CN110186780A - 一种高精度钻孔剪切测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度钻孔剪切测试装置及方法，本方案基于刮土器伸缩系统，刮土器旋转系统，钻孔剪切装置以及测试处理系统构成一体；刮土器伸缩系统驱动刮土器对孔壁实施刮土，形成光滑孔壁；刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体转动；钻孔剪切装置与刮土器旋转系统连接，可驱动剪切板与由刮土器伸缩系统形成的光滑孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；测试处理系统控制刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统，以及钻孔剪切装置协同工作，完成现场剪切试验。本方案采用内置双电机控制孔径内刮土范围，消除了钻孔剪切过程中上部土体和孔壁形态变化对剪切面的影响，从而获得土体的原始抗剪强度值，满足现有的岩土工程勘察规范要求。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程勘查技术领域，具体涉及现场土体抗剪强度测试方案。
背景技术
土的抗剪强度参数是工程基础设计的关键指标，是建筑物地基稳定分析的依据，关系到整个工程的经济性与安全性。目前，获得土体抗剪强度参数主要采用室内剪切试验或现场钻孔剪切试验。室内试验试样尺寸局限性而导致代表性差；现场剪切试验是对作业点土体施加外荷载力，在土体天然结构和应力环境状态，直接获得土的力学参数，克服了室内试验土体扰动及尺寸效应等缺点，测出的土体强度参数更准确。
近年来，一种通过钻孔剪切试验测定土体抗剪强度参数的原位测试方法开始使用，它通过钻孔所形成孔壁模拟室内直剪试验法来测定土的抗剪强度,获取的粘聚力和内摩擦角更接近于土的实际性质，该方法已在欧美及中国开始应用。例如文献“土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法初探”(于永堂，等.岩土工程技术，2015，29(4):169-172.)和“岩体抗剪强度参数现场测试新方法及工程应用”(王玉杰，等.岩土力学，2011，32(z):779-786.)等均有详细描述。
除此之外，现有技术中公开了部分类似解决方案，如申请号为201410743287.7的中国发明专利申请公开了“一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法”，该方案利用钻机开孔将装置下放到测点孔壁处，施加气压提供法向应力使气囊膨胀带动剪切筒鼓胀，剪切筒外围的剪切刀插入土体使固结，然后施加力驱动钢杆上升带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏，最后根据库伦定律计算得到土的剪切指标。
又如，申请号为201510483175.7的中国发明专利申请公开了“一种土体原位钻孔剪切测试装置”，该方案主要由操作平台、竖向拉力机构、剪切探头、支承油缸和加压气泵组成。采用该装置进行钻孔剪切试验，可在现场钻孔内快速测定土体抗剪强度参数，相对于室内试验得到的数据更加简单和精确。
再如，申请号为201210465143.0的中国发明专利申请公开了“岩体钻孔剪切弹模仪”，该方案主要由塞杆、套杆、上盘刀、橡胶囊和下盘刀组成，采用长柱体结构。试验时在不同钻孔位置进行不同正应力下的孔壁岩体剪切试验，并利用不同应力下的岩体剪切破坏试验绘制曲线，用以确定岩体抗剪强度参数。
上述文献和专利申请文件公开的方案中，基本采用美国Iowa和法国Phicometer钻孔剪切仪或类似产品，剪切试验成果按σ＝P/A，τ＝T/2A公式计算，它适用于成孔质量高的岩石或硬土层，钻孔后孔壁呈理想化状态，如图1(a)所示。而实际情况下，大部分表层土均处于淤泥、粘土等强度低、承载力小的软质土，钻孔后孔内会出现颗粒沉淀、缩孔及塌陷等现象，形成的实际孔壁如图1(b)所示，上述现有方案忽视了剪切板拉伸肩部土体和剪切板与孔壁不均匀接触等因素，得到的剪切强度τ值不准，降低了钻孔剪切方法的应用价值。
随着岩土工程建筑、桥梁、码头、人工岛隧等基础深度不断延伸，亟需一种能够克服现有钻孔剪切仪缺陷的方案，真实反映软土体抗剪强度参数，满足工程基础设计的需求。
