CN114624126A - 一种岩土原位剪切测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土原位剪切测试设备及方法，包括机架、钻孔驱动装置、剪切力测试单元以及钻探杆；机架设置在地面；钻孔驱动装置通过升降机构安装在机架上；剪切力测试单元设置在钻孔驱动装置的一侧；钻探杆安装在钻孔驱动装置的输出端上；钻探杆包括内部中空、顶端封闭、底端开口的套筒，设置在套筒底端的钻头，位于套筒内部、顶端通过动力机构与套筒相连接、底端贯穿钻头的十字板剪切仪；本方案可直接推动十字板剪切仪从套筒的内部移出并插入至孔洞底部的岩土层中进行测试，以避免使用者在进行剪切测试时需要取出钻探杆，而对孔洞造成破坏，使使用者在进行剪切测试时更为方便，确保剪切测试的结果准确性，提升使用者的剪切测试效率。

Description

一种岩土原位剪切测试设备及方法

技术领域

本发明涉及原位剪切测试技术领域，具体为一种岩土原位剪切测试设备及方法。

背景技术

我国疆域辽阔、地形条件复杂多样，差异巨大的土层地质条件给隧道、边坡等岩土工程的设计及施工提出了更为严苛的要求；而岩土体力学性质参数作为为土体重要的工程技术指标， 特别是对于岩土工程勘察，能否正确得到岩土体的相关物理力学参数，已成为保证工程建设质量、合理控制工程造价的重要基础，由于不同场地土体力学参数差异性较大，因此通过测试是获取岩土体力学参数的重要手段，而根据测试地点的不同，测试技术又可分为现场（原位）试验和室内试验，而现场（原位）试验是指在工程所在天然岩土体的位置上，尽可能在保持岩土体天然结构、含水量及应力状态的基础上，实现对岩土体物理力学各项指标的测定，其中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，广泛应用于分析边坡、基坑、建筑物地基等工程。然而到目前为止，学术及工程领域仍处于半经验半理论的发展阶段，而土体抗剪强度的获取是进行下一步分析、计算的基础，所以对土体抗剪强度现场（原位）测试的进一步研究对工程建设及学术研究有重要意义。

目前针对现场直接剪切试验的研究主要集中在其测试方法的改进上，国内外诸多机构对此进行过研究，美国ASTM行业规范针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等都有详细的规范；我国长江科学研究院、成都水电勘测设计院等科研单位针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等同样进行了研究总结，提出了不同的荷载施加速率、施加步骤等方法，但是测试设备复杂、体积大、操作空间大且所需人员较多、时间较长。

发明内容

本发明目的在于提供一种岩土原位剪切测试设备及方法，用于解决上述背景技术中提出的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种岩土原位剪切测试设备，包括机架、钻孔驱动装置、剪切力测试单元以及钻探杆；所述机架设置在地面，用于支撑固定机构；所述钻孔驱动装置通过升降机构安装在机架上，用于为钻探杆提供动力；所述剪切力测试单元设置在钻孔驱动装置的一侧，用于测试剪切数据；所述钻探杆安装在钻孔驱动装置的输出端上，用于钻孔以及对岩土进行剪切测试；所述钻探杆包括内部中空、顶端封闭、底端开口的套筒，设置在套筒底端的钻头，位于套筒内部、顶端通过动力机构与套筒相连接、底端贯穿钻头的十字板剪切仪。

