CN113514347A - 一种孔内原位剪切测试装置及测试方法 - Google Patents

一种孔内原位剪切测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种孔内原位剪切测试装置，包括中轴，加载***，设置于中轴上，包括中间加载水囊和位于中间加载水囊上下两侧的上层加载水囊和下层加载水囊，所述中间加载水囊用于对土样进行固结增压，所述上层加载水囊和下层加载水囊用于提供均匀的剪切力；切削***，设置于中轴上，包括位于加载***上方的上层切削组件和下层切削组件，用于对土体进行切削，形成环状土样；增湿***，设置于中轴上，包括位于上层切削组件上方的上层增湿组件，以及位于下层切削组件下方的下层增湿组件，用于对土样进行增湿饱和。本发明克服了传统的孔内剪切测试只能测试土体和剪切设备之间的剪切强度缺陷，准确测定实际意义上土体的剪切强度参数。

Description

一种孔内原位剪切测试装置及测试方法
技术领域
本发明专利属于岩土工程技术领域，具体涉及一种孔内原位剪切测试的装置及测试方法。
背景技术
岩土体的剪切测试参数是工民建工程设计与地质灾害治理与防治的关键力学参数，原位测试和室内试验获取岩土体力学参数的两种重要基本手段。相比室内试验测试来说，原位测试具有代表性强，扰动性小，能真实反映工程实际情况等优点，能够极大满足工程设计及灾害治理的需求。目前，原位剪切测试手段主要包括现场大剪试验和孔内剪切试验，但是在测试过程中还存在一些不足：现场大剪试验只能用于测量浅表层的原位土体的剪切强度参数，难以反映深部岩土体的真实情况；而现有的孔内剪切测试，采用加压板直接对土体加压并剪切，该方式实际反映的剪切力为加载板与土体的剪切强度，并非真正意义上土体间的剪切强度。因此，目前关于岩土体孔内原位剪切测试的手段仍需完善，以反映真实的岩土体剪切过程和获取真实的剪切力学参数。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种孔内原位剪切强度测试装置，以解决现有孔内原位测试技术不能真实获取土体剪切强度参数的问题。
本发明采用的技术方案是：
一种孔内原位剪切测试装置，包括
中轴，
加载***，设置于中轴上，包括中间加载水囊和位于中间加载水囊上下两侧的上层加载水囊和下层加载水囊，所述中间加载水囊用于对土样进行固结增压，所述上层加载水囊和下层加载水囊用于提供均匀的剪切力；
切削***，设置于中轴上，包括位于加载***上方的上层切削组件和下层切削组件，用于对土体进行切削，形成环状土样；
增湿***，设置于中轴上，包括位于上层切削组件上方的上层增湿组件，以及位于下层切削组件下方的下层增湿组件，用于对土样进行增湿饱和。
优选的，所述中轴为一空心圆柱杆，其上方依次设置有球铰链接和拉力传感器，所述拉力传感器用于测量剪切过程中的拉力。
优选的，所述上层切削组件和下层切削组件相互对称，均包括刀盘，所述刀盘为一圆环结构，所述刀盘的内环内壁与转轴外壁啮合，所述转轴通过轴承与空心圆柱杆活动连接，所述转轴上还设置有齿轮，所述刀盘一表面上设置有沿其圆周方向等间距分布的切削刀片和电动推杆，所述电动推杆位于切削刀片的内侧壁且与切削刀片内侧壁固定连接；所述刀盘的另一表面上设置有电机，所述电机的输出轴上设置有传动轮，所述传动轮与齿轮啮合。
优选的，所述刀盘上沿其圆周方向还设置有等间距分布的穿孔，每个穿孔分别位于相邻的两个电动推杆之间。
优选的，所述加载***还包括中间水囊增压注水管和两侧增压注水管，所述中间水囊增压注水管和两侧增压注水管均设置于空心圆柱杆内部，所述中间水囊增压注水管包括两个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至中间加载水囊内部，另一个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧，所述两侧增压注水管包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至下层加载水囊内部，另一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至上层加载水囊内部，第三个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧。
