试验盒7中的钙质砂土表面，将千斤顶的荷载均匀地传递到试验钙质砂土表面，并通过轴力计3测定施加的荷载大小。位移传感器7安装在压力板5上，从而实现试验土体收缩变形量的测定，用于评估颗粒破碎的程度，两个微型土压力计9通过在刚性试验盒6内壁开槽嵌入其内壁，即嵌入式对称安装于刚性试验盒6内侧壁，保证了微型土压力计表面与刚性试验盒内壁完全贴合，在不扰动土体的条件下，实时测定任意破碎程度下钙质砂土对刚性盒侧壁的土压力，从而计算其静止土压力系数。

所述支杆12和伸缩杆13安装在基座14上，所述底板11一端与支杆12铰接，另一端通过伸缩杆13支撑；刚性试验盒6和倾角仪8固定在底板11上；图1中，刚性试验盒6通过第一l形角钢101和第二l形角钢102进行固定，保证刚性试验盒在试验中不发生移动。通过调节伸缩杆13，使得固定于底板11上的刚性试验盒6发生倾斜，借助于倾角仪可以测定任意破碎程度下钙质砂土的临界摩擦角。

本发明的加载原理如下

砂土的临界摩擦角，如图5所示，根据力的平衡条件：

土体的正应力：σ＝ρgzcos²φref

土体的正应力：τ＝ρgzsinφrefcosφref

土体的摩擦角：tanφ＝τ/σ＝tanφref

土体的静止土压力系数：

加载过程包括以下步骤：

(1)固定油压千斤顶2，刚性试验盒6，微型土压力计9以及位移传感器7；

(2)将试验钙质砂土撒入刚性试验盒6内，调整压力板5，使其位于土体表面，准备进行加载；

(3)控制油压千斤顶2进行加载，测定加载过程中的土体表面压力大小，土体对侧壁的土压力以及土体压缩量；

(4)卸载，通过调整伸缩杆13，旋转底板,1直到表面土体发生滑动，记录此时的倾角，记为砂土此时的临界摩擦角；

(5)将底板11转回水平位置，进行下一级加载，使得钙质砂土发生进一步破碎；

(6)重复步骤(4)测定此时的临界摩擦角；

(7)根据测定土体对侧壁的土压力，计算土体静止土压力系数随颗粒破碎的改变。

技术特征：

技术总结
本发明公开了测量一种钙质砂土临界摩擦角和静止土压力系数的试验装置。该试验装置主要包括一个反力架，一个油压千斤顶，一个轴力计，一个位移传感器，一个压力板，一个刚性加载盒，两个微型土压力计，一个底板，一个倾角仪，一块垫块，一个基座等；该发明专利为钙质砂土海床上结构物(如我国南海油气平台)基础的安全设计提供了关键的土体力学参数。

技术研发人员：洪义;王欢;王立忠;国振
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.10.13
技术公布日：2018.02.16