用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法

1.本发明涉及岩土工程测试技术领域，尤其涉及一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法。


背景技术：

2.由于岩土体存在湿陷性、水敏性等不良工程特性，各类岩土体地区工程建设在前期勘查工作中需要格外重视原状土各项参数的精准测试。
3.岩土工程与地质工程领域中，通常需要钻取地层岩土体试样进行室内试验用于测定岩土体的物理力学性质参数，作为划分地层、鉴定类别的依据，并指导施工和监测。另外，岩土体天然地层界面、填挖界面、含水层界面等各种界面处的物理力学性质参数往往是指导工程建设的重要指标，获取这些界面处精准的物理力学性质参数对工程建设活动至关重要。
4.在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
5.事实上，钻取地层岩土体样品会破坏岩土体的原位受力状态与微观结构，导致室内测定的岩土体物理力学性质参数量值与原位实际的岩土体物理力学性质参数量值有一定误差。
6.因此需要一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法，以至少部分地解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供了一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法，可以在室内模拟岩土体实际地压，可以模拟土层界面及原位土体实际受力。
8.第一方面，本发明提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置，所述模拟装置包括：反力架，所述反力架包括：水平的底板；竖立于所述底板的两侧的左立杆和右立杆；两端分别穿设在所述左立杆和所述右立杆的水平的顶板，所述顶板沿竖向方向相对于所述底板可上下移动；下模型箱，所述下模型箱固定在所述底板位于所述左立杆和所述右立杆之间的位置，所述下模型箱具有供容纳岩土体的容纳腔；可拆卸地连接至所述下模型箱的上模型箱，所述上模型箱具有竖直贯穿的对应所述容纳腔的空腔；所述上模型箱和所述下模型箱的侧壁在相对的位置各设置有竖直的开口，所述开口处可拆卸地安装第一弧形板或第二弧形板，所述第一弧形板和所述第二弧形板之间可围合成圆孔；其中，所述第一弧形板构造为向所述上模型箱和所述下模型箱的内部凸出；可抽离地垫在所述上模型箱和所述下模型箱之间的分隔板；以及位于所述顶板的下方的压板，所述压板经由竖直的导向杆活动连接至所述顶板且沿竖向方向相对于所述顶板可上下移动，所述压板具有对应所述第一弧形板的缺口；其中，当所述开口处安装所述第一弧形板时，所述压板可伸入所述上模型箱或所述下模型箱，并将所容纳的岩土体压实。
9.根据本发明的模拟装置，可以使上、下模型箱分别装入不同的岩土体并压实，上、
下模型箱可以独立工作互不影响，并可以通过拆除中间的分隔板使两者合为一体，从而模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。
10.可选地，所述左立杆和所述右立杆构造为螺纹杆，所述螺纹杆在所述顶板的上下方各套设有调节螺母，以实现固定或松开所述顶板。和/或所述第二弧形板为采用亚克力材质制成的透明弧形板。
11.可选地，所述导向杆构造为可滑动地穿过所述顶板，所述导向杆在所述顶板的上方的位置套设有导套和螺母，以连接至所述顶板。和/或所述上模型箱和所述下模型箱在其前后侧壁的相对位置各设置一个竖直的开口。
12.可选地，模拟装置还包括用于驱动所述压板上下移动的驱动装置，所述驱动装置连接至所述顶板。
13.可选地，所述驱动装置包括竖直地安装至所述顶板的伺服电缸，所述伺服电缸的输出轴经由连接杆连接至所述压板。
14.可选地，所述连接杆在与所述压板的连接处还设置压力传感器。和/或所述顶板和所述压板之间还设置竖直的位移传感器。
15.可选地，所述下模型箱和所述上模型箱在连接的端面处通过各自水平向外的折边经由螺栓可拆卸地连接。和/或所述第一弧形板和所述第二弧形板经由螺栓可拆卸地连接至所述开口处。
16.第二方面，本发明还提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟方法，基于上述技术方案的模拟装置，所述方法包括以下步骤：
17.将下模型箱的前后侧壁的两个开口处均安装第一弧形板，并往下模型箱内装入第一种岩土体；
18.启动伺服电缸向下推动压板，在导向杆的导向作用下，压板将下模型箱内的第一种岩土体压实到规定密度，此时下模型箱内的被压实的第一种岩土体在对应第一弧形板的位置形成弧形孔壁；
