專利名稱：土體彈性參數(shù)表面快速測試方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明方法和裝置涉及土體彈性力學(xué)參數(shù)的原位測量。適用于在隧道洞內(nèi)或基坑 中裸露土層的表面上將土體彈性模量測出。
背景技術(shù)：
取得巖土體力學(xué)參數(shù)的方法一般分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場原位試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)一般是 將從現(xiàn)場取得的土樣拿到試驗(yàn)室內(nèi)，利用三軸儀、直剪儀等儀器測量土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系， 然后據(jù)此推算土體的各力學(xué)參數(shù)。由于巖土材料有很強(qiáng)的原位依賴性，將其取至室內(nèi)，其 力學(xué)性質(zhì)也將發(fā)生很大的變化，故室內(nèi)試驗(yàn)的取得的參數(shù)不能完全準(zhǔn)確的反映土體的宏觀 結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)性。而現(xiàn)場原位試驗(yàn)?zāi)芨玫姆从澄⒂^、宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)土體性質(zhì)的影響，常用的 現(xiàn)場原位試驗(yàn)有靜力觸探、動(dòng)力觸探、十字板剪切試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)等。這些原位試驗(yàn)取得參 數(shù)的方法大都是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，都是經(jīng)過廣泛的應(yīng)用，然后取得大量的測試數(shù)據(jù)和 經(jīng)驗(yàn)公式，來進(jìn)行土體參數(shù)的推算或者土體的分類。另外，從這些現(xiàn)場原位試驗(yàn)的操作方法 上來說，大部分都是從地面打孔至所測地層中進(jìn)行測試的，所需工序較多，所用儀器都較昂 貴，整個(gè)試驗(yàn)的成本很高，速度很慢。對(duì)于隧道洞內(nèi)或已開挖的基坑內(nèi)的土體，尤其是注漿 后的土體，要想測試其力學(xué)參數(shù)，顯然沒有必要再從地面打孔測試了，直接在土體表面測試 是很好的方法，而原有的原位測試方法及儀器由于測試原理的限制而不能進(jìn)行表面或水平 測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種土體彈性參數(shù)表面快速 測試方法及裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置，該快速測試裝置的下固定桿前端與臨土面 后端的下部焊接連接，固定刃刀焊接在臨土面的前端，支架安放在下固定桿的下部，下固定 桿主要用來穩(wěn)定整個(gè)裝置，臨土面程扁平狀，其上有豎直、水平兩道溝槽，臨土面前端的固 定刃刀在測量時(shí)插入土體，使臨土面前端貼緊土體，固定刃刀和支架配合使整個(gè)裝置安放穩(wěn)定。推力桿位于上固定桿的殼內(nèi)，推力桿與上固定桿通過滾珠的滾動(dòng)來減小摩擦，滾 珠位于推力桿和上固定桿間的滾珠固定圈內(nèi)，滾動(dòng)固定圈的后端焊接在上固定桿的后端。 推力桿為圓柱狀，上面有四道溝槽，使?jié)L珠在溝槽里滾動(dòng)，推力桿后端由細(xì)變粗。上固定桿 為一圓柱殼體，殼體內(nèi)部有四道溝槽，滾珠可以在溝槽里滾動(dòng)。滾珠固定圈為一薄圓柱殼 體，其上有孔洞，滾珠安放在孔洞內(nèi)，可以滾動(dòng)但其位置不能移動(dòng)。上固定桿焊接在下固定桿的兩個(gè)支撐上。壓土刃刀的后端與推力桿的前端焊接。推力桿可以將其尾端的推力傳遞給壓土刃 刀，使得壓土刃刀壓入土體中，致使土體發(fā)生變形。
位移傳感器安裝在臨土面中心一側(cè)的水平槽內(nèi)，水平槽的中心線與上固定桿的軸線垂直且在一個(gè)平面內(nèi)。位移傳感器用來測量土體表面的變形。壓力傳感器安裝在推力桿后端的中心孔內(nèi)。壓力傳感器用來測量所用的推力值。所述的位移傳感器采用六只，等間距安裝在臨土面中心一側(cè)的水平槽內(nèi)。使用上述裝置的一種土體彈性參數(shù)表面快速測試方法，該方法的具體測試步驟步驟一，在隧道掌子面或基坑側(cè)壁上選定需測量彈性模量的土體，將其表面整理 平整；步驟二，將固定刃刀推入隧道掌子面或基坑側(cè)壁選定的土體，然后再用支架將下 固定桿支撐起來，使整個(gè)裝置保持水平；步驟三，向推力桿施加荷載，使得壓土刃刀壓入土中，致使土體發(fā)生變形；步驟四，記錄位移傳感器的數(shù)據(jù)和壓力傳感器的數(shù)據(jù)P ；步驟五，選定位移數(shù)值有顯著差異的兩個(gè)位移傳感器的數(shù)據(jù)Ui、Up按下式計(jì)算彈 性模量E:E =
