專利名稱：：落球式巖土材料力學(xué)特性的現(xiàn)場測試方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是與擁試巖土材料的力學(xué)特性有關(guān)，詳細(xì)內(nèi)容是對巖土材料的變形及強(qiáng)度特性進(jìn)行簡易的測試以及有關(guān)的計(jì)算方法。二
背景技術(shù)：
：隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種大型建設(shè)工程方興未艾。這些工程規(guī)模巨大，影響深遠(yuǎn)，其建設(shè)質(zhì)i的保證具有極其重要的經(jīng)濟(jì)及社會意義。但是，各種施工質(zhì)量問超、豆腐渣工程也是不絕于后。其中，許多巖土工程(如高速公路、鐵路、堤防及土石壩等)由于碾壓，使用材料等問題，經(jīng)常會發(fā)生不均勻沉降而被迫返工，嚴(yán)重時(shí)會因強(qiáng)度不足而造成滑坡事故，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會損失。巖土工程所用的材料主要是巖土類材料，主要包括碎石、砂質(zhì)以及粘土質(zhì)材料，具有天然性、多樣性、復(fù)雜性等特性。其中，決定其性能(沉降、穩(wěn)定等)最關(guān)鍵的指標(biāo)為其力學(xué)特性(包括變形模量五和強(qiáng)度指標(biāo)c、-等)。巖土材料的力學(xué)特性受到很多因素的影響，如材料種類、級配、含水量、密度、碾壓方式等，因此工程界一直期待著能在施工現(xiàn)場準(zhǔn)確、直接、快速、方便的檢測方法。然而，迄今為止，世界上尚無能夠在現(xiàn)場全面檢淵巖土材料力學(xué)特性的快速方法。目前通常的檢淵方法往往是通過間接的手段,如瀕試干密度等推算出巖土材料的力學(xué)特性，雖然經(jīng)過上百年的應(yīng)用，但仍存在著很多根本性的問題未得到很好地解決。1現(xiàn)有的淵試方法簡介1)通過與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比的方法以淵試材料的密度及含水量為主，通過現(xiàn)場與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比關(guān)系來推算其力學(xué)特性。該類方法應(yīng)用最為廣泛，但存在著室內(nèi)材料與現(xiàn)場材料的差異較大，擁點(diǎn)少、代表性差，施工方法的影響大等問題。2)現(xiàn)場靜力載荷試驗(yàn)的方法直接在現(xiàn)場進(jìn)行壓載試驗(yàn)，進(jìn)而求得材料的變形特性，如現(xiàn)場C冊法、承載板法、現(xiàn)場剪切試驗(yàn)(圖-2),獮試精度高但霈要反力裝置，耗財(cái)費(fèi)力，只適合于局部重點(diǎn)區(qū)域的渕試。此外，由于填土工程所用的材料為松散材料，而且粒徑相對較大，迄今尚無有效的方法可以獮出材料的剪切強(qiáng)度特性。3)現(xiàn)場動(dòng)力載荷的方法基本原理與2)類似，所不同的是通過快速加載或者沖擊動(dòng)荷載以代替靜力載荷，如落錘式彎沉儀法(FTO，適用于大顆粒材料)、手持式彎沉儀法(PFWD，適用于中小頼粒材料)等，近年來得到快速的發(fā)展。大致可分為變形特性淵試技術(shù)與強(qiáng)度特性翔試技術(shù)兩大類。2瀕試材料變形特性的快速檢擁技術(shù)主要有31)現(xiàn)場CBR:比較先進(jìn)的有土基現(xiàn)場CBR值渕試方法及落球儀快速測試土基現(xiàn)場CBR值試驗(yàn)方法。2)壓實(shí)度目前比較先進(jìn)的有振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)度連續(xù)檢獮儀，通過現(xiàn)場標(biāo)定，可以連續(xù)H試。3)彎沉近年來，采用落接式彎沉儀(FTO)IB定路面的動(dòng)態(tài)彎沉，并用來反算路面的回彈模量，是目前暈先進(jìn)和最流行的1試技術(shù)之一。