19.在下模型箱上放置分隔板，将上模型箱的前后侧壁的两个开口处也均安装第一弧形板，然后将上模型箱放置在分隔板上并与下模型箱对齐，通过螺栓连接将上模型箱和下模型箱固定；
20.往上模型箱内装入第二种岩土体，启动伺服电缸向下推动压板，压板将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度，此时上模型箱内的被压实的第二种岩土体在对应第一弧形板的位置也形成弧形孔壁；
21.拆除上模型箱和下模型箱之间的螺栓，待抽离分隔板后再通过螺栓将上模型箱和下模型箱再次固定；
22.启动伺服电缸向下推动压板，将上模型箱内的被压实的第二种岩土体接触下模型箱内的被压实的第一种岩土体上；继续向下推动压板，通过观察压力传感器显示的压力值直至施加预定的法向应力模拟地压；
23.拆除上模型箱和下模型箱各自两个开口处的第一弧形板，然后均安装上第二弧形板，此时第二弧形板与弧形孔壁之间围合成一个圆孔。
24.可选地，为了将下模型箱内的第一种岩土体压实到规定密度ρ1和将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度ρ2，方法还包括以下步骤：
25.对待装入的第一种岩土体和第二种岩土体预先进行称重，对应获得重量w1、w2；
26.在启动伺服电缸向下推动压板之前，通过调整螺纹杆上的调节螺母的位置调节压板到合适高度，记录此时压板与底板，或压板与分隔板之间的距离，对应获得距离l1、l2；
27.基于重量w1、w2，及开口处安装第一弧形板时的下模型箱、上模型箱内的空间的水平截面面积s1、s2，计算出被压实到规定密度时的第一种岩土体、第二种岩土体的厚度d1、d2；
28.其中w1＝ρ1*d1*s1，w2＝ρ2*d2*s2；
29.基于厚度d1、d2分别计算出压板需要下压的距离h1、h2，其中h1＝l
1-d1，h2＝l
2-d2；
30.通过观察位移传感器的数值变化，直至伺服电缸向下推动压板达到预定距离h1、h2。
31.可选地，方法还包括以下步骤：
32.在圆孔内对被施加一定的法向应力后的第二种岩土体和第一种岩土体进行试验，具体内容包括：
33.将微型静力触探仪竖直放入其中一个圆孔内，借助透明的第二弧形板观察，当微型静力触探仪的触探探杆到达第一种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第一种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；
34.调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第一种岩土体和第二种岩土体之间的界面处对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入土层界面内，通过触探探杆获取触探数据；
35.调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第二种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第二种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；其中，触探探杆获取的触探数据包括锥尖阻力；
36.重复上述步骤在其他圆孔内进行试验，得到精准的触探数据；
37.通过将室内直剪试验数据与锥尖阻力数据拟合，获得不同类型岩土体抗剪强度参数与锥尖阻力之间的经验关系式；
38.其中，古土壤的经验关系式为：c＝57.43-18.73lnγh+(121.4+2.32lnγh)lnqc，
39.黄土的经验关系式为：c＝(17.94-0.15γh)+(47.912-0.036γh)lnqc，，
40.古土壤-黄土复合土体的经验关系式为：c＝(-8.47+1.02lnγh)qc+19.87-0.0082γh，
[0041][0042]
式中，c为粘聚力，为内摩擦角，γ为土体重度，h为自土体上表面至测试位置的深度，qc为峰值锥尖阻力，p为法向应力，ω为岩土体含水率；
[0043]
根据所得的经验关系式和触探试验数据，从而能够快速地确定土体的力学参数指标c、。
[0044]
根据本发明的方法，其操作简单，可以模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。
[0045]
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
[0046]
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
[0047]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
[0048]
图1为本发明一实施例的模拟装置的整体示意图；
