CN116296891A - 一种十字板剪切装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土强度测试技术领域，具体涉及一种十字板剪切装置及检测方法，十字板剪切装置包括十字板剪切机构、伸缩驱动机构和定位调节机构。十字板剪切机构的转轴连接有十字板叶片；伸缩驱动机构与十字板剪切机构滑动连接，以驱动十字板剪切机构沿垂直于岩层待侧面的方向移动；定位调节机构包括水平调节机构和竖直调节机构；水平调节机构的一端安装伸缩驱动机构，另一端与竖直调节机构滑动连接；水平调节机构能够驱动伸缩驱动机构沿水平调节机构的轴线方向移动；竖直调节机构能够驱动水平调节机构沿竖直调节机构的轴线方向移动。十字板剪切装置的测量效率和精度高；调节范围大，对多点位待测标志点进行测量时的适应性更强。

Description

一种十字板剪切装置及检测方法

技术领域

本发明涉及初喷混凝土强度测试技术领域，具体涉及一种十字板剪切装置及检测方法。

背景技术

十字板剪切试验是一种用十字板叶片测定软粘性土抗剪强度的试验，将十字板叶片作为钻头，通过钻孔的方式压入孔底软土中，以均匀的速度转动，通过设定的测量系统，测得十字板叶片转动时所需的力矩，直至土体破坏，从而计算出土的抗剪强度，由十字板剪切试验测得的抗剪强度代表土的天然强度，目前广泛用于测定饱和软粘性土抗剪强度，是求算地基地基承载力、围堤稳定、软粘土的灵敏度及固结历史等地基力学参数不可缺少的原位测试手段。

土抗剪强度的测量仪器目前国内外有多种设备，总体分为机械式和电测式两种：机械式采用人力手摇，人工读数，摇速不稳定，读数误差大，将十字板贯入岩土内较为费劲，且易影响岩土原始应力状态，造成测量误差；电测式的传感器设置在十字板叶片的头部，电缆布置在十字板叶片的钻杆内，电测式传感器通过电缆与外部设备电连接，当岩层测试深度较深时，需频繁往钻杆中穿引电缆，操作繁琐，费时费力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种十字板剪切装置及检测方法，其解决了现有的初喷混凝土检测装置的检测效率较低的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的十字板剪切装置包括：

十字板剪切机构，所述十字板剪切机构的转轴连接有十字板叶片；

伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构与所述十字板剪切机构滑动连接，以驱动所述十字板剪切机构沿垂直于岩层待侧面的方向移动；

