[发明专利]一种钻孔中原状土试样套膜装置

说明书

本发明公开了一种钻孔中原状土试样套膜装置，以解决岩土原位三轴试验中土样套膜困难的技术难题。所述钻孔中原状土试样套膜装置包括套膜保护筒，固定于套膜保护筒顶端的压力补偿进气口，以及固定于套膜保护筒内部的差压传感器、膜、固接的试样加载头和试样顶帽，在试样加载头与套膜保护筒内壁之间形成空腔；压力补偿进气口与空腔连通；差压传感器用于测量空腔内和原状土试样内部的孔隙水压力的压力差值；膜的一端固定于试样加载头与试样顶帽之间，另一端按照先向上弯折再向下弯折的方式由套膜保护筒底部侧壁上的固定压环固定。本发明在切割制样过程中，在压力补偿作用下膜随套膜保护筒同步下降，实现边切土边套膜，以最大限度地保护原状土样。

技术领域

本发明涉及原位三轴试验套膜方法，特别涉及一种能将现场原状土切割制样与套膜同步进行的套膜装置。

背景技术

土的应力水平和颗粒-孔隙微观结构是土体强度参数的主要影响因素。然而，室内试验中土体承受的荷载与真实情况差别较大。同时，取样往往引起土样扰动、孔隙结构与含水量改变、应力卸载等，造成室内试验测量的土体参数与原位土差别很大。而对于含有卵石、碎石层、疏松砂层、风化岩层等难以获取高质量土样的土层，取样法不适用，需要通过原位测试确定其力学参数，以反映一个较大范围(相对于室内试验的小块试验而言)土体特性。

原位测试手段中原位三轴试验是取得地基土体力学参数最直接的手段，通过在场地现场直接取样制样进行试验获得土体参数。而要在场地现场钻孔地下对原状土试样进行三轴试验，需要把膜套在孔底的圆柱状土样上，才能够给土体施加水平应力模拟周围土体的水平挤压状态，然后再施加剪切应力，从而获得土体抗剪切力学参数。目前原位三轴试验套膜的难点在于：

1)自动化问题：由于原位试验的钻孔深度可达数十米，人手无法到达孔底，所以没有办法进行人工套膜，必须在探头切削前进的过程中同时实现自动套膜；

2)扰动土样问题：由于原位三轴试验的土样强度通常不高，如果膜没有提前科学地折叠好，强行给土样套膜会严重扰动土样，甚至发生土样破坏，所以在套膜的过程中膜不能给土样施加额外的荷载；

3)地下水问题：在高地下水位地区，钻孔往往深于地下水位线，地下水会给孔下实验装备施加一个向上的浮力，让膜内外压差过大，进而影响套膜过程。

针对现场获取土体原状动力特性参数的难题，美国加州大学伯克利分校MFRiemer等人2007年研发出世界上首台深部土体的原位三轴试验技术，彻底取消取样，通过深部钻孔、切割土样并在原位开展三轴试验，直接测量土体动参数。MF Riemer的仪器使用主力切割头向下切割土体，形成10cm直径、40cm高的土样，同时内腔充入气体，保持切削时土柱的测压力，并使橡胶膜贴在切削管壁上向下运动。土样与管壁之间形成气压避免了土样应力卸载；切割成土样后，膜外加压使膜整个贴在试样上，制成原位试样，整个过程大约20分钟。最后，对原位土样进行三轴加载剪切试验。Riemer教授的研究表明，取样扰动对土体剪切模量测量的影响达到20％以上。

但是，Riemer教授的试验装置及方法在实际使用过程中的成功率低，其原因在于其在切割制样的过程中使用气压维持土样，整个过程需维持大约20分钟，切割完土样后，用膜外加压使膜整个贴在试样上，理论可行实际操作却极为困难，切割过程20分钟内膜不能对土样进行及时的保护。

发明内容

针对上述背景技术中的难题及不足，本发明提出一种钻孔中原状土试样套膜装置，实现了套膜的自动化，实现了边切土边套膜，以最大限度减小土样扰动，解决了地下水存在情况下对膜的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：