优选的，所述上层增湿组件和下层增湿组件相互对称，均包括环形带孔透水环、增湿注水管和注水仓，所述主水管设置于空心圆柱杆内部，其包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至上层增湿组件上的注水仓内部，另一管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至下层增湿组件上的注水仓内部，第三个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧，所述环形带孔透水环位于注水仓下方且与注水仓相通，用于水穿过注水仓对土样进行增湿。
优选的，所述中轴的下端设置有导轨，所述导轨包括底座、支架、弹簧和滚轮，所述支架的一端与底座侧壁铰接，其另一端连接滚轮，所述支架侧壁通过弹簧与底座侧壁连接。
本发明还提供了一种用上述测试装置进行孔内原位剪切测试方法，包括以下步骤：
步骤1，通过中轴与钻孔机器人连接，将测试装置移动到指定深度的位置；
步骤2，电机开始旋转，通过传动轮带动齿轮转动，在齿轮的作用下，带动刀盘和电动推杆旋转，电动推杆逐渐伸长向外推动切削刀片，对土体进行切削，形成环状土样；
步骤3，上层加载水囊和下层加载水囊逐渐增压膨胀，将环状土样进行包裹，中间加载水囊逐渐增压，对土体施加法向应力；
步骤4，在孔内钻孔机器人的拉力作用下，开始对土体进行剪切，由拉力传感器记录所测的拉力，钻孔机器人记录行走位置，随后计算土样所的应力应变曲线。
步骤5，待土样破坏后，中间加载水囊、上层加载水囊和下层加载水囊逐渐减压，并开始收回，电动推杆逐步收回，并回复原装。
优选的，在上述步骤3开始之前，用增湿***对土体进行增湿饱和，然后在继续完成固结、剪切的操作。
本发明的有益效果：本发明得孔内原位剪切测试装置可以在钻孔内进行原位土体剪切测试，克服了传统的孔内剪切测试只能测试土体和剪切设备之间的剪切强度缺陷，准确测定实际意义上土体的剪切强度参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种孔内原位剪切测试装置整体结构图；
图2为中轴示意图；
图3为切削***示意图；
图4为增湿***示意图；
图5为加载***示意图；
图6为导轨示意图；
图7为本发明的测试原理；
图8为本发明的常规工作示意图；
其中，1-中轴；101-空心圆柱杆；102-球铰链接；103-拉力传感器；2-切削***；201-刀盘；202-转轴；203-齿轮；204-轴承；205-电机；206-传动轮；207- 电动推杆；208-切削刀片；209-穿孔；3-增湿***；301-增湿注水管；302-注水仓；303-环形带孔透水环；4-加载***；401-上层加载水囊；402-下层加载水囊；403-中间加载水囊；404-中间水囊增压注水管；405-两侧增压注水管；5-导轨； 501-底座；502-支架；503-弹簧；504-滚轮。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明具体提供了一种孔内原位剪切测试装置，如图1所示，包括
中轴1，
加载***4，设置于中轴1上，包括中间加载水囊403和位于中间加载水囊 403上下两侧的上层加载水囊401和下层加载水囊402，所述中间加载水囊403 用于对土样进行固结增压，所述上层加载水囊401和下层加载水囊402用于提供均匀的剪切力；
切削***2，设置于中轴1上，包括位于加载***上方的上层切削组件和下层切削组件，用于对土体进行切削，形成环状土样；
增湿***3，设置于中轴1上，包括位于上层切削组件上方的上层增湿组件，以及位于下层切削组件下方的下层增湿组件，用于对土样进行增湿饱和。
如图2所示，中轴1为一空心圆柱杆101，其上方依次设置有球铰链接102 和拉力传感器103，所述拉力传感器103用于测量剪切过程中的拉力，所述球铰链接102用于保证测试装置的在孔内的自适应。
如图3所示，上层切削组件和下层切削组件相互对称，均包括刀盘201，所述刀盘201为一圆环结构，所述刀盘201的内环内壁与转轴202外壁啮合，所述转轴通过轴承与空心圆柱杆活动连接，所述转轴202上还设置有齿轮203，所述刀盘201一表面上设置有沿其圆周方向等间距分布的切削刀片208和电动推杆 207，所述电动推杆207位于切削刀片208的内侧壁且与切削刀片208内侧壁固定连接；所述刀盘201的另一面上设置有电机205，所述电机205的输出轴上设置有传动轮206，所述传动轮206与齿轮203啮合。所述刀盘201上沿其圆周方向还设置有等间距分布的穿孔209，每个穿孔209分别位于相邻的两个电动推杆 207之间。
所述的电机205为刀盘201、切削刀片208的旋转提供动力，所述的齿轮203 用于电机205旋转传递给刀盘201和切削刀片208，所述的轴承204用于保证圆柱形主杆在齿轮旋转的作用下保持不动；所述的电动推杆207用于在切削刀片 208的伸长。
如图5所示，加载***4包括中间加载水囊403和位于中间加载水囊401上下两侧的上层加载水囊401和下层加载水囊402，所述的中间加载水囊403，用于土体剪切前的试样固结，所述的上层加载水囊401、下层加载水囊402和切削刀片208共同提供剪切力。
所述加载***4还包括中间水囊增压注水管404和两侧增压注水管405，所述中间水囊增压注水管404和两侧增压注水管405均设置于空心圆柱杆101内部，所述中间水囊增压注水管404包括两个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆101 侧壁并延伸至中间加载水囊403内部，另一个管口从空心圆柱杆101侧壁上方穿过延伸至空心圆柱101外侧，所述两侧增压注水管405包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆101侧壁并延伸至下层加载水囊402内部，另一个管口贯穿空心圆柱杆101侧壁并延伸至上层加载水囊401内部，第三个管口从空心圆柱杆 101侧壁上方穿过延伸至空心圆柱101外侧。
如图4所示，上层增湿组件和下层增湿组件相互对称设置，均包括环形带孔透水环303、增湿注水管301和注水仓302，所述增湿注水管301设置于空心圆柱杆内部，其包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆101侧壁并延伸至上层增湿组件上的注水仓302内部，另一管口贯穿空心圆柱杆101侧壁并延伸至下层增湿组件上的注水仓302内部，第三个管口从空心圆柱杆101侧壁上方穿过延伸至空心圆柱101外侧，所述环形带孔透水环303位于注水仓302下方且与注水仓302相通，用于水穿过注水仓302对土样进行增湿。
如图6所示，所述中轴1的下端设置有导轨5，所述导轨5包括底座501、支架502、弹簧503和滚轮504，所述支架502的一端与底座501侧壁铰接，其另一端连接滚轮504，所述支架502侧壁通过弹簧503与底座501侧壁连接。所述的底座501用于与中轴1固定，所述的弹簧503用于为滚轮504提供压力，保证滚轮504与钻孔土体接触，所述的滚轮504用于孔壁的爬行。
本发明的测试原理如下：
孔内原位剪切测试装置的测试原理以室内直剪试验为原型，与已有的孔内剪切试验不同，采用此方法产生的剪切破坏面位于土体内部，可直接获取土体的剪切强度，剪切过程中土样的受力如图7所示。测试装置的切削***在孔内，制作出环形土样，环形土样受到中间加载水囊的法向应力，试验土样与原状土样在平行孔壁的拉力作用下产生相对位移S和剪切力Fs，拉力传感器和位移传感器分别记录剪切过程中的剪切力Fs和剪切位移S，即可绘制孔内原状黄土的应力应变曲线。
针对上述测试原理，本发明还提供了一种孔内原位剪切测试方法，如图8所示，包括以下步骤：
步骤1，通过中轴1与钻孔机器人连接，将测试装置移动到指定深度的位置；
步骤2，电机205开始旋转，通过传动轮带动齿轮203转动，在齿轮203的作用下，带动刀盘201和电动推杆207旋转，电动推杆207逐渐伸长向外推动切削刀片208，对土体进行切削，形成环状土样；
步骤3，上层加载水囊401和下层加载水囊402逐渐增压膨胀，将环状土样进行包裹，中间加载水囊403逐渐增压，对土体施加法向应力；
步骤4，在孔内钻孔机器人的拉力作用下，开始对土体进行剪切，由拉力传感器103记录所测的拉力，钻孔机器人记录行走位置，随后计算土样所的应力应变曲线。
步骤5，待土样破坏后，中间加载水囊403、上层加载水囊401和下层加载水囊402逐渐减压，并开始收回，电动推杆207逐步收回，并回复原装。
在上述步骤3开始之前，用增湿***3对土体进行增湿饱和，然后在继续完成固结、剪切的操作。
本发明的钻孔剪切仪，可以在钻孔内进行原位土体剪切测试，克服了传统的孔内剪切测试只能测试土体和剪切设备之间的剪切强度缺陷，准确测定实际意义上土体的剪切强度参数。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，包括
中轴，
加载***，设置于中轴上，包括中间加载水囊和位于中间加载水囊上下两侧的上层加载水囊和下层加载水囊，所述中间加载水囊用于对土样进行固结增压，所述上层加载水囊和下层加载水囊用于提供均匀的剪切力；
切削***，设置于中轴上，包括位于加载***上方的上层切削组件和下层切削组件，用于对土体进行切削，形成环状土样；
