CN113624619A - 一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备及测量方法，包括底座、设置在底座上的动力提供机构以及与动力提供机构通过薄壁拉条连接的旁压器，且旁压器分别与变形测量组件和加压稳定组件连接；其结构可靠，操作便捷，在同一设备中即可完成对抗剪强度和模量的测量，测量效果好，测量效率高，通过对旁压器的特定结构设计，形成三个不同的腔室，并且采用向量测室中注水，向上、下辅助室注入气压的方式保持在测量过程中量测室的变形均匀，从而将立体空间转化为平面，有效的提高了检测精度，此外，通过动力提供机构有效的保证了旁压器的匀速上升，且操作简单，为剪切试验提供可靠的测量基础。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘察技术领域，具体涉及一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备及其测量方法。
背景技术
岩土体的抗剪强度参数是岩土体力学性质参数中的重要组成部分，是度量岩土体抵抗剪切破坏的基本参数，对于抗剪强度参数的获取，原位钻孔剪切试验是最有效的手段之一。变形模量是通过现场旁压试验求得的压缩性指标，即在部分侧限条件下，其应力增量与相应的应变增量的比值，能较真实地反映天然土层的变形特性。而现有技术中，用于土体原位测试的装置设备结构复杂，操作繁琐，使用性能低，且不能有效的对土体的抗剪强度和模量进行同时测量。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备及其测量方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备，包括底座、设置在底座上的动力提供机构以及与动力提供机构通过薄壁拉条连接的旁压器，且旁压器分别与变形测量组件和加压稳定组件连接；
旁压器包括呈密封结构的弹性柱体、设置在弹性柱体内部的横隔膜以及套设在所述弹性柱体外部的弹性膜，通过横隔膜将弹性柱体内部由上至下分割为上辅助室、量测室以及下辅助室，位于量测室的外壁的弹性膜上设置有剪切刀头，量测室通过管道与变形测量组件连接，上辅助室和下辅助室分别通过管道与加压稳定组件连接，薄壁拉条的下端连接在上辅助室的顶端。
进一步地，剪切刀头包括剪切刀体以及设置在所述剪切刀体上且呈连续性结构的剪切齿，所述剪切刀体设置在所述量测室外壁的弹性膜上。
进一步地，动力提供机构包括位于底座上方的传动平台、设置在底座与传动平台之间的传感器以及设置在传动平台上且与薄壁拉条连接的上拔组件，通过上拔组件带动所述薄壁拉条和旁压器上拔操作。
进一步地，上拔组件包括通过轴承设置在传动平台上的涡轮、设置在传动平台上的两个挡块、设置在两个挡块之间且与涡轮啮合的蜗杆以及轴向设置在涡轮内部且与涡轮螺纹连接的钢管，钢管上横向贯穿有档杆，薄壁拉条的顶端贯穿传动平台并与钢管连接。
进一步地，薄壁拉条的顶部与传动平台底面之间设置有铝环。
进一步地，上辅助室、量测室以及下辅助室分别设置有预留孔，预留孔配合连接有管道。
进一步地，变形测量组件包括水位测管和导压管，导压管与量测室相连通。
进一步地，加压稳定组件包括氮气发生器、设置在氮气发生器上的输气管道以及分别设置在输气管道上的调压阀和压力表，输气管道的出口端与上辅助室、下辅助室连接。
进一步地，底座上设置有水准气泡。
本发明还提供了一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备的测量方法，包括以下步骤：
S1：将旁压器竖立于地面上，向旁压器及管路充水，直至充满；
S2：按照设备装配原则对动力提供机构进行装配，装配完成后，对设备整体进行调平，并将传感器读数归零；
S3：将薄壁拉条与旁压器连接，并将其置于钻孔中预定的测试位置；
S4：检查各部件装配情况并进行调试，设备运转正常以后，利用加压稳定组件分级向旁压器加压，使得弹性膜与孔内土体抵接，并准确地记录好相关数据，完成模量测量；
S5：完成模量测量以后，卸去压力，通过上拔组件将旁压器提升，随后利用加压稳定组件进行加压，使旁压器紧贴土体即可，随后向上匀速提拉剪切刀头，并记录传感器上读数；
S6：确定剪切试验终止条件，当满足终止条件之后则认为土样已破坏，立即停止剪切，卸掉气压，然后将旁压器深入同一起始剪切位置，依次增大正应力，重复S5，获得一系列试验数据，完成剪切强度测量；