发明内容
针对现有测定土体抗剪强度参数的方案存在测量精度低，无法真实反映软土体抗剪强度参数的问题，需要一种新的土体抗剪强度参数测定方案。
为此，本发明的目的在于提供一种高精度钻孔剪切测试装置，并进一步提供一种高精度钻孔剪切测试方法，由此来解决现有钻孔剪切仪所获得的抗剪强度参数失真这一难题。
为了达到上述目的，本发明提供的高精度钻孔剪切测试装置，主要包括
刮土器伸缩系统，所述刮土器伸缩系统由刮土器旋转系统驱动旋转，受测试处理系统控制，驱动刮土器对孔壁实施刮土，形成光滑孔壁；
刮土器旋转系统，所述刮土器旋转系统连接刮土器伸缩系统，并受测试处理系统控制，驱动刮土器伸缩系统整体转动；
钻孔剪切装置，所述钻孔剪切装置与刮土器旋转系统连接，受测试处理系统控制，可驱动剪切板与由刮土器伸缩系统形成的光滑孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
测试处理系统，所述测试处理系统控制刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统，以及钻孔剪切装置协同工作，完成现场剪切试验。
进一步的，所述刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统以及钻孔剪切装置依次同轴连接设置。
进一步的，所述刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体相对于刮土器旋转系统和钻孔剪切装置转动。
进一步的，所述刮土器旋转系统包括第一驱动电机和传动轴，所述第一步进电机通过传动轴驱动连接刮土器伸缩系统，带动刮土器伸缩系统整体相对于刮土器旋转系统转动。
进一步的，所述刮土器伸缩系统包括第二驱动电机，传动丝杠，刮土器，以及轴承组件；所述刮土器伸缩系统通过轴承组件与钻孔剪切装置连接，使得刮土器伸缩系统整体可相对于刮土器旋转系统转动；所述第二驱动电机设置在第二轴承组件上，通过传动丝杠连接刮土器，并可带动传动丝杠作水平向伸缩移动，以带动刮土器相对于孔壁移动。
进一步的，所述刮土器由弧形支撑板与若干平行的刮土刀组成，若干平行的刮土刀固定在弧形支撑板的正面，弧形支撑板的背面与传动丝杠连接。
进一步的，所述钻孔剪切装置主要由剪切筒，剪切板，以及液压驱动机构配合构成，所述液压驱动机构设置在剪切筒内，并驱动连接剪切板，可驱动剪切板相对于剪切筒作水平向伸缩移动。
为了达到上述目的，本发明提供一种的高精度钻孔剪切测试方法，包括以下步骤：
A、首先在勘探点钻孔至测试深度，然后将本高精度钻孔剪切测试装置放入孔底；
B、启动测试处理系统，控制刮土器伸缩系统推动其上刮土器与孔壁接触；然后控制刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体绕水平相360度旋转，将影响钻孔剪切装置剪切时肩部土体刮除，形成光滑孔壁；
C、测试处理系统控制刮土器伸缩系统收回其上的刮土器收缩，同时将钻孔剪切装置上剪切板张开，剪切板与孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
D、提升位于钻孔中的高精度钻孔剪切测试装置，开始实施钻孔剪切试验，测试处理系统开始连续测得读数，读取钻孔剪切试验过程中最大剪切值，然后将剪切板回缩至初始状态；
E、完成上述试验步骤后，将本高精度钻孔剪切测试装置提升出钻孔，并继续以执行：步骤A～步骤D，测试过程由浅入深，直至整个钻孔达到设计深度。
为了达到上述目的，本发明提供另一种连续的高精度钻孔剪切测试方法，包括以下步骤：
A、首先在勘探点钻孔直接至设计深度，然后将本高精度钻孔剪切测试装置放入孔底；
B、启动测试处理系统，控制刮土器伸缩系统推动其上刮土器与孔壁接触；然后控制刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体绕水平相360度旋转，将影响钻孔剪切装置剪切时肩部土体刮除，形成光滑孔壁；
C、测试处理系统控制刮土器伸缩系统收回其上的刮土器收缩，同时将钻孔剪切装置上剪切板张开，剪切板与孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
