专利名称：拉拔式土层剪切强度测试器及其测试方法
技术领域：
本发明涉及一种现场测试土层抗剪强度的仪器设备，具体地说是一种拉拔式土层剪切强度测试器及其测试方法。
背景技术：
目前，能在现场测试原状土层剪切强度的仪器只有十字板剪切试验土工仪器。该仪器只能做软粘土土层的剪切强度试验 ，对于做粘性或砂性土层的剪切强度指标，只能切取原状土试样或备制扰动土试样，到实验室室内由直接剪切试验或三轴剪切试验得出，所以若要求现场做出粘性或砂性土层的剪切强度指标，并快速对土层作出工程评价就不能满足需求。
发明内容
针对现有测试原状土层剪切强度试验仪器的不足，本发明提出一种能在现场完成粘性或砂性土层剪切强度试验的拉拔式土层剪切强度测试器及其测试方法。本发明解决技术问题采用如下技术方案本发明一种拉拔式土层剪切强度测试器的结构特点是由设置在底座上的底板、固定设置在底板上的两侧立柱以及位于所述立柱的顶部、并连接在两侧立柱之间的横梁构成的框架；在所述横梁上设置有手轮，竖向的螺杆经手轮贯穿横梁的中央导向孔与位于框架内的量力环的顶部相连接，在所述量力环的底部连接有竖向接杆，所述接杆贯穿底板的中央通孔，在所述接杆的底端设置用于和拉拔杆相连接的接头；在所述底板的后侧固定有机盒，机盒的侧面安置有显示器、温度传感器和电缆固定头；在所述量力环中支设有位移传感器，所述位移传感器的传感器支架固定于底板的顶面，手轮的转动通过螺杆带动所述量力环沿手轮的中心线方向移动；所述螺杆、量力环、接杆和位移传感器的中心线与所述手轮的中心线重合。所述拉拔式土层剪切强度测试器配套使用的拉拔杆，其结构特点是所述拉拔杆为一圆管，圆管的上段为外螺纹，下段管内沿径向设置有销轴，在所述销轴上套装有搅拌翼，搅拌翼上有锚块，锚块上栓有钢丝绳，钢丝绳从拉拔杆的顶部管口引出；所述的搅拌翼可以呈竖向容置在拉拔杆的管内腔中，在拉拔杆的两侧壁上开设有供所述搅拌翼转动并伸展在拉拔杆的管外的展翼口；拉动钢丝绳能使搅拌翼展开呈与所述拉拔杆的中心线呈90°夹角。所述拉拔杆的结构特点也在于所述搅拌翼为一字型，搅拌翼的中部为方形的搅拌翼座，搅拌翼座的中央为一销轴孔，两侧为搅拌翼叶片，所述锚块位于与销轴孔相垂直侧面的搅拌翼座上。利用所述测试器及所述拉拔杆进行土层剪切强度测试的方法按如下过程进行首先，在被测土层上放置底座，底座上安置钻机，在土层内钻出达设计深度的土层圆孔，清除土层圆孔内的渣土后，在土层圆孔内插入拉拔杆，并由钻机夹住拉拔杆的上段，开动钻机，边旋转拉拔杆，边拉动拴在拉拔杆搅拌翼上锚块上的钢丝绳来展开搅拌翼，待搅拌翼展开至与拉拔杆的中心线呈90°夹角状态后，提升拉拔杆扩孔2 IOcm的高度；接着，一边向拉拔杆杆管内注入凝固液，一边继续转动并下降拉拔杆2 IOcm的高度，将凝固液与被搅拌翼(41)扩孔打碎的土搅拌成混合体后停止转动，待混合体凝固与拉拔杆共同形成一“丄”形件后，卸下钻机，在底座上安置拉拔式土层剪切强度测试器，将测试器的接头与拉拔杆相连接，转动手轮使螺杆上移直至绷紧量力环后，将位移传感器读数归零，再次转动手轮上移螺杆，经量力环提升拉拔杆，直至土层剪切破坏而被拔动，测得被拔动土体的抵抗拉力，换算出土层的抗剪强度即可。本发明的拉拔式土层剪切强度测试器与拉拔杆基于以下工作原理拉拔杆的工作原理在不扰动原状土层的前提下，采用钻头在土层内钻出钻孔。在钻孔内插入拉拔杆达设定的深度，边旋转拉拔杆，边灌入凝固液，并展开拉拔杆内的搅拌
