CN102445398A - 软岩硬土力学特性仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软岩硬土力学特性仿真测试方法，可有效解决软岩硬土力学特性测试，保证施工质量的问题，方法是，首先安装设备，设备安装完后，制备试样，然后给试样施加水头，使试样饱和；再对试样进行加压，按照稳定标准等分三级施加预加荷载，将压力均匀地施加在试样的上表面上；待预加荷载施加完毕后，打开钢架下底板上用螺丝充填的12个预留孔，装入传感器，传感器上部固定于钢架下底板上，传感器下部测头与有机玻璃柱充分接触，使传感器压缩到最大到量程的一半；对同种性状的试样施加不同的预加荷载，分别进行测试，得到不同荷载下试样的破坏特征值和中心荷载周边的变形特征曲线，本发明方法简单，易操作，试验准确，方便，成本低，易于推广。

Description

软岩硬土力学特性仿真测试方法

技术领域

本发明涉及岩土测试方法，特别是一种软岩硬土力学特性仿真测试方法。

背景技术

在水库和水电站的建设中，对水库或水电站所处地质的岩土进行测试是必不可少的，但随着人类工程建设规模和发展空间的不断扩大，世界上许多国家都遇到了一系列新的工程地质问题。长期以来被人们忽视的上第三系软岩硬土的工程地质问题就是其中之一。

由于工程规模不断向地下空间发展，开挖深度不断增加，导致国内外与上第三系软岩硬土不良工程地质特性有关的问题不断发生。我国许多大型工程建设都遇到过与工程性质极为复杂的上第三系软岩硬土有关的问题，如：西气东输工程建设过程中出现的与上第三系硬粘土有关的滑坡问题；万家寨引黄入晋输水隧洞的变形破坏问题；北京西客站地铁站建设过程中遇到的与上第三系软岩硬土有关的问题；鲁西南和徐淮地区隐蔽型煤田巨厚覆盖层中上第三系泥质沉积物在煤矿竖井开挖、运营过程中出现的大变形问题；南水北调中线工程从陶岔渠首经南阳盆地到宝丰渠段以及邯郸西北部等渠段上第三系裂隙化硬粘土大型渠道在开挖和运营期间遇到的工程和环境效应问题。

在国外也不乏其例，如：希腊的上第三系泥质沉积物的分布十分广泛，由于构造运动、地貌条件及气候条件的影响，常导致滑坡、泥石流的发生；在瑞士的北部，许多超固结粘土沉积物由于修建公路而造成大量边坡失稳(Rey＆Schinder，1993)；日本的上第三系泥质沉积物常引起大量滑坡和隧洞变形破坏；巴西东南部，修建公路开挖路堑引起的工程问题也相当普遍，其主要是硬粘土坍塌造成的；前苏联伏尔加格勒和前高加索地区在引水工程建设中曾遇到严重的上第三系硬粘土边坡灾害问题。

那么如何解决第三系硬粘土的工程地质问题，受到了工程地质与岩土工程界的广泛关注，特别是解决第三系硬粘土的工程地质特性及其应力－应变关系对工程建设有着重要的理论和实际意义。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种软岩硬土力学特性仿真测试方法，可有效解决软岩硬土力学特性测试，保证施工质量的问题。

本发明解决的技术方案是，首先安装设备，设备安装完后，制备试样，然后给试样施加一定的水头，使试样饱和；再通过设备对试样进行加压，按照稳定标准等分三级施加预加荷载，稳定标准采用相对稳定法，自加荷开始，先按10、10、10、15、15min分时施压，将压力均匀地施加在试样的上表面上；待预加荷载施加完毕后，打开钢架下底板上用螺丝充填的12个预留孔，装入传感器，传感器上部固定于钢架下底板上，传感器下部测头与有机玻璃柱充分接触，使传感器压缩到最大到量程的一半；对同种性状的试样施加不同的预加荷载，分别进行测试，得到不同荷载下试样的破坏特征值和中心荷载周边的变形特征曲线。

