冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法

本发明涉及岩土工程试验领域，特别涉及一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法。

背景技术：

1、土体的侧压力系数是土体侧向有效应力与竖向有效应力之比，其值是计算土与结构相互作用力的关键参数。侧压力系数能够反映土体在其自重及上部荷载作用下引起的水平向应力大小，可用于计算土体作用于挡土结构物上的土压力大小及分布、评价挡土结构的稳定性等，已被广泛应用于土木工程、地下结构工程、交通工程、水利工程等中各类挡土结构的设计计算之中。

2、进入21世纪以来，随着经济建设的迅速发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求越来越大。煤炭资源在化石能源中占据着极其重要的地位，在未来相当长的一段时期内，煤炭仍将是能源消费结构中的主要能源，而煤炭开采深度以20m/a速度增加，矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展。一些新建煤矿立井井筒深达800～1000m，具有松散层深厚、地压大、含水丰富等特点。深厚松散层一般强度低、含水量大、地压大，在建设井筒或修筑其它地下工程时采用普通方法容易产生涌水、流沙等问题。冻结法成为一种有效穿越深厚松散层或富水软岩层的特殊凿井方法得到广泛应用。

3、深厚松散层冻结法凿井中，冻结壁与井壁的相互作用力构成了冻结井外壁的外载；而该荷载是井壁设计及其安全性分析的关键。工程技术人员曾对此开展了较为广泛的工程实测研究，为深厚松散层冻结井井壁结构的设计提供了重要的荷载取值依据。冻结壁与井壁相互作用的复杂性，一方面源自冻结壁温度场不均匀及深部冻土力学特性的复杂性，另一方面，与冻结壁与井壁之间铺设泡沫板等施工工艺密切相关。

4、在研究与工程实践过程中，人工冻结凿井法理论与技术取得了巨大进步，但因冻融土体侧压力系数演化规律尚未揭示清楚，冻结壁与井壁的相互作用力取值缺乏依据，导致某些新井建设出现的一系列工程技术难题未得到有效解决，深立井井筒在冻结施工或后期运营过程中，影响安全的事故时有发生。因此，获得冻结土体融化阶段冻结壁与现浇筑混凝土井壁相互作用过程的侧压力系数、融化后稳定阶段井壁外围土体与井壁相互作用过程的侧压力系数及其最终长期作用下的静止土压力系数演化规律，对计算冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布、井壁设计、井壁稳定性评价等具有重要理论意义与应用价值。

5、考虑到冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征与常规土-结构物作用特征存在显著不同。鉴于目前尚无冻融条件下井壁外围土体土压力系数测试系统及测试方法，在实验室条件下研究土体在冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，需要尽可能真实地模拟立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，为揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律、计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布以开展井壁结构设计与稳定性评价，研发冻融土体侧压力系数测试系统并确定测试方法迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，利用该测试系统及测试方法尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，对揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，对开展井壁结构设计与稳定性评价具有重要意义。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种冻融土体侧压力系数测试系统，包括支架、试验盛样筒、顶部压头、测试元件、数据采集仪和计算机，其中，所述试验盛样筒设置在所述支架内，所述支架能够为所述试验盛样筒提供稳定支撑，所述冻融土体的试样和所述测试元件均设置在所述试验盛样筒内；所述顶部压头位于所述试验盛样筒的顶部，所述顶部压头能够在所述试验盛样筒内上下移动，所述顶部压头的移动能够向所述试样施加轴向压力；所述测试元件与所述试样接触，所述测试元件与所述数据采集仪连接，所述数据采集仪与所述计算机连接，所述数据采集仪通过所述测试元件采集所述试样的侧压力数据，所述数据采集仪将采集的侧压力数据传输给所述计算机，所述计算机根据所述测试元件采集的侧压力数据进行计算能够获得所述冻融土体冻融过程中的侧压力系数实时值。