定位调节机构，所述定位调节机构包括水平调节机构和竖直调节机构；所述水平调节机构的一端安装所述伸缩驱动机构，另一端与所述竖直调节机构滑动连接；

其中，所述水平调节机构能够驱动所述伸缩驱动机构沿所述水平调节机构的轴线方向移动；所述竖直调节机构能够驱动所述水平调节机构沿所述竖直调节机构的轴线方向移动。

可选地，所述十字板剪切机构包括压力传感器、安装座、扭矩传感器和叶片驱动器；

所述安装座安装于所述伸缩驱动机构上；所述叶片驱动器安装于所述安装座上；

所述叶片驱动器的转轴与所述十字板叶片连接；

所述压力传感器套设在所述叶片驱动器的转轴上；

所述扭矩传感器设置于所述安装座上，并与所述叶片驱动器的转轴键连接。

可选地，所述十字板剪切机构还包括连接轴、转接头和推力轴承；

所述连接轴的一端与所述十字板叶片固定连接，另一端与所述转接头可拆卸连接；

所述转接头的另一端与所述叶片驱动器的转轴通过键槽滑动连接；

所述推力轴承套设于所述叶片驱动器的转轴上，并设置于所述转接头和所述压力传感器之间。

可选地，所述十字板剪切机构还包括连接轴、转接头、弹性联轴器和推力轴承；

所述连接轴的一端与所述十字板叶片固定连接，另一端与所述转接头可拆卸连接；

所述转接头的另一端与所述叶片驱动器的转轴的连接；

所述推力轴承套设于所述叶片驱动器的转轴上，并设置于所述转接头和所述压力传感器之间；

所述叶片驱动器的转轴上设置有弹性联轴器，以使所述十字板叶片能够沿所述叶片驱动器的转轴的轴线方向移动。

可选地，所述伸缩驱动机构包括伸缩驱动器、滑板和基板；

所述基板安装于所述水平调节机构上；

所述滑板与所述基板滑动连接，所述十字板剪切机构设置于所述滑板上；

所述伸缩驱动器安装于所述基板上，并与所述滑板连接，以驱动所述滑板沿垂直于岩层待侧面的方向移动。

可选地，所述水平调节机构包括第一调节杆、滑动支架和第一手轮；所述第一调节杆的一端与所述伸缩驱动机构连接，另一端与第一手轮连接；所述第一调节杆上套设有所述滑动支架；

所述竖直调节机构包括第二调节杆、支撑平台和第二手轮；所述第二调节杆的一端与所述支撑平台连接，另一端与第二手轮连接；所述第二调节杆上套设有所述滑动支架。

此外，本发明还提供一种十字板剪切装置的检测方法，所述十字板剪切装置的检测方法基于如上所述的十字板剪切装置实施，所述检测方法包括：

S1、移动所述十字板剪切装置至混凝土的测试位置，固定所述十字板剪切装置；

S2、通过所述水平调节机构调节所述十字板叶片的水平位置，通过所述竖直调节机构调节所述十字板叶片的竖直位置，使所述十字板叶片的中心对准混凝土的待测标志点；

S3、设定所述十字板剪切机构的剪切参数后，启动所述十字板剪切装置对混凝土的多个待测标志点进行剪切测试，所述十字板剪切装置自动生成所述十字板叶片的剪切扭矩与混凝土的抗剪强度的模型曲线图。

可选地，步骤S3中，所述十字板剪切机构根据测得的贯入阻力、贯入深度、扭矩、扭矩速率和扭转角度，自动换算待测标志点的最大力矩；再结合待测标志点的圆柱状剪损面的参数，进而换算得到土体不排水的抗剪强度。

可选地，所述圆柱状剪损面的参数包括所述十字板叶片的高度和直径。

可选地，所述抗剪强度通过如下公式求得：

C_U＝2T/{πD²(H+D/3)}

式中，T为剪切扭矩，且T＝T₁+T₂+T₃；

T₁为圆柱体侧面的抗扭矩，且T₁＝πDH·D/2·C_V；

T₂为圆柱体底面的抗扭矩，且T₂＝πD²/4·D/3·C_H；

T₃为圆柱体顶面的抗扭矩，且T₃＝T₂；

D为所述十字板叶片的直径；H为所述十字板叶片的高度；

C_V为所述十字板叶片侧面的抗剪强度，C_H为所述十字板叶片顶面或底面的抗剪强度，且C_V＝C_H。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：伸缩驱动机构与十字板剪切机构滑动连接，伸缩驱动机构能够驱动十字板剪切机构沿垂直于岩层待侧面的方向移动，以使十字板剪切机构进行钻进测试。替换了传统人力手摇转杆的钻进测量方式，降低了人工手动操作造成的误差影响，测量效率和精度更高。

水平调节机构能够驱动伸缩驱动机构沿水平调节机构的轴线方向移动，竖直调节机构能够驱动水平调节机构沿竖直调节机构的轴线方向移动。通过水平调节机构和竖直调节机构的配合调节，十字板剪切机构能够在平行于岩层待侧面的平面内进行移动，最终使十字板叶片对准待测标志点。十字板剪切装置的调节范围大，操作简单，对多点位待测标志点进行测量时的适应性更强。

