原位孔内剪切测试仪的制作方法

本实用新型涉及一种岩土工程原位测试装置，特别是涉及一种原位孔内剪切测试仪。

背景技术：

粘聚力和内摩擦角是土体重要的抗剪强度指标，是土压力、地基承载力计算，分析路堤、边坡、基坑、隧道稳定性并开展其支护结构设计的重要参数。粘聚力和内摩擦角目前主要采用钻探取土样进行室内试验的方法进行测定，采用的室内试验方法有直接剪切试验和三轴压缩试验。室内试验测定方法对土体扰动大，土样经过应力释放的卸载和室内试验的再加载，土的抗剪强度指标与现场原位抗剪强度指标必然存在差异，测试结果离散性较大；且室内试验方法因很难取得砂性土原状样，故无法测定砂性土抗剪强度参数。原位测试土体抗剪强度参数主要有现场直接剪切试验和十字板剪切试验；现场直接剪切试验需在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行，优点是对土样的扰动小，测试结果准确可靠，缺点是对深层土体的测试较为困难，且需要耗费大量人力、物力。十字板剪切试验的优点是设备简单、操作方便，缺点是仅适用于测定内摩擦角基本等于零的饱和黏性土的不排水抗剪强度，不适用于硬度较大的黏性土。

此外，一些岩土工程师提出原位土体孔内剪切测试，主要有美国HANDY公司生产的BST型原位土体孔内剪切测试仪、法国APAGEO公司生产的PHICOMETRE型原位钻孔剪切试验系统、中国发明专利公开号104458445A公开的一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法、中国发明专利公开号103728188A公开的土体原位剪切及静载荷试验仪；美国HANDY公司生产的BST型原位土体孔内剪切测试仪没有法向和剪切变形测试系统，无法获得各级法向应力下的应力——应变关系曲线，因此只能得到各级法向应力下的峰值抗剪强度及对应的粘聚力和内摩擦角，且设备采用手摇齿轮方式驱动及人工读数，剪切速率和读数受人为因素影响大，费时费力。法国APAGEO公司生产的PHICOMETRE型原位钻孔剪切试验系统和发明专利公开号104458445A公开的原位土体孔内剪切试验装置及试验方法所述试验装置剪切头为圆柱体，剪切头长度达20多公分，不适用于厚度小于30cm的较薄地层测试，且都采用手动液压千斤顶，难以控制恒定的剪切速率，影响测试结果的准确性；中国发明专利公开号103728188A公开的土体原位剪切及静载荷试验仪采用托杆支撑的摆块形成的圆盘剪切土体，这种机械式的控制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，且当遇到中、强风化残积土时，破碎岩块很可能卡住托杆，导致试验失败。

技术实现要素：

针对上述土体粘聚力和内摩擦角测试仪器存在的问题，本实用新型提供一种原位孔内剪切测试仪，其结构简单、操作方便，能够快速测试土体相应于比例强度、屈服强度、峰值强度和残余强度的土体抗剪强度参数，适用于各种地形和土质。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种原位孔内剪切测试仪，包括剪切探头、拉杆、反力底板、千斤顶、剪应力测试单元、卡钳、法向应力控制单元、电动泵、高压气瓶、调压阀、高压气管、高压油管、千分表、磁性表架、数据电缆和数据采集记录仪。所述的反力底板铺在钻孔孔口的地面上；所述的剪切探头放置在钻孔内预定的试验深度处；所述拉杆的下端与剪切探头的上端螺纹连接；拉杆上端依次穿过所述反力底板、千斤顶和剪应力测试单元后通过卡钳固定，且所述剪切探头、拉杆、千斤顶、剪应力测试单元的中心共线，以保证剪应力的作用线位于同一条直线上；所述的剪切探头与法向应力控制单元通过高压气管相连；所述调压阀的一端与高压气瓶螺纹连接，另一端通过高压气管连接法向应力控制单元，用于对高压气瓶输出的氮气气压进行调节，并通过法向应力控制单元控制，驱动双作用不锈钢压力汽缸对剪切探头提供预订的法向应力；所述的千斤顶与电动泵通过所述高压油管相连，电动泵驱动千斤顶，千斤顶通过拉杆带动钻孔内剪切探头以恒定速率提升，并通过剪应力测试单元测试剪切探头匀速提升过程中的剪切力；所述的千分表架设在卡钳上，并通过所述磁性表架固定，用于测试原位孔内剪切探头提升量，即剪切变形；所述剪切探头、剪应力测试单元、法向应力控制单元、电动泵和千分表分别通过数据电缆与数据采集记录仪相连。相应的法向应力、剪切力、法向变形、剪切变形、孔隙水压力和时间均由数据采集记录仪自动记录。