[0049]
图2为本发明一实施例的模拟装置中的反力架与压板之间的连接示意图；
[0050]
图3为本发明一实施例的模拟装置中的上、下模型箱与第一弧形板、第二弧形板之间的连接示意图；
[0051]
图4为本发明一实施例的模拟装置中的驱动装置与压板、顶板之间的连接示意图；
[0052]
图5为本发明一实施例的模拟装置中形成圆孔时第一弧形板和第二弧形板之间的相对位置示意图；
[0053]
图6为本发明一实施例的方法的流程图；以及
[0054]
图7为本发明另一实施例的方法的流程图。
[0055]
附图标记说明：
[0056]
100、模拟装置；
[0057]
110、反力架；111、底板；112、左立杆；113、右立杆；114、顶板；115、调节螺母；
[0058]
120、下模型箱；
[0059]
130、上模型箱；131、空腔；132、开口；133、圆孔；134、折边；
[0060]
140、第一弧形板；
[0061]
150、第二弧形板；
[0062]
160、分隔板；
[0063]
170、压板；171、导向杆；172、缺口；173、导套；174、螺母；
[0064]
180、驱动装置；181、伺服电缸；182、连接杆；
[0065]
190、压力传感器；191、位移传感器。
具体实施方式
[0066]
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
[0067]
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
[0068]
本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。
[0069]
需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。
[0070]
第一方面，本发明提供了一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置100。其中模拟装置100例如可以应用于岩土工程测试技术领域，例如可以应用于岩土体钻孔内模型试验，可以模拟土层界面以及原位土体实际受力的情形。
[0071]
在优选的实施方式中，参考图1、图3所示，其中图1为本发明一实施例的模拟装置100的整体示意图；图3为本发明一实施例的模拟装置100中的上、下模型箱与第一弧形板140、第二弧形板150之间的连接示意图。模拟装置100包括反力架110、下模型箱120、上模型箱130、分隔板160和压板170。反力架110用于安装可活动的压板170和驱动装置180(下文将要描述)。下模型箱120用于容纳岩土体。上模型箱130也用于容纳岩土体，并与上模型箱130配合可形成不同岩土体界面结构。分隔板160用于分隔上模型箱130和下模型箱120，使两者之间可分开操作。压板170用于对下模型箱120、上模型箱130内的岩土体进行压实。
[0072]
具体地，如图1、图2和图3所示，反力架110可以包括底板111、立杆和顶板114。其中底板111可以为水平布置。立杆包括竖立于底板111的两侧的左立杆112和右立杆113。其中图示中左立杆112和右立杆113的数量分别为一根。可以理解，左立杆112和右立杆113的数量可以不限制为一根，在空间布置合理的情况下可以为两根、三根或其他数量。顶板114的两端分别穿设在左立杆112和右立杆113上。顶板114沿竖向方向相对于底板111可上下移动。其中，为了具体实现顶板114沿竖向方向相对于底板111上下移动，左立杆112和右立杆113可以采用螺纹杆，或者设置有一段螺纹杆的立杆。螺纹杆在顶板114的上下方各套设有调节螺母115，以实现固定或松开顶板114。
[0073]
下模型箱120固定在底板111位于左立杆112和右立杆113之间的位置。下模型箱120是具有供容纳岩土体的容纳腔的箱体结构。其顶部为开口132。在容纳腔内可装入岩土体。其中，下模型箱120或容纳腔的形状可以不限制。优先地，为了便于制造以及计算相关面积或体积等，下模型箱120或容纳腔的形状可以为方形等规则形状。
[0074]
上模型箱130可拆卸地连接至下模型箱120。例如上模型箱130可堆叠在下模型箱120上并通过可拆卸连接结构进行固定。上模型箱130具有竖直贯穿的对应容纳腔的空腔131，上模型箱130的上下端面均为开口132结构。为了方便实施，上模型箱130可以采用与下
模型箱120相同的箱体结构。此时容纳腔和空腔131结构也相同。其中，上模型箱130与下模型箱120之间的可拆卸连接结构可以不进行限制。例如下模型箱120和上模型箱130在连接的端面处可以各设置有水平向外的折边134(连接片)。下模型箱120和上模型箱130之间通过折边134内穿过螺栓实现可拆卸地连接，相应地折边134上设置有螺栓孔。
