用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置及试验方法

技术领域

本发明涉及工程勘察领域，具体涉及用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置及试验方法。

背景技术

岩土体的抗剪强度指标是研究岩土体力学性能，也是进行工程设计的重要参数。常用的测量土体抗剪强度的方法有室内和现场试验两种。

室内试验包括直接剪切试验和三轴剪切试验。直接剪切试验仪器构造简单，操作方便，但是无法保证剪切面是试样抗剪能力最弱的面，剪切面上的剪应力分布不均匀，导致试验结果不准确；同时在剪切过程中试样受剪切面积逐步减小，不能严格控制排水条件，无法测定剪切过程中孔隙水压力的变化。三轴剪切试验构造简单、操作方便，试验中能严格控制试样排水条件及测定孔隙水压力的变化，应力状态比较明确，缺点是操作复杂、所需试样较多、主应力方向固定不变；对试样制备要求较高，使用范围有一定的局限性。

现场试验主要有现场剪切试验、十字板剪切试验和钻孔剪切试验等。现场剪切试验包括大剪仪法、千斤顶法、水平挤出法推剪试验和一次水平剪切法剪切试验法。现场剪切试验现场直剪试验可用于岩土体本身、岩土体沿软弱结构面和岩体与其他材料接触面的剪切试验，但是缺点是制样困难、仪器庞大，试验时间长成本高。十字板剪切试验能在现场快速测定饱和粘性土不排水强度，但是十字板剪切试验的适用范围较小，较适合于软粘土，不宜在硬塑粘性土和含有砾石杂物的土中使用。钻孔剪切试验采用可张开的探头在钻孔壁进行原位剪切试验，可提供有关土体或软岩体的强度指标，其最大的优点是操作简便，可重复性较高。有资料表明，钻孔剪切试验的结果非常接近于固结不排水剪切参数。缺点是现有钻孔剪切设备的剪切探头由国外研发，其钻孔孔径远小于我国常规勘察孔的孔径，在试验前需另外开孔耗时耗力；此外现有剪切探头的齿间距较小，在试验时可能会因为无法完全切入土体而导致试验结果的误差。

综上所述，现有技术中的测量土体抗剪强度的方法均具备一些缺点和使用局限性，无法全部适用于均质土以及粗粒土（砂砾）等非均质土以及泥岩等软岩中。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置及试验方法，解决了常用的测量土体抗剪强度的方法存在使用局限性，无法全部适用于均质土以及粗粒土（砂砾）等非均质土以及泥岩等软岩中的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供了用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置，其包括施加荷载组件、剪切土体组件和数据采集组件；

施加荷载组件用于向剪切土体组件施加竖向荷载和轴向旋转荷载；

剪切土体组件包括多个剪切片，多个剪切片受到竖向荷载后弹开插入原状土中，插入原状土中的多个剪切片受到轴向旋转荷载后剪切原状土；

数据采集组件用于采集多个剪切片剪切原状土过程中的扭矩值。

本发明中用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置的原理为：施加荷载组件对剪切片施加竖向荷载和轴向旋转荷载，使得剪切片完全插入原状土土体内部，保证剪切片接触到的土体均为原状土，减小试验数据误差；剪切土体组件中的剪切片间距较现有钻孔剪切仪更大，可用于均质土以及粗粒土等非均质土以及泥岩等软岩中，数据采集组件采集多个剪切片剪切原状土过程中的扭矩值计算原状土的抗剪强度参数。

进一步地，作为施加荷载组件的具体设置方式，施加荷载组件包括钻机，钻机包括钻杆和设置于钻杆顶部的伺服电机；

剪切土体组件通过钻杆接头与钻杆的底部连接；伺服电机的输出端与钻杆的顶部连接；

钻杆和伺服电机分别用于向剪切土体组件施加竖向荷载和轴向旋转荷载。

进一步地，作为剪切土体组件的具体设置方式，剪切土体组件还包括呈中空圆筒结构的剪切筒，剪切筒内竖直活动设置有旋转压轴，旋转压轴的上半段为轴向圆柱结构，旋转压轴上半段的顶部设置有钻杆接头；

旋转压轴的下半段为尖端朝下的圆锥结构；

旋转压轴与剪切筒可滑动连接；

剪切筒的底部圆周外壁上设置有环形安装槽，环形安装槽内以剪切筒的轴线为中心环向间隔均匀设置有4个剪切片；每个剪切片均呈圆弧弯曲板状结构，剪切片的长度方向与剪切筒的长度方向同向，4个剪切片围成一个筒状结构，筒状结构的轴线与剪切筒的轴线中心重合；

