[发明专利]用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀提拉剪切装置及试验方法

说明书

本发明公开了用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀提拉剪切装置及试验方法，包括剪切头和用于控制和测量剪切头的运动控制装置；剪切头包括第一锥头和设置在其下方与其连接的第二锥头；第一锥头上部连接上拔组件；第二锥头中部表面设置有沿其周向阵列式分布的多个剪切片；剪切探头表面设置有沿其径向从其上部延伸到底面的N个开口位；同一组中的剪切片沿第二锥头径向交错分布；第二锥头远离第一锥头一端底面设置有膨胀限制装置；第一锥头与上拔组件之间设置有用于测量提拉力的传感器；本发明装置可同时进行旁压试验和剪切试验，剪切片通过优化设计使其受力性能良好。

技术领域

本发明涉及钻孔剪切试验装置，具体涉及一种用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀提拉剪切装置。

背景技术

岩土体的抗剪强度参数是直接关系到工程的经济与安全重要的力学指标。其指标的测定可采室内试验或原位试验方法。传统的室内试验包括直剪实验，三轴试验等手段，但室内试验的试样尺寸具有局限性，且由于运输过程中已受扰动和严格的限定了边界条件而使其代表性较差；而原位试验虽然无需采样，能在原始应力环境直接测定岩土体的抗剪强度指标，但也有许多限制因素，例如现场的大型直剪试验，其测得的结果比较精确，但是实验时间长，成本高；十字板剪切实验对于不均匀土层，特别是夹有薄层粉细砂或粉土的软粘土，会有较大误差；由标贯实验和静力触探实验得到的土体强度参数的准确性难以保证；钻孔剪切试验的周期短，成本相对较低，但是目前常用的设备均来自国外，购买成本较高，且其在均质土中的实验效果较好，在非均质土中的实验效果较差。

钻孔剪切实验（RBST）是野外调查的各种原位测试方法中的一种，它提供了岩土体抗剪强度参数的直接测量方法。其实验原理是通过将孔下设备中的剪切刀头压入孔壁土体中，该压力即为法向应力，将其视为有效正应力，再通对剪切刀头提供上拔力，从而实现对土体的剪切。改变岩土体的法向应力可以得到不同法向应力所对应的土体发生剪切破坏所对应的剪应力，根据摩尔-库伦强度准则可得到特定深度处岩土体的抗剪强度指标。目前所用的钻孔剪切仪是法国APAGEO公司开发的Phicometre钻孔剪切仪，其需在小直径（60～66mm）的开钻孔中工作，但我国常见的开孔孔径在90mm以上，为了满足国外这款钻孔剪切仪的工作条件，往往需要额外开孔，增加了成本；该钻孔剪切仪只能测试土体的抗剪强度参数，而不能获取弹性变形参数等其他参数；该仪器在均质土体和软岩中的测试效果较好，碎石土等条件复杂的土体中测试时的效果很差。

十字板剪切试验（VST）是用插人土中的标准十字板探头，以一定速率扭转，量测土破坏时的抵抗力矩，测定土的不排水剪的抗剪强度和残余抗剪强度。十字板剪切试验可用于测定饱和软黏性土(φ≈0)的不排水抗剪强度和灵敏度。所测得的抗剪强度值，相当于试验深度处天然土层在原位压力下固结的不排水抗剪强度。十字板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效的现场测定土的不排水强度试验方法。目前十字板剪切试验中需使十字板匀速剪切土体才能获取相对准确的土体抗剪强度数值，因此还需在地表人为匀速转动旋转转盘，其试验结果的精度受主观和操作因素的影响较大；由于十字板参与剪切时自身设计的限制，其在均质土中进行试验得到的结果才相对准确。

发明内容

本发明提供一种可以同时进行旁压试验和剪切试验的用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀提拉剪切装置及试验方法。

本发明采用的技术方案是：一种用于钻孔剪切试验的孔壁侧胀提拉剪切装置，包括剪切头和用于控制和测量剪切头的运动控制装置；

剪切头包括第一锥头和设置在其下方与其连接的第二锥头；第一锥头上部连接运动控制装置；还包括穿过第一锥头内伸入第二锥头内的膨胀管；膨胀管连接用于控制和测量膨胀管压力大小及膨胀管内液体体积的压力和体积控制装置；第二锥头中部表面设置有沿其周向阵列式分布的多个剪切片；剪切头表面设置有沿其径向从其上部延伸到底面的N个开口位；开口位将剪切头表面分为N个竖向表面；位于同一竖向表面上的剪切片为一组，同一组中的剪切片沿第二锥头径向交错分布；第二锥头远离第一锥头一端底面设置有膨胀限制装置。