D、提升位于钻孔中的高精度钻孔剪切测试装置，开始实施钻孔剪切试验，测试处理系统开始连续测得读数，读取钻孔剪切试验过程中最大剪切值，然后将剪切板回缩至初始状态；
E、完成上述试验步骤后，将本高精度钻孔剪切测试装置沿钻孔往上提升一段距离，并继续以执行：步骤B～步骤E，测试过程先深后浅，直至完成整个孔的剪切试验。
进一步的，在整个剪切试验过程中步骤E中采用等距离提升高精度钻孔剪切测试装置。
本发明提供的方案能够有效提高钻孔剪切测试精度，可适用于软质土层，能够消除软质土孔壁对钻孔剪切过程中的影响，使现场测得的抗剪强度参数更为真实。
再者，本发明提供的方案在应用时，具有以下有益效果：
(1)本方案采用内置电机控制孔径内刮土范围，消除了钻孔剪切过程中上部土体对剪切面的影响，从而获得土体的原始抗剪强度值；
(2)本方案利用上位机与下位机一体化控制，提升测试精度，满足现有的中国或欧美岩土工程勘察规范要求。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为现有的钻孔剪切装置剪切过程结构示意图。
图2为本发明实例提供的提高钻孔剪切测试精度的装置整体结构示意图。
图3为本发明实例提供的提高钻孔剪切测试精度的装置结构分解示意图。
图4为本发明实例中刮土器伸缩系统结构示意图。
图5为本发明实例提供的提高钻孔剪切测试精度的装置平面正视图。
图6为本发明实例进行钻孔剪切测试的作业流程示意图。
图例说明：
10吊耳；11接箍；12上筒体；13螺孔；
14步进电机；15筒底座；16步进电机；17基座；
18剪切筒；19凹槽；20下筒体；21管靴；
30线缆；31法兰；32刮土器；33下滚珠轴承盘；
34剪切板；40管道；41螺栓；42上滚珠轴承盘；
43传动轴；44通孔；46丝杠；47支座；
48液油缸；49活塞；
50外螺纹；51内螺纹；52铰接槽；53滚珠凹槽；
60推杆；62环形孔。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，现有的钻孔剪切试验技术或产品适用于较硬土层，钻孔后孔壁呈理想化状态(图1a)；实际上，软黏土上钻孔后，孔壁呈不规则状态，当钻孔剪切仪放入孔底过程中，孔壁受到四周土体压力，水平方向会出现缩孔，垂直向会出现上部颗粒及土块快速沉降(图1b)，以至于不同程度抱住钻孔剪切仪，影响剪切测试成果。
针对该问题，本实例通过对待进行试验的钻孔孔壁进行刮土，形成光滑孔壁，由此来消除钻孔剪切过程中上部土体对剪切面的影响，从而获得土体的原始抗剪强度值。
参见图2-5，其所示为本实例给出的一种提高钻孔剪切测试精度的装置的示例结构。
该装置配合相应的测试处理系统即可进行高精度的钻孔剪切测试，且使得现场测得的抗剪强度参数更为真实。
由图可知，该装置整体为圆柱形，这样便于配合钻孔操作。该装置由上往下主要由位于上部的刮土器旋转系统，位于中部的刮土器伸缩系统以及位于下部的钻孔剪切装置依次连接组合形成。
刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统以及钻孔剪切装置之间依次同轴连接设置，并且刮土器伸缩系统整体可相对于刮土器旋转系统和钻孔剪切装置进行转动。
其中，刮土器旋转系统受控于测试处理系统，驱动中部的刮土器伸缩系统整体相对于刮土器旋转系统和钻孔剪切装置进行转动；
位于中部的刮土器伸缩系统受控于测试处理系统，可驱动刮土器对孔壁实施刮土，形成光滑孔壁；
位于下部的钻孔剪切装置受控于测试处理系统，可驱动剪切板与由刮土器伸缩系统形成的光滑孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结。
在此基础上，可参照国标“岩土工程勘察规范”(GB50021-2001,2009修订)设置或设计要求的规范进行钻孔剪切试验。
以下结合附图说明一下本提高钻孔剪切测试精度装置的实施过程。
本装置上部的刮土器旋转系统整体为圆柱形，在结构上主要由上筒体12、筒底座15、步进电机14等相互配合构成。
其中，筒底座15的外壁上设置有相应的外螺纹50(如图4所示)，筒底座15与上筒体12之间通过内外螺纹旋紧连接，形成一个封闭的筒体。
在上筒体12顶部设置有若干吊耳10，便于对整个装置进行起吊操作；同时在上筒体12顶部的中部位置设置相应的接箍11，这样可通过接箍11与上部钻杆螺纹旋紧连接，通过钻机可将钻杆逐节加长。