每个剪切片的内曲面上均向剪切筒的轴线中心方向凸起设置有一个连接块，每个连接块呈上端小下端大的类梯形结构，连接块的内侧侧面上沿其长度方向设置有一个横截面为T型槽的配合槽；连接块的内侧侧面的倾斜斜度与旋转压轴下半段的母线斜率相同；

环形安装槽的槽底开设有4个分别供4块连接块部分穿过的缺口；连接块的内侧侧面穿过缺口位于剪切筒内部；

旋转压轴的下半段的圆锥面上以旋转压轴的轴线为中心环形间隔设置有4根导轨条；每条导轨条的长度方向均由旋转压轴下半段的大径端朝向旋转压轴下半段的小径端方向设置；

每条导轨条的横截面均为“T”型块，每条导轨条均匹配一个连接块，导轨条滑动设置于配合槽内。

进一步地，位于剪切筒内的旋转压轴上半段的圆周外壁上环形间隔均匀设置有多条限位条；多条限位条与旋转压轴上半段的圆周外壁上为可拆卸连接；

剪切筒的两端具有开口，剪切筒的圆周内壁上设置多个与多条限位条滑动配合的限位槽；限位条和限位槽均沿旋转压轴的轴向方向设置。

进一步地，剪切筒的顶部开口处设置有限位法兰；限位法兰的内环直径大于旋转压轴上半段的直径，小于剪切筒的内径。

进一步地，剪切筒的底部开口处设置有回弹组件，回弹组件包括弹簧套筒，弹簧套筒的顶端具有开口，底端封闭；弹簧套筒的顶部与剪切筒的底部连接，弹簧套筒内部设置有复位弹簧，复位弹簧的底端与弹簧套筒的内底面固定连接，复位弹簧的顶部固定设置有一块推板；

钻杆下压时，旋转压轴的下半段穿过弹簧套筒的顶部开口与推板的上端面接触。

进一步地，弹簧套筒的底部设置有呈圆柱结构的旋转底座，旋转底座的轴线与弹簧套筒的轴线重合；弹簧套筒内部设置有一根螺纹圆柱销，螺纹圆柱销的轴线与弹簧套筒的轴线重合，螺纹圆柱销的螺纹端穿过弹簧套筒的底端与旋转底座的中心处螺纹配合；螺纹圆柱销的光轴部分与弹簧套筒的底端转动配合；旋转底座和弹簧套筒之间设置有推力轴承。

本发明还提供用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置的试验方法，其包括：步骤1、通过钻机进行钻孔；

步骤2、在地面对剪切土体组件进行标定，即通过钻杆施加竖向荷载，数据采集组件测出多个剪切片弹开所需的荷载值；

步骤3、钻杆带动剪切土体组件放入钻孔至预设试验深度，使剪切土体组件的底部与钻孔底面的土体接触；

步骤4、钻杆持续下压，对剪切土体组件中的多个剪切片施加竖向荷载，多个剪切片受到竖向荷载后弹开后全部插入原状土中；

步骤5、保持竖向荷载恒定，启动伺服电机旋转多个剪切片开展孔壁旋压剪切试验，多个剪切片旋转90°后试验停止；

步骤6、数据采集组件包括扭矩传感器和压力传感器，

扭矩传感器采集孔壁旋压剪切试验过程中对多个剪切片施加的最大扭矩数据，压力传感器采集多个剪切片收到的最大法向力数据，并根据最大扭矩和最大法向力数据计算原状土的抗剪强度参数。

进一步地，在步骤6中，计算原状土的抗剪强度参数的具体过程为：

其中，

在4个相邻的钻孔内同一深度处，获取4个不同钻孔同一深度处原位土体的最大剪应力

以最大法向力

本发明的有益效果为：可以在我国常规孔径的勘察孔直接开展原位钻孔剪切试验，降低开孔成本；采用机械精确施加竖向荷载，既可以确保剪切片插入原状土，又保证试验精度；减小孔壁塌孔对钻孔剪切试验的影响，消除孔底土体与剪切探头底部的摩擦力；整个试验自动化程度高，满足快速准确获取原状土抗剪强度参数的要求。

