本发明公开了一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置及方法，属于工程地质勘查。
背景技术：
1、在工程建设过程中，土体抗剪强度是工程地质勘察阶段的重要参数，影响着后期地基处理方案的选择与设计。目前，关于土体抗剪强度参数测定主要有室内剪切试验与原位剪切试验两种方式。室内试验常常用的包括直剪试验与三轴试验等。直剪试验具有设备简单，土样制备及试验操作方便等优点，但不能严格控制排水条件，使得在测定湿陷性土体时数据结果不准确；三轴试验能更好的模拟土体在地层中的受力情况，且能准确测定剪切过程中孔隙水压力变化，但制样复杂，操作困难，且常见的假三轴试验也难以较好的模仿地层条件。
2、相比室内剪切试验，原位剪切试验具有代表性强，扰动性小，能真实、精确地反映工程实际情况等优点，能够极大满足工程设计及灾害治理的需求。目前，土体抗剪强度参数测定的原位剪切试验主要包括土柱剪切法与孔内拉拔法两种方法。土柱剪切法需要挖开试坑，留下土柱做剪切试验，费时费力，且只能进行表层土体的试验，无法对不同深度的湿陷性土体进行剪切强度测试；孔内拉拔法是将剪切装置与钻孔内壁紧贴，使用相应的压力装置对孔壁施加法向应力，再提拉整个剪切装置以获取界面参数。孔内拉拔法虽然弥补了土柱剪切法难以获取深部土体抗剪强度参数的不足的问题，但所得到的参数是剪切装置与土体的界面抗剪强度参数，与土体真实的抗剪强度参数有一定的差距；且孔内拉拔法对孔外基座产生巨大压力，并不利于装置的稳定，同时剪切速率也难以保证。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，提供一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置及方法，以解决现有技术中孔内拉拔法对应的原位剪切装置存在的所得抗剪强度参数不准确、剪切速率难以保证以及装置不稳定的技术问题。
2、本发明的第一方面提供了一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，包括延伸组件和与所述延伸组件滑动连接的剪切组件，所述剪切组件包括多个限位筒、与所述限位筒数量对应的气压式剪切结构和可伸缩的侧向施力结构；所述延伸组件沿钻孔的轴线伸入至所述钻孔内；每个限位筒与所述延伸组件滑动连接，并位于钻孔内的环状土体处；每个侧向施力结构设置于所述限位筒的外壁，用于在伸出状态时将所述环状土体切割为待剪块并向所述待剪块施加水平法向力；每个气压式剪切结构设置在对应待剪块的下方，用于向承受水平法向力的对应待剪块施加垂直方向的剪切力，多个气压式剪切结构在逐步递增的水平法向力下逐一剪切各个待剪块。
3、优选地，所述侧向施力结构包括可伸缩式限位件和侧向施力件；所述可伸缩式限位件设置于所述限位筒的外壁，并沿所述限位筒的外壁伸缩，用于在伸出状态时将所述环状土体切割为待剪块；所述侧向施力件设置于所述限位筒靠近所述环状土体的一端，用于向所述待剪块施加水平法向力。
4、优选地，所述可伸缩式限位件包括驱动件、两块侧限位板和一块上限位板；所述两块侧限位板的板面与所述钻孔的轴线平行；所述上限位板的板面与所述钻孔的轴线垂直；所述两块侧限位板均与所述上限位板相接，形成三面合围结构并在缩回状态时将所述限位筒包覆在内；所述驱动件固定在所述限位筒的外壁上，所述驱动件的驱动端与所述合围结构连接，用于驱动所述合围结构沿所述限位筒的外壁伸缩。
5、优选地，所述侧向施力件包括侧向加压瓶和侧向橡皮囊；所述侧向加压瓶与所述侧向橡皮囊连接，用于向所述侧向橡皮囊充气；所述侧向橡皮囊位于伸出状态时的所述三面合围结构内，用于向所述待剪块施加水平法向力。
6、优选地，所述气压式剪切结构包括竖向加压瓶和竖向橡皮囊；所述竖向加压瓶与所述竖向橡皮囊连接，用于向所述竖向橡皮囊充气；所述竖向橡皮囊设置在对应待剪块的下方，用于向承受水平法向力的对应待剪块施加垂直方向的剪切力。
7、优选地，还包括可伸缩的成孔组件；所述成孔组件替换所述剪切组件，并与所述延伸组件固定连接，所述成孔组件用于对所述钻孔的孔壁进行切割，得到所述环状土体。
8、优选地，所述成孔组件包括沿所述延伸组件依次设置的上成孔结构和下成孔结构；所述上成孔结构和所述下成孔结构包括成孔板、固定在所述成孔板上的可伸缩式刀片和和成孔驱动器；