上筒体12的内部设有相应的步进电机14和法兰31，二者通过穿过螺孔13的4个螺栓41固定(如图3所示)；步进电机14固定在筒底座15上；法兰31顶部开设有相应的通孔44，并通过管道40与上筒体12顶部内侧连接，由此可实现控制线缆30穿过接箍11、管道40及通孔44分别连接至步进电机14，刮土器伸缩系统中的步进电机16以及钻孔剪切装置中的液油缸48。
这里的线缆30主要指电源线、通信线及液压管集成，但并不限于此，根据需要还可采用其它形式的线缆30。
在此基础上，本实例在筒底座15的底部设有上滚珠轴承盘42，该上滚珠轴承盘42作为轴承组件用于连接上部的刮土器旋转系统和中部的刮土器伸缩系统，并使得刮土器伸缩系统可相对于刮土器旋转系统转动。
具体设置时，上滚珠轴承盘42整体嵌设在筒底座15的底部中，该上滚珠轴承盘42外圈与步进电机14固定，上滚珠轴承盘42内圈设有传动轴43，该传动轴43用于连接刮土器伸缩系统中的步进电机16，由此步进电机14可根据脉冲频率带动传动轴43使刮土器伸缩系统整体旋速，使刮土器32对孔壁实施刮土，形成理想化的光滑孔壁。
本装置中部的刮土器伸缩系统主要由步进电机16、刮土器32、丝杠46及支座47相互配合组成。该刮土器伸缩系统通过上滚珠轴承盘42和下滚珠轴承盘33可转动的设置在刮土器旋转系统和钻孔剪切装置之间，使得刮土器伸缩系统可整体相对于刮土器旋转系统和钻孔剪切装置进行在转动。
上滚珠轴承盘42整体嵌设在筒底座15的底部中(如上所述)，作为上轴承组件用于连接刮土器伸缩系统的上部；
下滚珠轴承盘33对应于上滚珠轴承盘42整体嵌设在钻孔剪切装置的基座17上，作为下轴承组件用于连接刮土器伸缩系统的下部。
参见图4，对于上滚珠轴承盘42和下滚珠轴承盘33在设置时，在筒底座15和基座17上对应的开设有相应的滚珠凹槽53，再分别将上滚珠轴承盘42和下滚珠轴承盘33嵌入在筒底座15和基座17上的滚珠凹槽53内。
刮土器伸缩系统中的步进电机16作为整个刮土器伸缩系统中的动力系统，用于驱动刮土器32伸缩移动。该步进电机16的上端上滚珠轴承盘42内圈固定，并通过传动轴43连接步进电机14，下端通过4个支座47固定在下滚珠轴承盘33内圈上。
在此基础上，丝杠46水平设置在步进电机16上，步进电机16旋转控制丝杠46水平伸缩，而丝杠46一端接头连接刮土器32，丝杠46可带动刮土器32前进或后退，前进时，刮土器32向孔壁接触，后退时，刮土器32缩后至圆柱形装置的内部。
参见图5，本实例中的刮土器32主要由弧形金属板与若干平行的刮土刀组成，若干平行的刮土刀竖直的设置弧形金属板的正面上(即弧形金属板的弧形外侧面)，每个刮土刀与弧形金属板之间焊接固定，保证连接的可靠性。再者，弧形金属板背面设置有相应的铰接槽52(如图4所示)，同时该铰接槽52上设有通孔，以用于与丝杠46连接。与之对应的，丝杠46的前端接头设置有环形孔62，该丝杠46将前端设有环形孔62的接头插入铰接槽52上的通孔后，通过螺栓与螺帽旋紧连接。
由此设置，步进电机16、支座47、下滚珠轴承33盘、传动轴43、上滚珠轴承盘42及刮土器32形成一个旋转整体，由步进电机14驱动传动轴43带动；而步进电机16通过线缆30外接测试处理系统，其可根据接收到的脉冲数以及丝杠46齿距确定丝杠46的伸缩距离，继而可控制刮土器刮土范围(孔径)。
本装置下部的钻孔剪切装置整体为圆筒状，在结构上主要由基座17、剪切筒18，下筒体20，管靴21，剪切板34，液压油缸48和活塞49相互配合构成。
其中，基座17为圆柱形，为横截面呈U形结构。该基座17底部嵌设有相应的下滚珠轴承盘33(如上所述)，侧壁内侧设置有内螺纹51，以用于与剪切筒18进行螺接。
剪切筒18整体为与基座17相配合的圆弧形，其内部中空。该剪切筒18的内部内设有液压油缸48和活塞49，侧壁上对称的开设有与剪切板34相配合的缺口。液压油缸48通过线缆30外接相应的控制装置，如液压泵、控制台；同时该液压油缸48通过推杆60控制2个对称的剪切板34相对于剪切筒18运动，实现张开和闭合，剪切板34张开，则接触孔壁土体。
剪切筒18的底部设置有相应的下筒体20，该下筒体20的内侧设置有相应的凹槽19，底部设置管靴21。
由此构成的钻孔剪切装置能够很好的完成剪切试验。
