专利名称：土体弹性参数表面快速测试方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明方法和装置涉及土体弹性力学参数的原位测量。适用于在隧道洞内或基坑 中裸露土层的表面上将土体弹性模量测出。
背景技术：
取得岩土体力学参数的方法一般分为室内试验和现场原位试验，室内试验一般是 将从现场取得的土样拿到试验室内，利用三轴仪、直剪仪等仪器测量土样的应力应变关系， 然后据此推算土体的各力学参数。由于岩土材料有很强的原位依赖性，将其取至室内，其 力学性质也将发生很大的变化，故室内试验的取得的参数不能完全准确的反映土体的宏观 结构、非均质性。而现场原位试验能更好的反映微观、宏观结构对土体性质的影响，常用的 现场原位试验有静力触探、动力触探、十字板剪切试验、旁压试验等。这些原位试验取得参 数的方法大都是建立在经验的基础上，都是经过广泛的应用，然后取得大量的测试数据和 经验公式，来进行土体参数的推算或者土体的分类。另外，从这些现场原位试验的操作方法 上来说，大部分都是从地面打孔至所测地层中进行测试的，所需工序较多，所用仪器都较昂 贵，整个试验的成本很高，速度很慢。对于隧道洞内或已开挖的基坑内的土体，尤其是注浆 后的土体，要想测试其力学参数，显然没有必要再从地面打孔测试了，直接在土体表面测试 是很好的方法，而原有的原位测试方法及仪器由于测试原理的限制而不能进行表面或水平 测试。
发明内容
本发明所要解决的是克服现有技术存在的问题，提供一种土体弹性参数表面快速 测试方法及装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种土体弹性参数表面快速测试装置，该快速测试装置的下固定杆前端与临土面 后端的下部焊接连接，固定刃刀焊接在临土面的前端，支架安放在下固定杆的下部，下固定 杆主要用来稳定整个装置，临土面程扁平状，其上有竖直、水平两道沟槽，临土面前端的固 定刃刀在测量时插入土体，使临土面前端贴紧土体，固定刃刀和支架配合使整个装置安放稳定。推力杆位于上固定杆的壳内，推力杆与上固定杆通过滚珠的滚动来减小摩擦，滚 珠位于推力杆和上固定杆间的滚珠固定圈内，滚动固定圈的后端焊接在上固定杆的后端。 推力杆为圆柱状，上面有四道沟槽，使滚珠在沟槽里滚动，推力杆后端由细变粗。上固定杆 为一圆柱壳体，壳体内部有四道沟槽，滚珠可以在沟槽里滚动。滚珠固定圈为一薄圆柱壳 体，其上有孔洞，滚珠安放在孔洞内，可以滚动但其位置不能移动。上固定杆焊接在下固定杆的两个支撑上。压土刃刀的后端与推力杆的前端焊接。推力杆可以将其尾端的推力传递给压土刃 刀，使得压土刃刀压入土体中，致使土体发生变形。
位移传感器安装在临土面中心一侧的水平槽内，水平槽的中心线与上固定杆的轴线垂直且在一个平面内。位移传感器用来测量土体表面的变形。压力传感器安装在推力杆后端的中心孔内。压力传感器用来测量所用的推力值。所述的位移传感器采用六只，等间距安装在临土面中心一侧的水平槽内。使用上述装置的一种土体弹性参数表面快速测试方法，该方法的具体测试步骤步骤一，在隧道掌子面或基坑侧壁上选定需测量弹性模量的土体，将其表面整理 平整；步骤二，将固定刃刀推入隧道掌子面或基坑侧壁选定的土体，然后再用支架将下 固定杆支撑起来，使整个装置保持水平；步骤三，向推力杆施加荷载，使得压土刃刀压入土中，致使土体发生变形；步骤四，记录位移传感器的数据和压力传感器的数据P ；步骤五，选定位移数值有显著差异的两个位移传感器的数据Ui、Up按下式计算弹 性模量E:E =
