CN102323166A

CN102323166A - 叠环式斜面剪切仪

Info

Publication number: CN102323166A
Application number: CN201110239031A
Authority: CN
Inventors: 施建勇; 钱学德; 刘晓东; 艾英钵; 朱保坤
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明提供叠环式斜面剪切仪，包括垂直液压油缸和水平液压油缸，两个油缸均连接至液压控制系统；垂直液压油缸的液压杆连接上剪切盒的盖板，下剪切盒底部固定刚性底板，刚性底板与水平底座之间设置滚轴；水平液压油缸的液压杆与传力铁块连接，传力铁块与连杆、下剪切盒的导向板依次连接；支架上安装支撑铁块，支撑铁块抵住上剪切盒；在上、下剪切盒之间设置叠环组，叠环组与水平位移传感器组连接；水平位移传感器组、垂直液压油缸、水平液压油缸并联至数据采集分析系统；液压控制系统与数据采集分析系统均连接至主控台；其特征在于所述的上、下剪切盒的剪切面为非水平面。本发明更适用于斜坡上复合衬里的剪切试验，同时满足高应力、多界面的要求。

Description

叠环式斜面剪切仪

技术领域

本发明涉及一种用于测试卫生填埋场复合衬垫系统界面特性的斜面剪切仪，属于环境岩土技术领域。

背景技术

随着经济发展和都市规模的扩大，城市固体废弃物的产出量逐年增加，在我国现阶段最有效的垃圾处理方法是深度填埋。填埋场的衬垫系统主要包括：土工膜、土工布、土工网、GCL衬垫等土工材料以及砂土，粘土。研究不同土工材料之间的力学特性，就必需对不同土工材料的组合进行直剪和单剪试验。直剪是指两层不同土工材料间的界面剪切试验，单剪是指三层及以上不同土工材料进行界面剪切试验，即按照填埋场实际衬垫铺设的上下顺序，在试验仪器中取同样的土工材料叠放顺序进行试验。

目前常见的土工材料力学特性测试仪器主要有：（1）斜板仪。斜板仪能进行斜面剪切试验，使用较为简单，能得到较大的相对位移，进而有利于残余强度值的取得，制造和使用费用低廉，但是其只适用于法向应力较小的情况，无法适用于高法向应力的情况。（2）改进直剪仪，改进了常规剪切仪的试样尺寸小、剪切位移小、存在尺寸效应等缺点，但是依然存在以下缺点：无法模拟多层土工材料界面剪切、更不能进行斜面剪切试验。（3）扭转剪切仪，扭转剪切仪可以在一个方向上产生无限大的位移，且剪切面积保持不变，能测得不同接触界面之间的残余剪切强度。其缺点有：试样尺寸一般较小，存在着明显的尺寸效应；扭剪仪是环向剪切，适合于各向均匀的土工材料之间的剪切，而对于土工布和土工网等材料，由于试样的生产和制备方向都不是环向的，因此存在剪切方向上的差异，必然导致试验结果存在较大误差，另外该扭转剪切仪无法适用斜面剪切。（4）浸水式大型直剪仪，两个剪切盒之间有钢珠可以减小摩擦力，主要用来测量大面积矩形试样的抗剪强度，由于浸水式大型直剪仪下部有一个水化试样的水池，试验基本都在水中进行，因此主要适用于饱和条件下土与土工合成材料之间的接触强度研究，但是其无法模拟多层土工材料的界面剪切。上述试验仪器仅能进行单一界面的剪切试验，无法同时做多界面的剪切试验。：试验界面单一固定，只能进行直剪试验，存在尺寸效应、不适于对多种土工材料进行测试、法向应力较小、无法模拟斜面剪切。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不仅可以进行直剪试验，还可以进行单剪试验，避免尺寸效应且能对多种土工材料组成的复合衬垫系统进行斜面剪切的叠环式斜面剪切仪。