附图说明

图1为本发明的十字板剪切装置的结构示意图；

图2为本发明的十字板剪切机构的结构示意图；

图3为本发明的伸缩驱动机构的结构示意图；

图4为本发明的定位调节机构的结构示意图；

图5为本发明的十字板叶片的受力示意图；

图6为本发明的十字板叶片侧面的受力示意图；

图7为本发明的十字板叶片顶面或底面的受力示意图。

【附图标记说明】

A：十字板剪切机构；A1：壳体；A2：显示屏；B：伸缩驱动机构；X：定位调节机构；

1：十字板叶片；2：转接头；3：压力传感器；4：轴承座；5：扭矩传感器；6：弹性联轴器；7：安装座；8：减速机；9：叶片驱动器；10：安装底座；11：滑板；12：第二手轮；13：位移传感器；14：滑动支架；15：第一手轮；16：第一调节杆；17：支撑平台；18：万向轮；19：第二调节杆；20：支托；21：基板；22：伸缩驱动器；23：推力轴承；24：连接轴。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明提供一种十字板剪切装置，十字板剪切装置包括十字板剪切机构A、伸缩驱动机构B和定位调节机构X。十字板剪切机构A的转轴连接有十字板叶片1；伸缩驱动机构B与十字板剪切机构A滑动连接，以驱动十字板剪切机构A沿垂直于岩层待侧面的方向移动；定位调节机构X包括水平调节机构和竖直调节机构；水平调节机构的一端安装伸缩驱动机构B，另一端与竖直调节机构滑动连接；其中，水平调节机构能够驱动伸缩驱动机构B沿水平调节机构的轴线方向移动；竖直调节机构能够驱动水平调节机构沿竖直调节机构的轴线方向移动。

伸缩驱动机构B与十字板剪切机构A滑动连接，伸缩驱动机构B能够驱动十字板剪切机构A沿垂直于岩层待侧面的方向移动，以使十字板剪切机构A进行钻进测试。替换了传统人力手摇转杆的钻进测量方式，降低了人工手动操作造成的误差影响，测量效率和精度更高。

水平调节机构能够驱动伸缩驱动机构B沿水平调节机构的轴线方向移动，竖直调节机构能够驱动水平调节机构沿竖直调节机构的轴线方向移动。通过水平调节机构和竖直调节机构的配合调节，十字板剪切机构A能够在平行于岩层待侧面的平面内进行移动，最终使十字板叶片1对准待测标志点。十字板剪切装置的调节范围大，操作简单，对多点位待测标志点进行测量时的适应性更强。

当前针对隧道喷射混凝土早期强度检测尚未有合适的方法，而现有的混凝土强度(非早期强度)检测方法主要分为无损检测方法和有损检测方法两种。其中，无损检测方法包括回弹法、超声波检测法、地质雷达检测法等，虽然无损检测方法不会对混凝土构件造成损伤，但是其检测出来的数据也仅仅是间接数据，需要经过换算才能够得到混凝土强度，其中的误差较大。有损检测方法包括钻芯取样法、拔出法等，都会对混凝土结构件产生破坏，其中钻芯取样法是将取样试验室送检的方式进行检测，相比无损检测方法，有损检测方法能够直观地得到混凝土的强度数值，其检测结果相对会更加准确，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，而对初喷混凝土通过十字板测试抗剪强度的获取是进行下一步分析、计算及安全施工的基础，所以初喷混凝土抗剪强度现场(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。

十字板剪切法广泛用于测定饱和软粘性土抗剪强度，是求算地基地基承载力、围堤稳定、软粘土的灵敏度及固结历史等地基力学参数不可缺少的原位测试手段，而在试验室内获取混凝土试样强度/岩体强度的物理方法无非是压裂、扭转或剪切试验，实际上软粘性土抗剪强度试验从理论上同样适用于混凝土早期强度的检测，本发明是在工程现场将十字板叶片1压入早期未凝固混凝土中，以均匀的速度转动，测得十字板叶片1转动时所需的力矩，直至土体破坏，通过测量系统以及集成算法公式，从而直接显示出土的抗剪强度。

