CN115046866A - 一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，包括框架，设置有安装孔；剪切环刀，用于取土和装载土样，适于穿设于所述安装孔以使得所述剪切环刀装配于所述框架；压力组件，可拆卸连接所述框架并设置在所述安装孔的上方以对从第一方向对所述剪切环刀施加压力；剪切力组件，可拆卸连接所述框架并配置为从第二方向对所述剪切环刀施加压力，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第一方向沿所述剪切环刀的轴向设置，所述第二方向沿所述剪切环刀的剪切面方向设置。本发明通过将剪切环刀、压力组件以及剪切力组件可拆卸连接到框架上，可实现土样的垂直加压与水平剪切组装，本设计框架体积小、重量轻，便于拆卸携带和野外组装。

Description

一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置

技术领域

本发明涉及岩土工程设备技术领域，尤其涉及一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置。

背景技术

土工实验中抗剪强度参数对边坡土体材料变形分析具有重要意义，直剪试验为最高效的参数获取手段。自然土体中根系对土体的抗剪强度有显著的增益效果，因此植物常被作为边坡防护的生态材料，根土复合体抗剪强度的研究为经久不衰的热点；

受现有试验仪器便携性的限制，该类研究通常采用野外采集根土式样-室内重塑剪切的流程。现有剪切仪器大多采用体积庞大的刚性基础，使用砝码配重或液压加载，剪切采用电机施力，依赖于电源，无法在野外安装和使用。当前研究流程很难实现原状土样抗剪强度的测量，运输扰动、室内重塑都会影响到土样本身结构和根土接触，试验结果不足以反应根系实际固土能力。

发明内容

本发明提供一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，用以解决现有技术中测量装置体积庞大、无法也野外快速测量的缺陷。

本发明提供一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，包括：

框架，设置有安装孔；

剪切环刀，用于装载土样，所述剪切环刀可拆卸的穿设于所述安装孔；

压力组件，可拆卸连接所述框架并设置在所述安装孔的上方，以从第一方向对所述剪切环刀内的土样施加压力；

剪切力组件，可拆卸连接所述框架，并配置为从第二方向对所述剪切环刀施加压力，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第一方向沿所述剪切环刀的轴向设置，所述第二方向沿所述剪切环刀的剪切面方向设置。

根据本发明提供一种的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述框架包括依次间隔设置的第一板体、第二板体以及第三板体，所述第一板体、所述第二板体和所述第三板体通过第四板体连接，所述第一板体与所述第二板体之间形成第一空间，所述第二板体与所述第三板体之间形成第二空间。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述第二板体上设置有安装孔，所述剪切环刀部分穿设于所述安装孔；所述第一板体上设置有第一连接孔，所述压力组件从所述第一方向穿设于所述第一连接孔；所述第四板体上设置有第二连接孔，所述剪切力组件从所述第二方向穿设于所述第二连接孔；所述第三板体上设置有容器，所述剪切环刀的底部设置于所述容器。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述安装孔与所述剪切环刀的外径相等；和/或

所述容器的内径与所述剪切环刀的外径相等。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述剪切环刀包括第一环刀、第二环刀以及第三环刀，所述第一环刀、所述第二环刀和所述第三环刀彼此对接。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述剪切力组件包括彼此之间相互连接的第二丝杆、拉压力传感器以及第三传压板，所述拉压力传感器设置在所述第二丝杆与所述第三传压板之间，所述第二丝杆远离所述拉压力传感器的一端连接有第二穿装管，其中，所述拉压力传感器与所述第二丝杆可拆卸连接。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述第二丝杆上设置有空腔，所述拉压力传感器上设置有凸起，所述凸起适于进入所述空腔以将所述第二丝杠与所述拉压力传感器连接。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述第三传压板上设置有弧形凹部，所述弧形凹部与所述剪切环刀的外壁相匹配。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述压力组件包括第一丝杆以及彼此之间固定连接的第一传压板、第二传压板以及弹性件，其中，所述弹性件位于所述第一传压板与所述第二传压板之间，所述第一丝杆的一端连接所述第一传压板，所述第一丝杆的另一端连接有第一穿装管，所述第一穿装管与所述第一丝杆垂直。

根据本发明提供的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，所述第一丝杆上设置有螺母，用于对所述压缩弹簧的变形量进行限制。

本发明提供的具有以下技术效果。

1、本发明通过将剪切环刀、压力组件以及剪切力组件可拆卸连接到框架上，可实现土样的垂直加压与水平剪切组装，本设计框架体积小、重量轻，便于拆卸携带和野外组装。

2.本发明的剪切环刀由三个环刀对接组成，土样具有两个预留剪切面，可实现原状含根土体采集和剪切。

3.本发明的压力组件可垂直加压，可野外手持操作，避免了传统装置中如砝码、液压等不方便携带，依赖电力、燃料的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的应变控制式直剪仪的结构示意图。