翼，进行扩孔、搅拌，并将展开的搅拌翼停留在混合体的底部。混合体凝固后为有一定面积的拉拔板，与拉拔杆一起构成“丄”形状，以能拉拔土层土体。拉拔式土层剪切强度测试器测试土层剪切强度的工作原理拉拔式土层剪切强度测试器安装在三脚座上，将其上的接头与拉拔杆连接后，转动手轮提升螺杆，通过量力环及接杆略拉紧置于土层内的拉拔杆，将抵于量力环上的位移传感器读数归零。继续转动手轮提升螺杆，拉拔拉拔杆，此时土体抵抗拉拔力F等于土体自重G与拉动土体边界面S上剪应力τ之和(即F = G+τ S)，继续拉拔拉拔杆，直至拉动土层的土体，测出位移传感器的最大读数值，与标定值比较，获得土层的不排水剪总强度。与已有技术相比，本发明有益效果体现在本发明测试器能现场做粘性或砂性原状土层剪切强度试验，准确性好、寿命长、结构简单、安装简便、实时显示数据、造价低。尤其适合用于测定出试坑底、边坡等土层的不排水剪总强度，以便如实反映出地层压力对原状土抗剪强度的影响，能够快速对土层作出工程评价。
图1Α、图IB和图IC分别为本发明拉拔式土层剪切强度测试器的正剖视、侧剖视和俯视结构示意图。图2Α、图2Β、图2C和图2D分别为本发明中拉拔杆的正剖视、左侧视、右侧视和俯
视结构示意图。图3Α、图3Β和图3C分别为本发明中搅拌翼的正视、侧视和俯视结构示意图。图4为本发明拉拔式土层剪切强度测试器工作示意图。图中标号I 土层、2被拔动土体、3混合体拉拔板、4底座；11拉拔式土层剪切强度测试器、12底板、13立柱、14横梁、15手轮、16螺杆、17量力环、18接杆、19接头，20位移传感器、21传感器支架、22机盒、23温度传感器、24电缆固定头；31拉拔杆、32展翼口、33销轴、34钢丝绳；41搅拌翼、42搅拌翼座、43搅拌翼叶片、44销轴孔、45锚块。
具体实施例方式参见图1Α、图IB和图1C，本实施例中拉拔式土层剪切强度测试器11为框架结构，固定设置在底座4上的底板12的左右两侧各有一个立柱13，两个立柱13的顶端有横梁14相连接。横梁14上有手轮15，竖向的螺杆16经手轮15穿过横梁14中间的导向孔，与框架内的量力环17顶部连接,量力环17的底部连接有竖向的接杆18,接杆18贯穿底板12及底座4中间的圆孔，接杆18的底端有与拉拔杆31连接的接头19。底板12的后侧固定有机盒22，机盒22的侧面安置有显示器、温度传感器23、电缆固定头24。量力环17内支设有位移传感器20，位移传感器的支架21固定于底板12的顶面，转动手轮15能使量力环17沿该测试器11的中心线方向移动。螺杆16、量力环17、接杆18、位移传感器20的中心线与该测试器11的中心线重合。参见图2A、图2B、图2C和图2D，本实施例中拉拔杆31为圆管形状，上、下端开口形成通道。拉拔杆的上段为外螺纹段，下段内壁上固定有横置的销轴33，销轴33上套装有搅拌翼41，搅拌翼41上有锚块45，锚块45上栓有钢丝绳34，钢丝绳34从拉拔杆31的上端开口中引出。搅拌翼41竖向容置在杆的空腔内，该空腔对应处的两侧杆壁上开有供搅拌翼41转出的展翼口 32。拉动锚块45上的钢丝绳34，能使搅拌翼41展开至与拉拔杆31中心线呈90°夹角。 