CN109443908A - 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法 - Google Patents

一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109443908A
CN109443908A CN201811616642.9A CN201811616642A CN109443908A CN 109443908 A CN109443908 A CN 109443908A CN 201811616642 A CN201811616642 A CN 201811616642A CN 109443908 A CN109443908 A CN 109443908A
Authority
CN
China
Prior art keywords
test
pore
sample
specimen tube
stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811616642.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109443908B (zh
Inventor
郑建国
张龙
于永堂
刘争宏
张继文
梁谊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Co Ltd Of Mechanical Industry Prospective Design Academy
Original Assignee
Co Ltd Of Mechanical Industry Prospective Design Academy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Co Ltd Of Mechanical Industry Prospective Design Academy filed Critical Co Ltd Of Mechanical Industry Prospective Design Academy
Priority to CN201811616642.9A priority Critical patent/CN109443908B/zh
Publication of CN109443908A publication Critical patent/CN109443908A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109443908B publication Critical patent/CN109443908B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/286—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q involving mechanical work, e.g. chopping, disintegrating, compacting, homogenising
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法，该装置包括测试试样制作机构、位移测量机构和钻孔剪切测量机构，以及控制模块，所述测试试样制作机构包括试样筒机构、夯实机构和成孔机构，所述试样筒机构包括试样筒、垫板和试验平台板，所述成孔机构包括成孔平台和安装在所述成孔平台上的薄壁成孔器，所述钻孔剪切测量机构包括剪切探头、拉杆和升降操作机构，所述位移测量机构包括支架、位移计和传动机构；该方法包括以下步骤：一、测试试样的制备；二、测试试样的成孔；三、钻孔剪切试验。本发明设计合理，获取位移应力关系曲线图和测试试样的抗剪强度参数，便于分析土体剪切过程的剪切应力应变特性。

Description

一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程测试技术领域，尤其是涉及一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法。
背景技术
抗剪强度参数是进行岩土工程勘察需要获得的重要参数之一，近年来钻孔剪切试验作为抗剪强度参数原位测试的方法被引入国内。目前该技术在国内发展还不够成熟，特别是在针对不同种类的土进行测试时，在首级法向应力、法向应力增量、固结时间等试验参数的选择上，经验积累还不够丰富。另外，在对土体进行剪切测试时，目前试验装置无法得到位移-剪切应力曲线，从而无法分析土体剪切过程的剪切应力应变特性。在现场对不同种类的土直接进行测试以获得该类土的试验参数存在三方面的问题，一是现场原状土存在分布不均匀的问题，很难实现试验的可重复性；二是由于钻孔孔壁受到扰动的问题，测试结果往往较为离散；三是目前试验需要花费较多的人力物力。为了获得某种土钻孔剪切试验适宜的试验参数，并实现土体剪切过程应力应变特性的分析，亟需开发一种设计合理且试验准确便捷，省时、省力，花费小的钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其设计合理且成本低，省时，省力，花费小，能获取位移应力关系曲线图和测试试样的抗剪强度参数，便于分析土体剪切过程的剪切应力应变特性，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：包括测试试样制作机构、位移测量机构和钻孔剪切测量机构，以及控制模块，所述测试试样制作机构包括供放置测试试样的试样筒机构、对所述试样筒机构内的土样进行夯实的夯实机构和对所述试样筒机构内的土样进行成孔的成孔机构，所述夯实机构包括承载板、竖直安装在承载板中心位置处的穿心杆和套设在穿心杆上且能沿穿心杆上下移动的重锤，所述试样筒机构包括试样筒、可拆卸安装在试样筒底部的垫板和可拆卸安装在试样筒顶部的试验平台板，所述试样筒内可拆卸安装有导向板，所述试样筒为有机玻璃试样筒，且所述试样筒上设置有刻度尺，所述成孔机构包括成孔平台和安装在所述成孔平台上的薄壁成孔器；
所述钻孔剪切测量机构包括伸入测试试样内的剪切探头、用于连接剪切探头的拉杆和与拉杆连接且拉动剪切探头上下移动的升降操作机构，所述位移测量机构包括安装在试验平台板上的支架、安装在支架上的位移计和安装在拉杆上且与位移计传动连接的传动机构；
所述控制模块包括控制器和与控制器相接的触摸屏，所述控制器的输入端接有用于检测剪切应力的剪切应力检测单元和用于检测剪切探头加载法向应力的法向应力检测单元，所述位移计的输出端与控制器相接。
上述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述重锤为圆柱体，所述重锤中心设置有供穿心杆穿过的通孔，所述重锤的顶面对称设置两个钢环，所述钢环上设置有尼龙绳。
上述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述试样筒的顶部外圆周设置有第一法兰，所述试样筒的底部外圆周设置有第二法兰，所述试验平台板的外圆周设置有第三法兰，所述垫板的外圆周设置有第四法兰，所述第一法兰和第三法兰以及第二法兰与第四法兰均通过螺钉可拆卸连接；
所述试验平台板的中心开设有供所述钻孔剪切测量机构和成孔管穿设的第一通孔，所述试验平台板上设置有供支架安装的螺孔，所述导向板的中心开设有供成孔管穿设的第二通孔。
上述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述成孔平台包括供试样筒机构放置的底板、安装在底板两端且呈对称布设的立柱和安装在两个立柱上且能沿立柱上下移动的横梁以及放置在横梁上的穿心千斤顶，所述薄壁成孔器包括由下至上依次连接的成孔管、顶帽和拉拔杆，所述拉拔杆上端设置有锚固螺丝；
所述底板为长方形钢板，所述底板的两端设置有供立柱安装的立柱安装螺孔，所述立柱的上部开有供横梁上下移动的螺纹部，所述横梁的两端设置有横梁端通孔，所述横梁端通孔的直径大于立柱的直径，所述横梁的两端能穿设在立柱上，所述立柱上设置有调节横梁高度的螺母，所述螺母的数量为两个，两个所述螺母位于调节横梁的上下侧，所述横梁的中心设置有供薄壁成孔器穿设的横梁中心通孔；
所述穿心千斤顶为高行程千斤顶，所述穿心千斤顶的穿心孔的直径大于所述薄壁成孔器中的拉拔杆的外径。
上述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述传动机构包括传动板、设置在传动板上的连接杆和安装在所述拉杆上且与所述连接杆固定连接的第一抱箍，所述传动板中心位置处设置有供位移计的伸缩探针伸入的凹槽；