S7：待剪切试验完成后，卸掉气压，取出旁压器，采用与装配相反的原则，即从上至下，撤去孔上上拔组件，清洗装备部件，保存好试验数据，完成测量。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备及其测量方法，其结构可靠，操作便捷，在同一设备中即可完成对抗剪强度和模量的测量，测量效果好，测量效率高，通过对旁压器的特定结构设计，形成三个不同的腔室，并且采用向量测室中注水，向上、下辅助室注入气压的方式保持在测量过程中量测室的变形均匀，从而将立体空间转化为平面，有效的提高了检测精度，此外，通过动力提供机构有效的保证了旁压器的匀速上升，且操作简单，为剪切试验提供可靠的测量基础。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中旁压器结构示意图；
图3为本发明中上拔组件结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备，包括底座1、设置在底座1上的动力提供机构2以及与动力提供机构2通过薄壁拉条3连接的旁压器4，且旁压器4分别与变形测量组件5和加压稳定组件6连接。薄壁拉条3是直接为剪切刀头46连接并提供拉力的构件，该构件应具有一定的强度，较小的变形，采用不锈钢材料制作，顶部采用圆弧状构造并且弧顶开孔与上部设备连接，圆弧顶部采用铝环30进行内撑，防止上拉过程中圆弧被拉伸变形，保证拉力的竖直。旁压器4通过薄壁拉条3位于钻孔内部的试验深度处。
如图2所示，旁压器4包括呈密封结构的弹性柱体40、设置在弹性柱体40内部的横隔膜41以及套设在弹性柱体40外部的弹性膜42，通过横隔膜41将弹性柱体40内部由上至下分割为上辅助室43、量测室44以及下辅助室45，位于量测室44的外壁的弹性膜42上设置有剪切刀头46，量测室44通过管道与变形测量组件5连接，上辅助室43和下辅助室45分别通过管道与加压稳定组件6连接，薄壁拉条3的下端连接在上辅助室43的顶端。旁压器4整体呈圆柱体结构。上辅助室43、量测室44以及下辅助室45分别设置有预留孔，预留孔配合连接有管道。便于与加压稳定组件6或变形测量组件5的连接。剪切刀头46包括剪切刀体以及设置在剪切刀体上且呈连续性结构的剪切齿，剪切刀体设置在量测室44外壁的弹性膜42上。剪切刀头46的剪切齿采用等边三角形齿尖。
动力提供机构2包括位于底座1上方的传动平台20、设置在底座1与传动平台20之间的传感器21以及设置在传动平台20上且与薄壁拉条3连接的上拔组件22，通过上拔组件22带动薄壁拉条3和旁压器4上拔操作。在传动平台20上对称配置两个上拔组件22，在剪切过程中同步为两个剪切刀头46提供上拔力。底座1上设置有水准气泡10，通过水平气泡调整设备整体水平，同时调整设备对中预定位置。传动平台20提供涡轮220蜗杆222操作空间并且固定传动设备以防止晃动和变形。传动平台20采用不锈钢材料，中间开孔并设置凹槽，放置轴承。通过轴承的设置有效的增强设备的适用性和耐久性，防止应力集中导致设备损坏，同时轴承可固定涡轮220杆件，保证其垂直上拉。该传感器21可采用压力传感器21或称重传感，在本实施例中，优选地采用称重传感器21，可即时获取读数。
如图3所示，上拔组件22包括通过轴承设置在传动平台20上的涡轮220、设置在传动平台20上的两个挡块221、设置在两个挡块221之间且与涡轮220啮合的蜗杆222以及轴向设置在涡轮220内部且与涡轮220螺纹连接的钢管223，钢管223上横向贯穿有档杆224，薄壁拉条3的顶端贯穿传动平台20并与钢管223连接。该蜗杆222的端部连接有手摇丝锥扳手，便于施工人员操作。通过挡块221设置，保证蜗杆222传动的稳定性，避免出现偏移而导致传动效果差。蜗杆222与挡块221之间通过轴承转动连接。在使用时，通过手摇丝锥扳手，带动蜗杆222在竖直方向内的转动，从而带动涡轮220在水平方向的转动，涡轮220在横向方向的转动便会带动涡轮220内部螺纹钢管223以及横插在钢管223中的档杆224的转动，当档杆224转动到与挡块221接触时，由于挡块221的支档作用，限制了档杆224的转动从而限制了螺纹钢管223的转动，从而使得螺纹钢管223与涡轮220产生相对运动，由于涡轮220固定在轴承上，其结果是螺纹钢管223向上旋出，从而带动下方剪切刀头46往上运动。
