CN105067435A - 一种土体原位钻孔剪切测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体原位钻孔剪切测试装置,主要由操作平台100、竖向拉力机构200、剪切探头300、支承油缸和加压气泵400组成;采用本发明装置钻孔剪切试验可以在原位快速确定土体粘聚力和内摩擦角,且相对于室内试验和钻孔剪切试验得到的数据更加简单和精确,装置便携性好:构造简单,一个人就可以完成试验操作和数据的采集,可以快速根据现场试验的结果决定是否继续多组试验,比室内三轴试验和直剪试验对土的扰动性小适用性强,可直接利用工程初期地质勘查阶段的取土钻孔进行试验,不重复钻孔,不浪费资源。
Description
技术领域
本发明涉及岩土性能测试装置,尤其是一种在原位测量细颗粒砂土,粘土和粉土土体的抗剪强度参数的装置。
背景技术
在岩土工程技术中,土的抗剪强度指标粘聚力和内摩擦角是重要力学性质,是工程设计计算的重要参数。通常测定土体抗剪强度指标采用的是室内剪切试验和原位剪切试验。室内剪切试验包括三轴实验和直接剪切试验,需要几个小时甚至几天时间来进行试验,而且通过现场取样,试样制作等等过程,对土体扰动非常大,排水条件也难以控制,上述因素均会造成测试结果和实际结果出入非常大。原位剪切试验在土体原位进行,土体保持天然含水率和天然应力状态,使试验结果真实可靠。但是常规原位剪切试验的周期长,人力、物力、时间上的耗费较大,试验过程中需要安装千斤顶以及反力装置,受场地条件制约明显,在工程建设项目开展前施行难度较大。
鉴于现有室内和原位试验方法的局限性,岩土工程界一直在寻找快速、简易、较可靠的确定土体,特别对软、中、硬土体的抗剪强度参数的原位测试手段。目前在国内应用广泛的岩石钻孔剪切测试装置可以在测试现场快速检测软岩和无法取芯岩石的剪切强度,具有操作简单和测试精度高的优点,但是对于强度远远小于岩石的土体并不适用。国内外现有的钻孔土体剪切测试装置构造过于复杂,钻孔后不能保证洞口附近实验面的绝对平整和试验仪器与孔洞轴线垂直,并且由于钻孔原因经常会导致洞口坍塌,导致无法正常安装测试装置。
发明内容
鉴于以上陈述的已有方案或相关技术的不足,本发明的目的在于提供一种土体原位钻孔剪切测试装置,能够方便快捷地在岩土工程建设中确定工程现场土体的抗剪强度参数。而且对于软、中、硬土体均适用。
为了实现上述目的,本发明的技术解决方案是:
一种土体原位钻孔剪切测试装置,其主要由操作平台100、竖向拉力机构200、剪切探头300、支承油缸和加压气泵400组成;操作平台100为一具有四脚支架的平台;一对支承油缸(520和530)将竖向拉力机构200支承在操作平台100上;拉杆600的一端与竖向拉力机构200的动力输出端相连,其另一端通过柔性挂链610挂置剪切探头300,竖向拉力机构200为拉杆600的竖向运动提供动力;剪切探头300具有两块环形锯齿剪切板:即第一环形锯齿剪切板310和第二环形锯齿剪切板320,双向活塞气缸330的气缸与第一环形锯齿剪切板310固联,双向活塞气缸330的活塞332与第二环形锯齿剪切板320固联;双向活塞气缸330的左气缸333和右气缸334分别通过气路与加压气泵400气路连接;操作平台100上设置有反应支承油缸油压的压力表510;加压气泵400气路设置有反应气路压力的气压表410。
采用如上的结构,竖向拉力机构带动拉杆在竖直方向运动,运动产生的作用于支承油缸的反作用力(此反作用力与土样剪切力数值相等)与剪切面积的比值(此比值即剪切应力)显示在测力计上。环形锯齿剪切板外部边缘布置两排剪切齿,在施加正应力时剪切齿嵌入到孔壁土体中来增加咬合作用,同时剪切板的剪切面有效面积是确定的,结合剪切拉力可以确定剪切应力。所述的加压工具可以根据实际需要采用不同规格的产品。
