土体应变刚度和应力状态实时测试装置及其施工测试方法与流程

1.本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种土体应变刚度和应力状态实时测试装置。


背景技术：

2.我国在城市天然土层中修筑了大量地下工程，而天然土层中沉积土和残积土具有显著结构性，当土体受到邻近施工扰动时，在微细观尺度上各类颗粒将产生旋转、相对位移发生变化、部分团粒破碎、部分土颗粒胶结点破坏或产生微裂隙等现象,这些变化将会引起结构性土部分结构损伤，同时土体宏观力学强度显著降低。当施加扰动应力超过其土体结构屈服应力后，其结构会迅速破坏，如团粒破碎、胶结点破坏、微裂隙贯通，大孔隙群消失等，造成土体强度和刚度的丧失或者压缩性增高。对于结构性土，盾构掘进或是基坑开挖等扰动过程会造成土体应力状态、应力路径的改变，同时土体强度/刚度也会减弱甚至丧失，非常容易导致地层过大变形、失稳破坏和连续倒塌等恶劣工程问题。
3.小应变模量/剪切波速可以反映土体刚度，是评价地下工程施工引起的地层扰动程度和扰动范围的重要评价指标之一。目前，已有的邻近施工地层扰动测试大多采用静力触探、十字板剪切等原位试验，但这类试验仅能在施工前和施工后进行测试，无法实现土体力学特性的实时监测。因此，如何提供一种能够评估由地下工程施工扰动引起的土体小应变刚度现场实时微扰动测试装置及方法，是本领域科研和技术人员亟待解决的一项关键问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种土体应变刚度和应力状态实时测试装置，以研究地下工程施工扰动引起的结构性土体小应变刚度实时变化规律。
5.本发明采用的技术方案为：一种土体应变刚度和应力状态实时测试装置，包括信号发生单元、信号激发单元、信号接收单元、信号处理及收集单元，以及自动采集系统，所述信号激发单元和信号接收单元均分别安装在施工范围测点的两个钻孔内；所述信号激发单元沿高度方向间隔布置有若干激发元和压力测试组件a，所述信号接收单元沿高度方向间隔布置有若干接收元和压力测试组件b，每一个激发元对应一个接收元，二者水平正对构成一对弯曲元；所述信号发生单元分别与信号激发单元的激发元、信号处理及采集单元相连；所述信号接收单元的接收元与信号处理及采集单元相连；两个压力测试组件分别与自动采集系统相连。
6.按上述方案，所述信号发生单元包括相连的信号发生器和放大器；所述放大器与激发元相连；所述信号处理及采集单元包括相连的示波器和数据采集系统，示波器分别与接收元、压力测试组件和信号发生器相连。
7.按上述方案，信号激发单元包括若干钢套管a，若干钢套管a依次首尾相连，且垂直安装在钻孔内；所述激发元与信号激发单元相连，激发元安装在钢套管a侧部的凹槽内。
8.按上述方案，所述压力测试组件a安装在钢套管a侧部的凹槽内，且压力测试组件a与激发元相背布置。
9.按上述方案，所述信号接收单元包括若干钢套管b，若干钢套管b依次首尾相连，且垂直安装在钻孔内；所述接收元和压力测试组件b分别安装在钢套管b两侧的凹槽内。
10.按上述方案，所述压力测试组件a和压力测试组件b配置相同，均分别包括孔隙水压力和土压力计，孔隙水压力和土压力计均分别与自动采集系统相连；所述孔隙水压力和土压力计上下安装在钢套管b或钢套管a同侧的凹槽内，孔隙水压力与土压力计之间填充有土体。
11.按上述方案，激发元和接收元上下方的凹槽内采用土体填充，激发元和接收元包裹有用于与土体分隔的保护膜。
12.本发明还提供了一种土体应变刚度和应力状态实时测试装置施工测试方法，该方法具体为：在施工范围内安装所述测试装置；启动信号发生器发出信号至激发元；激发元在试验土层中激励出剪切波，剪切波在地层中反射并被接收元先后接收；数据采集系统自动采集发出的激励信号和接收信号，并计算分析得到土体弹性参数和阻尼比在内的粘弹性参数；同时，土压力计和孔压计测量弯曲元所在深度处土体的有效应力和孔压变化，并由自动采集系统实时监测采集，工作人员根据实时采集的数据及计算获得土体弹性参数、小应变刚度和阻尼比这些相关参数，得到整个施工过程中及施工完成后现场实测土体应变刚度及应力状态、地层应力传播和土体刚度衰减规律，确定不同评价指标下地层扰动程度和扰动范围。