所述支架包括竖直杆和安装在竖直杆上端的水平杆，所述竖直杆安装在试验平台板上，所述水平杆的一端设置有供位移计安装的第二抱箍，所述竖直杆的上端设置有供水平杆安装的第三抱箍。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且施工便捷的一种钻孔剪切试验的室内模型试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、测试试样的制备：
步骤101、依据公式得到5cm高试样需要的土样质量m；其中，ρd表示所需土样的干密度，D为试样筒的内直径，w表示所需土样的质量含水率；
步骤102、称取多份质量为m的土样，放入试样筒内摊平，并采用所述夯实机构对试样筒的土样进行夯实，直至试样筒内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样的制备；其中，每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤二、测试试样的成孔：
将试样筒放置在所述成孔平台上，并采用所述薄壁成孔器使测试试样内形成测试试样通孔；其中，所述试样筒的直径大于测试试样通孔的直径的6倍；
步骤三、钻孔剪切试验：
步骤301、将试样筒从所述成孔平台中取下，并将所述钻孔剪切测量机构安装在试验平台板上；
步骤302、手动上下拉动调节拉杆的高度，将剪切探头放置在测试试样通孔内中部并固定；其中，所述剪切探头的水平中心线距离测试试样通孔的水平中心线之间的间距小于5cm；
步骤303、将所述支架安装所述试验平台板上，并在所述支架上安装位移计；其中，所述位移计通过所述传动机构与拉杆传动连接；
步骤304、根据公式IL＝-0.431ln(p1)+2.072，得到首级加载的法向应力p1；其中，IL为测试试样的液性指数；
步骤305、操作剪切头施加首级加载的法向应力p1至测试试样通孔内壁20min～30min，直至使测试试样通孔内壁固结；
步骤306、位移计获取剪切探头的初始位移，并将剪切探头的初始位移记作零；之后，操作所述升降操作机构拉动剪切头向上移动，在剪切头对测试试样通孔的土体进行剪切的过程中，剪切头每向上移动l位移时，位移计获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元获取一个剪切应力，并将获取的多个实际剪切位移和多个剪切应力发送至控制器；其中，实际剪切位移是指与剪切探头的初始位移之间的位移；
步骤307、控制器将接收到的多个剪切应力进行比较，当时，则首级加载的法向应力中第j次向上移动l位移时获取的剪切应力为最大剪切应力停止对测试试样通孔的土体进行剪切；其中，j为正整数，且2≤j≤N；N为正整数，N表示剪切头向上移动的次数，将第j次向上移动l位移时的实际剪切位移记作Lj，表示首级加载的法向应力中第j-1次向上移动l位移时获取的剪切应力，表示首级加载的法向应力中第j+1次向上移动l位移时获取的剪切应力；
步骤308、反向操作所述升降操作机构对剪切应力进行卸载，使剪切应力检测单元获取的剪切应力等于零；
步骤309、控制器以剪切头的实际剪切位移Lj为横坐标，以剪切应力Fj为纵坐标，控制器绘制出剪切头的剪切位移与剪切应力的位移应力关系曲线图；
步骤3010、根据公式IL＝-0.028pf+0.678，得到下一级加载的法向应力相比上一级加载的法向应力的法向应力增量pf，操作剪切头施加下一加载法向应力至测试试样通孔内壁10min～15min，直至使测试试样通孔内壁固结，并重复步骤306至步骤308，得到下一级加载的法向应力时的最大剪切应力和位移应力关系曲线图；
步骤3011、多次重复步骤306至步骤309，直至达到设定的加载法向应力次数n时，停止法向应力加载，得到多个最大剪切应力，并分别记作并将各个最大剪切应力所对应的加载法向应力记作p1，p2，...，pi，...，pn；其中，表示第i级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第n级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第二级加载的法向应力时的最大剪切应力，pi表示第i级的加载法向应力，pn表示第n级的加载法向应力，p2表示第二级的加载法向应力，i为正整数，且1≤i≤n，n为正整数，且4≤n≤5；
步骤3012、控制器以最大剪切应力为纵坐标，以加载法向应力为横坐标，绘制得到的最大剪切应力和各个最大剪切应力所对应的加载法向应力p1，p2，...，pi，...，pn的各个点，并拟合得到加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线，加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线与以加载法向应力为横坐标轴之间的夹角为测试试样的内摩擦角，且加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线在以最大剪切应力为纵坐标轴上的截距为测试试样的黏聚力，则获取测试试样的抗剪强度参数。
上述的方法，其特征在于：所述成孔平台包括供试样筒机构放置的底板、安装在底板两端且呈对称布设的立柱和安装在两个立柱上且能沿立柱上下移动的横梁以及放置在横梁上的穿心千斤顶，所述薄壁成孔器包括由下至上依次连接的成孔管、顶帽和拉拔杆，所述拉拔杆上端设置有锚固螺丝；
步骤二中测试试样的成孔，具体过程如下：
步骤201、拆除试样筒底部的垫板，将盛装测试试样的试样筒放置在成孔平台中的底板上，将导向板安装于试样筒内的测试试样表面，并将试验平台板安装于试样筒顶部；其中，所述试样筒位于成孔平台内中心位置；
步骤202、将成孔管插入试验平台板和导向板，将垫板放置在成孔管的顶部，并放置穿心千斤顶于垫板上；然后调节横梁的高度，直至横梁的底面接触穿心千斤顶中活塞的顶面；
步骤203、操作穿心千斤顶使活塞伸长，穿心千斤顶伸长将所述成孔管压入测试试样内；其中，成孔管压入测试试样的深度不超过10cm，且所述成孔管的中心与所述测试试样的中心重合；
步骤204、操作穿心千斤顶使活塞收缩，取下穿心千斤顶和下垫板，将穿心千斤顶置于横梁上，使穿心千斤顶的中心与横梁的中心线重合；将成孔管上端安装顶帽，将所述拉拔杆穿过所述穿心千斤顶和横梁并连接于所述顶帽上，并在拉拔杆伸出穿心千斤顶的上端安装锚固螺丝；其中，所述锚固螺丝与穿心千斤顶的活塞紧密接触；
步骤205、操作穿心千斤顶使活塞伸长，穿心千斤顶伸长带动拉拔杆提拉，在拉拔杆的提拉作用下将所述成孔管抽出测试试样；
步骤206、操作穿心千斤顶使活塞收缩，拆卸成孔管、顶帽、拉拔杆和锚固螺丝，并对成孔管内的土样进行清除；
步骤207、多次重复步骤202至步骤206，直至测试试样内形成测试试样通孔。
上述的方法，其特征在于：所述升降操作机构包括传力基座、安装在传力基座上的蜗杆和与蜗杆传动连接的环形齿轮和设置在环形齿轮内且与环形齿轮螺纹连接的空心螺杆，所述空心螺杆的顶端设置有对拉杆进行夹持的拉杆夹钳，所述传力基座上设置有供蜗杆安装的蜗杆安装座，所述蜗杆安装座上设置有对拉杆夹钳进行固定的固定支撑杆，所述传力基座的底部设置有支撑油缸；
步骤306中位移计获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元获取一个剪切应力的具体过程如下：
步骤3061、操作蜗杆转动带动环形齿轮转动，在固定支撑杆与拉杆夹钳限位的作用下，空心螺杆带动拉杆夹钳向上运动，拉杆夹钳向上运动带动拉杆向上运动；
步骤3062、在拉杆向上运动的过程中，通过传动机构带动位移计的伸缩探针向上移动，位移计检测到拉杆向上运动的位移，则获得剪切探头的剪切位移，并发送至控制器；
步骤3063、在拉杆向上运动的过程中，带动拉杆向上运动的力通过传力基座反作用于支撑油缸上，剪切应力检测单元对作用在支撑油缸上的反作用力进行检测，并发送至控制器；其中，剪切应力检测单元检测到的反作用力记作Fz；
步骤3064、控制器调取比值模块，将剪切应力检测单元检测到的反作用力Fz与剪切探头的剪切面有效面积进行比值处理，得到剪切探头的剪切应力值。
上述的方法，其特征在于：步骤102中采用所述夯实机构对试样筒的土样进行夯实，具体过程如下：
步骤1021、拆除试样筒机构中的导向板和试样筒机构顶部的试验平台板，将所述夯实机构放入试样筒内，直至夯实机构中承载板接触土样；其中，所述夯实机构中穿心杆位于试样筒内的中心位置；
步骤1022、通过尼龙绳沿穿心杆提拉重锤，然后释放重锤使重锤自由下落至所述承载板，对所述承载板下方的土样进行夯实，直至每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤1023、多次重复步骤1022，直至试样筒内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样的制备；其中，所述试样筒内的土样的高度通过所述刻度尺获取，所述测试试样为圆柱体。
