一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，利用鉆機(jī)開孔將試驗(yàn)裝置下放到測試點(diǎn)，施加氣壓提供法應(yīng)力使氣囊膨脹帶動剪切筒鼓脹，剪切筒外圍的剪切刀會插入土體使土體固結(jié)，然后施加液壓通過齒輪帶動鋼桿上提帶動剪切刀剪切土體，土體發(fā)生剪切破壞，最后試根據(jù)庫倫定律計算得到土體的剪切指標(biāo)；試驗(yàn)方法包括鉆孔、組裝試驗(yàn)裝置、下放設(shè)備、固結(jié)、剪切、數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明還提供了一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，通過本發(fā)明的技術(shù)方案，可在自然應(yīng)力狀態(tài)下測定土體的強(qiáng)度指標(biāo)，具有造價低，操作簡單，試驗(yàn)時間短、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種土的原位試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法，特別涉及一種土的原位孔內(nèi)剪切 試驗(yàn)裝置以及土的剪切強(qiáng)度的原位試驗(yàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度，包括粘聚力C和內(nèi)摩擦角， 是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，也是計算路塹、渠道、路堤、土壩等斜坡穩(wěn)定性以及支擋建筑物 的土壓力的重要參數(shù)。目前，土體的剪切強(qiáng)度的主要通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)來獲取。室內(nèi) 試驗(yàn)包括土的直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)等，但由于室內(nèi)試驗(yàn)尺寸局限性而導(dǎo)致代表性 差，以及經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則的人為性，進(jìn)而導(dǎo)致獲得土體剪切強(qiáng)度指標(biāo)離散性大，更重要的是土剪切 試驗(yàn)的室內(nèi)試驗(yàn)方法普遍時間較長，例如黏性土的一組三軸剪切試驗(yàn)一般要一周左右。原 位試驗(yàn)可以在土體原來所處位置，基本保持的天然結(jié)構(gòu)，天然含水量以及天然應(yīng)力狀態(tài)下， 測定土體的工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，可避免取樣過程中應(yīng)力釋放的影響，獲得試驗(yàn)結(jié)果更符合 實(shí)際情況，因此，巖土工程師們普遍認(rèn)為原位試驗(yàn)是真實(shí)獲取土體物理力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)方 法。目前土體的原位剪切試驗(yàn)主要有大型直剪試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)等，但大型直剪試驗(yàn) 具有試驗(yàn)昂貴，周期長，操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，而十字板剪切試驗(yàn)僅能獲得粘聚力C，無法獲得內(nèi) 摩擦角，并且無法用于含有砂層、礫石、貝殼等成分的軟粘土，當(dāng)有粉砂夾層者，其測定結(jié) 果往往偏大。為此，一些巖土工作者開發(fā)了不同的巖土體的原位剪切試驗(yàn)設(shè)備與方法，如國 外應(yīng)用廣泛的巖石鉆孔剪切儀（RockBoreholeShearTest),這種設(shè)備具有操作簡單，可 重復(fù)性較高的優(yōu)點(diǎn)，但該設(shè)備僅適用于軟?中等硬度巖體，對于剪切強(qiáng)度小于巖體數(shù)十倍 的土體并不適用，測試精度也大打折扣。針對土體的原位剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)用廣泛的有原位 土體鉆孔剪切儀，但這種試驗(yàn)設(shè)備僅能獲得土體的粘聚力C和內(nèi)摩擦角，￡法獲得表征土 體強(qiáng)度特性的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線，并且加載剪應(yīng)力的方法為人工搖動齒輪，這會導(dǎo)致當(dāng) 測試土體強(qiáng)度較大時，需要施加較大的人為機(jī)械力，費(fèi)時費(fèi)力，適用性不強(qiáng)。