CN104458445B - 一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法，利用钻机开孔将试验装置下放到测试点，施加气压提供法应力使气囊膨胀带动剪切筒鼓胀，剪切筒外围的剪切刀会插入土体使土体固结，然后施加液压通过齿轮带动钢杆上提带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏，最后试根据库伦定律计算得到土体的剪切指标；试验方法包括钻孔、组装试验装置、下放设备、固结、剪切、数据处理，本发明还提供了一种原位土体孔内剪切试验装置，通过本发明的技术方案，可在自然应力状态下测定土体的强度指标，具有造价低，操作简单，试验时间短、适用性强的优点。

Description

一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种土的原位试验装置与试验方法，特别涉及一种土的原位孔内剪切试验装置以及土的剪切强度的原位试验方法。

背景技术

土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，包括粘聚力C和内摩擦角是土的重要力学性质之一，也是计算路堑、渠道、路堤、土坝等斜坡稳定性以及支挡建筑物的土压力的重要参数。目前，土体的剪切强度的主要通过室内试验和原位试验来获取。室内试验包括土的直接剪切试验、三轴剪切试验等，但由于室内试验尺寸局限性而导致代表性差，以及经验准则的人为性，进而导致获得土体剪切强度指标离散性大，更重要的是土剪切试验的室内试验方法普遍时间较长，例如黏性土的一组三轴剪切试验一般要一周左右。原位试验可以在土体原来所处位置，基本保持的天然结构，天然含水量以及天然应力状态下，测定土体的工程力学性质指标，可避免取样过程中应力释放的影响，获得试验结果更符合实际情况，因此，岩土工程师们普遍认为原位试验是真实获取土体物理力学指标的试验方法。目前土体的原位剪切试验主要有大型直剪试验和十字板剪切试验等，但大型直剪试验具有试验昂贵，周期长，操作复杂等缺点，而十字板剪切试验仅能获得粘聚力C，无法获得内摩擦角并且无法用于含有砂层、砾石、贝壳等成分的软粘土，当有粉砂夹层者，其测定结果往往偏大。为此，一些岩土工作者开发了不同的岩土体的原位剪切试验设备与方法，如国外应用广泛的岩石钻孔剪切仪(Rock Borehole Shear Test)，这种设备具有操作简单，可重复性较高的优点，但该设备仅适用于软～中等硬度岩体，对于剪切强度小于岩体数十倍的土体并不适用，测试精度也大打折扣。针对土体的原位剪切强度试验，应用广泛的有原位土体钻孔剪切仪，但这种试验设备仅能获得土体的粘聚力C和内摩擦角无法获得表征土体强度特性的应力—应变关系曲线，并且加载剪应力的方法为人工摇动齿轮，这会导致当测试土体强度较大时，需要施加较大的人为机械力，费时费力，适用性不强。为此，发明专利土体原位剪切及静载荷试验仪(申请号：201310697634.2)提供了一种原位剪切试验设备，但该设备采用托杆支撑的摆块形成的圆盘来对土体剪切，这种机械式的控制方法无法保证摆块均匀张开，进而对周围土体可能会存在局部剪切，无法获得可靠的试验数据，而且如果遇到中、强风化残积土时，破碎岩块很可能卡住托杆，导致试验失败。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明目的在于提供一种造价低，消耗少，操作简单，试验时间短的土体剪切试验方法，更重要的是提供一种可以获取真实的土体的原位剪切试验方法。本发明还提供一种原位土体孔内剪切试验装置，该设备具有构造简单，便于携带与维护、适用性强等优点。

本发明的技术方案是：一种原位土体孔内剪切试验装置，包括剪切筒、剪切刀、气囊、钢杆、进气管、承重板、螺栓、压力室、数据线、剪力表、底座、支杆、扁平钢板、连接阀、千分表、固定阀、输气管、压力表、气瓶、减压阀、调节阀、千斤顶、秒表、压力杆、油管、齿轮、螺旋，所述的进气管连接气囊，气囊放入剪切筒内，带有螺旋的钢杆旋入剪切筒内，钢杆的上部连接螺栓，钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，扁平钢板的另一端架设千分表的下部支杆，进气管连接输气管，依次连接压力表、减压阀和气瓶，压力室放置在的承重板上，压力室内放置齿轮，齿轮中心穿过钢杆，压力室的上部依次连接数据线与剪力表，压力室的下部依次连接油管与千斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶旁放置秒表，将底座放置在钻孔附件，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设千分表。