上述的方法，其特征在于：步骤307中30≤N≤40，位移l的取值范围为0.15mm～0.2mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用的室内模型试验装置结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低。
2、所采用的室内模型试验装置中包括试样筒机构、夯实机构和成孔机构，试样筒机构内放置测试试样，且试样筒机构采用透明的有机玻璃制成并设置有刻度标，方便了测试试样制作过程中对测试试样均匀性的控制；设置夯实机构以对试样筒机构内的测试试样进行夯实至试样目标高度设定值，确保测试试样制作满足试验要求；设置成孔机构，是为了将试样筒机构放置后对试样筒机构内测试试样进行成孔，形成含有测试试样通孔的测试试样，整个制备过程操作简便，且保证测试土样相同，便于进行试验的可重复性。
3、所采用的室内模型试验装置中成孔机构包括成品平台和薄壁成孔器，品平台和薄壁成孔器配合，实现对测试试样的分阶段成孔，加之辅以成孔时的导向板，减小了成孔过程对孔壁的扰动，进而减小测试结果的离散，控制了成孔直径，提高了测试的精度。
4、所采用的室内模型试验装置设置位移测量机构和钻孔剪切测量机构，是为了在测试试样通孔内的土体进行剪切的过程，实现对实际剪切位移的检测；钻孔剪切测量机构一方面是为了加载法向应力至测试试样通孔内土体上，另一方面能在进行剪切的过程，实现剪切应力的检测，从而能测试试样的位移应力关系曲线图，为分析土体剪切过程中的剪切应力应变特性提供了依据。
5、本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法步骤简单、实现方便且操作简便，首先利用试样筒机构和夯实机构制得测试试样，测试试样均匀可靠，然后，利用成孔平台及薄壁成孔器进行分阶段钻孔，减小了成孔过程对孔壁的扰动，有效保证了测试试样的成孔直径，最后通过位移测量机构和钻孔剪切测量机构获得土体在不同级加载的法向应力下的剪切过程的位移应力关系曲线图，并通过加载法向应力与最大剪切应力的多个对应关系绘制出加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线，求得测试试样的抗剪强度参数。
综上所述，本发明设计合理且成本低，省时，省力，花费小，能获取位移应力关系曲线图和测试试样的抗剪强度参数，便于分析土体剪切过程的剪切应力应变特性，实用性强。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置夯实机构的结构示意图。
图2为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置试样筒机构的结构示意图。
图3为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置成孔平台的结构示意图。
图4为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置薄壁成孔器的结构示意图。
图5为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置位移量测机构的结构示意图。
图6为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法测试试样的制备的结构示意图。
图7为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法测试试样的成孔的第一阶段结构示意图。
图8为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法测试试样的成孔的第二阶段结构示意图。
图9为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法钻孔剪切试验的试验的结构示意图。
图10为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验装置控制模块的电路原理框图。
图11为本发明钻孔剪切试验的室内模型试验方法的流程框图。
附图标记说明:
1-1—重锤； 1-1-1—钢环； 1-1-2—尼龙绳；
1-2—穿心杆； 1-3—承载板； 2-1—试验平台板；
2-1-1—第三法兰； 2-1-2—第一通孔； 2-1-3—螺孔；
2-2—导向板； 2-2-1—第二通孔； 2-3—垫板；
2-3-1—第四法兰； 2-4—试样筒； 2-4-1—刻度尺；
2-4-2—第一法兰； 2-4-3—第二法兰； 3-1—成孔管；
3-1-1—刃脚； 3-2—顶帽； 3-2-1—内丝；
3-2-2—外丝； 3-2-3—通气孔； 3-3—拉拔杆；
3-3-1—拉拔螺纹部； 3-3-2—锚固螺丝； 4-1—底板；
4-1-1—立柱安装螺孔； 4-2—立柱； 4-2-1—螺纹部；
4-3—横梁； 4-3-1—横梁端通孔；
4-3-2—横梁中心通孔； 4-4—穿心千斤顶；
4-4-1—穿心孔； 4-4-2—活塞； 4-5—螺母；
5-1—传动机构； 5-1-1—第一抱箍； 5-1-2—传动板；
5-2—支架； 5-2-1—竖直杆； 5-2-1-1—第三抱箍；
5-2-2—水平杆； 5-2-2-1—第二抱箍；
5-3—位移计； 6-1—剪切探头； 6-2—拉杆；
6-3—蜗杆； 6-4—固定支撑杆； 6-5—传力基座；
6-6—支撑油缸； 6-7—环形齿轮； 6-8—空心螺杆；
6-9—拉杆夹钳； 7—测试试样； 7-1—测试试样通孔；
8—控制器； 9—触摸屏； 11—剪切应力检测单元；
12—法向应力检测单元。
具体实施方式
如图1、图2、图5、图8、图9和图10所示的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，包括测试试样制作机构、位移测量机构和钻孔剪切测量机构，以及控制模块，所述测试试样制作机构包括供放置测试试样的试样筒机构、对所述试样筒机构内的土样进行夯实的夯实机构和对所述试样筒机构内的土样进行成孔的成孔机构，所述夯实机构包括承载板1-3、竖直安装在承载板1-3中心位置处的穿心杆1-2和套设在穿心杆1-2上且能沿穿心杆1-2上下移动的重锤1-1，所述试样筒机构包括试样筒2-4、可拆卸安装在试样筒2-4底部的垫板2-3和可拆卸安装在试样筒2-4顶部的试验平台板2-1，所述试样筒2-4内可拆卸安装有导向板2-2，所述试样筒2-4为有机玻璃试样筒，且所述试样筒2-4上设置有刻度尺2-4-1，所述成孔机构包括成孔平台和安装在所述成孔平台上的薄壁成孔器；
所述钻孔剪切测量机构包括伸入测试试样内的剪切探头6-1、用于连接剪切探头6-1的拉杆6-2和与拉杆6-2连接且拉动剪切探头6-1上下移动的升降操作机构，所述位移测量机构包括安装在试验平台板2-1上的支架5-2、安装在支架5-2上的位移计5-3和安装在拉杆6-2上且与位移计5-3传动连接的传动机构5-1；
所述控制模块包括控制器8和与控制器8相接的触摸屏9，所述控制器8的输入端接有用于检测剪切应力的剪切应力检测单元11和用于检测剪切探头6-1加载法向应力的法向应力检测单元12，所述位移计5-3的输出端与控制器8相接。
本实施例中，所述重锤1-1为圆柱体，所述重锤1-1中心设置有供穿心杆1-2穿过的通孔，所述重锤1-1的顶面对称设置两个钢环1-1-1，所述钢环1-1-1上设置有尼龙绳1-1-2；
如图2所示，本实施例中，所述试样筒2-4的顶部外圆周设置有第一法兰2-4-2，所述试样筒2-4的底部外圆周设置有第二法兰2-4-3，所述试验平台板2-1的外圆周设置有第三法兰2-1-1，所述垫板2-3的外圆周设置有第四法兰2-3-1，所述第一法兰2-4-2和第三法兰2-1-1以及第二法兰2-4-3与第四法兰2-3-1均通过螺钉可拆卸连接；
所述试验平台板2-1的中心开设有供所述钻孔剪切测量机构和成孔管3-1穿设的第一通孔2-1-2，所述试验平台板2-1上设置有供竖直杆5-2-1安装的螺孔2-1-3，所述导向板2-2的中心开设有供成孔管3-1穿设的第二通孔2-2-1。
如图3和图4所示，本实施例中，所述成孔平台包括供试样筒机构放置的底板4-1、安装在底板4-1两端且呈对称布设的立柱4-2和安装在两个立柱4-2上且能沿立柱4-2上下移动的横梁4-3以及放置在横梁4-3上的穿心千斤顶4-4，所述薄壁成孔器包括由下至上依次连接的成孔管3-1、顶帽3-2和拉拔杆3-3，所述拉拔杆3-3上端设置有锚固螺丝3-3-2；
