用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪及测试方法

摘要

本发明是用于原位测试土体抗剪强度值的仪器，属于岩土工程技术领域。单向轴承包括上单向轴承和下单向轴承，连接件包括上连接件和下连接件；上连接件与下连接件的纵截面成漏斗形，上连接件和下连接件较宽的一端分别与上单向轴承、下单向轴承固定，上连接件套置在下连接件的外侧；剪切板分成上剪切板与下剪切板且横截面成十字形，上剪切板和下剪切板分别与上连接件、下连接件固定。本发明可分别测定出土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值，克服了常规十字板剪切仪不能将这两者分开的不足。通过分离土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值，提高了土体原位抗剪强度值的测试精度。

权利要求

1.一种用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，包括齿轮扭力装置（1），扭矩测量装置（2），转轴（3），单向轴承（4），连接件（5），剪切板（6）；所述的齿轮扭力装置（1）驱动转轴（3），转轴（3）的靠近底端的轴身处固定套置单向轴承（4），剪切板（6）通过单向轴承（4）和连接件（5）与转轴（3）相连，单向轴承（4）包括上单向轴承（9）和下单向轴承（10），连接件（5）包括上连接件（11）和下连接件（12）；所述的上连接件（11）与下连接件（12）的纵截面成漏斗形，上连接件（11）和下连接件（12）较宽的一端分别与上单向轴承（9）、下单向轴承（10）固定，上连接件（11）套置在下连接件（12）的外侧；剪切板（6）分成上剪切板（7）与下剪切板（8）且横截面成十字形，上剪切板（7）和下剪切板（8）分别与上连接件（11）、下连接件（12）固定；其特征在于：上单向轴承（9）和下单向轴承（10）的相对转动方向相反；

上剪切板（7）与下剪切板（8）的大小相等；上剪切板（7）与下剪切板（8）上下相邻。

2.根据权利要求1所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，其特征在于：上剪切板（7）的中心呈圆管状，与上连接件（11）连接并套置在下连接件（12）外侧。

3.利用权利要求1所述的用于原位测试土体的双十字检测仪的检测方法，其特征在于：方法如下：

1）、装配仪器：将上下两块剪切板对齐，压入测试土体中；

2）、启动仪器进行一次实验：齿轮扭力装置（1）通过转轴（3）施加某一向扭矩使转轴朝一向转动，通过一组单向轴承带动一块十字板对土体进行剪切；

3）、通过扭矩测量装置（2）测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M1；

4）、启动仪器进行二次实验：齿轮扭力装置（1）通过转轴（3）施加反方向扭矩使转轴朝反方向转动，通过另一组单向轴承带动另一块十字板对土体进行剪切；

5）、通过扭矩测量装置（2）测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M2；

6）、通过如下公式：

△M=M1－M2

计算得出土体剪破时在一个水平面上的剪应力所产生的抵抗力矩，进而求解水平方向上的抗剪强度值；

7）、将步骤6计算得出的水平方向上的抵抗力矩△M代入如下公式：

M3=M1－2△M

计算得出土体剪破时在竖直面上的剪应力所产生的抵抗力矩，进而求解竖直方向上的抗剪强度值。

说明书

用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪及测试方法

技术领域

[0001] 本发明是一种用于原位测试土体抗剪强度值的仪器，涉及一种由两块相同十字板组成且剪切方向相反的双十字剪切板，该仪器可分别测试出土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值。属于岩土工程技术领域。

背景技术

[0002] 目前土体的抗剪强度试验主要有直接剪切试验、三轴试验、扭剪试验、无侧限抗压强度试验及十字板剪切试验等。前四种试验均属室内试验，需取土样进行，取土不可避免地对土样进行扰动，影响试验精度。十字板剪切试验属原位测试方法，该方法可避免取土扰动的影响，适合于现场测定饱和粘性土的原位不排水抗剪强度，其具有仪器构造简单、操作方便的优点，在工程建设中应用广泛。但对于土体而言，由于受固结程度不同或各向异性的影响，一般情况下在水平方向和竖直方向上的抗剪强度值是不相等的，而十字板剪切试验在抗剪强度值计算过程中把土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值当作相同数值，因此其计算方法并不严格，这是十字板剪切仪的一个不足之处。

发明内容

[0003] 本发明针对上述仪器及试验方法的不足提供了一种用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪及测试方法。

[0004] 本发明采用如下技术方案：

[0005] 本发明所述的一种用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，包括齿轮扭力装置，扭矩测量装置，转轴，单向轴承，连接件，剪切板；所述的齿轮扭力装置驱动转轴，转轴的靠近底端的轴身处固定套置单向轴承，剪切板通过单向轴承和连接件与转轴相连，单向轴承包括上单向轴承和下单向轴承，连接件包括上连接件和下连接件；所述的上连接件与下连接件的纵截面成漏斗形，上连接件和下连接件较宽的一端分别与上单向轴承、下单向轴承固定，上连接件套置在下连接件的外侧；剪切板分成上剪切板与下剪切板且横截面成十字形，上剪切板和下剪切板分别与上连接件、下连接件固定。

