[发明专利]深层原位孔内剪切测试系统及其测试方法

说明书

本发明公开了一种深层原位孔内剪切测试系统，包括钻机、张敛式套管取芯钻具、套管、泥浆泵、钻具打捞装置、剪切探头、拉杆、法向应力加载量测装置、剪应力加载量测装置、千分表和数据采集记录仪，钻机驱动套管钻进地层；定位端管带动张敛式套管取芯钻具钻探取样；钻具打捞装置用于将张敛式套管取芯钻具提离套管；拉杆将剪切探头送至预定试验深度；法向应力加载量测装置向剪切探头施加指定法向应力；剪应力加载量测装置用于提升剪切探头；千分表量测剪切探头剪切测试土体的剪切变形量；数据采集记录仪记录剪切探头提升过程中随时间变化的剪切变形和剪切力。该系统结构简单，操作方便，能显著提高深层原位孔内剪切测试的质量和效率。

技术领域

本发明属于岩土工程原位测试领域，特别是涉及一种深层原位孔内剪切测试系统及其测试方法。

背景技术

粘聚力和内摩擦角是土体重要的抗剪强度指标，是土压力、地基承载力计算，分析路堤、边坡、基坑、隧道稳定性并开展其支护结构设计的重要参数。粘聚力和内摩擦角目前主要采用钻探取土样进行室内试验的方法进行测定，采用的室内试验方法有直接剪切试验和三轴压缩试验。室内试验测定方法对土体扰动大，土样经过应力释放的卸载和室内试验的再加载，土的抗剪强度指标与现场原位抗剪强度指标必然存在差异，测试结果离散性较大；且室内试验方法因很难取得砂性土原状样，故无法测定砂性土抗剪强度参数。

另外一种方法是原位测试土体抗剪切强度参数。该方法主要有现场直接剪切试验和十字板剪切试验。现场直接剪切试验需在试洞、试坑、探槽或大口径钻孔内进行，优点是对土样的扰动小，测试结果准确可靠，缺点是对深层土体的测试较为困难，且需要耗费大量人力、物力。十字板剪切试验的优点是设备简单、操作方便，缺点是仅适用于测定内摩擦角基本等于零的饱和黏性土的不排水抗剪强度，不适用于硬度较大的黏性土。

此外，一些岩土工程师提出原位土体孔内剪切测试，主要测试设备如下：①美国HANDY公司生产的BST型原位土体孔内剪切测试仪；②法国APAGEO公司生产的PHICOMETRE型原位钻孔剪切试验系统；③中国发明专利公开号CN104458445A公开的一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法；④中国发明专利公开号CN103728188A公开的土体原位剪切及静载荷试验仪。其中，美国HANDY公司生产的BST型原位土体孔内剪切测试仪没有法向和剪切变形测试系统，无法获得各级法向应力下的应力—应变关系曲线，因此只能得到各级法向应力下的峰值抗剪强度及对应的粘聚力和内摩擦角，且设备采用手摇齿轮方式驱动及人工读数，剪切速率和读数受人为因素影响大，费时费力。法国APAGEO公司生产的PHICOMETRE型原位钻孔剪切试验系统和发明专利公开号CN104458445A公开的原位土体孔内剪切试验装置中，剪切头为圆柱体，剪切头长度达20多公分，不适用于厚度小于30cm的较薄地层测试，且都采用手动液压千斤顶，难以控制恒定的剪切速率，影响测试结果的准确性；中国发明专利公开号CN103728188A公开的土体原位剪切及静载荷试验仪采用托杆支撑的摆块形成的圆盘剪切土体，这种机械式的控制无法保证摆块均匀张开，进而对周围土体可能会存在局部剪切，无法获得可靠的试验数据，且当遇到中、强风化残积土时，破碎岩块很可能卡住托杆，导致试验失败。

此外，上述各类原位孔内剪切设备在较深地层进行原位测试时，均需钻机配合开孔，需要频繁加卸探杆、提钻，极大地影响了钻孔孔壁完整性和稳定性，进而影响后续孔内剪切测试结果准确性，并易造成钻孔孔壁坍塌，将原位孔内剪切探头埋入孔内无法取出，给深层原位孔内剪切测试带来极大的风险和安全隐患。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种适用于各种地形和土质、能显著提高深层原位孔内剪切测试质量和效率、测量多个土体抗剪强度参数且安全性较高的深层原位孔内剪切测试系统。

本发明的另一目的是提供一种利用上述测试系统进行测试的方法。

为此，本发明采用的技术方案如下：