CN113533065B - 一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法 - Google Patents

一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法，原位土外摩擦角测试装置包括钻杆、护筒、连接筒、膨胀膜、膨胀膜保护层、密封套、安装座、传感器安装筒、应变式压力传感器、钻头、环形刃口、定位套及膨胀膜限位机构，钻杆与护筒之间设有回流间隙，用于泥浆回流，膨胀膜与连接筒之间设有膨胀间隙，用于对土体提供径向压力，传感器安装筒的下端面与安装座之间形成油腔，传感器安装筒与护筒之间设有与油腔连通的变形间隙，应变式压力传感器固定安装在传感器安装筒外立面上，油腔内的介质用于对测试装置提供向上推力，通过应变式压力传感器获取膨胀膜保护层与土体的摩擦力。该外摩擦角测试装置测试数据真实可靠，测试方法操作简单，效率高。

Description

一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及原位土测试技术领域，尤其是一种原位土的外摩擦角测试装置及测试方法。
背景技术
土的外摩擦角是指土与其他材料接触面发生剪切破坏时(开始相对位移)剪切面上的合力与剪切面法线之间的交角。土体的外摩擦角测试对于评价土体稳定性有着重要意义，但是目前土体外摩擦角的测试方法精确度不高，直接导致土的外摩擦角作为用于评价土体稳定性参数的作用被降低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法，该外摩擦角测试装置在测试过程中基本上不对土体产生扰动，测试数据真实可靠，通过简单换算即可获取土体的外摩擦角，该原位土外摩擦角测试方法操作简单，效率高，测量数据精准。
一种原位土外摩擦角测试装置，包括钻杆、护筒、连接筒、膨胀膜、膨胀膜保护层、密封套、安装座、传感器安装筒、应变式压力传感器、钻头、环形刃口、定位套及膨胀膜限位机构，所述钻杆设于护筒内，钻杆与护筒之间设有回流间隙，所述膨胀膜的上下两端通过锁紧机构固定在连接筒上，膨胀膜与连接筒之间设有膨胀间隙，所述膨胀膜保护层固定在膨胀膜的外立面上，所述连接筒、传感器安装筒及安装座从上往下依次设于护筒外，所述传感器安装筒的上半段与连接筒固定连接，传感器安装筒的下端面与安装座之间形成油腔，传感器安装筒与护筒之间设有与油腔连通的变形间隙，所述密封套的内侧与传感器安装筒密封滑动连接，外侧与安装座固定连接，所述传感器安装筒与连接筒和密封套之间围成传感器安装腔，所述应变式压力传感器设于传感器安装腔内，并固定安装在传感器安装筒外立面上，所述膨胀膜限位机构对称设置在连接筒上，包括限位杆、复位弹簧，连接筒上设有与限位杆配合使用的盲孔，所述复位弹簧设于盲孔底部，所述传感器安装筒上设有与限位杆配合使用的环形凹槽，所述环形凹槽与油腔连通，所述环形刃口固定在安装座端部，所述钻头安装在钻杆端部，钻头的作用面始终高于环形刃口的下端面，所述钻杆和护筒均通过卡接于环形刃口内侧的定位套进行轴向限位，所述连接筒上设有气孔、过油孔及穿线孔，所述气孔与膨胀间隙连通，所述过油孔与变形间隙连通，所述穿线孔用于穿线。
作为上述技术方案的优选，所述定位套包括环形本体及均匀固定在环形本体外立面的限位块，所述环形本体套设在钻杆上，与钻杆滑动连接，钻杆靠近定位套上端面的一侧设有阶梯型限位面，所述环形刃口的内侧设有与限位块配合使用的卡槽，所述护筒抵靠在定位套上。
作为上述技术方案的优选，所述钻杆上位于定位套和阶梯型限位面之间还套设有定位环，定位环与钻杆滑动连接。
作为上述技术方案的优选，所述锁紧机构包括压环、锁紧螺母，所述压环的内壁为楔形面，用于压紧膨胀膜，再通过与连接筒螺纹连接的锁紧螺母进行锁紧。
作为上述技术方案的优选，所述膨胀膜保护层为不锈钢窄条，不锈钢窄条均匀贴附在膨胀膜的外立面上。
作为上述技术方案的优选，所述气孔、过油孔及穿线孔内均固定有不锈钢管。
作为上述技术方案的优选，所述应变式压力传感器设有四组，均匀安装在传感器安装筒上。
