本發(fā)明屬于巖土工程測試領(lǐng)域，涉及水平受荷樁、基坑圍護(hù)與隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的土體側(cè)向基床反力系數(shù)確定問題，具體來說是一種不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置。

背景技術(shù)：

側(cè)向基床反力系數(shù)是水平受荷樁、基坑圍護(hù)和隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要工程參數(shù)，其受諸多因素影響。目前各類工程測試方法可靠度較低，原位測試精度又較難保證。而規(guī)范法中給出的各土層側(cè)向基床反力系數(shù)范圍變化大，難以結(jié)合實(shí)際土層條件確定具體數(shù)值。傳統(tǒng)側(cè)向基床反力系數(shù)一般通過旁壓試驗(yàn)來估算或利用水平靜載試樁進(jìn)行反算，但這兩種方法耗時(shí)較長且費(fèi)用較高。因而，如何有效地獲得側(cè)向基床反力系數(shù)一直是巖土工程界的難題之一。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)是一種側(cè)向受荷試驗(yàn)，其對土體的擾動(dòng)小，可提供連續(xù)的土性參數(shù)。扁鏟側(cè)脹儀的工作原理是利用靜力或動(dòng)力把扁鏟探頭貫入土中，達(dá)測試深度后，利用氣壓使扁鏟側(cè)面的圓形鋼膜向外擴(kuò)張以測得壓力與變形關(guān)系，進(jìn)而利用扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)換算求解側(cè)向基床反力系數(shù)。目前該方法已經(jīng)較為成熟，很多行之有效的計(jì)算模型可以采用。

利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)不僅能較為準(zhǔn)確地獲得土層的側(cè)向基床反力系數(shù)，還能近似連續(xù)地得到側(cè)向基床反力系數(shù)隨深度的變化關(guān)系。依托實(shí)際工程開展現(xiàn)場原位扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)無疑是最直接、可靠的方法，但現(xiàn)場試驗(yàn)測試費(fèi)用昂貴，受場地條件、施工環(huán)境的影響嚴(yán)重，且測試細(xì)節(jié)不容易把握控制。因此，研制室內(nèi)測試裝置快速測定土體側(cè)向基床反力系數(shù)具有較大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且室內(nèi)測試加載條件便于控制，測試高效快捷，造價(jià)又低于現(xiàn)場試驗(yàn)。但目前還沒有一套室內(nèi)測定土體側(cè)向基床反力系數(shù)的裝置及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。側(cè)向基床反力系數(shù)影響因素眾多，除了與土體本身的性質(zhì)(如土類、地下水條件、前期固結(jié)壓力和密實(shí)度等)有關(guān)外，還與加載應(yīng)力路徑、加載速率等因素有關(guān)。特別是不同應(yīng)力路徑下的側(cè)向基床反力系數(shù)確定更是難點(diǎn)問題，通過室內(nèi)試驗(yàn)裝置模擬土體的不同加載應(yīng)力路徑，繼而測試土體側(cè)向基床反力系數(shù)是行之有效的解決方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有土體側(cè)向基床反力系數(shù)確定方法的不足與缺陷，本發(fā)明提出一種可以測試不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置，從而利于研究不同狀態(tài)土體側(cè)向基床反力系數(shù)取值及其變化規(guī)律。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置，包括測試箱體、加載裝置及扁鏟側(cè)脹儀，所述加載裝置為扁鏟側(cè)脹儀的貫入測試及土體頂面、側(cè)面載荷板的不同應(yīng)力路徑加載試驗(yàn)提供力源。

具體地，所述測試箱體是由金屬框架和有機(jī)玻璃板組成的正方體，有機(jī)玻璃安裝在箱體的側(cè)面和底面上，一個(gè)側(cè)面的有機(jī)玻璃上具有開口。即所述測試箱體的側(cè)面和底面被有機(jī)玻璃板封閉，頂面開口，其中一個(gè)側(cè)面不完全封閉。

具體地，所述開口處安裝有側(cè)面載荷機(jī)構(gòu)，所述側(cè)面載荷機(jī)構(gòu)包括依次連接的載荷板、頂推桿、千斤頂、反力梁和反力架，所述反力架固定連接在測試箱體上。在測試箱體的側(cè)面上局部開設(shè)有允許荷載板自由推進(jìn)的空腔。