本发明的十字板叶片1以轴线为中心线，绕轴线均匀设置有四片叶片，叶片为长方体形状。十字板叶片1在转动时可以视为一个圆柱形状的钻头，钻进后混凝土中会对应形成一圆柱状剪损面，钻进过程中混凝土土层会阻碍十字板叶片1转动，进而通过相关传感器测得的参数和十字板叶片1的尺寸等参数，就能够测得混凝土的抗剪强度，并以剪切强度(抗剪强度)表征混凝土的抗压强度，为隧道施工工程优化设计和高效安全施工提供了重要参数依据和理论支撑。当然，十字板叶片1的形状、相邻叶片的夹角和叶片数量可按实际检测需求进行设置。

如图2所示，十字板剪切机构A包括压力传感器3、安装座7、扭矩传感器5和叶片驱动器9；安装座7安装于伸缩驱动机构B上；叶片驱动器9安装于安装座7上；叶片驱动器9的转轴与十字板叶片1连接；压力传感器3套设在叶片驱动器9的转轴上；扭矩传感器5设置于安装座7上，并与叶片驱动器9的转轴键连接。其中，压力传感器3选用中空测力传感器，用于测量钻进过程中岩层对十字板叶片1的贯入阻力，贯入阻力即沿十字板叶片1轴向的反推力。扭矩传感器5选用扭矩转速复合传感器，也可单独用扭矩传感器和转速传感器分别检测，扭矩传感器5用于测量十字板叶片1的剪切扭矩和转速。扭矩传感器5可以是非接触式扭矩传感器，非接触式扭矩传感器的输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上有花键，输出轴上有键槽。当扭杆受转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。

本实施例中，十字板剪切机构A还设置有减速机8和轴承座4；减速机8安装于伸缩驱动机构B上，叶片驱动器9的转轴和十字板叶片1的转轴一一对应地与减速机8的两端连接，以精确调节叶片驱动器9的转速。轴承座4安装于伸缩驱动机构B上，以对十字板叶片1的转轴进行支撑，增强钻进的稳定性，进而增强测量精度。压力传感器3可以直接固定套设在十字板叶片1的转轴上，也可以固定安装在轴承座4的侧面(朝向十字板叶片1)或内部，只要压力传感器3能够测得十字板叶片1所受的贯入阻力即可。

另外，如图1所示，十字板剪切机构A还设置有壳体A1和显示屏A2；壳体A1设置于水平调节机构上，压力传感器3、安装座7、扭矩传感器5、叶片驱动器9、减速机8和轴承座4均内置于壳体A1，壳体A1能够起到防尘、防撞等作用，能够有效地保护十字板剪切机构A的内部结构。显示屏A2设置于壳体A1上，显示屏A2能够输入测量指令并记录相关测量参数，实现十字板剪切装置的自动钻进测量，大大提高了测量效率。

在一种实施方式中，参见图3，十字板剪切机构A还包括连接轴24、转接头2和推力轴承23；连接轴24的一端与十字板叶片1固定连接，另一端与转接头2可拆卸连接，便于对不同尺寸的十字板叶片1进行更换，提高十字板剪切装置对不同测试需求的适应性；十字板叶片1和连接轴24可以焊接成型，也可以是一体化成型；转接头2的另一端与叶片驱动器9的转轴通过键槽滑动连接，转接头2能够起到连接两根不同直径转轴的作用；推力轴承23套设于叶片驱动器9的转轴上，并设置于转接头2和压力传感器3之间。具体地，转接头2的内部开设有一内腔，叶片驱动器9的转轴能够在内腔内做轴线方向上的移动；转接头2的内壁设置有键，叶片驱动器9的转轴对应开设有槽，且键能够沿叶片驱动器9转轴的轴向在槽内移动。转接头2与叶片驱动器9的转轴通过键槽配合，键槽配合既能够传递扭矩，也能够使转接头2沿叶片驱动器9转轴的轴向移动，使十字板叶片1受岩层的贯入阻力时，转接头2能够挤压推力轴承23和压力传感器3，进而测得贯入阻力的大小。另外，推力轴承23能够承受径向和轴向上的多方向作用力，通过推力轴承23来挤压压力传感器3，压力传感器3与推力轴承23的接触面更大，压力传感器3的受力更均匀，测量精度更高，且能够避免压力传感器3因应力集中的问题而损坏，延长了压力传感器3的使用寿命。

