CN110609132A - 一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土体性质测量技术领域，具体涉及一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置及方法。解决了现有技术中测量设备仅针对单一的物理量进行测量，而且不能够测量堆积体中不同深度的原位物理力学特征的问题。技术方案是：包括土体承装部、土体推动部和土体保护部，所述土体承装部由底板和多个重叠在一起的单层容器构成，所述单层容器上下贯通，各单层容器之间滑动连接，所述土体推动部连接有驱动机构，所述土体推动部用于推动单层容器进入土体保护部。本发明能够获取指定深度的土体样品，通过对不同深度的土体样品的各种性能检测分析，可以获得土体的物理力学性质沿深度方向分布的规律，适用于测量土体物理力学性质沿深度分布的规律。

Description

一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置及方法

技术领域

本发明属于土体性质测量技术领域，具体涉及一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置及方法。

背景技术

土体自身存在若干物理力学特征，如密度、孔隙度、抗剪强度等，通常情况下默认这些特征是保持不变的。但通过试验已经证明在岩土体天然堆积体(尤其是松散堆积体中)，土体的物理力学性质是会随着深度的增大而发生变化的。例如松散堆积的沙土虽然可以直接测量整个堆积体的平均密度，但实际上该堆积体中密度呈现出上小下大的趋势，即越靠近底部的土体受上部土体压力的作用会被挤压更紧密，引起密度的增大。同理其他的相关参数也可能增大或发生变化。本提案的主要目的就是为了测量土体在堆积过程中沿深度的物理力学性能参数，从而对这些参数沿深度变化的趋势进行研究。

目前对土体物理力学特征的测量已经规范化和标准化，但这些方法目前针对于对整个堆积体的测量，并非沿深度方向上对指定方向和指定位置的测量。例如申请号为201710886493.7的专利公开了一种测量土体内部沉降位移的测量装置，该专利主要测量目标是土体内部沉降；申请号为201510786286.5的专利公开了一种测量土中裂隙分布和深度的方法，该专利仅针对原始土体内部裂隙的测量；申请号为201810361258.2的专利公开了一种土体内部可视化三维变形测量方法，该专利主要测量目标为直观的土体三维变形。这些专利主要的缺点在于：大多设备侧重于测量单一的物理量，如位移、贯入阻力等，不能够测量堆积体中不同深度的原位物理力学特征。

发明内容

针对现有技术中测量设备仅针对单一的物理量进行测量，而且不能够测量堆积体中不同深度的原位物理力学特征的问题，本发明提供一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置及方法，其目的在于：获取不同深度的原位土样，并对土样的原位物理力学特征进行测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，包括土体承装部、土体推动部和土体保护部，所述土体承装部由底板和多个重叠在一起的单层容器构成，所述单层容器上下贯通，各单层容器之间滑动连接，所述土体推动部连接有驱动机构，土体推动部安装于单层容器滑动方向上的一侧，所述土体推动部用于推动单层容器进入土体保护部。

采用该技术方案后，土体推动部推动指定深度的单层容器，将所述单层容器推入土体保护部中，能够获取指定深度的土体样品，通过对不同深度的土体样品的各种性能检测分析，可以获得土体的物理力学性质沿深度方向分布的规律。

优选的，所述单层容器包括侧板和推移护板，所述侧板与推移护板螺栓连接，所述侧板上部设置有凸起，所述侧板下部设置有凹槽，所述凹槽与相邻单层容器的凹槽配合。

采用该技术方案后，侧板上凹槽与凸起配合能够使单层容器沿侧板的方向滑动，而且凹槽与侧板配合还能够限制单层容器侧向移动，装置更加稳定。

优选的，所述推移护板的侧面设置有凸块，所述凸块上纵向设置有第一通孔。

采用该技术方案后，重叠之后的单层容器各个贯通的孔在一个竖直方向上，向第一通孔内插入推移固定杆就能使各单层容器之间固定，增加了单层容器之间的稳定性。

优选的，所述土体推动部包括支撑板，所述支撑板连接有连接推板，所述连接推板与驱动机构连接，所述连接推板和支撑板的高度与单层容器相同。

采用该技术方案后，连接推板和支撑板高度与单层容器相同，不会阻碍单层容器的滑动，而且支撑板能够替代被推出的土体，对该单层容器上方和下方未被推出的土体进行支撑，防止土体发生坍塌。

