一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭的制作方法
【專利摘要】一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，包括中心軸、模膠外膜套、模膠內(nèi)膜套、彈性保護鋼片、滑移式固定件、水氣管路和快速接頭。模膠內(nèi)膜套套設(shè)在中心軸上且模膠內(nèi)膜套的兩端壓緊密封與中心軸形成水腔，模膠外膜套套設(shè)在中心軸上且位于模膠內(nèi)膜套外層，模膠外膜套的兩端通過滑移式固定件密封，中心軸、模膠外膜套以及滑移式固定件組成氣腔。水氣管路和快速接頭中的氣管、水管分別與氣腔和水腔連通；模膠外膜套上均勻排列并疊層安裝有彈性保護鋼片，彈性保護鋼片使用可伸縮的緊箍進行固定。本發(fā)明不僅可測得極限壓力，而且可保證試驗的成功率在90%以上，可廣泛應(yīng)用于各類巖土體的原位測試中，具有很好的推廣和應(yīng)用前景。
【專利說明】一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土材料測試儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]旁壓試驗是巖土工程中常用的原位測試手段之一，廣泛應(yīng)用于巖土體的勘察和試驗研究中。旁壓試驗的儀器設(shè)備由氣壓源、主機控制系統(tǒng)、旁壓探頭以及連接管路等組成，其工作原理為:首先對地層鉆孔至測試深度，然后改用適于旁壓探頭尺寸的鉆頭鉆取旁壓試驗孔(一般為Im左右)；將旁壓探頭安裝于試驗孔內(nèi)，通過主機控制系統(tǒng)和連接管路向圓柱形旁壓探頭內(nèi)注入水和氣，使得旁壓探頭擴張擠壓周邊的砂礫石層，并測定壓力與變形的關(guān)系曲線，獲得接觸壓力、臨塑壓力和極限壓力及對應(yīng)體變，計算得到地層的旁壓模量和承載力，并根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式，對地層的密實度、強度和變形特性等進行評價，如圖1和圖2所
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[0003]旁壓探頭是依靠彈性橡膠膜套的鼓脹而對地層施加壓力，因此，要求旁壓試驗孔必須滿足:孔壁光滑、孔徑略大于旁壓探頭且不宜過大等(孔徑過大會導(dǎo)致接觸壓力對應(yīng)的體變太大，而旁壓探頭的總體變是有限的，則因體變超限而無法測得臨塑壓力或極限壓力)。
[0004]巖土體是指自然沉積的地層或人工填筑的構(gòu)筑物基礎(chǔ)，一般包括粘土、粉土、砂土、砂礫石、碎石等；粗砂、砂礫石和碎石等粗顆粒巖土體，需要旁壓探頭滿足高壓力和大旁脹量的雙重要求；同時，還應(yīng)具有較強的防護功能，不能在試驗過程中出現(xiàn)模套被刺破的情況；以順利獲得完整的旁壓試驗成果；下面以河床砂礫石覆蓋層為例進行詳細說明。
[0005]在水利水電工程建設(shè)中，經(jīng)常遇到需在深厚砂礫石覆蓋層上建壩的問題，如:規(guī)劃建設(shè)的金沙江塔城(最大壩高305m，砂礫石覆蓋層厚達100m)、大渡河猴子巖(壩高223m，覆蓋層厚40?75m)、雙江口(心墻坐落在基巖上，最大壩高314m，覆蓋層厚達68m)等；此類工程建設(shè)需要預(yù)先掌握砂礫石覆蓋層的物理力學(xué)特性，才能進行可行性研究和工程設(shè)計。由于砂礫石覆蓋層屬河床松散堆積體，不能直接獲得原狀樣，需要通過原位測試手段確定其物理力學(xué)特性。砂礫石層的原位測試方法有旁壓試驗和動力觸探兩種；而動力觸探測試深度超過20m后，其成果受桿長修正、能量損失、顆粒尺寸等的影響，無法準(zhǔn)確定量評價；因此，旁壓試驗成為唯一可行的測試手段。