在另一种实施方式中，十字板剪切机构A还包括连接轴24、转接头2、弹性联轴器6和推力轴承23；连接轴24的一端与十字板叶片1固定连接，另一端与转接头2可拆卸连接；转接头2的另一端与叶片驱动器9的转轴的连接；推力轴承23套设于叶片驱动器9的转轴上，并设置于转接头2和压力传感器3之间；叶片驱动器9的转轴上设置有弹性联轴器6，以使十字板叶片1能够沿叶片驱动器9的转轴的轴线方向移动。相较于上一实施方式，本实施方式中转接头2和叶片驱动器9的转轴并未通过键槽滑动连接，而是固定连接，如通过螺栓连接。但设置有能够进行轴向移动的弹性联轴器6，本实施方式中弹性联轴器6选用梅花联轴器，梅花联轴器包括梅花弹性体和两个金属爪盘，梅花弹性体设置于两个金属爪盘之间。在使用时，弹性联轴器6包括第一极限状态和第二极限状态，第一极限状态即未进行钻进测试时的状态，此时弹性联轴器6因弹簧的弹力作用，弹性联轴器6两侧的金属爪盘未与梅花弹性体抵接(或部分抵接)，基于传动的稳定性考虑，进一步地，此时两侧金属爪盘已经接触，即在轴线方向上已经有重叠的部分，这种状态下，叶片驱动器9仍旧能够带动十字板叶片1转动；第二极限状态即进行钻进测试时的状态，此时弹性联轴器6的弹簧受压，两侧金属爪盘完全与梅花弹性体抵接。通过设置弹性联轴器6，就可以实现叶片驱动器9转轴在轴线方向上的运动，进而使压力传感器3受压，以对贯入阻力进行测量。

具体地，压力传感器3可以固定套设在叶片驱动器9的转轴上，并位于轴承座4的一侧，当进行钻进测试时，十字板叶片1受压，进而压力传感器3能够与轴承座4的侧面抵接，从而测得贯入阻力。也可以将压力传感器3设置于轴承座4内，对应在轴承座4设置滑槽，压力传感器3套设在叶片驱动器9的转轴上，并能够在滑槽内滑动，基于弹性联轴器6位于第一极限状态和第二极限状态时压力传感器3的位置需求，对应设置滑槽的限位尺寸，最终同样能够实现压力传感器3对贯入阻力的测量。

参见图4，伸缩驱动机构B包括伸缩驱动器22、滑板11和基板21；基板21安装于水平调节机构上；滑板11与基板21滑动连接，十字板剪切机构A设置于滑板11上；伸缩驱动器22安装于基板21上，并与滑板11连接，以驱动滑板11沿垂直于岩层待侧面的方向移动。为进一步增强连接的稳定性，本实施例中，基板21的底面设置有支托20，支托20与水平调节机构滑动连接；滑板11与安装座7之间通过安装底座10连接。具体地，伸缩驱动器22和叶片驱动器9优选伺服电机，保证对十字板叶片1的调节精度。通过伸缩驱动器22即可驱动滑板11沿叶片驱动器9的转轴轴向移动，并通过设置位移传感器13或光栅管控滑板11的移动距离，进而使十字板叶片1进行钻进测量。

优选地，滑板11和基板21可选用滚珠丝杆线性模组，滚珠丝杆线性模组包括丝杆、滚珠和连接块；丝杆与连接块螺纹连接，连接块可视为一螺帽，连接块的一侧与基板21抵接，另一侧与安装底座10连接；连接块内置有多个滚珠，滚珠位于丝杆与连接块的连接螺纹处。滚珠丝杆线性模组驱动时具有很小的摩擦阻力，同时兼具高精度、可逆性和高效率等特点，能够进一步保证十字板剪切装置的调节精度。