参见图3A、图3B和图3C，本实施例中搅拌翼41为一字型，搅拌翼41的中间为方形的搅拌翼座42，搅拌翼座42的中间有一销轴孔44，两侧各有一个α角度的搅拌翼片43，锚块45位于与销轴孔44垂直侧面的搅拌翼座42上。测试方法如图4所示，首先在被测土层I上放置底座4，底座4上安置钻机，在土层I内钻出达设计深度的土层圆孔，清除土层圆孔内的渣土后，在土层圆孔内插入拉拔杆31，并由钻机夹住拉拔杆31的上段，开动钻机，边旋转拉拔杆31，边拉动拴在拉拔杆31搅拌翼41上锚块45上的钢丝绳34来展开搅拌翼41，待搅拌翼41展开至与拉拔杆(31)的中心线呈90°夹角状态后，提升拉拔杆31扩孔2 IOcm的高度；接着，一边向拉拔杆31杆管内注入凝固液，一边继续转动并下降拉拔杆312 IOcm的高度，将凝固液与被搅拌翼41扩孔打碎的土搅拌成混合体后停止转动，待混合体凝固与拉拔杆共同形成一“丄”形件后，卸下钻机，在底座4上安置拉拔式土层剪切强度测试器11，将测试器11的接头19与拉拔杆31相连接，转动手轮15使螺杆16上移直至绷紧量力环17后，将位移传感器20读数归零，再次转动手轮15上移螺杆16，经量力环17提升拉拔杆31，直至土层I剪切破坏而被拔动，测得被拔动土体2的抵抗拉力，换算出土层I的抗剪强度即可。土层I是需作工程评价的基坑土或边坡土等；被拔动土体2是被拔动后剪切破坏的土体；混合体拉拔板3的作用是形成承载板用于拔动被拔动土体2 ;底座4用于安置钻机或拉拔式土层剪切强度测试器11 ;在拉拔式土层剪切强度测试器11上，底板12用于固定立柱13、传感器支架21和机盒22 ;立柱13用于支撑横梁14 ;横梁14用于安置手轮15和螺杆16 ;手轮15用于提升螺杆16 ;螺杆16用于提升量力环17 ;量力环17用于测量拉拔力；接杆18是将量力环与拉拔杆31进行连接；接头19用于使接杆18与拉拔杆31之间进行连接；位移传感器20用于测出量力环17的变形；传感器支架21用于固定位移传感器20 ;机盒22用于安置显示器、电路板、温度传感器23和电缆固定头24 ;温度传感器23用于修正温度对量力环17变形的影响；电缆固定头24用于引出电缆；拉拔杆31用于拉拔出被测土体2 ;展翼口 32为拉拔杆31上展转出搅拌翼41的开口 ；销轴33用于固定搅拌翼41，使搅拌翼41围绕该销轴33转动展开；钢丝绳34用于打开搅拌翼41 ;搅拌翼41的作用是锚头部位扩孔，以及将压入的凝固液与土层土搅拌成混合体；搅拌翼座42用于 固定搅拌翼叶片43，并绕销轴33转动；销轴孔44用于滑动固定销轴33 ;锚块45用于栓住被钢丝绳34以便打开搅拌翼41。
权利要求
1.一种拉拔式土层剪切強度测试器，其特征在于由设置在底座(4)上的底板(12)、固定设置在底板(12)上的两侧立柱(13)以及位于所述立柱的顶部、并连接在两侧立柱(13)之间的横梁(14)构成的框架；在所述横梁(14)上设置有手轮(15)，竖向的螺杆(16)经手轮(15)贯穿横梁的中央导向孔与位于框架内的量カ环(17)的顶部相连接，在所述量カ环(17)的底部连接有竖向接杆(18)，所述接杆(18)贯穿底板(12)的中央通孔，在所述接杆(18)的底端设置用于和拉拔杆(31)相连接的接头(19);在所述底板(12)的后侧固定有机盒(22)，机盒(22)的侧面安置有显示器、温度传感器(23)和电缆固定头(24);在所述量カ环(17)中支设有位移传感器(20)，所述位移传感器(20)的传感器支架(21)固定于底板(12)的顶面，手轮(15)的转动通过螺杆(16)带动所述量カ环(17)沿手轮的中心线方向移动；所述螺杆(16)、量カ环(17)、接杆(18)和位移传感器(20)的中心线与所述手轮的中心线重合。