[0006]砂礫石覆蓋層屬松散顆粒堆積體，進行旁壓試驗時，普遍存在以下問題:
[0007]( I)鉆孔形成旁壓試驗孔的孔徑偏大，導(dǎo)致接觸壓力對應(yīng)的體變偏大，且砂礫石覆蓋層的臨塑壓力和極限壓力較高，從而導(dǎo)致無法測得臨塑壓力和極限壓力；
[0008](2)鉆孔形成旁壓試驗孔的孔壁并非光滑，存在較多石塊棱角，在試驗過程中，會刺破旁壓探頭上的橡膠膜，而導(dǎo)致試驗失敗。
[0009]現(xiàn)有的旁壓探頭采用了兩側(cè)完全固定、中部由彈性橡膠膜套組成壓力腔的結(jié)構(gòu)型式，現(xiàn)場大量試驗數(shù)據(jù)表明:當(dāng)旁脹量達到500ml且腔體壓力超過IMPa時，橡膠膜套固定端與中部壓力腔的過渡部位，會因局部拉伸應(yīng)變過大而產(chǎn)生鼓脹破裂，導(dǎo)致試驗中止。
[0010]綜上所述，在粗顆粒巖土體中進行旁壓試驗時，因目前的旁壓探頭不能適應(yīng)高壓和大旁脹量的要求，而無法測得臨塑壓力和極限壓力，只能依靠接觸壓力和施加的最大壓力估算旁壓模量；且橡膠模套被刺破現(xiàn)象屢屢發(fā)生，導(dǎo)致試驗成功率很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，該儀器能同時適應(yīng)高壓和大旁膨量的工況，可滿足各類巖土體的測試要求。
[0012]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0013]一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，包括中心軸、模膠外膜套、模膠內(nèi)膜套、彈性保護鋼片、滑移式固定件、水氣管路和快速接頭，模膠內(nèi)膜套套設(shè)在中心軸上且模膠內(nèi)膜套的兩端壓緊密封與中心軸形成水腔，模膠外膜套套設(shè)在中心軸上且位于模膠內(nèi)膜套外層，模膠外膜套的兩端通過滑移式固定件密封，中心軸、模膠外膜套以及滑移式固定件組成氣腔，水氣管路和快速接頭包括氣管、水管以及水氣快速接頭，氣管、水管分別與氣腔和水腔連通；模膠外膜套上均勻排列并疊層安裝有彈性保護鋼片，彈性保護鋼片使用可伸縮的緊箍進行固定。
[0014]在上述技術(shù)方案中，中心軸上穿設(shè)有兩個內(nèi)膜套卡環(huán)，套設(shè)在中心軸上的內(nèi)模膠模套的兩端分別穿過所述兩個內(nèi)膜套卡環(huán)，并將內(nèi)膜套卡環(huán)向兩側(cè)拉緊，通過中心軸上的內(nèi)膜密封凸起與內(nèi)膜套卡環(huán)之間壓緊密封。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述滑移式固定件包括端部固定環(huán)、滑移塊、滑移塊緊固環(huán)、壓緊卡環(huán)，滑移塊上安裝至少兩道橡膠密封圈，兩個滑移塊分別穿入中心軸兩端，與模膠外膜套搭接；滑移塊的內(nèi)側(cè)安裝有用于壓緊滑移塊、模膠外膜套及彈性保護鋼片的壓緊卡環(huán)，滑移塊和中心軸之間設(shè)置至少兩道橡膠密封圈，滑移塊與模膠外膜套之間設(shè)至少兩道密封凸起；滑移塊上安裝有與壓緊卡環(huán)擠緊的滑移塊緊固環(huán)，滑移塊的外側(cè)安裝有端部固定環(huán)，端部固定環(huán)與滑移塊緊固環(huán)之間無間隙緊密接觸。
[0016]在上述技術(shù)方案中，所述壓緊卡環(huán)采用內(nèi)外反弧的導(dǎo)角，保證彈性保護鋼片作為保護體在承受壓力時，不會因局部變形過大而產(chǎn)生折斷。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述中心軸為防銹金屬材料制作而成。
