一种硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法制造方法及图纸

一种探针试验装置和方法，适用于超固结、非均质土的强度和结构测试时使用。包括探针固定架、拉压应力传感器、位移计、探针和上方设有试样保护帽且有侧限的柱状硬土试样，提供一种圆柱状试块轴线的多条贯入迹线上贯入阻力分布的试验条件。通过不同直径探针重复试验获得多条贯入迹线上贯入阻力分布、单个贯入迹线上硬土软弱带分区，从而获得软弱带空间三维形态，根据硬土贯入阻力的空间分布数据统计分析硬土强度特征，其不改变既有压力机结构，试验装置拆装方便，结构简单，采集的数据详细可靠；通过调整探针尺度、环刀和试样保护帽尺寸可适应多尺寸试验和多类硬土，适应性广。

【技术实现步骤摘要】
一种硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法
本专利技术涉及一种探针试验装置和方法，尤其适用于超固结、非均质土的强度和结构测试时使用的硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法。
技术介绍
硬土强度介于岩石和土之间，常规土力学试验装备由于加载能力不足对于硬土无能为力，常规岩石力学试验装备在加载初期硬土就发生显著破坏，不利于捕捉硬土变形破坏的力学过程。同时，硬土内滑面、裂隙和孔洞发育，结构性对其性质影响也极为突出。目前，宏观尺度的岩土地层界面和构造参数测试一般采用物探、钻探、槽探和洞探等方法，微观微米或纳米尺度孔隙的测试一般采用扫描电镜、压汞试验和CT扫描进行测试，但试块试样内介于微观和宏观之间的结构特征测试，尚缺乏有效的装置和方法。鉴于此，研究和试制硬土内部软弱带和硬土强度的测试方法，是结构性硬土土性质测试研究的重要内容。
技术实现思路
技术问题：本专利技术是针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，测试效果好的硬土强度和结构测试的探针试验装置和方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术的硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：它包括设置在压力机上压头和压力机工作台之间的探针固定架、探针、计算机、位移计和上方设有试样保护帽的柱状硬土试样；所述探针固定架包括探针固定板，探针固定板四角上分别设有将探针固定板固定在压力机上压头上的强力磁铁，探针固定板中心设有拉压应力传感器，拉压应力传感器上垂直设有探针索头，拉压应力传感器两侧在探针固定板上设有固定孔，探针固定板、拉压应力传感器和探针锁头利用胶水连接，探针锁头上设有探针，探针直径0.5-3mm，硬土试样设置在探针正下方的压力机工作台上；所述位移计上端固定在压力机上压头上，位移计下端采用磁铁吸附在压力机工作台上；所述拉压应力传感器和所述位移计通过导线与计算机相连接，用于采集贯入阻力和贯入深度。所述试样保护帽上均匀设有多个探孔，探孔与探针直径相匹配，探孔位置按顺序采用激光刻写编码和精确记录探孔中心坐标，试样保护帽的外径与采集柱状硬土试样的环刀内径配合一致，探孔直径大于探针0.2mm；所述探针索头为可调结构，用于更换不同长度和直径的探针。一种硬土强度和结构测试试验方法，其步骤如下：a.试验前先在拟定区域采集原状硬土样，利用环刀制成柱状试样，其上下表面保持平行且上表面低于环刀上口2mm，每个被测地层制备2-3件柱状试样，放置入恒温恒湿养护箱内待用，试验全过程中柱状试样始终处于环刀的侧限边界条件和保护之下；b.试验采用伺服压力机的控制系统提供加载条件：控制压力机抬起压力机上压头，在压头和压力机工作台之间安装位移计，利用强力磁铁将探针固定板吸附固定在压力机的上压头上，利用螺栓通过固定孔将探针固定板固定牢固，然后根据硬土试样的强度，按照高强度小直径、低强度大直径的原则选择探针直径，将探针垂直向下固定在探针索头上，安装拉压应力传感器和位移计并与计算机相连接；c.选择探孔与探针直径匹配的试样保护帽，在探针索头正下方的压力机工作台上平稳地放置硬土试样，在硬土试样上安装试样保护帽，使试样保护帽与硬土试样接实并嵌入环刀内；d.缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，手握环刀缓慢移动试样，在保护帽上选择一个探孔作为测试孔，使探孔与探针对准后进行进行预贯入测试，采用位移计与拉压应力传感器连接电脑采集探针贯入过程的应力和变形参数，进行硬土试样强度和结构测试采用应变控制式和应力控制式加载方式的两者之一驱动探针，采用应力控制式加载方式时，探针以固定应力贯入试样，检测贯入速率；采用应变控制式加载方式驱动时，探针以固定应变速率匀速贯入试样检测贯入阻力，贯入应变速率根据试样强度多级可选，其范围为0.01–5mm/min，土质坚硬取小值，土质软弱取大值；c.