CN110376080A - 一种适用于岩土材料力学特性测试的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,包括坠体,所述坠体包括球冠,所述球冠为下端面为球面的块状结构,所述球面中部下凸。本装置不仅结构简单,同时可提高测试效率;测试结果具有客观性和稳定性;可用于强度指标测试。
Description
技术领域
本发明涉及岩土材料力学特性测试技术领域,特别是涉及一种适用于岩土 材料力学特性测试的装置。
背景技术
随着国民经济的高速发展,各种大型建设工程方兴未艾。这些工程规模巨 大,影响深远,其建设质量的保证具有极其重要的经济及社会意义。但是,各 种施工质量问题、豆腐渣工程也是不绝于后。其中,许多岩土工程(如高速公 路、铁路、堤防及土石坝等)由于碾压、使用材料问题等,经常会发生不均匀 沉降而被迫返工,严重时会因强度不足而造成滑坡等事故,从而造成巨大的经 济损失和社会损失。
岩土工程所用的材料主要是岩土类材料,主要包括碎石、砂质及黏土质材 料,具有天然性、多样性、复杂性等特性。其中,决定其性能(沉降、稳定等) 最关键的指标为其力学特性(变形模量E和强度指标c、等)。岩土材料的 路线特性受到很多因素的影响,如材料种类、级配、含水量、密度、碾压方式 等,因此工程界一直期待着能在施工现场准确、直接、快速、方便的检测方法。
迄今为止,世界上尚无能够在现场全面检测岩土材料力学特性的快速方 法。目前通常的检测方法往往是通过间接的手段,如测试干密度等推算岩土材 料的力学特性,虽然经过上百年的应用,但是仍存在着很多根本性的问题未得 到很好的解决。
现有的测试方法简介:
通过与室内试验结果进行对比的方法:以测试材料的密度及含水量为主, 通过现场与室内试验结果的对比关系来推算现场材料的力学特性。该类方法应 用最为广泛,但存在着室内材料与现场材料的差异较大、测点少、代表性差、 施工方法的影响大等问题。
现场静力载荷试验的方法:直接在现场径向压载试验,进而求得材料的变 形特性,如现场CBR法、承载法、现场剪切试验,测试精度高但是需要反力 装置,耗财费力,只适合于局部重点区域的测试。此外,由于填土工程所用的 材料为松散材料,而且粒径相对较大,迄今上午有效的方法可以测出材料的剪 切强度特性。
现场动力载荷方法:基本原理与2)类似,所不同的是通过快速加载或者 冲击载荷以代替静力载荷,如落锤式弯沉仪法(FWD,适用于大颗粒材料)、 手持式弯沉仪法(PFWD,适用于中小颗粒材料)等,近年来得到快速的发展。 大致可分为变形特性测试技术与强度特性测试技术两大类。
测试材料变形特性的快速检测技术主要有:
现场CBR:比较先进的有土基现场CBR值测试方法及落球仪快速测试土 基现场CBR值试验方法。
压实度:目前比较先进的有振动压路机的压实度连续检测仪,通过现场标 定,可以连续测试。
弯沉:近年来,采用落锤式弯沉仪(FWD)测定路面的动态弯沉,并用来 反算路面的回弹模量,是目前最先进和最流行的测试技术之一。但由于FWD 设备庞大,一般只用于道路路面的检测,一些厂商将其轻量化以适应岩土材料 的测试,即手持落锤式弯沉仪法(PFWD)。
测试材料强度特性的快速检测技术:
岩土材料的强度特性只有在较大的应变水平时才能显现,故往往需要较大 的荷载。用于深度较深的地基勘测的圆锥动力触探、标注贯入试验方法一般难 以用于填土材料强度的检测。
现有技术的问题点:
传统的密度管理方法
按照传统的密度管理方法,需要对不同的材料分别决定其最优密度(最大 干燥密度和最小干燥密度)等。这个最优密度,需要用室内夯实试验和现场碾 压试验来求得,由于粒径,碾压方式的不同,在现场的应用中会出现不匹配的 问题。
目前较为先进的现场快速测试方法:手持落锤式弯沉仪法(PFWD)具有 以下问题:
结构复杂;
不能测试材料的强度特性;
测试方便性:需要平整测试面,调整弹簧垫等,测试的客观性不高。
发明内容
针对上述提出的现在流行的落下式快速测试方法,一般均采用圆柱式的落 下碰撞体(如PFWD),以保证其与土体的接触面一定,便于进行各种分析。 然而,该类方法测试效率较低(需要导杆诱导、地面平整、加垫板等),应变 小,无法测试土体强度特性的技术问题,本发明提供了一种适用于岩土材料力 学特性测试的装置,本装置不仅结构简单,同时可提高测试效率;测试结果具 有客观性和稳定性;可用于强度指标测试。
本方案的技术手段如下,一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,包括 坠体,所述坠体包括球冠,所述球冠为下端面为球面的块状结构,所述球面中 部下凸。