所述的剪切探头包括一对剪切板、孔隙水压力测试探头、法向变形测试传感器、双作用压力汽缸和倒U型提升架，所述的双作用压力汽缸水平设置；一对所述剪切板分别固装在双作用压力汽缸的缸体底部和活塞杆的输出端，每块剪切板均为外侧带锯齿状横槽的钢板；所述的倒U型提升架的两个下端分别固定在对应侧的剪切板的上端；每个所述剪切板中心各装有一个所述孔隙水压力测试探头；所述法向变形测试传感器水平安装在两块剪切板之间，且其两端分别与相应侧的剪切板连接。

优选的是，所述的电动泵驱动千斤顶提供0.8mm/min的恒定提升速率。所述的双作用压力汽缸为双作用不锈钢压力汽缸。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、操作方便、自动化程度高，采用电动泵驱动千斤顶提供恒定的剪切速率，剪切速率恒定，测试数据准确可靠；

2、能够快速测得各级法向应力条件下剪应力与剪切位移的关系曲线，进而得到相应于比例强度、屈服强度、峰值强度和残余强度的土体抗剪强度参数，丰富试验结果，便于工程应用过程中根据不同的工况选择相应的抗剪强度参数；

3、适用范围广泛，适用于各种地形和土质。

附图说明

图1是本实用新型所述的原位孔内剪切测试仪示意图；

图2是本实用新型中的原位孔内剪切探头的结构示意图。

图中标记说明：

1、剪切探头 2、拉杆 3、反力底板 4、千斤顶

5、剪应力测试单元 6、卡钳 7、法向应力控制单元 8、电动泵

9、高压气瓶 10、调压阀 11、高压气管 12、高压油管

13、千分表 14、磁性表架 15、数据电缆 16、数据采集记录仪

17、钻孔 18、剪切板 19、孔隙水压力测试探头

20、法向变形测试传感器 21、双作用压力汽缸 22、倒U型提升架

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型的原位孔内剪切测试仪包括剪切探头1、拉杆2、反力底板3、千斤顶4、剪应力测试单元5、卡钳6、法向应力控制单元7、电动泵8、高压气瓶9、调压阀10、高压气管11、高压油管12、千分表13、磁性表架14、数据电缆15和数据采集记录仪16。具体为：

所述反力底板3铺在钻孔孔口的地面上；剪切探头1放置在钻孔内预定的试验深度处；拉杆2的下端与剪切探头1的上端螺纹连接；拉杆2上端依次穿过反力底板3、千斤顶4和剪应力测试单元5后通过卡钳6固定，且剪切探头、拉杆、千斤顶、剪应力测试单元的中心共线，以保证剪应力的作用线位于同一条直线上。所述剪切探头1与法向应力控制单元7通过高压气管11相连。调压阀10的一端与高压气瓶9螺纹连接，另一端通过高压气管11连接法向应力控制单元7，调压阀10对高压气瓶9输出的氮气气压进行调节，并通过法向应力控制单元的控制，驱动双作用压力汽缸21对剪切探头1提供预订法向应力。千斤顶4与电动泵8通过所述高压油管12相连，电动泵8驱动千斤顶4，千斤顶4通过拉杆2带动剪切探头提供恒定提升速率，并通过剪应力测试单元测试剪切探头匀速提升过程中的剪切力。千分表13架设在卡钳6上，并通过所述磁性表架14固定。剪切探头1、剪应力测试单元5、法向应力控制单元7、电动泵8和千分表13分别通过数据电缆15与数据采集记录仪16相连。