在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述剪切筒的直径宜为88mm的弹性较好的厚1mm的精钢制成，其外部的剪切刀与剪切筒的交角宜为45°。

在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述剪切筒外部设置的剪切刀宜为16个，相互剪切刀在剪切筒圆心处的交角为22.5°。

在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述承重板的横截面积需大于钻孔横截面积的2倍。

在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述螺栓的外径需大于压力室外径。

本发明提供的种原位土体孔内剪切试验装置，其具有优点和有益效果为：

①构造简单，便于携带与维护。作为一种原位试验设备，该设备构造简单，不怕淋雨，便于携带，不需要电源，更适用于野外试验。

②适用性强。使用与各种场地，各种地质条件，尤其是对于钻机难于到大的地点，还可以采用手扶钻机甚至人工手钻也可以进行试验。

③压力提供稳定。相对于电机伺服和人为机械力提供法应力或剪应力，本装置为气压提供法应力、液压提供剪应力，稳定的压力提供方式保证了试验数据的可靠性。

本发明的原位土体孔内剪切试验方法的原理是，利用钻机开孔将原位土体孔内剪切试验装置下放到测试点，通过施加气压提供法应力使气囊膨胀进而鼓胀剪切筒，剪切筒外围的剪切刀会插入测试土体中，在一定的固结试验内土体被固结，然后利用千斤顶施加液压通过齿轮带动钢杆上提，进而带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏。试验过程中，剪力表记录剪应力，千分表记录土体剪切位移。对于试验结果分析，可利用试验结果根据库伦定律τ＝C+σtanφ，计算得到土体的剪切指标粘聚力C与内摩擦角

为了实现上述目的，本发明的一种原位土体孔内剪切试验方法，包括以下步骤：

1)钻孔。利用钻机，采用缓慢速率的干钻法将岩心管钻至测试深度，钻孔后整平钻孔口的地面。

2)组装试验装置。组装测试系统：在地面上，组装试验设备。将进气管连接气囊，将气囊放入剪切筒内，将钢杆旋入剪切筒内；组装固结压力输出系统：将进气管连接输气管，并依次连接压力表、减压阀和充满氮气的气瓶；组装剪切力输出系统：将压力室放置在承重板上，在压力室的上部依次连接数据线与剪力表，在压力室的下部依次连接油管与千斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶旁放置秒表；组装应变测试系统：将底座放置在钻孔附近，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设千分表。

3)下放设备。将钢杆上部依次穿过承重板与压力室，将钢杆及其连接的气囊、剪切筒依次垂直放入钻孔内，使承重板中心对应钻孔中心；钢杆及其连接的气囊、剪切筒的放入过程中用每隔1m用胶带或绑带绑紧钢杆和进气管；随着钢杆及其连接的气囊、剪切筒的放入深度增大，可将多根钢杆依次连接以增加放入深度，并在钢杆的上部连接螺栓，螺栓的用处是防止因钢杆重量过大将测试系统掉进钻孔底。按照以上方法下放原位土体孔内剪切试验设备，直至到测试深度。

4)固结。将钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，将扁平钢板的另一端架设千分表，架设后对千分表调零；打开气瓶的开关，听到气体输入输气管的声音后调节减压阀，利用调节阀将输出气压调至第一级测固结气压，固结气压施加后进行固结试验。

5)剪切。固结过程结束后，下压压力杆，带动钢杆上提，进行土体剪切试验；土体剪切过程中记录剪力表读数，随着施加剪应力，压力表的读数会增大，直至土体发生剪切破坏，试验结束，若土体未发生剪切破坏，当剪应变达到15％时，也结束试验。在第一级固结压力下的剪切试验结束后，对千斤顶卸压，使剪力表回零，然后重复上述固结过程与剪切过程3次。其中，每增加一级固结压力增加100kPa。

6)数据处理。以剪力表读数为剪应力，千分表读数为土体位移。土体剪应变ε的计算公式为：

ε＝M·100％/H

式中，M为千分表读数(cm)、H为剪切刀的高度(cm)。

绘制土体的应力—应变曲线。在应力—应变曲线上选取应力最大值τ_f，依次找到4次不同固结压力σ下的τ_f，对σ—τ_f关系曲线进行线性拟合分析，拟合曲线的斜率K。土的内摩擦角的计算公式为：

