CN113607573B - 一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法，包括孔内智能定位行走控制系统、孔内自锚固系统、转动系统和孔内剪切测试系统，孔内智能定位行走控制系统包括驱动机构、从动机构和中轴，驱动机构包括履带移动装置和智能控制装置；孔内自锚固系统固定设置在从动内侧的中轴上，用于对原位剪切测试装置进行定位，转动系统设置在孔内自锚固系统下端的中轴上，用于驱动孔内剪切测试系统动作，对钻孔进行原位剪切，本装置通过转动系统带动孔内剪切测试系统对土进行原位剪切，能够克服传统的孔内剪切测试只能测试钻孔底部土体剪切强度缺陷，准确测定实际意义上孔内原位土体剪切强度，具有使用过程简单方便、测试效果好的特点。

Description

一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法。

背景技术

岩土体的剪切测试参数是工民建工程设计与地质灾害治理与防治的关键力学参数，原位测试和室内试验获取岩土体力学参数的两种重要基本手段。相比室内试验测试来说，原位测试具有代表性强，扰动性小，能真是反映工程实际情况等优点，能够极大满足工程设计及灾害治理的需求；

然而，目前的原位岩土体(结构面)剪切强度测试方法中，比较实用可行的有十字板剪切试验及大型直剪试验，但是这两种试验方法和适用范围都有各自的局限性，比如，十字板剪切试验主要适用于测定饱和软粘土的不排水抗剪强度及灵敏度等参数的测试试验，而另一方面，大型直剪试验也只能在地表进行，无法对不同深度的黄土进行剪切强度测试，难以反映深部岩土体的真实情况；

因此，亟需研制一套孔内黄土原位剪切测试装置，从而实现黄土边坡内部原位深度的剪切测试，为研究黄土边坡滑移灾变的控制性结构及关键强度参数提供支撑。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法，使用时，通过孔内智能定位行走控制系统控制本装置在钻孔内运动，同时利用孔内自锚固系统对本装置在钻孔内的位置进行定位，通过转动系统带动孔内剪切测试系统对土进行原位剪切，能够克服传统的孔内剪切测试只能测试钻孔底部土体剪切强度缺陷，准确测定实际意义上孔内原位土体剪切强度，具有使用过程简单方便且测试效果好的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：包括孔内智能定位行走控制系统、孔内自锚固系统、转动系统和孔内剪切测试系统，所述孔内智能定位行走控制系统包括驱动机构、从动机构和中轴，所述驱动机构设置在中轴上，驱动机构包括履带移动装置和智能控制装置，其中智能控制装置设置在中轴的尾端，履带移动装置设置在智能控制装置的两侧，所述从动机构对称设置在中轴上，通过智能控制装置控制履带移动装置和从动机构在钻孔内运动，进行采集和存储测试数据；所述孔内自锚固系统固定设置在从动内侧的中轴上，用于对原位剪切测试装置进行定位，所述转动系统设置在孔内自锚固系统下端的中轴上。

优选的，所述的孔内自锚固系统包括自锚固系统电机，自锚固系统伸缩推杆、锚固系统锚固刀片和第一固定块，所述第一固定块与中轴固定连接，所述自锚固系统电机设置在第一固定块上，且与自锚固系统伸缩推杆连接，推动自锚固系统伸缩推杆运动，所述自锚固系统伸缩推杆对称设置在锚固系统锚固刀片的上、下两端，带动锚固系统锚固刀片运动。

优选的，所述的转动系统包括转动系统电机、主动齿轮和被动齿轮，所述转动系统电机与中轴固定连接，且转动系统电机的动力输出端与主动齿轮连接，驱动主动齿轮转动，所述主动齿轮与被动齿轮相互啮合，所述被动齿轮与孔内剪切测试系统连接，通过被动齿轮带动剪切测试系统的刀片转动以切削土体。

