CN114839086A - 一种现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，缸体周向均布有至少两组与轴线垂直的流体缸，摩擦板与流体缸的活塞杆连接，缸体顶端设有与钻杆连接的连接孔、与流体缸连通的流体进出孔，摩擦板设有固定透水石的环形槽Ⅰ且两侧分设环形台，环形台外圆周上设有嵌入孔隙水压力计的嵌入孔，摩擦板顶端设有连通嵌入孔的穿线孔Ⅰ，孔隙水压力计的缆线穿过穿线孔Ⅰ，摩擦板两端还设有与透水石连通的透水孔。本发明通过流体缸推动摩擦板刺入岩土体可快速获取抗剪强度指标，并通过封闭与不封闭摩擦板上的透水孔可灵活转换固结排水及固结不排水试验，具有结构简单、土体扰动小、试验行程大且结果精度高、适用范围广、可灵活转换的特点。
Description
技术领域
本发明属于建筑岩土现场检测技术领域，具体涉及一种结构简单、土体扰动小、试验行程大且结果精度高、适用范围广、可灵活转换的现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置。
背景技术
在传统的岩土工程项目中，岩土体的抗剪强度是工程设计和施工中重要的评价参数，目前通常采用室内剪切实验及原位剪切试验来测定岩土体的抗剪强度。室内试验往往通过钻机钻孔，然后从孔中采取原状或者轻微扰动的岩土试样，随后通过室内直剪固结快剪、直剪快剪、三轴等试验方法，获取相应状态下的土体抗剪强度指标；但仅能进行土体重塑样的剪切试验，无法充分代表工程点原始结构特征下的抗剪强度，即使取用原状土样进行试验也会在制样过程中不可避免地经历应力释放与再加载等扰动，导致土体应力释放后所获得的指标往往与实际条件有所差异，而且取土过程也需要消耗较长的时间。原位剪切试验在被测场地原位进行，由于基本保持了土体的天然状态，因此较室内试验有更强的代表性；但是，现有的原位剪切装置由于采用钢制膜片等机械式系统，不仅构造复杂、故障率高，而且受到刺入土体行程的制约，因此影响了原位测试的精度。
现有技术中，有采用可收放的剪刀状剪切板，通过收起剪切板来放到钻孔内，然后利用剪切板的自重、配重或地表施加的向下推力，使剪切板张开并插入钻孔的孔壁，最后利用加载系统在地表拉拔剪切板对土样进行剪切，获取原位土样的抗剪强度特性；虽然能够显著的增大刺入土体行程，但剪切板张开时会对土样造成扰动，且刺入的深度或压力不可控，而且单薄的剪切板只能与部分土样接触及剪切，难以获得完整钻孔壁的土样剪切性能。此外，还有将剪切探头通过耳挂挂置于钻杆或拉杆的下端，通过在剪切探头设置双向活塞汽缸来推动L型及盒形剪切板移动刺入土体，然后由液压空心千斤顶带动钻杆或拉杆向上位移剪切土体获得参数；虽然刺入的深度或压力可控，而且刺入土体行程较大且平稳，但由于其双向活塞汽缸通过柔性钢带垂直连接，活塞在产生法向压力时由于水平方向上没有导向，在土样左右性质有差异时容易发生偏斜而影响测量的准确性；且由于剪切探头挂置于拉杆下端，剪切探头放入钻孔时的晃动会对土体造成扰动。另外，也有采用液压装置使静力触探探杆压入岩土中的结构，并通过静力触探探杆锥尖的阻力传感器及侧面的阻力传感器，来获取参数并计算出不排水抗剪强度、固结度等；虽然能够解决行程问题，但由于其结构限制只能用于固结不排水（CU）剪切试验，对于固结排水（CD）剪切试验则无能为力，而需要另外的特点装置再次进行试验，不仅操作繁琐，而且试验速度较慢。因此，为了快速获得更加贴近实际的岩土体抗剪强度指标，提高岩土工程勘察设计质量，研发一种能够解决上述问题的现场原位三轴固结排水（CD）及固结不排水（CU）剪切装置就显得非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、土体扰动小、试验行程大且结果精度高、适用范围广、可灵活转换的现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置。