但由于FWD設(shè)備龐大，一般只用于道路路面的檢擁，一些廠商將其輕量化以適應(yīng)巖土材料的測試，即手持落錘式彎沉儀法(PF1D)(圖-3)。3淵試材料強(qiáng)度特性的快速檢獮技術(shù)巖土材料的強(qiáng)度特性只有在較大應(yīng)變水平時(shí)才能顯現(xiàn),往往霈要較大的荷載或者采用較小的截面積。用于深度較深的地基勘測的畫錐動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法一般難以用于填土材料強(qiáng)度的檢測，因此學(xué)者們用各種方法進(jìn)行了嘗試。日本國土交通省近幾地方整備局在2005年提出了名叫的簡易支持力擁定裝置，是目前比較先進(jìn)的技術(shù)(圖-4)。通過籌試的加速度，并根據(jù)事先標(biāo)定的經(jīng)驗(yàn)公式來推求巖土材料的各種指標(biāo)(c,#，CBR等)。三現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)1傳統(tǒng)的密度管理的方法按照傳統(tǒng)的密度的管理方法，霈要對不同的材料分別決定其最優(yōu)密度(最大干燥密度和最小干燥密度)等。這個(gè)最優(yōu)密度，霈要用室內(nèi)夯實(shí)試驗(yàn)和現(xiàn)場礙壓試驗(yàn)來求得，要花費(fèi)許多的時(shí)間、人力和費(fèi)用，而且結(jié)果不一定可靠。此外，通過室內(nèi)試驗(yàn)瀾出的結(jié)果，由于粒徑，礙壓方式的不同，在現(xiàn)場的應(yīng)用中會出現(xiàn)不匹配的問題。2目前較為先進(jìn)的現(xiàn)場快速測試方法1)手持落錘式彎沉儀法(PFWD)具有以下問題--①結(jié)構(gòu)復(fù)雜如圖-3所示，有墊板、導(dǎo)桿等裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；②不能瀾試材料的強(qiáng)度特性；③測試不便霈要平整測試面，調(diào)整彈黌墊等，測試客觀性不高。2)**》豕A具有以下問題①采用經(jīng)驗(yàn)的方法，由于缺乏嚴(yán)密的理論背景，籌試精度及適用范圍都受到很大的限制同時(shí)，對儀器難以進(jìn)行改良，影響持續(xù)性的改進(jìn)和發(fā)展；水》僅適合小粒徑材料(要求最大粒徑在37.5咖以下，粒徑超過lOmm的礫石含有量在10%以下)，對于很多填方工程等均無法使用；③％*》豕^的應(yīng)變水平較小，不利于淵試材料的強(qiáng)度特性。四本發(fā)明擬解決的問題現(xiàn)在流行的落下式快速測試方法，一般均采用圓柱式的落下碰撞體(如PFWD、考*》水A等)，以保證其與土體的接觸面一定，便于進(jìn)行各種分析。然而，該類方法潿試效率較低(霱要導(dǎo)桿誘導(dǎo)、地面平整、加墊板等)，應(yīng)變小，無法測試土體強(qiáng)度特性。因此，本項(xiàng)目擬采用球狀磁撞體以觶決上述難趣。但其與地基材料的接觸面形狀復(fù)雜,且接觸面積隨貫入深度而變化，為其應(yīng)力/應(yīng)變分析帶來了很大的難度，主要體現(xiàn)在①土體材料變形分析方法對于球狀碰撞體，其應(yīng)力應(yīng)變難以通過簡單的方法擁量和計(jì)算②土體材料塑性特性的影響；③缺乏現(xiàn)場快速測試強(qiáng)度指標(biāo)的理論；④動(dòng)力獮試方法(包括慣性力、粘性)的影響；測試深度范圍不夠明確；大石料的影響在實(shí)際的填土工程中，常常會遇到大尺寸的塊石，其對搠試結(jié)果的影響很大。等方面。本發(fā)明就是在解決以上課題的基礎(chǔ)上開發(fā)的方法和技術(shù)。五