优选的，所述的孔内剪切测试系统包括剪切测试系统电机，剪切测试系统伸缩推杆、剪切测试系统切削刀片和第二固定块，所述第二固定块与中轴转动连接，且在第二固定块的上端分别设置有被动齿轮和剪切测试系统电机，所述剪切测试系统电机的动力输出端与剪切测试系统伸缩推杆连接，带动伸缩推杆伸缩，所述剪切测试系统伸缩推杆设置在剪切测试系统切削刀片的上、下两端，通过剪切测试系统伸缩推杆带动剪切测试系统切削刀片运动。

优选的，所述的第一固定块和第二固定块上均等分设置有若干伸缩槽，且所述自锚固系统锚固刀片和剪切测试系统切削刀片均活动设置在伸缩槽内，并沿伸缩槽做伸缩运动。

优选的，所述的设置在第二固定块上的伸缩槽设置有4条，且呈“十”字形分布。

优选的，所述的切削刀片的设置数量和长度均少于自锚固系统锚固刀片的数量和长度。

优选的，所述的智能控制装置包括外壳体和智能控制系统，智能控制系统设置在外壳体内；所述履带移动装置包括驱动电机、丝杆、螺纹套、第一连杆、第二连杆、第三连杆、履带结构和轴承，所述驱动电机设置在外壳体的上端部，与丝杆的一端连接，带动丝杆转动，所述丝杆穿过外壳体的上部内腔，且通过轴承与外壳体的侧壁连接，所述螺纹套与丝杆配合使用，且在螺纹套的两侧对称设置有连接环，所述连接环与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与第二连杆铰接，所述第二连杆的一端与履带结构的上部铰接，另一端与外壳体的外侧壁铰接，所述第一连杆的一端与外壳体的下端外侧壁铰接，另一端与履带结构的下端部铰接。

优选的，所述的从动机构包括行走导轮、第三固定块、气缸和支撑臂，所述第三固定块固定设置在中轴上，且在第三固定块的两侧对称设置有气缸，所述气缸的活塞杆的端部与支撑臂连接，所述支撑臂的一端与第三固定块的外侧壁铰接，另一端设置有导轮。

一种孔内黄土原位剪切测试装置的使用方法，所述的孔内黄土原位剪切测试装置的使用过程包括步骤

S1.通过孔内智能定位行走控制系统与钻孔机器人连接，将本装置移动到钻孔制定深度的位置；

S2.孔内自锚固系统中的电机推动伸缩推杆运动，将锚固刀片推出插入土体中，进行锚固，对本装置在钻孔内的位置进行固定；

S3.孔内剪切测试系统中的电机推动伸缩推杆运动，将切削刀片推出插入土体中；

S4.转动系统的电机为主动齿轮提供动力，带动被动齿轮工作，通过被动齿轮控制剪切测试系统的刀片转动切削土体。

S5.在土体剪切过程中，由智能控制装置记录所测的扭矩，随后计算土体的抗剪强度；

S6.待剪切完成后，孔内自锚固系统与孔内剪切测试系统的伸缩推杆开始收回，刀片复位，恢复原装；在钻孔机器人的带动下装置返回地面。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种孔内黄土原位剪切测试装置及方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

针对现有技术中存在的孔内原位测试技术不能测量不同钻孔深度土体强度以及无法获取真实土体剪切强度参数的问题，本发明设计了本发明公开了一种孔内黄土原位剪切测试装置，本装置包括孔内智能定位行走控制系统、孔内自锚固系统、转动系统和孔内剪切测试系统，在使用时，通过孔内智能定位行走控制系统控制本装置在钻孔内运动，同时利用孔内自锚固系统对本装置在钻孔内的位置进行定位，通过转动系统带动孔内剪切测试系统对土进行原位剪切，真正实现在钻孔内对侧壁土体进行原位剪切测试，能够克服传统的孔内剪切测试只能测试钻孔底部土体剪切强度缺陷，准确测定实际意义上孔内原位土体剪切强度，具有使用过程简单方便且测试效果好的优点。