所述底板4-1为长方形钢板，所述底板4-1的两端设置有供立柱4-2安装的立柱安装螺孔4-1-1，所述立柱4-2的上部开有供横梁4-3上下移动的螺纹部4-2-1，所述横梁4-3的两端设置有横梁端通孔4-3-1，所述横梁端通孔4-3-1的直径大于立柱4-2的直径，所述横梁4-3的两端能穿设在立柱4-2上，所述立柱4-2上设置有调节横梁4-3高度的螺母4-5，所述螺母4-5的数量为两个，两个所述螺母4-5位于调节横梁4-3的上下侧，所述横梁4-3的中心设置有供薄壁成孔器穿设的横梁中心通孔4-3-2；
所述穿心千斤顶4-4为高行程千斤顶，所述穿心千斤顶4-4的穿心孔4-4-1的直径大于所述薄壁成孔器中的拉拔杆3-3的外径。
如图5所示，本实施例中，所述传动机构5-1包括传动板5-1-2、设置在传动板5-1-2上的连接杆和安装在所述拉杆6-2上且与所述连接杆固定连接的第一抱箍5-1-1，所述传动板5-1-2中心位置处设置有供位移计5-3的伸缩探针伸入的凹槽；
所述支架5-2包括竖直杆5-2-1和安装在竖直杆5-2-1上端的水平杆5-2-2，所述竖直杆5-2-1安装在试验平台板2-1上，所述水平杆5-2-2的一端设置有供位移计5-3安装的第二抱箍5-2-2-1，所述竖直杆5-2-1的上端设置有供水平杆5-2-2安装的第三抱箍5-2-1-1。
本实施例中，垫板2-3、试验平台板2-1和导向板2-2与试样筒2-4可拆卸连接，第一，是为了便于拆卸试验平台板2-1，便于将所述夯实机构放入试样筒2-4对土样进行夯实；第二，是为了在放入成孔平台内时，将垫板2-3进行拆除，从而辅助成孔平台和薄壁成孔器对试样筒2-4内的测试试样7进行成孔；第三，是为了供薄壁成孔器穿过，且对薄壁成孔器进行导向限位，减小了成孔过程对孔壁的扰动，控制了成孔直径，提高了测试的精度。
本实施例中，承载板1-3的设置，第一，是为了便于穿心杆1-2的安装，从而便于重锤1-1安装，给重锤1-1提供一个上下移动的路径，限制了重锤1-1的移动路径，以使重锤1-1能实时下落在承载板1-3上；第二，是为了重锤1-1下落的巨大压力通过承载板1-3传递至测试试样，从而保证承载板1-1底部的测试试样能承受的压力均匀，进而实现对测试试样的均匀夯实；第三，是为了便于夯实机构能够放置，便于存储。
本实施例中，设置试样筒2-4为有机玻璃筒，且所述试样筒2-4上设置有刻度尺2-4-1，第一是为了便于查看重锤1-1上拉的高度，确保重锤1-1的压力一定，便了测试试样制备过程中对测试试样均匀性的控制；第二，是为了通过刻度尺查看测试试样是否夯实至目标设定高度，满足实验要求，提高了测试试样制备的准确性。
本实施例中，设置升降操作机构，是为了带动剪切探头6-1移动，以获取最大剪切应力，从而便于获取测试试样7的抗剪强度参数。
本实施例中，设置传动机构5-1，是为了将拉杆6-2的上下移动传动至位移计5-3的伸缩探针的伸缩移动，从而便于位移计5-3获取拉杆6-2的移动位移，进而获取剪切探头6-1的剪切位移。
本实施例中，第一法兰2-4-2的设置，是为了便于安装试验平台板2-1，从而配合试验平台板2-1圆周设置的第三法兰2-1-1，便于试验平台板2-1和试样筒2-4的顶部可拆卸连接；第二法兰2-4-3的设置，是为了便于安装垫板2-3，从而配合试垫板2-3圆周设置的第四法兰2-3-1，便于垫板2-3和试样筒2-4的低部可拆卸连接；另外法兰连接结构简单，省时省力，且测试成本较低；其次，法兰会增加试样筒2-4的稳定性，便于试样筒2-4放置。
本实施例中，试验平台板2-1的设置，第一，是为了供位移测量机构的可拆卸安装；第二，是为了便于升降操作机构的安装，并为升降操作机构提供支撑反力。
本实施例中，横梁4-3的设置，第一，是为了限制穿心千斤顶4-4的顶部高度，为穿心千斤顶4-4提供反力，从而推动穿心千斤顶4-4的底部和垫板2-3而推动薄壁成孔器插入测试试样7成孔；第二，是为了能在立柱4-2上移动，从而实现测试试样7中不同高度的成孔；第三，是为了对穿心千斤顶4-4的底部高度进行限制，为穿心千斤顶4-4提供反力，从而使得穿心千斤顶4-4使活塞伸长带动薄壁成孔器拔出测试试样7。
本实施例中，所述成孔管3-1的壁厚不大于2mm，所述成孔管3-1的底端口设置有刃脚3-1-1，所述刃脚3-1-1为由下至上逐渐向成孔管3-1外倾斜，且刃脚3-1-1与竖直方向之间的夹角为15度。
本实施例中，刃脚3-1-1的设置，刃脚3-1-1为由下至上逐渐向成孔管3-1外倾斜减小了成孔过程对孔壁的扰动。
本实施例中，成孔管3-1的壁厚不大于2mm，是为了便于成孔管3-1插入测试试样7，减少了成孔管3-1的壁厚对测试试样7内成孔的孔壁的干扰，确保测试试样7内测试试样通孔7-1的成孔准确。
本实施例中，穿心千斤顶4-4的设置，是为了便于成孔管3-1和拉拔杆3-3的穿设；另外，一方面是为了给成孔管3-1提供压力，以使成孔管3-1插入测试试样7内成孔；另一方面，是为了对成孔管3-1提供拉力，便于将成孔管3-1从测试试样7内拔出清理，一遍下一阶段的成孔。
本实施例中，拉拔杆3-3的设置，是为了便于将成孔管3-1和穿心千斤顶4-4固定连接，将穿心千斤顶4-4的直线运动转换为拉拔杆3-3的直线运动，拉拔杆3-3的直线运动进而转为成孔管3-1的直线运动，从而将成孔管3-1拔出测试试样7；另外，拉拔杆3-3增加了成孔管3-1的高度，为成孔管3-1的拔出节省力。
本实施例中，所述顶帽3-2的上端设置有与拉拔杆3-3可拆卸连接的内丝3-2-1，所述顶帽3-2的下端设置有与成孔管3-1可拆卸连接的外丝3-2-2，所述顶帽3-2的侧壁上开有通气孔3-2-3，所述通气孔3-2-3的高度高于成孔管3-1的高度，所述成孔管3-1的高度大于所述试样筒2-4的高度，所述拉拔杆3-3上端设置有拉拔螺纹部3-3-1，所述锚固螺丝3-3-2套设在拉拔螺纹部3-3-1上；
本实施例中，通气孔3-2-3的设置，是为了排空成孔管3-1的气体，避免成孔管3-1插入测试试样7中内部压力大，造成成孔管3-1的爆破。
本实施例中，所述传动板5-1-2内设置凹槽，第一，是为了对位移计5-3的伸缩探针进行限位，从而确保位移计5-3的伸缩探针与传动板5-1-2的中心位置重合，避免位移计5-3的伸缩探针偏移造成剪切位移获取的误差较大；第二，是为了位移计5-3的伸缩探针能沿凹槽转动，实现位移计5-3的方位的调节，以满足测试安装需求。
本实施例中，第三抱箍5-2-1-1的设置，是为了调节水平杆5-2-2在竖直杆5-2-1上的高度，避免水平杆5-2-2安装在竖直杆5-2-1的位置过高，位移计5-3的伸缩探针无法输入传动板5-1-2的凹槽，就无法测量实际剪切位移；从而避免水平杆5-2-2安装在竖直杆5-2-1的位置过低，位移计5-3的伸缩探针就需要回弹很多才能伸入传动板5-1-2的凹槽，使得位移计5-3的测量量程受限。
本实施例中，触摸屏9的设置，一方面，是为了输入首级加载的法向应力和下一级加载的法向应力相比上一级加载的法向应力的法向应力增量；另一方面，是为了对剪切位移和剪切应力进行显示。
本实施例中，剪切应力检测单元11和法向应力检测单元11均为压力传感器。
如图11所示的一种钻孔剪切试验的室内模型试验方法，包括以下步骤：步骤一、测试试样的制备：
步骤101、依据公式得到5cm高试样需要的土样质量m；其中，ρd表示所需土样的干密度，单位g/cm3；D为试样筒2-4的内直径，单位cm；w表示所需土样的质量含水率；
步骤102、称取多份质量为m的土样，放入试样筒2-4内摊平，并采用所述夯实机构对试样筒2-4的土样进行夯实，直至试样筒2-4内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样7的制备；其中，每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤二、测试试样的成孔：
将试样筒2-4放置在所述成孔平台上，并采用所述薄壁成孔器使测试试样7内形成测试试样通孔7-1；其中，所述试样筒2-4的直径大于测试试样通孔7-1的直径的6倍；
步骤三、钻孔剪切试验的试验：
步骤301、将试样筒2-4从所述成孔平台中取下，并将所述钻孔剪切测量机构安装在试验平台板2-1上；
步骤302、手动上下拉动调节拉杆6-2的高度，将剪切探头6-1放置在测试试样通孔7-1内中部并固定；其中，所述剪切探头6-1的水平中心线距离测试试样通孔7-1的水平中心线之间的间距小于5cm；
步骤303、将所述支架5-2中的竖直杆5-2-1通过螺孔2-1-3安装所述试验平台板2-1上，并将第一抱箍5-1-1与拉杆6-2上端固定连接；然后，通过第三抱箍5-2-1-1安装水平杆5-2-2，并在水平杆5-2-2的一端安装位移计5-3；其中，所述位移计5-3的伸缩探针伸入传动板5-1-2内的凹槽中；