薄壁拉条3的顶部与传动平台20底面之间设置有铝环30。防止上拉过程中圆弧被拉伸变形，保证拉力的竖直。
变形测量组件5包括水位测管50和导压管51，导压管51与量测室44相连通。水位测管50为有机玻璃材质，其主要功能是显示旁压器4的体积变化。水位测管50两侧分别设置了S、△V、△R三个标尺刻度。S为标准长度，最小刻度1mm，表示由于旁压器4变形，引起水位测管50液面下降值；△V为体积增量，表示由于旁压器4变形，引起水位测管50内液体体积变化值；△R为半径增量，表示旁压器4变形根据测试段长度换算得到的旁压器4半径增量。
加压稳定组件6包括氮气发生器60、设置在氮气发生器60上的输气管道61以及分别设置在输气管道61上的调压阀和压力表，输气管道61的出口端与上辅助室43、下辅助室45连接。氮气源为高压氮气，其最低压力值，宜大于试验预估最大压力1～2MPa；当氮气源压力过大时，为保护试验设备和人员安全，配置减压阀后连接旁压仪。调压阀为压力精密调节装置，可以在输入稳定压力后，调节输出压力从0到最大值，该部分是旁压试验的主要控制部分。为方便读数，配置大小量程两块压力表.小量程压力表范围为0～1MPa，当试验压力大于1MPa时，关闭小量程压力表下方阀门，使用大量程压力表读数，后者的范围是0～4MPa。提高加压操作的可靠性能。
本发明还提供了一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备的测量方法，包括以下步骤：
S1：将旁压器4竖立于地面上，通过外接水路向旁压器4及管路充水，直至充满；
S2：按照设备装配原则对动力提供机构2进行装配，装配完成后，对设备整体进行调平，并将传感器21读数归零；在对动力提供机构2进行装配时，先摆放底座1，装配称重传感器21，由于称重传感器21属于精密测量仪器，装配过程应保护设备免于受损。然后在称重传感器21上装配传动平台20；然后依次装配轴承、涡轮220蜗杆222、带螺纹的钢管223、档杆224、挡块221及手动摇杆。
S3：将薄壁拉条3与旁压器4连接，并将其置于钻孔中预定的测试位置；这时旁压器4的弹性膜42尚未紧贴在四周的岩土表面上。
S4：检查各部件装配情况并进行调试，设备运转正常以后，利用加压稳定组件6分级向旁压器4加压，使得弹性膜42与孔内土体抵接，并准确地记录好相关数据，完成模量测量。在该加压过程中，量测室44和辅助室因内部水压升高而体积膨胀，先是让弹性膜42紧贴于岩土面上，继而挤压四周岩土体，产生轴对称径向变形直至破坏。量测室44钻孔的扩张量就是该段弹性膜42的膨胀量，也就是加压时所注入的水量，可以从水平测管上的刻度读取。
S5：完成模量测量以后，卸去压力，通过上拔组件22将旁压器4提升，随后利用加压稳定组件6进行加压，使旁压器4紧贴土体即可，均匀摇动上拔组件22的摇手摇丝锥扳手，随后向上匀速提拉剪切刀头46，其中摇动手摇丝锥扳手的速率控制在1-2r/s，在每一圈过后记录称重控制器上读数；
S6：根据《土工试验方法标准》确定剪切试验终止条件，当满足终止条件之后则认为土样已破坏，立即停止剪切，卸掉气压，然后将旁压器4深入同一起始剪切位置，依次增大正应力，重复S5，获得一系列试验数据，完成剪切强度测量；
S7：待剪切试验完成后，卸掉气压，取出旁压器4，采用与装配相反的原则，即从上至下，撤去孔上上拔组件22，清洗装备部件，保存好试验数据，完成测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，包括底座(1)、设置在所述底座(1)上的动力提供机构(2)以及与所述动力提供机构(2)通过薄壁拉条(3)连接的旁压器(4)，且所述旁压器(4)分别与变形测量组件(5)和加压稳定组件(6)连接；
所述旁压器(4)包括呈密封结构的弹性柱体(40)、设置在所述弹性柱体(40)内部的横隔膜(41)以及套设在所述弹性柱体(40)外部的弹性膜(42)，通过所述横隔膜(41)将所述弹性柱体(40)内部由上至下分割为上辅助室(43)、量测室(44)以及下辅助室(45)，位于所述量测室(44)的外壁的弹性膜(42)上设置有剪切刀头(46)，所述量测室(44)通过管道与变形测量组件(5)连接，所述上辅助室(43)和下辅助室(45)分别通过管道与加压稳定组件(6)连接，所述薄壁拉条(3)的下端连接在上辅助室(43)的顶端。