拟合曲线与纵坐标的交点为土的粘聚力C。

在上述的原位土体孔内剪切试验方法中，优选地，上述步骤4)中的第一级测试气压宜为25kPa或50kPa或75kPa或100kPa，在这些固结压力范围内随着土的硬度增大可逐渐增大，如淤泥采用25kPa、硬粘土采用100kPa。

在上述的原位土体孔内剪切试验方法中，优选地，上述步骤4)中的固结时间为15min或20min或25min或30min，在这些固结时间范围内随着土的渗透系数增大可逐渐减小，如淤泥采用30kPa、砂土采用15kPa。

在上述的原位土体孔内剪切试验方法中，优选地，上述步骤5)中土体剪切应变速率为0.15％或0.2％或0.3％或0.5％，随着钻孔壁周围土体硬度增大，土体的剪切速率增大，如淤泥采用0.15％、硬粘土采用0.5％。

本发明提供的一种原位土体孔内剪切试验方法，其具有优点和有益效果为：

①数据真实性高。相对于室内试验方法，该方法是在基本保持土的天然结构，天然含水量以及天然应力状态下，测定土的强度指标，可避免取样过程中应力释放的影响，获得试验结果更符合实际情况。

②造价低，材料消耗少。不同于室内剪切试验需要消耗多种土工测试材料，本方法每次试验仅需少量氮气与柴油，显著节省了试验成本。

③操作简单。相对于繁冗的室内试验方法，本方法无需专业技术人员操作，试验过程中仅需一名试验人员进行加压与读数。

④试验时间明显缩短，提高功效。一般室内三轴剪切试验至少需要一周，而本方法一组试验不到一个小时，显著地缩短了试验时间。

附图说明

图1为本发明的一种原位土体孔内剪切试验方法的示意图；

图2为本发明的一种原位土体孔内剪切试验装置的钢杆与齿轮连接方式示意图；

图3为本发明的一种原位土体孔内剪切试验装置工作时剪切刀与钻孔壁的接触示意图；

图4为本发明的一种原位土体孔内剪切试验装置的剪切刀在剪切筒的布置示意图；

图5为本发明的一种原位土体孔内剪切试验方法得到的应力—应变示意图；

图6为本发明的一种原位土体孔内剪切试验方法得到的剪切强度参数示意图。

其中：1－地面、2－钻孔壁、3－剪切筒、4－剪切刀、5－气囊、6－钢杆、7－进气管、8－承重板、9－螺栓、10－压力室、11－数据线、12－剪力表、13－底座、14－支杆、15－扁平钢板、16－连接阀、17－千分表、18－固定阀、19－输气管、20－压力表、21－气瓶、22－减压阀、23－调节阀、24－千斤顶、25－秒表、26－压力杆、27－油管、28－齿轮、29－螺旋。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、2、3、4、5和6所示，一种原位土体孔内剪切试验装置，其包括剪切筒3、剪切刀4、气囊5、钢杆6、进气管7、承重板8、螺栓9、压力室10、数据线11、剪力表12、底座13、支杆14、扁平钢板15、连接阀16、千分表17、固定阀18、输气管19、压力表20、气瓶21、减压阀22、调节阀23、千斤顶24、秒表25、压力杆26、油管27、齿轮28、螺旋29。其中，进气管7连接气囊5，气囊5放入剪切筒3内，带有螺旋29的钢杆6旋入剪切筒3内，钢杆6的上部连接螺栓9，钢杆6的上部旋入固定阀18，固定阀18连接扁平钢板15一端，扁平钢板15的另一端架设千分表17的下部支杆，进气管7连接输气管19，依次连接压力表20、减压阀22和气瓶21，压力室10放置在的承重板8上，压力室10的上部依次连接数据线11与剪力表12，压力室10的下部依次连接油管27与千斤顶24，千斤顶24上架设压力杆26，千斤顶24旁放置秒表25，将底座13放置在钻孔1m左右处，底座13上连接支杆14，支杆14上连接连接阀16，连接阀16上架设千分表17。