需要说明的是，目前针对现场直接剪切试验的研究主要集中在其测试方法的改进上，国内外诸多机构对此进行过研究，美国ASTM行业规范针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等都有详细的规范；我国长江科学研究院、成都水电勘测设计院等科研单位针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等同样进行了研究总结，提出了不同的荷载施加速率、施加步骤等方法，但是测试设备复杂、体积大、操作空间大且所需人员较多、时间较长，具体来说，就在进行剪切测试时，为了避免浅层浮土影响岩土剪切测试结果，大多都是先在待测点位通过钻杆设备进行钻孔作业，而当钻深到待测试所需要的岩土层深度后，再将钻杆取出后，并放入原位剪切测试仪使其贯入孔底岩土层中进行剪切测试作业，而由于在实际作业过程中，人们在取出钻杆时，很难保证将钻杆直接沿着孔洞的轴向取出，因此易造成钻杆与土壤孔洞的内壁造成碰撞，从而造成孔洞内壁的土壤剥落至孔洞底部，造成实际测试时的孔洞深度小于钻孔深度，进而造成十字板剪切测试时，其测试的岩土层并不是位于实际孔底部的处于天然结构状态的岩土层，而是已经受到钻杆破坏后的岩土，从而造成岩土层中的应力发生变化，导致测试的结果不够精确，并使测试人员在进行测试极其不便，从而大大影响测试效率和测试效果。基于此，本方案中，将十字板剪切仪设置在钻探杆内部，在钻探杆进行钻井工作时，十字板剪切仪不会影响钻探杆的钻孔作业，而在钻探杆钻深至待测试深度时，动力机构可推动十字板剪切仪从套筒的内部移出并插入至孔洞底部的岩土层中进行剪切测试，以避免使用者在进行剪切测试时需要取出钻探杆，而对已钻好的孔洞造成破坏，导致实际测试时的岩土深度小于预设深度，进而不会对剪切测试造成影响，从而使使用者在进行剪切测试时更为方便，进而确保剪切测试的结果，并提升使用者的剪切测试效率，同时采用在孔底直接插入十字板剪切仪测试，不会对孔底岩土层造成额外影响，使岩土层完全处于一个正常的天然结构、含水量及应力状态，不需要通过额外加压设对岩土层施加应力使其模拟天然状态，保证了岩土剪切测试结果的准确性，并使设备更加简便。

进一步地，所述十字板剪切仪包括呈柱状结构、且底端设有穿刺尖锥部的探头，开设在探头内部的空腔，沿探头的轴向方向开设在探头外表面、且与空腔相连通的收纳槽，嵌设在收纳槽内、其中一端端部与探头外表面相平齐的剪切板，设置在空腔内部、用于推动剪切板通过收纳槽滑动的推动机构，以及位于探头外表面、且与收纳槽一一对应的岩块推离机构；当探头通过穿刺尖锥部完全插入至岩土层中后，推动机构可推动剪切板通过收纳槽滑出并切入至四周的岩土层中，以区别常规的十字板剪切仪采用直接将剪切板压入至岩土层中，而造成剪切板所受应力较大，而对剪切板造成损坏，因此采用剪切板切入岩土层中其所受的阻力更小，不会使剪切板受到较大的应力后发生形变损坏，进一步说明的是，由于岩土层中地质环境复杂，且不便观测，同时岩土层土壤中分布有大量岩石，因此在剪切板切入至岩土层中时，岩块推离机构可与剪切板同时工作，并保持与剪切板前端切入岩土层中的速率一致，进而使其在剪切板切入岩土层的同时对分布在剪切板两侧的岩块进行推离，以避免剪切板切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板变形损坏。

进一步地，任一所述岩块推离机构包括两根沿探头轴向方向设置、且分别位于收纳槽两侧的推力杆，分别位于空腔的顶部和底部、且输出端穿过收纳槽通过U型支架与两根推力杆顶端和底端对应连接的液压油缸，两根所述推力杆的间隙与剪切板的厚度尺寸相适配；在剪切板切入岩土层中的同时，岩块推离机构开始工作，具体为，液压油缸进行伸长并推动推力杆保持与剪切板前进速率一致的情况下进入至岩土层中，以使推力杆对剪切板切入至岩土层中的路径两侧的岩块进行挤压推动，以实现对剪切板的两侧板面进行防护，从而避免剪切板切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板变形损坏，以此确保剪切板正常工作，并延长剪切测试设备的使用寿命。

进一步地，所述推动机构包括竖直设置在空腔内部中间的导向杆，套设在导向杆两端、且以导向杆长度中心线对称设置的滑块，一端分别铰接在两个所述滑块上、另一端均与剪切板相铰接、且形成等腰三角形或等腰梯形的连杆，相对安装在空腔的顶部和底部、用于推动两个所述滑块沿导向杆相对滑动的液压伸缩杆；在推动机构推动剪切板时，液压伸缩杆可推动滑块在导向杆上进行相对滑动，从而使两个滑块之间相互靠近，以使滑块滑动后推动连杆进行一定角度的偏转，从而使连杆偏转后远离滑块的一端推动剪切板通过收纳槽滑出，以此切入至岩土层中。