本发明的目的是这样实现的：包括缸体、活塞杆、摩擦板、透水石、孔隙水压力计，所述缸体为柱体结构且周向均布有至少两组与轴线垂直的流体缸，所述摩擦板设置于缸体外侧且与流体缸的活塞杆固定连接，所述缸体的顶端分别设置有与钻杆固定连接的连接孔、与流体缸连通的流体进出孔，所述摩擦板的外圆周上设置有环形槽Ⅰ且两侧分别设置有环形台，所述摩擦板至少在两个环形台的外圆周上设置有嵌入孔，所述透水石固定设置于环形槽Ⅰ内，所述孔隙水压力计设置于嵌入孔内，所述摩擦板的顶端设置有与嵌入孔连通的穿线孔Ⅰ，所述孔隙水压力计连接的缆线穿过穿线孔Ⅰ并向上延伸，所述摩擦板的两端还设置有与透水石连通的透水孔。
本发明的有益效果：
1、本发明通过缸体与钻杆固定连接，因此在放入钻孔时不会晃动而对土样造成扰动；而且流体缸的活塞杆与摩擦板固定连接，流体缸推动摩擦板伸出或缩回，使得摩擦板刺入土样的过程较为柔和，且刺入的深度或压力可通过外接的流体系统进行精确控制，因此试验的精度较高。
2、本发明采用流体缸推动摩擦板伸出或缩回，因此可提供各个阶段的压力，不仅适用于流塑状态～坚硬状态的各类土层，而且适用于各种砂类土、粉土以及部分碎石类土，以及软岩及强风化软岩等，但不适用于坚硬岩层以及漂卵石地层，适用范围较广。
3、本发明在缸体内均布有至少两组与轴线垂直的流体缸以推动摩擦板，经外部流体供应装置的控制可实现摩擦板的双向同步运动，从而使得试验的行程增大（行程可达20mm及更大），可获取更多的相关试验参数；而且摩擦板通过缸体对活塞杆进行导向，以及缸体上的摩擦板双向同步运动，使得在缸体两侧的土样性质有差异时，也不容易使摩擦板发生偏斜，从而可有效提高测量的准确性。
4、本发明在摩擦板上设置透水石，可消散放入钻孔后引起的超静孔压；同时，在摩擦板的两端分别设置与透水石连通的透水孔，可以确保在固结排水（CD）试验时产生的超孔隙水消散，而在固结不排水（CU）试验时对透水孔做封闭处理就可满足要求，从而可在三轴固结排水（CD）、剪切两种试验方式上进行灵活的转换。
5、本发明的缸体、活塞杆、摩擦板等主要部件可通过采用钛合金等轻便而坚固材质，来减轻重量，从而方便野外原位测试。
综上所述，本发明可快速获取岩土体的抗剪强度指标，特别是对碎石类土的指标获取以及滑坡抢险等方面可以及时获取相关指标，并做好抢险措施，整体具有结构简单、土体扰动小、试验行程大且结果精度高、适用范围广、可灵活转换的特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1之爆炸图；
图3为图1之剖切图；
图4为图1之缸体结构示意图；
图5为图4之剖切图；
图6为图4之A-A向视图；
图7为图1之活塞杆结构示意图；
图8为图1之活塞缸盖结构示意图；
图9为初始工作状态受力示意图；
图10为第一工作状态受力示意图；
图11为第二工作状态受力示意图；
图中：1-缸体，101-连接孔，102-流体进出孔，103-流体腔，104-环形槽Ⅱ，105-穿线孔Ⅱ，2-活塞杆，201-外延段，202-螺孔，203-Y型密封圈Ⅱ，3-活塞缸盖，301-Y型密封圈Ⅰ，302-C型密封圈，303-O型密封圈，4-摩擦板，401-环形槽Ⅰ，402-环形台，403-嵌入孔，404-穿线孔Ⅰ，405-透水孔，406-沉头螺孔，5-透水石，6-孔隙水压力计，7-螺钉，8-钻杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1至8所示，本发明包括缸体1、活塞杆2、摩擦板4、透水石5、孔隙水压力计6，所述缸体1为柱体结构且周向均布有至少两组与轴线垂直的流体缸，所述摩擦板4设置于缸体1外侧且与流体缸的活塞杆2固定连接，所述缸体1的顶端分别设置有与钻杆固定连接的连接孔101、与流体缸连通的流体进出孔102，所述摩擦板4的外圆周上设置有环形槽Ⅰ401且两侧分别设置有环形台402，所述摩擦板4至少在两个环形台402的外圆周上设置有嵌入孔403，所述透水石5固定设置于环形槽Ⅰ401内，所述孔隙水压力计6设置于嵌入孔403内，所述摩擦板4的顶端设置有与嵌入孔403连通的穿线孔Ⅰ404，所述孔隙水压力计6连接的缆线穿过穿线孔Ⅰ404并向上延伸，所述摩擦板4的两端还设置有与透水石5连通的透水孔405。
