一種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置及方法
【專利摘要】一種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置及方法，屬于靜止土壓力試驗裝置及方法。該裝置由兩側(cè)帶法蘭的組合模具，彈性薄膜層，潤滑層組成。組合模具四個側(cè)面中間位置設(shè)有液壓腔，液壓腔中液體通過圓形孔與彈性薄膜層接觸；圓形孔范圍彈性薄膜層內(nèi)外面上貼有電阻應(yīng)變片；潤滑層在圓形孔周圍通過〇形密封圈和緊固螺栓與組合模具密封。試驗分兩個階段和靜止土壓力試驗階段。凍融循環(huán)后將組合模具拆除，并將試樣在豎直平面上旋轉(zhuǎn)90°后重新組合模具進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗。通過控制液壓腔中液體壓力實現(xiàn)電阻應(yīng)變片讀數(shù)為零，從而保證試樣側(cè)限狀態(tài)，此時液壓腔中液體壓力即為土樣的靜止土壓力。該方法完全滿足梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力及其各向異性測試的要求。
【專利說明】-種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種靜止土壓力試驗裝置及方法，尤其是一種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土 壓力試驗裝置及方法

【背景技術(shù)】
[0002] 人工凍結(jié)是我國中東部特厚表土層和西部白堊系一侏羅系地層中重要的鑿井方 法。凍結(jié)完成后凍結(jié)壁將自然解凍或加速解凍成為人工凍融循環(huán)介質(zhì)。凍結(jié)壁中溫度場通 常是不均勻的，由若干個動態(tài)溫度梯度組成，特別是單圈管凍結(jié)過程中凍結(jié)壁中的溫度梯 度將更加顯著。凍結(jié)是水熱力三場耦合的過程，該過程可改變巖土介質(zhì)中顆粒排列方式和 粘結(jié)形式，并促使其原有的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。凍融循環(huán)將導(dǎo)致試樣中結(jié)構(gòu)性的出現(xiàn)，而溫 度梯度凍融循環(huán)則在導(dǎo)致試樣中微觀結(jié)構(gòu)性出現(xiàn)的同時，誘發(fā)其結(jié)構(gòu)的梯度特征。這種溫 度梯度凍融循環(huán)誘發(fā)的梯度結(jié)構(gòu)有別于受沉積環(huán)境和沉積應(yīng)力影響的初始梯度結(jié)構(gòu)，后者 多是平行于井筒埋深方向，不參與水平荷載即土壓力的發(fā)揮。
[0003] 現(xiàn)有關(guān)于靜止土壓力研究多集中在試樣單元尺度，所建立的土壓力理論建立在連 續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，很少考慮巖土介質(zhì)多顆粒介質(zhì)及其微觀結(jié)構(gòu)梯度存在對土壓力發(fā) 揮和演化的動態(tài)影響。所用試驗裝置也多基于剛性壓力室-柔性側(cè)條件和剛性壓力室-剛 性側(cè)限條件兩種，難以準(zhǔn)確獲得水平靜止土壓力，由此帶來的（水平地壓荷載誤差無法量 化評估。
[0004] 梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗方法屬于跨尺度試驗方法，介于原位物理模擬試 驗一結(jié)構(gòu)尺度和單元試驗一材料尺度之間，該方法對于完善跨尺度試驗具有重要的學(xué)術(shù)價 值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單，形式靈活，功能先進(jìn)，且能夠滿足梯度微觀 結(jié)構(gòu)土靜止土壓力與其各向異性測試的一種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置包括：兩側(cè)帶 連接法蘭的組合模具，彈性薄膜層、潤滑層；組合模具側(cè)面中間位置設(shè)有液壓腔，液壓腔中 液體通過圓形孔與彈性薄膜層接觸；圓形孔直徑范圍內(nèi)彈性薄膜層內(nèi)外面上粘貼有電阻應(yīng) 變片；潤滑層在圓形孔周圍通過〇形密封圈和緊固螺栓與組合模具密封連接。
[0007] 所述的組合模具由兩半對接組成，在連接法蘭處通過緊固螺栓連接；組合模具為 正方形形狀，四個側(cè)面中間位置均設(shè)有液壓腔，可獲得試樣相互垂直的兩個方向上的靜止 土壓力。
[0008] 所述的彈性薄膜層內(nèi)外粘貼的電阻應(yīng)變片尺寸、型號和布置方式完全相同；當(dāng)彈 性薄膜受力發(fā)生彎曲變形后帶動電阻應(yīng)變片發(fā)生拉伸變形；圓形孔的直徑減電阻應(yīng)變片的 長度=2?5mm。
[0009] 所述的液壓腔的厚度與組合模具的壁厚相等。