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種在現(xiàn)場快速準(zhǔn)確地?fù)碓噹r土材料的強(qiáng)度及剛性特性的技術(shù)和裝置(簡稱"落球測試技術(shù)")。本裝置通過自由落下的金屬剛性球體與瀕試對象材料發(fā)生碰撞，利用Hertz碰撞理論和Vesic空洞擴(kuò)張理論分析其碰撞過程，從而能夠快速、簡便、準(zhǔn)確測定材料的強(qiáng)度特性及變形特性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用一種內(nèi)蔵有傳感器的半球形剛性落球裝置，將球體提升到一定髙度，自由落下，對巖土材料進(jìn)行沖擊，產(chǎn)生信號，信號經(jīng)放大器放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換卡將信號傳入帶有專用軟件的筆記本電腦,通過筆記本電腦對信號進(jìn)行采集與解析，從而求出巖土材料的剛性指標(biāo)(變形模量五等)和強(qiáng)度指標(biāo)(粘聚力c、內(nèi)部庫擦角-)。本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖-1所示。六本發(fā)明的技術(shù)方案1潿試?yán)碚摰慕?)巖土材料變形特性的渕試?yán)碚摫景l(fā)明中，通過導(dǎo)入Hertz沖擊理論以分析球狀碰撞體，建立了材料變形特性的賴試方法。H.Hertz在19世紀(jì)提出了面向線彈性體的碰撞理論。一個(gè)已知?jiǎng)傂缘那蝮wA撞擊一個(gè)未知?jiǎng)傂缘奈矬wB時(shí)，B的剛性越大，則碰撞時(shí)的接觸時(shí)間越短(圖-5)。對于球形體與半無限平面體的碰撞，其接觸時(shí)間可以由下式計(jì)算-.<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，7>接觸時(shí)間，單位S<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>,有關(guān)材料的參數(shù)，￡:變形模量，單位Pa(N/m2)。下標(biāo)1:落下球體(已知)，2:平面半無限體(巖土材料，待求)m。落下球體的質(zhì)量，單位kg,已知A:落下球體的半徑，單位邁，已知V。落下球體與半無限體材料碰撞時(shí)的速度，單位m/s,已知vfl=V^，g=9.80m/s2,i/為球體的下落高度，單位m。//:材料的泊松比將試的接觸時(shí)間7;，通過對式-l的求解，便可求得土體的變形模量￡。其中，泊松比//的影響很小，并可以預(yù)先設(shè)置。由于Hertz碰撞理論僅適用于線彈性材料,而巖土材料是典型的彈塑性材料。因此，需要對該理論進(jìn)行修正。如圖"6所示，我們可以將碰撞過程分為兩個(gè)部分，即壓縮過程和回彈過程。通過壓縮部分的接觸時(shí)間來推算壓縮模量，而通過回彈部分的接觸時(shí)間來推算回彈模量。對于線彈性材料，其壓縮部分與回彈部分基本相同，而對于巖土材料，其壓縮時(shí)間則長于回彈時(shí)間。通過分離壓縮過程和回彈過程，使得我們不僅可以解決巖土材料的彈塑性問題，而且可以同時(shí)得到材料的壓縮模量和回彈模量。2)巖土材料強(qiáng)度特性的淵試?yán)碚摫景l(fā)明中，通過導(dǎo)入Vesic的"空洞擴(kuò)張"理論，建立了巖土材料的強(qiáng)度特性淵試?yán)碚摳鶕?jù)Vesic的"空洞擴(kuò)張"理論，當(dāng)有樁、錨、旁壓儀等壓入土體時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)膨脹區(qū)，在膨脹區(qū)中巖土材料會發(fā)生屈服，從而使得材料的強(qiáng)度特性得到發(fā)揮(圖-7)。其具有如下特點(diǎn)①在擴(kuò)張過程中，其擴(kuò)張信號在巖土材料中是球狀的擴(kuò)散；②適合深處的巖土材料(應(yīng)力分布均勻)；③適合于靜力荷載；霈要預(yù)先求出材料的變形特征。而當(dāng)球體落入巖土材料中時(shí)，也會產(chǎn)生一個(gè)膨脹區(qū)域(圖-8)。因此，可以利用該理論來測試材料的強(qiáng)度。