步骤304、根据公式IL＝-0.431ln(p1)+2.072，得到首级加载的法向应力p1；其中，IL为测试试样7的液性指数；
步骤305、操作剪切头6-1施加首级加载的法向应力p1至测试试样通孔7-1内壁20min～30min，直至使测试试样通孔7-1内壁固结；
步骤306、位移计5-3获取剪切探头6-1的初始位移，并将剪切探头6-1的初始位移记作零；之后，操作蜗杆6-3通过拉杆6-2拉动剪切头6-1向上移动，在剪切头6-1对测试试样通孔7-1的土体进行剪切的过程中，剪切头6-1每向上移动l位移时，位移计5-3获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元11获取一个剪切应力，并将获取的多个实际剪切位移和多个剪切应力发送至控制器8；其中，实际剪切位移是指与剪切探头6-1的初始位移之间的位移；
步骤307、控制器8将接收到的多个剪切应力进行比较，当时，则首级加载的法向应力中第j次向上移动l位移时获取的剪切应力为最大剪切应力停止对测试试样通孔7-1的土体进行剪切；其中，j为正整数，且1≤j≤m；m为正整数，m表示剪切头6-1向上移动的次数，将第j次向上移动l位移时的实际剪切位移记作Lj，表示首级加载的法向应力中第j-1次向上移动l位移时获取的剪切应力，表示首级加载的法向应力中第j+1次向上移动l位移时获取的剪切应力；
步骤308、反向操作蜗杆6-3对剪切应力进行卸载，使剪切应力检测单元11获取的剪切应力等于零；
步骤309、控制器8以剪切头6-1的实际剪切位移Lj为横坐标，以剪切应力Fj为纵坐标，控制器8绘制出剪切头6-1的剪切位移与剪切应力的位移应力关系曲线图；
步骤3010、根据公式IL＝-0.028pf+0.678，得到下一级加载的法向应力相比上一级加载的法向应力的法向应力增量pf，操作剪切头6-1施加下一加载法向应力至测试试样通孔7-1内壁10min～15min，直至使测试试样通孔7-1内壁固结，并重复步骤306至步骤308，得到下一级加载的法向应力时的最大剪切应力和位移应力关系曲线图；
步骤3011、多次重复步骤306至步骤309，直至达到设定的加载法向应力次数n时，停止法向应力加载，得到多个最大剪切应力，并分别记作并将各个最大剪切应力所对应的加载法向应力记作p1，p2，...，pi，...，pn；其中，表示第i级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第n级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第二级加载的法向应力时的最大剪切应力，pi表示第i级的加载法向应力，pn表示第n级的加载法向应力，p2表示第二级的加载法向应力，i为正整数，且1≤i≤n，n为正整数，且4≤n≤5；
步骤3012、控制器8以最大剪切应力为纵坐标，以加载法向应力为横坐标，绘制得到的最大剪切应力和各个最大剪切应力所对应的加载法向应力p1，p2，...，pi，...，pn的各个点，并拟合得到加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线，加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线与以加载法向应力为横坐标轴之间的夹角为测试试样7的内摩擦角，且加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线在以最大剪切应力为纵坐标轴上的截距为测试试样7的黏聚力，则获取测试试样7的抗剪强度参数。
如图7和图8所示，本实施例中，步骤二中测试试样的成孔，具体过程如下：
步骤201、拆除试样筒2-4底部的垫板2-3，将盛装测试试样7的试样筒2-4放置在成孔平台中的底板4-1上，将导向板2-2安装于试样筒2-4内的测试试样7表面，并将试验平台板2-1通过第一法兰2-1-1安装于试样筒2-4顶部；其中，所述试样筒2-4位于成孔平台内中心位置；
步骤202、将成孔管3-1插入试验平台板2-1和导向板2-2，将垫板2-3放置在成孔管3-1的顶部，并放置穿心千斤顶4-4于垫板2-3上；然后通过螺母4-5调节横梁4-3的高度，直至横梁4-3的底面接触穿心千斤顶4-4中活塞的顶面；
步骤203、操作穿心千斤顶4-4使活塞4-4-2伸长，穿心千斤顶4-4伸长将所述成孔管3-1压入测试试样7内；其中，成孔管3-1压入测试试样7的深度不超过10cm，且所述成孔管3-1的中心与所述测试试样7的中心重合；
步骤204、操作穿心千斤顶4-4使活塞4-4-2收缩，取下穿心千斤顶4-4和下垫板2-3，将穿心千斤顶4-4置于横梁4-3上，使穿心千斤顶4-4的穿心孔4-4-1与横梁4-3的横梁中心通孔4-3-2的竖直中心线重合；将成孔管3-1上端安装顶帽3-2，将所述拉拔杆3-3穿过所述穿心千斤顶4-4的穿心孔4-4-1和横梁4-3的横梁中心通孔4-3-2并连接于所述顶帽3-2上，并在拉拔杆3-3伸出穿心千斤顶4-4的上端安装锚固螺丝3-3-2；其中，所述锚固螺丝3-3-2与穿心千斤顶4-4的活塞4-4-2紧密接触；
步骤205、操作穿心千斤顶4-4使活塞4-4-2伸长，穿心千斤顶4-4伸长带动拉拔杆3-3提拉，在拉拔杆3-3的提拉作用下将所述成孔管3-1抽出测试试样7；
步骤206、操作穿心千斤顶4-4使活塞4-4-2收缩，拆卸成孔管3-1、顶帽3-2、拉拔杆3-3和锚固螺丝3-3-2，并对成孔管3-1内的土样进行清除；
步骤207、多次重复步骤202至步骤206，直至测试试样7内形成测试试样通孔7-1。
如图9和图10所示，本实施例中，所述升降操作机构包括传力基座6-5、安装在传力基座6-5上的蜗杆6-3和与蜗杆6-3传动连接的环形齿轮6-7和设置在环形齿轮6-7内且与环形齿轮6-7螺纹连接的空心螺杆6-8，所述空心螺杆6-8的顶端设置有对拉杆6-2进行夹持的拉杆夹钳6-9，所述传力基座6-5上设置有供蜗杆6-3安装的蜗杆安装座，所述蜗杆安装座上设置有对拉杆夹钳6-9进行固定的固定支撑杆6-4，所述传力基座6-5的底部设置有支撑油缸6-6；
步骤306中位移计5-3获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元11获取一个剪切应力的具体过程如下：
步骤3061、操作蜗杆6-3转动带动环形齿轮6-7转动，在固定支撑杆6-4与拉杆夹钳6-9限位的作用下，空心螺杆6-8带动拉杆夹钳6-9向上运动，拉杆夹钳6-9向上运动带动拉杆6-2向上运动；
步骤3062、在拉杆6-2向上运动的过程中，通过传动机构5-1带动位移计5-3的伸缩探针向上移动，位移计5-3检测到拉杆6-2向上运动的位移，则获得剪切探头6-1的剪切位移，并发送至控制器8；
步骤3063、在拉杆6-2向上运动的过程中，带动拉杆6-2向上运动的力通过传力基座6-5反作用于支撑油缸6-6上，剪切应力检测单元11对作用在支撑油缸6-6上的反作用力进行检测，并发送至控制器8；其中，剪切应力检测单元11检测到的反作用力记作Fz；
步骤3064、控制器8调取比值模块，将剪切应力检测单元11检测到的反作用力与剪切探头6-1的剪切面有效面积进行比值处理，得到剪切探头6-1的剪切应力值。
如图6所示，本实施例中，步骤102中采用所述夯实机构对试样筒2-4的土样进行夯实，具体过程如下：
步骤1021、拆除试样筒机构中的导向板2-2和试样筒机构顶部的试验平台板2-1，将所述夯实机构放入试样筒2-4内，直至夯实机构中承载板1-3接触土样；其中，所述夯实机构中穿心杆1-2位于试样筒2-4内的中心位置；
步骤1022、通过尼龙绳1-1-2沿穿心杆1-2提拉重锤1-1，然后释放重锤1-1使重锤1-1自由下落至所述承载板1-3，对所述承载板1-3下方的土样进行夯实，直至每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤1023、多次重复步骤1022，直至试样筒2-4内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样7的制备；其中，所述试样筒2-4内的土样的高度通过所述刻度尺获取，所述测试试样7为圆柱体。
本实施例中，步骤307中30≤N≤40，位移l的取值范围为0.15mm～0.2mm。
本实施例中，测试试样(7)的液性指数可采用液、塑限联合测定法。
本实施例中，ρd所需土样的干密度采用环刀法击实试验获得，所需土样的质量含水率w所需土样在105℃～110℃温度下烘至恒量时所失去的水质量和恒量后干土质量的比值，以百分率表示。
本实施例中，设置所述试样筒2-4的直径大于测试试样通孔7-1的直径的6倍，是因为剪切加载对土体有一定的影响区域，如果试样筒2-4足够大就不会影响试验结果，如果试样筒2-4太小，试样筒2-4的筒壁会影响结果，会造成测试结果的离散。