现有技术中,针对岩土材料力学特性测试,如基于手持落锤式弯沉仪法(PFWD),相应测试装置硬件部分中,包括架体及坠体,所述架体一般为一体 化结构,架体上设置有导向杆,坠体通过其上的孔与导向杆间隙配合,架体上 导向杆的下端一般包括把手、位移传感器、量力环、载荷板、调整用如为橡胶 垫的弹性垫,所述导向杆用于阻止重锤在下落时发生倾斜,载荷板作为架体的 最下端,位移传感器用于获取重锤撞击架体后架体的位移,所述量力环用于获 得重锤撞击的冲击力,根据所获得的信号,通过对碰撞过程的信号进行处理, 从而达到测定材料的力学特性的目的。
本方案中,通过所述球冠作为坠体,同时球冠在下落时,所述下端面朝下 下落,这样,所述下端面作为球冠与被测岩土接触时的球冠上的接触面。
相较于现有技术,本发明的装置可以自由下落而无需设置导向杆,可简化 测试系统的结构,提高测试效率:由于球冠下方球面自身的整流作用,在球体 下落时可以保证其下端始终朝下,不会发生倾斜。而现有为柱状(圆柱体等) 的重锤碰撞体在在自由落下时,由于空气的作用极易造成重锤倾斜,因此需要 导向杆定向。
利用本发明的装置在测试时,无需载荷板等垫板(垫板存在会导入各种附 加误差),也无需对测试对象表面进行平整整形,可有效提高测试效率,保证测 试结果的客观性和稳定性。
应变水平高并可自然调整,从而有利于测试对象的强度指标测试:落球体 在于测试对象碰撞时,根据测试对象材料的刚性自然地调节了其接触面积。即 较硬的材料,其接触面积也较小,从而利用应力集中,在局部产生较大的应变。 无论对象材料的软硬如何,总能保证在一定的范围内产生较大的应变,使材料 的强度特征得到发挥,获得测试对象的强度指标。而对于现有载荷板的平面接 触面,在碰撞时,其接触面积一定,使得对于较硬的测试对象,在碰撞时产生 的应变较小。而对于岩土材料这样的非线性材料,其强度特征只有在高应变的 条件下,才能得到充分体现,在低应变的条件下测得的强度指标是具有很大误差的。
由于不存在下端表面为平面的垫板,同时不需要设置所述弹性垫,故针对 信号获取,相应传感器采用如为压电式加速度传感器,通过所述传感器获得球 冠的振动信号即可,而后利用现有的Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其 碰撞过程,从而能够快速、简便、准确测定材料的强度特性及变形特性。
由于本方案结构更为简单,释放球冠和对岩土材料表面形态的要求更少, 故本发明提供的装置不仅可以人力作业,还可以通过车载的方式来进行作业, 使作业速度得到提高。
即本方案提供了一种通过自由下落的球冠与测试对象材料发生碰撞,可以 在现场快速准确的测试岩土材料的强度及刚性特性的装置:在球冠下端面以外 的区域设置传感器,将球冠提升到一定高度,自由落下,对岩土材料进行冲击, 产生信号,将该采集信号经过处理、解析,从而求出岩土材料的刚性指标(变 形模量E等)和强度指标(粘聚力c、内部摩擦角等)。相较于现有检测技术, 本装置不仅结构简单,同时可提高测试效率;测试结果具有客观性和稳定性; 可用于强度指标测试。
作为本领域技术人员,所述球冠可设置仅为下端面为球面,如球冠的下端 为球体,上端为实现配重的柱体即可,亦可设置为球冠整体呈球形或为球体的 一部分。针对所述球面,可采用等径球面,亦可为椭球面等非规则球面。
更进一步的技术方案为:
为方便操作球冠,设置为:还包括设置在球冠上端的把手。
作为一种把手的具体设置形式,设置为:所述把手为管状结构,所述把手 的下端与球冠的上端固定连接,还包括安装在把手内的传感器。采用本方案, 不仅通过把手为传感器提供了一种相对封闭的安全环境,同时可利用所述把手 的内部空间用于传感器布线。
为方便固定传感器,同时使得传感器与球冠形成刚性连接关系,设置为: 还包括用于安装传感器的固定座,所述固定座与把手固定连接,传感器安装于 所述固定座上。具体的,可设置为所述固定座与把手螺纹连接,传感器与固定 座螺纹连接,这样,本装置上随球冠下落的部件相对之间以及与球冠之间的刚 性连接关系,便于使得传感器采集到的信号更加精确。
由于本方案中,随球冠下落的部件可设置为整体为刚性件,故相应安装于 随球冠下落的部件上的传感器,相较于如现有手持落锤式弯沉仪法所使用到的 包括弹性垫的装置,本身可获得准确的振动信号,为方便数据处理以及简化本 装置的结构,设置为:所述传感器为用于获得球冠振动信号的传感器。优选的, 为利于振动信号质量,设置为:所述传感器刚性连接在把手上。
为实现针对不同粒径的材料,通过改变球冠的大小以得到更好的测试效果, 设置为:所述球冠与把手的连接关系为可拆卸连接关系。
作为把手与球冠的具体连接形式,设置为:还包括连接法兰,所述把手固 定于连接法兰上,连接法兰通过多颗连接螺栓与球冠螺栓连接。采用本方案, 可有效保证把手与球冠连接的可靠性。