进一步地，水平调节机构包括第一调节杆16、滑动支架14和第一手轮15；第一调节杆16的一端与伸缩驱动机构B连接，另一端与第一手轮15连接；第一调节杆16上套设有滑动支架14；竖直调节机构包括第二调节杆19、支撑平台17和第二手轮12；第二调节杆19的一端与支撑平台17连接，另一端与第二手轮12连接；第二调节杆19上套设有滑动支架14。本实施例中，水平调节机构和竖直调节机构同样选用滚珠丝杆线性模组，以竖直调节机构为例进行说明。第二调节杆19内置有调节丝杆和调节连接块，调节丝杆的一端与第二手轮12固定连接，另一端与支撑平台17通过轴承转动连接；螺纹连接处设置有多个滚珠；第二调节杆19在沿竖直方向上开设有一限位槽，调节连接块对应设置有一凸起的卡块，卡块能够在限位槽内做竖直方向上的升降运动，从而能够限制调节连接块的转动，使滑动支架14做竖直方向上的升降运动。进一步地，将卡块与滑动支架14连接，进而能够带动滑动支架14做竖直方向上的升降运动，实现对十字板剪切机构A升降高度的调节。

其次，在支撑平台17的底端还可以均匀设置有多个万向轮18，万向轮18具有脚踏式的自锁功能，以方便十字板剪切装置的移动和锁死。对于地面凹凸不平，或测量需求超出十字板剪切装置调节范围的情况，可以将十字板剪切机构A与水平调节机构可拆卸连接，即可以拆下十字板剪切机构A进行手动测量，提高十字板剪切装置测量的灵活性。另外，本发明的支撑平台17的具体形状可按实际需求进行设置，本发明并不只局限于对竖直混凝土面进行测量，像隧道顶板、底板等都能够进行测量，对应设置支撑平台17的具体结构即可。

此外，本发明还提供一种十字板剪切装置的检测方法，十字板剪切装置的检测方法基于如上所述的十字板剪切装置实施，检测方法包括：

S1、移动十字板剪切装置至混凝土的测试位置，使十字板叶片1大致对准混凝土的待测标志点，固定十字板剪切装置；本实施例通过万向轮18进行固定；

S2、转动第一手轮15调节十字板叶片1的水平位置，转动第二手轮12调节十字板叶片1的竖直位置，使十字板叶片1的中心对准混凝土的待测标志点；

S3、操作显示屏A2进行“调零”操作，保证数据的准确性；设定十字板剪切机构A的剪切参数后，启动十字板剪切机构A和伸缩驱动机构B对混凝土的多个待测标志点进行剪切测试，显示屏A2上自动生成十字板叶片1的剪切扭矩与混凝土的抗剪强度的模型曲线图。人工输入指令时可能造成十字板剪切装置移动，影响十字板叶片1的定位精度，可额外设置远程操控设备进行远程操控，降低人工造成的误差影响。

其次，步骤S3中，十字板剪切机构A根据测得的贯入阻力、贯入深度、扭矩、扭矩速率和扭转角度，自动换算待测标志点的最大力矩；再结合待测标志点的圆柱状剪损面的参数，进而换算得到土体不排水的抗剪强度。其中，贯入阻力通过压力传感器3测得，依据贯入阻力的大小，初步判断检测对象强度的大小；扭矩转速复合传感器获取扭矩、扭矩速率和扭转角度；位移传感器13监测贯入深度。将上述参数代入计算公式及数学模型内，显示屏A2自动换算出混凝土的强度参数；控制每次检测条件一致性，对多个待测标志点进行剪切测试。

数学模型是通过十字板剪切原理计算所得与剪切参数有关的数学公式，并通过十字板叶片1的贯入速度、贯入阻力等参数对异常值进行检测排除，作为专家系统修正输出强度结果，集成建立检测系统，检测值可靠。