本实例中的测试处理系统主要由下位机与上位机组成，其中，下位机主要由单片机、驱动模块、供电模块、信号转换模块、传感器等组成。该下位机设置在本实例提供的提高钻孔剪切测试精度装置中，单片机通过驱动模块控制步进电机14和步进电机16，以实现控制刮土范围(孔径)与刮土旋转速率；供电模块为下位机中各模块提供稳定工作电压和电流；传感器用于实时检测各项数据，并传至信号转换模块；信号转换模块用于将传感器检测到的信号在传至单片机；单片机根据接收到的控制信号以及相应的传感信号形成相应的控制信号(如脉冲及频率信号)，并传至驱动模块，驱动模块根据接收到的脉冲及频率信号，驱动刮土器伸缩及刮土速率。
再者，本测试处理系统中的上位机由PC机、运行在PC机中软件处理系统、用户管理软件系统等构成，上位机可在地面布置，通过RS串口与下位机连接，向下位机发来的控制信号,如：步进距离、旋转速率等参数。
参见图5，基于上述方案构成的提高钻孔剪切测试精度的装置，可针对软粘性土孔壁的不确定性，测试处理系统通过线缆30内电源线和数据信号线传递脉冲或频率信号，对装置中的步进电机14和步进电机16实施控制，并采集各类传感器数据，通过步进电机16与长丝杠46旋转配合，控制钻孔孔径内刮土范围(孔径)与刮土旋转速率，消除了钻孔剪切过程中上部土体对剪切面的影响，从而获得土体的原始抗剪强度值。
为了进一步说明本实例提供的方案，以下说明一下基于本实例提供的装置进行高精度钻孔剪切测试的过程。
首先，根据上述方案来配置本装置，同时设置好测试处理系统，测试处理系统与装置之间通过线缆30进行连接。该线缆30内设有电源线、通信线、液压管道，电源线提供电机直流电，通信线传递控制及数据信号，液压管道提供剪切系统动能。该线缆30从地面上通过钻杆接箍、管道、通孔与步进电机、钻孔剪切装置连接，使得刮土器旋转系统可接受测试处理系统发送的脉冲频率控制步进电机14带动刮土器伸缩系统整体旋转，实施刮土。
在配置好相应的装置和测试处理系统后，即可进行钻孔剪切试验。本实例进行钻孔剪切试验时，采用钻探法钻孔至初始设计深度(即初始测试深度)，并执行：A放装置至孔底→B刮土(将孔壁R范围内土清除)→C剪切板张开→D钻孔剪切，这四个过程由此完成一个完整的作业流程，该测试过程由浅入深，直至整个钻孔达到设计深度。
参见图6，本实例进行一种钻孔剪切试验的具体实施过程如下：
A、放装置至孔底：首先在勘探点采用钻探方法钻孔至初始设计深度(即初始测试深度)，将钻头或取土器取出地面；采用钻机或起吊设备将本装置上接箍11与钻杆公接箍螺纹旋紧连接，逐节添加钻杆使本装置接近钻孔底部，直至本装置放到孔底(设计深度)；或用吊耳及钢丝绳将本发明装置沿钻孔孔壁放入孔底；
B、刮土(将孔壁R范围内土清除)：启动上位机用户模式，进入测试处理系统，首先驱动刮土器伸缩系统作业，即，下位机根据接收到的控制信号，以及丝杠46齿距计算得到丝杠46伸缩距离，再据此形成驱动控制信号，并传至步进电机16，步进电机16据此信号带动丝杠46水平移动，将丝杠46头部刮土器32张开，逐渐与孔壁接触；然后，驱动步进电机14带动整个刮土器旋转系统进行转动作业，将旋转系统上刮土器32绕水平相360度旋转刮土，使剪切装置肩部与孔壁处的土体清除，形成光滑孔壁；剪切装置上剪切板34与孔壁均匀接触，使剪切过程剪切面处于理想状态。
这里的R指步进电机16中心至刮土器32之间半径距离，R半径距离可通过步进电机16带动丝杠46调整。
C、剪切板张开：上位机控制步进电机16驱动丝杠46反向旋转，将刮土器32收回至正常状态，此时剪切板34上部土体已被清除(在一段时间内孔壁光滑)，同步控制钻孔剪切装置上的剪切板34张开，使得剪切板34与孔壁接触，使孔壁土体逐步受压固结；
D、钻孔剪切过程：使用地面提引装置(钻机、千斤顶或起吊设备)将本装置往上提升，开始实施钻孔剪切试验(剪切板34与孔壁摩擦剪切)，此时上位机根据剪切位移(上升距离)连续采集剪应力τ值，读取4mm内的τmix峰值为止，若无峰值则采集位移至6mm距离的最大τmix值。剪切试验结束，驱动剪切板34回缩至正常状态；
这里根据位移间隔连续采集τ值，直至出现τmix峰值或最大位移时的τmix，由上位机用户模式设置，具体参照国标“岩土工程勘察规范”(GB50021-2001,2009修订)设置或设计要求的规范进行。
E、完成上述试验步骤后，继续执行：钻孔→A→B→C→D，重复这一过程，使得测试深度由浅入深，直至整个钻孔达到设计深度。