附图说明

图1-1为本发明孔内黄土原位剪切测试装置未张开使用时的总体示意图。

图1-2为本发明孔内黄土原位剪切测试装置张开使用时的总体示意图。

图2为本发明孔内智能定位行走控制系统的结构示意图。

图3-1为本发明孔内自锚固系统的三维示意图。

图3-2为本发明孔内自锚固系统的俯视图。

图4为本发明转动系统的结构示意图。

图5-1为本发明孔内剪切测试系统的三维示意图。

图5-2为本发明孔内剪切测试系统的俯视图。

图6为本发明履带移动装置的结构示意图。

图7为本发明从动机构的结构示意图。

图8为本发明智能控制系统的驱动原理图。

图9-1为本发明剪切过程中土体的受力图。

图9-2为本发明抗剪强度τ曲线图。

其中：图1-1为本发明孔内黄土原位剪切测试装置未张开使用时的总体示意图，图1-2为本发明孔内黄土原位剪切测试装置张开使用时的总体示意图；图3-1 为本发明孔内自锚固系统的三维示意图，图3-2为本发明孔内自锚固系统的俯视图；图5-1为本发明孔内剪切测试系统的三维示意图，图5-2为本发明孔内剪切测试系统的俯视图；图9-1为本发明剪切过程中土体的受力图，图9-2为本发明抗剪强度τ曲线图。

1.内智能定位行走控制系统，2.孔内自锚固系统，3.转动系统，4.剪切测试系统，5.履带移动装置，6.智能控制装置，7.中轴，8.行走导轮，9.自锚固系统电机， 10.自锚固系统伸缩推杆，11.自锚固系统锚固刀片，12.转动系统电机，13.主动齿轮，14.被动齿轮，15.剪切测试系统电机，16.剪切测试系统伸缩推杆，17.剪切测试系统切削刀片，18.第一固定块，19.伸缩槽，20.第二固定块，21.履带结构，22. 第一连杆，23.第二连杆，24.轴承，25.驱动电机，26.丝杆，27.螺纹套，28.第三连杆，29.外壳体，30.第三固定块，31.支撑臂，32.气缸，33.智能控制系统。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参见图1-1—图9-2所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，包括孔内智能定位行走控制系统1、孔内自锚固系统2、转动系统3和孔内剪切测试系统4，

所述孔内智能定位行走控制系统1贯穿装置的整个部分，用于控制装置在孔内的行走与实时定位，包括驱动机构、从动机构和中轴7，所述驱动机构设置在中轴7上，驱动机构包括履带移动装置5和智能控制装置6，其中履带移动装置 5设置在智能控制装置6的两侧，所述从动机构对称设置在中轴7上，在使用时，通过所述智能控制装置6控制履带移动装置5和从动机构在钻孔内运动，从而调整所述装置在钻孔内的位置，同时智能控制装置6还负责采集和存储测试数据；

所述孔内自锚固系统2用于对原位剪切测试装置进行锚固，防止在切削过中装置出现转动，上述孔内自锚固系统2固定设置在行走导轮8内侧的中轴7上，包括自锚固系统电机9，自锚固系统伸缩推杆10、锚固系统锚固刀片11和第一固定块18，所述第一固定块18与中轴7固定连接，所述自锚固系统电机9设置在第一固定块18上，且与自锚固系统伸缩推杆10连接，通过自锚固系统电机9 推动自锚固系统伸缩推杆10运动，所述自锚固系统伸缩推杆10对称设置在锚固系统锚固刀片11的上、下两端，通过锚固系统伸缩推杆10带动锚固系统锚固刀片11运动，使用时在电机的作用下伸缩推杆带动刀片伸出，然后插入土体当中，进行锚固，防止在切削过中装置出现转动；

所述转动系统3设置在孔内自锚固系统2下端的中轴7上，用于驱动孔内剪切测试系统4动作，对钻孔进行原位剪切，转动系统3包括转动系统电机12、主动齿轮13和被动齿轮14，所述转动系统电机12与中轴7固定连接，且转动系统电机12的动力输出端与主动齿轮13连接，通过转动系统电机12转动驱动主动齿轮13转动，所述主动齿轮13与被动齿轮14相互啮合，通过主动齿轮13驱动被动齿轮14转动，所述被动齿轮14与孔内剪切测试系统4连接，通过被动齿轮 14带动剪切测试系统4的刀片转动以切削土体，进行土壤的原位测试；

