CN204924801U - 软黏土不排水抗剪强度的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，其包括静力触探机以及与该静力触探机连接的原位测试探头，其特征在于，该原位测试探头横截面为高度与宽度比值小于1的椭圆形。本实用新型的测试装置能够有效降低使用过程中探头表面粗糙度对测试结果的影响，继而有效提高测试结果的准确性与稳定性。

Description

软黏土不排水抗剪强度的测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，尤指一种具有原位测试探头的软黏土不排水抗剪强度测试装置。

背景技术

软黏土的不排水抗剪强度测试是岩土工程勘察中的一项重要工作。该指标可直接应用于地基承载力确定、桩基承载力估算、路堤临界高度确定、基坑支护设计等工作。该指标的测试方法主要有室内试验法和原位测试法两类。室内测试方法采用野外取样，室内对土样进行切削加工，制成一定规格的试样，再进行无侧限抗压强度试验、直剪试验或三轴压缩试验等。原位测试方法主要有十字板试验、静力触探试验和T型触探试验等。

室内试验过程中试样受力条件明确，但在取样和制样过程，对试样天然结构扰动大，试验结果离散度大，代表性差。十字板试验是目前最常用的原位直接测试方法，但测试效率低，只能得到沿深度各离散点的不排水抗剪强度，测点间距一般为1.0m。静力触探试验利用已有静力触探成果与十字板试验成果对比，建立不同土性、不同地区的经验关系，再根据此经验关系间接求得软黏土不排水抗剪强度。此经验关系中包含上覆土压力修正、与土性和地区相关的经验系数等内容。这些经验系数的取值都将影响测试结果的准确性，从而限制了静力触探试验求取软黏土不排水抗剪强度的应用。T型触探有严格的理论依据，测试效率高，能得到沿深度的连续不排水抗剪强度值。传统T型触探探头为圆柱形，测试结果受探头表面粗糙度的影响较大，对应于完全光滑和完全粗糙两种极限工况，测试结果差值与均值比达26％，系统误差较大。实际工程中，受加工以及现场磨损的影响，很难控制探头的粗糙度。

基于此，目前亟需一种减小探头粗糙度影响的新型触探探头。

实用新型内容

本实用新型的所解决的技术问题在于提供一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，该测试装置能够有效降低使用过程中探头粗糙度对测试结果的影响，继而有效提高测试结果的准确性与稳定性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，其包括静力触探机以及与该静力触探机连接的原位测试探头，其中，该原位测试探头横截面为高度与宽度的比值小于1的椭圆形。

现有市场中的同类测试探头的一般为圆柱形，即探头横截面的高度与宽度相等，两者的比值等于1。本实用新型将现有软黏土不排水抗剪强度测试装置中圆柱形探头替换为横截面高度与宽度的比值小于1的原位测试测试探头，由此有效降低使用过程中探头粗糙度对于测试结果的影响。

具体来说，经过实际测试分析，现有的圆柱形测试探头在完全光滑与完全粗糙两种工况下，阻力系数差值与阻力系数平均值之比约26％，然而采用本实用新型的软黏土不排水抗剪强度测试装置，阻力系数差值与阻力系数平均值之比能够有效降低，当原位测试探头横截面的高度与宽度的比值为0.5时，阻力系数差值与阻力系数平均值之比约为15％。