同時(shí)，根據(jù)該塑性領(lǐng)域的范圍，還可以求出測試深度范圍，為施工管理提供明確的信息。圖-8中d:最大沉降量(由糖試得出)及落球半徑(已知)影響范圍(如圖ABCD，未知，由Vesic理論得出)其中，本發(fā)明的測試技術(shù)可以直接求出巖土材料的變形特性，從而滿足上述第④項(xiàng)要求。但對第①至第③項(xiàng)腳霱要根據(jù)落球技術(shù)的具體特性加以修正。為了讓本發(fā)明滿足Vesic強(qiáng)度理論的條件，我們作出了以下的假定6①巖土材料對落球的反作用力由落球的中心點(diǎn)與下面的弧形組成的區(qū)域提供(圖-8中的ABCD)。這也是Vesic強(qiáng)度理論的適用范圍；②材料的強(qiáng)度指標(biāo)包括c(粘著力)和-(內(nèi)部摩擦角)，通過一次測試同時(shí)瀾出比較困難。但是可以通過預(yù)設(shè)其中的一個(gè)參數(shù)就能夠獮試出另一個(gè)參數(shù)。在本發(fā)明中以無粘性的材料為例(即c-0)來說明具體的分析方法；③在塑性領(lǐng)域內(nèi)，材料的體積應(yīng)變設(shè)為O，并適合Mohr"Column強(qiáng)度理論；④在塑性領(lǐng)域的邊界上，作用被動(dòng)土壓力；各點(diǎn)的最大沖擊應(yīng)力按照其與沖擊點(diǎn)之間的距離比例衰減。根據(jù)Vesic理論及以上假定，通過理論推導(dǎo)可以得出下面的關(guān)系式及,4(l+〃)sin^^(ip—及)注:及、1+-^、及pfl+sin吖M及p-及)、.l-sin參人l一sin矽(式-2)(式-3)及落球的半徑(已知)，單位my:巖土材料的密度(已知)，單位kg/m3五變形系數(shù)(由Hertz理論求得)，單位Pa:最大沉降量(由測試算出)，單位:m球體與巖土材料的平均壓力(可以利用本發(fā)明獮出)，單位Pa及:影響范圍(球心與塑性區(qū)域邊界的距離，未知，霱要由Vesic理論算出)，單位m,未知，單位°(度)巖土材料的泊松比，在上面的參數(shù)中及和7是I8試的基本條件，是已知量。^和A是未知量需要通過下面的方法擁出通過對測試加速度tf進(jìn)行積分,最大的沉降量t/可按下式求得。(式-4)是球體對地基接觸瞬間的沖擊速度。vQ=V^，g=9.80m/s2,H是下落高度m。是落球與材料開始接觸到速度變?yōu)閛的接觸時(shí)間(速度為o時(shí)材料被最大程度壓縮，一般來說也對應(yīng)于最大加速度)。接觸面的壓縮應(yīng)力&則不能通過直接籌試沖擊力F,和對應(yīng)的接觸面積來計(jì)算。這是因?yàn)樵跊_擊力的作用過程中，一部分轉(zhuǎn)換為材料的變形，其他部分轉(zhuǎn)換為慣性力向外傳遞及產(chǎn)生熱童等。其中，僅材料的變形部分產(chǎn)生力F'與材料的強(qiáng)度有關(guān)。因此，需要通過材料的變形產(chǎn)生的力來計(jì)算壓縮應(yīng)力&。圖"9表示了落球與對象材料接觸瞬間的應(yīng)力分布。圖-9中":落球與材料表面碰撞時(shí)接觸面(圓)的半徑r:應(yīng)力點(diǎn)與接觸面國心間的距離Po及p:最大壓應(yīng)力以及各點(diǎn)的壓應(yīng)力F'則可以通過下面的式子算出。,一3;rScto、(1-〃2)(式—5)由F'與沖擊接觸的面積可以推導(dǎo)出平均壓縮應(yīng)力P",如下式P"-16及(l-力(式—6)至此，cf和Pu均可求出，再結(jié)合已知的及和"，求解式-2和式-3便可求出-。一般來講，可以通過數(shù)值解析來求解。對于飽和粘性土(-=0),則基本上可按照同樣的方法來求解粘著力c。3)大尺寸石料的過大影響消除在實(shí)際的填土工程中，常常會遇到大尺寸的塊石。而各種落下式快速檢瀾技術(shù)由于碰撞部尺寸較小，均無法較好地對應(yīng)(特別是變形模量的測試結(jié)果過大)。因此，通常霈在測試中濂開塊石或舍去相應(yīng)的數(shù)據(jù)。但這樣又會為測試結(jié)果帶來人為影響因素，影響測試結(jié)果的客觀性。