本發(fā)明屬于工程地質(zhì)勘查，涉及一種土體原位環(huán)剪裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在工程建設(shè)過程中，土體抗剪強(qiáng)度是工程地質(zhì)勘察階段的重要參數(shù)，影響著后期地基處理方案的選擇與設(shè)計(jì)。目前，關(guān)于土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定主要有室內(nèi)剪切試驗(yàn)與原位剪切試驗(yàn)兩種方式。室內(nèi)剪切試驗(yàn)常常用的包括直剪試驗(yàn)與三軸試驗(yàn)等。直剪試驗(yàn)具有設(shè)備簡單，土樣制備及試驗(yàn)操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但不能嚴(yán)格控制排水條件，使得在測定濕陷性土體時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果不準(zhǔn)確；三軸試驗(yàn)?zāi)芨玫哪M土體在地層中的受力情況，且能準(zhǔn)確測定剪切過程中孔隙水壓力變化，但制樣復(fù)雜，操作困難，且常見的假三軸試驗(yàn)也難以較好的模仿地層條件。

2、相比室內(nèi)剪切試驗(yàn)，原位剪切試驗(yàn)具有代表性強(qiáng)，擾動性小，能真實(shí)、精確地反映工程實(shí)際情況等優(yōu)點(diǎn)，能夠極大滿足工程設(shè)計(jì)及災(zāi)害治理的需求。目前，土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定的原位剪切試驗(yàn)主要包括土柱剪切與孔內(nèi)拉拔兩種方法。土柱剪切法需要挖開試坑，留下土柱做剪切試驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且只能進(jìn)行表層土體的試驗(yàn)，無法對不同深度的濕陷性土體進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試；孔內(nèi)拉拔法是將剪切裝置與鉆孔內(nèi)壁緊貼，使用相應(yīng)的壓力裝置對孔壁施加法向應(yīng)力，再提拉整個(gè)剪切裝置以獲取界面參數(shù)?？變?nèi)拉拔法雖然彌補(bǔ)了土柱剪切法難以獲取深部土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的不足，但所得到的參數(shù)是剪切裝置與土體的界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，與土體真實(shí)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有一定的差距；且孔內(nèi)拉拔法對孔外基座產(chǎn)生巨大壓力，并不利于裝置的穩(wěn)定，同時(shí)剪切速率也難以保證。

3、上述的室內(nèi)、原位剪切試驗(yàn)過程中，土體的剪切面均發(fā)生了變化，難以獲取當(dāng)前土層土體的多個(gè)剪切參數(shù)，導(dǎo)致無法精確反映土體抗剪強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，提供一種原位環(huán)剪裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的原位剪切試驗(yàn)存在的僅能獲取剪切裝置與土體的界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)且由于剪切后會破壞當(dāng)前土層土體難以獲取當(dāng)前土層土體多個(gè)剪切參數(shù)，導(dǎo)致無法精確反映土體抗剪強(qiáng)度的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明的第一方面提供了一種原位環(huán)剪裝置，包括施力組件和設(shè)置于鉆孔內(nèi)并與所述鉆孔同軸的環(huán)剪組件；所述施力組件與所述環(huán)剪組件相接，用于帶動所述環(huán)剪組件周向轉(zhuǎn)動；所述環(huán)剪組件包括旋轉(zhuǎn)軸、剪切筒和環(huán)剪單元；所述旋轉(zhuǎn)軸的一端與所述施力組件連接，另一端伸入至所述剪切筒內(nèi)，并與所述剪切筒固定連接；所述環(huán)剪單元設(shè)置于所述剪切筒的底板外側(cè)，并插入至所述鉆孔底部的土體內(nèi)，用于對所述土體進(jìn)行環(huán)狀剪切；所述環(huán)剪單元包括高度相等的外圓環(huán)、內(nèi)圓環(huán)和多根剪切針；所述外圓環(huán)的直徑與所述剪切筒的外徑相同；所述內(nèi)圓環(huán)的直徑與所述旋轉(zhuǎn)軸的外徑相同；所述多根剪切針設(shè)置于所述外圓環(huán)和所述內(nèi)圓環(huán)形成的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。

3、優(yōu)選地，所述環(huán)剪組件還包括荷載施加單元；所述荷載施加單元設(shè)置于所述剪切筒內(nèi)，用于向所述環(huán)剪單元施加豎向荷載。

4、優(yōu)選地，所述荷載施加單元包括施力件；所述施力件包括多個(gè)圓弧狀砝碼，多個(gè)圓弧狀砝碼首尾相接形成圓環(huán)。

5、優(yōu)選地，所述施力件的數(shù)量為多組；多組施力件沿所述剪切筒的軸線方向?qū)盈B設(shè)置。

6、優(yōu)選地，還包括數(shù)據(jù)采集單元；所述數(shù)據(jù)采集單元與所述施力組件相接，用于獲取所述施力組件的扭矩和與所述施力組件連接所述旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角。