上述试验过程为逐步钻孔，逐步进行试验的过程。据此，本实例再提供另外一种连续的钻孔试验的方案，以实现获得土体的原始抗剪强度值。
本试验方案采用钻探方法直接到达最终的设计深度，开始执行：A放装置至孔底→B刮土(将孔壁R范围内土清除)→C剪切板张开→D钻孔剪切过程→F往上提升一段距离，重复B～F这一过程，整个测试过程先深后浅，直至完成整个孔的剪切试验，以获得整个钻孔的剪切值。
参见图6，本实例进行连续的钻孔剪切试验的具体实施过程如下：
A、放装置至孔底：首先在勘探点采用钻探方法钻孔至初始设计深度(即初始测试深度)，将钻头或取土器取出地面；采用钻机或起吊设备将本装置上接箍11与钻杆公接箍螺纹旋紧连接，逐节添加钻杆使本装置接近钻孔底部，直至本装置放到孔底(设计深度)；或用吊耳及钢丝绳将本发明装置沿钻孔孔壁放入孔底；
B、刮土(将孔壁R范围内土清除)：启动上位机用户模式，进入测试处理系统，首先驱动刮土器伸缩系统作业，即，下位机根据接收到的控制信号，以及丝杠46齿距计算得到丝杠46伸缩距离，再据此形成驱动控制信号，并传至步进电机16，步进电机16据此信号带动丝杠46水平移动，将丝杠46头部刮土器32张开，逐渐与孔壁接触；然后，驱动步进电机14带动整个刮土器旋转系统进行转动作业，将旋转系统上刮土器32绕水平相360度旋转刮土，使剪切装置肩部与孔壁处的土体清除，形成光滑孔壁；剪切装置上剪切板34与孔壁均匀接触，使剪切过程剪切面处于理想状态。
这里的R指步进电机16中心至刮土器32之间半径距离，R半径距离可通过步进电机16带动丝杠46调整。
C、剪切板张开：上位机控制步进电机16驱动丝杠46反向旋转，将刮土器32收回至正常状态，此时剪切板34上部土体已被清除(在一段时间内孔壁光滑)，同步控制钻孔剪切装置上的剪切板34张开，使得剪切板34与孔壁接触，使孔壁土体逐步受压固结；
D、钻孔剪切过程：使用地面提引装置(钻机、千斤顶或起吊设备)将本装置往上提升，开始实施钻孔剪切试验(剪切板34与孔壁摩擦剪切)，此时上位机根据剪切位移(上升距离)连续采集剪应力τ值，读取4mm内的τmix峰值为止，若无峰值则采集位移至6mm距离的最大τmix值。剪切试验结束，驱动剪切板34回缩至正常状态；
这里根据位移间隔连续采集τ值，直至出现τmix峰值或最大位移时的τmix，由上位机用户模式设置，具体参照国标“岩土工程勘察规范”(GB50021-2001,2009修订)设置或设计要求的规范进行。
F、完成上述试验步骤后，将本高精度钻孔剪切测试装置沿钻孔往上提升一段距离，并继续以执行：步骤B～步骤F，测试深度先深后浅，直至完成整个钻孔的剪切试验。
作为举例，如钻孔至10m，将本装置放入孔底，执行A、B、C、D步骤，首先获得了10m处抗剪强度参数；往上提升1m，再执行B～D步骤，将获得9m处抗剪强度参数，以此类推，完成整孔从10m、9m、8m、7m……间隔为1m的抗剪强度参数。
最后需要说明的，本实例中涉及到的抗剪强度参数指现场采用钻孔剪切获得的最大剪应力τ，依据库伦定律确定土的内摩擦角和粘聚力c值，归属于直接剪切中的快剪试验；τ指保持0.8～1.2mm/min速率剪切破坏时的剪应力或≤6mm内的最大剪应力，速率指发明装置剪切时的速率，6mm指本发明装置剪切时上升的最大距离。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.高精度钻孔剪切测试装置，其特征在于，包括
刮土器伸缩系统，所述刮土器伸缩系统由刮土器旋转系统驱动旋转，受测试处理系统控制，驱动刮土器对孔壁实施刮土，形成光滑孔壁；
刮土器旋转系统，所述刮土器旋转系统连接刮土器伸缩系统，并受测试处理系统控制，驱动刮土器伸缩系统整体转动；
钻孔剪切装置，所述钻孔剪切装置与刮土器旋转系统连接，受测试处理系统控制，可驱动剪切板与由刮土器伸缩系统形成的光滑孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
测试处理系统，所述测试处理系统控制刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统，以及钻孔剪切装置协同工作，完成现场剪切试验。
2.根据权利要求1所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统以及钻孔剪切装置依次同轴连接设置。