试验时在不同钻孔位置上进行不同正应力下的孔壁土体剪切试验,并利用不同正应力下的土体剪切破坏试验数据绘制破坏曲线,用以确定土体抗剪强度指标。
本发明装置实验时,钻孔剪切试验可以在原位快速确定土体粘聚力和内摩擦角,且相对于室内试验和钻孔剪切试验得到的数据更加简单和精确,装置便携性好:构造简单,一个人就可以完成试验操作和数据的采集,可以快速根据现场试验的结果决定是否继续多组试验,比室内三轴试验和直剪试验对土的扰动性小适用性强,可直接利用工程初期地质勘查阶段的取土钻孔进行试验,不重复钻孔,不浪费资源。
附图说明如下:
图1为本发明一种土体原位钻孔剪切测试装置整体示意图。
图2为本发明剪切探头纵向剖面图。
图3为本发明剪切探头俯视图。
图4为本发明环形锯齿剪切板立体图。。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰,下面结合附图对本发明作进一步的描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1-图4可看到本发明土体原位钻孔剪切测试装置主要由操作平台100、竖向拉力机构200、剪切探头300、支承油缸和加压气泵400组成;操作平台100为一具有四脚支架(120为支架之一)的平台;一对支承油缸(520和530)将竖向拉力机构200支承在操作平台100上;拉杆600的一端与竖向拉力机构200的动力输出端相连,其另一端通过柔性挂链610挂置剪切探头300,竖向拉力机构200为拉杆600的竖向运动提供动力,竖向拉力机构200可采用电机带动的蜗轮减速机构、卷扬机构;也可采用手动升降机构,图1中210为采用手动机构时的施力杆。柔性挂链610悬挂在拉杆600的一端头,其上挂置剪切探头300,这种柔性的悬挂使得剪切探头更容易保持与地心的垂直,使其比较准确地沿钻孔中心线升降。剪切探头300具有两块环形锯齿剪切板:即第一环形锯齿剪切板310和第二环形锯齿剪切板320,双向活塞气缸330的气缸与第一环形锯齿剪切板310固联,双向活塞气缸330的活塞332与第二环形锯齿剪切板320固联;双向活塞气缸330的左气缸333和右气缸334分别通过气路与加压气泵400气路连接,这样可分别地控制活塞的走向;操作平台100上设置有反应支承油缸油压的压力表510;加压气泵400气路设置有反应气路压力的气压表410。
实际实施时,调整四脚支架使操作平台与孔洞轴线垂直。试验深度比较大时,可以使用套管来使孔洞处于开放状态,同时是孔洞上部保持稳定,不发生坍塌破坏。
调整好操作平台后,将加压气泵400气路延伸出与双向活塞气缸330的左气缸333和右气缸334连接,保持制动状态以备用。将拉杆600拉的一端与竖向拉力机构200的动力输出端相连,其另一端通过柔性挂链610挂置剪切探头300。然后将剪切探头300慢慢放入孔洞中到达所要试验的深度,注意不要使环形锯齿剪切板与孔壁接触。
剪切探头到达试验深度后开始,通过空气泵对活塞气缸的左气缸进行充气加压,活塞带动使环形锯齿剪切板与孔壁完全接触并施加所需压力,加压过程使用液态二氧化碳施加压力亦可。与环形锯齿剪切板接触的土需要足够的时间进行固结,对于第一个数据点,干净的砂需要5分钟,粉土需要10分钟,大多数粘土需要15分钟。例如粘土,排水时间是累计的,随后的测试点通常需要5分钟或者10分钟进行固结。固结时间是否充分会体现在测试点上,如果破坏包络线突然变平或者曲线突然下降,那么需要在下个测试点增加固结时间以确认包络线的变化是否由孔隙水压力引起。