[0018]在上述技術(shù)方案中，所述彈性保護鋼片為弧形，數(shù)量為40-60片，相互搭接疊層安裝后形成近似圓形保護套。
[0019]本發(fā)明旁壓儀新型探頭的兩側(cè)由固定式改為滑移式，所述滑移式結(jié)構(gòu)為滑移式固定件，可與中心軸之間產(chǎn)生滑移，同時保證氣腔的氣體不會沿中心軸、滑移塊與外膜套壓緊卡環(huán)之間漏出，可承受壓力為O-1OMPa ;并且模膠外膜套采用多條彈性保護鋼片疊層安裝進行保護，可防止石塊棱角刺破，防止鋼片彎曲折斷；旁壓探頭旁脹量可達IOOOml以上。
[0020]為了證明本發(fā)明的效果，在室內(nèi)進行了驗證性試驗，主要包括四方面試驗，即自由膨脹試驗、鋼管壓力考核試驗、砂土物理模型試驗及砂礫石物理模型試驗。
[0021]自由膨脹試驗:將新型旁壓探頭與旁壓儀連接，進行外側(cè)無約束條件下的自由膨脹試驗，試驗結(jié)果表明，旁壓探頭旁脹量可達1000ml，卸壓后，旁壓探頭可恢復(fù)至原有狀態(tài)。
[0022]鋼管壓力考核試驗:將旁壓探頭與旁壓儀連接，并將旁壓探頭置入外徑略大的鋼管內(nèi)，進行加壓試驗；試驗結(jié)果表明，旁壓探頭體變達IOOOml后，壓力逐漸增大至lOMPa，旁壓探頭無漏水漏氣現(xiàn)象，壓力穩(wěn)定不變，卸除壓力后，旁壓探頭恢復(fù)至初始狀態(tài)。
[0023]砂土物理模型試驗:在室內(nèi)制作砂土模型，模型箱尺寸為ImX ImX lm，砂土相對密度為0.93 ;旁壓探頭置于模型中心，根據(jù)相對密度逐漸填至模型頂面，蓋上模型蓋子，并施加300kPa的荷載，以模擬15m深度的地層；連接旁壓儀，進行砂土物理模型的旁壓試驗，試驗獲得的旁壓曲線如圖4所示，該模型的極限壓力為1.27MPa，對應(yīng)的體變?yōu)?40ml。
[0024]砂礫石物理模型試驗:在室內(nèi)制作砂礫石模型，模型箱尺寸為ImX ImX Im,砂礫石的相對密度為0.95 ;旁壓探頭置于模型中心，根據(jù)相對密度逐漸填至模型頂面，蓋上模型蓋子，并施加400kPa的荷載，以模擬20m深度的地層；連接旁壓儀，進行砂礫石物理模型的旁壓試驗，試驗獲得的旁壓曲線如圖5所示，該模型的極限壓力為3.80MPa，對應(yīng)的體變?yōu)?935ml。
[0025]以上試驗成果表明:該旁壓探頭完全滿足高壓和大旁脹量的測試要求，解決了粗粒土旁壓試驗的難題，不僅可測得極限壓力，而且可保證試驗的成功率在90%以上，可廣泛應(yīng)用于各類巖土體的原位測試中，具有很好的推廣和應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為旁壓試驗的工作原理圖；
[0027]圖2為旁壓試驗得到的典型旁壓曲線圖；
[0028]圖3為本發(fā)明端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為使用本發(fā)明探頭進行砂土模型所測得的旁壓曲線；
[0030]圖5為使用本發(fā)明探頭進行砂礫石模型所測得的旁壓曲線。
[0031]圖中:1 一水氣管路和快速接頭；2 —中心軸；3—氣腔；4一水腔；5—端部固定環(huán)；6—滑移塊；7—滑移塊緊固環(huán)；8—壓緊卡環(huán)；9一橡膠密封圈；10—外膜密封凸起；11一彈性保護鋼片；12—模膠外膜套；13—內(nèi)膜套卡環(huán)；14一內(nèi)膜密封凸起；15—模膠內(nèi)膜套。
