原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置及测定方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置及测定方法。带有圆锥状探头一的钻杆压入土层一定深度后停止，旋转探头，测最大扭力矩T0；带有扇状锥形板探头二替换探头一，在同一位置或稍有偏离，将其压入土层同一深度后，同时加载垂直荷载和扭力矩，剪切破坏土体，测垂直荷载W和土体抵抗扭矩的最大扭力矩TN，剪切力T＝TN-T0；然后由公式与确定(τ、σn)的值，由库伦公式或经验式法求取土体的粘聚力c和内摩擦角所述钻杆上端垂直连接把手，下端螺纹连接探头。该方法简单可行，可单人操作；装置体积小携带方便，应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置及测定方法
本专利技术属于岩土工程
，具体涉及一种原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置及测定方法。
技术介绍
本专利技术所述的稍微坚硬土层是指：用轻型圆锥动力触探试验对土层性质进行检测，其锤击数N10值为5～25之间的土层(轻型圆锥动力触探试验是以10Kg的锤，打入土层30cm的深度的锤击数为标准)。稍微坚硬的非饱和粘性土地基或边坡土层皆为自然界中广泛存在、常见的土层，在岩土工程中，评价其土体的承载力或抵抗滑坡能力，需要求抗剪强度(包括土的粘聚力和内摩擦角)。适合原位的贯入实验(如圆锥动力触探试验、静力触探试验)或载荷实验只可以取得土的垂直应力强度数据，无法求得土体的抗剪强度；矩形十字板剪切试验是快速测定土层抗剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法，但只适用于沿海饱和软土地区粘土层，并且只能测定土体的粘聚力c值，无法测定土体内摩擦角值，适用范围有限。目前国内常用的获得稍微坚硬的非饱和粘性土地基土层的粘聚力和内摩擦角的方法是：现场取数个未被扰动的样品，在实验室中进行室内三轴压缩试验或单剪试验；这些方法皆为实验室法，费时费力，并且破坏了土体的天然状态，结果并不能准确反映地基土内部的真实情况。因此，目前国内没有合适的岩土工程勘探设备，可以现场快速方便取得自然界常见稍微坚硬的非饱和粘性土地基土的c、等抗剪强度数据。找到一种简便可靠原位测定稍微坚硬非饱和粘性土层的抗剪强度的新仪器是目前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是：提供一种原位测定常见稍微坚硬的非饱和粘性土地基与边坡土的粘聚力c及内摩擦角的方法，可以原位快速简便测定土层的粘聚力和内摩擦角抗剪强度数据，操作简单，单人即可进行试验操作。本专利技术的另一个目的是：提供一种原位测定常见稍微坚硬的非饱和粘性土地基与边坡土的粘聚力及内摩擦角的试验装置，该装置体积小、重量轻、可拆卸、携带方便。为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，该装置包括把手、把手中空部位、测力计、扭力计、钻杆、探头一和探头二；所述钻杆上端通过螺纹固定在把手中间，钻杆下端通过螺纹固定连接探头；扭力计与测力计安装在钻杆上部；探头一为圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体，其顶锥角为50～70°；探头二包括圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体和在该圆锥体上呈圆周均布焊接的四枚相同的扇状锥形板，探头二构成的锥体顶角与探头一圆锥体顶角50～70°对应相同。所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，该装置共有10根钻杆，每根钻杆的长度为0.5m。所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，圆锥顶锥角为58～62°。所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，所述圆锥底面直径为15～30cm，所述与圆锥体匹配连接的截锥体高度为0.8～1.5cm。所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，所述探头二上四枚扇状锥形板宽度均为3～5cm，厚度为0.5cm。所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的装置，所述的圆锥状探头一为钢圆锥，探头二的锥形板为钢板。用上述装置测定稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的方法，该方法包括以下步骤：(1)在钻杆下端安装圆锥形探头一，缓慢的将圆锥探头压入土层中，深度至0.5～4m后停止压入，钻杆在不加载垂直荷载的状态下，缓缓的加扭力矩，旋转钻杆，测定出最大力矩为T0，T0为钻杆系统与土层之间产生的固有摩擦力，也为初始扭矩；(2)卸下探头一，装入探头二，在步骤(1)的同一位置或者偏离5～10cm的位置(为了减少土层扰动)，将扇状锥形板探头压入土层中，在压入土层深度与步骤(1)的深度相同时停止压入，同时施加垂直荷载和扭力矩，旋转探头将土体剪切破坏，形成圆锥状破坏面，测定出施加的垂直荷载W、土体抵抗扭矩的最大扭力矩为TN；(3)扇状锥形板探头二剪切土体的剪切力矩T＝TN-T0。