為此，發(fā)明專利 土體原位剪切及靜載荷試驗(yàn)儀（申請?zhí)枺?01310697634. 2)提供了一種原位剪切試驗(yàn)設(shè)備， 但該設(shè)備采用托桿支撐的擺塊形成的圓盤來對土體剪切，這種機(jī)械式的控制方法無法保證 擺塊均勻張開，進(jìn)而對周圍土體可能會存在局部剪切，無法獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且如果 遇到中、強(qiáng)風(fēng)化殘積土?xí)r，破碎巖塊很可能卡住托桿，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明目的在于提供一種造價低，消耗少，操作簡單， 試驗(yàn)時間短的土體剪切試驗(yàn)方法，更重要的是提供一種可以獲取真實(shí)的土體的原位剪切試 驗(yàn)方法。本發(fā)明還提供一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，該設(shè)備具有構(gòu)造簡單，便于攜帶與 維護(hù)、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，包括剪切筒、剪切刀、氣 囊、鋼桿、進(jìn)氣管、承重板、螺栓、壓力室、數(shù)據(jù)線、剪力表、底座、支桿、扁平鋼板、連接閥、千 分表、固定閥、輸氣管、壓力表、氣瓶、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、千斤頂、秒表、壓力桿、油管、齒輪、螺 旋，所述的進(jìn)氣管連接氣囊，氣囊放入剪切筒內(nèi)，帶有螺旋的鋼桿旋入剪切筒內(nèi)，鋼桿的上 部連接螺栓，鋼桿的上部旋入固定閥，固定閥連接扁平鋼板一端，扁平鋼板的另一端架設(shè)千 分表的下部支桿，進(jìn)氣管連接輸氣管，依次連接壓力表、減壓閥和氣瓶，壓力室放置在的承 重板上，壓力室內(nèi)放置齒輪，齒輪中心穿過鋼桿，壓力室的上部依次連接數(shù)據(jù)線與剪力表， 壓力室的下部依次連接油管與千斤頂，千斤頂上架設(shè)壓力桿，千斤頂旁放置秒表，將底座放 置在鉆孔附件，底座上連接支桿，支桿上連接連接閥，連接閥上架設(shè)千分表。
[0005] 在上述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，優(yōu)選地，上述剪切筒的直徑宜為88mm 的彈性較好的厚1mm的精鋼制成，其外部的剪切刀與剪切筒的交角宜為45°。
[0006] 在上述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，優(yōu)選地，上述剪切筒外部設(shè)置的剪切 刀宜為16個，相互剪切刀在剪切筒圓心處的交角為22. 5°。
[0007] 在上述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，優(yōu)選地，上述承重板的橫截面積需大 于鉆孔橫截面積的2倍。
[0008] 在上述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，優(yōu)選地，上述螺栓的外徑需大于壓力 室外徑。
[0009] 本發(fā)明提供的種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其具有優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：
[0010] ①構(gòu)造簡單，便于攜帶與維護(hù)。作為一種原位試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備構(gòu)造簡單，不怕淋 雨，便于攜帶，不需要電源，更適用于野外試驗(yàn)。
[0011] ②適用性強(qiáng)。使用與各種場地，各種地質(zhì)條件，尤其是對于鉆機(jī)難于到大的地點(diǎn)， 還可以采用手扶鉆機(jī)甚至人工手鉆也可以進(jìn)行試驗(yàn)。
[0012] ③壓力提供穩(wěn)定。相對于電機(jī)伺服和人為機(jī)械力提供法應(yīng)力或剪應(yīng)力，本裝置為 氣壓提供法應(yīng)力、液壓提供剪應(yīng)力，穩(wěn)定的壓力提供方式保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。