利用计算机分析试验数据时，在应变控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入阻力曲线出现突然下跌的近似平底谷状曲线时即判断试样内部存在软弱带；在应力控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入速度曲线出现突然跃起的近似平顶山峰状曲线时即判断当前的硬土试样内部存在软弱带；d.当获得硬土试样多个探孔的软弱带分布的上下界位置后，利用计算机按探孔坐标和软弱带的上下界，重建试样软弱带的空间结构，根据探针截面积和贯入荷载，获得硬土试样不同位置的贯入阻力分布特征，采用统计方法研究试样的强度。所述在以应变控制式加载方式试验时:a1.预贯入测试主要用于调整探针直径和检测试样保护帽与探针的配合情况，在启动伺服压力机加载和观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针贯入试样的情况：当探针卡在试样保护帽上时，立即停止试验，调整试样表面水平和试样保护帽的探孔与探针同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；b1在确定探针直径后，保持环刀与试样保护帽相对位置固定不变，整体转动环刀和硬土试样，缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，微微调整硬土试样使探针对准保护帽上的一个非测试孔的探孔，探针接触试样后压力机上压头停止下降使垂直荷载清零，完成一次硬土试样的探孔测试；c1.按照隔一孔测一孔的方式从保护帽任意位置探孔开始测试，逐步在所有探孔位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计读数和拉压应力传感器读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针贯入硬土试样情况，当出现拉压应力传感器读数超过量程90％、肉眼观察探针弯曲、卡住试样保护帽的探孔、探针贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头；d1.调整硬土试样的平面位置，重复步骤a1-c1，根据试样保护帽探孔位置，逐孔进行贯入测试和获得试验数据。所述在以应力控制式加载方式试验时：a2.预贯入测试主要用于调整探针直径和检测试样保护帽与探针的配合情况，在启动伺服压力机加载和观测贯入阻力曲线、贯入应变曲线的同时，观察探针贯入试样的情况：当探针卡在试样保护帽上时，立即停止试验，调整试样表面水平和试样保护帽的探孔与探针同轴；当贯入阻力——贯入深度曲线无明显波动时，停止试验，更换稍大直径探针；当探针有肉眼可见的明显弯曲或贯入阻力急剧增大时，立即停止试验防止崩断，更换稍小直径探针；b2.获得硬土贯入的探针直径和最大贯入阻力后按照[0,2倍贯入阻力]的范围，分为5-8级荷载，作为应力控制式加载的贯入应力；c2.在确定探针直径后，保持环刀与试样保护帽相对位置固定不变，整体转动环刀和硬土试样，缓慢下降压力机上压头直至探针接触试样保护帽，微微调整硬土试样使探针对准保护帽上的一个非测试孔的探孔，探针接触试样后压力机上压头停止下降使垂直荷载清零，完成一次硬土试样的探孔测试；d2.按照隔一孔测一孔的方式从保护帽任意位置探孔开始测试，逐步在所有探孔位置进行贯入测试，测试的同时利用计算机记录压力机荷载、位移计读数和拉压应力传感器读数，计算机中根据记录的读数生成应力和应变曲线，同时肉眼观察探针贯入硬土试样情况，当出现拉压应力传感器读数超过量程90％、肉眼观察探针弯曲、卡住试样保护帽的探孔、探针贯入深度达到60mm，上述四种情况之一时则立即停止试验并抬起压力机上压头。所述采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：它包括设置在压力机上压头(1)和压力机工作台(11)之间的探针固定架、探针(7)、计算机、位移计(12)和上方设有试样保护帽(8)的柱状硬土试样(10)；所述探针固定架包括探针固定板(2)，探针固定板(2)四角上分别设有将探针固定板(2)固定在压力机上压头(1)上的强力磁铁(3)，探针固定板(2)中心设有拉压应力传感器(4)，拉压应力传感器(4)上垂直设有探针索头(6)，拉压应力传感器(4)两侧在探针固定板(2)上设有固定孔(13)，探针固定板(2)、拉压应力传感器(4)和探针锁头(6)利用胶水连接，探针锁头(6)上设有探针(7)，探针(7)直径0.5‑3mm，硬土试样(10)设置在探针(7)正下方的压力机工作台(11)上；所述位移计(12)上端固定在压力机上压头(1)上，位移计(12)下端采用磁铁吸附在压力机工作台(11)上；所述拉压应力传感器(4)和所述位移计(12)通过导线与计算机相连接，用于采集贯入阻力和贯入深度。