2.一种与权利要求I所述拉拔式土层剪切強度测试器配套使用的拉拔杆，其特征在于所述拉拔杆(31)为ー圆管，圆管的上段为外螺纹，下段管内沿径向设置有销轴(33)，在所述销轴(33)上套装有搅拌翼(41)，搅拌翼(41)上有锚块(45)，锚块(45)上栓有钢丝绳(34)，钢丝绳(34)从拉拔杆(31)的顶部管ロ引出；所述的搅拌翼(41)可以呈竖向容置在拉拔杆(31)的管内腔中，在拉拔杆(31)的两侧壁上开设有供所述搅拌翼(41)转动并伸展在拉拔杆(31)的管外的展翼ロ(32);拉动钢丝绳(34)能使搅拌翼(41)展开呈与所述拉拔杆(31)的中心线呈90°夹角。
3.根据权利要求2所述拉拔杆，其特征在干所述搅拌翼(41)为一字型，搅拌翼(41)的中部为方形的搅拌翼座(42)，搅拌翼座(42)的中央为ー销轴孔(44)，两侧为搅拌翼叶片(43)，所述锚块(45)位干与销轴孔(44)相垂直侧面的搅拌翼座(42)上。
4.利用权利要求I所述测试器及权利要求2所述拉拔杆进行土层剪切強度测试的方法，其特征在于 首先，在被测土层(I)上放置底座(4)，底座(4)上安置钻机，在土层(I)内钻出达设计深度的土层圆孔，清除土层圆孔内的渣土后，在土层圆孔内插入拉拔杆(31)，并由钻机夹住拉拔杆(31)的上段，开动钻机，边旋转拉拔杆(31)，边拉动拴在拉拔杆(31)搅拌翼(41)上锚块(45)上的钢丝绳(34)来展开搅拌翼(41)，待搅拌翼(41)展开至与拉拔杆(31)的中心线呈90°夹角状态后，提升拉拔杆(31)扩孔2 IOcm的高度；接着，ー边向拉拔杆(31)杆管内注入凝固液，一边继续转动并下降拉拔杆(31)2 IOcm的高度，将凝固液与被搅拌翼(41)扩孔打碎的土搅拌成混合体后停止转动，待混合体凝固与拉拔杆共同形成一“丄”形件后，卸下钻机，在底座(4)上安置拉拔式土层剪切強度测试器(11)，将测试器(11)的接头(19)与拉拔杆(31)相连接，转动手轮(15)使螺杆(16)上移直至绷紧量カ环(17)后，将位移传感器(20)读数归零，再次转动手轮(15)上移螺杆(16)，经量カ环(17)提升拉拔杆(31)，直至土层(I)剪切破坏而被拔动，测得被拔动土体(2)的抵抗拉力，換算出土层(I)的抗剪强度即可。
全文摘要
本发明公开了一种拉拔式土层剪切强度测试器及其测试方法，包括了底座、拉拔式土层剪切强度测试器、拉拔杆及位移传感器；其特征在于在土层的测点上放置底座与拉拔式土层剪切强度测试器，把该测试器的接杆接头与置入土层的拉拔杆连接后，转动测试器的手轮提升拉拔杆，直至土层剪切破坏，测得土层的抗剪强度。本发明适用于现场测定基坑、边坡等土层的不排水剪总强度，快速对土层作出工程评价。
文档编号G01N3/24GK102680329SQ20121014201
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者汪哲荪, 魏松 申请人:合肥工业大学