[0006] 本发明所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，上单向轴承和下单向轴承的相对转动方向相反。

[0007] 本发明所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，上剪切板的中心呈圆管状，与上连接件连接并套置在下连接件外侧。

[0008] 本发明所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，上剪切板与下剪切板的大小相等。

[0009] 本发明所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，上剪切板与下剪切板上下相邻。

[0010] 本发明所述的用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪，还包括圆锥头，所述的圆锥头布置在下剪切板的中心下端。

[0011] 本发明所述的用于原位测试土体的双十字检测仪的检测方法，方法如下：

[0012] 1)、装配仪器：将上下两块剪切板对齐，压入测试土体中；

[0013] 2)、启动仪器进行一次实验：齿轮扭力装置通过转轴施加某一向扭矩使转轴朝一向转动，通过一组单向轴承带动一块十字板对土体进行剪切；

[0014] 3)、通过扭矩测量装置测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M1；

[0015] 4)、启动仪器进行二次实验：齿轮扭力装置通过转轴施加反方向扭矩使转轴朝反方向转动，通过另一组单向轴承带动另一块十字板对土体进行剪切；

[0016] 5)、通过扭矩测量装置测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M2；

[0017] 6)、通过如下公式：

[0018] ΔM＝M1-M2

[0019] 计算得出土体剪破时在一个水平面上的剪应力所产生的抵抗力矩，进而求解水平方向上的抗剪强度值；

[0020] 7)、将步骤6计算得出的水平方向上的抵抗力矩ΔM代入如下公式：

[0021] M3＝M1-2ΔM

[0022] 计算得出土体剪破时在竖直面上的剪应力所产生的抵抗力矩，进而求解竖直方向上的抗剪强度值。

[0023] 有益效果

[0024] 本发明可分别测定出土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值，克服了常规十字板剪切仪不能将这两者分开的不足。本发明通过分离土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值，提高了土体原位抗剪强度值的测试精度。本发明实现了各向异性土体的原位测试，克服了室内试验操作复杂和取土扰动的缺点。本发明可作为各向异性土体研究的新方法，填补各向异性土体现场特性研究的空白。

附图说明

[0025] 图1是本发明的结构示意图；

[0026] 图2是本发明的双十字剪切板结构及其与转动轴连接件示意图；

[0027] 图3是本发明的连接件结构示意图；

[0028] 图4是本发明的单块十字剪切板示意图；

[0029] 图5是本发明的十字剪切板横截面图；

[0030] 图6是本发明的单块剪切板所剪破的空心圆柱土体形状图；

[0031] 图7是用本发明在A试验区进行试验所测试的土体不排水抗剪强度随深度的变化图；

[0032] 图8是用本发明在B试验区进行试验所测试的土体不排水抗剪强度随深度的变化图；

[0033] 图中：1是齿轮扭力装置，2是扭矩测量装置，3是转轴，4是单向轴承，5是连接件，6是剪切板，7是上剪切板，8是下剪切板，9是上单向轴承，10是下单向轴承，11是上连接件，12是下连接件，13是圆锥头。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明进一步详细说明：

[0035] 如图所示：一种用于原位测试土体的双十字检测仪，包括齿轮扭力装置1，扭矩测量装置2，转轴3，单向轴承4，连接件5，剪切板6，上剪切板7，下剪切板8，上单向轴承9，下单向轴承10，上连接件11，下连接件12，圆锥头13。

[0036] 齿轮扭力装置1驱动转轴3，转轴3的靠近底端的轴身处固定套置单向轴承4，剪切板6通过单向轴承4和连接件5与转轴3相连，单向轴承4包括上单向轴承9和下单向轴承10，连接件5包括上连接件11和下连接件12。上连接件11与下连接件12的纵截面成漏斗形，上连接件11和下连接件12较宽的一端分别与上单向轴承9、下单向轴承10固定，上连接件11套置在下连接件12的外侧；剪切板6分成上剪切板7与下剪切板8且横截面成十字形，上剪切板7和下剪切板8分别与上连接件11、下连接件12固定。上单向轴承9和下单向轴承10的相对转动方向相反。上剪切板7的中心呈圆管状，与上连接件11连接并套置在下连接件12外侧。上剪切板7与下剪切板8的大小相等。上剪切板7与下剪切板8上下相邻。圆锥头13布置在下剪切板8的中心下端。