另外，圆柱状剪损面的参数包括十字板叶片1的高度和直径。十字板叶片1的高度和直径在对十字板叶片1进行选型时就已经确定了，根据测量需求选择合适尺寸型号的十字板叶片1，并将十字板叶片1的高度和直径参数输入显示屏A2。

参见图5至图7，根据能量守恒定律，抗剪强度通过如下公式求得：

C_U＝2T/{πD²H+D/3}

式中，T为剪切扭矩，且T＝T₁+T₂+T₃；

T₁为圆柱体侧面的抗扭矩，且T₁＝πDH·D/2·C_V；

T₂为圆柱体底面的抗扭矩，且T₂＝πD²/4·D/3·C_H；

T₃为圆柱体顶面的抗扭矩，且T₃＝T₂；

D为十字板叶片1的直径；H为十字板叶片1的高度；

C_V为十字板叶片1侧面的抗剪强度，C_H为十字板叶片1顶面或底面的抗剪强度，且C_V＝C_H。

本发明的十字板剪切装置的检测方法，操作简易，且具有数据化、信息化特征，经自动计算获得并实时显示混凝土强度。能够自动控制十字板叶片1贯入、剪切，且对剪切参数的实时连续智能监测，避免人为主观因素的影响，因而测试结果更为可靠，确保了测试结果的准确性；本发明采用的十字板剪切方式对初喷混凝土早期强度检测，是对十字板土工仪器的新的拓展开发，为混凝土早强检测难题提供了一种新的技术及设备。

本发明通过定位调节机构X对十字板叶片1的位置进行调整，使得十字板叶片1对准待测标志点；十字板剪切机构A使十字板叶片1绕其轴线转动，并通过伸缩驱动机构B推进十字板叶片1钻进，实现对早期混凝土抗剪强度的高效测量。其次，各传感器设置于壳体A1内，并不需要像现有技术一样随十字板叶片1同步钻进，方便电缆的布置，也能够有效地保护各传感器，延长使用寿命。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种十字板剪切装置，其特征在于，所述十字板剪切装置包括：