本发明方法简单，易操作，试验准确，方便，成本低，易于推广。

附图说明

图1为本发明的结构主视图。

图2为本发明的传感器装配示意图。

图3为本发明的传感测量安装示意图。

具体实施方式

以下结合设备图对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明在实施中，是由以下具体步骤实现的：

1、首先安装设备，由图1~3所示，本发明设备其结构是，包括压力机和压力机油缸，压力机与压力机油缸相连通，压力机油缸1上装有油压刻度盘2，压力机钢体架立柱8下部间在压力机底座3上装有下压盘15，压力机钢体架立柱上部间装有上压盘14，上压盘14下部经上钢板10装有千斤顶13，千斤顶13经输油管与液压油泵5相连，千斤顶的底部位移测板17上在千斤顶的两边对称装有千分表12，千斤顶13下部的中心钢柱20穿过下钢板11和柔性砂垫层9顶在试样7上，试样7置于下压盘15上，下压盘上在试样两侧装有百分表6，下钢板11上装有穿过柔性砂垫层9并置于试样上的传感器16；液压油泵的输油管上装有压力表4；所述的传感器16有12只，置于垂直的线L₁、L₂上，其中四个传感器16-5、16-6、16-7、16-8在同一直线L₂上，八个传感器16-1、16-2、16-3、16-4、16-9、16-10、16-11、16-12在同一直线L₁上；所述的柔性砂垫层9的厚度为50mm；所述的上钢板10、下钢板11边部之间装有立杆18，构成千斤顶的钢架结构；所述的传感器16伸入上钢板11和柔性砂垫层9下端经钢管有放置在试样上的有机玻璃柱19；

2、制备试样（试件）

设备安装完成后，制备试样（试件）：

在电站建基面以下的软岩硬土中选取500×500×500mm的立方体试样，将试样放入500×500×500mm的立方体钢壳中密封运回室内，在室内试验室中，给试样施加一定的水头，使试样饱和；

3、预加荷载的施加：

将饱和后的试样7置于设备的下压盘15上，使试样位于下压盘15的中心，将试样7表面整理平整，然后在试样表面平铺一层由砂子形成的柔性砂垫层9（原状砂层），厚度为50mm，再将钢架放在柔性砂垫层9的正上方，然后将中心钢柱20通过钢架下底板的中心孔与试样表面接触，在中心钢柱上放置测位移的位移测板（钢板）17和千斤顶13，千斤顶连接液压油泵5，在位移测板上放置2只百分表，另外在通过压力机周边搭建的桁架固定4只百分表6，分别量测试样7的压缩变形，之后，压力机和千斤顶同时出力，按照稳定标准等分三级施加预计荷载，稳定标准采用相对稳定法，自加荷开始，先按10、10、10、15、15min分时施压，以后每隔30-60min观测1次，直至1h的沉降量不大于1mm为止，压力机将压力传给钢架后，钢架又通过钢板将压力传递给柔性砂垫层9，最终柔性砂垫层9将压力均匀地施加在试样的上表面上；

4、试样表面变形测试

待预加荷载施加完毕后，打开钢架的下钢板上用螺丝充填的12个预留孔，然后依次将孔内的砂子清理至试样表面，清理完毕后每个孔中放入薄壁钢管，再在钢管中放入直径小于薄壁钢管直径的高10mm的有机玻璃圆柱19，最后将12只传感器分别置于12个预留孔中，传感器16上部固定与钢架的下钢板上，传感器下部测头与有机玻璃柱充分接触，使传感器压缩到最大到量程的一半；

12支传感器距中心钢柱中心的距离为：传感器16-1、16-5、16-9为52mm，传感器16-2、16-6、16-10为87mm，传感器16-3、16-7、16-11为127mm，传感器16-4、16-8、16-12为177mm，其中传感器16-1、16-2、16-3、16-4、16-9、16-10、16-11、16-12在同一直线L₁上，传感器16-5、16-6、16-7、16-8在同一直线L₂上，直线L₁、L₂互相垂直；

