一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置及方法与流程

本发明属于岩土工程测试，尤其是涉及一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置及方法。

背景技术：

1、静止土压力系数，又称静止侧压力系数，是岩土工程中计算水平应力的关键参数。

2、在岩土工程中确定静止土压力系数一般采用公式法，虽然能反映土体静止土压力系数的大致的变化规律，但影响静止土压力系数的因素众多，因此公式法的适用范围存在限制；现有的室内试验方法确定土体的静止土压力系数对土体扰动大，因此测试的结果并不准确；而目前原位试验方法确定土体的静止土压力系数主要采用扁铲侧胀试验和旁压试验，前者仅适用于软土或者细粒土，对于许多复杂场地不适用，而后者的测试精度受成孔质量影响大，且测试周期较长。

3、因此亟需开发一种设计合理且试验准确便捷，省时、省力的钻孔原位土体静止土压力系数测试装置及方法，通过钻孔能测量待测原位土体不同深度处静止土压力系数，还能有效地解决对复杂场地土体静止土压力系数测试的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其设计合理且操作便捷，省时，省力，能获取待测原位土体不同深度处静止土压力系数，还能有效地解决对复杂场地土体静止土压力系数测试的问题，实用性强。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：包括从上至下依次布设的锚固支撑机构、旋转机构和贯入测试机构，所述锚固支撑机构包括上平板、与上平板平行布设的下平板、设置在上平板与下平板之间的气缸支座和嵌设在气缸支座中的气缸，以及两个分别与气缸穿过气缸支座的两个伸缩端连接的支撑板，所述气缸的两个伸缩端沿钻孔径向对称布设，两个支撑板位于气缸支座两侧，所述气缸的两个伸缩端带动两个支撑板伸缩；

3、所述旋转机构包括与下平板连接的固定中轴、安装在固定中轴底部的旋转电机和套设在旋转电机的旋转输出轴上且传动连接的旋转盘；

4、所述贯入测试机构包括设置在旋转盘底部的进刀电机、与旋转盘连接的下外壳体、设置在下外壳体内且位于进刀电机的输出轴上的齿轮盘和两个对称啮合设置在齿轮盘两侧且伸出下外壳体的测刀部件。

5、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：两个所述支撑板的结构相同，且两个所述支撑板均包括外弧板、与外弧板平行布设的内弧板和连接内弧板外侧壁与外弧板内侧壁之间的竖向连接板，所述外弧板和内弧板的凸面均远离气缸支座布设。

6、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：所述气缸支座上开设有供气缸嵌设的安装槽，所述气缸支座靠近支撑板的左右侧面设置有与内弧板的凹面相适应的弧形侧面，所述气缸支座的前后侧面为平面，且所述气缸支座的前后侧面上设置有遮挡板；

7、所述上平板的顶部中心设置有杆件连接口，所述气缸的供气管穿过气缸支座和上平板。

8、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：所述上平板与下平板之间设置有两个连接杆和两组限位杆，每组所述限位杆包括穿设在上平板与下平板之间且位于竖向连接板两侧的限位杆，两个所述连接杆靠近气缸支座的前后侧面对称布设，两组所述限位杆所述气缸支座的左右侧面对称布设。

9、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：所述旋转盘上设置有导电滑环，所述导电滑环和旋转盘同轴布设，且所述导电滑环套设在旋转电机的旋转输出轴外。

10、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：两个所述测刀部件分别为第一测刀部件和第二测刀部件，所述第一测刀部件包括一体成型的第一齿轮部、第一厚刀部和第一薄刀部，所述第一厚刀部上设置有第一膜片探头，所述第一薄刀部上设置有第二膜片探头；

11、所述第二测刀部件包括一体成型的第二齿轮部、第二厚刀部和第二薄刀部，所述第二厚刀部上设置有第三膜片探头，所述第二薄刀部上设置有第四膜片探头，所述下外壳体的左右侧面分别设置有供第一测刀部件和第二测刀部件穿设的开口部。

12、上述的一种钻孔原位土体静止土压力系数测试装置，其特征在于：所述下外壳体的前后侧面设置有安装座，所述安装座中固定穿设有竖向支撑杆，所述竖向支撑杆穿过旋转盘的端部设置有下锁紧螺母，以使下外壳体和旋转盘连接为一体。

13、同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且测试方便的钻孔原位土体静止土压力系数测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

14、步骤一、测试装置的安装：

15、步骤101、在待测原位土体中钻进形成钻孔；其中，钻孔的顶面与地表齐平；

16、步骤102、将测试装置下放至钻孔内测试点要求位置处并支撑；

17、步骤二、测试装置的调节及贯入测试机构的贯入：

18、步骤201、通过旋转机构带动下端的贯入测试机构进行测试方向调节；

19、步骤202、通过进刀电机带动齿轮盘顺时针转动，齿轮盘顺时针转动推动第一测刀部件和第二测刀部件均伸长，并贯入钻孔孔壁土体，直至第一测刀部件和第二测刀部件上的第一膜片探头、第二膜片探头、第三膜片探头和第四膜片探头均贯入土体内；

