[发明专利]一种高精度钻孔剪切测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种高精度钻孔剪切测试装置及方法，本方案基于刮土器伸缩系统，刮土器旋转系统，钻孔剪切装置以及测试处理系统构成一体；刮土器伸缩系统驱动刮土器对孔壁实施刮土，形成光滑孔壁；刮土器旋转系统驱动刮土器伸缩系统整体转动；钻孔剪切装置与刮土器旋转系统连接，可驱动剪切板与由刮土器伸缩系统形成的光滑孔壁接触，并使孔壁土体逐步受压固结；测试处理系统控制刮土器旋转系统，刮土器伸缩系统，以及钻孔剪切装置协同工作，完成现场剪切试验。本方案采用内置双电机控制孔径内刮土范围，消除了钻孔剪切过程中上部土体和孔壁形态变化对剪切面的影响，从而获得土体的原始抗剪强度值，满足现有的岩土工程勘察规范要求。

技术领域

本发明涉及岩土工程勘查技术领域，具体涉及现场土体抗剪强度测试方案。

背景技术

土的抗剪强度参数是工程基础设计的关键指标，是建筑物地基稳定分析的依据，关系到整个工程的经济性与安全性。目前，获得土体抗剪强度参数主要采用室内剪切试验或现场钻孔剪切试验。室内试验试样尺寸局限性而导致代表性差；现场剪切试验是对作业点土体施加外荷载力，在土体天然结构和应力环境状态，直接获得土的力学参数，克服了室内试验土体扰动及尺寸效应等缺点，测出的土体强度参数更准确。

近年来，一种通过钻孔剪切试验测定土体抗剪强度参数的原位测试方法开始使用，它通过钻孔所形成孔壁模拟室内直剪试验法来测定土的抗剪强度,获取的粘聚力和内摩擦角更接近于土的实际性质，该方法已在欧美及中国开始应用。例如文献“土体抗剪强度参数的钻孔剪切试验方法初探”(于永堂，等.岩土工程技术，2015，29(4):169-172.)和“岩体抗剪强度参数现场测试新方法及工程应用”(王玉杰，等.岩土力学，2011，32(z):779-786.)等均有详细描述。

除此之外，现有技术中公开了部分类似解决方案，如申请号为201410743287.7的中国发明专利申请公开了“一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法”，该方案利用钻机开孔将装置下放到测点孔壁处，施加气压提供法向应力使气囊膨胀带动剪切筒鼓胀，剪切筒外围的剪切刀插入土体使固结，然后施加力驱动钢杆上升带动剪切刀剪切土体，土体发生剪切破坏，最后根据库伦定律计算得到土的剪切指标。

又如，申请号为201510483175.7的中国发明专利申请公开了“一种土体原位钻孔剪切测试装置”，该方案主要由操作平台、竖向拉力机构、剪切探头、支承油缸和加压气泵组成。采用该装置进行钻孔剪切试验，可在现场钻孔内快速测定土体抗剪强度参数，相对于室内试验得到的数据更加简单和精确。

再如，申请号为201210465143.0的中国发明专利申请公开了“岩体钻孔剪切弹模仪”，该方案主要由塞杆、套杆、上盘刀、橡胶囊和下盘刀组成，采用长柱体结构。试验时在不同钻孔位置进行不同正应力下的孔壁岩体剪切试验，并利用不同应力下的岩体剪切破坏试验绘制曲线，用以确定岩体抗剪强度参数。

上述文献和专利申请文件公开的方案中，基本采用美国Iowa和法国Phicometer钻孔剪切仪或类似产品，剪切试验成果按σ＝P/A，τ＝T/2A公式计算，它适用于成孔质量高的岩石或硬土层，钻孔后孔壁呈理想化状态，如图1(a)所示。而实际情况下，大部分表层土均处于淤泥、粘土等强度低、承载力小的软质土，钻孔后孔内会出现颗粒沉淀、缩孔及塌陷等现象，形成的实际孔壁如图1(b)所示，上述现有方案忽视了剪切板拉伸肩部土体和剪切板与孔壁不均匀接触等因素，得到的剪切强度τ值不准，降低了钻孔剪切方法的应用价值。

随着岩土工程建筑、桥梁、码头、人工岛隧等基础深度不断延伸，亟需一种能够克服现有钻孔剪切仪缺陷的方案，真实反映软土体抗剪强度参数，满足工程基础设计的需求。

发明内容

针对现有测定土体抗剪强度参数的方案存在测量精度低，无法真实反映软土体抗剪强度参数的问题，需要一种新的土体抗剪强度参数测定方案。