所述流体缸包括设置于缸体1内的流体腔103、活塞缸盖3，所述流体进出孔102与流体腔103连通，所述活塞缸盖3可拆卸的固定设置于流体腔103的外侧，所述活塞杆2配合设置于流体腔103内且外延段201可滑动的向活塞缸盖3外延伸，所述摩擦板4与活塞杆2的外延段201固定连接。
本发明每一组流体缸至少由沿缸体1轴向间隔设置的两个流体腔103构成，每一组流体缸中各活塞杆2的运动方向及运动次序均一致。
所述缸体1为“工”字形柱体结构，所述摩擦板4为环形板结构且环抱设置在缸体1的环形槽Ⅱ104内，所述活塞杆2收缩后的环形台402外圆周不高于环形槽Ⅱ104两侧的凸台外沿，所述缸体1的顶端还设置有与穿线孔Ⅰ404对应并连通环形槽Ⅱ104的穿线孔Ⅱ105。
所述透水石5为环形板结构并环抱固定设置在环形槽Ⅰ401内且透水石5的外圆周低于环形台402的外沿。
所述缸体1的周向上设置有两个半圆环结构的摩擦板4，所述缸体1上对称设置有两组背对背的流体腔103，所述流体腔103近两端处的一侧分别与两个流体进出孔102连通，所述摩擦板4与流体腔103内延伸出的活塞杆2螺纹固定连接。
所述摩擦板4的顶端与底端在近嵌入孔403侧间隔设置有至少两个透水孔405。
所述摩擦板4沿轴向至少设置有两个环形槽Ⅰ401，所述摩擦板4在远离活塞杆2连接部的环形台402外圆周上设置嵌入孔403，所述穿线孔Ⅰ404向下连通至底部的嵌入孔403，所述透水孔405沿轴向穿过各环形台402的底部并与透水石5的端面抵接。
所述活塞缸盖3通过外螺纹与流体腔103固定连接，所述活塞缸盖3的内孔自内向外分别固定设置有Y型密封圈Ⅰ301、C型密封圈302，所述活塞杆2的外延段201可滑动的依次穿过Y型密封圈Ⅰ301及C型密封圈302并与摩擦板4固定连接。
所述活塞杆2的外延段201端面设置有同轴的螺孔202，所述摩擦板4的环形台402上设置有沉头螺孔406，所述摩擦板4通过穿过沉头螺孔406的螺钉7与螺孔202固定连接。
实施例1：
如图1至8所示，以具有四个活塞杆、四个活塞缸套、左右两套刺入土体的摩擦板，6片透水石、8个孔隙水压力计组成的本发明，进行原位固结排水剪切试验（CD），具体试验过程如下：
1、在土体中钻孔至预计试验深度，孔径130mm（其中：缸体1直径128mm、长度305mm），下套管至预定试验深度以上50cm，然后放入上述发明（以下简称“剪切装置”）。
2、如图9所示，剪切装置放入到试验位置后，打开与流体进出孔102连通的液压管路开关，液压油从油泵经换向阀和分配阀分别从两个流体进出孔102的进油口进入流体腔103的“伸出液压腔”，在系统压力作用下推动活塞杆2向外运动，此时活塞杆2分别推动右侧及左侧的摩擦板4、透水石5向两侧运动，进而使左右两摩擦板4的环形台402与钻孔的孔壁紧贴在一起，此时记录系统压力P0。
3、如图10所示，调整系统压力P0+ΔP1，此时活塞杆2推动右侧及左侧的摩擦板4、透水石5继续向两侧运动，左右两摩擦板4的环形台402压入周围土体一定距离，记为ξ1（ξ1可通过流入流体腔103的液压油量进行计算），同时通过剪切液压油缸对剪切装置向上施加剪力τ1，剪切装置向上移动，通过地表的百分表记录位移S1，同时记录P0+ΔP1与S1的关系，当位移达到15mm时停止本次试验。
4、如图11所示，将剪切装置向下恢复至初始试验位置，再次调整系统压力P0+ΔP2，同理，左右两摩擦板4的环形台402压入周围土体一定距离，记为ξ2（ξ2可通过流入流体腔103的液压油量进行计算），同时通过剪切液压油缸向上施加剪力τ2，剪切装置向上移动，通过地表的百分表记录位移S2，同时记录P0+ΔP1与S1的关系，当位移达到15mm时停止本次试验。