具體地，所述載荷板通過頂推桿傳力，在液壓千斤頂?shù)募?、卸載下水平前進(jìn)或后退；所述頂推桿安置在滑道內(nèi)，頂推桿、滑道、液壓千斤頂三者中心軸線位于同一水平線上；所述頂推桿與液壓千斤頂之間設(shè)有用于測試液壓千斤頂加載水平的壓力傳感器，所述頂推桿側(cè)面還安裝有位移讀取裝置。

具體地，所述測試箱體的頂面設(shè)有橫向的支撐桿，所述支撐桿上安裝有頂面載荷機(jī)構(gòu)和扁鏟側(cè)脹儀貫入機(jī)構(gòu)，所述頂面載荷機(jī)構(gòu)和扁鏟側(cè)脹儀貫入機(jī)構(gòu)均包括反力架、反力梁和千斤頂。

具體地，所述頂面載荷機(jī)構(gòu)的千斤頂連接壓力傳感器與載荷板，所述載荷板上具有用于穿過扁鏟側(cè)脹儀的預(yù)留孔。

具體地，所述載荷板與土體接觸面設(shè)有與載荷板等面積的柔性橡膠墊。用于消除載荷板在土體表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

上述不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置的具體實(shí)施過程如下：

S1.將裝置按測試要求裝配好，檢驗(yàn)液壓千斤頂?shù)墓ぷ髑闆r及反力架、反力梁的固定情況，并對頂推桿在滑道內(nèi)能否自由水平移動(dòng)進(jìn)行查看。往測試箱體內(nèi)裝入待測定的土體，待測定土體須按土質(zhì)分類、含水率等條件預(yù)先制備好；

S2.在頂面土體、側(cè)面土體分別安裝載荷板和橡膠墊，載荷板、橡膠墊以布置在土體表面中央位置為宜，載荷板、橡膠墊、土層表面三者須嚴(yán)格相貼；

S3.安裝壓力傳感器、位移表，并對壓力傳感器、位移表的初始值進(jìn)行校正。安裝扁鏟側(cè)脹儀，并保證其能沿載荷板與橡膠墊的預(yù)留孔垂直貫入；

S4.液壓千斤頂開始工作，按不同應(yīng)力路徑對土體進(jìn)行加載，對應(yīng)開展扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。扁鏟側(cè)脹儀在液壓千斤頂作用下貫入土體，達(dá)到預(yù)定深度后，測定鋼膜膨脹情況下的受力變形關(guān)系；

S5.結(jié)束測試，將液壓千斤頂卸載，緩慢提升出扁鏟側(cè)脹儀，清潔回收試驗(yàn)設(shè)備；

S6.數(shù)據(jù)整理，利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解側(cè)向基床反力系數(shù)時(shí)，根據(jù)各試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測的Δp值，按下式求得側(cè)向基床反力系數(shù)計(jì)算值K_h0：

式中，s(0)為鋼膜中心點(diǎn)的位移量，為1.10mm；Δp為相對應(yīng)的鋼膜側(cè)面土壓力增量。

S7.重復(fù)前述步驟，分析和歸納不同土層側(cè)向基床反力系數(shù)的取值范圍及其隨深度的變化規(guī)律，為水平受荷樁、基坑工程和隧道工程的前期設(shè)計(jì)提供參考。

有益效果：本發(fā)明的不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置，解決了長期存在的側(cè)向基床反力系數(shù)難測定問題。該裝置可以綜合測定不同應(yīng)力路徑下的土體側(cè)向基床反力系數(shù)值及其變化規(guī)律，且儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作易于控制，高效快捷。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的裝置的整體示意圖；

圖2為A-A剖面示意圖；

圖3為B-B剖面示意圖；

圖中：1-金屬框架、2-有機(jī)玻璃板、3-液壓千斤頂、4-頂推桿、5-滑道、6-反力梁、7-反力架、8-螺栓、9-壓力傳感器、10-位移表、11-金屬焊塊、12-載荷板、13-橡膠墊、14-液壓千斤頂、15-反力架、16-反力梁、17-螺栓、18-支撐桿、19-壓力傳感器、20-載荷板、21-橡膠墊、22-扁鏟側(cè)脹儀、23-鋼膜、24-液壓千斤頂、25-反力架、26-反力梁、27-螺栓、28-預(yù)留孔。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