4、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述支架包括底座、固定环和固定杆，所述固定杆的下端与所述底座固定连接，所述固定杆的上端设置有外螺纹，所述固定杆的上端穿过所述固定环后利用螺母固定，所述试验盛样筒位于所述底座上，所述试验盛样筒的上端与所述固定环接触，所述试验盛样筒的轴线与所述固定杆的轴线平行；优选地，所述固定杆设置有多根，多根所述固定杆均位于所述试验盛样筒的外侧，多根所述固定杆沿所述底座周向均匀分布；优选地，所述底座的上表面设置有螺纹孔，所述螺纹孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm，所述固定杆的下端位于所述螺纹孔内，所述固定杆通过所述螺纹孔与所述底座螺纹相连；优选地，所述底座内设置有用于流通冷冻液的第一通路，所述底座的侧壁设置有第一进液口和第一出液口，所述第一通路的一端与所述第一进液口连通，所述第一通路的另一端与所述第一出液口连通；优选地，所述底座的材质为不锈钢，所述底座的外径d3为80mm～100mm、高度为h3为20mm～30mm；优选地，所述底座的上表面设置有限位槽，所述限位槽为圆柱形结构，所述限位槽的内径与所述试验盛样筒的外径相同，所述试验盛样筒的下端位于所述限位槽内，所述固定环为圆环形结构，所述固定环的内径与所述试验盛样筒的外径一致；优选地，还包括补水设备，所述底座设置有补水口，所述补水设备与所述补水口通过补水管连通，所述限位槽的槽底沿直径设置有多个凹槽，多个所述凹槽呈米字型设置，所述限位槽的槽底中心处设置有出水口，所述出水口与所述补水口连通，所述补水设备能够通过所述补水口向所述试样补水，所述补水设备的最大补水水头不超过所述试样的高度。

5、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述顶部压头内设置有用于流通冷冻液的第二通路，所述顶部压头的上表面设置有第二进液口和第二出液口，所述第二通路的一端与所述第二进液口连通，所述第二通路的另一端与所述第二出液口连通；优选地，所述顶部压头的材质为不锈钢，所述顶部压头的外径d2小于所述试验盛样筒的内径d1，所述顶部压头的高度h2为20mm～30mm；优选地，所述顶部压头的外径d2＝所述试验盛样筒内径d1-2mm；优选地，还包括压杆，所述顶部压头的上表面的中心处设置有安装孔，所述安装孔内设置有内螺纹，所述压杆的下端进入所述安装孔内，所述压杆的下端与所述安装孔螺纹连接，所述安装孔的直径为10mm～15mm、深度为10mm～15mm。

6、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，还包括轴压加载设备，所述压杆的上端为向所述压杆内部凹陷的圆弧面，所述轴压加载设备与所述压杆的上端接触，所述轴压加载设备可进行轴力或变形控制，所述轴压加载设备通过所述压杆将采用轴力控制的设定荷载或采用变形控制的设定变形量施加到所述顶部压头，所述顶部压头将所述设定荷载或所述设定变形量施加到所述试验盛样筒内的所述试样；优选地，所述轴压加载设备的量程为5kn～20kn，所述轴压加载设备通过电机控制或者通过油压控制；优选地，所述轴压加载设备具有变形量测装置，所述变形量测装置的量程为30mm～100mm、精度为全量程的0.02％～0.2％。

7、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述试验盛样筒的高度h1为150mm～300mm、内径d1为50mm～100mm、筒壁厚m1为5mm～15mm，所述试验盛样筒的材质为亚克力透明材料；所述试验盛样筒内由下至上依次设置有底部透水石、滤纸、所述试样、滤纸和顶部透水石；优选地，所述试样初始直径d＝所述试验盛样筒内径d1-△d，△d＝0～5mm，所述试样的初始高度h为所述试验盛样筒的内径d1的2～2.5倍，所述底部透水石的厚度为d；优选地，在所述试验盛样筒与所述试样之间的缝隙填充泡沫板或水泥浆；优选地，在所述试验盛样筒的侧壁上设置有第一安装孔、第二安装孔和通孔，所述第一安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为h4，h4＝h/3+d，所述第二安装孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为h5，h5＝2*h/3+d，所述第一安装孔的圆心和所述第二安装孔的圆心的连线与所述试验盛样筒的轴线平行，所述通孔的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为h6，h6＝(10+d)cm；优选地，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔均设置有多个，所述第一安装孔和所述第二安装孔的数量一致，多个所述第一安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述第二安装孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布，多个所述通孔沿所述试验盛样筒的周向均匀分布；优选地，所述第一安装孔设置有1～4个，所述第二安装孔设置有1～4个，所述通孔设置有1～4个，所述第一安装孔、所述第二安装孔和所述通孔的数量一致；优选地，所述通孔与所述第二安装孔在所述试验盛样筒的侧壁的圆周方向上交替设置，所述通孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第一安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述第二安装孔的轴线与所述试验盛样筒的轴线垂直，所述通孔与相邻的所述第二安装孔的轴线之间所形成的夹角为α，多个所述通孔的轴线和多个所述第二安装孔的轴线所形成的多个夹角α均相等。