参见图2，剪切探头1包括一对剪切板18、孔隙水压力测试探头19、法向变形测试传感器20、双作用压力汽缸21和倒U型提升架22。双作用压力汽缸21水平设置；一对所述剪切板18分别固装在双作用压力汽缸21的缸体底部和活塞杆的输出端，每块剪切板18均为外侧带锯齿状横槽的钢板，即剪切板外侧自上而下形成有多个横槽，剪切板的纵向剖面中，横槽所在一侧为锯齿状。剪切板18的外侧轮廓与钻孔的内壁形状相适应，即：剪切板18的外侧为带锯齿状横槽的柱状弧面，其轮廓与钻孔内壁的弧面形状相适应。

法向变形测试传感器20测试钻孔内剪切探头1上的一对剪切板18的相对变形，即法向变形。千分表13测试剪切探头1的提升量，即剪切变形。孔隙水压力测试探头19测试法向加压过程中土体孔隙水压力的消散过程。

倒U型提升架22的两个下端分别固定在对应侧的剪切板18的上端；每个剪切板18中心各装有一个孔隙水压力测试探头19。所述法向变形测试传感器20水平安装在两块剪切板18之间，且其两端分别与相应侧的剪切板18连接。

在本实用新型的一个实施例中，电动泵8驱动千斤顶4提供0.8mm/min的恒定提升速率。双作用压力汽缸21为双作用不锈钢压力汽缸。

法向应力、剪切力、法向变形、剪切变形、孔隙水压力和时间均由数据采集记录仪自动记录。

本实用新型的工作过程如下：

(1)钻孔：采用回转钻进方法开孔至试验地层(对于浅部地层也可采用洛阳铲开孔)，开孔直径范围：D剪切探头闭合+5mm≤D钻孔≤D剪切探头闭合+10mm；当在地下水位以下的土层进行试验时，应使孔内水位保持高于地下水位，必要时应下套管或用泥浆护壁。

(2)安装设备：平整孔口场地，将剪切探头1与拉杆2连接好，将高压气管11和数据电缆15与剪切探头1连接好，并将高压气管11和数据电缆15捋顺绑扎在拉杆2上；将剪切探头1缓慢放送至试验深度，拉杆2另一端依次穿过反力底板3、千斤顶4、剪应力测试单元5的中心孔，通过卡钳6将上述原件固定在孔口并使剪切探头1、拉杆2、千斤顶4、剪应力测试单元5至下而上位于同一直线上，以保证剪应力的作用线位于同一条直线上。将剪切探头1引出的高压气管11与法向应力控制单元5相连，法向应力控制单元5与调压阀10的一端通过高压气管11相连，调压阀10另一端与高压气瓶9通过螺纹连接。千斤顶4与电动泵8通过高压油管12相连；千分表13架设在卡钳6上，通过磁性表架14固定。剪切探头1所引出的数据电缆15与数据采集记录仪16相连，剪应力测试单元5、法向应力控制单元7、电动泵8和千分表13通过数据电缆15与数据采集记录仪16相连。

(3)仪表初始化：通过法向应力控制单元7施加一初始很小的法向应力(5kPa)，使剪切探头1的剪切板与孔壁接触，之后将此法向应力卸掉；并将法向应力、剪切力、法向变形、剪切变形、孔隙水压力和时间初始读数设置为0。

(4)施加法向应力：施加第一级法向应力，并通过孔隙水压力曲线观察土体固结情况，对于非粘性土通常需固结5分钟、粘性土固结10～20分钟后施加剪切应力。

(5)施加剪切应力：开启电动泵8，驱动千斤顶4以0.8mm/min的恒定提升速率提升剪切探头1。

(6)探头复位：关闭电动泵8，将剪切探头1的法向应力卸除，使探头闭合，并使千斤顶复位以保证探头恢复至初始试验深度，重复S3～S5开展下一级法向应力测试，每个试验点位开展4～5级不同法向应力原位孔内剪切测试。

(7)下一点位试验：重复(1)～(6)步骤，开展下一点位或其它孔的原位孔内剪切试验。

(8)试验结束后拆卸并清洗设备，养护后装箱。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡根据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化均仍属于本实用新型的保护范围。