[0013] 本發(fā)明的原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)方法的原理是，利用鉆機(jī)開孔將原位土體孔內(nèi)剪 切試驗(yàn)裝置下放到測試點(diǎn)，通過施加氣壓提供法應(yīng)力使氣囊膨脹進(jìn)而鼓脹剪切筒，剪切筒 外圍的剪切刀會插入測試土體中，在一定的固結(jié)試驗(yàn)內(nèi)土體被固結(jié)，然后利用千斤頂施加 液壓通過齒輪帶動鋼桿上提，進(jìn)而帶動剪切刀剪切土體，土體發(fā)生剪切破壞。試驗(yàn)過程中， 剪力表記錄剪應(yīng)力，千分表記錄土體剪切位移。對于試驗(yàn)結(jié)果分析，可利用試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)庫 倫定律T=C+0tan4)，計算得到土體的剪切指標(biāo)粘聚力C與內(nèi)摩擦角妒。
[0014] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)方法，包括以下步驟：
[0015] 1)鉆孔。利用鉆機(jī)，采用緩慢速率的干鉆法將巖心管鉆至測試深度，鉆孔后整平鉆 孔口的地面。
[0016] 2)組裝試驗(yàn)裝置。組裝測試系統(tǒng)：在地面上，組裝試驗(yàn)設(shè)備。將進(jìn)氣管連接氣囊， 將氣囊放入剪切筒內(nèi)，將鋼桿旋入剪切筒內(nèi)；組裝固結(jié)壓力輸出系統(tǒng)：將進(jìn)氣管連接輸氣 管，并依次連接壓力表、減壓閥和充滿氮?dú)獾臍馄浚唤M裝剪切力輸出系統(tǒng)：將壓力室放置在 承重板上，在壓力室的上部依次連接數(shù)據(jù)線與剪力表，在壓力室的下部依次連接油管與千 斤頂，千斤頂上架設(shè)壓力桿，千斤頂旁放置秒表；組裝應(yīng)變測試系統(tǒng)：將底座放置在鉆孔附 近，底座上連接支桿，支桿上連接連接閥，連接閥上架設(shè)千分表。
[0017] 3)下放設(shè)備。將鋼桿上部依次穿過承重板與壓力室，將鋼桿及其連接的氣囊、剪切 筒依次垂直放入鉆孔內(nèi)，使承重板中心對應(yīng)鉆孔中心；鋼桿及其連接的氣囊、剪切筒的放入 過程中用每隔lm用膠帶或綁帶綁緊鋼桿和進(jìn)氣管；隨著鋼桿及其連接的氣囊、剪切筒的放 入深度增大，可將多根鋼桿依次連接以增加放入深度，并在鋼桿的上部連接螺栓，螺栓的用 處是防止因鋼桿重量過大將測試系統(tǒng)掉進(jìn)鉆孔底。按照以上方法下放原位土體孔內(nèi)剪切試 驗(yàn)設(shè)備，直至到測試深度。
[0018] 4)固結(jié)。將鋼桿的上部旋入固定閥，固定閥連接扁平鋼板一端，將扁平鋼板的另一 端架設(shè)千分表，架設(shè)后對千分表調(diào)零；打開氣瓶的開關(guān)，聽到氣體輸入輸氣管的聲音后調(diào)節(jié) 減壓閥，利用調(diào)節(jié)閥將輸出氣壓調(diào)至第一級測固結(jié)氣壓，固結(jié)氣壓施加后進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。
[0019] 5)剪切。固結(jié)過程結(jié)束后，下壓壓力桿，帶動鋼桿上提，進(jìn)行土體剪切試驗(yàn)；土體 剪切過程中記錄剪力表讀數(shù)，隨著施加剪應(yīng)力，壓力表的讀數(shù)會增大，直至土體發(fā)生剪切破 壞，試驗(yàn)結(jié)束，若土體未發(fā)生剪切破壞，當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到15%時，也結(jié)束試驗(yàn)。在第一級固結(jié)壓 力下的剪切試驗(yàn)結(jié)束后，對千斤頂卸壓，使剪力表回零，然后重復(fù)上述固結(jié)過程與剪切過程 3次。其中，每增加一級固結(jié)壓力增加lOOkPa。
[0020] 6)數(shù)據(jù)處理。以剪力表讀數(shù)為剪應(yīng)力，千分表讀數(shù)為土體位移。土體剪應(yīng)變e的 計算公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于：該原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置包 括：剪切筒、剪切刀、氣囊、鋼桿、進(jìn)氣管、承重板、螺栓、壓力室、數(shù)據(jù)線、剪力表、底座、支桿、 扁平鋼板、連接閥、千分表、固定閥、輸氣管、壓力表、氣瓶、減壓閥、調(diào)節(jié)閥、千斤頂、秒表、壓 力桿、油管、齒輪、螺旋，所述的進(jìn)氣管連接氣囊，氣囊放入剪切筒內(nèi)，帶有螺旋的鋼桿旋入 剪切筒內(nèi)，鋼桿的上部連接螺栓，鋼桿的上部旋入固定閥，固定閥連接扁平鋼板一端，扁平 鋼板的另一端架設(shè)千分表的下部支桿，進(jìn)氣管連接輸氣管，依次連接壓力表、減壓閥和氣 瓶，壓力室放置在的承重板上，壓力室內(nèi)放置齒輪，齒輪中心穿過鋼桿，壓力室的上部依次 連接數(shù)據(jù)線與剪力表，壓力室的下部依次連接油管與千斤頂，千斤頂上架設(shè)壓力桿，千斤頂 旁放置秒表，將底座放置在鉆孔附件，底座上連接支桿，支桿上連接連接閥，連接閥上架設(shè) 千分表。