进一步地，所述收纳槽和剪切板均设有四个，且分别对应于探头外表面的四等分点；便于剪切板能均匀插入至岩土层中，且确保剪切板插入岩土层中的深度距离一致，以便于剪切测试仪进行测试。

进一步地，所述动力机构用于推动所述十字板剪切仪插入至土壤中并进行旋转剪切测试，且所述动力机构包括活塞气缸和扭矩马达，所述活塞气缸竖直设于套筒内部、顶端通过支承座与套筒内部相连接、底端通过支撑板与扭矩马达相连接，所述扭矩马达的输出端与探头顶端刚性连接；活塞气缸用于对推动十字板剪切仪提供推动力，进而推动十字板剪切仪侧贯穿至岩土层中，而扭矩马达用于对十字板剪切仪提供扭矩，以便于驱动十字板剪切仪进行旋转，进而进行剪切测试。

进一步地，所述剪切力测试单元包括与扭矩马达电性连接的数据采集模块，以及与数据采集模块电连接的数据存储模块；数据采集模块对剪切测试过程中扭矩马达的扭矩数据进行采集并通过计算得出岩土剪切强度数据，而数据存储模块可对采集计算得出的数据进行记录，以便于数据追溯储存。

一种岩土原位剪切测试方法，包括以下步骤：S1、移动机架至待测试点位，并放置平稳后固定；S2、钻孔驱动装置驱动钻探杆工作，使钻探杆工作后通过钻头进行钻孔作业，并钻深至测试深度；S3、动力机构中的活塞气缸推动探头插入至岩土层，同时液压油缸开始工作并推动推力杆移动以对岩土层中的岩块进行推离；S4、推动机构开始工作进而推动剪切板沿着推力杆路径切入至岩土层中，同时液压油缸收缩带动推力杆复位；S5、动力机构中的扭矩马达驱动探头旋转，使十字板剪切仪转动对岩土层进行剪切测试；S6、十字板剪切仪旋转剪切测试过程中，剪切力测试单元对扭矩数据进行采集并计算岩土层的抗剪切强度，最终存储下来；相较于传统的剪切测试方法，本方法巧妙地将十字板剪切仪与钻探杆集成在一起，摒弃了传统测试方法中，钻孔完成后需要将钻探杆取出的步骤，以此降低了钻探杆取出孔洞时，对孔洞侧壁造成破坏的风险，进而不会对剪切测试造成影响，从而使使用者在进行剪切测试时更为方便，确保了剪切测试的结果准确性，并提升使用者的剪切测试效率。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明将十字板剪切仪设置在钻探杆内部，在钻探杆进行钻井工作时，十字板剪切仪不会影响钻探杆的钻孔作业，而在钻探杆钻深至待测试深度时，动力机构可直接推动十字板剪切仪从套筒的内部移出并插入至孔洞底部的岩土层中进行剪切测试，以避免使用者在进行剪切测试时需要取出钻探杆，而对已钻好的孔洞造成破坏，导致实际测试时的岩土深度小于预设深度，进而不会对剪切测试造成影响，进而不会对剪切测试造成影响，从而使使用者在进行剪切测试时更为方便，进而确保剪切测试的结果准确性，并提升使用者的剪切测试效率；

（2）在本发明中，十字板剪切仪包括探头、空腔、收纳槽、剪切板以及推动机构，因此当探头通过穿刺尖锥部插入至岩土层中后，推动机构可推动剪切板通过收纳槽滑出并径向切入至四周的岩土层中，以区别常规的十字板剪切仪采用直接将剪切板压入至岩土层中，而造成剪切板所受应力较大，对剪切板造成形变损坏，同时采用剪切板切入岩土层中其所受的阻力更小，以最大限度的降低对天然岩土层的应力破坏，确保岩土层处于稳定状态，进而保证测试结果的精确性；