(4)在同一土层或者边坡重复多次试验，得出多组(W，TN)值，用公式与确定数组(τ、σn)的数值，式中，H表示：土层剪切圆锥体圆锥的高度；σn表示：垂直应力；τ表示：剪切应力；然后用库伦公式或经验式法求取土体的粘聚力c和内摩擦角所述测定常见稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的方法，探头二上扇状锥形钢板的形状设计能够满足探头二进入土层实施扭转剪切后，土层剪切体形状与探头一圆锥体形状相似的要求。不管是圆锥探头一还是扇状锥形板探头二，插入土层中都以倾斜的方式进入，可以降低探头与土层的摩擦阻力，不损伤探头，对土层的扰动较小，也可顺利进入稍微坚硬的土层中。所述测定常见稍微坚硬土层粘聚力及内摩擦角的方法，新锥形十字板剪切试验实行人工操作，一般施加的垂直荷载值为400～600N，垂直荷载W与扭力矩数值的大小由钻杆上部的测力计和扭力计读出。垂直荷载与扭力矩的施加通过钻杆顶部的把手实施，手握把手，压住把手的同时慢慢转动把手，带动扇状锥形板探头二剪切土层，人工操作可以实现同时加载垂直荷载和扭力矩。探头压入土层的最终深度可以根据钻杆的长度及使用的钻杆根数读出。所述装置的剪切试验原理如下：(1)新锥形十字板剪切试验的测定方法与原矩形十字剪切试验测定方法完全不同，同时由于装置主体形状改变，装置的剪切试验原理也完全不一样。把土体看成近似理想的弹塑性体，剪切破坏过程遵守摩尔-库伦强度准则。当锥形板探头进入土层剪切时，剪切体形状为一圆锥体，以下为此装置的参数计算公式推导：如图4所示，土层剪切圆锥体圆锥的高为：H；考虑从圆锥尖端开始至高为h处的扇形微小面积；圆锥尖端角(锥倾斜面轴心所对应的角度)：θ；圆锥尖端至扇形微小面积的距离为：l；则l＝h/cosθ；锥状剪断面的微小面积为：作用在微小面积上的剪断应力记为：τ；作用在微小面积上的扭矩为：t；则作用在微小面积上的τ和t的关系为：另：则：对微小面积中的扭矩t进行积分计算，求整体T值：则：图5是土层剪切圆锥体的断面图；如图5所示，垂直荷载W分解成两个方向的应力σn与σm，σn向外作用于土层，σm向内作用于圆锥钻头上(忽略不计)，作用在土层圆锥体剪断面上的垂直应力σn，可以通过垂直方向的载荷值W计算出来：则：(2)改变土层位置，适当改变垂直荷载W值，按操作方法步骤重复测定，可以得出数组不同的W和TN值。根据W和TN值及上述计算公式，可以计算出数组垂直应力σn和剪断应力τ。(3)根据求出的数组垂直应力σn和剪断应力τ，以σn为横轴(X轴)，以τ为纵轴(Y轴)，作图；如图6所示，可以求得斜线上的截距c和斜率也可以通过摩尔-库伦强度公式：求得粘聚力c和内摩擦角本专利技术所述的稍微坚硬土层是指：用轻型圆锥动力触探试验对土层性质进行检测，其锤击数N10值为5～25之间的土层(轻型圆锥动力触探试验是以10Kg的锤，打入土层30cm的深度的锤击数为标准)。本专利技术与现有技术相比具有以下积极效果：(1)本专利技术提供了一种新的测定常见稍微坚硬的粘性土层粘聚力和内摩擦角的方法，该方法可以原位快速简便测定土层抗剪强度：粘聚力c和内摩擦角的数据。(2)本专利技术提供了一种新的测定常见稍微坚硬的粘性土层粘聚力和内摩擦角的试验装置，该装置体积小，重量轻，携带方便，试验可以单人操作。(3)本专利技术提供的新十字剪切板能够在自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置，该装置包括把手、把手中空部位、测力计、扭力计、钻杆、探头一和探头二；所述钻杆上端通过螺纹垂直固定在把手中间，钻杆下端通过螺纹固定连接探头；钻杆上部安装有扭力计与测力计，其特征在于：所述探头一为圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体，其顶锥角为50～70°；探头二包括圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体和在该圆锥体上呈圆周均布焊接的四枚相同的扇状锥形板，探头二构成的锥体顶角与探头一圆锥体顶角50～70°对应相同。

【技术特征摘要】
1.一种利用原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)在钻杆下端安装圆锥形探头一，缓慢的将圆锥探头压入土层中，深度至0.5～4m后停止压入，钻杆在不加载垂直荷载的状态下，缓缓的加扭力矩，旋转钻杆，测定出最大力矩T0，T0为钻杆系统与土层之间产生的固有摩擦力；(2)卸下探头一，装入探头二，在步骤(1)的同一位置或者偏离5～10cm的位置，将扇状锥形板探头压入土层中，压入土层深度与步骤(1)的深度相同时停止压入，同时施加垂直荷载和扭力矩，旋转探头将土体剪切破坏，形成圆锥状破坏面，测定出施加的垂直荷载W、土体抵抗扭矩的最大扭力矩TN；(3)扇状锥形板探头二剪切土体的剪切力矩T＝TN-T0；(4)在同一土层或者边坡重复多次试验，得出多组W、TN值，用公式与确定数组τ、σn的数值，式中，H表示：土层剪切圆锥体圆锥的高度；θ为锥倾斜面轴心所对应的角度；σn表示：垂直应力；τ表示：剪切应力；然后用库伦公式或经验式法求取土体的粘聚力c和内摩擦角其中所述的原位测定稍微坚硬土层粘聚力和内摩擦角的装置包括把手、把手中空部位、测力计、扭力计、钻杆、探头一和探头二；所述钻杆上端通过螺纹垂直固定在把手中间，钻杆下端通过螺纹固定连接探头，钻杆上部安装有扭力计与测力计；所述探头一为圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体，其顶锥角为50～70°；探头二包括圆锥体与截锥体相互匹配连接的组合体和在该圆锥体上呈圆周均布焊接的四枚相同的扇...

【专利技术属性】
技术研发人员：易伟欣，袁海滨，王恩营，周润杰，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41