參見附圖1-圖3，本實(shí)施例的不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置，包括測試箱體、加載裝置及扁鏟側(cè)脹儀。所述測試箱體由金屬框架1和有機(jī)玻璃板2組成，測試箱體為長、寬、高均為500mm的正方體結(jié)構(gòu)。測試箱體側(cè)面和底面被有機(jī)玻璃板2封閉，頂面開口。測試箱體的一側(cè)面和頂面分別設(shè)置有用于試驗(yàn)加載的液壓千斤頂3、14、24，具體而言，所述測試箱體的頂面設(shè)有2個(gè)液壓千斤頂14、24，側(cè)面設(shè)有1個(gè)液壓千斤頂3。所述測試箱體的一側(cè)面局部開口設(shè)有允許荷載板12自由推進(jìn)的空腔，載荷板12通過頂推桿4傳力，在液壓千斤頂3的加、卸載下水平前進(jìn)或后退。所述頂推桿4安置在滑道5內(nèi)，頂推桿4、滑道5、液壓千斤頂3三者中心軸線位于同一水平線上。所述頂推桿4與液壓千斤頂3之間設(shè)置一個(gè)壓力傳感器9用于測試液壓千斤頂3的加載水平。所述頂推桿4側(cè)面還外延設(shè)置有一金屬焊塊11，所述金屬焊塊11與頂推桿4完全點(diǎn)焊固定，二者的水平移動(dòng)位移完全一致，水平移動(dòng)位移由固定在滑道5上的位移表10讀取。

測試箱體頂面設(shè)有兩根用于固定千斤頂反力架15、25的支撐桿18，側(cè)面的反力架7則直接固定在所述測試箱體的金屬框架1上。反力梁6、16、26分別靠螺栓8、17、27固定在反力架7、15、25上，3個(gè)液壓千斤頂3、14、24分別靠反力梁6、16、26提供反力，為扁鏟側(cè)脹儀22的貫入測試及土體頂面載荷板20、側(cè)面載荷板12的不同應(yīng)力路徑加載試驗(yàn)提供力源。為消除載荷板12、20在土體表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所述載荷板12、20與土體接觸面分別設(shè)有與載荷板12、20等面積的柔性橡膠墊13、21。所述扁鏟側(cè)脹儀22在液壓千斤頂24加載下貫入土中進(jìn)行測試試驗(yàn)，所述頂面載荷板20與橡膠墊21設(shè)有允許扁鏟側(cè)脹儀22垂直穿過的預(yù)留孔28。

上述不同應(yīng)力路徑下側(cè)向基床反力系數(shù)室內(nèi)測試裝置的具體實(shí)施過程如下：

S1.將裝置按測試要求裝配好，檢驗(yàn)液壓千斤頂3、14、24的工作情況及反力架7、15、25、反力梁6、16、26的固定情況，并對頂推桿4在滑道5內(nèi)能否自由水平移動(dòng)進(jìn)行查看。往測試箱體內(nèi)裝入待測定的土體，待測定土體須按土質(zhì)分類、含水率等條件預(yù)先制備好；

S2.在側(cè)面土體、頂面土體分別安裝載荷板12、20和橡膠墊13、21，載荷板12、20和橡膠墊13、21以布置在土體表面中央位置為宜，載荷板、橡膠墊、土層表面三者須嚴(yán)格相貼；

S3.安裝壓力傳感器9、位移表10，并對壓力傳感器9、位移表10的初始值進(jìn)行校正。安裝扁鏟側(cè)脹儀22，并保證其能沿載荷板20與橡膠墊21的預(yù)留孔28垂直貫入；

S4.液壓千斤頂3、14、24開始工作，按不同應(yīng)力路徑對土體進(jìn)行加載，對應(yīng)開展扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)。扁鏟側(cè)脹儀22在液壓千斤頂24作用下貫入土體，達(dá)到預(yù)定深度后，測定鋼膜23膨脹情況下的受力變形關(guān)系；

S5.結(jié)束測試，將液壓千斤頂3、14、24卸載，緩慢提升出扁鏟側(cè)脹儀22，清潔回收試驗(yàn)設(shè)備；

S6.數(shù)據(jù)整理，利用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)求解側(cè)向基床反力系數(shù)時(shí)，根據(jù)各試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測的Δp值，按下式求得側(cè)向基床反力系數(shù)計(jì)算值K_h0：

式中，s(0)為鋼膜23中心點(diǎn)的位移量，為1.10mm；Δp為相對應(yīng)的鋼膜23側(cè)面土壓力增量。

S7.重復(fù)前述步驟，分析和歸納不同土層側(cè)向基床反力系數(shù)的取值范圍及其隨深度的變化規(guī)律，為水平受荷樁、基坑工程和隧道工程的前期設(shè)計(jì)提供參考。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。