一种采用上述任意一项原位土外摩擦角测试装置的外摩擦角测试方法，具体测试步骤如下，
S1，将外摩擦角测试装置与外部动力设备和数据采集仪连通，具体的，外部动力设备包括旋转头、静压机、液压油缸、气缸，旋转头带动钻杆旋转，静压机为环形刃口提供静压力，液压油缸往油腔内充入液压油，为连接筒提供向上的推力，气缸为膨胀间隙供气，对土体提供径向压力，数据采集仪用于测试膨胀间隙的压强及应变式压力传感器的作用力，并将应变式压力传感器所测压力数值转换为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；
S2，通过旋转头和静压机将外摩擦角测试装置下压至待测试土层深度；
S3，往膨胀间隙充气，使膨胀膜略微撑开，然后停止充气，通过换算得出膨胀膜对土体的径向压力P；
S4，持续往油腔内充入液压油，直至膨胀膜保护层与土体发生相对滑动，记录应变式力传感器在此临界点获取的拉力F,拉力F即为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；
S5，通过外摩擦角换算公式即可获取对应土层的外摩擦角。
作为上述技术方案的优选，在步骤S2中，在下压外摩擦角测试装置的过程中，直接或间接给膨胀膜或者膨胀膜保护层一个向下的压力，外摩擦角测试装置下压到指定位置后撤掉该压力。
本发明的有益效果在于：
该外摩擦角测试装置在测试过程中基本上不对土体产生扰动，测试数据真实可靠，通过简单换算即可获取获取土体的外摩擦角，该原位土外摩擦角测试方法操作简单，效率高，测量数据精准。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A-A剖视图。
图3为图2中B处放大图。
图4为图2中C处放大图。
图5为定位套的结构示意图。
附图标记如下：1-钻杆、2-护筒、3-连接筒、4-膨胀膜、5-膨胀膜保护层、6-密封套、7-安装座、8-传感器安装筒、9-应变式压力传感器、10-钻头、11-环形刃口、12-定位套、1201-环形本体、1202-限位块、13-膨胀膜限位机构、1301-限位杆、1302-复位弹簧、14-环形凹槽、15-回流间隙、16-膨胀间隙、17-油腔、18-变形间隙、19-传感器安装腔、20-阶梯型限位面、21-定位环、22-压环、23-锁紧螺母、24-不锈钢管。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
如图1至图5所示的一种原位土外摩擦角测试装置，包括钻杆1、护筒2、连接筒3、膨胀膜4、膨胀膜保护层5、摩擦套6、密封套6、安装座7、传感器安装筒8、应变式压力传感器9、钻头10、环形刃口11、定位套12及膨胀膜限位机构13，所述钻杆1设于护筒2内，钻杆1与护筒2之间设有回流间隙15，所述膨胀膜4的上下两端通过锁紧机构固定在连接筒3上，膨胀膜4与连接筒3之间设有膨胀间隙16，所述膨胀膜保护层5固定在膨胀膜4的外立面上，所述连接筒3、传感器安装筒8及安装座7从上往下依次设于护筒2外，所述传感器安装筒8的上半段与连接筒3固定连接，传感器安装筒8的下端面与安装座7之间形成油腔17，传感器安装筒8与护筒2之间设有与油腔17连通的变形间隙18，所述密封套6的内侧与传感器安装筒8密封滑动连接，外侧与安装座7固定连接，所述传感器安装筒8与连接筒3和密封套6之间围成传感器安装腔19，所述应变式压力传感器9设于传感器安装腔19内，并固定安装在传感器安装筒8外立面上，所述膨胀膜限位机构13对称设置在连接筒3上，包括限位杆1301、复位弹簧1302，连接筒3上设有与限位杆1301配合使用的盲孔，所述复位弹簧1302设于盲孔底部，所述传感器安装筒8上设有与限位杆1301配合使用的环形凹槽14，所述环形凹槽14与油腔17连通，所述环形刃口11固定在安装座7端部，所述钻头10安装在钻杆1端部，钻头10的作用面始终高于环形刃口11的下端面，所述钻杆1和护筒2均通过卡接于环形刃口11内侧的定位套12进行轴向限位，所述连接筒3上设有气孔、过油孔及穿线孔，所述气孔与膨胀间隙16连通，所述过油孔与变形间隙18连通，所述穿线孔用于穿线。