附图说明

图1为用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置的结构示意图。

图2为剪切土体组件的三维结构示意图。

图3为剪切土体组件的内部结构示意图。

图4为旋转压轴的结构示意图。

图5为单个剪切片的结构示意图。

图6为剪切筒的结构示意图。

图7为图6中A-A方向的结构示意图。

其中，1、施加荷载组件；2、剪切土体组件；3、数据采集组件； 4、剪切片；5、钻机；6、钻杆；7、伺服电机；8、剪切筒；9、旋转压轴；10、钻杆接头；11、环形安装槽；12、连接块；13、配合槽；14、缺口；15、导轨条；16、限位条；17、限位槽；18、限位法兰；19、回弹组件；20、弹簧套筒；21、回复弹簧；22、推板；23、旋转底座；24、螺纹圆柱销；25、推力轴承。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明提供了用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置，其包括施加荷载组件1、剪切土体组件2和数据采集组件3。

施加荷载组件1用于向剪切土体组件2施加竖向荷载和轴向旋转荷载。

剪切土体组件2包括多个剪切片4，多个剪切片4受到竖向荷载后弹开插入原状土中，插入原状土中的多个剪切片4受到轴向旋转荷载后剪切原状土。

数据采集组件3用于采集多个剪切片4剪切原状土过程中的扭矩值。

施加荷载部分可以为钻机5、千斤顶或者其他装置，本实施例中优选钻机5作为施加荷载组件1，具体地，施加荷载组件1包括钻机5，钻机5包括钻杆6和设置于钻杆6顶部的伺服电机7。

剪切土体组件2通过钻杆接头10与钻杆6的底部连接；伺服电机7的输出端与钻杆6的顶部连接。钻杆6和伺服电机7分别用于向剪切土体组件2施加竖向荷载和轴向旋转荷载。

在本实施例中，如图2和图3所示，作为剪切土体组件2的具体设置方式，剪切土体组件2还包括呈中空圆筒结构的剪切筒8，剪切筒8内竖直活动设置有旋转压轴9，旋转压轴9的上半段为圆柱结构，旋转压轴9上半段的顶部设置有钻杆接头10；旋转压轴9的下半段为尖端朝下的圆锥结构。

剪切筒8的底部圆周外壁上设置有环形安装槽11，环形安装槽内以剪切筒8的轴线为中心环向间隔均匀设置有4个剪切片4；每个剪切片4均呈圆弧弯曲板状结构，剪切片4的长度方向与剪切筒8的长度方向同向，4个剪切片4围成一个筒状结构，筒状结构的轴线与剪切筒8的轴线中心重合。

如图5所示，每个剪切片4的内曲面上均向剪切筒8的轴线中心方向凸起设置有一个连接块12，每个连接块12呈上端小下端大的类梯形结构，连接块12的内侧侧面上沿其长度方向设置有一个横截面为T型槽的配合槽13；连接块12的内侧侧面的倾斜斜度与旋转压轴9下半段的母线斜率相同。

环形安装槽11的槽底开设有4个分别供4块连接块12部分穿过的缺口14；连接块12的内侧侧面穿过缺口14位于剪切筒8内部。

如图4所示，旋转压轴9的下半段的圆锥面上以旋转压轴9的轴线为中心环形间隔设置有4根导轨条15；每条导轨条15的长度方向均由旋转压轴9下半段的大径端朝向旋转压轴9下半段的小径端方向设置。

每条导轨条15的横截面均为“T”型块，每条导轨条15均匹配一个连接块12，导轨条15滑动设置于配合槽13内。

在开展孔壁旋压剪切试验过程中，首先通过钻杆接头10将旋转压轴9与钻杆6的底部连接固定，钻杆6的顶部连接伺服电机7的动力输出轴，然后利用钻机5和钻杆6将整个剪切土体组件2下放至钻孔内的指定深度，确保剪切土体组件2的底部与钻孔孔底的土体接触，接着通过钻机5带动钻杆6下压，然后下压的钻杆6通过钻杆接头10将力传递至旋转压轴9上，旋转压轴9相对于剪切筒8竖直向下运动，旋转压轴9在竖直向下运动过程中，旋转压轴9下半段圆锥面上的导轨条15与剪切片4上连接块12的配合槽13配合，随着旋转压轴9的持续竖直向下运动，实现使多个剪切片4朝向旋转压轴9的径向方向撑开，直至多个剪切片4插入原状土体内；最后启动伺服电机7开始旋压剪切试验，设置伺服电机7在剪切片4转动90°后自动停止旋转，钻机5停止施加竖向荷载，此时数据采集组件3记录、保存并导出完整的剪切过程中数据采集系统内保存的扭矩值数据。

具体地，数据采集组件3包括相互电性连接的控制器、扭矩传感器和压力传感器，扭矩传感器设置于伺服电机7上，以采集伺服电机7对剪切片4施加的扭矩值，压力传感器设置于钻杆6和剪切土体组件2之间，以采集剪切片4受到的最大法向力。数据采集组件3中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。