^ψ, -Uj ) j式中1为压土刃刀的竖直长度、μ为土体的泊松比，i、j为位移数值有显著差异 的两个位移传感器的编号的数。本发明的有益效果是本发明方法操作简单，能够快速有效的测出土体的弹性模 量，充分利用了隧道掌子面或基坑侧壁，避免了打孔钻进等繁琐的工序，降低了隧道和基坑 施工中进行原位测试的时间和成本。本发明的装置能够完全配合土体表面水平原位测试方 法的应用，该装置设计目的明确，附属设备少，容易操作，能够快速、准确测出土体的弹性模量。
图1是土体弹性参数表面快速测试装置工作时压土刃刀伸出立体结构示意图。图2是土体弹性参数表面快速测试装置后视立体图。图3是土体弹性参数表面快速测试装置俯视图。图4是图3的A-A剖面图。图5是装置前端放大立体图。图6是装置上部的内部结构立体图。图7是压土刃刀立体图。图8是图7的侧视图。图9是图7的后视图。图10是图7的俯视图。图11是图8的E-E剖面图。图12是图8的F-F剖面图。图13是图3的B-B剖面图。图14是图3的C-C剖面图。
图15是图4的D-D剖面图。图16是本发明方法在隧道内实施时的示意图。图17是本发明方法弹性力学理论原理图。图中1.隧道掌子面，2.本发明装置，3.临土面，4.固定刃刀，5.压土刃刀，6.推 力杆，7.上固定杆，8.下固定杆，9.滚珠，10.支架，11.位移传感器，12.压力传感器，13.滚
珠固定圈。
具体实施例方式结合附图(图1 15)对本明的一种土体弹性参数表面快速测试装置作进一步说明。一种土体弹性参数表面快速测试装置，如附图1所示，下固定杆8前端与临土面3 后端的下部焊接连接，如附图2所示，固定刃刀4焊接在临土面3的前端，支架10安放在下 固定杆8的下部，下固定杆8主要用来稳定整个装置2，临土面3程扁平状，其上有竖直、水 平两道沟槽，临土面3前端的固定刃刀4在测量时插入土体，使临土面3前端贴紧土体，固 定刃刀4和支架10配合使整个装置2安放稳定。下固定杆8和临土面相接处为渐变椭圆，如图2、13。如附图4、6、14、15所示，推力杆6位于上固定杆7的壳内，推力杆6与上固定杆7 通过滚珠9的滚动来减小摩擦，滚珠9位于推力杆6和上固定杆7间的滚珠固定圈13内， 滚珠固定圈13的后端焊接在上固定杆7的后端。推力杆6为圆柱状，上面有四道沟槽，使 滚珠9在沟槽里滚动，推力杆6后端由细变粗。上固定杆7为一圆柱壳体，壳体内部有四道 沟槽，滚珠9可以在沟槽里滚动。滚珠固定圈13为一薄圆柱壳体，其上有孔洞，滚珠9安放 在孔洞内，可以滚动但其位置不能移动。如附图1、2所示，上固定杆7焊接在下固定杆8的两个支撑上。压土刃刀5如附图5、7、8、9、10所示，其后端为圆截面渐变为椭圆截面，如图11、 12。如附图4、6、7所示，压土刃刀5的后端与推力杆6的前端焊接。推力杆6可以将 其尾端的推力传递给压土刃刀5，使得压土刃刀5压入隧道掌子面1 土体中，致使土体发生 变形。如附图1、5所示，位移传感器11选用六个，均安装在临土面3中心一侧的水平槽 内，水平槽的中心线与上固定杆7的轴线垂直且在一个平面内。位移传感器11用来测量土 体表面的变形。如附图2、4、6所示，压力传感器12安装在推力杆6后端的中心孔内。压力传感器 12用来测量所用的推力值如附图1、5所示，所述位移传感器11采用六只，等间距安装在临土面3中心一侧 的水平槽内。使用上述装置的一种土体弹性参数表面快速测试方法，如附图16、17，该方法的具 体测试步骤步骤一，在隧道掌子面或基坑侧壁上选定需测量弹性模量的土体，将其表面整理 平整；