[0075]
进一步地，上模型箱130和下模型箱120的侧壁在相对的位置各设置有竖直的开口132。其中，对开口132的具体位置及数量可以不进行限制。例如可以在一个侧壁上开设一个或多个开口132。或者在多个侧壁上分别开设一个或多个开口132。考虑后续试验需要和实际装置尺寸等原因，上模型箱130和下模型箱120可以在其前后侧壁的相对位置各设置有一个竖直的开口132。
[0076]
参考图3，第一弧形板140可拆卸地安装在开口132处。第二弧形板150可拆卸地安装在开口132处。但在同一时间开口132处只安装第一弧形板140或第二弧形板150。第一弧形板140或第二弧形板150也可以通过螺栓可拆卸地连接至开口132处。相应地第一弧形板140或第二弧形板150上配套设置有螺栓孔。或者采用其他可拆卸连接方式，在此不进行描述。第一弧形板140和第二弧形板150为弯曲的弧形板结构。例如可以为半圆形的弧形板结构。参考图5，第一弧形板140和所述第二弧形板150之间可围合成圆孔133。其中安装时，第一弧形板140向上模型箱130和下模型箱120的内部凸出，第二弧形板150向上模型箱130和下模型箱120的外部凸出。第一弧形板140或第二弧形板150的材质可以不限定。例如第二弧形板150可以采用透明材质制成，比如亚克力材质制成。以便通过第二弧形板150可以看清圆孔133内的情况。
[0077]
可抽离地垫在上模型箱130和下模型箱120之间的分隔板160。分隔板160可以将上模型箱130和下模型箱120分隔开。或者说将容纳腔和空腔131隔绝开。分隔板160可以采用金属平板。
[0078]
参考图2，压板170经由竖直的导向杆171活动连接至顶板114。具体地，导向杆171可滑动地竖直穿过顶板114。导向杆171在顶板114的上方的位置可以套设导套173和螺母174。导套173下方连接螺母174，螺母174固定在顶板114上，构成导向结构。其中，压板170位于顶板114的下方。压板170沿竖向方向相对于顶板114可上下移动。例如可以通过驱动装置180驱动压板170上下移动。其中，当开口132处安装第一弧形板140时，压板170可伸入上模型箱130或下模型箱120内，并将所容纳的岩土体压实。为了将岩土体压实，压板170的形状需要与安装好第一弧形板140时的上模型箱130和下模型箱120内的空间相对应，即压板170的形状需与此时的上模型箱130和下模型箱120内的空间的水平截面形状相同。由此压板170设置有对应第一弧形板140的缺口172。
[0079]
根据本发明的模拟装置100，可以使上、下模型箱分别装入不同的岩土体并压实，上、下模型箱120可以独立工作互不影响，并可以通过拆除中间的分隔板160使两者合为一体，从而模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器190的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。
[0080]
接上文，参考图4，为了实现压板170沿竖向方向相对于顶板114上下移动，模拟装置100还可以包括用于驱动压板170上下移动的驱动装置180。其中驱动装置180可以连接至顶板114。具体地，驱动装置180可以包括竖直地安装至顶板114的伺服电缸181。伺服电缸
181的输出轴经由连接杆182连接至压板170。为了实时了解压板170下压岩土体时的压力大小，连接杆182在与压板170的连接处还可以设置压力传感器190。即连接杆182的底端固定压力传感器190。压力传感器190固定在压板170上。另外，为了实时了解压板170下压或上提的距离，顶板114和压板170之间还可以设置竖直的位移传感器191。位移传感器191可以采用米兰特生产的型号为kpm18-300的位移传感器191。
[0081]
第二方面，参考图6，本发明还提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟方法200，基于上述技术方案的模拟装置100。方法200包括以下步骤：
[0082]
s210.将下模型箱120的前后侧壁的两个开口132处均安装第一弧形板140，并往下模型箱120内装入第一种岩土体。
[0083]
s220.启动伺服电缸181向下推动压板170。在导向杆171的导向作用下，压板170将下模型箱120内的第一种岩土体压实到规定密度，此时下模型箱120内的被压实的第一种岩土体在对应第一弧形板140的位置形成弧形孔壁。
[0084]
s230.在下模型箱120上放置分隔板160。将上模型箱130的前后侧壁的两个开口132处也均安装第一弧形板140。然后将上模型箱130放置在分隔板160上并与下模型箱120对齐，通过螺栓连接将上模型箱130和下模型箱120固定。
[0085]