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0033]請參考圖3和圖4，本發(fā)明提供了一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，包括中心軸2、模膠外膜套12、模膠內(nèi)膜套15、保護鋼片11、滑移式固定件、水氣管路和快速接頭I。
[0034]所述滑移式固定件包括端部固定環(huán)5、滑移塊6、滑移塊緊固環(huán)7、壓緊卡環(huán)8，所述壓緊卡環(huán)8用于壓緊滑移塊6、模膠外膜套12及保護鋼片11 ;滑移塊6和中心軸2之間設(shè)置至少兩道橡膠密封圈9 ;滑移塊6與模膠外膜套12之間設(shè)至少兩道密封凸起10。
[0035]水氣管路和快速接頭I包括氣管、水管以及水氣快速接頭，氣管、水管分別與氣腔
3和水腔4連通，與水氣快速接頭連接，可承受最大壓力為lOMPa，保證水壓和氣壓可按試驗要求施加至旁壓探頭。所述氣腔3由中心軸2、模膠外膜套12以及滑移式固定件組成；所述水腔4由中心軸2、模膠內(nèi)膜套15以及內(nèi)膜套卡環(huán)13組成。所述中心軸2為防銹金屬材料制作而成，例如不銹鋼，中心軸的2直徑可根據(jù)旁壓探頭的尺寸確定。
[0036]本發(fā)明端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭的組裝過程如下:[0037](I)第一步，將內(nèi)膜套卡環(huán)13穿入中心軸2，再將內(nèi)模膠模套15穿入中心軸2上對應(yīng)位置，并將內(nèi)模膠模套15兩端穿過內(nèi)膜套卡環(huán)13，并將內(nèi)膜套卡環(huán)13向兩側(cè)拉緊，通過中心軸2上的內(nèi)膜密封凸起14與內(nèi)膜套卡環(huán)13之間壓緊密封，隨著壓力增加而越壓越緊；
[0038](2)第二步，將模膠外膜套12穿入中心軸2 ;在滑移塊6上安裝至少兩道橡膠密封圈9，并將兩個滑移塊6分別穿入中心軸2兩端，與模膠外膜套12搭接；將彈性保護鋼片11均勻排列并疊層安裝于模膠外膜套12上，相互搭接疊層安裝后，形成近似圓形保護套，用可伸縮的緊箍進行固定；在模膠外膜套膨脹過程中可產(chǎn)生較大伸縮，且最大體變時不會出現(xiàn)相鄰鋼片的脫離，可對模膠外膜套形成較好的保護而不被刺破；
[0039](3)第三步，在旁壓探頭兩側(cè)分別安裝用于壓緊滑移塊6、模膠外膜套12及保護鋼片11的壓緊卡環(huán)8 ;將滑移塊緊固環(huán)7安裝于滑移塊6上，并與壓緊卡環(huán)8擠緊；采用拉碼器向兩側(cè)拉伸滑移塊緊固環(huán)7，帶動滑移塊6向兩側(cè)移動，帶動外膜密封凸起10與壓緊卡環(huán)8壓緊，在試驗過程中，隨著壓力增加而越壓越緊；壓緊卡環(huán)8采用了內(nèi)外反弧的導(dǎo)角，保證彈性保護鋼片11作為保護體在承受壓力時，不會因局部變形過大而產(chǎn)生折斷；
[0040](4)第四步，安裝端部固定環(huán)5，至與滑移塊緊固環(huán)7之間無間隙；最后將旁壓探頭的水氣管道與旁壓儀相連接，即可進行試驗。
[0041]采用該旁壓探頭進行旁壓試驗的過程與以往試驗基本相同，主要步驟如下:
[0042](I)采用鉆機進行鉆孔至預(yù)定砂礫石覆蓋層的試驗位置，上部可用套管進行護壁，然后改用與旁壓探頭尺寸相匹配的鉆頭，進行試驗段鉆孔，并用泥漿進行護壁；
[0043](2)將旁壓探頭的水氣管路與旁壓儀接通，并將旁壓探頭與鉆桿采用螺紋連接，利用鉆機將旁壓探頭放至鉆孔內(nèi)預(yù)定試驗的位置；若有少量顆粒阻擋，可采用靜壓的方法壓A ；
[0044](3)調(diào)整壓差，并按有關(guān)規(guī)程規(guī)范開展旁壓試驗，試驗前應(yīng)預(yù)先對旁壓探頭進行標(biāo)定;