9、所述成孔驱动器固定在所述成孔板上，所述可伸缩式刀片设置在所述成孔驱动器一周，并与所述成孔驱动器固定连接。
10、本发明的第二方面提供了一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试方法，该方法基于上述用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，包括：
11、步骤1、将环状土体切割为多个待剪块，并向每个所述待剪块施加相等的水平法向力。
12、步骤2、对其中一个待剪块施加剪切力直至剪切完成。
13、步骤3、向每个所述待剪块施加相等且数值大于前一次的水平法向力，然后对下一个待剪块施加剪切力直至剪切完成，重复该步骤直至所有待剪块剪切完成。
14、优选地，在所述步骤3之后，还包括：
15、步骤4、根据所有待剪块剪切完成后对应的水平法向应力和所得的抗剪强度，绘制水平法向应力和抗剪强度的关系曲线。
16、步骤5、根据所述关系曲线确定所述环状土体的粘聚力和内摩擦角。
17、优选地，所述步骤3中确定剪切完成的标准为竖向橡皮囊压力不变或者竖向橡皮囊高度变化等于预设阈值；所述竖向橡皮囊的高度根据竖向橡皮囊的体积和横截面的面积确定。
18、本发明的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
19、本发明的剪切组件是由多个剪切单元组成的，每个剪切单元中包括一个限位筒、一个气压式剪切结构和一个可伸缩的侧向施力结构。上述多个剪切单元围绕延伸组件对称设置，从而保证在逐步递增的水平法向力下逐一剪切各个待剪块的过程中，每次水平法向力的施加都可以达到平衡，保证整个测试装置的稳定性进而保证所得剪切参数的准确性。
20、本发明的测试装置可以获得同一土层土体在不同水平法向力下准确的剪切参数，进而根据剪切参数确定土体的内摩擦角及粘聚力，可快捷、准确的获取土体多种类型的参数。
21、本发明使用延伸组件带动剪切组件运动至钻孔内的环状土体处，以便进行后续的剪切操作，其结构简单，稳定性佳且可以获取不同深度土层对应环状土体的剪切参数，方便、快捷。
1.一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，包括延伸组件和与所述延伸组件滑动连接的剪切组件，所述剪切组件包括多个限位筒、与所述限位筒数量对应的气压式剪切结构和可伸缩的侧向施力结构；
2.根据权利要求1所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，所述侧向施力结构包括可伸缩式限位件和侧向施力件；
3.根据权利要求2所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，所述可伸缩式限位件包括驱动件、两块侧限位板和一块上限位板；
4.根据权利要求3所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，所述侧向施力件包括侧向加压瓶和侧向橡皮囊；
5.根据权利要求1所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，所述气压式剪切结构包括竖向加压瓶和竖向橡皮囊；
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，还包括可伸缩的成孔组件；
7.根据权利要求6所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，其特征在于，所述成孔组件包括沿所述延伸组件依次设置的上成孔结构和下成孔结构；
8.一种用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试装置，包括：
9.根据权利要求8所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试方法，其特征在于，在所述步骤3之后，还包括：
10.根据权利要求8所述的用于钻孔实验的气压剪切式土体强度测试方法，其特征在于，所述步骤3中确定剪切完成的标准为竖向橡皮囊压力不变或者竖向橡皮囊高度变化等于预设阈值；