本实施例中，所述试样目标高度设定值为40cm～60cm，一方面，是为了测试试样7夯实的均匀性，另一方面，是为了便于成孔平台和薄壁成孔器的成孔。
本实施例中，公式IL＝-0.431ln(p1)+2.072，得到首级加载的法向应力p1和根据公式IL＝-0.028pf+0.678，得到下一级加载的法向应力相比上一级加载的法向应力的法向应力增量pf，第一，是为了确保在加载的法向应力下剪切探头6-1中的剪切面上的齿能完全压入测试试样通孔7-1的土体内；另一方面，是为了确保每次增量能达到一定的压力，提高测试的准确性。
综上所述，本发明设计合理且成本低，省时，省力，花费小，通过试样筒机构和夯实机构制备测试试样，确保测试试样的分布均匀，以实现实现的重复性；通过成孔机构减少测试试样成孔时对测试试样孔壁的干扰，避免测试结果离散；通过设置位移测量结构和剪切测量机构，从而获取位移应力关系曲线图和测试试样的抗剪强度参数，便于分析土体剪切过程的剪切应力应变特性，实用性强。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于:包括测试试样制作机构、位移测量机构和钻孔剪切测量机构，以及控制模块，所述测试试样制作机构包括供放置测试试样的试样筒机构、对所述试样筒机构内的土样进行夯实的夯实机构和对所述试样筒机构内的土样进行成孔的成孔机构，所述夯实机构包括承载板(1-3)、竖直安装在承载板(1-3)中心位置处的穿心杆(1-2)和套设在穿心杆(1-2)上且能沿穿心杆(1-2)上下移动的重锤(1-1)，所述试样筒机构包括试样筒(2-4)、可拆卸安装在试样筒(2-4)底部的垫板(2-3)和可拆卸安装在试样筒(2-4)顶部的试验平台板(2-1)，所述试样筒(2-4)内可拆卸安装有导向板(2-2)，所述试样筒(2-4)为有机玻璃试样筒，且所述试样筒(2-4)上设置有刻度尺(2-4-1)，所述成孔机构包括成孔平台和安装在所述成孔平台上的薄壁成孔器；
所述钻孔剪切测量机构包括伸入测试试样内的剪切探头(6-1)、用于连接剪切探头(6-1)的拉杆(6-2)和与拉杆(6-2)连接且拉动剪切探头(6-1)上下移动的升降操作机构，所述位移测量机构包括安装在试验平台板(2-1)上的支架(5-2)、安装在支架(5-2)上的位移计(5-3)和安装在拉杆(6-2)上且与位移计(5-3)传动连接的传动机构(5-1)；
所述控制模块包括控制器(8)和与控制器(8)相接的触摸屏(9)，所述控制器(8)的输入端接有用于检测剪切应力的剪切应力检测单元(11)和用于检测剪切探头(6-1)加载法向应力的法向应力检测单元(12)，所述位移计(5-3)的输出端与控制器(8)相接。
2.按照权利要求1所述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述重锤(1-1)为圆柱体，所述重锤(1-1)中心设置有供穿心杆(1-2)穿过的通孔，所述重锤(1-1)的顶面对称设置两个钢环(1-1-1)，所述钢环(1-1-1)上设置有尼龙绳(1-1-2)。
3.按照权利要求1所述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述试样筒(2-4)的顶部外圆周设置有第一法兰(2-4-2)，所述试样筒(2-4)的底部外圆周设置有第二法兰(2-4-3)，所述试验平台板(2-1)的外圆周设置有第三法兰(2-1-1)，所述垫板(2-3)的外圆周设置有第四法兰(2-3-1)，所述第一法兰(2-4-2)和第三法兰(2-1-1)以及第二法兰(2-4-3)与第四法兰(2-3-1)均通过螺钉可拆卸连接；
所述试验平台板(2-1)的中心开设有供所述钻孔剪切测量机构和成孔管(3-1)穿设的第一通孔(2-1-2)，所述试验平台板(2-1)上设置有供支架(5-2)安装的螺孔(2-1-3)，所述导向板(2-2)的中心开设有供成孔管(3-1)穿设的第二通孔(2-2-1)。
4.按照权利要求1所述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述成孔平台包括供试样筒机构放置的底板(4-1)、安装在底板(4-1)两端且呈对称布设的立柱(4-2)和安装在两个立柱(4-2)上且能沿立柱(4-2)上下移动的横梁(4-3)以及放置在横梁(4-3)上的穿心千斤顶(4-4)，所述薄壁成孔器包括由下至上依次连接的成孔管(3-1)、顶帽(3-2)和拉拔杆(3-3)，所述拉拔杆(3-3)上端设置有锚固螺丝(3-3-2)；
所述底板(4-1)为长方形钢板，所述底板(4-1)的两端设置有供立柱(4-2)安装的立柱安装螺孔(4-1-1)，所述立柱(4-2)的上部开有供横梁(4-3)上下移动的螺纹部(4-2-1)，所述横梁(4-3)的两端设置有横梁端通孔(4-3-1)，所述横梁端通孔(4-3-1)的直径大于立柱(4-2)的直径，所述横梁(4-3)的两端能穿设在立柱(4-2)上，所述立柱(4-2)上设置有调节横梁(4-3)高度的螺母(4-5)，所述螺母(4-5)的数量为两个，两个所述螺母(4-5)位于调节横梁(4-3)的上下侧，所述横梁(4-3)的中心设置有供薄壁成孔器穿设的横梁中心通孔(4-3-2)；
所述穿心千斤顶(4-4)为高行程千斤顶，所述穿心千斤顶(4-4)的穿心孔(4-4-1)的直径大于所述薄壁成孔器中的拉拔杆(3-3)的外径。
5.按照权利要求1所述的一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置，其特征在于：所述传动机构(5-1)包括传动板(5-1-2)、设置在传动板(5-1-2)上的连接杆和安装在所述拉杆(6-2)上且与所述连接杆固定连接的第一抱箍(5-1-1)，所述传动板(5-1-2)中心位置处设置有供位移计(5-3)的伸缩探针伸入的凹槽；
所述支架(5-2)包括竖直杆(5-2-1)和安装在竖直杆(5-2-1)上端的水平杆(5-2-2)，所述竖直杆(5-2-1)安装在试验平台板(2-1)上，所述水平杆(5-2-2)的一端设置有供位移计(5-3)安装的第二抱箍(5-2-2-1)，所述竖直杆(5-2-1)的上端设置有供水平杆(5-2-2)安装的第三抱箍(5-2-1-1)。
6.一种利用如权利要求1所述试验装置进行试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、测试试样的制备：
步骤101、依据公式得到5cm高试样需要的土样质量m；其中，ρd表示所需土样的干密度，D为试样筒(2-4)的内直径，w表示所需土样的质量含水率；
步骤102、称取多份质量为m的土样，放入试样筒(2-4)内摊平，并采用所述夯实机构对试样筒(2-4)的土样进行夯实，直至试样筒(2-4)内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样(7)的制备；其中，每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤二、测试试样的成孔：
将试样筒(2-4)放置在所述成孔平台上，并采用所述薄壁成孔器使测试试样(7)内形成测试试样通孔(7-1)；其中，所述试样筒(2-4)的直径大于测试试样通孔(7-1)的直径的6倍；
步骤三、钻孔剪切试验：
步骤301、将试样筒(2-4)从所述成孔平台中取下，并将所述钻孔剪切测量机构安装在试验平台板(2-1)上；
步骤302、手动上下拉动调节拉杆(6-2)的高度，将剪切探头(6-1)放置在测试试样通孔(7-1)内中部并固定；其中，所述剪切探头(6-1)的水平中心线距离测试试样通孔(7-1)的水平中心线之间的间距小于5cm；
步骤303、将所述支架(5-2)安装所述试验平台板(2-1)上，并在所述支架(5-2)上安装位移计(5-3)；其中，所述位移计(5-3)通过所述传动机构(5-1)与拉杆(6-2)传动连接；
步骤304、根据公式IL＝-0.431ln(p1)+2.072，得到首级加载的法向应力p1；其中，IL为测试试样(7)的液性指数；
步骤305、操作剪切头(6-1)施加首级加载的法向应力p1至测试试样通孔(7-1)内壁20min～30min，直至使测试试样通孔(7-1)内壁固结；
步骤306、位移计(5-3)获取剪切探头(6-1)的初始位移，并将剪切探头(6-1)的初始位移记作零；之后，操作所述升降操作机构拉动剪切头(6-1)向上移动，在剪切头(6-1)对测试试样通孔(7-1)的土体进行剪切的过程中，剪切头(6-1)每向上移动l位移时，位移计(5-3)获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元(11)获取一个剪切应力，并将获取的多个实际剪切位移和多个剪切应力发送至控制器(8)；其中，实际剪切位移是指与剪切探头(6-1)的初始位移之间的位移；