所述的孔内剪切测试系统4包括剪切测试系统电机15、剪切测试系统伸缩推杆16、剪切测试系统切削刀片17和第二固定块20，所述第二固定块20与中轴7 转动连接，且在第二固定块20的上端分别设置有被动齿轮14和剪切测试系统电机15，通过主动齿轮13驱动被动齿轮14转动，进而带动第二固定块20转动，所述剪切测试系统电机15的动力输出端与剪切测试系统伸缩推杆16连接，通过剪切测试系统电机15带动剪切测试系统伸缩推杆16伸缩，所述剪切测试系统伸缩推杆16设置在剪切测试系统切削刀片17的上、下两端，通过剪切测试系统伸缩推杆16带动剪切测试系统切削刀片17运动，通过第二固定块20带动剪切测试系统切削刀片17转动，进行土体的切削。

优选的，为便于剪切测试系统切削刀片17与锚固系统锚固刀片11运动的限位和导向，在所述第一固定块18和第二固定块20上均等分设置有若干伸缩槽19，且所述自锚固系统锚固刀片11和切削刀片17均活动设置在伸缩槽19内，并在推杆的作用下沿伸缩槽19做伸缩运动。

优选的，为对钻孔土壤进行十字剪切，所述设置在第二固定块20上的伸缩槽19设置有4条，且呈“十”字形分布。

优选的，自锚固系统电机9，自锚固系统伸缩推杆10，自锚固系统锚固刀片 11均对称分布，以保证锚固时土体与装置受力均匀。

优选的，所述的切削刀片17的设置数量和长度均少于自锚固系统锚固刀片 11的数量和长度，以确保剪切过程中装置的稳定性。

优选的，所述的锚固刀片11设置有8个，所述自锚固系统电机9和自锚固系统伸缩推杆10均设置有16个。

优选的，为保证本装置在钻孔内的稳定性，所述履带移动装置5对称设置在智能控制装置6的两侧。

优选的，所述的智能控制装置6包括外壳体29和智能控制系统33，智能控制系统33设置在外壳体29内，利用外壳体29对内部智能控制系统33进行保护；所述履带移动装置5包括驱动电机25、丝杆26、螺纹套27、第一连杆22、第二连杆23、第三连杆28、履带结构21和轴承24，所述驱动电机25设置在外壳体 29的上端部，且与丝杆26的一端连接，通过驱动电机25带动丝杆26转动，所述丝杆26穿过外壳体29的上部内腔，且通过轴承24与外壳体29的侧壁连接，所述轴承24嵌设在外壳体29的侧壁上，所述螺纹套27与丝杆26配合使用，即螺纹套27与丝杆26螺纹连接，且在螺纹套27的两侧对称设置有连接环，所述连接环与第三连杆28的一端铰接，通过螺纹套27带动第三连杆28运动，第三连杆28的另一端与第二连杆23铰接，所述第二连杆23的一端与履带结构21的上部铰接，另一端与外壳体29的外侧壁铰接，所述第一连杆22的一端与外壳体 29的下端外侧壁铰接，另一端与履带结构21的下端部铰接，记载使用时，通过第三连杆28带动第二连杆23和第一连杆22转动，通过第二连杆23和第一连杆 22带动履带结构21运动，从而使得履带结构21紧压在钻孔内壁上。

优选的，所述的履带结构21内设置有相应的电机，通过电机驱动履带转动。

优选的，所述的从动机构包括行走导轮8、第三固定块30、气缸32和支撑臂31，所述第三固定块30固定设置在中轴7上，且在第三固定块30的两侧对称设置有气缸32，所述气缸32的活塞杆的端部与支撑臂31连接，通过气缸32带动支撑臂31转动，所述支撑臂31的一端与第三固定块30的外侧壁铰接，另一端设置有导轮8，即通过支撑臂31转动带动导轮8运动，使得导轮8紧贴在钻孔内壁上，保证本装置在钻孔内平稳运动。