由此可见，采用本实用新型的测试装置，尤其是其中的原位测试探头，能够有效降低探头粗糙度对测试结果的影响，继而有效提高测试结果的准确性与稳定性。

而且，采用外轮廓为椭圆形的原位测试探头，能够灵活而自由地控制/调节其横截面高度与宽度的比值，便于操作人员根据实际情况自由调整参数。

此外，本实用新型对静力触探机与原位测试探头的具体连接方式提供两种具体改进，可以根据不同的工况或实际需求自由选择。

第一，本实用新型的静力触探机具有静力触探机探头，该原位测试探头上具有与该静力触探机探头相匹配的容置槽，使用时该静力触探机探头嵌入该容置槽内。

采用此种连接方式，只需要在原位测试探头上开设容置槽即可，无需增设其他装置或部件便可实现两者的连接，简单、方便，但完成一次测试后，探头留在土中，无法回收。

作为第一种连接方式的改进，该容置槽被设置于该原位测试探头的长度方向中心处。

具体来说，容置槽设置于原位测试探头长度方向中心处，使原位测试探头两端受力均匀，以进一步提升静力触探机探头的稳固性，使其在使用过程中不易发生偏斜。

作为第一种连接方式的另一种改进，该容置槽下方设置纳污槽。

本实用新型中容置槽下方设置纳污槽，以容纳在测试装置压入地下过程中，进入静力触探探头与原位测试探头间隙中的土，并可兼起到保护静力触探机探头尖部的作用。

第二，本实用新型的静力触探机具有静力触探探杆，该原位测试探头长度方向上设置接头，该接头侧壁具有螺丝扣，使用时该静力触探探杆与该接头螺接在一起。

采用此种连接方式，即静力触探探杆通过接头与原位测试探头螺接的方式，相较于第一种方式而言，第二种连接更加牢固，探头可以重复利用。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例中原位测试探头的主视图。

图2为本实用新型第一实施例中原位测试探头的侧视图。

图3为本实用新型第一实施例中原位测试探头的俯视图。

图4为本实用新型第一实施例中测试装置的使用状态图。

图5为本实用新型第二实施例中原位测试探头的主视图。

图6为本实用新型第二实施例中原位测试探头的侧视图。

图7为本实用新型第二实施例中原位测试探头的俯视图。

图8为本实用新型第二实施例中测试装置的使用状态图。

图9a与图9b为阻力系数随轴长比的变化曲线。

图10为完全粗糙和完全光滑两种工况条件下，阻力系数随轴长比的变化曲线。

图11为阻力系数差值曲线。

图12为本实用新型测试装置的工作示意图。

图13为阻力系数平均值随轴长比的变化图。

具体实施方式

本实用新型提供一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，包括静力触探机以及与该静力触探机连接的原位测试探头1，其中，该原位测试探头1横截面的高度b与宽度a的比值小于1，且该原位测试探头具有光滑表面。较佳地，该原位测试探头1的横截面采用椭圆形。

采用本实用新型的测试装置，能够有效降低探头粗糙度对测试结果的影响，继而有效提高测试结果的准确性与稳定性。

请参见图1至图4，在本实用新型第一实施例中，原位测试探头1的横截面为椭圆形。静力触探机具有静力触探机探头21，该原位测试探头1上具有与该静力触探机探头21相匹配的容置槽11，且该容置槽为圆锥形，继而进一步匹配静力触探机探头21的一般形状。使用时该静力触探机探头21嵌入该容置槽11内。当需要更换部件时，只需要将静力触探机探头21从容置槽11中取出即可，无需额外操作，简单、方便。

此外，本实施例中容置槽11设置于原位测试探头1的长度方向中心处，以此平衡原位测试探头1两端的受力，继而进一步提升静力触探机探头的稳固性，使其在使用过程中不易发生偏斜。同时。该容置槽11下方设置纳污槽111，用于容置在测试装置使用过程中，进入原位测试探头1与静力触探机探头21之间可能进入的土或其他杂物，以进一步保护静力触探机探头21。

再请参见图5至图8，本实用新型第二实施例与第一实施例的不同之处体现在静力触探机与原位测试探头1的具体连接方式上。

在第二实施例中，原位测试探头1长度方向上设置接头12，该接头12的侧壁上具有螺丝扣13，使用时静力触探机的静力触探探杆22与该接头12螺接并固定在一起。使用时，需要先将静力触探机探头21拧下，再将接头12的螺丝扣13与静力触探机探头21尖部连接，电缆线4与静力触探锥尖阻力传感器5连接即可。

以下结合具体数据，对本实用新型所产生的有益效果进行详细地说明。

测试时，将本实用新型的测试装置水平地压入地下，压入过程中，按一定的下行深度(一般为10cm)，通过双桥静力触探机实测并记录下推动本实用新型原位测试探头所需的力，记为探头阻力P。

对于软黏土，其不排水强度特性服从Tresca屈服条件。探头阻力P与软土不排水抗剪强度S_u、原位测试探头长度L、轴长比(原位测试探头横截面的高度b与宽度a的比值)以及表面的粗糙度α有关。根据土塑性力学滑移线场理论，求得椭圆柱形探头阻力P，有两种方法，一种是通过构造静力容许的应力场，求得阻力下限解P^-，一种是通过构造机动容许的位移速度场，求得上限解P⁺。

根据本研究结果，对于完全粗糙(α＝1)和完全光滑(α＝0)两种极限工况，阻力系数随轴长比的变化曲线见图9。

其中，阻力系数N上标+代表上限解，-代表下限解；下标C代表完全粗糙，S代表完全光滑。由图9a和图9b可知，由静力容许的应力场求得的下限解与机动容许的位移速度场求得的上限解重合，因此，通过该理论求得的探头阻力为精确解。