图2是本发明的整体结构示意图

图3是本发明的框架的结构示意图。

图4是本发明的剪切环刀的结构示意图。

图5是本发明的压力组件的结构示意图。

图6是本发明的剪切力组件的结构示意图。

附图标记：

框架1、第一板体11、第一连接孔111、第二板体12、安装孔121、第三板体13、容器131、第四板体14、第二连接孔141、剪切环刀2、第一环刀21、第二环刀22、第三环刀23、压力组件3、第一丝杆31、螺母311、第一传压板32、第二传压板33、弹性件34、第一穿装管35、剪切力组件4、第二丝杆41、空腔411、拉压力传感器42、凸起421、第三传压板43、第二穿装管44、弧形凹面431、旋转杠杆5。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

土工实验中抗剪强度参数对边坡土体材料变形分析具有重要意义，直剪试验为最高效的参数获取手段。自然土体中根系对土体的抗剪强度有显著的增益效果，因此植物常被作为边坡防护的生态材料，根土复合体抗剪强度的研究为经久不衰的热点，直剪试验作为根土复合体强度研究的主要手段同样备受关注。直剪试验装置为基于摩尔库伦定律的直剪仪，典型的直剪仪应具有以下结构：

1.试样装载和约束框架

2.剪切盒

3.垂直压力加载装置

4.剪切力施加装置

5.剪切位移、剪切力测量装置

如图1所示，以1932年哈弗大学研发的应变控制式直剪仪原理为例，其典型装配如下:

1、式样装载和约束框架1，应刚性约束的要求，可耐受剪切过程中最大竖直和垂直内力而不发生变形，满足剪切盒2的绝对约束，满足垂直加载装置3的垂直稳定安装，满足剪切力施加装置、剪切位移剪切力测量系统的绝对约束，

2、剪切盒由直径(D)相等、高度(H)相等无底上盒21和有底下盒22上下对接，形成特定容积的刚性载土容器，其特征为上下盒体21和22为光滑对接，形成预留剪切面，如图1。

3、测量时，采用式样装载和约束框架1完全约束剪切盒2，将形状等体积的土样推入剪切盒2，在剪切盒21顶面施加一定垂直压力,然后撤去上盒21的水平约束，采用剪切力施加装置4对上盒21施加水平荷载，使土样在预留剪切面上产生匀速剪切位移，剪切过程中采用剪切力、剪切位移测量装置5测定剪切力和剪切位移，直至剪切力发生突变，剪切破坏发生。

在某些实施例中采用上盒体约束，对下盒体施加水平力的方法，原理与上述实施说明一致，为同类设计。

实验后根据最大剪切0力和剪切面面积计算抗剪切强度，采用摩尔库伦定律计算抗剪强度指标粘聚力c和摩擦角φ。

下面结合图2-图6描述本发明的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置。

本发明提供一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，包括框架1、剪切环刀2、压力组件3以及剪切力组件4，框架1用于支撑所述剪切环刀2、压力组件3以及剪切力组件4，通过将所述剪切环刀2、压力组件3以及剪切力组件4装配到所述框架1上，使得形成的速测装置便于拆装，方便携带，使得在不同环境下都能快速对土壤的剪切力进行检测。

需要理解的是，所述剪切环刀2可以为圆形环、矩形环等。本申请中所述剪切环刀2为圆形环刀。这样是为了能在野外采用土钻取土，然后立即采用本设计的装置进行剪切，因此设计剪切环刀2为圆形来配合土钻使用，它具有两个功能，一是能装载到土钻的钻头上取出自然土样,二是能装载到本设计的装置中实现剪切试验。所以剪切环刀2一般都是圆形,方形不便于取样。

具体的，在框架1设置有安装孔121，所述剪切环刀2用于取土和装载土样，所述剪切环刀2适于穿设于所述安装孔121以使得所述剪切环刀2装配于所述框架1；需要理解的是，当需要检测土壤时将所述剪切环刀2装配到安装孔121中，而不需要检测时，剪切环刀2脱离所述安装孔121可自由放置。所述压力组件3可拆卸连接所述框架1并设置在所述安装孔121的上方以对从第一方向对所述剪切环刀2施加压力；所述剪切力组件4可拆卸连接所述框架1并配置为从第二方向对所述剪切环刀2施加压力，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在实际检测时，所述第一方向指的是所述剪切环刀2的轴向，所述第二方向指的是所述剪切环刀2的横向，即所述剪切环刀2的剪切面方向。