（3）本发明还巧妙地设有岩块推离机构，在剪切板切入至岩土层中时，岩块推离机构可与剪切板同时工作，并保持与剪切板前端切入岩土层中的速率一致，进而使其在剪切板切入岩土层的同时对分布在剪切板两侧的岩块进行推离，以避免剪切板切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板变形损坏，以此确保剪切板正常工作，并延长剪切测试设备的使用寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明钻探杆局部结构示意图（十字板剪切仪收纳状态）；

图3为本发明钻探杆局部结构示意图（十字板剪切仪伸出状态）；

图4为本发明十字板剪切仪局部结构示意图（一）；

图5为本发明十字板剪切仪局部结构示意图（二）；

图6为本发明十字板剪切仪俯剖结构示意图（初始状态）；

图7为本发明剪切力测试单元框图；

图8为本发明岩土原位剪切测试方法步骤示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1、机架；2、钻孔驱动装置；3、剪切力测试单元；30、数据采集模块；31、数据存储模块；4、钻探杆；40、套筒；41、钻头；42、动力机构；420、活塞气缸；421、扭矩马达；43、十字板剪切仪；430、探头；431、空腔；432、收纳槽；433、剪切板；434、推动机构；4340、导向杆；4341、滑块；4342、连杆；4343、液压伸缩杆；435、岩块推离机构；4350、推力杆；4351、液压油缸。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

首先，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1至图7所示，本实施例提供一种岩土原位剪切测试设备，包括机架1、钻孔驱动装置2、剪切力测试单元3以及钻探杆4；所述机架1设置在地面，用于支撑固定机构；所述钻孔驱动装置2通过升降机构安装在机架1上，用于为钻探杆4提供动力；所述剪切力测试单元3设置在钻孔驱动装置2的一侧，用于测试剪切数据；所述钻探杆4安装在钻孔驱动装置2的输出端上，用于钻孔以及对岩土进行剪切测试；所述钻探杆4包括内部中空、顶端封闭、底端开口的套筒40，设置在套筒40底端的钻头41，位于套筒40内部、顶端通过动力机构42与套筒40相连接、底端贯穿钻头41的十字板剪切仪43。

需要说明的是，目前针对现场直接剪切试验的研究主要集中在其测试方法的改进上，国内外诸多机构对此进行过研究，美国ASTM行业规范针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等都有详细的规范；我国长江科学研究院、成都水电勘测设计院等科研单位针对荷载的施加等级、速率、施加方法步骤等同样进行了研究总结，提出了不同的荷载施加速率、施加步骤等方法，但是测试设备复杂、体积大、操作空间大且所需人员较多、时间较长，具体来说，就在进行剪切测试时，为了避免浅层浮土影响岩土剪切测试结果，大多都是先在待测点位通过钻杆设备进行钻孔作业，而当钻深到待测试所需要的岩土层深度后，再将钻杆取出后，并放入原位剪切测试仪使其贯入孔底岩土层中进行剪切测试作业，而由于在实际作业过程中，人们在取出钻杆时，很难保证将钻杆直接沿着孔洞的轴向取出，因此易造成钻杆与土壤孔洞的内壁造成碰撞，从而造成孔洞内壁的土壤剥落至孔洞底部，造成实际测试时的孔洞深度小于钻孔深度，进而造成十字板剪切测试时，其测试的岩土层并不是位于实际孔底部的处于天然结构状态的岩土层，而是已经受到钻杆破坏后的岩土，从而造成岩土层中的应力发生变化，导致测试的结果不够精确，并使测试人员在进行测试极其不便，从而大大影响测试效率和测试效果。基于此，本方案中，将十字板剪切仪43设置在钻探杆4内部，在钻探杆4进行钻井工作时，十字板剪切仪43不会影响钻探杆4的钻孔作业，而在钻探杆4钻深至待测试深度时，动力机构42可推动十字板剪切仪43从套筒40的内部移出并插入至孔洞底部的岩土层中进行剪切测试，以避免使用者在进行剪切测试时需要取出钻探杆4，而对已钻好的孔洞造成破坏，导致实际测试时的岩土深度小于预设深度，进而不会对剪切测试造成影响，从而使使用者在进行剪切测试时更为方便，进而确保剪切测试的结果，并提升使用者的剪切测试效率，同时采用在孔底直接插入十字板剪切仪43测试，不会对孔底岩土层造成额外影响，使岩土层完全处于一个正常的天然结构、含水量及应力状态，不需要通过额外加压设对岩土层施加应力使其模拟天然状态，保证了岩土剪切测试结果的准确性，并使设备更加简便。