8、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述测试元件包括压力盒，所述压力盒为圆柱形结构，所述压力盒的侧壁设置有外螺纹，所述第一安装孔和所述第二安装孔均设置有内螺纹，每个所述第一安装孔内安装有一个所述压力盒，每个所述第二安装孔内安装有一个所述压力盒，所述压力盒与所述第一安装孔和所述第二安装孔之间均为螺纹连接，所述压力盒的一端与所述试验盛样筒的内壁齐平，所述压力盒的一端为凹陷的圆弧面，所述压力盒的一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的内壁的弧度一致，所述压力盒的另一端与所述试验盛样筒的外壁齐平，所述压力盒的另一端引出有测试线，所述压力盒的另一端为凸出的圆弧面，所述压力盒的另一端的圆弧面的弧度与所述试验盛样筒的外壁的弧度一致，所述压力盒通过所述测试线与所述数据采集仪连接；优选地，所述压力盒的一端的圆弧面的竖向截面所产生的圆的最大直径＞试样中最大颗粒的粒径1.5～2.0倍，所述压力盒直径≤10mm、高度h7≤7mm。

9、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，所述测试元件还包括压力膜，每个所述通孔下方的所述试验盛样筒的内壁上均粘贴有一个所述压力膜，所述压力膜为圆形结构，所述压力膜的圆心与所述试验盛样筒的下端的垂直距离为h8，h8＝h/2+d，所述压力膜的测试线通过所述通孔引出，所述压力膜的测试线与数据采集仪连接；优选地，所述压力膜为柔性薄膜压敏传感器。

10、进一步地，在上述的冻融土体侧压力系数测试系统中，还包括温度控制设备，所述温度控制设备能够分别对所述顶部压头的温度和所述底座的温度进行控制，所述温度控制设备对所述顶部压头的进行温度控制的量程为-30℃～10℃，所述温度控制设备对所述底座进行温度控制的量程为-30℃～10℃；优选地，所述温度控制设备内存储有可控温度的冷冻液，所述温度控制设备设置有两根出液管和两根进液管，所述温度控制设备、一根所述出液管、所述底座的所述第一进液口、所述底座的所述第一出液口、一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；所述温度控制设备、另一根所述出液管、所述顶部压头的所述第二进液口、所述顶部压头的所述第二出液口、另一根所述进液管和所述温度控制设备依次连通，形成用于冷冻液的循环通路；还包括风机，所述风机对所述试验盛样筒外围的环境温度进行调控，所述风机对环境温度进行控制的量程为-5℃～30℃。

11、另一方面，提供了一种利用上述的冻融土体侧压力系数测试系统进行测试的方法，包括以下步骤：

12、(1)制备试样：根据试样要求，制备含水量为w、干密度为ρ、初始直径为d和高度为h的圆柱体试样；

13、(2)试样冻结：将步骤(1)中试样置于恒低温冷冻箱内冻结24～48小时，冻结温度为t，t＝-30～0℃；

14、(3)安装测试元件：将压力盒和压力膜安装在试验盛样筒对应位置，并引出压力盒和压力膜的测试线至数据采集仪；

15、(4)设置低温系统：根据试验设计要求，将温度控制设备通过一根进液管和一根出液管与底座连接，将温度控制设备通过另一根进液管和另一根出液管与顶部压头连接，然后分别设置温度控制设备对底座和顶部压头控制的温度并启动温控，将风机控制的环境温度设置为0℃～10℃；