步骤307、控制器(8)将接收到的多个剪切应力进行比较，当时，则首级加载的法向应力中第j次向上移动l位移时获取的剪切应力为最大剪切应力停止对测试试样通孔(7-1)的土体进行剪切；其中，j为正整数，且2≤j≤N；N为正整数，N表示剪切头(6-1)向上移动的次数，将第j次向上移动l位移时的实际剪切位移记作Lj，表示首级加载的法向应力中第j-1次向上移动l位移时获取的剪切应力，表示首级加载的法向应力中第j+1次向上移动l位移时获取的剪切应力；
步骤308、反向操作所述升降操作机构对剪切应力进行卸载，使剪切应力检测单元(11)获取的剪切应力等于零；
步骤309、控制器(8)以剪切头(6-1)的实际剪切位移Lj为横坐标，以剪切应力Fj为纵坐标，控制器(8)绘制出剪切头(6-1)的剪切位移与剪切应力的位移应力关系曲线图；
步骤3010、根据公式IL＝-0.028pf+0.678，得到下一级加载的法向应力相比上一级加载的法向应力的法向应力增量pf，操作剪切头(6-1)施加下一加载法向应力至测试试样通孔(7-1)内壁10min～15min，直至使测试试样通孔(7-1)内壁固结，并重复步骤306至步骤308，得到下一级加载的法向应力时的最大剪切应力和位移应力关系曲线图；
步骤3011、多次重复步骤306至步骤309，直至达到设定的加载法向应力次数n时，停止法向应力加载，得到多个最大剪切应力，并分别记作并将各个最大剪切应力所对应的加载法向应力记作p1，p2，...，pi，...，pn；其中，表示第i级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第n级加载的法向应力时的最大剪切应力，表示第二级加载的法向应力时的最大剪切应力，pi表示第i级的加载法向应力，pn表示第n级的加载法向应力，p2表示第二级的加载法向应力，i为正整数，且1≤i≤n，n为正整数，且4≤n≤5；
步骤3012、控制器(8)以最大剪切应力为纵坐标，以加载法向应力为横坐标，绘制得到的最大剪切应力和各个最大剪切应力所对应的加载法向应力p1，p2，...，pi，...，pn的各个点，并拟合得到加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线，加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线与以加载法向应力为横坐标轴之间的夹角为测试试样(7)的内摩擦角，且加载法向应力与最大剪切应力之间的关系直线在以最大剪切应力为纵坐标轴上的截距为测试试样(7)的黏聚力，则获取测试试样(7)的抗剪强度参数。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述成孔平台包括供试样筒机构放置的底板(4-1)、安装在底板(4-1)两端且呈对称布设的立柱(4-2)和安装在两个立柱(4-2)上且能沿立柱(4-2)上下移动的横梁(4-3)以及放置在横梁(4-3)上的穿心千斤顶(4-4)，所述薄壁成孔器包括由下至上依次连接的成孔管(3-1)、顶帽(3-2)和拉拔杆(3-3)，所述拉拔杆(3-3)上端设置有锚固螺丝(3-3-2)；
步骤二中测试试样的成孔，具体过程如下：
步骤201、拆除试样筒(2-4)底部的垫板(2-3)，将盛装测试试样(7)的试样筒(2-4)放置在成孔平台中的底板(4-1)上，将导向板(2-2)安装于试样筒(2-4)内的测试试样(7)表面，并将试验平台板(2-1)安装于试样筒(2-4)顶部；其中，所述试样筒(2-4)位于成孔平台内中心位置；
步骤202、将成孔管(3-1)插入试验平台板(2-1)和导向板(2-2)，将垫板(2-3)放置在成孔管(3-1)的顶部，并放置穿心千斤顶(4-4)于垫板(2-3)上；然后调节横梁(4-3)的高度，直至横梁(4-3)的底面接触穿心千斤顶(4-4)中活塞的顶面；
步骤203、操作穿心千斤顶(4-4)使活塞(4-4-2)伸长，穿心千斤顶(4-4)伸长将所述成孔管(3-1)压入测试试样(7)内；其中，成孔管(3-1)压入测试试样(7)的深度不超过10cm，且所述成孔管(3-1)的中心与所述测试试样(7)的中心重合；
步骤204、操作穿心千斤顶(4-4)使活塞(4-4-2)收缩，取下穿心千斤顶(4-4)和下垫板(2-3)，将穿心千斤顶(4-4)置于横梁(4-3)上，使穿心千斤顶(4-4)的中心与横梁(4-3)的中心线重合；将成孔管(3-1)上端安装顶帽(3-2)，将所述拉拔杆(3-3)穿过所述穿心千斤顶(4-4)和横梁(4-3)并连接于所述顶帽(3-2)上，并在拉拔杆(3-3)伸出穿心千斤顶(4-4)的上端安装锚固螺丝(3-3-2)；其中，所述锚固螺丝(3-3-2)与穿心千斤顶(4-4)的活塞(4-4-2)紧密接触；
步骤205、操作穿心千斤顶(4-4)使活塞(4-4-2)伸长，穿心千斤顶(4-4)伸长带动拉拔杆(3-3)提拉，在拉拔杆(3-3)的提拉作用下将所述成孔管(3-1)抽出测试试样(7)；
步骤206、操作穿心千斤顶(4-4)使活塞(4-4-2)收缩，拆卸成孔管(3-1)、顶帽(3-2)、拉拔杆(3-3)和锚固螺丝(3-3-2)，并对成孔管(3-1)内的土样进行清除；
步骤207、多次重复步骤202至步骤206，直至测试试样(7)内形成测试试样通孔(7-1)。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述升降操作机构包括传力基座(6-5)、安装在传力基座(6-5)上的蜗杆(6-3)和与蜗杆(6-3)传动连接的环形齿轮(6-7)和设置在环形齿轮(6-7)内且与环形齿轮(6-7)螺纹连接的空心螺杆(6-8)，所述空心螺杆(6-8)的顶端设置有对拉杆(6-2)进行夹持的拉杆夹钳(6-9)，所述传力基座(6-5)上设置有供蜗杆(6-3)安装的蜗杆安装座，所述蜗杆安装座上设置有对拉杆夹钳(6-9)进行固定的固定支撑杆(6-4)，所述传力基座(6-5)的底部设置有支撑油缸(6-6)；
步骤306中位移计(5-3)获取一个实际剪切位移，同时，剪切应力检测单元(11)获取一个剪切应力的具体过程如下：
步骤3061、操作蜗杆(6-3)转动带动环形齿轮(6-7)转动，在固定支撑杆(6-4)与拉杆夹钳(6-9)限位的作用下，空心螺杆(6-8)带动拉杆夹钳(6-9)向上运动，拉杆夹钳(6-9)向上运动带动拉杆(6-2)向上运动；
步骤3062、在拉杆(6-2)向上运动的过程中，通过传动机构(5-1)带动位移计(5-3)的伸缩探针向上移动，位移计(5-3)检测到拉杆(6-2)向上运动的位移，则获得剪切探头(6-1)的剪切位移，并发送至控制器(8)；
步骤3063、在拉杆(6-2)向上运动的过程中，带动拉杆(6-2)向上运动的力通过传力基座(6-5)反作用于支撑油缸(6-6)上，剪切应力检测单元(11)对作用在支撑油缸(6-6)上的反作用力进行检测，并发送至控制器(8)；其中，剪切应力检测单元(11)检测到的反作用力记作Fz；
步骤3064、控制器(8)调取比值模块，将剪切应力检测单元(11)检测到的反作用力Fz与剪切探头(6-1)的剪切面有效面积进行比值处理，得到剪切探头(6-1)的剪切应力值。
9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤102中采用所述夯实机构对试样筒(2-4)的土样进行夯实，具体过程如下：
步骤1021、拆除试样筒机构中的导向板(2-2)和试样筒机构顶部的试验平台板(2-1)，将所述夯实机构放入试样筒(2-4)内，直至夯实机构中承载板(1-3)接触土样；其中，所述夯实机构中穿心杆(1-2)位于试样筒(2-4)内的中心位置；
步骤1022、通过尼龙绳(1-1-2)沿穿心杆(1-2)提拉重锤(1-1)，然后释放重锤(1-1)使重锤(1-1)自由下落至所述承载板(1-3)，对所述承载板(1-3)下方的土样进行夯实，直至每份质量为m的土样夯实至5cm高；
步骤1023、多次重复步骤1022，直至试样筒(2-4)内的土样夯实至试样目标高度设定值，完成测试试样(7)的制备；其中，所述试样筒(2-4)内的土样的高度通过所述刻度尺获取，所述测试试样(7)为圆柱体。
10.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤307中30≤N≤40，位移l的取值范围为0.15mm～0.2mm。