在一实施例中，所述框架1呈E形，即所述框架1在设计时从正面看，所述框架1的结构呈E型，这样设计是为了使得所述压力组件3、剪切环刀2以及剪切力组件4便于安装；所述框架1包括第一板体11、第二板体12以及第三板体13，所述第一板体11、第二板体12和所述第三板体13通过第四板体14连接且彼此之间间隔设置，所述第一板体11与所述第二板体12之间形成第一空间，所述第二板体12与所述第三板体13之间形成第二空间。

安装孔121位于所述第二板体121上。

在安装时，所述压力组件3安装在所述第一板体11上，所述剪切环刀2安装在所述第二板体12上，所述剪切力组件4安装在所述第四板体14上。相应地，所述压力组件3部分处于所述第一空间，所述剪切力组件4部分处于所述第二空间。通过这样设计，使得整体的结构更加地紧凑合理。

在一实施例中，为了对所述剪切环刀2的位置进行约束，所述安装孔与所述剪切环刀2的外径相等；和/或所述容器131的内径与所述剪切环刀2的外径相等。这样，在所述剪切环刀2安装到所述安装孔中，所述安装孔能够对所述剪切环刀2的位置进行约束，限制所述剪切环刀2横向运动；需要理解的是，容器131为杯状的容器131，而当所述剪切环刀2插入到所述容器131内时，所述容器131对所述剪切环刀2进行约束，避免所述剪切环刀2随意移动。

在一实施例中，所述剪切环刀2包括第一环刀21、第二环刀22以及第三环刀23，所述第一环刀21、所述第二环刀22和所述第三环刀23彼此对接且彼此相同设置。需要理解的是，所谓的相同设置指的是三个环刀的内径D0,外径D1,高度h均相等,三者可同时装入取土钻,取出直径为D0、高度为3h的待剪切含根系土样,允许土样通过安装孔121自上而下装载到第二空间,并坐落于容器131内。剪切环刀2由三等分的所述第一环刀21、第二环刀22以及第三环刀23拼接而成，且在彼此的拼接处留由两个预留剪切面。

在一实施例中，所述压力组件3包括第一丝杆31以及彼此之间固定连接的第一传压板32、第二传压板33以及弹性件34，此处，所述弹性件34为弹簧，在所述第一板体11上设置有第一连接孔111，所述第一丝杆31螺纹连接所述第一连接孔111，所述弹性件34位于所述第一传压板32与所述第二传压板33之间，所述第一丝杆31的一端连接所述第一传压板32，所述第一丝杆31的另一端连接有第一穿装管35，所述第一穿装管35与所述第一丝杆31垂直。所述第一传压板32、弹性件34以及所述第二传压板33焊接为一个整体。所述第一穿装管35与所述第一丝杆31之间焊接，所述第一穿装管35为内径为d0、外径为d1的刚性圆管，用于插入旋转杠杆5，旋转杠杆5的外径略小于d1。所述第一丝杆31上设置有螺母311，通过转动螺母，使得螺母在第一丝杆31上运动来对所述压缩弹簧的变形量进行限制。

在一实施例中，所述剪切力组件4包括彼此之间相互连接的第二丝杆41、拉压力传感器42以及第三传压板43，所述第四板体14上设置有第二连接孔141，所述第二丝杆41螺纹连接所述第二连接孔141，所述拉压力传感器42设置在所述第二丝杆41与所述第三传压板43之间，所述第二丝杆41远离所述拉压力传感器42的一端连接有第二穿装管44，其中，所述拉压力传感器42与所述第二丝杆41可拆卸连接。所述第二丝杆41与所述第二穿装管44之间为焊接，所述第二穿装管44为内径为d0外径为d1的刚性圆管，用于插入旋转杠杆5。

进一步地，所述第二丝杆41上设置有空腔411，所述拉压力传感器42上设置有凸起421，所述凸起421适于进入所述空腔411以将所述第二丝杠与所述拉压力传感器42连接。当所述第二丝杆41转动，使得所述拉压力传感器42产生向右的位移，进而带动所述第三传压板43与所述剪切环刀2的外壁面接触。

需要理解的是，所述第三传压板43上设置有弧形凹部431，所述弧形凹部431与所述剪切环刀2的外壁相匹配。即所述弧形凹部431的曲率半径与所述剪切环刀2的外壁相等。这样使得所述第三传压板43与所述剪切环刀2接触面更多，检测也更准。

为方便人力操作，本装置还包括与上述其他部件匹配的螺丝扳手，杠杆或手摇轮等配件。

本装置的具体使用过程如下：

Step1、上述装配结构中的剪切环刀2装配于取土钻钻头内，完成直径为D0、高度为3h的原状含根土体的现场采集，且在剪切环刀2的三等分拼接处具有两个预留剪切面。

Step2、载土后的剪切环刀2通过框架的第二板体的安装孔121自上而下小心装载到下部空间中的杯状容器131131内，避免人为破坏。

Step3、将压力组件3的第一传压板311、弹性件34和第二传压板33通过安装孔121置于载土环刀上表面，将第一丝杆31通过第一连接孔111旋转安装，同时装配螺母312并保持松弛状态，使第一丝杆31下端与第一传压板311上表面刚好接触。