作为一种体积小、可长期保持测试精度的球冠具体方案,设置为:所述球 冠的材质为不锈钢。
本发明具有以下有益效果:
本方案提供了一种通过自由下落的球冠与测试对象材料发生碰撞,可以在 现场快速准确的测试岩土材料的强度及刚性特性的装置:在球冠下端面以外的 区域设置传感器,将球冠提升到一定高度,自由落下,对岩土材料进行冲击, 产生信号,将该采集信号经过处理、解析,从而求出岩土材料的刚性指标(变 形模量E等)和强度指标(粘聚力c、内部摩擦角等)。相较于现有检测技 术,本装置不仅结构简单,同时可提高测试效率;测试结果具有客观性和稳定 性;可用于强度指标测试。
附图说明
图1是本发明所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置一个具体实 施例的结构示意图;
图2是本发明所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置一个具体实 施例的结构示意图,该示意图为剖视图。
图中的附图标记分别为:1、球冠,2、连接螺栓,3、连接法兰,4、固定 座,5、把手,6、传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明,但是本发明的结构不仅限 于以下实施例。
实施例1:
如图1和图2所示,一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,包括坠体, 所述坠体包括球冠1,所述球冠1为下端面为球面的块状结构,所述球面中部下 凸。
现有技术中,针对岩土材料力学特性测试,如基于手持落锤式弯沉仪法 (PFWD),相应测试装置硬件部分中,包括架体及坠体,所述架体一般为一体 化结构,架体上设置有导向杆,坠体通过其上的孔与导向杆间隙配合,架体上 导向杆的下端一般包括把手5、位移传感器、量力环、载荷板、调整用如为橡胶 垫的弹性垫,所述导向杆用于阻止重锤在下落时发生倾斜,载荷板作为架体的 最下端,位移传感器用于获取重锤撞击架体后架体的位移,所述量力环用于获 得重锤撞击的冲击力,根据所获得的信号,通过对碰撞过程的信号进行处理, 从而达到测定材料的力学特性的目的。
本方案中,通过所述球冠1作为坠体,同时球冠1在下落时,所述下端面朝 下下落,这样,所述下端面作为球冠1与被测岩土接触时的球冠1上的接触面。
相较于现有技术,本发明的装置可以自由下落而无需设置导向杆,可简化 测试系统的结构,提高测试效率:由于球冠1下方球面自身的整流作用,在球体 下落时可以保证其下端始终朝下,不会发生倾斜。而现有为柱状(圆柱体等) 的重锤碰撞体在在自由落下时,由于空气的作用极易造成重锤倾斜,因此需要 导向杆定向。
利用本发明的装置在测试时,无需载荷板等垫板(垫板存在会导入各种附 加误差),也无需对测试对象表面进行平整整形,可有效提高测试效率,保证测 试结果的客观性和稳定性。
应变水平高并可自然调整,从而有利于测试对象的强度指标测试:落球体 在于测试对象碰撞时,根据测试对象材料的刚性自然地调节了其接触面积。即 较硬的材料,其接触面积也较小,从而利用应力集中,在局部产生较大的应变。 无论对象材料的软硬如何,总能保证在一定的范围内产生较大的应变,使材料 的强度特征得到发挥,获得测试对象的强度指标。而对于现有载荷板的平面接 触面,在碰撞时,其接触面积一定,使得对于较硬的测试对象,在碰撞时产生 的应变较小。而对于岩土材料这样的非线性材料,其强度特征只有在高应变的 条件下,才能得到充分体现,在低应变的条件下测得的强度指标是具有很大误差的。
由于不存在下端表面为平面的垫板,同时不需要设置所述弹性垫,故针对 信号获取,相应传感器采用如为压电式加速度传感器,通过所述传感器获得球 冠1的振动信号即可,而后利用现有的Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其 碰撞过程,从而能够快速、简便、准确测定材料的强度特性及变形特性。
由于本方案结构更为简单,释放球冠1和对岩土材料表面形态的要求更少, 故本发明提供的装置不仅可以人力作业,还可以通过车载的方式来进行作业, 使作业速度得到提高。
即本方案提供了一种通过自由下落的球冠1与测试对象材料发生碰撞,可以 在现场快速准确的测试岩土材料的强度及刚性特性的装置:在球冠1下端面以外 的区域设置传感器,将球冠1提升到一定高度,自由落下,对岩土材料进行冲击, 产生信号,将该采集信号经过处理、解析,从而求出岩土材料的刚性指标(变 形模量E等)和强度指标(粘聚力c、内部摩擦角等)。相较于现有检测技术, 本装置不仅结构简单,同时可提高测试效率;测试结果具有客观性和稳定性; 可用于强度指标测试。
