一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法，利用钻机开孔将试验装置下放到测试点，施加气压提供法应力使气囊膨胀带动剪切筒鼓胀，剪切筒外围的剪切刀会插入土体使土体固结，然后施加液压通过齿轮带动钢杆上提带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏，最后试根据库伦定律计算得到土体的剪切指标；试验方法包括钻孔、组装试验装置、下放设备、固结、剪切、数据处理，本发明还提供了一种原位土体孔内剪切试验装置，通过本发明的技术方案，可在自然应力状态下测定土体的强度指标，具有造价低，操作简单，试验时间短、适用性强的优点。
【专利说明】一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土的原位试验装置与试验方法，特别涉及一种土的原位孔内剪切 试验装置以及土的剪切强度的原位试验方法。
【背景技术】
[0002] 土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，包括粘聚力C和内摩擦角， 是土的重要力学性质之一，也是计算路堑、渠道、路堤、土坝等斜坡稳定性以及支挡建筑物 的土压力的重要参数。目前，土体的剪切强度的主要通过室内试验和原位试验来获取。室内 试验包括土的直接剪切试验、三轴剪切试验等，但由于室内试验尺寸局限性而导致代表性 差，以及经验准则的人为性，进而导致获得土体剪切强度指标离散性大，更重要的是土剪切 试验的室内试验方法普遍时间较长，例如黏性土的一组三轴剪切试验一般要一周左右。原 位试验可以在土体原来所处位置，基本保持的天然结构，天然含水量以及天然应力状态下， 测定土体的工程力学性质指标，可避免取样过程中应力释放的影响，获得试验结果更符合 实际情况，因此，岩土工程师们普遍认为原位试验是真实获取土体物理力学指标的试验方 法。目前土体的原位剪切试验主要有大型直剪试验和十字板剪切试验等，但大型直剪试验 具有试验昂贵，周期长，操作复杂等缺点，而十字板剪切试验仅能获得粘聚力C，无法获得内 摩擦角，并且无法用于含有砂层、砾石、贝壳等成分的软粘土，当有粉砂夹层者，其测定结 果往往偏大。为此，一些岩土工作者开发了不同的岩土体的原位剪切试验设备与方法，如国 外应用广泛的岩石钻孔剪切仪（RockBoreholeShearTest),这种设备具有操作简单，可 重复性较高的优点，但该设备仅适用于软?中等硬度岩体，对于剪切强度小于岩体数十倍 的土体并不适用，测试精度也大打折扣。针对土体的原位剪切强度试验，应用广泛的有原位 土体钻孔剪切仪，但这种试验设备仅能获得土体的粘聚力C和内摩擦角，￡法获得表征土 体强度特性的应力一应变关系曲线，并且加载剪应力的方法为人工摇动齿轮，这会导致当 测试土体强度较大时，需要施加较大的人为机械力，费时费力，适用性不强。为此，发明专利 土体原位剪切及静载荷试验仪（申请号：201310697634. 2)提供了一种原位剪切试验设备， 但该设备采用托杆支撑的摆块形成的圆盘来对土体剪切，这种机械式的控制方法无法保证 摆块均匀张开，进而对周围土体可能会存在局部剪切，无法获得可靠的试验数据，而且如果 遇到中、强风化残积土时，破碎岩块很可能卡住托杆，导致试验失败。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的缺点，本发明目的在于提供一种造价低，消耗少，操作简单， 试验时间短的土体剪切试验方法，更重要的是提供一种可以获取真实的土体的原位剪切试 验方法。本发明还提供一种原位土体孔内剪切试验装置，该设备具有构造简单，便于携带与 维护、适用性强等优点。
[0004] 本发明的技术方案是：一种原位土体孔内剪切试验装置，包括剪切筒、剪切刀、气 囊、钢杆、进气管、承重板、螺栓、压力室、数据线、剪力表、底座、支杆、扁平钢板、连接阀、千 分表、固定阀、输气管、压力表、气瓶、减压阀、调节阀、千斤顶、秒表、压力杆、油管、齿轮、螺 旋，所述的进气管连接气囊，气囊放入剪切筒内，带有螺旋的钢杆旋入剪切筒内，钢杆的上 部连接螺栓，钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，扁平钢板的另一端架设千 分表的下部支杆，进气管连接输气管，依次连接压力表、减压阀和气瓶，压力室放置在的承 重板上，压力室内放置齿轮，齿轮中心穿过钢杆，压力室的上部依次连接数据线与剪力表， 压力室的下部依次连接油管与千斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶旁放置秒表，将底座放 置在钻孔附件，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设千分表。