为实现以上的目的，本发明采用以下的技术方案：

叠环式斜面剪切仪，包括水平底座和设置在底座上的支架、支架上固定垂直液压油缸和水平液压油缸，水平液压油缸与垂直液压油缸均连接至液压控制系统；

其中垂直液压油缸的液压杆垂直朝下且连接上剪切盒的盖板，下剪切盒底部固定刚性底板，刚性底板与水平底座之间设置滚轴；

水平液压油缸的液压杆与传力铁块连接，传力铁块通过连杆连接至下剪切盒的导向板；

支架上安装支撑铁块，支撑铁块抵住上剪切盒沿着与下剪切盒的接触面下滑方向的外侧壁；

在下剪切盒与上剪切盒之间设置叠环组，叠环组各叠环的侧壁与水平位移传感器组的工作端连接；

水平位移传感器组、垂直液压油缸、水平液压油缸并联至数据采集分析系统；液压控制系统与数据采集分析系统均连接至主控台；

其特征在于，所述的上、下剪切盒的剪切面为非水平面。上下剪切盒剪切面的坡度为1:2-1:4。

上、下剪切盒均为外方内圆的结构，上、下剪切盒合并时，外部呈立方体，内部呈圆柱结构，叠环中心设置的圆与上下剪切盒内径相等，且上下剪切盒的侧壁、叠环组设置定位孔。

叠环组每个叠环的侧面垂直地焊接薄金属片。

叠环式斜面剪切仪对复合衬垫系统界面特性测试的方法，包括以下的步骤：基于权利要求1的叠环式斜面剪切仪对复合衬垫系统界面特性测试的方法，包括以下的步骤：

（1）、将不同的建筑材料分别填充至上、下剪切盒内并压实，将待测试的不同衬垫材料分别放置在不同的叠环上，将叠环组置于上、下剪切盒之间；

（2）、在上剪切盒加盖盖板，将支撑铁块与上剪切盒沿着与下剪切盒的剪切面下移方向的外侧壁接触；依次连接导向板、连杆、传力铁块；水平位移传感器组的传感器连接叠环组的每个叠环和下剪切盒；接通并检查数据采集分析系统和液压控制系统；

（3）、开启采集分析系统和液压控制系统，垂直液压油缸对上下剪切盒施加垂直压力，水平液压油缸通过传力铁块、连杆、导向板向下剪切盒施加水平拉力，下剪切盒在水平液压油缸作用下水平移动，上剪切盒在下剪切盒、支撑铁块的作用下竖直向上移动，叠环组保持自由移动状态，垂直压力、水平拉力由数据采集分析系统测出，位移由水平位移传感器测出，经换算得到剪切斜面上的正应力、剪切应力及剪切位移，绘制强度包线，进而获得斜面上多层复合衬垫的抗剪强度参数。

前述的叠环式斜面剪切仪对复合衬垫系统界面特性测试的方法，其特征在于所述衬垫材料为土工布、土工膜、土工网、复合排水网、GCL衬垫，所述的建筑材料是砂土和粘土。

本发明的优点和效果在于：

（1）试样尺寸大，避免尺寸效应；

（2）通过垂直液压油缸施加最高达200KN的垂直压力，通过水平液压油缸施加最高达150KN的水平拉力，满足高应力的要求；

（3）通过多层叠环，可以进行多种剪切试验：直剪、单剪，真实模拟实际工程中的卫生填埋场多层界面情况；

（4）采用水平位移传感器组，通过数据采集分析系统，获得每个接触面的位移，从而找到最薄弱滑动面的变化规律；

（5）通过施加不同的垂直压力，模拟卫生填埋场不同的垃圾填埋厚度，结合每个接触面的位移与剪应力情况，获得应力应变关系，再根据破坏标准，得到一条反映界面抗剪能力的强度包线；

（6）上剪切盒、下剪切盒、叠环组之间剪切面有多种坡度，可以进行斜面剪切，真实模拟实际中的卫生填埋场多种坡度的边坡。本发明的试验结果与运用叠环式水平剪切仪试验结果的对比可见，强度包线有着明显差异，本发明更适用于斜坡上复合衬里的剪切试验。

附图说明

图1为本发明的叠环式斜面剪切仪的结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为各系统的连接示意框图。