在此，我們擬采用等價(jià)變形的方式代替單純的平均處理算法，在不舍去任何搠試結(jié)果的前提下，客觀地評價(jià)大石料的影響。對于變形模量的測試方法如下(式-7)1=4其中，f為等價(jià)變形模懸，五j為各次的測試模i,w為獮試的次數(shù)。2槲試設(shè)備的開發(fā)利用上述的糖試?yán)碚?，開發(fā)了如圉-1所示的湄試裝置。該裝置由以下部分組成1)落球裝置球狀或球冠形金屬體(一般為鐵質(zhì))，內(nèi)置加速度傳感器其他的技術(shù)大多為國柱狀落下機(jī)構(gòu)，其碰撞面為平面。而本發(fā)明采用了球形的碰撞面，具有明顯的優(yōu)越性①可以自由下落而無需導(dǎo)桿，可簡化結(jié)構(gòu)，提高淵試效率由于球體自身的整流作用，在球體下落時(shí)可以保證其先端朝下，不會發(fā)生傾斜。而圓柱狀的碰撞體在自由落下時(shí)，由于空氣的抵抗作用，會造成傾斜，因此需要導(dǎo)桿定向(圖-10)。②本技術(shù)無需墊板(由于墊板的存在，會導(dǎo)入各種附加誤差)，也無需對籌試對象表面整形，可大大提高瀾試效率，澳試結(jié)果的客觀性和穩(wěn)定性。③應(yīng)變水平髙并可自然調(diào)整，從而有利于強(qiáng)度指標(biāo)的渕試-落球體在與地面碰撞時(shí)，根據(jù)對象材料的剛性自然地調(diào)節(jié)了其接觸面積a即使較硬的材料，其接面積也較小，從而造成應(yīng)力集中，在局部產(chǎn)生較大的應(yīng)變(圖-11)。無論對象土體軟硬如何，總能保證在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)變，使得材料的強(qiáng)度特征得到發(fā)揮(經(jīng)擁箅，對于軟、硬土體，其最大局部應(yīng)變可達(dá)5-10%左右)。另一方面，對于畫柱狀接觸面，則其接觸面積一定，使得對于較硬的土體，在碰撞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變較小。對于巖土材料這樣的非線性材料，其強(qiáng)度特性只有在髙應(yīng)變條件下才能得到充分的發(fā)揮，在低應(yīng)變條件下搠試其強(qiáng)度指標(biāo)顯然是不夠科學(xué)的。所以，淵試材料強(qiáng)度特性時(shí)，使材料至少在局部產(chǎn)生較大的應(yīng)變是必要的(圖-12)。2)放大器及A/D轉(zhuǎn)換裝置將傳感器發(fā)生的信號放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；3)記錄/分析裝S:利用筆記本電腦將瀾試信號加以分析，從而得出所霈的各種指標(biāo)。同時(shí)記錄翔試數(shù)據(jù)及解析結(jié)果。七本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)本發(fā)明在測試無粘性土的強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，按以下的類序?qū)嵤匍_機(jī)，啟動(dòng)測試/解析程序；②將巖土材料的密度，泊松比等參數(shù)輸入到解析程序中；③選擇有代表性的測試面，避免大石塊和松軟層等特殊場所④將落球裝置提升至一定的髙度(如0.5m);⑤將落球裝置自由落下，并測試在落下及碰撞過程中各時(shí)刻的加速度；⑥利用翻得的加速度信號，計(jì)算出各個(gè)獮點(diǎn)的材料的變形模量￡及強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)部摩擦角-);⑦改變獮試場所，重復(fù)上述③至⑥以求得各點(diǎn)的材料特性。其中，相鄰兩個(gè)淵點(diǎn)間的間距應(yīng)當(dāng)在落球半徑的3倍以上。⑧將各測點(diǎn)的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而得出該材料的￡及-。