[发明专利]一种原位土外摩擦角测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：包括钻杆、护筒、连接筒、膨胀膜、膨胀膜保护层、密封套、安装座、传感器安装筒、应变式压力传感器、钻头、环形刃口、定位套及膨胀膜限位机构，所述钻杆设于护筒内，钻杆与护筒之间设有回流间隙，所述膨胀膜的上下两端通过锁紧机构固定在连接筒上，膨胀膜与连接筒之间设有膨胀间隙，所述膨胀膜保护层固定在膨胀膜的外立面上，所述连接筒、传感器安装筒及安装座从上往下依次设于护筒外，所述传感器安装筒的上半段与连接筒固定连接，传感器安装筒的下端面与安装座之间形成油腔，传感器安装筒与护筒之间设有与油腔连通的变形间隙，所述密封套的内侧与传感器安装筒密封滑动连接，外侧与安装座固定连接，所述传感器安装筒与连接筒和密封套之间围成传感器安装腔，所述应变式压力传感器设于传感器安装腔内，并固定安装在传感器安装筒外立面上，所述膨胀膜限位机构对称设置在连接筒上，包括限位杆、复位弹簧，连接筒上设有与限位杆配合使用的盲孔，所述复位弹簧设于盲孔底部，所述传感器安装筒上设有与限位杆配合使用的环形凹槽，所述环形凹槽与油腔连通，所述环形刃口固定在安装座端部，所述钻头安装在钻杆端部，钻头的作用面始终高于环形刃口的下端面，所述钻杆和护筒均通过卡接于环形刃口内侧的定位套进行轴向限位，所述连接筒上设有气孔、过油孔及穿线孔，所述气孔与膨胀间隙连通，所述过油孔与变形间隙连通，所述穿线孔用于穿线。

2.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述定位套包括环形本体及均匀固定在环形本体外立面的限位块，所述环形本体套设在钻杆上，与钻杆滑动连接，钻杆靠近定位套上端面的一侧设有阶梯型限位面，所述环形刃口的内侧设有与限位块配合使用的卡槽，所述护筒抵靠在定位套上。

3.根据权利要求2所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述钻杆上位于定位套和阶梯型限位面之间还套设有定位环，定位环与钻杆滑动连接。

4.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述锁紧机构包括压环、锁紧螺母，所述压环的内壁为楔形面，用于压紧膨胀膜，再通过与连接筒螺纹连接的锁紧螺母进行锁紧。

5.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述膨胀膜保护层为不锈钢窄条，不锈钢窄条均匀贴附在膨胀膜的外立面上。

6.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述气孔、过油孔及穿线孔内均固定有不锈钢管。

7.根据权利要求1所述的原位土外摩擦角测试装置，其特征在于：所述应变式压力传感器设有四组，均匀安装在传感器安装筒上。

8.一种采用权利要求1-7任意一项所述原位土外摩擦角测试装置的外摩擦角测试方法，其特征在于：具体测试步骤如下，

S1，将外摩擦角测试装置与外部动力设备和数据采集仪连通，具体的，外部动力设备包括旋转头、静压机、液压油缸、气缸，旋转头带动钻杆旋转，静压机为环形刃口提供静压力，液压油缸往油腔内充入液压油，为连接筒提供向上的推力，气缸为膨胀间隙供气，对土体提供径向压力，数据采集仪用于测试膨胀间隙的压强及应变式压力传感器的作用力，并将应变式压力传感器所测压力数值转换为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；

S2，通过旋转头和静压机将外摩擦角测试装置下压至待测试土层深度；

S3，往膨胀间隙充气，使膨胀膜略微撑开，然后停止充气，通过换算得出膨胀膜对土体的径向压力P；

S4，持续往油腔内充入液压油，直至膨胀膜保护层与土体发生相对滑动，记录应变式力传感器在此临界点获取的拉力F,拉力F即为膨胀膜保护层与土体的摩擦力；

S5，通过外摩擦角换算公式即可获取对应土层的外摩擦角。

9.根据权利要求8所述的外摩擦角测试方法，其特征在于：在步骤S2中，在下压外摩擦角测试装置的过程中，直接或间接给膨胀膜或者膨胀膜保护层一个向下的压力，外摩擦角测试装置下压到指定位置后撤掉该压力。