Step4、采用杠杆插入第一丝杆31顶端圆柱，手动旋转使弹簧压缩1/4,产生作用于剪切土样的50kPa法向压力，然后采用扳手反向拧紧螺母311使其紧贴第一板体11底面，确保弹簧的压缩量不变。

Step5、将剪切力组件4通过E型框架1的第四板体14上的第二连接孔141螺旋安装，第二丝杆41前端插入拉压力传感器42、第三传压板43，采用杠杆穿过第二穿装管44旋转第二丝杆41，直至第三传压板43与载土环刀中部刚好接触，此时，拉压力传感器42压力读数置零。

Step6、手动匀速转动杠杆，使剪切力组件4螺旋前进，剪切环刀2中部产生向右的位移，土样从预留的两个剪切面发生剪切变形，直至拉压力传感器42的压力读数发生突变，土样剪切完成。

Step7、重复以上操作，采集土样，在Step4中分别设置100kPa、150kPa、200kPa完成四个压力梯度下原装土样的剪切试验，记录剪切破坏时的剪切力和剪切位移。原状土样的抗剪强度参数按照摩尔库伦定律计算，公式如下：

抗剪强度τ为：

剪切面积S为：

式中：F为剪切力，D0为土样直径，x为剪切位移。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过将剪切环刀、压力组件以及剪切力组件可拆卸连接到框架上，可实现土样的垂直加压与水平剪切组装，本设计框架体积小、重量轻，便于拆卸携带和野外组装。

2.本发明的剪切环刀由三个环刀对接组成，土样具有两个预留剪切面，可实现原状含根土体采集和剪切。

3.本发明的压力组件可垂直加压，可野外手持操作，避免了传统装置中如砝码、液压等不方便携带，依赖电力、燃料的缺陷。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，包括：

框架，设置有安装孔；

剪切环刀，用于装载土样，所述剪切环刀可拆卸的穿设于所述安装孔；

压力组件，可拆卸连接所述框架并设置在所述安装孔的上方，以从第一方向对所述剪切环刀内的土样施加压力；

剪切力组件，可拆卸连接所述框架，并配置为从第二方向对所述剪切环刀施加压力，其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第一方向沿所述剪切环刀的轴向设置，所述第二方向沿所述剪切环刀的剪切面方向设置。

2.根据权利要求1所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，

所述框架包括依次间隔设置的第一板体、第二板体以及第三板体，所述第一板体、所述第二板体和所述第三板体通过第四板体连接，所述第一板体与所述第二板体之间形成第一空间，所述第二板体与所述第三板体之间形成第二空间。

3.根据权利要求2所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，所述第二板体上设置有所述安装孔，所述剪切环刀部分穿设于所述安装孔；所述第一板体上设置有第一连接孔，所述压力组件从所述第一方向穿设于所述第一连接孔；所述第四板体上设置有第二连接孔，所述剪切力组件从所述第二方向穿设于所述第二连接孔；所述第三板体上设置有容器，所述剪切环刀的底部设置于所述容器。

4.根据权利要求3所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，

所述安装孔与所述剪切环刀的外径相等；和/或

所述容器的内径与所述剪切环刀的外径相等。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，

所述剪切环刀包括第一环刀、第二环刀以及第三环刀，所述第一环刀、所述第二环刀和所述第三环刀彼此对接。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，所述剪切力组件包括彼此之间相互连接的第二丝杆、拉压力传感器以及第三传压板，所述拉压力传感器设置在所述第二丝杆与所述第三传压板之间，所述第二丝杆远离所述拉压力传感器的一端连接有第二穿装管，其中，所述拉压力传感器与所述第二丝杆可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，

所述第二丝杆上设置有空腔，所述拉压力传感器上设置有凸起，所述凸起适于进入所述空腔以将所述第二丝杠与所述拉压力传感器连接。

8.根据权利要求7所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，所述第三传压板上设置有弧形凹部，所述弧形凹部与所述剪切环刀的外壁相匹配。

9.根据权利要求1至4中任意一项所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，所述压力组件包括第一丝杆以及彼此之间固定连接的第一传压板、第二传压板以及弹性件，其中，所述弹性件位于所述第一传压板与所述第二传压板之间，所述第一丝杆的一端连接所述第一传压板，所述第一丝杆的另一端连接有第一穿装管，所述第一穿装管与所述第一丝杆垂直。

10.根据权利要求9所述的含根系土壤抗剪强度参数野外检测装置，其特征在于，所述第一丝杆上设置有螺母，用于对所述压缩弹簧的变形量进行限制。

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