待12只传感器连接完毕后，将测中心钢柱位移的百分表换成千分表12，并测读初始读数，此时压力机一直稳定到预加荷载保持不变，然后通过千斤顶出力分级施加中心荷载，按照千分表测读的中心柱下部试样的变形来进行控制，预加荷等分8~10级进行施加，每一级按照稳定标准满足后，再加下一级荷载，至到试样发生破坏，在施加荷载的同时，通过数据采集***（另设的微机）采集12只传感器的位移变形，绘制变形图；试样破坏后分级递减，每一级卸载量为加载量的2倍，测试样的回弹变形；

5、对同种性状的试样（样品）施加不同的预加荷载，分别进行测试，得到不同荷载下试样的破坏特征值和中心荷载周边的变形特征曲线。

在上述设备的部件中，其中所述的压力机为液压试验机（2000kN）；特制钢架一套（钢架上下钢板尺寸为500×500mm，钢板厚度为15mm。钢架上下钢板之间用4根直径为80mm的钢柱焊接。钢架下钢板中心设置一个直径为50mm的圆孔。钢架下钢板上沿钢板中线设置12个直径为8mm的预留孔，孔用螺丝先填充）；高精度位移传感器12只（精度为0.5‰，量程为10mm）；数据采集***1套；液压油泵1台；高精度液压表2只；千斤顶1台（80 kN）；千分表4只（3mm）；百分表6只（50mm）。

本发明经实践中应用，取得了满意的效果，有关试验情况如下：

本发明在实践中成功的得到应用，西霞院工程基坑开挖后电站厂房地基主机坝段除少部分为泥岩类地层（包括泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩），安装间坝段少部分为冲积砂卵石层，局部呈微胶结，大部分场地地基为成岩条件较差的砂类地层，岩性以中细砂、砂岩为主。根据这种情况取未胶结原状砂（中细）样4组，泥质粉砂岩（粉砂质粘土岩）4组进行试验。其中原状砂样在试验后进行重塑再进行一次试验。各组试样的预加荷载也根据工程的实际情况而不同。经过测试，我们得出了各试样的承载力特征值，并确定了地基在集中荷载作用下周边的变形情况，取得了良好的试验效果。

南水北调中线河南境内沙河南至黄河南（238.3km）、黄河北至漳河南（242.7km）共计481km长的总干渠渠线及交叉建筑物工程勘察工作由河南省水利勘测有限公司来完成。在勘察过程中同样遇到了上第三系地层，委托我单位完成了大量的岩、土物理力学试验工作，同时采用该测试技术对不同段线的典型岩土体进行了测试，成功地对已取得的物理力学性质参数进行了复核，为最终准确地确定该类地层的地基承载力提供了依据。

将仿真模型试验方法创新地运用于西霞院反调节水库电站地基特殊的第三系软岩硬土的测试中，并提出了粘土岩、原状砂、重塑砂在不同的上部荷载的作用时的各项特征值，以及集中荷载周边的影响的范围和程度，对于确定该地基的特征值和电站厂房集中荷载的影响范围提供了有力的重要数据，为该工程的设计和施工提供了有力的保证，对地基处理和加固方案提供了重要的依据。同时采用该测试技术对南水北调中线河南段部分总干线地基中的第三系样品进行了测试，较好地对按照常规岩土试验方法取得的物理力学性质参数进行了复核，为最终确定该地层的地基承载力提供了依据。 该测试方法的成功运用，对于今后研究类似岩土体的基本特性提供了有效的手段，该测试技术的理论和方法为今后各类工程的相关研究奠定了良好的基础，具有重要的理论和实践意义，也具有显著的经济和社会价值。

本测试技术在西霞院反调节水库电站地基的测试中，与现场载荷试验对比，每组试验节约成本约10万元，本次共进行11个试样的测试，累计节约110万元。更为关键的是，该测试技术有效地解决了其他测试方法不能解决的问题。对该测试方法确定的地基承载力及电站厂房集中荷载的影响范围等重要参数是工程设计和施工的必备参数，准确地提供相应参数为工程建设带来的效益是巨大的。