[0005] 在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述剪切筒的直径宜为88mm 的弹性较好的厚1mm的精钢制成，其外部的剪切刀与剪切筒的交角宜为45°。
[0006] 在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述剪切筒外部设置的剪切 刀宜为16个，相互剪切刀在剪切筒圆心处的交角为22. 5°。
[0007] 在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述承重板的横截面积需大 于钻孔横截面积的2倍。
[0008] 在上述的一种原位土体孔内剪切试验装置，优选地，上述螺栓的外径需大于压力 室外径。
[0009] 本发明提供的种原位土体孔内剪切试验装置，其具有优点和有益效果为：
[0010] ①构造简单，便于携带与维护。作为一种原位试验设备，该设备构造简单，不怕淋 雨，便于携带，不需要电源，更适用于野外试验。
[0011] ②适用性强。使用与各种场地，各种地质条件，尤其是对于钻机难于到大的地点， 还可以采用手扶钻机甚至人工手钻也可以进行试验。
[0012] ③压力提供稳定。相对于电机伺服和人为机械力提供法应力或剪应力，本装置为 气压提供法应力、液压提供剪应力，稳定的压力提供方式保证了试验数据的可靠性。
[0013] 本发明的原位土体孔内剪切试验方法的原理是，利用钻机开孔将原位土体孔内剪 切试验装置下放到测试点，通过施加气压提供法应力使气囊膨胀进而鼓胀剪切筒，剪切筒 外围的剪切刀会插入测试土体中，在一定的固结试验内土体被固结，然后利用千斤顶施加 液压通过齿轮带动钢杆上提，进而带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏。试验过程中， 剪力表记录剪应力，千分表记录土体剪切位移。对于试验结果分析，可利用试验结果根据库 伦定律T=C+0tan4)，计算得到土体的剪切指标粘聚力C与内摩擦角妒。
[0014] 为了实现上述目的，本发明的一种原位土体孔内剪切试验方法，包括以下步骤：
[0015] 1)钻孔。利用钻机，采用缓慢速率的干钻法将岩心管钻至测试深度，钻孔后整平钻 孔口的地面。
[0016] 2)组装试验装置。组装测试系统：在地面上，组装试验设备。将进气管连接气囊， 将气囊放入剪切筒内，将钢杆旋入剪切筒内；组装固结压力输出系统：将进气管连接输气 管，并依次连接压力表、减压阀和充满氮气的气瓶；组装剪切力输出系统：将压力室放置在 承重板上，在压力室的上部依次连接数据线与剪力表，在压力室的下部依次连接油管与千 斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶旁放置秒表；组装应变测试系统：将底座放置在钻孔附 近，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设千分表。
[0017] 3)下放设备。将钢杆上部依次穿过承重板与压力室，将钢杆及其连接的气囊、剪切 筒依次垂直放入钻孔内，使承重板中心对应钻孔中心；钢杆及其连接的气囊、剪切筒的放入 过程中用每隔lm用胶带或绑带绑紧钢杆和进气管；随着钢杆及其连接的气囊、剪切筒的放 入深度增大，可将多根钢杆依次连接以增加放入深度，并在钢杆的上部连接螺栓，螺栓的用 处是防止因钢杆重量过大将测试系统掉进钻孔底。按照以上方法下放原位土体孔内剪切试 验设备，直至到测试深度。
[0018] 4)固结。将钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，将扁平钢板的另一 端架设千分表，架设后对千分表调零；打开气瓶的开关，听到气体输入输气管的声音后调节 减压阀，利用调节阀将输出气压调至第一级测固结气压，固结气压施加后进行固结试验。
[0019] 5)剪切。固结过程结束后，下压压力杆，带动钢杆上提，进行土体剪切试验；土体 剪切过程中记录剪力表读数，随着施加剪应力，压力表的读数会增大，直至土体发生剪切破 坏，试验结束，若土体未发生剪切破坏，当剪应变达到15%时，也结束试验。在第一级固结压 力下的剪切试验结束后，对千斤顶卸压，使剪力表回零，然后重复上述固结过程与剪切过程 3次。其中，每增加一级固结压力增加lOOkPa。
