[发明专利]落球式岩土材料力学特性的现场测试方法和装置

权利要求书

1.一种在现场快速准确地测试岩土材料的变形特性和强度特性的方法，其 特征在于：采用内置加速度传感器的球形金属刚性落球体，并与信号放大器、 A/D转换卡及带有专用软件的笔记本电脑连接；

通过自由落下的金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞，利用Hertz碰撞理论 和Vesic空洞扩张理论分析其碰撞过程，并结合岩土材料以及刚性落球体的特性 加以修正，从而快速、简便、准确地测试岩土材料的变形特性和强度特性；

测试的具体方式：将刚性落球体提升到一定的高度，让其自由落下，利用笔 记本电脑的专用软件采集碰撞过程中的加速度信号，通过对加速度信号解析和统 计处理方法，从而求得岩土材料的变形特性和强度特性，变形特性是变形模量， 强度特性是内部摩擦角；

根据Hertz碰撞理论，对于球形金属刚性落球体与半无限平面体-即岩土材料 的碰撞，其接触时间：

Tc=4.53[(δ1+δ2)m1Rv0]2/5]]>式-1，

式中，

T_c：接触时间，单位：s；

有关材料的参数，E：变形模量，单位：Pa，μ：材料的泊松 比，下标1：刚性落球体，δ₁已知，下标2：半无限平面体-即岩土材料，δ₂待求；

m₁：刚性落球体的质量，单位：kg，已知；

R：刚性落球体的半径，单位：m，已知；

v₀：刚性落球体与岩土材料碰撞时的速度，单位：m/s，已知，g＝9.80m/s²，H为刚性落球体的下落高度，单位：m；

将测试的接触时间T_c代入式-1，通过对式-1的求解，求得岩土材料的变形模 量E；其中，泊松比μ的影响很小，并预先设置；

根据Vesic空洞扩张理论，推导出：

RP=(dR(3R-d)E(1-sinφ)24(1+μ)sinφγ(RP-R))1/3]]>式-2，

pu·(RRP)1+4sinφ1+sinφ=(1+sinφ1-sinφ)(γ(RP-R)1-sinφ)]]>式-3，

式中，

R：刚性落球体的半径，单位：m，已知；

γ：岩土材料的密度，单位：kg/m³，已知；

E：由式-1求得的变形模量，单位：Pa；

d：最大沉降量，单位：m；

p_u：刚性落球体与岩土材料的平均压力，单位：Pa；

R_P：影响范围，即球心与塑性区域边界的距离，单位：m，未知；

φ：内部摩擦角，单位：°，未知；

μ：岩土材料的泊松比；

其中，R和γ是测试的基本条件，是已知量；d和p_u是未知量，需要通过下 面的方法测出：

通过对加速度信号α进行积分，最大沉降量d按下式求得：

d=v0Tstop-∫0Tstopa·(Tstop-t)dt]]>式-4，

v₀：刚性落球体与岩土材料碰撞时的速度；

T_stop：刚性落球体与岩土材料开始接触到速度变为0的接触时间，速度为0 时岩土材料被最大程度压缩，对应于最大加速度；

p_u通过岩土材料的变形产生的力F^*来计算，F^*通过下式算出：

F*=3πEda′8(1-μ2)]]>式-5，

式中，

a′：刚性落球体与岩土材料表面碰撞时接触面的半径；

d：最大沉降量，单位：m；

由F^*与冲击接触的面积推导出平均压力p_u，如下式：

pu=3Ea′16R(1-μ2)]]>式-6，

至此，d和p_u均已求出，再结合已知的R和γ，求解式-2和式-3求得内部 摩擦角φ。