13.按上述方案，所述测试装置的安装方法为：
14.步骤一、在施工范围内预钻孔取出原状土土芯，由室内标准物性试验得到试验地层土体物理力学指标；
15.步骤二、确定测点位置，钻孔至基岩处，控制钻孔垂直度；
16.步骤三、依次下放各对应安装测试组件的钢套管，下放过程中弯曲元紧贴钻孔边缘，保证激发元正对接收元；
17.步骤四、钢套管安装完成后，往钻孔与钢套管之间的空隙中填充土体和膨润球，边填边往里面灌水，静置一段时间后再重复上述步骤直到填满接近钻机护筒深度的空隙；
18.步骤五、拔出钻机护筒，继续向钻孔与钢套管之间的空隙内填砂和膨润球，直至填满其余空隙；
19.步骤六、电连接各设备，所述测试装置安装完成。
20.本发明具有的有益效果为：本发明可以测得施工过程中和施工完成后现场地层孔隙水压力、土压力、水平向小应变剪切模量演化规律，探究地层应力传播和土体刚度衰减规律，确定不同评价指标下地层扰动程度和扰动范围，实现土体小应变刚度
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应力状态、扰动范围和扰动程度的变化规律微扰动实时测试的目的。
附图说明
21.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
22.图2为图1中的a处放大图。
23.图3为图1中的b处放大图。
24.图4为本发明施工计测试方法流程图。
25.图中：1、放大器，2、示波器，3、数据采集系统，4、信号发生器，5、输出信号，6、输入信号，7、钻孔，8、钢套管a，9、激发元，10、接收元，11、剪切波，12、凹槽，13、填充土，14、弯曲元，15、保护膜，16、螺纹，17、膨润球，18、土压力计，19、孔隙水压力计，20、自动采集系统，21、钢套管b。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
27.如图1所示的一种土体应变刚度应力状态实时测试装置，包括信号发生单元、信号激发单元、信号接收单元、信号处理及收集单元，以及自动采集系统20，所述信号激发单元和信号接收单元均分别安装在施工范围测点的两个钻孔7内；所述信号激发单元沿高度方向间隔布置有若干激发元9和压力测试组件a，所述信号接收单元沿高度方向间隔布置有若干接收元10和压力测试组件b，每一个激发元9对应一个接收元10，二者水平正对组成一对弯曲元14(二者间距根据室内预实验确定)；所述信号发生单元分别与信号激发单元的激发元9、信号处理及采集单元相连；所述信号接收单元的接收元10与信号处理及采集单元相连；两个压力测试组件分别与自动采集系统20相连。本发明中，弯曲元14用于测量地层扰动程度、扰动范围及土体小应变刚度。
28.本发明中，所述信号发生单元包括相连的信号发生器4和放大器1；所述放大器1与激发元9相连；所述信号处理及采集单元包括相连的示波器2和数据采集系统3，示波器2分别与接收元10、压力测试组件和信号发生器4相连；具体地，接收元10通过中间放大器1与示波器2相连。
29.优选地，信号激发单元包括若干钢套管a8，若干钢套管a8依次首尾相连，且垂直安装在钻孔7内；所述激发元9与放大器1相连，激发元9安装在钢套管a8侧部的凹槽12内。本实施例中，上下两钢套管a8之间通过螺纹16连接；激发元9设有两个，间隔安装在两个钢套管a8的第一凹槽12内。所述压力测试组件a安装在钢套管a8侧部的凹槽12内，且压力测试组件a与激发元9或弯曲元14相背布置。
30.优选地，所述信号接收单元包括若干钢套管b21，若干钢套管b21依次首尾相连，且垂直安装在钻孔7内；所述接收元10和压力测试组件b分别安装在钢套管b21两侧的凹槽12内。
31.本实施例中，钢套管b21与钢套管a8结构相同；上下两钢套管b21之间通过螺纹连接；接收元10设有三个，间隔安装在两个钢套管b21的凹槽12内，其中一个接收元10与弯曲元14正对，另外两个接收元10分别与激发元9正对；所述压力测试组件b有三组，分别与接收元10相背布置。激发元9和接收元10(也即图2中的弯曲元)上下方的凹槽12内采用土体填充(该土体为钻孔7取出的该深度处土体)，激发元9和接收元10包裹有用于与土体分隔的保护膜15(保护膜15对剪切波11传播的影响通过室内预实验检验)。