s240.往上模型箱130内装入第二种岩土体。启动伺服电缸181向下推动压板170，压板170将上模型箱130内的第二种岩土体压实到规定密度，此时上模型箱130内的被压实的第二种岩土体在对应第一弧形板140的位置也形成弧形孔壁。
[0086]
s250.拆除上模型箱130和下模型箱120之间的螺栓，待抽离分隔板160后再通过螺栓将上模型箱130和下模型箱120再次固定。
[0087]
s260.启动伺服电缸181向下推动压板170，将上模型箱130内的被压实的第二种岩土体接触下模型箱120内的被压实的第一种岩土体上。继续向下推动压板170，通过观察压力传感器190显示的压力值直至施加预定的法向应力模拟地压。即施加的预定的法向应力大小即为此时压力传感器190显示的压力值大小。通过观察压力传感器190显示的压力值大小来控制施加的法向应力大小。
[0088]
s270.拆除上模型箱130和下模型箱120各自两个开口132处的第一弧形板140，然后均安装上第二弧形板150，此时第二弧形板150与弧形孔壁之间围合成一个圆孔133。
[0089]
在步骤s230中，通过螺栓连接将上模型箱130和下模型箱120固定时，螺栓可以是仅穿过上模型箱130和下模型箱120之间的折边134串接起来，分隔板160被上模型箱130和下模型箱120夹紧。也可以是螺栓穿过上模型箱130和下模型箱120之间的折边134，以及分隔板160共同串接起来。另外，在将上模型箱130放置在分隔板160上之前，根据实际情况可以调整压板的位置，或伺服电缸181和压板的位置，以便给上模型箱130腾出空间。
[0090]
根据本发明的方法，其操作简单，可以模拟土层界面情况，并且可以在压力传感器190的配合下通过施压准确模拟土层在原位状态时所受的压力，有效解决了传统模型箱无法模拟土层界面以及不能模拟原位土体实际受力的问题。
[0091]
进一步地，为了将下模型箱120内的第一种岩土体压实到规定密度ρ1和将上模型箱130内的第二种岩土体压实到规定密度ρ2，方法还可以包括以下步骤：
[0092]
对待装入的第一种岩土体和第二种岩土体预先进行称重，对应获得重量w1、w2。
[0093]
在启动伺服电缸181向下推动压板170之前，可以通过调整螺纹杆上的调节螺母
115的位置调节压板170到合适高度，记录此时压板170与底板111，或压板170与分隔板160之间的距离，对应获得距离l1、l2。例如可以通过高度测量装置进行测距。
[0094]
基于重量w1、w2，及安装好第一弧形板140时的下模型箱120、上模型箱130内的空间的水平截面面积s1、s2，计算出被压实到规定密度时的第一种岩土体、第二种岩土体的厚度d1、d2。其中存在关系式w1＝ρ1*d1*s1，w2＝ρ2*d2*s2。基于上述关系式可以求出d1、d2。关于安装好第一弧形板140时的下模型箱120、上模型箱130内的空间的水平截面面积s1、s2，可以通过相关测量工具直接测量获得。也可以借助测量加计算获得，例如当下模型箱120、上模型箱130为方形箱体，第一弧形板140为半圆形弧形板时。
[0095]
基于厚度d1、d2分别计算出压板170需要下压的距离h1、h2，其中h1＝l
1-d1，h2＝l
2-d2。
[0096]
通过观察位移传感器191的数值变化，直至伺服电缸181向下推动压板170达到预定距离h1、h2。
[0097]
可选地，方法还可以包括：步骤s280.在圆孔133内对被施加一定的法向应力后的第二种岩土体和第一种岩土体进行孔内试验。具体内容包括：
[0098]
s281.将微型静力触探仪竖直放入其中一个圆孔133内。本实施例中的微型静力触探仪可以采用现有技术装置，在此不进行详细描述。
[0099]
s282.借助透明的第二弧形板150观察，可以简单便捷地看清微型静力触探仪的实时位置。当微型静力触探仪的触探探杆到达第一种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第一种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据。实际触探探杆会设置相应的传感器来获取相应的触探数据。
[0100]
s283.调整微型静力触探仪在圆孔133内的位置。借助透明的第二弧形板150观察，当触探探杆到达第一种岩土体和第二种岩土体之间的界面处对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入土层界面内，通过触探探杆获取触探数据。
[0101]
s284.调整微型静力触探仪在圆孔133内的位置。借助透明的第二弧形板150观察，当触探探杆到达第二种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第二种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据。