图4为上、下剪切盒连接关系示意图。

图5为利用本发明进行单剪试验得到的正应力-位移关系图。

图6为利用本发明进行单剪试验的剪切应力-位移关系图。

图7为利用本发明进行单剪试验的剪切应力与正应力之比-位移关系图。

图8为利用本发明进行单剪试验的剪切应力-正应力关系图。

图9为利用本发明进行单剪试验的界面强度包线图。

图10为利用本发明进行砂土直剪试验的正应力-位移关系图。

图11为利用本发明进行砂土直剪试验的剪切应力-位移关系图。

图12为利用本发明进行砂土直剪试验的剪切应力与正应力之比-位移关系图。

图13为利用本发明进行砂土直剪试验的剪切应力-正应力关系图。

图14为利用本发明以及叠环式水平剪切仪进行砂土剪切试验的强度包线比较图。

图15为利用本发明以及叠环式水平剪切仪进行单剪试验的强度包线比较图。

图中：1、机架；2、数据采集分析系统；3、液压控制系统；4、滚轴；5、刚性底板；6、下剪切盒；7、叠环组；8、上剪切盒；9、盖板；10、垂直液压油缸；11、水平液压油缸；12、连杆、13、水平位移传感器；14、支撑铁块；15、导向板；16、传力铁块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的叠环式斜面剪切仪的结构示意图。图2为图1的左视图。如图1、图2所示，本发明的叠环式斜面剪切仪，包括水平底座和设置在底座上的门形支架1、门形支架1上固定垂直液压油缸10、垂直液压油缸10的液压杆垂直朝下且连接上剪切盒的盖板9，上下剪切盒接触，下剪切盒6底部固定刚性底板5，刚性底板5与水平底座之间设置滚轴4，以减少仪器误差。下剪切盒6朝前、朝后的两侧面分别固定导向板15，导向板15通过连杆12与传力铁块16连接。底座上安装立柱，立柱上安装支撑铁块14，支撑铁块抵住上剪切盒8沿着与下剪切盒的接触面下滑方向的外侧壁。水平液压油缸11固定在机架1上，且水平液压油缸11的液压杆与传力铁块16连接。

图3为各系统的连接示意框图。参照图3所示，水平液压油缸11与垂直液压油缸10均连接至液压控制系统3；水平位移传感器组13、垂直液压油缸10、水平液压油缸11并联至数据采集分析系统2；液压控制系统3与数据采集分析系统2均连接至主控台。

在下剪切盒6与上剪切盒8之间设置叠环组7，叠环组7各叠环的侧壁与水平位移传感器组13的工作端连接。

每个叠环的厚度约1.5mm，为了增加叠环与传感器的接触面积，在每个叠环的侧面垂直地焊接薄的铁片，每个传感器连接至每个叠环的铁皮表面，根据剪切面坡度不同，叠环组分为五组，每组六个，外形方形，中间为椭圆形，根据剪切面的坡度不同，椭圆的规格也不同，长轴有335毫米、323毫米、316毫米、312毫米、309毫米五个型号，相应的短轴均为300毫米。

图4为上、下剪切盒连接关系示意图。参照图4所示，上下剪切盒均为外方内圆的结构，且内部圆的直径内径300毫米、圆心均匹配，上剪切盒放置在上剪切盒时，保持接触面全部接触，且外部呈立方体，内部呈圆柱结构。因为在下剪切盒前后两个侧面固定导向板，因此将上下剪切盒合并后，上剪切盒只能相对下剪切盒做左右方向的相对运动。上剪切盒的下表面和上剪切盒的上表面、上下剪切盒的剪切面与水平面呈现一定夹角，使坡度为1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4。上、下剪切盒的侧壁、叠环表面，沿着对角线的设置定位孔。

以单剪实验为例，模拟真实卫生填埋场整体复合衬垫系统斜面剪切试验，材料为：砂-土工布-土工网-土工膜-粘土，剪切盒的坡度采用1:3。

具体步骤为：

（1）、材料的布置：将土工布、土工网、土工膜分别固定于叠环组7的3个叠环上，将这三个叠环按组装次序放置于上剪切盒8和下剪切盒6之间，砂土置于下剪切盒6内，粘土置于上剪切盒8内并压实，在上剪切盒的上方放置盖板9；