3.根据权利要求1或2所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体相对于刮土器旋转系统和钻孔剪切装置转动。
4.根据权利要求1所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述刮土器旋转系统包括第一驱动电机和传动轴，所述第一步进电机通过传动轴驱动连接刮土器伸缩系统，带动刮土器伸缩系统整体相对于刮土器旋转系统转动。
5.根据权利要求1所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述刮土器伸缩系统包括第二驱动电机，传动丝杠，刮土器，以及轴承组件；所述刮土器伸缩系统通过轴承组件与钻孔剪切装置连接，使得刮土器伸缩系统整体可相对于刮土器旋转系统转动；所述第二驱动电机设置在第二轴承组件上，通过传动丝杠连接刮土器，并可带动传动丝杠作水平向伸缩移动，以带动刮土器相对于孔壁移动。
6.根据权利要求5所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述刮土器由弧形支撑板与若干平行的刮土刀组成，若干平行的刮土刀固定在弧形支撑板的正面，弧形支撑板的背面与传动丝杠连接。
7.根据权利要求1所述的钻孔剪切测试装置，其特征在于，所述钻孔剪切装置主要由剪切筒，剪切板，以及液压驱动机构配合构成，所述液压驱动机构设置在剪切筒内，并驱动连接剪切板，可驱动剪切板相对于剪切筒作水平向伸缩移动。
8.高精度钻孔剪切测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、首先在勘探点钻孔至测试深度，然后将权利要求1-7中任一项所述的高精度钻孔剪切测试装置放入孔底；
B、启动测试处理系统，控制刮土器伸缩系统推动其上刮土器与孔壁接触；然后控制刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体绕水平相360度旋转，将影响钻孔剪切装置剪切时肩部土体刮除，形成光滑孔壁；
C、测试处理系统控制刮土器伸缩系统收回其上的刮土器收缩，同时将钻孔剪切装置上剪切板张开，剪切板与孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
D、提升位于钻孔中的高精度钻孔剪切测试装置，开始实施钻孔剪切试验，测试处理系统开始连续测得读数，读取钻孔剪切试验过程中最大剪切值，然后将剪切板回缩至初始状态；
E、完成上述试验步骤后，将本高精度钻孔剪切测试装置提升出钻孔，并继续以执行：步骤A～步骤D，直至整个钻孔达到设计深度。
9.高精度钻孔剪切测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、首先在勘探点钻孔直接至设计深度，然后将权利要求1-7中任一项所述的高精度钻孔剪切测试装置放入孔底；
B、启动测试处理系统，控制刮土器伸缩系统推动其上刮土器与孔壁接触；然后控制刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体绕水平相360度旋转，将影响钻孔剪切装置剪切时肩部土体刮除，形成光滑孔壁；
C、测试处理系统控制刮土器伸缩系统收回其上的刮土器收缩，同时将钻孔剪切装置上剪切板张开，剪切板与孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；
D、提升位于钻孔中的高精度钻孔剪切测试装置，开始实施钻孔剪切试验，测试处理系统开始连续测得读数，读取钻孔剪切试验过程中最大剪切值，然后将剪切板回缩至初始状态；
E、完成上述试验步骤后，将本高精度钻孔剪切测试装置沿钻孔往上提升一段距离，并继续以执行：步骤B～步骤E，直至完成整个钻孔的剪切试验。
10.根据权利要求9所述的钻孔剪切测试方法，其特征在于，在整个剪切试验过程中步骤E中采用等距离提升高精度钻孔剪切测试装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910230646.1A CN110186780A (zh) | 2019-03-26 | 2019-03-26 | 一种高精度钻孔剪切测试装置及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113607573A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-11-05 | 长安大学 | 一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法 |