优选的，所述支撑板的侧面设置有第二通孔，所述第二通孔中设置有长螺杆，所述单层容器上设置有所述第二通孔位置对应的第三通孔。

采用该技术方案后，长螺杆作为土体推动部的滑轨，将土体推动部和单层容器连接在同一直线上，防止土体推动部与单层容器错位。

优选的，所述土体保护部包括上挡板和下挡板，所述上挡板连接有固定侧板，所述固定侧板的下部与下挡板连接，单层容器与上挡板和下挡板配合。

由于单层容器上下贯通，因此被推出的土体必然会产生泄露或外溢，为了保持被推出的土体原状，在被推出土层的上下两个单层容器后部分别安装了上挡板和下挡板，保持在推出过程中被推出土体的完整性。这样被推出土体的上方和下方由上挡板和下挡板覆盖，前后左右侧由单层容器覆盖，保持了土体的原状，便于后期物理力学性质的测量和分析。

优选的，所述下挡板设置有透明观察窗。

采用该技术方案后，能够观察单层容器中土体的情况。

一种采用所述装置的土体物理力学性质沿深度分布规律的测量方法，包括以下步骤：

[1]根据试验需要，将底板和相应数量的单层容器组装成土体承装部；

[2]将待测土体放入土体承装部中；

[3]在指定深度的单层容器一侧安装土体推动部，在单层容器的另一侧安装土体保护部；

[4]启动驱动装置，使土体推动部推动所述指定深度的单层容器进入土体保护部中；

[5]测量土体保护部中的待测土体的物理力学性质参数。

优选的，步骤[5]中的物理力学性质参数包括抗剪强度。

优选的，步骤[5]中的物理力学性质参数包括质量、颗粒级配、土体密度和空隙度。

采用该技术方案后，能够获取不同深度原位土样，并对该原位土样的各种性能进行质量、颗粒级配、土体密度、空隙度、剪切试验等测试，测出堆积土体沿深度方向的物理力学性质变化规律。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.土体推动部推动指定深度的单层容器，将所述单层容器推入土体保护部中，能够获取指定深度的土体样品，通过对不同深度的土体样品的各种性能检测分析，可以获得土体的物理力学性质沿深度方向分布的规律。

2.侧板上凹槽与凸起配合能够使单层容器沿侧板的方向滑动，而且凹槽与侧板配合还能够限制单层容器侧向移动，装置更加稳定。

3.推移护板的侧面设置有凸起，所述凸起上设置有上下贯通的孔，重叠之后的单层容器各个贯通的孔在一个竖直方向上，向贯通的孔内插入推移固定杆就能使各单层容器之间固定，增加了单层容器之间的稳定性。

4.连接推板和支撑板高度与单层容器相同，不会阻碍单层容器的滑动，而且支撑板能够替代被推出的土体，对该单层容器上方和下方未被推出的土体进行支撑，防止土体发生坍塌。

5.长螺杆作为土体推动部的滑轨，将土体推动部和单层容器连接在同一直线上，防止土体推动部与单层容器错位。

6.单层容器与上挡板和下挡板配合，保持了土体的原状，便于后期物理力学性质的测量和分析。

7.下挡板设置有透明观察窗，便于观察单层容器中土体的情况。

8.能够获取不同深度原位土样，并对该原位土样的各种性能进行质量、颗粒级配、土体密度、空隙度、剪切试验等测试，能够用于研究堆积土体沿深度方向的物理力学性质变化规律。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是土体承装部分解结构示意图；

图3是单层容器结构示意图；

图4是单层容器分解结构示意图；

图5是土体推出部安装结构图；

图6是土体推出部工作原理图；

图7是土体保护部工作原理图；

图8是土体保护部结构示意图；

图9是土体保护部分解结构示意图；

图10是土体保护部拆除上挡板后的结构示意图。

其中，1-土体承装部，2-土体推动部，3-土体保护部，11-底板，12-单层容器，13-推移固定杆，121-推移护板，122-侧板，123-螺栓，124-凸块，21-支撑板，22-连接推板，23-长螺杆，31-上挡板，32-支挡栏，33-观察窗，34-观察窗护条，35-固定侧板，36-短螺栓。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1～图10对本发明作详细说明。