CN201811616642.9A 2018-12-28 2018-12-28 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法 Active CN109443908B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811616642.9A CN109443908B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811616642.9A CN109443908B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109443908A true CN109443908A (zh) 2019-03-08
CN109443908B CN109443908B (zh) 2020-12-11

Family

ID=65538468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811616642.9A Active CN109443908B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109443908B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110186780A (zh) * 2019-03-26 2019-08-30 中交第三航务工程勘察设计院有限公司 一种高精度钻孔剪切测试装置及方法
CN115078129A (zh) * 2022-08-16 2022-09-20 成都理工大学 一种孔底剪切仪及岩土体抗剪强度测试方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11303598A (ja) * 1998-04-22 1999-11-02 Shimizu Corp グラウトと地山のせん断強度試験方法
CN104458445A (zh) * 2014-12-08 2015-03-25 河南城建学院 一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法
CN104502167A (zh) * 2014-12-17 2015-04-08 中国矿业大学 一种制备人造岩心的多功能模具及方法
CN104764745A (zh) * 2015-04-21 2015-07-08 中国矿业大学 一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法
CN105067435A (zh) * 2015-08-07 2015-11-18 西南交通大学 一种土体原位钻孔剪切测试装置
CN204903300U (zh) * 2015-08-07 2015-12-23 西南交通大学 一种土体原位钻孔剪切测试装置
CN205262825U (zh) * 2015-12-19 2016-05-25 长安大学 一种适用于室内模型试验的手动夯实机
CN206387620U (zh) * 2016-12-21 2017-08-08 余明东 击实筒
CN206772694U (zh) * 2017-04-29 2017-12-19 郑州中核岩土工程有限公司 一种土体原位剪切强度快速测试装置
CN208239220U (zh) * 2018-05-12 2018-12-14 中国铁路设计集团有限公司 原位孔内剪切测试仪

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11303598A (ja) * 1998-04-22 1999-11-02 Shimizu Corp グラウトと地山のせん断強度試験方法
CN104458445A (zh) * 2014-12-08 2015-03-25 河南城建学院 一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法
CN104502167A (zh) * 2014-12-17 2015-04-08 中国矿业大学 一种制备人造岩心的多功能模具及方法
CN104764745A (zh) * 2015-04-21 2015-07-08 中国矿业大学 一种可直接观测内部变形的岩体模型物理试验方法
CN105067435A (zh) * 2015-08-07 2015-11-18 西南交通大学 一种土体原位钻孔剪切测试装置
CN204903300U (zh) * 2015-08-07 2015-12-23 西南交通大学 一种土体原位钻孔剪切测试装置
CN205262825U (zh) * 2015-12-19 2016-05-25 长安大学 一种适用于室内模型试验的手动夯实机
CN206387620U (zh) * 2016-12-21 2017-08-08 余明东 击实筒
CN206772694U (zh) * 2017-04-29 2017-12-19 郑州中核岩土工程有限公司 一种土体原位剪切强度快速测试装置
CN208239220U (zh) * 2018-05-12 2018-12-14 中国铁路设计集团有限公司 原位孔内剪切测试仪

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
于永堂等: "钻孔剪切试验及其在黄土中的应用", 《岩土力学》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110186780A (zh) * 2019-03-26 2019-08-30 中交第三航务工程勘察设计院有限公司 一种高精度钻孔剪切测试装置及方法
CN115078129A (zh) * 2022-08-16 2022-09-20 成都理工大学 一种孔底剪切仪及岩土体抗剪强度测试方法
CN115078129B (zh) * 2022-08-16 2022-11-11 成都理工大学 一种孔底剪切仪及岩土体抗剪强度测试方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109443908B (zh) 2020-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10816448B2 (en) Device for measuring strength and strain softening parameters of saturated clay sample based on full-flow penetration
CN102095618B (zh) 轻型重塑土制样装置
CN105938070B (zh) 多功能真三轴岩石钻探测试系统及表征岩体特性的试验方法
CN105986582A (zh) 强夯加固不同地下水位地基室内模型装置及测试方法
CN111189756B (zh) 一种破碎岩体-水-动力耦合试验系统
CN109443908A (zh) 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法
CN206387619U (zh) 重塑土样制样器
CN114062107B (zh) 适用于不同尺寸圆柱样直剪试验的剪切盒装置及其应用
CN110082150A (zh) 一种土木工程施工用取样测量装置及其测量方法
CN102704459A (zh) 一种强夯法加固软土地基室内模型试验装置
CN104697855B (zh) 一种纤维拉拔蠕变测试装置及其测试方法
CN106680051A (zh) 一种通过砝码与气压联合加载控制密度的重塑土样制样器
CN1403685A (zh) 钻孔桩孔径测量器
CN206818523U (zh) 一种黄土湿陷系数分层原位测试装置
CN207051146U (zh) 一种坍落度检测装置
CN204027930U (zh) 一种纤维拉拔蠕变测试装置
CN205062789U (zh) 便携式t型触探仪
CN210946814U (zh) 一种探测灌注桩混凝土浇筑高度的装置
CN108519257A (zh) 用于含根土试样制备及抗剪强度检测的方法和装置
CN206515333U (zh) 一种土样膨胀变形测量装置
CN213517146U (zh) 一种混凝土坍落度试验固定调平装置
CN207964510U (zh) 一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置
CN207051147U (zh) 一种混凝土坍落度检测装置
CN207051151U (zh) 一维竖向吹填土颗粒浓度测试装置
CN207730607U (zh) 一种便携式坍落度测试装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant