地表原位岩土剪切测试装置的制作方法

本实用新型涉及建筑领域，特别涉及一种能够对地面岩土体实现原位剪切测试的装置。

背景技术：

岩体结构单元是由岩块(块状、板状的，完整或者碎裂)、结构面(软弱结构面、坚硬结构面)以及充填物等组成，由于各种结构面的发育和分布的不均匀性，使其变形性质比岩石变形复杂得多，因而岩体的变形不能由岩石的变形所表述，必须通过岩体变形实验测定其变形指标。岩体变形实验是为测定岩体在一定的载荷作用或者卸荷作用下变形特性指标而进行的岩体现场实验。通过实验测定岩体的变形模量、弹性模量以及变形系数等岩石工程中不可缺少的岩体力学参数。该试验可以得到岩体的变形模量和弹性模量。

岩体的物理力学参数是基础数据，如果得不到准确值，对任何岩体工程的强度设计、变形验算、稳定性，就得不到精确的设计和评价，所以大多数的工程规范都有安全系数来增大安全的保障。对于煤矿工程，涉及到巷道支护的设计基础数据，要明确测得巷道围岩的力学参数，来保证支护设计的合理性、经济造价和工期；松动圈的扩展速度、范围及扩展规律等；围岩在卸荷状态下数值模拟，也要精确得到围岩各层岩体的力学参数才能得到理想的结果。

原位测试工作主要是在结构工程设计之前的岩土体工程勘察阶段进行的，必须获得岩土的物理力学参数，提供给设计部门作为基础数据，因此，必须做到数据准确、可靠、稳定，才会使设计部门的设计结构安全可靠，进而确保生命和财产的安全。

岩土体在外荷载或者卸荷作用下的破坏方式一般为剪破坏和拉张破坏，其中剪切破坏占大多数。因此，岩体破坏的本质就是剪切破坏和拉张破坏强度，岩体强度的原位测试主要是测得岩体的剪切和拉张强度。目前采用的原位地面实验，可以测得岩体的摩擦角c和内聚力值，c、值是岩体强度的重要指标，它代表着岩体抵抗剪切破坏的性能。

岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确。

目前，岩土体的原位测试一般是采用多个独立的设备分别进行不同的实验，再根据不同设备的测试数据得到相关测试结果，该方式导致测试过程繁琐冗长，缺少实现全自动化的智能测试装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种岩土工程钻孔中对岩土体进行原位应力和剪切强度测试的原位实验装置。

特别地，本实用新型提供一种地表原位岩土剪切测试装置，包括圆柱形空心外管，所述外管的一端为供电端和实验控制端，另一端为钻头端，在所述外管的内部活动安装有用于取土的内管，所述内管位于所述钻头端的端部为管靴结构且伸出所述外管外，所述控制端安装有延伸至所述内管内以对采集的土样施加垂直压力的垂压部，和安装在所述内管的中部以对采集的土样施加横向剪切力的剪切部，所述垂压部和所述剪切部为电控装置。

在本实用新型的一个实施方式中，在所述内管与外管之间设置有排出液体的通道。

在本实用新型的一个实施方式中，所述垂压部包括由所述控制端伸出且可在所述内管内做轴向运动的垂压板，所述垂压板为电控移动板，所述垂压板的形状和面积与所述内管的径向截面形状和面积相同，在所述垂压板与土样接触的一面安装有垂压传感器。

在本实用新型的一个实施方式中，在所述内管内壁上安装有检测所述垂压板移动行程的触碰开关，所述控制端根据所述触碰开关的触发信号，即可得知所述垂压板的当前位置。

在本实用新型的一个实施方式中，所述剪切部包括活动设置在所述内管径向上的环形圈，以及推动环形圈横向移动的电动推板，和测量所述电动推板压力大小的剪切传感器，所述电动推板通过设置在所述内管内壁内的管路与所述供电端和所述控制端连接。

在本实用新型的一个实施方式中，所述控制端上设置有启动相应测试项目的多个控制开关，以及显示测试结果的显示屏，所述供电端通过线缆与外部供电系统连接。

在本实用新型的一个实施方式中，在所述外管远离所述钻头端的一端安装有控制钻地时角度的方向盘。

本实用新型利用取土器的取样动力原理，采用地面动力装置，进行微扰动取土；采用电动装置进行垂直施压和水平施压，可提高实验过程稳定性和精度；采用MEMS利用传感器对土样进行数据测试。本装置在地表或基坑进行实验，并确保原位原状岩土体的实验高精度测试；在取土过程中，采用地表和地下联合动力，以确保各类土体的充足动力进行取样；采用电力回路进行施加垂直压力和剪切力，可确保荷载的稳定，最大限度保证及提高实验数据的精度。