具体请参阅图2、图3、图4、图5和图6所示，十字板剪切仪43包括呈柱状结构、且底端设有穿刺尖锥部的探头430，开设在探头430内部的空腔431，沿探头430的轴向方向开设在探头430外表面、且与空腔431相连通的收纳槽432，嵌设在收纳槽432内、其中一端端部与探头430外表面相平齐的剪切板433，设置在空腔431内部、用于推动剪切板433通过收纳槽432滑动的推动机构434，以及位于探头430外表面、且与收纳槽432一一对应的岩块推离机构435；当探头430通过穿刺尖锥部完全插入至岩土层中后，推动机构434可推动剪切板433通过收纳槽432滑出并切入至四周的岩土层中，以区别常规的十字板剪切仪43采用直接将剪切板433压入至岩土层中，而造成剪切板433所受应力较大，而对剪切板433造成损坏，因此采用剪切板433切入岩土层中其所受的阻力更小，不会使剪切板433受到较大的应力后发生形变损坏，进一步说明的是，由于岩土层中地质环境复杂，且不便观测，同时岩土层土壤中分布有大量岩石，因此在剪切板433切入至岩土层中时，岩块推离机构435可与剪切板433同时工作，并保持与剪切板433前端切入岩土层中的速率一致，进而使其在剪切板433切入岩土层的同时对分布在剪切板433两侧的岩块进行推离，以避免剪切板433切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板433变形损坏。

具体请参阅图4、图5和图6所示，任一岩块推离机构435包括两根沿探头430轴向方向设置、且分别位于收纳槽432两侧的推力杆4350，分别位于空腔431的顶部和底部、且输出端穿过收纳槽432通过U型支架与两根推力杆4350顶端和底端对应连接的液压油缸4351，两根推力杆4350的间隙与剪切板433的厚度尺寸相适配；在剪切板433切入岩土层中的同时，岩块推离机构435开始工作，具体为，液压油缸4351进行伸长并推动推力杆4350保持与剪切板433前进速率一致的情况下进入至岩土层中，以使推力杆4350对剪切板433切入至岩土层中的路径两侧的岩块进行挤压推动，以实现对剪切板433的两侧板面进行防护，从而避免剪切板433切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板433变形损坏，以此确保剪切板433正常工作，并延长剪切测试设备的使用寿命，具体实施时，推力杆4350优选采用高硬度合金钢，以增强推力杆4350的强度和抗弯折性能，避免其与岩块接触后发生形变损坏，另外两根推力杆4350的间隙与剪切板433的厚度尺寸相适配，目的就是便于剪切板433通过两根推力杆4350之间的间隙进行移动，以确保推力杆4350不会对剪切板433的工作造成影响。

具体请参阅图4和图5，推动机构434包括竖直设置在空腔431内部中间的导向杆4340，套设在导向杆4340两端、且以导向杆4340长度中心线对称设置的滑块4341，一端分别铰接在两个滑块4341上、另一端均与剪切板433相铰接、且形成等腰三角形或等腰梯形的连杆4342，相对安装在空腔431的顶部和底部、用于推动两个滑块4341沿导向杆4340相对滑动的液压伸缩杆4343；这里需要说明的是，在推动机构434推动剪切板433时，液压伸缩杆4343可推动滑块4341在导向杆4340上进行相对滑动，从而使两个滑块4341之间相互靠近，以使滑块4341滑动后推动连杆4342进行一定角度的偏转，从而使连杆4342偏转后远离滑块4341的一端推动剪切板433通过收纳槽432滑出，以此切入至岩土层中。