16、(5)安装试样：在试验盛样筒的内壁涂抹凡士林或黄油，通过固定环将试验盛样筒固定在支架内，在试验盛样筒内依次填充底部透水石、滤纸、冻结后试样、滤纸和顶部透水石，然后安装顶部压头；

17、(6)施加轴向压力：通过轴压加载设备对顶部压头上方的压杆施加轴力控制的设定荷载或变形控制的设定变形量；

18、(7)侧压力测试：随步骤(6)开始，测试元件开始测试试样在融化压缩后与试验盛样筒内壁上的压力盒和压力膜的接触应力，记录侧压力p(t)与时间t的关系曲线；

19、(8)计算侧压力系数：采用maxwell模型或kelvin模型拟合应力松弛特征曲线，并计算获得土侧压力系数。

20、进一步地，在上述的方法中，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加轴力控制的设定荷载时，设定荷载的轴向压力为f，轴向压力f保持不变，试样与试验盛样筒的内壁接触后试样水平方向变形＝0，满足侧限压缩特征，记录轴向位移s与时间t的关系曲线，p(t)将随时间不断衰减松弛，采用maxwell模型或kelvin模型拟合p(t)应力松弛特征曲线，并计算获得静止土侧压力系数；

21、通过公式1计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；

22、

23、公式1中：f为压杆施加恒定轴向压力；d1为试验盛样筒的内径；p(t)为时间t时压力盒和压力膜记录的侧压力；

24、在时间由0至t的过程中，根据公式1可绘制k0-t曲线，获得恒定上覆荷载时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；

25、优选地，在所述步骤(6)中，当轴压加载设备对顶部压头施加变形控制的设定变形量时，设定变形量为恒定速率v的轴向位移s，试样与试验盛样筒内壁接触后试样水平方向变形＝0，轴向位移达到设计位移s后试样竖直方向变形＝0，记录轴向压力f与时间t的关系曲线，轴向位移s取值1～5mm，恒定速率v取值0.01～0.02mm/min，压杆施加的实时轴向压力f(t)和p(t)均将随时间不断衰减松弛，采用maxwell模型或kelvin模型拟合f(t)和p(t)应力松弛特征曲线，并计算获得双向松弛状态下土侧压力系数；

26、通过公式2计算任一时刻冻融土体侧压力系数k；

27、

28、公式2中：f(t)为压杆施加的实时轴向压力；d1为试验盛样筒的内径；p(t)为时间为t时压力盒和压力膜记录的侧压力；

29、在时间由0至t的过程中，根据公式2可绘制k0-t曲线，获得恒定竖向位移时冻融土体侧压力系数k随时间的演化规律；

30、优选地，在所述步骤(7)中，所述侧压力p(t)通过所述压力盒和所述压力膜实时监测结果经加权平均计算获得，如多个所述压力盒测得的侧压力分别为p1(t)...pi(t)，多个所述压力膜测得的侧压力分别为pi+1(t)...pn(t)，则p(t)可通过公式3计算获得：

31、

32、分析可知，本发明公开一种冻融土体侧压力系数测试系统及测试方法，从立井井壁冻结法施工时外围土体经历的冻结-开挖-融化特征出发，在传统土体侧压力计算方法的基础上，研发了该测试系统及测试方法，利用该测试系统能够进行冻融土体侧压力系数演化过程的测试，尽可能真实地模拟了立井井壁外围土体经历的冻结-开挖-融化条件，能够对冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征进行研究，特别是冻融土侧压力增长规律进行试验与计算，揭示冻融条件下的静止侧压力系数演化规律，计算获得冻融土体作用于井壁的土压力大小及分布，该测试系统及测试方法填补了目前在地下支护结构外侧土体开挖卸荷或回填后，土体侧压力系数演化规律室内试验测试方法的空白，特别对立井井壁外围土体经历冻结-开挖-融化各阶段，冻结壁土体融化过程及融化后与井壁的作用特征研究及冻融土侧压力增长规律试验与计算具有重要意义，进一步弥补了现有土体侧压力演化研究在冻融土上的欠缺之处，更是后续开展相关地下结构支护外荷载取值、结构设计及安全评价的基础研究。