5、重复以上试验步骤，每个试验深度不得少于5次，每次试验约2分钟。同一点全部完成试验约40分钟。
由于剪切装置设置了透水石5以及预留透水孔405及孔隙水压力计6，试验时不封堵透水孔405，增加的孔隙水压力将沿着透水孔405排泄，此时获取的是原位固结排水试验指标（CU），孔隙水压力计6可记录整个试验过程中孔隙水的变化。
完成后重复钻孔工作，将剪切装置放置于下一个试验点进行试验即可。
若需获取土体的残余强度，则每次试验向上剪切位移应达到剪切极限40mm。
试验结果绘制于σ～τ的坐标系中，采用最小二乘法进行拟合，即可获得相应的原位三轴试验指标。
实施例2：
如图1至8所示，以具有四个活塞杆、四个活塞缸套、左右两套刺入土体的摩擦板，6片透水石、8个孔隙水压力计组成的本发明，进行原位固结不排水剪切试验（CU），具体试验过程如下：
1、在土体中钻孔至预计试验深度，孔径130mm（其中：缸体1直径128mm、长度305mm），下套管至预定试验深度以上50cm，将上述发明（以下简称“剪切装置”）的透水孔405堵塞，然后向钻孔中放入剪切装置。
2、如图9所示，剪切装置放入到试验位置后，打开与流体进出孔102连通的液压管路开关，液压油从油泵经换向阀和分配阀分别从两个流体进出孔102的进油口进入流体腔103的“伸出液压腔”，在系统压力作用下推动活塞杆2向外运动，此时活塞杆2分别推动右侧及左侧的摩擦板4、透水石5向两侧运动，进而使左右两摩擦板4的环形台402与钻孔的孔壁紧贴在一起，此时记录系统压力P0。
3、如图10所示，调整系统压力P0+ΔP1，此时活塞杆2推动右侧及左侧的摩擦板4、透水石5继续向两侧运动，左右两摩擦板4的环形台402压入周围土体一定距离，记为ξ1（ξ1可通过流入流体腔103的液压油量进行计算），同时通过剪切液压油缸对剪切装置向上施加剪力τ1，剪切装置向上移动，通过地表的百分表记录位移S1，同时记录P0+ΔP1与S1的关系，当位移达到15mm时停止本次试验。
4、如图11所示，将剪切装置向下恢复至初始试验位置，再次调整系统压力P0+ΔP2，同理，左右两摩擦板4的环形台402压入周围土体一定距离，记为ξ2（ξ2可通过流入流体腔103的液压油量进行计算），同时通过剪切液压油缸向上施加剪力τ2，剪切装置向上移动，通过地表的百分表记录位移S2，同时记录P0+ΔP1与S1的关系，当位移达到15mm时停止本次试验。
5、重复以上试验步骤，每个试验深度不得少于5次，每次试验约2分钟。同一点全部完成试验约40分钟。
由于剪切装置初始时将透水孔405封堵，增加的孔隙水压将不会沿着透水孔405排泄，此时获取的是原位固结不排水试验指标（CU），孔隙水压力计6可记录整个试验过程中孔隙水的变化。
完成后重复钻孔工作，将剪切装置放置于下一个试验点进行试验即可。
若需获取土体的残余强度，则每次试验向上剪切位移应达到剪切极限40mm。
试验结果绘制于σ～τ的坐标系中，采用最小二乘法进行拟合，即可获得相应的原位三轴试验指标。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于包括缸体（1）、活塞杆（2）、摩擦板（4）、透水石（5）、孔隙水压力计（6），所述缸体（1）为柱体结构且周向均布有至少两组与轴线垂直的流体缸，所述摩擦板（4）设置于缸体（1）外侧且与流体缸的活塞杆（2）固定连接，所述缸体（1）的顶端分别设置有与钻杆固定连接的连接孔（101）、与流体缸连通的流体进出孔（102），所述摩擦板（4）的外圆周上设置有环形槽Ⅰ（401）且两侧分别设置有环形台（402），所述摩擦板（4）至少在两个环形台（402）的外圆周上设置有嵌入孔（403），所述透水石（5）固定设置于环形槽Ⅰ（401）内，所述孔隙水压力计（6）设置于嵌入孔（403）内，所述摩擦板（4）的顶端设置有与嵌入孔（403）连通的穿线孔Ⅰ（404），所述孔隙水压力计（6）连接的缆线穿过穿线孔Ⅰ（404）并向上延伸，所述摩擦板（4）的两端还设置有与透水石（5）连通的透水孔（405）。