具体请参阅图2和图3，动力机构42用于推动十字板剪切仪43插入至土壤中并进行旋转剪切测试，且动力机构42包括活塞气缸420和扭矩马达421，活塞气缸420竖直设于套筒40内部、顶端通过支承座与套筒40内部相连接、底端通过支撑板与扭矩马达421相连接，扭矩马达421的输出端与探头430顶端刚性连接；活塞气缸420用于对推动十字板剪切仪43提供推动力，进而推动十字板剪切仪43侧贯穿至岩土层中，而扭矩马达421用于对十字板剪切仪43提供扭矩，以便于驱动十字板剪切仪43进行旋转，进而进行剪切测试。

实施例2

如图8所示，本实施例提供一种岩土原位剪切测试方法，具体包括以下步骤：S1、移动机架1至待测试点位，并放置平稳后固定；S2、钻孔驱动装置2驱动钻探杆4工作，使钻探杆4工作后通过钻头41进行钻孔作业，并钻深至测试深度；S3、动力机构42中的活塞气缸420推动探头430插入至岩土层，同时液压油缸4351开始工作并推动推力杆4350移动以对岩土层中的岩块进行推离；S4、推动机构434开始工作进而推动剪切板433沿着推力杆4350路径切入至岩土层中，同时液压油缸4351收缩带动推力杆4350复位；S5、动力机构42中的扭矩马达421驱动探头430旋转，使十字板剪切仪43转动对岩土层进行剪切测试；S6、十字板剪切仪43旋转剪切测试过程中，剪切力测试单元3对扭矩数据进行采集并计算岩土层的抗剪切强度，最终存储下来；相较于传统的剪切测试方法，本方法摒弃了传统测试方法中，钻孔完成后需要将钻探杆4取出的步骤，以此降低了钻探杆4取出孔洞时，对孔洞侧壁造成破坏的风险，进而不会对剪切测试造成影响，从而使使用者在进行剪切测试时更为方便，确保了剪切测试的结果准确性，并提升使用者的剪切测试效率。

基于上述实施例1和实施例2，下面说明本方案工作原理：

当使用者在使用该剪切测试仪进行岩土剪切测试时，首先将机架1放置在待检测点位，并使机架1放置平稳进行固定，待机架1固定好后，钻孔驱动装置2驱动钻探杆4使其通过钻头41进行钻孔作业，待钻探杆4下钻至测试深度时，活塞气缸420开始工作推动探头430贯穿刺入孔底的岩土层中（摒弃了传统测试方法中，钻孔完成后需要将钻探杆4取出的步骤，以此降低了钻探杆4取出孔洞时，对孔洞侧壁造成破坏的风险，进而不会对剪切测试造成影响），而后液压伸缩杆4343可开始工作并推动滑块4341沿导向杆4340相对滑动，进而使两个滑块4341之间相互靠近，以使滑块4341滑动后推动连杆4342进行一定角度的偏转，从而使连杆4342偏转后远离滑块4341的一端推动剪切板433通过收纳槽432滑出，以此切入至岩土层中，而在剪切板433切入岩土层中的同时，岩块推离机构435开始工作，以使液压油缸4351进行伸长并推动推力杆4350保持与剪切板433前进速率一致的情况下进入至岩土层中，以使推力杆4350对剪切板433切入至岩土层中的路径两侧的岩块进行挤压推动，以实现对剪切板433的两侧板面进行防护，从而避免剪切板433切入岩土层中时与岩块发生碰撞而造成剪切板433变形损坏，以此确保剪切板433正常工作，并延长剪切测试设备的使用寿命（这里需要说明的是，为了避免对剪切测试造成影响，在剪切板433完全切入至岩土层后，岩块推离机构435随即进行复位），待剪切板433切入至岩土层中后，扭矩马达421开始工作并带动十字板剪切仪43旋转，以对岩土层进行旋转剪切，同时数据采集模块30对岩土层剪切破坏时的扭矩马达421输出的扭矩参数进行采集并计算得出岩土剪切强度数据，而数据存储模块31可对数据进行记录存储，以此完成整个岩土剪切测试实验。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，包括机架（1）、钻孔驱动装置（2）、剪切力测试单元（3）以及钻探杆（4）；