增湿***，设置于中轴上，包括位于上层切削组件上方的上层增湿组件，以及位于下层切削组件下方的下层增湿组件，用于对土样进行增湿饱和。
2.根据权利要求1所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述中轴为一空心圆柱杆，其上方依次设置有球铰链接和拉力传感器，所述拉力传感器用于测量剪切过程中的拉力。
3.根据权利要求2所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述上层切削组件和下层切削组件相互对称，均包括刀盘，所述刀盘为一圆环结构，所述刀盘的内环内壁与转轴外壁啮合，所述转轴通过轴承与空心圆柱杆活动连接，所述转轴上还设置有齿轮，所述刀盘一表面上设置有沿其圆周方向等间距分布的切削刀片和电动推杆，所述电动推杆位于切削刀片的内侧壁且与切削刀片内侧壁固定连接；所述刀盘的另一表面上设置有电机，所述电机的输出轴上设置有传动轮，所述传动轮与齿轮啮合。
4.根据权利要求3所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述刀盘上沿其圆周方向还设置有等间距分布的穿孔，每个穿孔分别位于相邻的两个电动推杆之间。
5.根据权利要求2所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述加载***还包括中间水囊增压注水管和两侧增压注水管，所述中间水囊增压注水管和两侧增压注水管均设置于空心圆柱杆内部，所述中间水囊增压注水管包括两个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至中间加载水囊内部，另一个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧，所述两侧增压注水管包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至下层加载水囊内部，另一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至上层加载水囊内部，第三个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧。
6.根据权利要求2所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述上层增湿组件和下层增湿组件相互对称，均包括环形带孔透水环、增湿注水管和注水仓，所述主水管设置于空心圆柱杆内部，其包括三个管口，其中一个管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至上层增湿组件上的注水仓内部，另一管口贯穿空心圆柱杆侧壁并延伸至下层增湿组件上的注水仓内部，第三个管口从空心圆柱杆侧壁上方穿过延伸至空心圆柱外侧，所述环形带孔透水环位于注水仓下方且与注水仓相通，用于水穿过注水仓对土样进行增湿。
7.根据权利要求1所述的一种孔内原位剪切测试装置，其特征在于，所述中轴的下端设置有导轨，所述导轨包括底座、支架、弹簧和滚轮，所述支架的一端与底座侧壁铰接，其另一端连接滚轮，所述支架侧壁通过弹簧与底座侧壁连接。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种孔内原位剪切测试装置对土样进行剪切测试的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过中轴与钻孔机器人连接，将测试装置移动到指定深度的位置；
步骤2，电机开始旋转，通过传动轮带动齿轮转动，在齿轮的作用下，带动刀盘和电动推杆旋转，电动推杆逐渐伸长向外推动切削刀片，对土体进行切削，形成环状土样；
步骤3，上层加载水囊和下层加载水囊逐渐增压膨胀，将环状土样进行包裹，中间加载水囊逐渐增压，对土体施加法向应力；
步骤4，在孔内钻孔机器人的拉力作用下，开始对土体进行剪切，由拉力传感器记录所测的拉力，钻孔机器人记录行走位置，随后计算土样所的应力应变曲线。
步骤5，待土样破坏后，中间加载水囊、上层加载水囊和下层加载水囊逐渐减压，并开始收回，电动推杆逐步收回，并回复原装。
9.根据权利要求8所述的一种孔内原位剪切测试方法，其特征在于，在上述步骤3开始之前，用增湿***对土体进行增湿饱和，然后在继续完成固结、剪切的操作。
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