本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

（1）测试设计思路科学，注重解决实际问题

电站厂房的施工工序是先开挖到基建面后再回填砂砾石垫层，然后再浇筑混凝土建筑物。根据这种施工工序，我们在基建面上取原状试样，在试样的顶部施加预加荷载，使其恢复到砂砾石垫层铺设后的受力状态，然后再施加电站厂房的集中荷载，确定电站地基的承载力和地基周边的变形情况。

（2）测试方法新颖，旨在解决难题

该测试方法突破了常规的测试方法，在确定地基承载力时，常规测试方法是在现场进行现场地基承压板载荷试验，该方法虽然可以确定该试验点周边一定范围、一定深度内地基的基本承载力、极限承载力，但该地基一般是在开挖一定深度覆盖层后裸露的地基，通常在基建面上来进行试验。该深度的地基面上部应力被释放，通常在此面上会铺设一定厚度的砂砾石垫层后再进行混凝土浇筑。在此情况下测得的承载力是在地基没有恢复到原始受力状态下测得的结果。而现在的仿真试验方法恰恰弥补了这一点，和现场的施工工序相一致，即先开挖后再恢复一定的上部均匀荷载，然后再受电站的集中荷载，更真实地反映出该地基的基本特性，为设计和施工提供更真实有效的参数。该方法首次选取上第三系软岩硬土原状不扰动试样，模拟电站厂房地基的原始受力状况进行试验研究，考虑地基的上覆荷载（预加荷载）对地基变形和应力的影响。在预加荷载施加完毕后，在电站集中荷载的施加过程中能够测试到电站地基在荷载作用时对周边地基和建筑物的影响范围和程度。

（3）测试手段精准

在进行试验时，采用了国内最先进的数据采集***――中国水利水电科学研究院生产的WS-5921D数据采集***，传感器量程为10mm，精度达到了万分之五，为整个试验的准确度和精度提供了有效的保证。

（4）在数值分析中引入正交设计，对测试进行指导

在模拟仿真试验进行有限元数值分析计算中，引入了正交设计的概念和方法，对影响仿真试验中心柱作用面（模拟电站地基载荷作用面）的应力和变形的因素如几何模型的尺寸、中心柱的尺寸、预加荷载、中心荷载、外壳约束形式以及试样的力学参数如弹性模量、泊松比、凝聚力、内摩擦角进行了正交设计组合。分析这些因素中哪个因素是主要因素，哪个因素是次要因素，以及各因素对考核指标（应力和变形）的影响规律，对进行仿真试验测试进行指导。

（5）测试方法操作方便，能有效提高工作效率

 整个测试技术操作方法简便，试样制备完毕后，将试样放置在压力机上，加上部预加荷载***，待荷载稳定后加装中心荷载和周边测试***。完后只用中心分级加荷，其他数据全部可实现自动采集，大大节省了人力。同时压力机施加预加荷载和充当中心荷载的反力装置稳定可靠，便于调整和操作，极大地提高了工作效率。整个测试在室内完成，与现场相比，不受天气、施工等因素的影响，保证了试验工期。

（6）测试方法成本较低，易于推广

该测试技术是将样品选取后整个测试在实验室完成，主要仪器设备如压力机、千斤顶、液压泵、压力表等一般实验室均已具备，只需另购置一套数据采集***和相应的位移传感器即可，或者在已有数据采集***上加以改良。而且所有的仪器设备均可重复利用。这项测试技术的首次支出成本和运行成本均较低，相对现场载荷试验，省去大量人力物力，具有显著的自身优势，易于被众多测试机构接受，便于推广。

Claims (4)

1.一种软岩硬土力学特性仿真测试方法，其特征在于，由以下步骤实现：

（1）、安装设备，包括压力机和压力机油缸，压力机与压力机油缸相连通，压力机油缸（1）上装有油压刻度盘（2），压力机钢体架立柱（8）下部间在压力机底座（3）上装有下压盘（15），压力机钢体架立柱上部间装有上压盘（14），上压盘（14）下部经上钢板（10）装有千斤顶（13），千斤顶（13）经输油管与液压油泵（5）相连，千斤顶的底部位移测板（17）上在千斤顶的两边对称装有千分表（12），千斤顶（13）下部的中心钢柱（20）穿过下钢板（11）和柔性砂垫层（9）顶在试样（7）上，试样（7）置于下压盘（15）上，下压盘上在试样两侧装有百分表（6），下钢板（11）上装有穿过柔性砂垫层（9）并置于试样上的传感器（16）；