优选的，所述的智能控制系统包括PLC控制器、压力传感器和多个信号传输模块，所述压力传感器设置在剪切测试系统切削刀片17上，用于采集测量时剪切测试系统切削刀片17的扭矩。

本装置的测试原理如下：

孔内黄土原位剪切测试装置的测试原理以十字板剪切为原型， 与已有的孔内剪切试验不同，采用此方法产生的剪切破坏面位于钻 孔侧壁，剪切过程中土体的受力如图9-1所示；测试装置的剪切面 在钻孔侧壁。通过伸缩系统将刀片伸出，插入侧壁土体当中，接下 来转动系统工作，带动刀片扭转，对土体进行剪切；此时土体内将 形成一个直径为D,高度为H的圆柱形剪切面，见图9-1所示，剪切面上的剪应力随扭矩M的增大而增大，当土体破坏时，达到最大扭 矩M_max，此时土体发挥的抗剪强度τ_f也就是图9-2中的峰值剪应力 τ_p；根据M与土体抗剪强度的对应关系，可得到土体的抗剪强度 τ_f。

本原位剪切测试装置的使用过程包括步骤：

S1.通过孔内智能定位行走控制系统与钻孔机器人连接，将本装置移动到钻孔制定深度的位置；

S2.孔内自锚固系统中的电机推动伸缩推杆运动，将锚固刀片推出插入土体中，进行锚固，对本装置在钻孔内的位置进行固定；

S3.孔内剪切测试系统中的电机推动伸缩推杆运动，将切削刀片推出插入土体中；

S4.转动系统的电机为主动齿轮提供动力，带动被动齿轮工作，通过被动齿轮控制剪切测试系统的刀片转动切削土体。

S5.在土体剪切过程中，由智能控制装置记录所测的扭矩，随后计算土体的抗剪强度；

S6.待剪切完成后，孔内自锚固系统与孔内剪切测试系统的伸缩推杆开始收回，刀片复位，恢复原装；在钻孔机器人的带动下装置返回地面。

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 (7)

1.一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：包括孔内智能定位行走控制系统（1）、孔内自锚固系统（2）、转动系统（3）和孔内剪切测试系统（4），所述孔内智能定位行走控制系统（1）包括驱动机构、从动机构和中轴（7），所述驱动机构设置在中轴（7）上，驱动机构包括履带移动装置（5）和智能控制装置（6），其中智能控制装置（6）设置在中轴（7）的尾端，履带移动装置（5）设置在智能控制装置（6）的两侧，所述从动机构沿中轴（7）的长度方向对称设置在中轴（7）上，通过智能控制装置（6）控制履带移动装置（5）和从动机构在钻孔内运动，进行采集和存储测试数据；所述孔内自锚固系统（2）固定设置在对称设置的两个从动机构之间的中轴（7）上，对原位剪切测试装置进行定位，所述转动系统（3）设置在孔内自锚固系统（2）下端的中轴（7）上；

所述的孔内自锚固系统（2）包括自锚固系统电机（9）、自锚固系统伸缩推杆（10）、自锚固系统锚固刀片（11）和第一固定块（18），所述第一固定块（18）与中轴（7）固定连接，所述自锚固系统电机（9）设置在第一固定块（18）上，且与自锚固系统伸缩推杆（10）连接，推动自锚固系统伸缩推杆（10）运动，所述自锚固系统伸缩推杆（10）对称设置在自锚固系统锚固刀片（11）的上、下两端，带动自锚固系统锚固刀片（11）运动；

所述的转动系统（3）包括转动系统电机（12）、主动齿轮（13）和被动齿轮（14），所述转动系统电机（12）与中轴（7）固定连接，且转动系统电机（12）的动力输出端与主动齿轮（13）连接，驱动主动齿轮（13）转动，所述主动齿轮（13）与被动齿轮（14）相互啮合，所述被动齿轮（14）与孔内剪切测试系统（4）连接，通过被动齿轮（14）带动剪切测试系统（4）的刀片转动切削土体；