[0102]
s285.重复上述步骤在其他圆孔133内进行试验，通过分析比较，得到精准的触探数据。
[0103]
其中，触探探杆获取的触探数据包括锥尖阻力。
[0104]
s286.通过将室内直剪试验数据与锥尖阻力数据拟合，获得不同类型岩土体抗剪强度参数与锥尖阻力之间的经验关系式。
[0105]
具体地，其中，古土壤的经验关系式为：c＝57.43-18.73lnγh+(121.4+2.32lnγh)lnqc，
[0106]
黄土的经验关系式为：c＝(17.94-0.15γh)+(47.912-0.036γh)lnqc，，
[0107]
古土壤-黄土复合土体的经验关系式为：c＝(-8.47+1.02lnγh)qc+19.87-0.0082γh，
[0108][0109]
式中，c为粘聚力，为内摩擦角，γ为土体重度，h为自土体上表面至测试位置的深度，qc为峰值锥尖阻力，p为法向应力，ω为岩土体含水率；其中，第一种岩土体和第二种岩土体的类型根据试验需求选择，在试验开始时便人为选定，且配好土体含水率(即为已知参数)。p即为步骤s260中施加的法向应力。γ为已知参数(或通过简单计算获得)。
[0110]
s287.根据所得的经验关系式和触探试验数据，从而能够快速地确定土体的力学参数指标c、
[0111]
其中，步骤s282、s283、s284之间的先后顺序可以不限定。为了一次性顺畅完成试验，一般可以按照从上到下，或者从下到上的顺序完成。由于实际进行试验时，在对某一个圆孔133进行孔内试验过程中，可能会破坏圆孔133内的岩土体，导致后续获取的试验数据可能不够准确，因此可以设计出多个圆孔133，对多个圆孔133均进行试验。完成试验后，通过对多组试验数据进行分析比较，便可以得到更加精准的触探数据。
[0112]
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

技术特征：
1.一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括：反力架，所述反力架包括：水平的底板；竖立于所述底板的两侧的左立杆和右立杆；两端分别穿设在所述左立杆和所述右立杆的水平的顶板，所述顶板沿竖向方向相对于所述底板可上下移动；下模型箱，所述下模型箱固定在所述底板位于所述左立杆和所述右立杆之间的位置，所述下模型箱具有供容纳岩土体的容纳腔；可拆卸地连接至所述下模型箱的上模型箱，所述上模型箱具有竖直贯穿的对应所述容纳腔的空腔；所述上模型箱和所述下模型箱的侧壁在相对的位置各设置有竖直的开口，所述开口处可拆卸地安装第一弧形板或第二弧形板，所述第一弧形板和所述第二弧形板之间可围合成圆孔；其中，所述第一弧形板构造为向所述上模型箱和所述下模型箱的内部凸出；可抽离地垫在所述上模型箱和所述下模型箱之间的分隔板；以及位于所述顶板的下方的压板，所述压板经由竖直的导向杆活动连接至所述顶板且沿竖向方向相对于所述顶板可上下移动，所述压板具有对应所述第一弧形板的缺口；其中，当所述开口处安装所述第一弧形板时，所述压板可伸入所述上模型箱或所述下模型箱，并将所容纳的岩土体压实。2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述左立杆和所述右立杆构造为螺纹杆，所述螺纹杆在所述顶板的上下方各套设有调节螺母，以实现固定或松开所述顶板；和/或所述第二弧形板为采用亚克力材质制成的透明弧形板。3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述导向杆构造为可滑动地穿过所述顶板，所述导向杆在所述顶板的上方的位置套设有导套和螺母，以连接至所述顶板；和/或所述上模型箱和所述下模型箱在其前后侧壁的相对位置各设置一个竖直的开口。4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，还包括用于驱动所述压板上下移动的驱动装置，所述驱动装置连接至所述顶板。5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述驱动装置包括竖直地安装至所述顶板的伺服电缸，所述伺服电缸的输出轴经由连接杆连接至所述压板。6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，所述连接杆在与所述压板的连接处还设置压力传感器；和/或所述顶板和所述压板之间还设置竖直的位移传感器。7.根据权利要求6所述的模拟装置，其特征在于，所述下模型箱和所述上模型箱在连接的端面处通过各自水平向外的折边经由螺栓可拆卸地连接；和/或所述第一弧形板和所述第二弧形板经由螺栓可拆卸地连接至所述开口处。8.一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟方法，基于根据权利要求1至7中任一项所述的模拟装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将下模型箱的前后侧壁的两个开口处均安装第一弧形板，并往下模型箱内装入第一种岩土体；启动伺服电缸向下推动压板，在导向杆的导向作用下，压板将下模型箱内的第一种岩