2.根据权利要求1所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述流体缸包括设置于缸体（1）内的流体腔（103）、活塞缸盖（3），所述流体进出孔（102）与流体腔（103）连通，所述活塞缸盖（3）可拆卸的固定设置于流体腔（103）的外侧，所述活塞杆（2）配合设置于流体腔（103）内且外延段（201）可滑动的向活塞缸盖（3）外延伸，所述摩擦板（4）与活塞杆（2）的外延段（201）固定连接。
3.根据权利要求2所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于每一组流体缸至少由沿缸体（1）轴向间隔设置的两个流体腔（103）构成，每一组流体缸中各活塞杆（2）的运动方向及运动次序均一致。
4.根据权利要求3所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述缸体（1）为“工”字形柱体结构，所述摩擦板（4）为环形板结构且环抱设置在缸体（1）的环形槽Ⅱ（104）内，所述活塞杆（2）收缩后的环形台（402）外圆周不高于环形槽Ⅱ（104）两侧的凸台外沿，所述缸体（1）的顶端还设置有与穿线孔Ⅰ（404）对应并连通环形槽Ⅱ（104）的穿线孔Ⅱ（105）。
5.根据权利要求4所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述透水石（5）为环形板结构并环抱固定设置在环形槽Ⅰ（401）内且透水石（5）的外圆周低于环形台（402）的外沿。
6.根据权利要求2至5任意一项所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述缸体（1）的周向上设置有两个半圆环结构的摩擦板（4），所述缸体（1）上对称设置有两组背对背的流体腔（103），所述流体腔（103）近两端处的一侧分别与两个流体进出孔（102）连通，所述摩擦板（4）与流体腔（103）内延伸出的活塞杆（2）螺纹固定连接。
7.根据权利要求6所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述摩擦板（4）的顶端与底端在近嵌入孔（403）侧间隔设置有至少两个透水孔（405）。
8.根据权利要求6所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述摩擦板（4）沿轴向至少设置有两个环形槽Ⅰ（401），所述摩擦板（4）在远离活塞杆（2）连接部的环形台（402）外圆周上设置嵌入孔（403），所述穿线孔Ⅰ（404）向下连通至底部的嵌入孔（403），所述透水孔（405）沿轴向穿过各环形台（402）的底部并与透水石（5）的端面抵接。
9.根据权利要求6所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述活塞缸盖（3）通过外螺纹与流体腔（103）固定连接，所述活塞缸盖（3）的内孔自内向外分别固定设置有Y型密封圈Ⅰ（301）、C型密封圈（302），所述活塞杆（2）的外延段（201）可滑动的依次穿过Y型密封圈Ⅰ（301）及C型密封圈（302）并与摩擦板（4）固定连接。
10.根据权利要求9所述现场原位三轴固结排水及固结不排水剪切装置，其特征在于所述活塞杆（2）的外延段（201）端面设置有同轴的螺孔（202），所述摩擦板（4）的环形台（402）上设置有沉头螺孔（406），所述摩擦板（4）通过穿过沉头螺孔（406）的螺钉（7）与螺孔（202）固定连接。
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