附图说明

图1是本实用新型一个实施方式的原位实验装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一个实施方式公开一种地表原位岩土剪切测试装置，一般包括圆柱形空心外管10，和安装在外管10内部用于取土样的内管20。

外管10的一端为连接外部电力的供电端11，和控制取样及测试过程的控制端12，外管10的另一端为便于钻入地下的钻头端13，内管20位于钻头端13的端部为管靴21结构且伸出外管10外，在供电端11安装有延伸至内管10内以对采集的土样施加垂直压力的垂压部40，和安装在内管10的中部以对采集的土样施加横向剪切力的剪切部50，垂压部40和剪切部50为以电力作为动力的电控装置。供电端11和控制端12包括驱动垂压部40和剪切部50的物理部件和计算单元。

在工作时，将外管10的钻头端13直接抵接在地面或是基坑上，利用电力驱动钻头端13进入地面下以使土样进入内管20中，管靴21可以使钻头端13更容易进入地面。当内管20中的土样采集满时，由控制端12控制供电端11为垂压部40供电，驱动垂压部40轴向移动以对土样施加垂压(应力)，以测得土样的应变力。然后在对土样保持垂直压力的同时，控制端12再控制供电端11为剪切部50供电，使剪切部50对当前状态下的土样施加横向剪切力，完成各项实验后，控制端12再依次控制剪切部50和垂压部40回位。

整个测试过程由控制端12进行控制，包括供电端11的连通控制和垂压、剪切过程的控制，以及结果的计算等。本实施方式中的控制端12采用MEMS(微机电系统)，因体积小功能全，因此可安装在原位实验装置上，达到实时测量和实时计算的效果。

本实用新型利用取土器的取样动力原理，采用电力作为动力源，进行微扰动取土，对取出的土样直接进行垂直施压和水平施压，得到当前土样的应力和剪切力数据，整个测试过程中不需要移动土样，大大提高了实验过程的稳定性和精度。

对于一些地下水浅的地方进行取样时，可以在内管20与外管10之间设置排出液体的通道14，进入内管20的地下水即可在内部土样的压力下由通道14排出至内管20外。这里的通道14可以是设置在内管20上连通内管20内部和外部的通道，也可以是内管20与外管10之间的间隙。

具体垂压部40包括一个与控制端12连接的电推杆43和固定在电推杆43端部的垂压板41，该电推杆与垂压板41一体，采用电控伸缩，垂压板41的形状和面积与内管20的径向截面形状和面积相同，在垂压板41与土样接触的一面安装有垂压传感器42。在工作时，控制端12通过控制电机功率，控制电推杆43的伸缩量。

具体的剪切部50包括活动设置在内管20径向上的环形圈52，环形圈52的内径与内管20的内径相同，但是其壁厚小于内管20的壁厚，因此相对内管20可以在内管20的径向上整体移动一段距离。在环形圈52的一侧设置有横向推动环形圈52移动的电动推板51，同时在电动推板51上安装测量当前剪切力大小的剪切传感器53，电动推板51通过设置在内管20内壁内的管路与控制端12和供电端11连接。电动推板51的推力大小与电机功率的大小有关。

通电后，电动推板51推动环形圈52向土样的径向方向移动，被环形圈52套住部位的土样即在横向力的作用下，相对整体土样形成横向移动，最终形成断面，达到测试剪切力的结果。

具体的电动推板51形状可为与环形圈52外表面贴合的弧形结构。

此外，为确定垂压部40和剪切部50施压时的工作状态，可以在内管20与电推杆43和电推板41对应的位置处安装相应的触碰开关，以使控制端能够即时了解电推板41和电动推板的位置。

控制端12上可以设置启动相应测试项目的多个控制开关121，如垂压开关、剪切开关，同时设置显示垂压和剪切测试过程数据和结果数据的显示屏122，供电端11通过线缆111与外部供电系统连接。

进一步地，可以在外管10远离钻头端13的一端安装控制钻地时角度的方向盘30。方向盘可以固定在控制端的端部，以方便操作人员在取土时调整控制端的偏离角度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。