随着我国综合国力不断增强,对基础设施的投入加大,许多建筑、公路、水利水电工程等公共基础迅速发展起来。我国地质环境复杂多变,不可预计因素较多,一旦发生安全事故极易造成巨大的经济损失和人员伤亡。为使建筑工程实现更加经济合理和稳定安全,岩土工程研究人员对土壤的力学性状进行了大量的研究。随着研究的深入,岩土力学测试的一些新方法、新经验、新理论不断出现,使岩土力学测试理论不断地得到完善和发展。目前我国的岩土力学测试试验是根据国家土工测试标准,在实验室使用各种实验装置对土试样进行压应力应变和剪应力应变测试。由于技术手段的限制,目前大多数的土力学实验在实验室内进行,这样就要求在现场提取土样时必须进行土样的“保鲜”,即尽力保护现场提取土样的物理化学状态。实验室测试土力学特性的优点是操作容易、数据可靠;其缺点也很明显,即需要保存土样、实验周期较长。另外,勘探时土样被提取后其原始状态已发生较大的变化。因此开展原位测试是十分有必要的。深孔地质探测一般是现场提取并保存土样运回实验室,按照相关岩土力学国家标准进行测试和分析。采集的土样在运输过程中其力学特性会有所变化,并且传统的测试方法大大增加了相关的地质探测的工作量,这与目前高速发展的社会现实不相称的。岩土工程需要是土力学的技术数据,如果通过某种技术手段,在工地现场就可以获得有关土力学的技术数据是最理想的。针对这以上问题,开发并研制了一种轻便的岩土体深孔原位直剪测试仪。本文开篇对土工勘探中原位测试的必要性进行论述,通过详实的举证说明原位测试对基础工程建设和社会安全稳定发展的严重性。首先,详细介绍了我国目前的室内抗剪强度测试和抗剪强度测试仪器。分别阐述了抗剪强度试验中直剪试验、单剪试验、环剪试验和三轴压缩试验的取样方法、测试原理、测试方法、测试仪器。介绍了室内抗剪强度测试仪器的现状和发展,指出了现有室内抗剪测试仪器的不足。之后,介绍了土工原位测试方法及现阶段原位抗剪强度测试方法。十字板剪切试验可以对天然应力状态下的岩土进行扭剪,所测得的强度能较好的反映土的天然强度。但是十字板剪切试验只能针对软土和淤泥,无法测试相对硬塑性黏土和混有砾石的土。通过综合比较室内外的抗剪强度测试方法和测试仪器,提出一种新型的深孔原位直剪测试方法并研制一台深孔原位直剪测试仪样机。第二章对土体的抗剪强度进行研究。阐述了库伦定律,在法向应力变化范围不大时,抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线。根据库伦公式可以得出土的抗剪强度指标——黏聚力c和摩擦角υ。介绍了莫尔-库伦破坏准则和土的平衡条件。之后详细分析了抗剪强度试验方法,直接剪切试验可针对不同的排水条件进行直剪试验,分为慢剪、快剪和固结快剪。最后采用有限差分法对直剪试验建模,使用岩土力学模拟软件flac3d模拟直剪剪切试验的全部过程。着重分析土体试验在垂直应力下的剪应变、剪应力和在剪切面上的应力应变分布。有限差分软件flac3d的计算结果证实在直剪试验中剪切面上的剪应力、剪应变分布不均匀。剪切初始时测试取样杯侧壁周围的应力应变偏大,而土样内中间区域偏小。剪切的整个过程中,剪应力和剪应变的发展都是从土样边缘开始,并随着剪切不断进行剪应力和剪应变逐渐向中部区域扩展。最终土样发生剪切破坏后,剪应力和剪应变在剪切面分布逐渐变均匀。第三章阐述了深孔原位直剪测试仪的行为机构设计。深孔原位直剪测试仪从结构组成、工作机理、取样选择等方面进行了详细介绍。重点介绍了设备的取样系统、推靠系统、垂直加载系统和水平加载系统的工作机理,并对各个系统进行了详细的分析。同时,提出深孔原位直剪测试概念,详细介绍了整个测试流程。测试时用钻探设备在探测点的地表打一个深度约为5~50m探测孔,然后将直剪测试仪送入深孔底部,由测试装置对底部的土壤进行压应力应变和剪应力应变测试。测试完毕后,提取出装置,再准备下一次测试。