在本实施例中，所述定位套12包括环形本体1201及均匀固定在环形本体1201外立面的限位块1202，所述环形本体1201套设在钻杆1上，与钻杆1滑动连接，钻杆1靠近定位套12上端面的一侧设有阶梯型限位面20，所述环形刃口11的内侧设有与限位块1202配合使用的卡槽，所述护筒2抵靠在定位套12上。
在本实施例中，所述钻杆1上位于定位套12和阶梯型限位面20之间还套设有定位环21，定位环21与钻杆1滑动连接。
在本实施例中，所述锁紧机构包括压环22、锁紧螺母23，所述压环22的内壁为楔形面，用于压紧膨胀膜4，再通过与连接筒3螺纹连接的锁紧螺母23进行锁紧。
在本实施例中，所述膨胀膜保护层5为不锈钢窄条，不锈钢窄条均匀贴附在膨胀膜4的外立面上。
在本实施例中，所述气孔、过油孔及穿线孔内均固定有不锈钢管24。
在本实施例中，所述应变式压力传感器9设有四组，均匀安装在传感器安装筒8上。
该外摩擦角测试装置的具体运行原理如下。
环形刃口11用于切削土层，钻头1的作用面始终高于环形刃口11的下端面可以避免测试装置在下行过程中对土体产生扰动，保证测试的精确度；钻杆1的中空内腔用于贯入循环水，冲刷由钻头10绞碎的土壤，形成泥浆，泥浆再由回流间隙15回流至地面；通过往膨胀间隙16内充气可以使膨胀膜4发生膨胀，对土体进行挤压；膨胀膜保护层5能够对膨胀膜4起到保护作用，避免尖锐物体刺破膨胀膜4，延长膨胀膜4的使用寿命；往油腔17内充入液压油，可以使传感器安装筒8发生弹性形变，应变式压力传感器9感知传感器安装筒8的弹性形变之后可以通过数据采集仪直接转化为液压油对传感器安装筒8和连接筒3的向上推力，即为膨胀膜保护层5与土体的静摩擦力，当油腔17达到一定的压力值时，在传感器安装筒8的推力下，连接筒3会带动膨胀膜4与膨胀膜保护层5与土体发生相对滑动。
一种采用上述任意一项原位土外摩擦角测试装置的外摩擦角测试方法，具体测试步骤如下，
S1，将外摩擦角测试装置与外部动力设备和数据采集仪连通，具体的，外部动力设备包括旋转头、静压机、液压油缸、气缸，旋转头带动钻杆1旋转，静压机为环形刃口11提供静压力，液压油缸往油腔17内充入液压油，为连接筒3提供向上的推力，气缸为膨胀间隙16供气，对土体提供径向压力，数据采集仪用于测试膨胀间隙16的压强及应变式压力传感器9的作用力，并将应变式压力传感器9所测压力数值转换为膨胀膜保护层5与土体的摩擦力；
S2，通过旋转头和静压机将外摩擦角测试装置下压至待测试土层深度；在此过程中，限位杆1301在复位弹簧1302的作用下卡入环形凹槽14内，避免传感器安装筒8与连接筒3发生相对滑动，测试时，往油腔17内充入液压油后，限位杆1301在油压的作用下会与传感器安装座8发生分离(复位弹簧1302对限位杆1301的作用力较小，在膨胀膜保护层5与土体发生相对位移之前，限位杆1301与传感器安装座8发生分离)，保证测试顺利进行。
S3，往膨胀间隙16充气，使膨胀膜4略微撑开，然后停止充气，通过换算得出膨胀膜4对土体的径向压力P；
S4，持续往油腔17内充入液压油，直至膨胀膜保护层5与土体发生相对滑动，记录应变式力传感器9在此临界点获取的拉力F,拉力F即为膨胀膜保护层5与土体的摩擦力；
S5，通过外摩擦角换算公式即可获取对应土层的外摩擦角。
在本实施例中，在步骤S2中，在下压外摩擦角测试装置的过程中，直接或间接给膨胀膜4或者膨胀膜保护层5一个向下的压力，外摩擦角测试装置下压到指定位置后撤掉该压力。该外力所起的作用和膨胀膜限位机构13的作用相同。