再请参见图10，将完全粗糙和完全光滑两种工况条件下，阻力系数随轴长比的变化绘制在同一张图中，进行比较发现，随着轴长比(b/a)的减小，两种工况阻力系数的差值逐渐减小。

另请参阅图11，即完全光滑与完全粗糙两种工况阻力系数差值与阻力系数平均值之比随轴长比的变化示意图。从图11中可以看出，对于圆柱形探头，差值与平均值之比约为26％。横截面为椭圆柱形的原位测试探头竖置下压，随着轴长比的增加，差值与平均值之比越来越大，系统误差增加。椭圆柱形探头平置下压，随着轴长比的减小，差值与平均值之比越来越小，系统误差减小。当轴长比b/a＝0.5时，差值与平均值之比约为15％。当b/a＝0时，即探头为一水平放置的无厚薄片时，差值为0，测试结果与探头表面的粗糙度无关，系统误差最小。但受材料强度和设备下压能力的限制，不可能达到b/a＝0，而是选择一个适宜b/a值(b/a＜1)，制作原位测试探头进行试验。

由此可见，经过实际测试，采用本实用新型的测试装置，能够有效降低探头粗糙度对测试结果的影响，继而有效提高测试结果的准确性与稳定性。

随后，探头阻力P、原位测试探头长度L、原位测试探头横截面的高度b与宽度a、软黏土地基不排水抗剪强度S_u，符合下述关系式：

$\frac{P}{\sqrt{2}\sqrt{a^2+b^2}{S}_{u}L}=N$

由此可以直接求得软黏土的不排水抗剪强度。借由此测试方法可得到软黏土地基不排水抗剪强度随深度的连续变化曲线，测试速度快。测试结果有严格的理论支持，不需要经验参数，不需要上覆土压力修正，测试结果较传统的圆柱形探头更可靠、更准确。

以下对本实用新型的测试装置的工作过程进行说明。

请参见图12。工作中，采用静力触探机施加下压荷载F，将原位测试探头1水平地压入地下。对于锥槽式(即原位测试探头1设置容置槽11的方式)，下压过程中，通过探头21测读探头锥尖阻值。该值为原位测试探头1所受地基土阻力除以探头21横截面积后的数值，单位为MPa。因此将探头读数乘以探头21的横截面积，即得原位测试探头1在下压过程中所受阻力P。对于丝扣式(即接头12的侧壁上设有螺丝扣13的方式)，压力传感器3读数可直接标定为阻力值P。

其中，探头阻力P、原位测试探头长度L、原位测试探头横截面的高度b与宽度a、软黏土地基不排水抗剪强度S_u，符合如下关系：

$\frac{P}{\sqrt{2}\sqrt{a^2+b^2}{S}_{u}L}=N$

上述关系式中，N为阻力系数，与轴长比b/a、探头表面粗糙度有关，实际应用中可根据探头轴长比b/a，取完全光滑与完全粗糙工况下的平均值，具体可参见图13。

由此，可得软黏土不排水抗剪强度S_u：

$S_u=\frac{P}{\sqrt{2}\sqrt{a^2+b^2}\stackrel{\‾}{N}L}$

而在商用双桥静力触探测试过程中，沿深度一般每10cm测一次读数，测试速度1.2m/min，由此，可以计算得到不排水抗剪强度S_u，绘制沿深度变化曲线。

Claims (5)

1.一种软黏土不排水抗剪强度测试装置，包括静力触探机以及与该静力触探机连接的原位测试探头（1），其特征在于，该原位测试探头（1）横截面为高度与宽度比值小于1的椭圆形。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，该静力触探机具有静力触探机探头（21），该原位测试探头（1）上具有与该静力触探机探头（21）相匹配的容置槽（11），使用时该静力触探机探头（21）嵌入该容置槽（11）内。

3.如权利要求2所述的测试装置，其特征在于，该容置槽（11）设置于该原位测试探头（1）的长度方向中心处。

4.如权利要求2或3所述的测试装置，其特征在于，该容置槽（11）下方设置纳污槽（111）。

5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，该静力触探机具有静力触探探杆（22），该原位测试探头（1）长度方向上设置接头（12），该接头（12）侧壁具有螺丝扣（13），使用时该静力触探探杆（22）与该接头（12）螺接在一起。