所述机架（1）设置在地面，用于支撑固定机构；

所述钻孔驱动装置（2）通过升降机构安装在机架（1）上，用于为钻探杆（4）提供动力；

所述剪切力测试单元（3）设置在钻孔驱动装置（2）的一侧，用于测试剪切数据；

所述钻探杆（4）安装在钻孔驱动装置（2）的输出端上，用于钻孔以及对岩土进行剪切测试。

2.根据权利要求1所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述钻探杆（4）包括内部中空、顶端封闭、底端开口的套筒（40），设置在套筒（40）底端的钻头（41），位于套筒（40）内部、顶端通过动力机构（42）与套筒（40）相连接、底端贯穿钻头（41）的十字板剪切仪（43）。

3.根据权利要求2所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述十字板剪切仪（43）包括呈柱状结构、且底端设有穿刺尖锥部的探头（430），开设在探头（430）内部的空腔（431），沿探头（430）的轴向方向开设在探头（430）外表面、且与空腔（431）相连通的收纳槽（432），嵌设在收纳槽（432）内、其中一端端部与探头（430）外表面相平齐的剪切板（433），设置在空腔（431）内部、用于推动剪切板（433）通过收纳槽（432）滑动的推动机构（434），以及位于探头（430）外表面、且与收纳槽（432）一一对应的岩块推离机构（435）。

4.根据权利要求3所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，任一所述岩块推离机构（435）包括两根沿探头（430）轴向方向设置、且分别位于收纳槽（432）两侧的推力杆（4350），分别位于空腔（431）的顶部和底部、且输出端穿过收纳槽通过U型支架与两根推力杆（4350）顶端和底端对应连接的液压油缸（4351），两根所述推力杆（4350）的间隙与剪切板（433）的厚度尺寸相适配。

5.根据权利要求3所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述推动机构（434）包括竖直设置在空腔（431）内部中间的导向杆（4340），套设在导向杆（4340）两端、且以导向杆（4340）长度中心线对称设置的滑块（4341），一端分别铰接在两个所述滑块（4341）上、另一端均与剪切板（433）相铰接、且形成等腰三角形或等腰梯形的连杆（4342），相对安装在空腔（431）的顶部和底部、用于推动两个所述滑块（4341）沿导向杆（4340）相对滑动的液压伸缩杆（4343）。

6.根据权利要求3所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述收纳槽（432）和剪切板（433）均设有四个，且分别对应于探头（430）外表面的四等分点。

7.根据权利要求2所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述动力机构（42）用于推动所述十字板剪切仪（43）插入至土壤中并进行旋转剪切测试，且所述动力机构（42）包括活塞气缸（420）和扭矩马达（421），所述活塞气缸（420）竖直设于套筒（40）内部、顶端通过支承座与套筒（40）内部相连接、底端通过支撑板与扭矩马达（421）相连接，所述扭矩马达（421）的输出端与探头（430）顶端刚性连接。

8.根据权利要求1所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，所述剪切力测试单元（3）包括与扭矩马达（421）电性连接的数据采集模块（30），以及与数据采集模块（30）电连接的数据存储模块（31）。

9.一种岩土原位剪切测试方法，基于权利要求1-8任一项所述的一种岩土原位剪切测试设备，其特征在于，包括以下步骤：

S1、移动机架（1）至待测试点位，并放置平稳后固定；

S2、钻孔驱动装置（2）驱动钻探杆（4）工作，使钻探杆（4）工作后通过钻头（41）进行钻孔作业，并钻深至测试深度；

S3、动力机构（42）中的活塞气缸（420）推动探头（430）插入至岩土层，同时液压油缸（4351）开始工作并推动推力杆（4350）移动以对岩土层中的岩块进行推离；

S4、推动机构（434）开始工作进而推动剪切板（433）沿着推力杆（4350）路径切入至岩土层中，同时液压油缸（4351）收缩带动推力杆（4350）复位；

S5、动力机构（42）中的扭矩马达（421）驱动探头（430）旋转，使十字板剪切仪（43）转动对岩土层进行剪切测试；

S6、十字板剪切仪（43）旋转剪切测试过程中，剪切力测试单元（3）对扭矩数据进行采集并计算岩土层的抗剪切强度，最终存储下来。

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