[0010] 梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗方法：梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置沿壁 厚方向由外到內(nèi)依次為組合模具層即持力層、彈性薄膜層即測量層和潤滑層即降摩擦層， 具有初始梯度微觀結(jié)構(gòu)制備和后續(xù)靜止土壓力各向異性測試的雙重功能；通過動態(tài)控制液 壓腔中液體壓力實現(xiàn)電阻應(yīng)變片讀數(shù)為零，即彈性薄膜內(nèi)外面電阻應(yīng)變片讀數(shù)差的平均值 為零，保證試樣處于嚴(yán)格側(cè)限狀態(tài)即側(cè)向變形為零，此時液壓腔中液體壓力即為試樣的靜 止土壓力； 試驗分兩個階段： a. 凍融循環(huán)制備結(jié)構(gòu)梯度試樣：將試樣裝進(jìn)組合模具中，在試樣上下兩端配置制冷板， 通過調(diào)節(jié)凍融循環(huán)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)實現(xiàn)試樣在溫度梯度方向上的梯度微觀結(jié)構(gòu)； b. 靜止土壓力試驗階段。凍融循環(huán)后將組合模具和制冷板拆除，并將試樣在堅直平面 上旋轉(zhuǎn)

【權(quán)利要求】
1. 一種梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置，其特征是：梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力 試驗裝置包括：兩側(cè)帶連接法蘭的組合模具，彈性薄膜層、潤滑層；組合模具側(cè)面中間位置 設(shè)有液壓腔，液壓腔中液體通過圓形孔與彈性薄膜層接觸；圓形孔直徑范圍內(nèi)彈性薄膜層 內(nèi)外面上粘貼有電阻應(yīng)變片；潤滑層在圓形孔周圍通過〇形密封圈和緊固螺栓與組合模具 密封連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置，其特征在于：所述的 組合模具由兩半對接組成，在連接法蘭處通過緊固螺栓連接；組合模具為正方形形狀，四個 側(cè)面中間位置均設(shè)有液壓腔，可獲得試樣相互垂直的兩個方向上的靜止土壓力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置，其特征在于：所述的 彈性薄膜層內(nèi)外粘貼的電阻應(yīng)變片尺寸、型號和布置方式完全相同；當(dāng)彈性薄膜受力發(fā)生 彎曲變形后帶動電阻應(yīng)變片發(fā)生拉伸變形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置，其特征在于：圓形孔 的直徑-電阻應(yīng)變片的長度=2飛_。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置，其特征在于：液壓腔 的厚度與組合模具的壁厚相等。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗方法，其特征在于：梯度微 觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗方法：梯度微觀結(jié)構(gòu)土靜止土壓力試驗裝置沿壁厚方向由外到內(nèi) 依次為組合模具層即持力層、彈性薄膜層即測量層和潤滑層即降摩擦層，具有初始梯度微 觀結(jié)構(gòu)制備和后續(xù)靜止土壓力各向異性測試的雙重功能；通過動態(tài)控制液壓腔中液體壓力 實現(xiàn)電阻應(yīng)變片讀數(shù)為零，即彈性薄膜內(nèi)外面電阻應(yīng)變片讀數(shù)差的平均值為零，保證試樣 處于嚴(yán)格側(cè)限狀態(tài)即側(cè)向變形為零，此時液壓腔中液體壓力即為試樣的靜止土壓力； 試驗分兩個階段： a. 凍融循環(huán)制備結(jié)構(gòu)梯度試樣：將試樣裝進(jìn)組合模具中，在試樣上下兩端配置制冷板， 通過調(diào)節(jié)凍融循環(huán)溫度和凍融循環(huán)次數(shù)實現(xiàn)試樣在溫度梯度方向上的梯度微觀結(jié)構(gòu)； b. 靜止土壓力試驗階段：凍融循環(huán)后將組合模具和制冷板拆除，并將試樣在堅直平面 上旋轉(zhuǎn)后重新裝進(jìn)組合模具中，在試樣上下兩端配置透水板，進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗。
【文檔編號】G01N3/12GK104297066SQ201410468902
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】趙曉東, 周國慶, 陰琪翔, 陳鑫, 梁亞武, 季雨坤, 呂亞 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)