一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，包括土体承装部1、土体推动部2和土体保护部3。所述土体承装部1用于承装被测土体，土体承装部1由底板11和多个重叠在一起的单层容器12构成，可根据需要测量的深度调整堆叠单层容器12的数量。所述单层容器12上下贯通，各单层容器12之间滑动连接。所述土体推动部2可安装在任意指定深度的单层容器12滑动方向上的一侧，土体推动部2连接有驱动机构，本实施例中，所述驱动机构为液压杆。本实施例中，所述土体保护部3安装于该深度的单层容器12滑动方向上的另一侧，并和与该指定深度单层容器12上下相邻的单层容器螺栓连接。在承载被测深度土体的单层容器12被完全推动到土体保护部3后，即可将土体保护部3从单层容器12上拆除并对土体进行后期的测量分析。

单层容器12的拆分如图4所示，分别由推移护板121，侧板122，螺栓123和对应的螺母构成。在推移护板121和侧板122侧面均开设有两个上下平行的通孔，分别为第三通孔和第四通孔，可供螺栓123插入。在组装单层容器12时螺栓123仅插入第四通孔保持固定，第三通孔用于单层容器12的推移和保护。所述侧板122与推移护板121螺栓连接并围成一个矩形框，所述侧板122上部设置有凸起，所述侧板122下部设置有凹槽，所述凸起与其上方单层容器12的凹槽配合，所述凹槽与其下方的单层容器12的凸起配合，保证推移的稳定。

所述推移护板121的侧面设置有凸块124，所述凸块124上竖向设置有第一通孔。堆叠后的各单层容器12上该第一通孔位于同一竖直线上，向第一通孔内插入推移固定杆13即可保持单层容器12的前后固定。在侧板122和推移固定杆13的共同作用下，叠加的单层容器12之间不能进行相对移动，形成连续的柱状容器，便于承装待测土体。

所述土体推动部2包括支撑板21，所述支撑板21连接有连接推板22，所述连接推板22与驱动机构连接。土体推动部2可根据研究的需要，安装于任意深度的单层容器12的侧面，其安装结构如图5所示。安装前，首先需要将安装一侧的推移固定杆13抽出。其次将顶板21、连接推板22、长螺杆23、螺母以图5的结构依次安装，固定后即完成连接。其中连接推板22、支撑板21两侧开设有与单层容器12上的第三通孔完全相同的第二通孔。长螺杆23穿过连接推板22、第二通孔和第三通孔后以螺母固定，将土体推动部2完全安装在指定的单层容器12一侧。支撑板21上下平面光滑，具有和单层容器12同样的尺寸。支撑板21主要作用在于代替被推出的土体，防止未推出的上下位置的土体产生坍塌。连接推板22的主要作用是连接驱动机构，因此连接推板22与顶板可拆卸连接，便于与不同的驱动机构连接。

土体推动部2的工作原理如图5所示，首先将土体承装部1中安装在土体推动部2对侧的推移固定杆1-3抽出，然后土体推出部2在驱动机构的作用下将指定深度的单层容器12推出，最后在单层容器12完全推出后，拆除土体推出部2的长螺杆23及其对应的螺母即可将单层容器12取出。注意在拆除过程中并不拆除被推出单层容器12的螺栓123。

土体保护部3的构造如图9所示，所述土体保护部3包括上挡板31和下挡板，所述上挡板31连接有固定侧板35，所述固定侧板35的下部与下挡板连接，上挡板31和下挡板分别与单层容器12紧密接触。上挡板31安装在被推出的单层容器的上一层单层容器的侧面，通过两根长螺杆23与单层容器12相连。下挡板由两根支挡栏32，一个透明观察窗33和一个观察窗护条34构成。两根支挡栏32由长螺杆23安装在被推出的单层容器12下方的单层容器侧面。支挡栏32之间的空隙中设置一个透明观察窗33，透明观察窗33采用玻璃或有机玻璃构成。透明观察窗33前方安装观察窗护条3-4，防止透明观察窗33脱出。上挡板31和下挡板两侧安装有固定侧板35，固定侧板35由四根短螺栓36结合螺母进行固定。固定侧板35的主要作用是保证上挡板31与下挡板的间距保持不变，同时维持整个保护部的尺寸和整体性，保证整个结构在推入土体后脱出时仍然完整。由于单层容器12上下贯通，因此被推出的土体必然会产生泄露或外溢，为了使被推出的土体保持原状，如图7所示,在被推出土层相邻的上下两个单层容器12后部分别安装上挡板31和下挡板，保持在推出过程中被推出土体的完整性。上挡板31和下挡板通过长螺杆23安装在单层容器12上，待土层完全被推出后，将长螺杆23拆除即可将土体保护部3连同被推出的土体整体取下。这样被推出土体的上方和下方由上挡板31和下挡板覆盖，四周由单层容器覆盖，保持了土体原状，可用于后期物理力学性质的测量和分析。