待固结完成以后,开始通过竖向拉力机构200施加向上拉力形成剪切应力。施加剪切力过程中要始终确保拉杆与孔洞轴线平行。摇动施力杆210,使竖向拉力机构200带动拉杆600在竖直方向运动,带动拉杆运动的力反作用于支承油缸上,此反作用力与土样剪切力数值相等,因为此力与环形锯齿剪切面有效面积的比值即为剪切应力值,压力表510的标度设置为表达为与所测压力相关联的剪切应力值,剪切应力值直接显示在压力表510上。竖向拉力机构的提升速率根据排水要求确定,同时观察测量计的读数,除去刚开始阶段松弛的部分,测力计的读数会稳定的增加,继续摇动施力杆210,直至测力计记录到最大数值时,土样达到破坏状态。然后反向摇动施力杆210直至测力计读数为零。记录好数值后继续进行后面的几组试验,增加正应力,注意时间,记录好正应力和最大剪切应力,至少重复4到5次试验,直至绘制成满意的剪切包络线。
试验完成后卸载左气缸内的压力,开通右气缸与空气泵连接,活塞向左回位带动环形锯齿剪切板脱离岩土,提升剪切探头并移出孔洞。
剪切面有效面积的确定:
以75mm孔径的钻孔为例,环形锯齿剪切板是标准的圆弧面,弧度为60°,剪切板直径d=75mm,h=30mm,从上至下依次排列10排剪切齿,剪切齿纵向剖面为等边三角形,有效面积为剪切齿表面斜面在水平方向的投影之和。
计算剪切面有效面积可以采用以下公式(1)进行计算:
式中:
A——为剪切面有效面积(mm2);
d——为圆弧直径(mm);
h——为剪切面高度(mm);
总有效剪切面积为两侧剪切面面积之和2A。
采用本发明的基本方案,在实际实施时,可以衍生出多种不同的等同方法和系统,但凡是根据发明的技术方案及其发明构思,加以等同替换与改变,均被认为属于发明的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种土体原位钻孔剪切测试装置,其特征在于,主要由操作平台(100)、竖向拉力机构(200)、剪切探头(300)、支承油缸和加压气泵(400)组成;操作平台(100)为一具有四脚支架的平台;一对支承油缸(520和530)将竖向拉力机构(200)支承在操作平台(100)上;拉杆(600)的一端与竖向拉力机构(200)的动力输出端相连,其另一端通过柔性挂链(610)挂置剪切探头(300),竖向拉力机构(200)为拉杆(600)的竖向运动提供动力;剪切探头(300)具有两块环形锯齿剪切板:即第一环形锯齿剪切板(310)和第二环形锯齿剪切板(320),双向活塞气缸(330)的气缸与第一环形锯齿剪切板(310)固联,双向活塞气缸(330)的活塞(332)与第二环形锯齿剪切板(320)固联;双向活塞气缸(330)的左气缸(333)和右气缸(334)分别通过气路与加压气泵(400)气路连接;操作平台(100)上设置有反应支承油缸油压的压力表(510);加压气泵(400)气路设置有反应气路压力的气压表(410)。
2.根据权利要求1所述的土体原位钻孔剪切测试装置,其特征在于:所述压力表(510)的标度设置为表达为与所测压力相关联的剪切应力值。
3.根据权利要求1所述的土体原位钻孔剪切测试装置,其特征在于:所述气压表(410)的标度设置为表达为与所测压力相关联的正应力值。
4.根据权利要求1所述的土体原位钻孔剪切测试装置,其特征在于:所述环形锯齿剪切板为标准圆弧形,圆弧的直径与探测孔洞的直径相同;环形锯齿剪切板外部边缘布置两排剪切齿,在施加正应力时剪切齿嵌入到孔壁土体中来使剪切探头与孔壁土体咬合,同时根据确定的环形锯齿剪切面有效面积,结合测力计测得的剪切拉力可以确定剪切应力。
5.根据权利要求1所述的土体原位钻孔剪切测试装置,其特征在于,所述竖向拉力机构(200)可采用:电机带动的蜗轮减速机构、卷扬机构;也可采用手动升降机构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151118 |