上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，压力室10中设置齿轮28，齿轮28中穿过支杆14，工作原理为利用压力杆26下压带动千斤顶24输出液压旋转齿轮28带动支杆14上移；剪切筒3的直径宜为88mm的弹性较好的厚1mm的精钢制成，其外部的剪切刀4与剪切筒3的交角宜为45°；剪切筒3外部设置的剪切刀4宜为16个，相互剪切刀4在剪切筒3圆心处的交角为22.5°；承重板8的横截面积需大于钻孔横截面积的2倍，其用途为防止上部的测量设备压垮钻孔口，掉入钻孔内；螺栓9用途为防止支杆14以及剪切筒3和气囊5，其外径需大于压力室10。

如图1所示，一种原位土体孔内剪切试验方法，其包括以下步骤：

1)钻孔。利用钻机将直径91mm的岩心管钻至测试深度，钻进过程中采用干钻法，并采用缓慢钻进，目的是为了保持孔壁光滑，同时避免水对钻孔壁2的浸泡，进而造成孔壁2的坍塌。钻孔后整平钻孔口的地面。

2)组装试验装置。在地面上，将进气管7连接气囊5，将气囊5放入剪切筒3内，将带有螺旋29的钢杆6旋入剪切筒3内；将进气管7连接输气管19，并依次连接压力表20、减压阀22和充满氮气的气瓶21；将压力室10放置在承重板8上，在压力室10的上部依次连接数据线11与剪力表12，在压力室10的下部依次连接油管27与千斤顶24，千斤顶24上架设压力杆26，千斤顶24旁放置秒表25，千斤顶24使用前需注满柴油；将底座13放置在钻孔1m左右处，底座13上连接支杆14，支杆14上连接连接阀16，连接阀16上架设千分表17。

3)下放设备。将钢杆6上部依次穿过承重板8与压力室10，将钢杆6及其连接的气囊5、剪切筒3依次垂直放入钻孔内，注意不要让剪切筒3产生摩擦，钢杆6及其连接的气囊5、剪切筒3的放入过程前需摆放好承重板8，使承重板中心对应钻孔中心；钢杆6及其连接的气囊5、剪切筒3的放入过程中用每隔1m用胶带绑紧钢杆6和进气管7；随着钢杆6及其连接的气囊5、剪切筒3的放入深度增大，可将多根钢杆6依次连接以增加放入深度；钢杆6及其连接的气囊5、剪切筒3的放入过程的深度增大，钢杆6的重量会增大，此时可在钢杆6的上部连接螺栓9，螺栓9的外径会大于压力室10，防止重量较重的钢杆6下滑至钻孔内。按照以上方法下放一种原位土体孔内剪切试验设备直至到测试深度。

4)固结。将钢杆6的上部旋入固定阀18，固定阀18连接扁平钢板15一端，将扁平钢板15的另一端架设千分表17，架设后对千分表17调零；打开气瓶21的开关，听到气体输入输气管19的声音后调节减压阀22，将减压阀22的输出气压调至500kPa，利用调节阀将输出气压调至第一级测固结气压，第一级测试气压宜为25kPa或50kPa或75kPa或100kPa，在上述第一级固结压力范围内随着土的硬度增大可逐渐增大，如淤泥采用25kPa、硬粘土采用100kPa；随着气压通过进气管7通入气囊5后，气囊5膨胀，带动剪切筒3外扩，使剪切刀4插入钻孔壁2内，保持15min或20min或25min或30min的固结试验，在上述固结时间范围内随着土的渗透系数增大可逐渐减小，如淤泥采用30kPa、砂土采用15kPa。

5)剪切。固结过程结束后，下压压力杆26，驱动千斤顶24输出压力，压力通过油管27带动齿轮28，进而带动带有螺旋29的钢杆6上提，随着钢杆6的上提，钢杆6下部的剪切筒4上的剪切刀4也上移产生剪应力，剪切刀4会剪切钻孔壁2外围土体；土体剪切过程中观察千分表17，同时记录剪力表读数，随着施加剪应力，压力表的读数会增大，直至土体发生剪切破坏，试验结束，若土体未发生剪切破坏，当剪应变达到15％时，也结束试验。需要注意的是，压力杆26下压的速度应控制在土体剪切应变速率为0.15％或0.2％或0.3％或0.5％，随着钻孔壁2周围土体硬度增大，土体的剪切速率增大，如淤泥采用0.15％、硬粘土采用0.5％，剪切速率可通过千分表17和秒表25获得。在第一级固结压力下的剪切试验结束后，对千斤顶24卸压，使剪力表12回零，然后重复上述固结过程与剪切过程3次。其中，每增加一级固结压力增加100kPa。