十字板剪切机构(A)，所述十字板剪切机构(A)的转轴连接有十字板叶片(1)；

伸缩驱动机构(B)，所述伸缩驱动机构(B)与所述十字板剪切机构(A)滑动连接，以驱动所述十字板剪切机构(A)沿垂直于岩层待侧面的方向移动；

定位调节机构(X)，所述定位调节机构(X)包括水平调节机构和竖直调节机构；所述水平调节机构的一端安装所述伸缩驱动机构(B)，另一端与所述竖直调节机构滑动连接；

其中，所述水平调节机构能够驱动所述伸缩驱动机构(B)沿所述水平调节机构的轴线方向移动；所述竖直调节机构能够驱动所述水平调节机构沿所述竖直调节机构的轴线方向移动。

2.根据权利要求1所述的十字板剪切装置，其特征在于，

所述十字板剪切机构(A)包括压力传感器(3)、安装座(7)、扭矩传感器(5)和叶片驱动器(9)；

所述安装座(7)安装于所述伸缩驱动机构(B)上；所述叶片驱动器(9)安装于所述安装座(7)上；

所述叶片驱动器(9)的转轴与所述十字板叶片(1)连接；

所述压力传感器(3)套设在所述叶片驱动器(9)的转轴上；

所述扭矩传感器(5)设置于所述安装座(7)上，并与所述叶片驱动器(9)的转轴键连接。

3.根据权利要求2所述的十字板剪切装置，其特征在于，

所述十字板剪切机构(A)还包括连接轴(24)、转接头(2)和推力轴承(23)；

所述连接轴(24)的一端与所述十字板叶片(1)固定连接，另一端与所述转接头(2)可拆卸连接；

所述转接头(2)的另一端与所述叶片驱动器(9)的转轴通过键槽滑动连接；

所述推力轴承(23)套设于所述叶片驱动器(9)的转轴上，并设置于所述转接头(2)和所述压力传感器(3)之间。

4.根据权利要求2所述的十字板剪切装置，其特征在于，

所述十字板剪切机构(A)还包括连接轴(24)、转接头(2)、弹性联轴器(6)和推力轴承(23)；

所述连接轴(24)的一端与所述十字板叶片(1)固定连接，另一端与所述转接头(2)可拆卸连接；

所述转接头(2)的另一端与所述叶片驱动器(9)的转轴的连接；

所述推力轴承(23)套设于所述叶片驱动器(9)的转轴上，并设置于所述转接头(2)和所述压力传感器(3)之间；

所述叶片驱动器(9)的转轴上设置有弹性联轴器(6)，以使所述十字板叶片(1)能够沿所述叶片驱动器(9)的转轴的轴线方向移动。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的十字板剪切装置，其特征在于，

所述伸缩驱动机构(B)包括伸缩驱动器(22)、滑板(11)和基板(21)；

所述基板(21)安装于所述水平调节机构上；

所述滑板(11)与所述基板(21)滑动连接，所述十字板剪切机构(A)设置于所述滑板(11)上；

所述伸缩驱动器(22)安装于所述基板(21)上，并与所述滑板(11)连接，以驱动所述滑板(11)沿垂直于岩层待侧面的方向移动。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的十字板剪切装置，其特征在于，

所述水平调节机构包括第一调节杆(16)、滑动支架(14)和第一手轮(15)；所述第一调节杆(16)的一端与所述伸缩驱动机构(B)连接，另一端与第一手轮(15)连接；所述第一调节杆(16)上套设有所述滑动支架(14)；

所述竖直调节机构包括第二调节杆(19)、支撑平台(17)和第二手轮(12)；所述第二调节杆(19)的一端与所述支撑平台(17)连接，另一端与第二手轮(12)连接；所述第二调节杆(19)上套设有所述滑动支架(14)。

7.一种十字板剪切装置的检测方法，所述十字板剪切装置的检测方法基于权利要求1-6中任意一项所述的十字板剪切装置实施，其特征在于，所述检测方法包括：

S1、移动所述十字板剪切装置至混凝土的测试位置，固定所述十字板剪切装置；

S2、通过所述水平调节机构调节所述十字板叶片(1)的水平位置，通过所述竖直调节机构调节所述十字板叶片(1)的竖直位置，使所述十字板叶片(1)的中心对准混凝土的待测标志点；

S3、设定所述十字板剪切机构(A)的剪切参数后，启动所述十字板剪切装置对混凝土的多个待测标志点进行剪切测试，所述十字板剪切装置自动生成所述十字板叶片(1)的剪切扭矩与混凝土的抗剪强度的模型曲线图。

8.根据权利要求7所述的十字板剪切装置的检测方法，其特征在于，

步骤S3中，所述十字板剪切机构(A)根据测得的贯入阻力、贯入深度、扭矩、扭矩速率和扭转角度，自动换算待测标志点的最大力矩；再结合待测标志点的圆柱状剪损面的参数，进而换算得到土体不排水的抗剪强度。

9.根据权利要求8所述的十字板剪切装置的检测方法，其特征在于，

所述圆柱状剪损面的参数包括所述十字板叶片(1)的高度和直径。

10.根据权利要求9所述的十字板剪切装置的检测方法，其特征在于，

所述抗剪强度通过如下公式求得：

C_U＝2T/{πD²(H+D/3)}

式中，T为剪切扭矩，且T＝T₁+T₂+T₃；

T₁为圆柱体侧面的抗扭矩，且T₁＝πDH·D/2·C_V；

T₂为圆柱体底面的抗扭矩，且T₂＝πD²/4·D/3·C_H；

T₃为圆柱体顶面的抗扭矩，且T₃＝T₂；

D为所述十字板叶片(1)的直径；H为所述十字板叶片(1)的高度；

C_V为所述十字板叶片(1)侧面的抗剪强度，C_H为所述十字板叶片(1)顶面或底面的抗剪强度，且C_V＝C_H。

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