[0037] 用于原位测试土体抗剪强度值的双十字检测仪的检测方法，通过相邻的两块大小相同的剪切板先后剪切土体，使两次被剪破的土体有一个共同的剪切面，由这两次剪切试验的扭矩计算出土体水平方向和竖直方向的剪应力抵抗力矩，进而分别求解水平方向和竖直方向的抗剪强度值。方法如下：

[0038] 第一步，将上下两块剪切板对齐，压入测试土体中，施加某一向扭矩使转轴朝一向转动，通过一组单向轴承带动一块十字板对土体进行剪切，通过扭矩测量装置测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M1；

[0039] 第二步，施加反方向扭矩使转轴朝反方向转动，通过另一组单向轴承带动另一块十字板对土体进行剪切，通过扭矩测量装置测出土体剪破时施加于剪切板上的扭矩的绝对值M2。

[0040] 第一次被剪破的土体与第二次被剪破的土体有一个共同的剪切面，两次剪切试验的扭矩差就是土体被剪破时这个共同剪切面上的剪应力所产生的抵抗力矩。

[0041] 设土体水平方向的抗剪强度值为τ1，竖直方向的抗剪强度值为τ2；单块剪切板高为a、宽为D，剪切板中心的圆管直径为d(如图5)，则被单块板剪破的土体为一个空心圆柱体(如图6)，该空心圆柱土体的内直径与剪切板中心的圆管直径d相等，外直径与剪切板的宽度D相等，高度与剪切板的高度a相等。

[0042] 土体剪破时在一个水平面上的剪应力所产生的抵抗力矩为

[0043] ΔM＝M1-M2 (1)

[0044] 土体剪破时在竖直面上的剪应力所产生的抵抗力矩为

[0045] M3＝M1-2ΔM＝2M2-M1 (2)

[0046] 在竖直面上，土体剪破时抗剪强度值为τ2，则有，

[0047] M3＝πD(D/2)aτ2 (3)

[0048] 即，

[0049] τ2＝2M3/(πD2a) (4)

[0050] 在水平面上，设土体剪破时其上的剪应力分布函数为τ＝f(τ1)，有，[0051]

[0052] 记为，

[0053] ΔM＝g(τ1) (6)

[0054] 运用反函数运算可得，

[0055] τ1＝g-1(ΔM) (7)

[0056] 若d远远小于D，则可把空心圆柱体当成实心圆柱体看待，以简化计算。设土体剪破时水平面上的剪应力呈线性分布，圆心处为零，圆周处为最大值，即水平方向的抗剪强度值τ1，则有：

[0057] ΔM＝πD3τ1/16 (8)

[0058] 得，

[0059] τ1＝16ΔM/(πD3) (9)

[0060] 通过以上试验及计算，便可方便的算出土体水平方向和竖向方向的抗剪强度值τ1和τ2。

[0061] 实施例1

[0062] 在A试验区进行土体原位剪切试验，十字板规格为：单块板高30mm，宽90mm，高宽比为1∶3，剪切板中心的圆管直径为11.5mm，该试验区域土质为淤泥，试验点间距为1m(每1m做一次试验)，τ1为用本发明方法测试的水平抗剪强度值(计算中假设水平面上的剪应力呈线性分布，圆心处为零，圆周处为最大值τ1)，τ2为用本发明方法测试的竖向抗剪强度值，τ3为利用常规十字板剪切仪在前述试验地点旁边测试的抗剪强度值，试验结果见表1，强度Cu(KPa)随深度h(m)的变化如图7所示。

[0063] 表1 A试验区测试值

[0064]

[0065] 实施例2

[0066] 在B试验区进行原位剪切试验，十字板规格同实施例1，该试验区域土质为淤泥及淤泥质粘土，试验点间距为1m，τ1、τ2、τ3的含义与实施例1相同，试验结果见表2，强度Cu(KPa)随深度h(m)的变化如图8所示。

[0067] 表2 B试验区测试值

[0068]

[0069] 从以上2个试验的结果可看出，采用本发明的仪器及试验方法测试的土体水平方向抗剪强度值τ1和竖直方向抗剪强度值τ2呈规律性分布，在Cu-h图上表现为τ2-h线与τ3-h线大致重合，这与常规十字板剪切仪的测试值主要反映土体竖直面上的抗剪强度值相符；τ1-h线在τ2-h线右侧，τ1值比τ2值大，这是因为土体水平面上的剪前有效固结应力σcz为大主应力，该面上的强度为大值，竖直面上的剪前有效固结应力k0σcz为小主应力，该面上的强度为小值，试验结果表现出土体各向异性的性质。试验证明，本发明仪器及试验方法能分别测试出各向异性土体水平方向和竖直方向的抗剪强度值，可为各向异性土体的研究提供新的方法和思路，填补各向异性土体现场特性研究的空白。