步骤二，将固定刃刀4推入隧道掌子面或基坑侧壁选定的土体，然后再用支架10 将下固定杆8支撑起来，使整个装置保持水平；步骤三，向推力杆6施加荷载，使得压土刃刀5压入土中，致使土体发生变形；步骤四，记录位移传感器11的数据和压力传感器12的数据P ；步骤五，选定位移数值有显著差异的两个位移传感器11的数据Ui、Up按下式计算 弹性模量E <formula>formula see original document page 6</formula>式中1为压土刃刀的竖直长度、μ为土体的泊松比，其值一般为0.3左右，变化范 围不大，可根据类似土体的数据做经验估计，i、j为位移数值有显著差异的两个位移传感器 的编号的数，例如，i为第一个位移传感器，则i = 1，j为第六个位移传感器，则j = 6,ui, uj分别为第i个位移传感器和第j个位移传感器位移值。
权利要求
一种土体弹性参数表面快速测试装置，其特征在于下固定杆(8)前端与临土面(3)后端的下部焊接连接，固定刃刀(4)焊接在临土面(3)的前端；推力杆(6)位于上固定杆(7)的壳内，推力杆(6)与上固定杆(7)通过滚珠(9)的滚动来减小摩擦，滚珠(9)位于推力杆(6)和上固定杆(7)间的滚珠固定圈(13)内，滚珠固定圈(13)的后端焊接在上固定杆(7)的后端；上固定杆(7)焊接在下固定杆(8)的两个支撑上；压土刃刀(5)的后端与推力杆(6)的前端焊接；位移传感器(11)安装在临土面(3)中心一侧的水平槽内，水平槽的中心线与上固定杆(7)的轴线垂直且在一个平面内；压力传感器(12)安装在推力杆(6)后端的中心孔内。
2.根据权利要求1所述的一种土体弹性参数表面快速测试装置，其特征在于位移传 感器(11)采用六只，等间距安装在临土面⑶中心一侧的水平槽内。
3.使用权利要求1所述装置的一种土体弹性参数表面快速测试方法，该方法的具体测 试步骤步骤一，在隧道掌子面或基坑侧壁上选定需测量弹性模量的土体，将其表面整理平整；步骤二，将固定刃刀(4)推入隧道掌子面或基坑侧壁选定的土体，然后再用支架(10) 将下固定杆(8)支撑起来，使整个仪器保持水平；步骤三，向推力杆(6)施加荷载，使得压土刃刀(5)压入土中，致使土体发生变形； 步骤四，记录位移传感器(11)的数据和压力传感器(12)的数据P; 步骤五，选定位移数值有显著差异的两个位移传感器(11)的数据Ui、iv按下式计算弹 性模量E:<formula>formula see original document page 2</formula>式中1为压土刃刀的竖直长度、μ为土体的泊松比，i、j为位移数值有显著差异的两 个位移传感器的编号的数。
全文摘要
一种土体弹性参数表面快速测试装置，其能够利用隧道掌子面或基坑侧壁，避免打孔钻进等繁琐工序，直接将土体弹性模量快速测出。该装置的临土面(3)前后分别连接固定刃刀(4)和下固定杆(8)。滚珠固定圈(13)固定在上固定杆(7)的后端，并携滚珠(9)和推力杆(6)置于上固定杆内。上固定杆焊接在下固定杆上。压土刃刀(5)的后端与推力杆的前端焊接。位移传感器(11)安装在临土面的水平槽内。压力传感器(12)安装在推力杆后端。该测试方法是在隧道掌子面上选定测量弹性模量的土体。将固定刃刀推入土体，用支架(10)将装置水平支撑。将压土刃刀压入土中，记录压力传感器的数据P和两个位移传感器的数据ui、uj，计算弹性模量
文档编号G01N3/42GK101813591SQ20101003388
公开日2010年8月25日 申请日期2010年1月11日 优先权日2010年1月11日
发明者吕奇峰, 黄明利 申请人:北京交通大学