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：包括钻杆、护筒、连接筒、膨胀膜、膨胀膜保护层、密封套、安装座、传感器安装筒、应变式压力传感器、钻头、环形刃口、定位套及膨胀膜限位机构，所述钻杆设于护筒内，钻杆与护筒之间设有回流间隙，所述膨胀膜的上下两端通过锁紧机构固定在连接筒上，膨胀膜与连接筒之间设有膨胀间隙，所述膨胀膜保护层固定在膨胀膜的外立面上，所述连接筒、传感器安装筒及安装座从上往下依次设于护筒外，所述传感器安装筒的上半段与连接筒固定连接，传感器安装筒的下端面与安装座之间形成油腔，传感器安装筒与护筒之间设有与油腔连通的变形间隙，所述密封套的内侧与传感器安装筒密封滑动连接，外侧与安装座固定连接，所述传感器安装筒与连接筒和密封套之间围成传感器安装腔，所述应变式压力传感器设于传感器安装腔内，并固定安装在传感器安装筒外立面上，所述膨胀膜限位机构对称设置在连接筒上，包括限位杆、复位弹簧，连接筒上设有与限位杆配合使用的盲孔，所述复位弹簧设于盲孔底部，所述传感器安装筒上设有与限位杆配合使用的环形凹槽，所述环形凹槽与油腔连通，所述环形刃口固定在安装座端部，所述钻头安装在钻杆端部，钻头的作用面始终高于环形刃口的下端面，所述钻杆和护筒均通过卡接于环形刃口内侧的定位套进行轴向限位，所述连接筒上设有气孔、过油孔及穿线孔，所述气孔与膨胀间隙连通，所述过油孔与变形间隙连通，所述穿线孔用于穿线。
2.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述定位套包括环形本体及均匀固定在环形本体外立面的限位块，所述环形本体套设在钻杆上，与钻杆滑动连接，钻杆靠近定位套上端面的一侧设有阶梯型限位面，所述环形刃口的内侧设有与限位块配合使用的卡槽，所述护筒抵靠在定位套上。
3.根据权利要求2所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述钻杆上位于定位套和阶梯型限位面之间还套设有定位环，定位环与钻杆滑动连接。
4.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述锁紧机构包括压环、锁紧螺母，所述压环的内壁为楔形面，用于压紧膨胀膜，再通过与连接筒螺纹连接的锁紧螺母进行锁紧。
5.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述膨胀膜保护层为不锈钢窄条，不锈钢窄条均匀贴附在膨胀膜的外立面上。
6.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述气孔、过油孔及穿线孔内均固定有不锈钢管。
7.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述应变式压力传感器设有四组，均匀安装在传感器安装筒上。
8.一种采用权利要求1-7任意一项所述原位土外摩擦角测试装置的外摩擦角测试方法，其特征在于：具体测试步骤如下，
S1，将外摩擦角测试装置与外部动力设备和数据采集仪连通，具体的，外部动力设备包括旋转头、静压机、液压油缸、气缸，旋转头带动钻杆旋转，静压机为环形刃口提供静压力，液压油缸往油腔内充入液压油，为连接筒提供向上的推力，气缸为膨胀间隙供气，对土体提供径向压力，数据采集仪用于测试膨胀间隙的压强及应变式压力传感器的作用力，并将应变式压力传感器所测压力数值转换为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；
S2，通过旋转头和静压机将外摩擦角测试装置下压至待测试土层深度；
S3，往膨胀间隙充气，使膨胀膜略微撑开，然后停止充气，通过换算得出膨胀膜对土体的径向压力P；
S4，持续往油腔内充入液压油，直至膨胀膜保护层与土体发生相对滑动，记录应变式力传感器在此临界点获取的拉力F,拉力F即为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；
S5，通过外摩擦角换算公式即可获取对应土层的外摩擦角。
9.根据权利要求8所述的外摩擦角测试方法，其特征在于：在步骤S2中，在下压外摩擦角测试装置的过程中，直接或间接给膨胀膜或者膨胀膜保护层一个向下的压力，外摩擦角测试装置下压到指定位置后撤掉该压力。
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