内外双向滑动式旁压试验装置及其试验方法

本发明涉及岩土材料测试仪器，特别是涉及内外双向滑动式旁压试验装置及其试验方法。

背景技术：

1、旁压试验是在岩土工程中广泛应用的原位测试手段之一，尤其适用于深部地层的勘察。旁压试验的基本原理是利用旁压设备中的弹性膜在钻孔中对孔壁施加横向压力，使得周围土体产生径向膨胀变形，根据量测得到压力和变形的关系曲线得到地基土体的强度变形参数。

2、现有旁压试验设备的旁压仪和旁压探头之间通过软管连接，旁压仪通过软管将水压入旁压探头后使弹性膜膨胀从而对周围土体施加压力，旁压仪内压力代表旁压探头内压力，压入水体积代表旁压探头膨胀体积。现有的旁压试验设备主要存在以下问题：

3、(1)探头膨胀过程中，旁压探头弹性膜存在一定压力损失，旁压仪和软管存在一定与旁压探头膨胀无关的体积增加，且连接软管越长，误差越大，每次试验前进行弹性膜约束力校正和仪器综合变形校正十分繁琐费时；

4、(2)试验中旁压探头测量腔弹性膜并非完全均匀径向膨胀，通过压入水的体积换算周围土体的径向变形的方法存在一定误差，导致现有旁压试验设备测得的旁压曲线无法准确反映被测土体的应力变形关系，测量精度有待提高；

5、(3)开展现场旁压试验时，由于钻孔得到的旁压试验孔孔径一般偏大，采用现有旁压探头进行现场试验时经常出现由于旁胀量不足无法测得临塑压力和极限压力导致试验失败的情况，且随着测试深度增大，测得完整旁压试验曲线所需的旁胀量也越大，试验成功率越低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种内外双向滑动式旁压试验装置及其试验方法，其能够适应大旁胀量的工况，实现对探头压力和膨胀变形的准确测量，有效提高了现场旁压试验的成功率和准确性，从而更加适于实用。

2、为了达到上述第一个目的，本发明提供的内外双向滑动式旁压试验装置的技术方案如下：

3、本发明提供的内外双向滑动式旁压试验装置包括芯轴(1)、第一中心筒(2)、第二中心筒(3)、内腔弹性膜(7)、外腔弹性膜(8)、内腔双向滑动式固定件(4)、外腔双向滑动式固定件(5)、内腔压力传感器(11)、外腔压力传感器(12)、位移传感器(13)，以及，压力供给机构，

4、所述第一中心筒(2)固定套设在所述芯轴(1)中部，所述第二中心筒(3)固定套设在所述芯轴(1)上下两端；

5、所述内腔弹性膜(7)的上下两端分别连接于所述内腔双向滑动式固定件(4)，所述内腔弹性膜(7)通过所述内腔双向滑动式固定件(4)设置于所述芯轴(1)，于所述芯轴(1)、第一中心筒(2)、内腔弹性膜(7)、内腔双向滑动式固定件(4)之间形成内腔，所述第一中心筒(2)被包埋在所述内腔的内部，所述内腔双向滑动式固定件(4)与所述芯轴(1)之间构成移动副；

6、所述外腔弹性膜(8)的上下两端分别连接于所述外腔双向滑动式固定件(5)，所述外腔弹性膜(8)通过所述外腔双向滑动式固定件(5)设置于所述芯轴(1)，于所述芯轴(1)、第二中心筒(3)、内腔、外腔弹性膜(8)、外腔双向滑动式固定件(5)之间形成外腔，所述内腔及其构件被包埋在所述外腔的内部，所述外腔双向滑动式固定件(5)与所述芯轴(1)之间构成移动副；

7、所述内腔压力传感器(11)设置于所述内腔，用于获取所述内腔的压力数据；

8、所述外腔压力传感器(12)设置于所述外腔，用于获取所述外腔的压力数据；

9、所述位移传感器(13)用于获取所述内腔弹性膜(7)的径向位移数据；

10、所述压力供给机构用于向所述内腔、外腔提供压力。

11、本发明提供的内外双向滑动式旁压试验装置还可采用以下技术措施进一步实现。

12、作为优选，所述压力供给机构包括压力介质源(15)、内腔管(9)和外腔管(10)，

13、所述第一中心筒(2)及芯轴(1)对应位置设置有内腔孔(101)，所述内腔管(9)一端与所述压力介质源连通，所述内腔管(9)的另一端通入至所述芯轴(1)内部，所述内腔管(9)的出油嘴通过所述内腔孔(101)伸出至所述内腔，使得所述压力介质通过所述内腔管(9)能够通入至所述内腔；

14、所述第二中心筒(3)及芯轴(1)对应位置还设置有外腔孔(102)，所述外腔管(10)一端与所述压力介质源连通，所述外腔管(10)的另一端通入至所述芯轴(1)内部，所述外腔管(10)的出油嘴通过所述外腔孔(102)伸出至所述外腔，使得所述压力介质通过所述外腔管(10)能够通入至所述外腔。