32.本发明中，所述压力测试组件a和压力测试组件b配置相同，均分别包括孔隙水压力和土压力计18，孔隙水压力和土压力计18均分别与自动采集系统20相连；所述孔隙水压力和土压力计18上下安装在钢套管b21(或钢套管a8)同侧的凹槽12内，孔隙水压力与土压力计18之间填充有土体13。
33.本发明中，钢套管a8与钢套管b21结构相同；钻孔7与钢套管a8(或钢套管b21)之间的缝隙内填满土体(该土体为钻孔7取出的该深度处土样)填充和膨润球17，并灌水。
34.本发明中，所述信号发生单元产生脉冲电压信号作为激励信号，分为两路，其中一路发送到信号处理及采集单元记录，另一路作为输入信号6输送至信号激发单元的激发元9；信号激发单元的激发元9在试验地层中激励出剪切波11，剪切波11在地层中产生反射被信号接收单元的接收元10先后接收，转化为电压信号作为输出信号5，经放大器1放大后发送到示波器2记录，数据采集系统3自动采集发出的激励信号和接收信号，根据激发元9发出剪切波11和剪切波11初达接收元10之间的时间差，以及试验土层的土体密度，获得试验土体中信号传播的波速，再依据理想弹性体波动理论求解得到施工和工后试验土层包括土体弹性参数和阻尼比在内的粘弹性参数。自动采集系统20实时监测并采集土压力计18和孔隙水压力计19测量的弯曲元14所在深度处土体的有效应力和孔压变化，反映现场实测土体应变刚度
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应力状态。
35.本发明中的放大器1、示波器2、数据采集系统3、信号发生器4、激发元9和接收元10构成的整体系统可以实现地层中剪切波11的激励和接收；本发明中的凹槽12、薄膜、填充土、套管可以使弯曲元14实时监测测试地层的粘弹性参数；埋在土体中的弯曲元14、土压力计18和孔隙水压力计19构成的传感系统可以全方面反映施工过程中和施工完成后土体小应变刚度、扰动范围和扰动程度的实时变化规律。
36.一种土体应变刚度和应力状态实时测试装置施工测试方法，该方法具体为：在施工范围内安装如上所述测试装置；施工开始，启动信号发生器4发出信号至激发元9；激发元9在试验土层中激励出剪切波11，剪切波11在地层中反射并被接收元10先后接收；数据采集系统3自动采集发出的激励信号和接收信号，并计算分析得到土体弹性参数和阻尼比在内的粘弹性参数；同时，土压力计18和孔压计测量弯曲元14所在深度处土体的有效应力和孔压变化，并由自动采集系统20实时监测采集，工作人员根据实时采集的数据及计算获得的相关参数如土体弹性参数、小应变刚度和阻尼比，得到整个施工过程中及施工完成后现场实测土体应变刚度及应力状态、地层应力传播和土体刚度衰减规律，确定不同评价指标下地层扰动程度和扰动范围。
37.本发明中，所述测试装置的具体施工方法如下：
38.步骤一、在施工范围内预钻孔7取出原状土土芯，由室内标准物性试验得到试验地层土体密度等物理力学指标；
39.步骤二、确定测点位置，钻孔7至基岩处并埋设钻机护筒，严格控制钻孔7垂直度；
40.步骤三、清孔后依次下放各对应安装测试组件的钢套管(如钢套管a8上安装有激发元9；钢套管b21上安装接收元10、土压力计18和孔隙水压力计19)，上下两节钢套管之间通过螺栓连接；下放过程中弯曲元14紧贴钻孔7边缘，保证激发元9正对接收元10，激发元9和接收元10的合理水平间距通过室内预实验确定；
41.步骤四、钢套管安装完成后，往钻孔7与钢套管之间的空隙中填砂和膨润球17，边填边往里面灌水，静置一段时间后再重复上述步骤直到填满接近钻机护筒深度的空隙；
42.步骤五、拔出钻机护筒(避免拔出钻机护筒的同时将套管拔出)，继续向钻孔7与钢套管之间的空隙内填砂和膨润球17(由于不在护筒深度范围内安装传感设备，因此拔出护筒后碎石等落入钻孔7中也不影响测试结果)，直至填满其余空隙；
43.步骤六、电连接各设备，所述测试装置安装完成。
44.最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。