[发明专利]小孔扩张试验装置及其试验方法

说明书

本发明公开了一种小孔扩张试验装置及其试验方法，在饱和软粘土中埋设扩张器，并在扩张器的弹性膜的横截面所在的平面径向间隔设置多个土压力盒和孔隙水压传感器，通过控制封闭空间的内压即可实现弹性膜的径向扩张，从而模拟小孔扩张的力学行为，同时，通过监测装置获取液压传感器、孔隙水压传感器和土压力盒的数据，得到弹性膜扩张前后封闭空间的内压变化和弹性膜周围的孔隙压力的变化和径向应力的变化情况，以及通过地表位移测量辅助参照的辅助测量得到弹性膜扩张前后饱和软粘土顶部的位移变化情况，最终，对试验获得的孔隙压力、径向应力以及地表位移等数据进行分析并计算，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。

技术领域

本发明涉及小孔扩张试验技术领域，特别涉及一种小孔扩张试验装置及其试验方法。

背景技术

当外界物体(如桩基、触探杆等)受到作用力被“压”入岩土介质中时，原来位置处的岩土介质会被“挤”开，并产生位移。因此，变形的岩土体对进入的物体产生压力，而物体周围的岩土体应力场、位移场会发生改变。为了探究物体周围岩土介质的应力、位移、孔隙水压等因外界物体“挤入”产生的变化，将物体端部与岩土体的相互作用问题简化为球形小孔扩张，而非端部与岩土体的相互作用简化为柱形小孔的扩张。

如图1所示，以球形小孔扩张为例，一个饱和软粘土空心圆球的内半径为r，外半径为R，内部受到的压力为p，外部受到的压力为p₀(所谓外部压力即为初始地应力)，当球孔受到外力的影响发生扩张或收缩时，它的内径、外径、内部压力和外部压力均发生改变，同时引起土体的孔隙水压力、位移的变化。因此，可以根据小孔扩张的理论来研究土体的应力和位移，判断土体是否到达了临界状态，结构是否有发生破坏的风险。此外，根据小孔扩张解答和工程中的测试数据可以反向求得小孔的外部压力P₀，即测试得到初始地应力的分布(水压致裂法即用此原理)；抑或通过柱孔扩张的解答和土体的强度参数得到地基的承载力(或者桩基和锚杆的端阻力和侧面阻力)。在土木工程中，如隧道开挖、锚杆钻孔、钻井等情况下，完整土体被开挖而损失，在地应力的作用下开挖产生的小孔会收缩变形，并由此产生孔壁的失稳等问题。饱和黏土中小孔扩张问题的研究则正好可以给软土地区隧道开挖变形预测以及钻孔的稳定性等提供帮助。

饱和黏土中小孔扩张问题的研究能否给软土地区隧道开挖变形预测以及钻孔的稳定性等提供帮助，主要在于能否得出准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型，而本构模型的获得重点在于能否准确地模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为，并在模拟试验得到的岩土体的应力、孔隙压力以及位移等数据的基础上，根据力学平衡方程、岩土体变形的相容方程，以及岩土体的本构模型来计算岩土体的应力、位移和孔隙水压力分布。

目前针对小孔扩展的模拟方法有：离心模型试验法，其能与孔扩张的试验相结合，但是离心机试验较为昂贵；此外，也有研究者采用其他材料如岩石、橡胶等来模拟小孔扩张的力学行为。总的来说，针对模拟饱和软粘土中柱形孔和球形孔的扩张和收缩问题的试验研究很少，尚无类似的模型试验设计。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种小孔扩张试验装置及其试验方法，旨在准确地模拟饱和软粘土中小孔扩张的力学行为，以辅助获得可以准确解释饱和软粘土中小孔扩张的本构模型。

为实现上述目的，本发明提出一种小孔扩张试验装置，包括：

模型箱，所述模型箱内盛装有饱和软粘土；

扩张器，埋设于饱和软粘土中，包括刚性支撑体以及弹性膜，所述弹性膜直接或者通过中间件与支撑体相连并将支撑体部分或全部包围形成柱状或者球状的封闭空间，支撑体或者弹性膜连接有通连封闭空间和外界的注水管和出水管，注水管与位于模型箱外的供水装置通连，出水管则直接或者通过中间连接管延伸至模型箱外，且出水管安装有出水控制阀门，封闭空间内还装有用于检测内压的液压传感器，封闭空间内压变化时，弹性膜可实现径向扩张；