土体压实到规定密度，此时下模型箱内的被压实的第一种岩土体在对应第一弧形板的位置形成弧形孔壁；在下模型箱上放置分隔板，将上模型箱的前后侧壁的两个开口处也均安装第一弧形板，然后将上模型箱放置在分隔板上并与下模型箱对齐，通过螺栓连接将上模型箱和下模型箱固定；往上模型箱内装入第二种岩土体，启动伺服电缸向下推动压板，压板将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度，此时上模型箱内的被压实的第二种岩土体在对应第一弧形板的位置也形成弧形孔壁；拆除上模型箱和下模型箱之间的螺栓，待抽离分隔板后再通过螺栓将上模型箱和下模型箱再次固定；启动伺服电缸向下推动压板，将上模型箱内的被压实的第二种岩土体接触下模型箱内的被压实的第一种岩土体上；继续向下推动压板，通过观察压力传感器显示的压力值直至施加预定的法向应力模拟地压；拆除上模型箱和下模型箱各自两个开口处的第一弧形板，然后均安装上第二弧形板，此时第二弧形板与弧形孔壁之间围合成一个圆孔。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了将下模型箱内的第一种岩土体压实到规定密度ρ1和将上模型箱内的第二种岩土体压实到规定密度ρ2，还包括以下步骤：对待装入的第一种岩土体和第二种岩土体预先进行称重，对应获得重量w1、w2；在启动伺服电缸向下推动压板之前，通过调整螺纹杆上的调节螺母的位置调节压板到合适高度，记录此时压板与底板，或压板与分隔板之间的距离，对应获得距离l1、l2；基于重量w1、w2，及开口处安装第一弧形板时的下模型箱、上模型箱内的空间的水平截面面积s1、s2，计算出被压实到规定密度时的第一种岩土体、第二种岩土体的厚度d1、d2；其中w1＝ρ1*d1*s1，w2＝ρ2*d2*s2；基于厚度d1、d2分别计算出压板需要下压的距离h1、h2，其中h1＝l
1-d1，h2＝l
2-d2；通过观察位移传感器的数值变化，直至伺服电缸向下推动压板达到预定距离h1、h2。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在圆孔内对被施加一定的法向应力后的第二种岩土体和第一种岩土体进行试验，具体内容包括：将微型静力触探仪竖直放入其中一个圆孔内；借助透明的第二弧形板观察，当微型静力触探仪的触探探杆到达第一种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第一种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第一种岩土体和第二种岩土体之间的界面处对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入土层界面内，通过触探探杆获取触探数据；调整微型静力触探仪在圆孔内的位置，借助透明的第二弧形板观察，当触探探杆到达第二种岩土体对应的位置时，调整触探探杆至水平角度，伸出并压入第二种岩土体内，通过触探探杆获取触探数据；其中，触探探杆获取的触探数据包括锥尖阻力；重复上述步骤在其他圆孔内进行试验，通过分析比较，得到精准的触探数据；
通过将室内直剪试验数据与锥尖阻力数据拟合，获得不同类型岩土体抗剪强度参数与锥尖阻力之间的经验关系式；根据所得的经验关系式和触探试验数据，确定土体的力学参数指标。

技术总结
本发明提供一种用于岩土体钻孔内模型试验的模拟装置和方法，其中模拟装置包括底板；左立杆和右立杆；两端分别穿设在左立杆和右立杆的顶板，顶板沿竖向方向相对于底板可上下移动；下模型箱固定在底板，下模型箱具有供容纳岩土体的容纳腔；可拆卸地连接至下模型箱的上模型箱，上模型箱具有竖直贯穿的对应容纳腔的空腔；上模型箱和下模型箱的侧壁在相对的位置各设置有竖直的开口，开口处可拆卸地安装第一弧形板或第二弧形板，第一弧形板和第二弧形板之间可围合成圆孔；可抽离的分隔板；压板经由竖直的导向杆活动连接至顶板且沿竖向方向相对于顶板可上下移动。根据本发明提供的模拟装置，可以模拟岩土体实际地压、土层界面及原位土体实际受力。土体实际受力。土体实际受力。


技术研发人员：包含 宋占亭 兰恒星 马扬帆 郑涵 晏长根 刘长青 胡庆豪 王耿 吉琛琳 李昌波
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/10/11