CN113186893A - 一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，包括计算机、护筒、静力触探探杆和齿轮，触探探杆与液压伸缩杆相连；在触探探杆的端部设置了圆锥形的双桥探头；在双桥探头上安装有锥尖阻力传感器以及含水率传感器；在探杆侧面安装有侧摩阻力传感器；探杆的另一端与转轴相连；转轴与齿轮连接；可切土下降至指定深度，通过地球物理方法对界面进行识别，确定界面的准确位置与倾斜角度；并转动齿轮改变探杆的方向，在精确识别界面的基础上用液压系统将探杆压入土中，并根据传感器测得锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力以及孔隙水压力的消散过程。本发明有效解决了传统静力触探仪只能在竖直方向上进行测试以及原位直剪试验只能用于浅表的问题。

Description

一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置

技术领域

本发明涉及岩土工程测试技术领域，具体为一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置。

背景技术

黄土地区正如火如荼地开展各类基础设施建设。由于黄土存在湿陷性、水敏性等不良工程特性，黄土地区工程建设在前期勘查工作中需要格外重视原状土各项参数的精准测试。实际建设活动中，黄土天然地层界面、填挖界面、含水层界面等界面处的土体抗剪强度参数往往是指导边坡、基坑等分项工程建设的控制指标，获取这些界面处精准的抗剪强度参数对工程建设活动至关重要。因此，开发一套可原位测试黄土界面剪切性能的便捷装置对黄土地区工程建设具有重要意义。

目前可用于原位测试黄土抗剪强度参数的装置有现场直接剪切装置、扁铲侧胀仪、旁压仪等。这些装置用于非界面处黄土已积累大量工程经验，取得良好效果，但用于界面处往往由于不能准确识别界面的位置以及难以调节探头的角度，造成测试数据不够精准，影响建设质量。目前，国内还没有能够精准测试界面黄土抗剪强度参数的装置投入实际应用，开发一套操作便捷、价格低廉的原位测试黄土界面剪切性能的装置迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，解决了背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，包括：计算机、一号齿轮、二号齿轮、护筒和静力触探探杆，所述静力触探探杆与液压伸缩杆相连；在静力触探探杆的端部设置了圆锥形的双桥探头；在双桥探头上安装有锥尖阻力传感器以及含水率传感器；静力触探探杆侧面安装有侧摩阻力传感器；静力触探探杆另一端与转轴相连；转轴与齿轮连接。

计算机通过传输线控制油泵和伺服电机；油泵通过输油管4输出油；伺服电机的输出轴与一号齿轮连接，一号齿轮与二号齿轮啮合，二号齿轮和转轴相连。

静力触探探杆包括液压伸缩杆、锥尖阻力传感器、孔隙水压力传感器、陀螺仪、连接端口和侧摩阻力传感器；连接端口与转轴相连。

液压伸缩杆与静力触探探杆相连；静力触探探杆与连接端口相连。

优选的，一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置的抗剪强度测试方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过切削元件切削土体并借助滑轮下滑至指定地点。

步骤S2：通过地球物理方法对界面进行识别，确定界面的准确位置与倾斜角度。

步骤S3：通过动力系统转动齿轮，调整静力触探探杆角度。

步骤S4：启动液压装置，增长静力触探探杆长度，使静力触探探杆压入土中；通过传感器检测数据并经传输线输入计算机中。

步骤S5：根据S4得到压入上土层及下土层时的锥尖阻力q_c1、q_c2。

步骤S6：由公式C_u＝α*(q_c/14)计算上下土层的不排水抗剪强度C_u1及 C_u2；其中C_u1＝α₁*(q_c1/14)、C_u2＝α₂*(q_c2/14)。

步骤S7：根据S6得到的数据，通过公式C_u＝α*(q_c/14)计算上下土层交界处的不排水抗剪强度C_u3；其中C_u3＝β₁*α₁*(q_c1/14)+β₂*α₂*(q_c2/14)。

步骤S8：根据S7得到的数据，用库伦公式计算c、φ。

步骤S9：根据S8得到各个时刻的孔隙水压力值，用公式

计算超孔压比

再由公式

计算固结度U。

步骤S10：根据S4得到侧摩阻力f_s与q_c，可以根据其二者的比值F_R＝f_s/q_c对土样进行划分。

优选的，所述步骤S3具体为：计算机通过传输线向伺服电机下达指令，在收到指令后伺服电机通过输出轴带动一号齿轮和二号齿轮转动，二号齿轮带动转轴转动，静力触探探杆随转轴转动并转至指定角度。