本測試系統(tǒng)還具備了防噪機(jī)能，其測試的流程如圖-13所示。八本發(fā)明的特點(diǎn)本發(fā)明與其它的現(xiàn)場強(qiáng)度測試技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)①作業(yè)性強(qiáng)，測試效率髙只霱球自由落下，實(shí)時(shí)得到擁量結(jié)果，無需平整瀾試場地，也無須避開大石料等。設(shè)備使用方式靈活，采用拖掛式系統(tǒng)可用于快速、大范圍的現(xiàn)場籌試。便攜式系統(tǒng)可方便地用于局部擁試。②適用廣范圍的材料9能適用于從軟弱粘土到硬質(zhì)碎石/卵石的廣大范圍的材料。并可以根據(jù)測試對象材料的粒徑、剛性等，改變落下球體的尺寸，構(gòu)筑最優(yōu)化的系統(tǒng)。此外，本發(fā)明也可適用于碾壓混凝土，土水泥、路面鋪裝的質(zhì)量擁試。③精度更髙本發(fā)明中，土質(zhì)材料的應(yīng)變水平較大，從而能夠充分發(fā)揮材料的變形特性和強(qiáng)度特性，在理論上保證了能得到較髙精度。同時(shí)，人為因素少，客觀性高。九本發(fā)明的實(shí)例為了驗(yàn)證本發(fā)明(搠試系統(tǒng))的實(shí)用性和籌試精度，我們進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。圖-14表示工其擁試波形，圖-15表示了處理后的波形，圖-16則表示了多次糖試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理畫面。1)金屬材料的變形模量獮試我們首先利用彈性模豫已知的金屬材料對Hertz碰撞理論及本測試技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，然后在可能的條件下對各種土體進(jìn)行了驗(yàn)證。我們用鋼塊及鐵球(半球)作為被測體，用直徑為5cm的打擊球體進(jìn)行驗(yàn)證。值得說明的是，本發(fā)明不僅可以測試平面塊體，也可籌試圓柱體及球體的變形模量。糖試結(jié)果表明，其淵試誤差在3%之內(nèi)，證明了Hertz碰撞理論的正確性及本淵試技術(shù)的可信性。2)巖土材料的變形模i擁試我們對下列種類的土質(zhì)，利用平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證粘土/砂性粘土砂土/砂礫細(xì)粒粉砂混雜砂質(zhì)礫巖/細(xì)粒粉砂混雜礫巖土水泥從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可以看出(圖_17),對于壓縮變形模量在數(shù)MPa至數(shù)百朋a之間的廣泛的材料，本湖試技術(shù)均得到了較為理想的結(jié)果。3)巖土材料的強(qiáng)度指標(biāo)利用不排水三軸試驗(yàn)對爐渣、砂礫石等無粘性材料進(jìn)行了強(qiáng)度(-)對比試驗(yàn)。結(jié)果如表-1所示。盡管驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)還不十分充分，但是瀾試結(jié)果已經(jīng)表明了落球淵試技術(shù)的精度和可行性；表-l落球試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的對比<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>十本發(fā)明的效果本發(fā)明可以高效率高精度地對巖土材料的強(qiáng)度特性(包括變形特性)進(jìn)行測試。相比其他的方法，本發(fā)明的獮試效率商，適用于填土工程的施工管理。針對不同粒徑的材料，可以通過改變落球的大小以得到更好的測試效果。本發(fā)明的裝置不僅可以人力作業(yè),還可以用車載的方式來進(jìn)行作業(yè)，使作業(yè)速度得到飛速的提高。