[0020] 6)数据处理。以剪力表读数为剪应力，千分表读数为土体位移。土体剪应变e的 计算公式为：
【权利要求】
1. 一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：该原位土体孔内剪切试验装置包 括：剪切筒、剪切刀、气囊、钢杆、进气管、承重板、螺栓、压力室、数据线、剪力表、底座、支杆、 扁平钢板、连接阀、千分表、固定阀、输气管、压力表、气瓶、减压阀、调节阀、千斤顶、秒表、压 力杆、油管、齿轮、螺旋，所述的进气管连接气囊，气囊放入剪切筒内，带有螺旋的钢杆旋入 剪切筒内，钢杆的上部连接螺栓，钢杆的上部旋入固定阀，固定阀连接扁平钢板一端，扁平 钢板的另一端架设千分表的下部支杆，进气管连接输气管，依次连接压力表、减压阀和气 瓶，压力室放置在的承重板上，压力室内放置齿轮，齿轮中心穿过钢杆，压力室的上部依次 连接数据线与剪力表，压力室的下部依次连接油管与千斤顶，千斤顶上架设压力杆，千斤顶 旁放置秒表，将底座放置在钻孔附件，底座上连接支杆，支杆上连接连接阀，连接阀上架设 千分表。
2. 根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述的剪切 筒由Imm的精钢制成，所述剪切筒的直径为88mm，所述剪切刀与剪切筒的交角为45°。
3. 根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述剪切筒 外部设置的剪切刀为16个，相互剪切刀在剪切筒圆心处的交角为22. 5°。
4. 根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述承重板 的横截面积大于钻孔横截面积的2倍。
5. 根据权利要求1所述的一种原位土体孔内剪切试验装置，其特征在于：所述螺栓的 外径大于压力室外径。
6. -种原位土体孔内剪切的试验方法，其试验方法包括以下步骤： 1) 钻孔，利用钻机采用缓慢速率的干钻法将岩心管钻至测试深度，钻孔后整平钻孔口 的地面。 2) 组装试验装置，依次组装测试系统、固结压力输出系统、剪切力输出系统和应变测试 系统。 3) 下放设备，将钢杆上部依次穿过承重板与压力室，钢杆下部连接的气囊、剪切筒并依 次垂直放入钻孔内；钢杆放入过程中用每隔Im用胶带或绑带绑紧钢杆和进气管；随着钢杆 放入深度增大，将多根钢杆依次连接以增加放入深度；为防止因钢杆重量过大将测试系统 掉进钻孔底，钢杆的上部需连接固定螺栓。 4) 固结，通过充满氮气的气瓶利用减压阀和调节阀输出气压鼓胀气囊，进而膨胀剪切 筒外围剪切刀插入土体中，对土体进行固结。 5) 剪切，固结结束后，利用千斤顶施加液压，带动齿轮上提钢杆，进而对土产生剪切破 坏。在第一级固结压力下的剪切试验结束后，对千斤顶卸压，使剪力表回零，然后重复上述 固结过程与剪切过程3次。 6) 数据处理，以剪力表读数为剪应力，千分表读数为土体位移。土体剪应变ε的计算 公式为： ε=M· 100% /H, 式中，M为千分表读数（cm)、H为剪切刀的高度（cm)。 在应力一应变曲线上选取应力最大值Tf，依次找到4次不同固结压力σ下的Tf，对 〇 -Tf关系曲线进行线性拟合分析，拟合曲线的斜率Κ。土的内摩擦角供的计算公式为： φ=arctanA^, 拟合曲线与纵坐标的交点为土的粘聚力C。
7. 根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述的步 骤4)中的第一级测试气压为25kPa、50kPa、75kPa或lOOkPa。
8. 根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述的步 骤4)中的固结时间为15min、20min、25min或30min、。
9. 根据权利要求6所述的一种原位土体孔内剪切的试验方法，其特征在于：所述步骤 5)中土体剪切应变速率为0. 15%、0. 2%、0. 3%或0. 5%。
【文档编号】G01N3/24GK104458445SQ201410743287
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】李锐铎, 夏英志, 王志刚, 张宛东, 李利勤, 张志 , 王辉, 崔亚丽, 崔慧丽, 乐明静, 王超凡 申请人:河南城建学院