^ψ, -Uj ) j式中1為壓土刃刀的豎直長度、μ為土體的泊松比，i、j為位移數(shù)值有顯著差異 的兩個(gè)位移傳感器的編號(hào)的數(shù)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明方法操作簡單，能夠快速有效的測出土體的彈性模 量，充分利用了隧道掌子面或基坑側(cè)壁，避免了打孔鉆進(jìn)等繁瑣的工序，降低了隧道和基坑 施工中進(jìn)行原位測試的時(shí)間和成本。本發(fā)明的裝置能夠完全配合土體表面水平原位測試方 法的應(yīng)用，該裝置設(shè)計(jì)目的明確，附屬設(shè)備少，容易操作，能夠快速、準(zhǔn)確測出土體的彈性模量。


圖1是土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置工作時(shí)壓土刃刀伸出立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置后視立體圖。圖3是土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置俯視圖。圖4是圖3的A-A剖面圖。圖5是裝置前端放大立體圖。圖6是裝置上部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體圖。圖7是壓土刃刀立體圖。圖8是圖7的側(cè)視圖。圖9是圖7的后視圖。圖10是圖7的俯視圖。圖11是圖8的E-E剖面圖。圖12是圖8的F-F剖面圖。圖13是圖3的B-B剖面圖。圖14是圖3的C-C剖面圖。
圖15是圖4的D-D剖面圖。圖16是本發(fā)明方法在隧道內(nèi)實(shí)施時(shí)的示意圖。圖17是本發(fā)明方法彈性力學(xué)理論原理圖。圖中1.隧道掌子面，2.本發(fā)明裝置，3.臨土面，4.固定刃刀，5.壓土刃刀，6.推 力桿，7.上固定桿，8.下固定桿，9.滾珠，10.支架，11.位移傳感器，12.壓力傳感器，13.滾
珠固定圈。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖(圖1 15)對(duì)本明的一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置作進(jìn)一步說明。一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置，如附圖1所示，下固定桿8前端與臨土面3 后端的下部焊接連接，如附圖2所示，固定刃刀4焊接在臨土面3的前端，支架10安放在下 固定桿8的下部，下固定桿8主要用來穩(wěn)定整個(gè)裝置2，臨土面3程扁平狀，其上有豎直、水 平兩道溝槽，臨土面3前端的固定刃刀4在測量時(shí)插入土體，使臨土面3前端貼緊土體，固 定刃刀4和支架10配合使整個(gè)裝置2安放穩(wěn)定。下固定桿8和臨土面相接處為漸變橢圓，如圖2、13。如附圖4、6、14、15所示，推力桿6位于上固定桿7的殼內(nèi)，推力桿6與上固定桿7 通過滾珠9的滾動(dòng)來減小摩擦，滾珠9位于推力桿6和上固定桿7間的滾珠固定圈13內(nèi)， 滾珠固定圈13的后端焊接在上固定桿7的后端。推力桿6為圓柱狀，上面有四道溝槽，使 滾珠9在溝槽里滾動(dòng)，推力桿6后端由細(xì)變粗。上固定桿7為一圓柱殼體，殼體內(nèi)部有四道 溝槽，滾珠9可以在溝槽里滾動(dòng)。滾珠固定圈13為一薄圓柱殼體，其上有孔洞，滾珠9安放 在孔洞內(nèi)，可以滾動(dòng)但其位置不能移動(dòng)。如附圖1、2所示，上固定桿7焊接在下固定桿8的兩個(gè)支撐上。壓土刃刀5如附圖5、7、8、9、10所示，其后端為圓截面漸變?yōu)闄E圓截面，如圖11、 12。如附圖4、6、7所示，壓土刃刀5的后端與推力桿6的前端焊接。推力桿6可以將 其尾端的推力傳遞給壓土刃刀5，使得壓土刃刀5壓入隧道掌子面1 土體中，致使土體發(fā)生 變形。如附圖1、5所示，位移傳感器11選用六個(gè)，均安裝在臨土面3中心一側(cè)的水平槽 內(nèi)，水平槽的中心線與上固定桿7的軸線垂直且在一個(gè)平面內(nèi)。位移傳感器11用來測量土 體表面的變形。如附圖2、4、6所示，壓力傳感器12安裝在推力桿6后端的中心孔內(nèi)。壓力傳感器 12用來測量所用的推力值如附圖1、5所示，所述位移傳感器11采用六只，等間距安裝在臨土面3中心一側(cè) 的水平槽內(nèi)。使用上述裝置的一種土體彈性參數(shù)表面快速測試方法，如附圖16、17，該方法的具 體測試步驟步驟一，在隧道掌子面或基坑側(cè)壁上選定需測量彈性模量的土體，將其表面整理 平整；