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述的剪切 筒由Imm的精鋼制成，所述剪切筒的直徑為88mm，所述剪切刀與剪切筒的交角為45°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述剪切筒 外部設(shè)置的剪切刀為16個，相互剪切刀在剪切筒圓心處的交角為22. 5°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述承重板 的橫截面積大于鉆孔橫截面積的2倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述螺栓的 外徑大于壓力室外徑。
6. -種原位土體孔內(nèi)剪切的試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)方法包括以下步驟： 1) 鉆孔，利用鉆機(jī)采用緩慢速率的干鉆法將巖心管鉆至測試深度，鉆孔后整平鉆孔口 的地面。 2) 組裝試驗(yàn)裝置，依次組裝測試系統(tǒng)、固結(jié)壓力輸出系統(tǒng)、剪切力輸出系統(tǒng)和應(yīng)變測試 系統(tǒng)。 3) 下放設(shè)備，將鋼桿上部依次穿過承重板與壓力室，鋼桿下部連接的氣囊、剪切筒并依 次垂直放入鉆孔內(nèi)；鋼桿放入過程中用每隔Im用膠帶或綁帶綁緊鋼桿和進(jìn)氣管；隨著鋼桿 放入深度增大，將多根鋼桿依次連接以增加放入深度；為防止因鋼桿重量過大將測試系統(tǒng) 掉進(jìn)鉆孔底，鋼桿的上部需連接固定螺栓。 4) 固結(jié)，通過充滿氮?dú)獾臍馄坷脺p壓閥和調(diào)節(jié)閥輸出氣壓鼓脹氣囊，進(jìn)而膨脹剪切 筒外圍剪切刀插入土體中，對土體進(jìn)行固結(jié)。 5) 剪切，固結(jié)結(jié)束后，利用千斤頂施加液壓，帶動齒輪上提鋼桿，進(jìn)而對土產(chǎn)生剪切破 壞。在第一級固結(jié)壓力下的剪切試驗(yàn)結(jié)束后，對千斤頂卸壓，使剪力表回零，然后重復(fù)上述 固結(jié)過程與剪切過程3次。 6) 數(shù)據(jù)處理，以剪力表讀數(shù)為剪應(yīng)力，千分表讀數(shù)為土體位移。土體剪應(yīng)變ε的計算 公式為： ε=M· 100% /H, 式中，M為千分表讀數(shù)（cm)、H為剪切刀的高度（cm)。 在應(yīng)力一應(yīng)變曲線上選取應(yīng)力最大值Tf，依次找到4次不同固結(jié)壓力σ下的Tf，對 〇 -Tf關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合分析，擬合曲線的斜率Κ。土的內(nèi)摩擦角供的計算公式為： φ=arctanA^, 擬合曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為土的粘聚力C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切的試驗(yàn)方法，其特征在于：所述的步 驟4)中的第一級測試氣壓為25kPa、50kPa、75kPa或lOOkPa。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切的試驗(yàn)方法，其特征在于：所述的步 驟4)中的固結(jié)時間為15min、20min、25min或30min、。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種原位土體孔內(nèi)剪切的試驗(yàn)方法，其特征在于：所述步驟 5)中土體剪切應(yīng)變速率為0. 15%、0. 2%、0. 3%或0. 5%。
【文檔編號】G01N3/24GK104458445SQ201410743287
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】李銳鐸, 夏英志, 王志剛, 張宛東, 李利勤, 張志 , 王輝, 崔亞麗, 崔慧麗, 樂明靜, 王超凡 申請人:河南城建學(xué)院