[0045](4)試驗結(jié)束后，將旁壓探頭取出，清洗干凈，對旁壓探頭進行再次標(biāo)定，檢查其工作狀態(tài)，為下次試驗做好準(zhǔn)備。
【權(quán)利要求】
1.一種端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:包括中心軸(2)、模膠外膜套(12)、模膠內(nèi)膜套(15)、彈性保護鋼片(11)、滑移式固定件、水氣管路和快速接頭(I)，模膠內(nèi)膜套(15 )套設(shè)在中心軸(2 )上且模膠內(nèi)膜套(15 )的兩端壓緊密封與中心軸(2 )形成水腔(4)，模膠外膜套(12)套設(shè)在中心軸(2)上且位于模膠內(nèi)膜套(15)外層，模膠外膜套(12)的兩端通過滑移式固定件密封，中心軸(2)、模膠外膜套(12)以及滑移式固定件組成氣腔(3)，水氣管路和快速接頭(I)包括氣管、水管以及水氣快速接頭，氣管、水管分別與氣腔(3)和水腔(4)連通；模膠外膜套(12)上均勻排列并疊層安裝有彈性保護鋼片(11)，彈性保護鋼片(11)使用可伸縮的緊箍進行固定。
2.如權(quán)利要求1所述的端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:中心軸(2)上穿設(shè)有兩個內(nèi)膜套卡環(huán)(13)，套設(shè)在中心軸(2)上的內(nèi)模膠模套(15)的兩端分別穿過所述兩個內(nèi)膜套卡環(huán)(13)，并將內(nèi)膜套卡環(huán)(13)向兩側(cè)拉緊，通過中心軸(2)上的內(nèi)膜密封凸起(14)與內(nèi)膜套卡環(huán)(13)之間壓緊密封。
3.如權(quán)利要求1所述的端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:所述滑移式固定件包括端部固定環(huán)(5)、滑移塊(6)、滑移塊緊固環(huán)(7)、壓緊卡環(huán)(8)，滑移塊(6)上安裝至少兩道橡膠密封圈(9)，兩個滑移塊(6)分別穿入中心軸(2)兩端，與模膠外膜套(12)搭接；滑移塊(6)的內(nèi)側(cè)安裝有用于壓緊滑移塊(6)、模膠外膜套(12)及彈性保護鋼片(11)的壓緊卡環(huán)(8)，滑移塊(6)和中心軸(2)之間設(shè)置至少兩道橡膠密封圈(9)，滑移塊(6)與模膠外膜套(12)之間設(shè)至少兩道密封凸起(10);滑移塊(6)上安裝有與壓緊卡環(huán)(8)擠緊的滑移塊緊固環(huán)(7)，滑移塊(6)的外側(cè)安裝有端部固定環(huán)(5)，端部固定環(huán)(5)與滑移塊緊固環(huán)(7)之間無間隙緊密接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:所述壓緊卡環(huán)(8)采用內(nèi)外反弧的導(dǎo)角，保證彈性保護鋼片(11)作為保護體在承受壓力時，不會因局部變形過大而產(chǎn)生折斷。
5.如權(quán)利要求1所述的端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:所述中心軸(2)為防銹金屬材料制作而成。
6.如權(quán)利要求1所述的端部滑移式高壓大旁脹量的旁壓儀新型探頭，其特征在于:所述彈性保護鋼片(11)為弧形，數(shù)量為40-60片，相互搭接疊層安裝后形成近似圓形保護套。
【文檔編號】E02D1/00GK103821127SQ201410089659
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】程展林, 程永輝, 胡勝剛, 饒錫保, 李玫, 唐文堅, 鄒榮華, 姜志全, 陳云, 邵青, 周密, 蔡漢利 申請人:長江水利委員會長江科學(xué)院