專利名稱：土體彈性參數表面快速測試方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明方法和裝置涉及土體彈性力學參數的原位測量。適用于在隧道洞內或基坑 中裸露土層的表面上將土體彈性模量測出。
背景技術：
取得巖土體力學參數的方法一般分為室內試驗和現場原位試驗，室內試驗一般是 將從現場取得的土樣拿到試驗室內，利用三軸儀、直剪儀等儀器測量土樣的應力應變關系， 然后據此推算土體的各力學參數。由于巖土材料有很強的原位依賴性，將其取至室內，其 力學性質也將發生很大的變化，故室內試驗的取得的參數不能完全準確的反映土體的宏觀 結構、非均質性。而現場原位試驗能更好的反映微觀、宏觀結構對土體性質的影響，常用的 現場原位試驗有靜力觸探、動力觸探、十字板剪切試驗、旁壓試驗等。這些原位試驗取得參 數的方法大都是建立在經驗的基礎上，都是經過廣泛的應用，然后取得大量的測試數據和 經驗公式，來進行土體參數的推算或者土體的分類。另外，從這些現場原位試驗的操作方法 上來說，大部分都是從地面打孔至所測地層中進行測試的，所需工序較多，所用儀器都較昂 貴，整個試驗的成本很高，速度很慢。對于隧道洞內或已開挖的基坑內的土體，尤其是注漿 后的土體，要想測試其力學參數，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行表面或水平 測試。
發明內容
本發明所要解決的是克服現有技術存在的問題，提供一種土體彈性參數表面快速 測試方法及裝置。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種土體彈性參數表面快速測試裝置，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 桿主要用來穩定整個裝置，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裝置安放穩定。推力桿位于上固定桿的殼內，推力桿與上固定桿通過滾珠的滾動來減小摩擦，滾 珠位于推力桿和上固定桿間的滾珠固定圈內，滾動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，使滾珠在溝槽里滾動，推力桿后端由細變粗。上固定桿 為一圓柱殼體，殼體內部有四道溝槽，滾珠可以在溝槽里滾動。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，可以滾動但其位置不能移動。上固定桿焊接在下固定桿的兩個支撐上。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，致使土體發生變形。
位移傳感器安裝在臨土面中心一側的水平槽內，水平槽的中心線與上固定桿的軸線垂直且在一個平面內。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。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的水平槽內。使用上述裝置的一種土體彈性參數表面快速測試方法，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壁選定的土體，然后再用支架將下 固定桿支撐起來，使整個裝置保持水平；步驟三，向推力桿施加荷載，使得壓土刃刀壓入土中，致使土體發生變形；步驟四，記錄位移傳感器的數據和壓力傳感器的數據P ；步驟五，選定位移數值有顯著差異的兩個位移傳感器的數據Ui、Up按下式計算彈 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為位移數值有顯著差異 的兩個位移傳感器的編號的數。本發明的有益效果是本發明方法操作簡單，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壁，避免了打孔鉆進等繁瑣的工序，降低了隧道和基坑 施工中進行原位測試的時間和成本。本發明的裝置能夠完全配合土體表面水平原位測試方 法的應用，該裝置設計目的明確，附屬設備少，容易操作，能夠快速、準確測出土體的彈性模量。
圖1是土體彈性參數表面快速測試裝置工作時壓土刃刀伸出立體結構示意圖。圖2是土體彈性參數表面快速測試裝置后視立體圖。圖3是土體彈性參數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是裝置上部的內部結構立體圖。圖7是壓土刃刀立體圖。圖8是圖7的側視圖。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是本發明方法在隧道內實施時的示意圖。圖17是本發明方法彈性力學理論原理圖。圖中1.隧道掌子面，2.本發明裝置，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。
具體實施例方式結合附圖(圖1 15)對本明的一種土體彈性參數表面快速測試裝置作進一步說明。一種土體彈性參數表面快速測試裝置，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主要用來穩定整個裝置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配合使整個裝置2安放穩定。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，推力桿6與上固定桿7 通過滾珠9的滾動來減小摩擦，滾珠9位于推力桿6和上固定桿7間的滾珠固定圈13內， 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，推力桿6后端由細變粗。上固定桿7為一圓柱殼體，殼體內部有四道 溝槽，滾珠9可以在溝槽里滾動。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，可以滾動但其位置不能移動。如附圖1、2所示，上固定桿7焊接在下固定桿8的兩個支撐上。壓土刃刀5如附圖5、7、8、9、10所示，其后端為圓截面漸變為橢圓截面，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，致使土體發生 變形。如附圖1、5所示，位移傳感器11選用六個，均安裝在臨土面3中心一側的水平槽 內，水平槽的中心線與上固定桿7的軸線垂直且在一個平面內。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。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 的水平槽內。使用上述裝置的一種土體彈性參數表面快速測試方法，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，致使土體發生變形；步驟四，記錄位移傳感器11的數據和壓力傳感器12的數據P ；步驟五，選定位移數值有顯著差異的兩個位移傳感器11的數據Ui、Up按下式計算 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，可根據類似土體的數據做經驗估計，i、j為位移數值有顯著差異的兩個位移傳感器 的編號的數，例如，i為第一個位移傳感器，則i = 1，j為第六個位移傳感器，則j = 6,ui, uj分別為第i個位移傳感器和第j個位移傳感器位移值。
權利要求
一種土體彈性參數表面快速測試裝置，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，推力桿(6)與上固定桿(7)通過滾珠(9)的滾動來減小摩擦，滾珠(9)位于推力桿(6)和上固定桿(7)間的滾珠固定圈(13)內，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)中心一側的水平槽內，水平槽的中心線與上固定桿(7)的軸線垂直且在一個平面內；壓力傳感器(12)安裝在推力桿(6)后端的中心孔內。
2.根據權利要求1所述的一種土體彈性參數表面快速測試裝置，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中心一側的水平槽內。
3.使用權利要求1所述裝置的一種土體彈性參數表面快速測試方法，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，致使土體發生變形； 步驟四，記錄位移傳感器(11)的數據和壓力傳感器(12)的數據P; 步驟五，選定位移數值有顯著差異的兩個位移傳感器(11)的數據Ui、iv按下式計算彈 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為位移數值有顯著差異的兩 個位移傳感器的編號的數。
全文摘要
一種土體彈性參數表面快速測試裝置，其能夠利用隧道掌子面或基坑側壁，避免打孔鉆進等繁瑣工序，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。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。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據P和兩個位移傳感器的數據ui、uj，計算彈性模量
文檔編號G01N3/42GK101813591SQ20101003388
公開日2010年8月25日 申請日期2010年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者呂奇峰, 黃明利 申請人:北京交通大學