下面結(jié)合圖表對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖-l本發(fā)明對巖土材料強(qiáng)度特性的快速測試系統(tǒng)構(gòu)成圖-2現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)裝置圖圖-3PF1D的結(jié)構(gòu)示意圖圖-4卻*》水A的結(jié)構(gòu)示意圖圖-5Hertz沖擊理論的基本原理圖-6壓縮及回彈過程圖-7落球空洞擴(kuò)張理論的基本概念圖-8Vesic空洞擴(kuò)張理論的概念圖-9沖擊應(yīng)力的分布圖-10碰撞體落下時(shí)的比較圖-11對象土體的軟硬及應(yīng)變水平圖-12應(yīng)變水平與剛性及強(qiáng)度的關(guān)系圖-13本發(fā)明籌試的流程示意圖圖-14測試加速度波形的示例波形圖-15對波形解析的結(jié)果圖-16統(tǒng)計(jì)解析結(jié)果處理畫面圖-17落球檢籌技術(shù)測試沿途材料變形模i的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。1權(quán)利要求1.一種在現(xiàn)場快速準(zhǔn)確地測試巖土材料的強(qiáng)度及剛性特性的裝置；其特征在于采用一種內(nèi)藏有傳感器的球形或半球形剛性落球體，并與信號放大器A/D轉(zhuǎn)換卡及帶有專用軟件的筆記本電腦連接通過測試球體對巖土材料的沖擊過程，從而求出巖土材料的剛性指標(biāo)(如變形模量、壓縮模量等)和強(qiáng)度指標(biāo)(如內(nèi)部摩擦角粘聚力)。2.—種在現(xiàn)場快速準(zhǔn)確地測試巖土材料的強(qiáng)度及剛性特性的方法;辦征在于通過自由落下的金屬剛性球體與測試對象材料發(fā)生碰撞，利用Hertz碰撞理論和Vesic空洞擴(kuò)張理論分析其碰撞過程，并結(jié)合巖土材料以及落下球體的特性加以修正，從而快速、簡便、地測定材料的強(qiáng)度特性及變形特性18試的具體方式將內(nèi)藏有傳感器的剛性球體提升到一定的髙度，讓其自由落下，利用筆記本電腦的專用軟件采集沖擊程中的加速度信號;iim加速度信號解析和統(tǒng)計(jì)處理方法，從而求得巖土材料的剛性指標(biāo)(如變形模量、BSi^量等)和強(qiáng)度指標(biāo)(如內(nèi)部摩擦角粘聚力)。全文摘要本發(fā)明是對現(xiàn)場巖土材料的力學(xué)特性(包括變形特性和強(qiáng)度特性)進(jìn)行簡易測試的方法和裝置。巖土類材料，如碎石、砂質(zhì)以及粘土質(zhì)材料，具有天然性、多樣性、復(fù)雜性等特性。其中，決定其性能(沉降、穩(wěn)定等)最關(guān)鍵的指標(biāo)為其力學(xué)特性(包括變形模量E和強(qiáng)度指標(biāo)c、φ等)。本發(fā)明采用內(nèi)藏有傳感器的剛性球體作為測試裝置。將球體提升到一定高度，自由落下，對巖土材料進(jìn)行沖擊，產(chǎn)生信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換裝置將信號傳入筆記本電腦。由專用軟件對信號進(jìn)行解析，從而得到巖土材料的剛性指標(biāo)(變形模量E等)和強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)摩擦角φ等)。本發(fā)明以Hertz碰撞理論及Vesic空洞擴(kuò)張理論為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合巖土材料的特性加以修正，具有測試效率高，精度及可靠性高的特點(diǎn)。文檔編號G01N3/303GK101545841SQ20081008704公開日2009年9月30日申請日期2008年3月25日優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日發(fā)明者北本幸義,吉田輝,吳佳曄,池尻健,海野忠行申請人:四川升拓檢測技術(shù)有限責(zé)任公司