优选但不局限地，如图4、图6和图7所示，位于剪切筒8内的旋转压轴9上半段的圆周外壁上环形间隔均匀设置有多条限位条16；多条限位条16与旋转压轴9上半段的圆周外壁上为可拆卸连接。剪切筒8的两端具有开口，剪切筒8的圆周内壁上设置多个与多条限位条16滑动配合的限位槽17；限位条16和限位槽17均沿旋转压轴9的轴向方向设置。

限位条16和限位槽17的配合，实现了限制旋转压轴9的旋转自由度，使得旋转压轴9只能在剪切筒8内竖直位移，避免旋转压轴9相对于剪切筒8发生相对转动。

为了将旋转压轴9固定在剪切筒8内，避免旋转压轴9在剪切试验过程中出现脱离剪切筒8的情况，优选地，剪切筒8的顶部开口处设置有限位法兰18；限位法兰18的内环直径大于旋转压轴9上半段的直径，小于剪切筒8的内径。

优选但不局限地，剪切筒8的底部开口处设置有回弹组件19，回弹组件19包括弹簧套筒20，弹簧套筒20的顶端具有开口，底端封闭；弹簧套筒20的顶部与剪切筒8的底部连接，弹簧套筒20内部设置有复位弹簧，复位弹簧的底端与弹簧套筒20的内底面固定连接，复位弹簧的顶部固定设置有一块推板22；钻杆6下压时，旋转压轴9的下半段穿过弹簧套筒20的顶部开口与推板22的上端面接触，并压缩回复弹簧21。

在剪切试验完成后，钻杆6带动剪切土体组件2向上提拉，此时旋转压轴9相对于剪切筒8发生向上的相对运动同时回复弹簧21推动旋转压轴9向上运动，而向上运动的旋转压轴9将4个剪切片4收缩回环形安装槽11内，起到主动收纳剪切片4的作用；同时由于回弹组件19的设置，使得剪切片4与钻孔孔底的土体有一定距离，消除孔壁塌孔对试验精度的影响。

优选地，弹簧套筒20的底部设置有呈圆柱结构的旋转底座23，旋转底座23的轴线与弹簧套筒20的轴线重合；弹簧套筒20内部设置有一根螺纹圆柱销24，螺纹圆柱销24的轴线与弹簧套筒20的轴线重合，螺纹圆柱销24的螺纹端穿过弹簧套筒20的底端与旋转底座23的中心处螺纹配合；螺纹圆柱销24的光轴部分与弹簧套筒20的底端转动配合；旋转底座23和弹簧套筒20之间设置有推力轴承25。上述设置，使得旋转底座23可以相对于弹簧套筒20的底部发生旋转，但不会将扭矩传递至弹簧套筒20上，进而实现在剪切试验过程中消除孔底土体和剪切土体组件2之间摩擦力的影响，进一步提高试验精度。

本发明还提供一种用于原位钻孔剪切试验的孔壁旋压剪切装置的试验方法，其包括：步骤1、通过钻机5进行钻孔；

步骤2、在地面对剪切土体组件2进行标定，即通过钻杆6施加竖向荷载，数据采集组件3测出多个剪切片4弹开所需的荷载值；

步骤3、钻杆6带动剪切土体组件2放入钻孔至预设试验深度，使剪切土体组件2的底部与钻孔底面的土体接触；

步骤4、钻杆6持续下压，对剪切土体组件2中的多个剪切片4施加竖向荷载，多个剪切片4受到竖向荷载后弹开后全部插入原状土中；

步骤5、保持竖向荷载恒定，启动伺服电机7旋转多个剪切片4开展孔壁旋压剪切试验，多个剪切片4旋转90°后试验停止；

步骤6、数据采集组件3包括扭矩传感器和压力传感器，

扭矩传感器采集孔壁旋压剪切试验过程中对多个剪切片4施加的最大扭矩数据，压力传感器采集多个剪切片4收到的最大法向力数据，并根据最大扭矩和最大法向力数据计算原状土的抗剪强度参数。

进一步地，在步骤6中，计算原状土的抗剪强度参数的具体过程为：

其中，

在4个相邻的钻孔内同一深度处，获取4个不同钻孔同一深度处原位土体的最大剪应力

以最大法向力

综上所述，上述试验方法可以快速在钻孔开展随钻原位钻孔剪切试验，自动、准确地获取原状土抗剪强度参数值，满足快速准确获取原状土抗剪强度参数的要求。