【技术特征摘要】
1.一种硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：它包括设置在压力机上压头(1)和压力机工作台(11)之间的探针固定架、探针(7)、计算机、位移计(12)和上方设有试样保护帽(8)的柱状硬土试样(10)；所述探针固定架包括探针固定板(2)，探针固定板(2)四角上分别设有将探针固定板(2)固定在压力机上压头(1)上的强力磁铁(3)，探针固定板(2)中心设有拉压应力传感器(4)，拉压应力传感器(4)上垂直设有探针索头(6)，拉压应力传感器(4)两侧在探针固定板(2)上设有固定孔(13)，探针固定板(2)、拉压应力传感器(4)和探针锁头(6)利用胶水连接，探针锁头(6)上设有探针(7)，探针(7)直径0.5-3mm，硬土试样(10)设置在探针(7)正下方的压力机工作台(11)上；所述位移计(12)上端固定在压力机上压头(1)上，位移计(12)下端采用磁铁吸附在压力机工作台(11)上；所述拉压应力传感器(4)和所述位移计(12)通过导线与计算机相连接，用于采集贯入阻力和贯入深度。2.根据权利要求1所述的硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：所述试样保护帽(8)上均匀设有多个探孔(13)，探孔(13)与探针(8)直径相匹配，探孔位置按顺序采用激光刻写编码和精确记录探孔中心坐标，试样保护帽的外径与采集柱状硬土试样(10)的环刀(15)内径配合一致，探孔(14)直径大于探针0.2mm。3.根据权利要求1所述的硬土强度和结构测试的探针试验装置，其特征在于：所述探针索头(6)为可调结构，用于更换不同长度和直径的探针(7)。4.一种使用权利要求1所述硬土强度和结构测试的试验方法，其特征在于步骤如下：a.试验前先在拟定区域采集原状硬土样，利用环刀(15)制成柱状试样(10)，其上下表面保持平行且上表面低于环刀(15)上口2mm，每个被测地层制备2-3件柱状试样(10)，放置入恒温恒湿养护箱内待用，试验全过程中柱状试样(10)始终处于环刀(15)的侧限边界条件和保护之下；b.试验采用伺服压力机的控制系统提供加载条件：控制压力机抬起压力机上压头(1)，在压头(1)和压力机工作台(11)之间安装位移计(12)，利用强力磁铁(3)将探针固定板(2)吸附固定在压力机的上压头(1)上，利用螺栓通过固定孔(13)将探针固定板固定牢固，然后根据硬土试样(10)的强度，按照高强度小直径、低强度大直径的原则选择探针(7)直径，将探针(7)垂直向下固定在探针索头(6)上，安装拉压应力传感器(4)和位移计(12)并与计算机相连接；c.选择探孔(14)与探针(7)直径匹配的试样保护帽(8)，在探针索头(6)正下方的压力机工作台(11)上平稳地放置硬土试样(10)，在硬土试样(10)上安装试样保护帽(8)，使试样保护帽(8)与硬土试样(10)接实并嵌入环刀(15)内；d.缓慢下降压力机上压头(1)直至探针(7)接触试样保护帽(8)，手握环刀(15)缓慢移动试样(10)，在保护帽(8)上选择一个探孔(14)作为测试孔，使探孔(14)与探针(7)对准后进行进行预贯入测试，采用位移计(12)与拉压应力传感器(4)连接电脑采集探针(7)贯入过程的应力和变形参数，进行硬土试样(10)强度和结构测试采用应变控制式和应力控制式加载方式的两者之一驱动探针(7)，采用应力控制式加载方式时，探针(7)以固定应力贯入试样(10)，检测贯入速率；采用应变控制式加载方式驱动时，探针(7)以固定应变速率匀速贯入试样(10)检测贯入阻力，贯入应变速率根据试样强度多级可选，其范围为0.01–5mm/min，土质坚硬取小值，土质软弱取大值；e.利用计算机分析试验数据时，在应变控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入阻力曲线出现突然下跌的近似平底谷状曲线时即判断试样内部存在软弱带；在应力控制式加载条件下，当绘制出的贯入深度——贯入速度曲线出现突然跃起的近似平顶山峰状曲线时即判断当前的硬土试样(10)内部存在软弱带；f.当获得硬土试样(10)多个探孔(14)的软弱带(9)分布的上下界位置后，利用计算机按探孔(14)坐标和软弱带(9)的上下界，重建试样软弱带(9)的空间结构，根据探针(7)截面积和贯入荷载，获得硬土试样(10)不同位置的贯入阻力分布特征，采用统计方法研究试样的强度。5.根据权利要求4所述的硬土强度和结构测试的探针试验方法，其特征在于：所述在以应变控制式加...

【专利技术属性】
技术研发人员：董青红，刘菠，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32