作为本领域技术人员,所述球冠1可设置仅为下端面为球面,如球冠1的下 端为球体,上端为实现配重的柱体即可,亦可设置为球冠1整体呈球形或为球体 的一部分。
实施例2:
如图1和图2所示,本实施例在实施例1的基础上作进一步限定:为方便操作 球冠1,设置为:还包括设置在球冠1上端的把手5。
作为一种把手5的具体设置形式,设置为:所述把手5为管状结构,所述把 手5的下端与球冠1的上端固定连接,还包括安装在把手5内的传感器。采用本方 案,不仅通过把手5为传感器提供了一种相对封闭的安全环境,同时可利用所述 把手5的内部空间用于传感器布线。
为方便固定传感器,同时使得传感器与球冠1形成刚性连接关系,设置为: 还包括用于安装传感器的固定座4,所述固定座4与把手5固定连接,传感器安装 于所述固定座4上。具体的,可设置为所述固定座4与把手5螺纹连接,传感器与 固定座4螺纹连接,这样,本装置上随球冠1下落的部件相对之间以及与球冠1之 间的刚性连接关系,便于使得传感器采集到的信号更加精确。
由于本方案中,随球冠1下落的部件可设置为整体为刚性件,故相应安装于 随球冠1下落的部件上的传感器,相较于如现有手持落锤式弯沉仪法所使用到的 包括弹性垫的装置,本身可获得准确的振动信号,为方便数据处理以及简化本 装置的结构,设置为:所述传感器为用于获得球冠1振动信号的传感器。
为实现针对不同粒径的材料,通过改变球冠1的大小以得到更好的测试效 果,设置为:所述球冠1与把手5的连接关系为可拆卸连接关系。
作为把手5与球冠1的具体连接形式,设置为:还包括连接法兰3,所述把手 5固定于连接法兰3上,连接法兰3通过多颗连接螺栓2与球冠1螺栓连接。采用本 方案,可有效保证把手5与球冠1连接的可靠性。
作为一种体积小、可长期保持测试精度的球冠1具体方案,设置为:所述 球冠1的材质为不锈钢。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明,不能 认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普 通技术人员来说,在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式,均应包 含在对应发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,包括坠体,其特征在于,所述坠体包括球冠(1),所述球冠(1)为下端面为球面的块状结构,所述球面中部下凸。
2.根据权利要求1所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,还包括设置在球冠(1)上端的把手(5)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,所述把手(5)为管状结构,所述把手(5)的下端与球冠(1)的上端固定连接,还包括安装在把手(5)内的传感器(6)。
4.根据权利要求3所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,还包括用于安装传感器(6)的固定座(4),所述固定座(4)与把手(5)固定连接,传感器(6)安装于所述固定座(4)上。
5.根据权利要求3所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,所述传感器(6)为用于获得球冠(1)振动信号的传感器。
6.根据权利要求5所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,所述传感器(6)刚性连接在把手(5)上。
7.根据权利要求2所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,所述球冠(1)与把手(5)的连接关系为可拆卸连接关系。
8.根据权利要求7所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,还包括连接法兰(3),所述把手(5)固定于连接法兰(3)上,连接法兰(3)通过多颗连接螺栓(2)与球冠(1)螺栓连接。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种适用于岩土材料力学特性测试的装置,其特征在于,所述球冠(1)的材质为不锈钢。
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