一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量方法，包括以下步骤：

[1]根据试验需要，将底板11和相应数量的单层容器12组装成土体承装部1；

[2]将待测土体放入土体承装部1中；

[3]在指定深度的单层容器12一侧安装土体推动部2，在单层容器12的另一侧安装土体保护部3，土体保护部3与该指定深度的单层容器12相邻的单层容器12连接；

[4]启动驱动装置，使土体推动部2推动所述指定深度的单层容器12进入土体保护部3中；

[5]测量土体保护部(3)中的待测土体的物理力学性质参数。

步骤[5]中的物理力学性质参数包括抗剪强度，测量抗剪强度时，仅需要将上挡板31拆除，向待测土体中压入土力学取样环刀，对取样环刀取出的样品进行剪切试验即可。

步骤[5]中的物理力学性质参数包括质量、颗粒级配、土体密度和空隙度。测量时，需要将土体保护部3完全拆除，首先测量质量、颗粒级配，由于单层容器12内部的体积固定，因此可以通过质量计算得到土体密度、空隙度。

本发明的测量装置结构简单、模块化且易于组装，以推出式的方式能够获取指定深度处的原位土样，获取原位土样后即可实现对该土样的各种性能进行检测分析，通过对各个深度的土样进行试验，就能够得到土体物理力学性质沿深度方向的分布规律。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于：包括土体承装部(1)、土体推动部(2)和土体保护部(3)，所述土体承装部(1)由底板(11)和多个重叠在一起的单层容器(12)构成，所述单层容器(12)上下贯通，各单层容器(12)之间滑动连接，所述土体推动部(2)连接有驱动机构，土体推动部(2)安装于单层容器(12)滑动方向上的一侧，所述土体推动部(2)用于推动单层容器(12)进入土体保护部(3)。

2.如权利要求1所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述单层容器(12)包括侧板(122)和推移护板(121)，所述侧板(122)与推移护板(121)螺栓连接，所述侧板(122)上部设置有凸起，所述侧板(122)下部设置有凹槽，所述凸起与相邻单层容器(12)的凹槽配合。

3.如权利要求2所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述推移护板(121)的侧面设置有凸块(124)，所述凸块(124)上纵向设置有第一通孔。

4.如权利要求1所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述土体推动部(2)包括支撑板(21)，所述支撑板(21)连接有连接推板(22)，所述连接推板(22)与驱动机构连接，所述连接推板(22)和支撑板(21)的高度与单层容器(12)相同。

5.如权利要求4所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述支撑板(21)的侧面设置有第二通孔，所述第二通孔中设置有长螺杆(23)，所述单层容器(12)上设置有所述第二通孔位置对应的第三通孔。

6.如权利要求1所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述土体保护部(3)包括上挡板(31)和下挡板，所述上挡板(31)连接有固定侧板(35)，所述固定侧板(35)的下部与下挡板连接，单层容器(12)与上挡板(31)和下挡板配合。

7.如权利要求1所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量装置，其特征在于，所述下挡板设置有透明观察窗(33)。

8.一种采用权利要求1～7任一权利要求所述装置的土体物理力学性质沿深度分布规律的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

[1]根据试验需要，将底板(11)和相应数量的单层容器(12)组装成土体承装部(1)；

[2]将待测土体放入土体承装部(1)中；

[3]在指定深度的单层容器(12)一侧安装土体推动部(2)，在单层容器(12)的另一侧安装土体保护部(3)；

[4]启动驱动装置，使土体推动部(2)推动所述指定深度的单层容器(12)进入土体保护部(3)中；

[5]测量土体保护部(3)中的待测土体的物理力学性质参数。

9.如权利要求8所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量方法，其特征在于，步骤[5]中的物理力学性质参数包括抗剪强度。

10.如权利要求8所述的一种土体物理力学性质沿深度分布规律的测量方法，其特征在于，步骤[5]中的物理力学性质参数包括质量、颗粒级配、土体密度和空隙度。