20、步骤三、待测原位土体的静止土压力系数的获取：

21、步骤301、静置10分钟～20分钟后，采用压缩气体使第一膜片探头、第二膜片探头、第三膜片探头和第四膜片探头充气膨胀，以使各个膜片探头外移接触土体时，分别获取第一压力值p1、第二压力值p2、第三压力值p3和第四压力值p4；其中，第一膜片探头、第二膜片探头、第三膜片探头和第四膜片探头所处测刀的厚度分别记作h1、h2、h3和h4；

22、步骤302、通过进刀电机带动齿轮盘逆时针转动，齿轮盘逆时针转动带动第一测刀部件和第二测刀部件均收回，直至第一测刀部件和第二测刀部件收缩于下壳体中；

23、步骤303、采用计算机以h1、h2、h3和h4为自变量，以lnp1、lnp2、lnp3和lnp4为因变量，采用拉格朗日插值法，得到拉格朗日插值多项式；

24、步骤304、采用计算机根据拉格朗日插值多项式另自变量取值为零时，得到的因变量记作水平方向土压力p；

25、步骤305、采用计算机根据得到待测原位土体的静止土压力系数k0；其中，其中，γ表示测试点上覆土重度，h表示测试点深度；

26、步骤四、多次重复步骤二和步骤三，得到同一深度多个待测原位土体的静止土压力系数。

27、上述的方法，其特征在于：步骤201中通过旋转机构带动下端的贯入测试机构进行测试方向调节，具体过程如下：

28、旋转电机工作，旋转电机的旋转输出轴带动旋转盘旋转，旋转盘旋转带动贯入测试机构整体旋转，从而改变两个测刀部件方向。

29、上述的方法，其特征在于：步骤102中将测试装置下放至钻孔内测试点要求位置处并支撑，具体过程如下：

30、步骤1021、在上平板上的杆件连接口上依次连接多节推送杆，操作推送杆将测试装置下放至钻孔中，并沿钻孔的深度方向移动，直至将测试装置下放至钻孔内测试点要求位置处；

31、步骤1022、通过供气管给锚固支撑机构的气缸供气，气缸的两个伸缩端伸长，则推动两个支撑板靠近钻孔孔壁移动，直至支撑板挤压钻孔孔壁为测试装置提供支撑力。

32、本发明与现有技术相比具有以下优点：

33、1、所采用的钻孔原位土体静止土压力系数测试装置结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低。

34、2、所采用的钻孔原位土体静止土压力系数测试装置中包括锚固支撑机构、旋转机构和贯入测试机构，锚固支撑机构是为了测试装置下放至钻孔内测试点要求位置处并与钻孔孔壁紧密接触支撑，从而实现整个测试装置的悬放于孔内测试点要求位置处；设置旋转机构，且锚固支撑机构与旋转机构连接，以使旋转机构转动带动贯入测试机构进行测试方向调节，提高了周向测试范围；设置贯入测试机构，是为了测刀部件上的膜片探头均贯入土体后，通过膜片探头获取的压力拟合得到水平方向土压力，进而得到待测原位土体的静止土压力系数，整个测试过程操作简便。

35、3、所采用的上平板上的杆件连接口上依次连接多节推送杆，操作推送杆将测试装置下放至钻孔中，并沿钻孔的深度方向移动，从而能将测试装置下放至钻孔内不同测试点要求位置处，能获取不同深度处的静止土压力系数，便于进行试验的可重复性。

36、4、所采用的钻孔原位土体静止土压力系数测试装置中进刀电机带动齿轮盘顺时针转动，齿轮盘顺时针转动推动第一测刀部件和第二测刀部件均伸长，并贯入钻孔孔壁土体；或者带动齿轮盘逆时针转动，齿轮盘逆时针转动带动第一测刀部件和第二测刀部件均收回，使用便捷。

37、5、所采用的两个支撑板分别与气缸穿过气缸支座的两个伸缩端连接，通过推出和收起支撑板实现结构孔变径，从而适应不同钻孔大小的支撑。

38、6、本发明钻孔原位土体静止土压力系数测试方法步骤简单、实现方便且操作简便，首先是测试装置的安装，然后测试装置的调节及贯入测试机构的贯入，接着是待测原位土体的静止土压力系数的获取，且旋转机构调整测试方向，以得到同一深度多个待测原位土体的静止土压力系数。

39、综上所述，本发明设计合理且操作便捷，省时，省力，能获取待测原位土体不同深度处静止土压力系数，还能有效地解决对复杂场地土体静止土压力系数测试的问题，实用性强。

40、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。