7、優(yōu)選地，還包括與所述數(shù)據(jù)采集單元連接的數(shù)據(jù)處理單元。

8、優(yōu)選地，所述環(huán)剪組件還包括多個(gè)固定螺栓；所述旋轉(zhuǎn)軸外壁設(shè)置有多條平行設(shè)置的滑軌；每條所述滑軌沿所述旋轉(zhuǎn)軸的軸向延伸；所述剪切筒內(nèi)設(shè)置有與所述滑軌匹配的凹槽，所述凹槽與對應(yīng)的滑軌相接；所述多個(gè)固定螺栓分別穿過相接的滑軌與凹槽。

9、優(yōu)選地，還包括支撐組件和伸縮組件；所述支撐組件設(shè)置于所述鉆孔所在地面上，且所述支撐組件的重心位于所述鉆孔的軸線上；所述伸縮組件的一端與所述施力組件相接，另一端與所述支撐組件相接；所述伸縮組件的伸縮端沿所述鉆孔的軸向運(yùn)動。

10、本發(fā)明的第二方面提供了一種原位環(huán)剪方法，包括：

11、步驟1、組裝上述原位環(huán)剪裝置。

12、步驟2、將組裝后的原位環(huán)剪裝置中的環(huán)剪單元下放至鉆孔底部的土體內(nèi)。

13、步驟3、利用施力組件向所述環(huán)剪單元施加扭矩進(jìn)行剪切，當(dāng)扭矩不變時(shí)停止剪切。

14、優(yōu)選地，在所述步驟3之后還包括：

15、步驟4、根據(jù)剪切完成時(shí)所述施力組件的扭矩、所述環(huán)剪單元內(nèi)外圓環(huán)的半徑和內(nèi)圓環(huán)的半徑確定所述土體的剪應(yīng)力。

16、步驟5、根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角、所述環(huán)剪單元內(nèi)外圓環(huán)的半徑、內(nèi)圓環(huán)的半徑和所述環(huán)剪單元的高度確定所述土體的剪應(yīng)變。

17、本發(fā)明的原位環(huán)剪裝置及方法，相較于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果：

18、本發(fā)明的原位環(huán)剪裝置及方法，由于采用環(huán)剪方式，因此可獲得土體整體的剪切參數(shù)，更為準(zhǔn)確。進(jìn)一步地，本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行環(huán)剪，在剪切完成后對周圍土體的影響微小，因此，可對鉆孔內(nèi)同一土層的土體由外向內(nèi)或者由內(nèi)向外進(jìn)行多次剪切，可獲取更為全面、準(zhǔn)確的剪切參數(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種原位環(huán)剪裝置，其特征在于，包括施力組件和設(shè)置于鉆孔內(nèi)并與所述鉆孔同軸的環(huán)剪組件；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，所述環(huán)剪組件還包括荷載施加單元；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，所述荷載施加單元包括施力件；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，所述施力件的數(shù)量為多組；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)采集單元；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，還包括與所述數(shù)據(jù)采集單元連接的數(shù)據(jù)處理單元。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，所述環(huán)剪組件還包括多個(gè)固定螺栓；

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的原位環(huán)剪裝置，其特征在于，還包括支撐組件和伸縮組件；

9.一種原位環(huán)剪方法，其特征在于，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的原位環(huán)剪方法，其特征在于，在所述步驟3之后還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于工程地質(zhì)勘查技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種原位環(huán)剪裝置及方法，其中裝置包括施力組件和設(shè)置于鉆孔內(nèi)并與鉆孔同軸的環(huán)剪組件；施力組件與環(huán)剪組件相接，用于帶動環(huán)剪組件周向轉(zhuǎn)動；環(huán)剪組件包括旋轉(zhuǎn)軸、剪切筒和環(huán)剪單元；旋轉(zhuǎn)軸的一端與施力組件連接，另一端伸入至剪切筒內(nèi)，并與剪切筒固定連接；環(huán)剪單元設(shè)置于剪切筒的底板外側(cè)，并插入至鉆孔底部的土體內(nèi)，用于對土體進(jìn)行環(huán)狀剪切；環(huán)剪單元包括高度相等的外圓環(huán)、內(nèi)圓環(huán)和多根剪切針；外圓環(huán)的直徑與剪切筒的外徑相同；內(nèi)圓環(huán)的直徑與旋轉(zhuǎn)軸的外徑相同；多根剪切針設(shè)置于外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)形成的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明由于采用環(huán)剪方式，因此可獲得土體整體的剪切參數(shù)，更為準(zhǔn)確。

技術(shù)研發(fā)人員：謝婉麗,李欣雨,霍開梽,狄圣杰,張瑩,何小亮,滕海鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2