（2）、各部件的组装：将下剪切盒的导向板15与连杆12连接、传力铁块16依次连接；并将支撑铁块14与上剪切盒8从下剪切盒下滑方向的外侧壁接触；安装水平位移传感器组13，并使三个叠环的侧壁分别与水平位移传感器组的三个传感器连接；接通线路并检查数据采集分析系统2和液压控制系统3。

（3）、实验过程：在主控台控制开启液压控制系统3与数据采集系统2，垂直液压油缸10的液压杆向下伸长，对上下剪切盒、叠环组施加垂直向下的压力；水平液压油缸11的液压杆向右侧伸出，向右推动传力铁块16，传力铁块拉动连杆12，连杆12对导向板施加水平向右的力，导向板带动下剪切盒一起向右侧移动，上剪切盒同时受到垂直液压油缸向下的压力和下剪切盒提供的垂直于接触面向上的推力，但因为上剪切盒被支撑铁块14抵住，因此上剪切盒向上运动，体现在视觉上是相对于下剪切盒向左移动，夹持在上、下剪切盒之间的叠环组保持自由移动的状态，具体位移由水平位移传感器测量并传递至数据采集系统2。

（4）、数据处理：

当垂直液压油缸和水平液压油缸对上下剪切盒施加作用力时，数据采集系统获得剪切面所受到的正应力、剪切应力以及各叠环和下剪切盒的位移，从而绘制“正应力—位移”关系图、“剪切应力—位移”关系图、“剪切应力与正应力之比—剪切位移”关系图、“剪切应力—正应力”关系图，以“剪切应力与正应力之比—剪切位移”关系图为基础，在图中有峰值曲线中取峰值处的位移为破坏点位移，图中无峰值曲线取20mm剪切位移为破坏点位移，然后根据前述获得的破坏点位移在“正应力—位移”关系图和“剪切应力—位移”关系图中找到对应的破坏点的正应力和剪切应力，最后绘制出强度包线，从而获得该衬垫系统的粘聚力和摩擦角。

另外，通过采集的数据还可获得各界面间的位移与时间关系，如：土工布—土工网间的“位移—时间”关系图，这对于研究者分析整个剪切过程提供了试验数据。（参照图5-图14所示）

（5）、对比分析：通过本发明仪器测得“砂-土工布-土工网-土工膜-粘土”衬垫系统的强度包线与叠环式水平剪切仪测得同样衬垫系统的强度包线对比（图15），可以明显看出两者抗剪能力的差别。另外，多种衬垫系统的对比试验结果同样反映了抗剪能力的差别，这对于设计人员和施工人员在选择填埋场边坡上衬垫系统时候，提供了非常有益的试验数据。

Claims

1.叠环式斜面剪切仪，包括水平底座和设置在底座上的支架、支架上固定垂直液压油缸和水平液压油缸，水平液压油缸与垂直液压油缸均连接至液压控制系统；

其特征在于，所述的上、下剪切盒的剪切面为非水平面。

2.根据权利要求1所述的叠环式斜面剪切仪，其特征在于，所述的上下剪切盒剪切面的坡度为1:2-1:4。

3.根据权利要求1所述的叠环式斜面剪切仪，其特征在于上、下剪切盒均为外方内圆的结构，上、下剪切盒合并时，外部呈立方体，内部呈圆柱结构，叠环中心设置的圆与上下剪切盒内径相等，且上下剪切盒的侧壁、叠环组设置定位孔。

4.根据权利要求1所述的叠环式斜面剪切仪，其特征在于叠环组每个叠环的侧面垂直地焊接薄金属片。

5.基于权利要求1的叠环式斜面剪切仪对复合衬垫系统界面特性测试的方法，包括以下的步骤：

6.根据权利要求5所述的叠环式斜面剪切仪对复合衬垫系统界面特性测试的方法，其特征在于所述衬垫材料为土工布、土工膜、土工网、复合排水网、GCL衬垫，所述的建筑材料是砂土和粘土。