优选的，所述步骤S4具体为：静力触探探杆转至指定角度后由计算机通过传输线向油泵下达指令，在收到指令后油泵通过输油管向液压伸缩杆压入油使伸缩杆伸长并压入土中。

优选的，所述步骤S5具体为：通过静力触探探杆分别压入相邻的两土层，在此过程中，通过锥尖阻力传感器测量锥尖阻力，分别为q_c1、q_c2；并通过传输线将数据上传至计算机。

优选的，所述步骤S6具体为：由公式C_u＝α*(q_c/14)计算两土层的不排水抗剪强度C_u1及C_u2。其中C_u1＝α₁*(q_c1/14)、C_u2＝α₂*(q_c2/14)。

优选的，所述步骤S7具体为：根据步骤S6得到的数据，通过公式C_u＝α *(q_c/14)计算上下土层交界处的不排水抗剪强度C_u3；其中C_u3＝β₁*α₁*(q_c1/14) +β₂*α₂*(q_c2/14)。

优选的，所述步骤S8具体为：根据步骤S7得到的数据，用库伦公式计算c、φ。

优选的，所述步骤S9具体为：根据步骤S4得到各个时刻的孔隙水压力值，用公式

计算超孔压比

再由公式

计算固结度U

优选的，所述步骤S10具体为：据步骤S4得到侧摩阻力f_s与q_c，可以根据其二者的比值F_R＝f_s/q_c对土样进行划分。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明可切土下降至指定深度，通过地球物理方法对界面进行识别，确定界面的准确位置与倾斜角度。并转动齿轮改变探杆的方向，在精确识别界面的基础上用液压系统将探杆压入土中，并根据传感器测得锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力以及孔隙水压力的消散过程。有效解决了传统静力触探仪只能在竖直方向上进行测试以及原位直剪试验只能用于浅表的问题。

附图说明

图1为本发明的整体布置图；

图2为本发明静力触探探杆的构造图；

图3为本发明液压伸缩杆的构造图；

图4为本发明静力触探探杆旋转图；

图5为本发明静力触探探杆的贯入图。

图中：1、控制油泵；2、传输线；3、计算机4、输油管；5、一号齿轮； 6、二号齿轮；7、转轴；8、液压伸缩杆；9、护筒；10、伺服电机；11、液压伸缩杆；12、静力触探探杆；14、锥尖阻力传感器；15、孔隙水压力传感器；16、陀螺仪；17、连接端口；18、侧摩阻力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明提供一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置技术方案：如图1所示，一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，包括计算机3、护筒9、静力触探探杆12、一号齿轮5和二号齿轮6，静力触探探杆 12与液压伸缩杆8相连；在静力触探探杆12的端部设置了圆锥形的双桥探头；探杆的另一端与转轴7相连；转轴7与齿轮6连接；计算机3通过传输线2 控制油泵1和伺服电机10；油泵1通过输油管4输出油；伺服电机10的输出轴与一号齿轮5连接，一号齿轮5与二号齿轮6啮合，二号齿轮6和转轴7 相连。

如图2所示：在双桥探头上安装有锥尖阻力传感器14以及含水率传感器 15；在静力触探探杆12侧面安装有侧摩阻力传感器18；

如图3所示：伸缩杆8与静力触探探杆12相连；静力触探探杆12与连接端口19相连；

本发明还提供了一种抗剪强度测试方法，利用该静力触探设备中的传感器，能够测得锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s。并进行下一步的分析计算。具体包括以下步骤：

步骤1：通过切削元件切削土体并借助滑轮下滑至指定地点。

步骤2：通过地球物理方法对界面进行识别，确定界面的准确位置与倾斜角度。

步骤3：计算机通过传输线向伺服电机下达指令，在收到指令后伺服电机通过输出轴带动一号齿轮和二号齿轮转动，二号齿轮带动转轴转动，静力触探探杆12随转轴转动并转至指定角度。

步骤4：静力触探探杆12转至指定角度后由计算机通过传输线2向控制油泵1下达指令，在收到指令后油泵通过输油管4向液压伸缩杆8压入油使伸缩杆伸长并压入土中。

步骤5：通过静力触探探杆12分别压入相邻的两土层，在此过程中，通过锥尖阻力传感器14测量锥尖阻力，分别为q_c1、q_c2。并通过传输线2将数据上传至计算机3。

步骤6：由公式C_u＝α*q_c/14计算两土层的不排水抗剪强度C_u1及C_u2。其中 C_u1＝α₁*q_c1/14、C_u2＝α₂*q_c2/14。α为经验系数。

步骤7：通过公式C_u＝α*q_c/14计算上下土层交界处的不排水抗剪强度C_u3。其中C_u3＝β₁*α₁*q_c1/14+β₂*α₂*q_c2/14。β为比例系数。