15、作为优选，所述内外双向滑动式旁压试验装置还包括两个端部限位环(6)，

16、所述两个端部限位环(6)分别于所述外腔的上下两侧固定在所述芯轴(1)上，所述两个端部限位环(6)之间的距离大于或者等于所述外腔弹性膜(8)的最大撑开长度。

17、作为优选，所述内腔双向滑动式固定件(4)包含内腔双向滑动块(201)、内腔膜卡环(202)，

18、所述内腔膜卡环(202)卡置于所述内腔双向滑动块(201)、内腔弹性膜(7)的外部，使得所述内腔弹性膜(7)两端被固定在所述内腔双向滑动式固定件(4)上。

19、作为优选，所述外腔双向滑动式固定件(5)包含外腔双向滑动块(301)、外腔膜卡环(302)、外腔压紧环(303)，

20、所述外腔膜卡环(302)卡置于所述外腔双向滑动块(301)、外腔弹性膜(8)的外部，所述外腔压紧环(303)通过螺纹固定于所述外腔双向滑动块(301)上，与所述外腔膜卡环(302)紧密接触，使得所述外腔弹性膜(8)两端被固定在所述外腔双向滑动式固定件(5)上。

21、作为优选，所述内外双向滑动式旁压试验装置还包括第一密封机构，和/或，第二密封机构，

22、所述第一密封机构设置于所述芯轴(1)、内腔双向滑动式固定件(4)、内腔弹性膜(7)之间，使得所述内腔形成密封腔体；

23、所述第二密封机构设置于所述芯轴(1)、外腔双向滑动式固定件(5)、外腔弹性膜(8)之间，使得所述外腔形成密封腔体。

24、作为优选，所述内外双向滑动式旁压试验装置还包括数据采集控制器(14)，

25、所述数据采集控制器(14)用于采集所述内腔压力传感器(11)、外腔压力传感器(12)、位移传感器(13)的数据，同时，所述数据采集控制器(14)用于控制所述压力供给机构的压力介质管路阀门启闭，和/或，所述压力供给机构对压力介质的输出或者回收。

26、作为优选，所述数据采集控制器(14)与所述内腔压力传感器(11)、外腔压力传感器(12)、位移传感器(13)、压力供给机构的压力介质管路阀门之间有线通信或者无线通信。

27、作为优选，所述压力介质为可生物降解的防冻压力介质。

28、为了达到上述第二个目的，本发明提供的基于内外双向滑动式旁压试验装置的试验方法的技术方案如下：

29、本发明提供的基于内外双向滑动式旁压试验装置的试验方法包括以下步骤：

30、向所述内腔、外腔分别通入压力介质，所述数据采集控制器(14)实时从所述内腔压力传感器(11)、外腔压力传感器(12)分别获取内腔、外腔的压力数据，待内腔、外腔的压力数据达到试验第一级加压设定值后，所述数据采集控制器(14)控制压力供给机构停止输出压力介质；

31、进行第一级加压测试，所述数据采集控制器(14)实时从所述位移传感器(13)获取所述内腔弹性膜(7)的膨胀位移数据；

32、第一级加压测试结束后，继续向所述内腔、外腔分别通入压力介质，所述数据采集控制器(14)实时从所述内腔压力传感器(11)、外腔压力传感器(12)分别获取内腔、外腔的压力数据，待内腔、外腔的压力数据达到试验第二级加压设定值后，所述数据采集控制器(14)控制压力供给机构停止输出压力介质；

33、进行第二级加压测试，所述数据采集控制器(14)实时从所述位移传感器(13)获取所述内腔弹性膜(7)的膨胀位移数据；

34、重复以上步骤直至试验结束，所述数据采集控制器(14)控制压力供给机构回收内腔、外腔中压力介质；

35、根据所述压力数据、位移数据，得到土体受力-土体变形量关系曲线，对关系曲线进行分析得到试验结论。

36、本发明提供的内外双向滑动式旁压试验装置及其试验方法的有益效果在于：

37、1、探头测量腔和保护腔两端由双向滑动式固定件压紧密封，由固定式改成双向滑动式，保证在旁压试验孔孔径偏大或地层条件较复杂的情况下，在发生较大径向膨胀变形时探头可以正常工作，探头内压力介质不会因弹性膜破裂而漏出，该内外双向滑动式旁压试验装置最大测试旁胀量达到1500ml以上。

38、2、通过在探头内布置压力传感器和位移传感器实现对探头内膨胀压力和测量腔弹性膜径向膨胀变形的准确测量，消除了旁压仪、连接软管、旁压探头弹性膜等压力损失和无关体积增加的影响，试验前不需要进行弹性膜约束力校正和仪器综合变形校正，有效提高了旁压试验测试精度和效率。

39、3、在旁压试验过程中，数据采集控制器根据压力传感器和位移传感器的测量结果实时确定探头内膨胀压力和弹性膜径向膨胀变形来控制压力介质的输出和回收，使弹性膜膨胀收缩过程稳定变化，避免了人工操作带来的误差，保证了试验数据的连续性。