如此循环直至完成全部探测作业。第四章介绍了深孔原位直剪仪的参数设计。对动力系统、取样系统、推靠系统所需参数进行研究,并用有限元分析法分析各个系统关键构件的应力应变情况。详细介绍了深孔原位直剪测试仪的动力系统和动力负载匹配。先用数值模拟的方法确定负载大小,确定动力系统所需要的力。通过比较步进电机和气囊直剪的优缺点,最终确定选用步进电机作为动力系统,并计算出所需要的载荷大小。分析测试取样杯在取样过程中应力应变大小。针对取样过程中取样测试杯对土壤的切削进行研究。最后用有限元分析软件分析活塞在施加垂直压力时的应力应变和水平加载系统重要传导构件的受力情况。第五章分析了深孔原位直剪测试仪应力测量的压力传感器。选出适合设备的压力传感器,并介绍其基本结构和工作原理。通过有限元计算,计算出不同模量、厚径比的压力传感器在土介质中的匹配误差。由于深孔原位直剪测试仪内部结构较小,现有的位移传感器不能满足设备需要。所以针对深孔原位直剪测试仪设计并制作了应变式位移传感器。用有限元法对位移传感器的弹性梁进行了分析,主要分析了弹性梁的应力应变,推导传感器的输入输出关系和固有频率。所设计的应变式位移传感器弹性梁最大量程为9mm,精度0.1mm满足设计需求。最后对深孔原位直剪仪的锯环和锯环的驱动电路进行设计。由于有些粘性土的硬度不亚于岩石的硬度,所以考虑采用锯环来减轻测试杯压入岩土的难度。锯环的设计是基于超声波电机的工作原理来设计的,根据锯环的负载设计了锯环的驱动电路。第六章研究了步进电机的控制系统和仪器的数据采集系统。确定系统控制方案为闭环控制系统。研究步进电机控制模型,提出步进电机速度控制的指数型控制算法,为步进电机速度控制提供理论依据,最后搭建步进电机控制系统。实现了深孔原位直剪测试仪的数据采集系统的硬件部分。分别对模数转换器、信号放大电路、数据处理电路和数据显示电路进行详细介绍。第七章阐述了深孔原位直剪测试仪的样机,进行样机的单位行为测试和系统行为测试。测试证明样机运行效果良好能够达到当初设计目标。在实验室搭建了深孔原位直剪测试平台,进行深孔原位测试。根据试验结果,画出应力应变关系图,求出砂土的抗剪强度指标c=10kpa,υ=42.1°与室内直剪试验结果相比较。证明了深孔原位直剪测试仪直剪试验结果有效。第八章详细介绍了在深孔原位直剪测试研发过程中垂直加载系统、水平加载系统、推靠器系统和锯环等关键构件的设计优化。将原有的结构设计与优化后的结构设计进行分析和对比。机械结构设计优化及比较是机械创新设计过程中重要的部分,通过对构件优化设计,减少机构运动之间的摩擦力,从而减小能量损失,提高测试精度。事实表明,机械结构的好坏对整个设备能否稳定工作起着决定性的作用。本文的主要创新点为:(1)根据土力学抗剪强度基本理论和莫尔-库伦破坏准则,对土力学抗剪强度试验方法进行研究。利用土力学软件建立了深孔原位直剪测试模型,并提出深孔原位直剪测试的概念。(2)研制了具有自主知识产权的深孔原位直剪测试仪样机。深孔原位直剪测试仪的构思是以机电一体化为基础的,设计将传感器与执行机构集成设计制造。在不降低强度和使用寿命的同时,缩减了空间,使设备轻量化,可靠性也大大增加,并提高测试效率。(3)实现深孔原位直剪测试仪原位在线测试。搭建深孔原位测试平台,测试土样在不同正压力下的抗剪强度,获取了一系列相关试验数据。测试结果与数值模拟结果进行比较,得出测试结果与模拟结果较符合。(4)提出深孔原位直剪测试仪的信息集成化方法。将传感器与运动构件集成化,构件既是执行器也是传感器。推靠器的支撑压力由推靠板内侧的压力传感器测定;土力学压应力由活塞背后的压力传感器测定,对应的应变由丝杠的位移产生;剪应力由取样测试杯外侧的传感器测定。测试仪可在深孔内自动完成测试动作,并将测试数据信息集成处理后通过钢缆绳传回地面的控制系统。试验表明此法提高了测试效率和数据有效性。