步骤8：用库伦公式计算c、φ。

步骤9：用公式

计算超孔压比

再由公式

计算固结度 U。

步骤10：据步骤4得到侧摩阻力f_s与q_c，可以根据其二者的比值F_R＝f_s/q_c对土样进行划分。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，包括：计算机(3)、一号齿轮(5)、二号齿轮(6)、护筒(9)和静力触探探杆(12)，其特征在于：所述静力触探探杆(12)与液压伸缩杆(8)相连；在静力触探探杆(12)的端部设置了圆锥形的双桥探头；在双桥探头上安装有锥尖阻力传感器(14)以及含水率传感器(15)；静力触探探杆(12)侧面安装有侧摩阻力传感器(18)；静力触探探杆(12)另一端与转轴(7)相连；转轴(7)与齿轮(6)连接；

计算机(3)通过传输线(2)控制油泵(1)和伺服电机(10)；油泵(1)通过输油管(4)输出油；伺服电机(10)的输出轴与一号齿轮(5)连接，一号齿轮(5)与二号齿轮(6)啮合，二号齿轮(6)和转轴(7)相连；

静力触探探杆(12)包括液压伸缩杆(11)、锥尖阻力传感器(14)、孔隙水压力传感器(15)、陀螺仪(16)、连接端口(17)和侧摩阻力传感器(18)；连接端口(17)与转轴(7)相连；

液压伸缩杆(8)与静力触探探杆(12)相连；静力触探探杆(12)与连接端口(19)相连。

2.根据权利要求1所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置的抗剪强度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：通过切削元件切削土体并借助滑轮下滑至指定地点；

步骤S2：通过地球物理方法对界面进行识别，确定界面的准确位置与倾斜角度；

步骤S3：通过动力系统转动齿轮，调整静力触探探杆(12)角度；

步骤S4：启动液压装置，增长静力触探探杆(12)长度，使静力触探探杆(12)压入土中；通过传感器检测数据并经传输线输入计算机(3)中；

步骤S5：根据S4得到压入上土层及下土层时的锥尖阻力q_c1、q_c2；

步骤S6：由公式C_u＝α*(q_c/14)计算上下土层的不排水抗剪强度C_u1及C_u2；其中C_u1＝α₁*(q_c1/14)、C_u2＝α₂*(q_c2/14)；

步骤S7：根据S6得到的数据，通过公式C_u＝α*(q_c/14)计算上下土层交界处的不排水抗剪强度C_u3；其中C_u3＝β₁*α₁*(q_c1/14)+β₂*α₂*(q_c2/14)；

步骤S8：根据S7得到的数据，用库伦公式计算c、φ；

步骤S9：根据S8得到各个时刻的孔隙水压力值，用公式

计算超孔压比

再由公式

计算固结度U；

步骤S10：根据S4得到侧摩阻力f_s与q_c，可以根据其二者的比值F_R＝f_s/q_c对土样进行划分。

3.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S3具体为：计算机(3)通过传输线(2)向伺服电机(10)下达指令，在收到指令后伺服电机(10)通过输出轴带动一号齿轮(5)和二号齿轮(6)转动，二号齿轮(6)带动转轴(7)转动，静力触探探杆(12)随转轴(7)转动并转至指定角度。

4.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S4具体为：静力触探探杆(12)转至指定角度后由计算机(3)通过传输线(2)向油泵(1)下达指令，在收到指令后油泵(1)通过输油管(4)向液压伸缩杆(8)压入油使伸缩杆(12)伸长并压入土中。

5.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S5具体为：通过静力触探探杆(12)分别压入相邻的两土层，在此过程中，通过锥尖阻力传感器(14)测量锥尖阻力，分别为q_c1、q_c2；并通过传输线(2)将数据上传至计算机(11)。

6.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S6具体为：由公式C_u＝α*(q_c/14)计算两土层的不排水抗剪强度C_u1及C_u2。其中C_u1＝α₁*(q_c1/14)、C_u2＝α₂*(q_c2/14)。

7.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S7具体为：根据步骤S6得到的数据，通过公式C_u＝α*(q_c/14)计算上下土层交界处的不排水抗剪强度C_u3；其中C_u3＝β₁*α₁*(q_c1/14)+β₂*α₂*(q_c2/14)。

8.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S8具体为：根据步骤S7得到的数据，用库伦公式计算c、φ。

9.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S9具体为：根据步骤S4得到各个时刻的孔隙水压力值，用公式

计算超孔压比

再由公式

计算固结度U。

10.根据权利要求2所述的一种黄土界面剪切性能原位测试便捷装置，所述步骤S10具体为：据步骤S4得到侧摩阻力f_s与q_c，可以根据其二者的比值F_R＝f_s/q_c对土样进行划分。

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