所述的孔内剪切测试系统（4）包括剪切测试系统电机（15），剪切测试系统伸缩推杆（16）、剪切测试系统切削刀片（17）和第二固定块（20），所述第二固定块（20）与中轴（7）转动连接，且在第二固定块（20）的上端分别设置有被动齿轮（14）和剪切测试系统电机（15），所述剪切测试系统电机（15）的动力输出端与剪切测试系统伸缩推杆（16）连接，带动伸缩推杆（16）伸缩，所述剪切测试系统伸缩推杆（16）设置在剪切测试系统切削刀片（17）的上、下两端，通过剪切测试系统伸缩推杆（16）带动剪切测试系统切削刀片（17）运动。

2.根据权利要求1所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：所述的第一固定块（18）和第二固定块（20）上均等分设置有若干伸缩槽（19），且所述自锚固系统锚固刀片（11）和剪切测试系统切削刀片（17）均活动设置在伸缩槽（19）内，并沿伸缩槽（19）做伸缩运动。

3.根据权利要求2所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：所述的设置在第二固定块（20）上的伸缩槽（19）设置有4条，且呈“十”字形分布。

4.根据权利要求2所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：所述的切削刀片（17）的设置数量和长度均少于自锚固系统锚固刀片（11）的数量和长度。

5.根据权利要求1所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：所述的智能控制装置（6）包括外壳体（29）和智能控制系统（33），智能控制系统（33）设置在外壳体（29）内；所述履带移动装置（5）包括驱动电机（25）、丝杆（26）、螺纹套（27）、第一连杆（22）、第二连杆（23）、第三连杆（28）、履带结构（21）和轴承（24），所述驱动电机（25）设置在外壳体（29）的上端部，与丝杆（26）的一端连接，带动丝杆（26）转动，所述丝杆（26）穿过外壳体（29）的上部内腔，且通过轴承（24）与外壳体（29）的侧壁连接，所述螺纹套（27）与丝杆（26）配合使用，且在螺纹套（27）的两侧对称设置有连接环，所述连接环与第三连杆（28）的一端铰接，第三连杆（28）的另一端与第二连杆（23）铰接，所述第二连杆（23）的一端与履带结构（21）的上部铰接，另一端与外壳体（29）的外侧壁铰接，所述第一连杆（22）的一端与外壳体（29）的下端外侧壁铰接，另一端与履带结构（21）的下端部铰接。

6.根据权利要求1所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置，其特征在于：所述的从动机构包括行走导轮（8）、第三固定块（30）、气缸（32）和支撑臂（31），所述第三固定块（30）固定设置在中轴（7）上，且在第三固定块（30）的两侧对称设置有气缸（32），所述气缸（32）的活塞杆的端部与支撑臂（31）连接，所述支撑臂（31）的一端与第三固定块（30）的外侧壁铰接，另一端设置有导轮（8）。

7.根据权利要求1所述的一种孔内黄土原位剪切测试装置的使用方法，其特征在于：所述的孔内黄土原位剪切测试装置的使用方法包括步骤：

S1.通过孔内智能定位行走控制系统与钻孔机器人连接，将本装置移动到钻孔指定深度的位置；

S2.孔内自锚固系统中的电机推动伸缩推杆运动，将锚固刀片推出插入土体中，进行锚固，对本装置在钻孔内的位置进行固定；

S3.孔内剪切测试系统中的电机推动伸缩推杆运动，将切削刀片推出插入土体中；

S4.转动系统的电机为主动齿轮提供动力，带动被动齿轮工作，通过被动齿轮控制剪切测试系统的刀片转动切削土体；

S5.在土体剪切过程中，由智能控制装置记录所测的扭矩，随后计算土体的抗剪强度；

S6.待剪切完成后，孔内自锚固系统与孔内剪切测试系统的伸缩推杆开始收回，刀片复位，恢复原状；在钻孔机器人的带动下装置返回地面。

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