| CN113702211A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-11-26 | 成都理工大学 | 用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀旋转剪切装置及试验方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08285747A (ja) * | 1995-04-17 | 1996-11-01 | Kyushu Electric Power Co Inc | 軟質岩盤用の孔内せん断試験方法及び装置 |
| 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 |
| CN108426789A (zh) * | 2018-05-12 | 2018-08-21 | 中国铁路设计集团有限公司 | 深层原位孔内剪切测试系统及其测试方法 |
| CN109443908A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-08 | 机械工业勘察设计研究院有限公司 | 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法 |
| CN210322636U (zh) * | 2019-03-26 | 2020-04-14 | 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 |
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2019
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08285747A (ja) * | 1995-04-17 | 1996-11-01 | Kyushu Electric Power Co Inc | 軟質岩盤用の孔内せん断試験方法及び装置 |
| 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 |
| CN108426789A (zh) * | 2018-05-12 | 2018-08-21 | 中国铁路设计集团有限公司 | 深层原位孔内剪切测试系统及其测试方法 |
| CN109443908A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-03-08 | 机械工业勘察设计研究院有限公司 | 一种钻孔剪切试验的室内模型试验装置及方法 |
| CN210322636U (zh) * | 2019-03-26 | 2020-04-14 | 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 于永堂;郑建国;刘争宏;张继文;: "钻孔剪切试验及其在黄土中的应用", 岩土力学, no. 12 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113607573A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-11-05 | 长安大学 | 一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法 |
| CN113702211A (zh) * | 2021-10-27 | 2021-11-26 | 成都理工大学 | 用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀旋转剪切装置及试验方法 |
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