本发明公开了一种气压剪切式原位土体抗剪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，提供一种气压剪切式原位土体抗剪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气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，包括侧向施力结构、延伸结构和可伸缩的气压剪切结构；所述侧向施力结构与所述延伸结构固定连接并位于钻孔内的环状土体处，用于向所述环状土体施加水平法向力；所述环状土体的高度为5cm~7cm，环宽为2cm~3cm；所述气压剪切结构与所述延伸结构的底端固定连接，用于向承受水平法向力的环状土体施加垂直向上的剪切力；所述延伸结构用于带动所述侧向施力结构和所述气压剪切结构同步向钻孔深处的下一层或者多层环状土体运动，从而获取在逐层递增的水平法向力下每层环状土体的抗剪强度，其中下一层或者多层环状土体与当前环状土体同处于同一土层，例如都为砂质土层或者都为黏质土层；还包括可伸缩的成孔结构；所述成孔结构替换所述气压剪切结构，并与所述延伸结构的底端固定连接，所述成孔结构用于对所述钻孔的孔壁进行切割，得到所述环状土体；所述成孔结构包括沿所述延伸结构依次设置的上成孔模块和下成孔模块；所述上成孔模块和所述下成孔模块均包括成孔板、固定在所述成孔板上的可伸缩式刀片和成孔驱动器；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。
3、优选地，所述气压剪切结构包括壳体、驱动器和多个可伸缩的剪切模块；所述壳体的外壁与所述延伸结构的底端固定连接；所述驱动器设置于所述壳体内，并与所述壳体的中心位置固定连接；所述多个可伸缩的剪切模块以所述驱动器为圆心围绕所述驱动器设置，并与所述驱动器固定连接，用于在所述驱动器的带动下，同时伸出或缩回所述壳体。
4、优选地，每个可伸缩的剪切模块包括展开板和设置在所述展开板的上表面的剪切橡皮囊；所述展开板与所述驱动器固定连接，所述展开板在伸出状态时其上的剪切橡皮囊与所述环状土体的下表面相接。
5、优选地，每个可伸缩的剪切模块还包括剪切输气管、剪切加压瓶和压力控制器；所述剪切输气管的一端与所述剪切加压瓶连接，另一端与所述剪切橡皮囊连接；所述压力控制器设置于所述剪切输气管上，用于控制所述剪切橡皮囊内的压力。
6、优选地，所述侧向施力结构包括限位筒和施力橡皮囊；所述延伸结构沿所述限位筒的中轴线穿过，并与所述限位筒固定连接；所述施力橡皮囊包覆在所述限位筒的外壁。
7、优选地，所述侧向施力结构还包括施力输气管、施力加压瓶和压力控制器；所述施力输气管的一端与所述施力加压瓶连接，另一端与所述施力橡皮囊连接；所述压力控制器设置于所述施力输气管上，用于控制所述施力橡皮囊内的压力。
8、优选地，所述延伸结构包括支架、延伸杆和延伸控制器；所述支架设置于所述钻孔所在地面上；所述延伸杆的一端与所述支架固定连接，另一端伸入至所述钻孔内，并位于所述钻孔的轴线上；所述延伸控制器与所述延伸杆连接，用于控制所述延伸杆的延伸量。
9、本发明的第二方面提供了一种气压剪切式原位土体抗剪强度测试方法，包括：
10、步骤1、利用上述气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置获取钻孔内环状土体在水平法向力下的抗剪强度。
11、步骤2、将所述气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置下移至下一层环状土体，获取当前环状土体在增加预设增量后的水平法向力下的抗剪强度。
12、步骤3、重复步骤2预设次数，得到多组水平法向力和抗剪强度。
13、优选地，在所述步骤3之后还包括：
14、步骤4、根据多组水平法向力和抗剪强度，绘制水平法向力和抗剪强度的关系曲线。
15、步骤5、根据所述关系曲线确定多个环状土体对应土层的粘聚力和内摩擦角。
16、优选地，获取所述抗剪强度时的剪切完成标准为气压剪切结构内剪切橡皮囊的气压不变或者剪切橡皮囊的高度变化等于预设阈值；所述剪切橡皮囊的高度根据剪切橡皮囊的体积和横截面的面积确定。
17、本发明的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
18、本发明的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，可在一次测试过程中获取同一土层内不同深度土体在不同水平法向力下的抗剪强度。本发明使用气压剪切结构对环状土体进行剪切，受力更加均匀，同时可以根据充气量精确确定剪切速率，大幅提高了所得抗剪强度的精度，且结构简单，操作方便，便于携带与安装。进一步地，气压剪切结构无需依靠延伸结构提供拉拔力，大大减轻了延伸结构的负担，延长了延伸结构的使用寿命，降低了对场地的使用要求以及延伸结构的布设工艺，整个装置的稳定性更佳，可以在更多的工况下进行使用。
19、本发明可根据同一土层内不同深度土体在不同水平法向力下的抗剪强度确定该土层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。
1.一种气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，其特征在于，包括侧向施力结构、延伸结构和可伸缩的气压剪切结构；
2.根据权利要求1所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，其特征在于，所述气压剪切结构包括壳体、驱动器和多个可伸缩的剪切模块；
3.根据权利要求2所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，其特征在于，每个可伸缩的剪切模块包括展开板和设置在所述展开板的上表面的剪切橡皮囊；
4.根据权利要求1所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，其特征在于，所述侧向施力结构包括限位筒和施力橡皮囊；
5.根据权利要求1所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试装置，其特征在于，所述延伸结构包括支架、延伸杆和延伸控制器；
6.一种气压剪切式原位土体抗剪强度测试方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试方法，其特征在于，在所述步骤3之后还包括：
8.根据权利要求6所述的气压剪切式原位土体抗剪强度测试方法，其特征在于，获取所述抗剪强度时的剪切完成标准为气压剪切结构内剪切橡皮囊的气压不变或者剪切橡皮囊的高度变化等于预设阈值；