2.根据权利要求1所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述剪切刀头(46)包括剪切刀体以及设置在所述剪切刀体上且呈连续性结构的剪切齿，所述剪切刀体设置在所述量测室(44)外壁的弹性膜(42)上。
3.根据权利要求1所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述动力提供机构(2)包括位于所述底座(1)上方的传动平台(20)、设置在所述底座(1)与所述传动平台(20)之间的传感器(21)以及设置在所述传动平台(20)上且与薄壁拉条(3)连接的上拔组件(22)，通过所述上拔组件(22)带动所述薄壁拉条(3)和旁压器(4)上拔操作。
4.根据权利要求3所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述上拔组件(22)包括通过轴承设置在所述传动平台(20)上的涡轮(220)、设置在所述传动平台(20)上的两个挡块(221)、设置在两个所述挡块(221)之间且与所述涡轮(220)啮合的蜗杆(222)以及轴向设置在所述涡轮(220)内部且与所述涡轮(220)螺纹连接的钢管(223)，所述钢管(223)上横向贯穿有档杆(224)，所述薄壁拉条(3)的顶端贯穿所述传动平台(20)并与所述钢管(223)连接。
5.根据权利要求4所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述薄壁拉条(3)的顶部与所述传动平台(20)底面之间设置有铝环(30)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述上辅助室(43)、量测室(44)以及下辅助室(45)分别设置有预留孔，所述预留孔配合连接有管道。
7.根据权利要求1所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，变形测量组件(5)包括水位测管(50)和导压管(51)，所述导压管(51)与所述量测室(44)相连通。
8.根据权利要求1所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述加压稳定组件(6)包括氮气发生器(60)、设置在所述氮气发生器(60)上的输气管道(61)以及分别设置在所述输气管道(61)上的调压阀和压力表，所述输气管道(61)的出口端与上辅助室(43)、下辅助室(45)连接。
9.根据权利要求1所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备，其特征在于，所述底座(1)上设置有水准气泡(10)。
10.根据权利要求1至9任一项所述的用于土体抗剪强度和模量的测量设备的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将旁压器(4)竖立于地面上，向旁压器(4)及管路充水，直至充满；
S2：按照设备装配原则对动力提供机构(2)进行装配，装配完成后，对设备整体进行调平，并将传感器(21)读数归零；
S3：将薄壁拉条(3)与旁压器(4)连接，并将其置于钻孔中预定的测试位置；
S4：检查各部件装配情况并进行调试，设备运转正常以后，利用加压稳定组件(6)分级向旁压器(4)加压，使得弹性膜(42)与孔内土体抵接，并准确地记录好相关数据，完成模量测量；
S5：完成模量测量以后，卸去压力，通过上拔组件(22)将旁压器(4)提升，随后利用加压稳定组件(6)进行加压，使旁压器(4)紧贴土体即可，随后向上匀速提拉剪切刀头(46)，并记录传感器(21)上读数；
S6：确定剪切试验终止条件，当满足终止条件之后则认为土样已破坏，立即停止剪切，卸掉气压，然后将旁压器(4)深入同一起始剪切位置，依次增大正应力，重复S5，获得一系列试验数据，完成剪切强度测量；
S7：待剪切试验完成后，卸掉气压，取出旁压器(4)，采用与装配相反的原则，即从上至下，撤去孔上上拔组件(22)，清洗装备部件，保存好试验数据，完成测量。
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