（2）、制备试样

设备安装完成后，制备试样：

在电站建基面以下的软岩硬土中选取500×500×500mm的立方体试样，将试样放入500×500×500mm的立方体钢壳中密封运回室内，在室内试验室中，给试样施加一定的水头，使试样饱和；

（3）、预加荷载的施加：

将饱和后的试样（7）置于设备的下压盘（15）上，使试样位于下压盘（15）的中心，将试样（7）表面整理平整，然后在试样表面平铺一层由砂子形成的柔性砂垫层（9），厚度为50mm，再将钢架放在柔性砂垫层（9）的正上方，然后将中心钢柱（20）通过钢架下底板的中心孔与试样表面接触，在中心钢柱上放置测位移的位移测板（17）和千斤顶（13），千斤顶连接液压油泵（5），在位移测板上放置2只百分表，另外在通过压力机周边搭建的桁架固定4只百分表（6），分别量试样（7）的压缩变形，之后，压力机和千斤顶同时出力，按照稳定标准等分三级施加预计荷载，稳定标准采用相对稳定法，自加荷开始，先按10、10、10、15、15min分时施压，以后每隔30-60min观测1次，直至1h的沉降量不大于1mm为止，压力机将压力传给钢架后，钢架又通过钢板将压力传递给柔性砂垫层（9），最终柔性砂垫层（9）将压力均匀地施加在试样的上表面上；

（4）、试样表面变形测试

待预加荷载施加完毕后，打开钢架的下钢板上用螺丝充填的12个预留孔，然后依次将孔内的砂子清理至试样表面，清理完毕后每个孔中放入薄壁钢管，再在钢管中放入直径小于薄壁钢管直径的高10mm的有机玻璃圆柱（19），最后将12只传感器分别置于12个预留孔中，传感器（16）上部固定与钢架的下钢板上，传感器下部测头与有机玻璃柱充分接触，使传感器压缩到最大到量程的一半；

12支传感器距中心钢柱中心的距离为：传感器（16-1、16-5、16-9）为52mm，传感器（16-2、16-6、16-10）为87mm，传感器（16-3、16-7、16-11）为127mm，传感器（16-4、16-8、16-12）为177mm，其中传感器（16-1、16-2、16-3、16-4、16-9、16-10、16-11、16-12）在同一直线L₁上，传感器（16-5、16-6、16-7、16-8）在同一直线L₂上，直线L₁、L₂互相垂直；

待12只传感器连接完毕后，将测中心钢柱位移的百分表换成千分表（12），并测读初始读数，此时压力机一直稳定到预加荷载保持不变，然后通过千斤顶出力分级施加中心荷载，按照千分表测读的中心柱下部试样的变形来进行控制，预加荷等分8~10级进行施加，每一级按照稳定标准满足后，再加下一级荷载，至到试样发生破坏，在施加荷载的同时，通过数据采集***采集12只传感器的位移变形，绘制变形图；试样破坏后分级递减，每一级卸载量为加载量的2倍，测试样的回弹变形；

对同种性状的试样施加不同的预加荷载，分别进行测试，得到不同荷载下试样的破坏特征值和中心荷载周边的变形特征曲线。

2.根据权利要求1所述的软岩硬土力学特性仿真测试方法，其特征在于，所述的液压油泵的输油管上装有压力表（4）。

3.根据权利要求1所述的软岩硬土力学特性仿真测试方法，其特征在于，所述的上钢板（10）、下钢板（11）边部之间装有立杆（18），构成千斤顶的钢架结构。

4.根据权利要求1所述的软岩硬土力学特性仿真测试方法，其特征在于，所述的传感器（16）伸入上钢板（10）和柔性砂垫层（9）下端经钢管有放置在试样上的有机玻璃柱（19）。

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