6)数据处理。利用记录的剪力表12读数为剪应力，千分表17记录的读数为土体位移，土体剪应变ε的计算公式为：

ε＝M·100％/H

式中，M为千分表17读数(cm)、H为剪切刀4的高度(cm)。

如图5所示，绘制土体的应力—应变曲线。在应力—应变曲线上选取应力最大值τ_f，依次找到4次不同固结压力σ下的τ_f，根据库伦定律，对σ—τ_f关系曲线进行线性拟合分析，得到如图6所示的关系曲线，线性拟合曲线的斜率K即为则arctanK即为土的内摩擦角，线性拟合曲线与纵坐标的交点为土的粘聚力C。

需说明的是，以上所述的实施方式是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域的普通技术人员的等同替换或根据现有技术而做的其它修改只要没有超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利和范围之内。

Claims (9)

1.一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：该原位土体孔内剪切试验装置包括：剪切筒、剪切刀、气囊、钢杆、进气管、承重板、螺栓、压力室、数据线、剪力表、底座、支杆、扁平钢板、连接阀、千分表、固定阀、输气管、压力表、气瓶、减压阀、调节阀、千斤顶、秒表、压力杆、油管、齿轮、螺旋，所述的剪切刀设置在剪切筒外部，输气管依次连接压力表、调节阀、减压阀和气瓶，进气管连接气囊，气囊放入剪切筒内，带有螺旋的钢杆旋入剪切筒内，钢杆的上部连接螺栓，钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，扁平钢板的另一端架设千分表的下部支杆，进气管连接输气管，依次连接压力表、减压阀和气瓶，压力室放置在承重板上，压力室内放置齿轮，齿轮中心穿过钢杆，压力室的上部依次连接数据线与剪力表，压力室的下部依次连接油管与千斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶旁放置秒表，将底座放置在钻孔附近，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设千分表。

2.根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述的剪切筒由1mm的精钢制成，所述剪切筒的直径为88mm，所述剪切刀与剪切筒的交角为45°。

3.根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述剪切筒外部设置的剪切刀为16个，相互剪切刀在剪切筒圆心处的交角为22.5°。

4.根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述承重板的横截面积大于钻孔横截面积的2倍。

5.根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述螺栓的外径大于压力室外径。

6.一种原位土体孔内剪切的试验方法，其试验方法包括以下步骤：

1)钻孔：利用钻机采用缓慢速率的干钻法将岩心管钻至测试深度，钻孔后整平钻孔口的地面；

2)组装试验装置：按照权利要求1中一种原位土体孔内剪切试验装置连接试验装置；

3)下放设备：将钢杆上部依次穿过承重板与压力室，将钢杆下部连接气囊与剪切筒，垂直放入钻孔内，钢杆放入钻孔过程中，每下放1m用胶带绑紧钢杆和进气管，随着钢杆放入深度增大，将多根钢杆依次连接以增加放入深度；为防止因钢杆重量过大将测试系统掉进钻孔底，钢杆的上部需连接固定螺栓；

4)固结：通过充满氮气的气瓶利用减压阀和调节阀输出气压鼓胀气囊，进而膨胀剪切筒外围剪切刀插入土体中，对土体进行固结；

5)剪切：固结结束后，利用千斤顶施加液压，带动齿轮上提钢杆并控制剪切速率，进而对土产生剪切破坏，在第一级固结压力下的剪切试验结束后，对千斤顶卸压，使剪力表回零，然后重复上述固结过程与剪切过程3次，固结采用多级加载的方式，一共施加4级；

6)数据处理：以剪力表读数为剪应力，千分表读数为土体位移，土体剪应变ε的计算公式为：

ε＝M·100％/H，

式中，M为千分表读数，单位为cm，H为剪切刀的高度，单位为cm，在应力—应变曲线上选取应力最大值τ_f，依次找到4次不同固结压力σ下的τ_f，对σ—τ_f关系曲线进行线性拟合分析，拟合曲线的斜率K，土的内摩擦角的计算公式为：

拟合曲线与纵坐标的交点为土的粘聚力C。

7.根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述的步骤5)中的第一级测试气压为25kPa、50kPa、75kPa或100kPa。

8.根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述的步骤5)中的固结时间为15min、20min、25min或30min。

9.根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述步骤5)中土体剪切速率为0.15％、0.2％、0.3％或0.5％。