步驟二，將固定刃刀4推入隧道掌子面或基坑側(cè)壁選定的土體，然后再用支架10 將下固定桿8支撐起來，使整個(gè)裝置保持水平；步驟三，向推力桿6施加荷載，使得壓土刃刀5壓入土中，致使土體發(fā)生變形；步驟四，記錄位移傳感器11的數(shù)據(jù)和壓力傳感器12的數(shù)據(jù)P ；步驟五，選定位移數(shù)值有顯著差異的兩個(gè)位移傳感器11的數(shù)據(jù)Ui、Up按下式計(jì)算 彈性模量E <formula>formula see original document page 6</formula>式中1為壓土刃刀的豎直長度、μ為土體的泊松比，其值一般為0.3左右，變化范 圍不大，可根據(jù)類似土體的數(shù)據(jù)做經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，i、j為位移數(shù)值有顯著差異的兩個(gè)位移傳感器 的編號(hào)的數(shù)，例如，i為第一個(gè)位移傳感器，則i = 1，j為第六個(gè)位移傳感器，則j = 6,ui, uj分別為第i個(gè)位移傳感器和第j個(gè)位移傳感器位移值。
權(quán)利要求
一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置，其特征在于下固定桿(8)前端與臨土面(3)后端的下部焊接連接，固定刃刀(4)焊接在臨土面(3)的前端；推力桿(6)位于上固定桿(7)的殼內(nèi)，推力桿(6)與上固定桿(7)通過滾珠(9)的滾動(dòng)來減小摩擦，滾珠(9)位于推力桿(6)和上固定桿(7)間的滾珠固定圈(13)內(nèi)，滾珠固定圈(13)的后端焊接在上固定桿(7)的后端；上固定桿(7)焊接在下固定桿(8)的兩個(gè)支撐上；壓土刃刀(5)的后端與推力桿(6)的前端焊接；位移傳感器(11)安裝在臨土面(3)中心一側(cè)的水平槽內(nèi)，水平槽的中心線與上固定桿(7)的軸線垂直且在一個(gè)平面內(nèi)；壓力傳感器(12)安裝在推力桿(6)后端的中心孔內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置，其特征在于位移傳 感器(11)采用六只，等間距安裝在臨土面⑶中心一側(cè)的水平槽內(nèi)。
3.使用權(quán)利要求1所述裝置的一種土體彈性參數(shù)表面快速測試方法，該方法的具體測 試步驟步驟一，在隧道掌子面或基坑側(cè)壁上選定需測量彈性模量的土體，將其表面整理平整；步驟二，將固定刃刀(4)推入隧道掌子面或基坑側(cè)壁選定的土體，然后再用支架(10) 將下固定桿(8)支撐起來，使整個(gè)儀器保持水平；步驟三，向推力桿(6)施加荷載，使得壓土刃刀(5)壓入土中，致使土體發(fā)生變形； 步驟四，記錄位移傳感器(11)的數(shù)據(jù)和壓力傳感器(12)的數(shù)據(jù)P; 步驟五，選定位移數(shù)值有顯著差異的兩個(gè)位移傳感器(11)的數(shù)據(jù)Ui、iv按下式計(jì)算彈 性模量E:<formula>formula see original document page 2</formula>式中1為壓土刃刀的豎直長度、μ為土體的泊松比，i、j為位移數(shù)值有顯著差異的兩 個(gè)位移傳感器的編號(hào)的數(shù)。
全文摘要
一種土體彈性參數(shù)表面快速測試裝置，其能夠利用隧道掌子面或基坑側(cè)壁，避免打孔鉆進(jìn)等繁瑣工序，直接將土體彈性模量快速測出。該裝置的臨土面(3)前后分別連接固定刃刀(4)和下固定桿(8)。滾珠固定圈(13)固定在上固定桿(7)的后端，并攜滾珠(9)和推力桿(6)置于上固定桿內(nèi)。上固定桿焊接在下固定桿上。壓土刃刀(5)的后端與推力桿的前端焊接。位移傳感器(11)安裝在臨土面的水平槽內(nèi)。壓力傳感器(12)安裝在推力桿后端。該測試方法是在隧道掌子面上選定測量彈性模量的土體。將固定刃刀推入土體，用支架(10)將裝置水平支撐。將壓土刃刀壓入土中，記錄壓力傳感器的數(shù)據(jù)P和兩個(gè)位移傳感器的數(shù)據(jù)ui、uj，計(jì)算彈性模量
文檔編號(hào)G01N3/42GK101813591SQ20101003388
公開日2010年8月25日 申請日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者呂奇峰, 黃明利 申請人:北京交通大學(xué)