CN103698228B - 一种大型真三轴剪切试验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型真三轴剪切试验装置及其应用，试验装置包括试验箱、液压加压机构及水压加压机构，试验箱包括箱架、剪切盒及土囊，液压加压机构包括液压控制箱、竖向液压缸、水平液压缸及剪切试验液压缸，水压加压机构包括水箱、气压罐及水压囊；液压控制箱控制竖向液压缸与水平液压缸的压力，气压罐控制水压囊的压力，使土囊中的试样处于三向应力状态，通过剪切试验液压缸对试样进行剪切试验，通过排水阀控制试样是否排水，记录试样剪切时位移随时间的变化及各向所加压力随时间的变化。与现有技术相比，本发明的特点在于试样尺寸大、剪切面非传统固定水平面、可用于三向应力状态下土的剪切试验，可以更加准确地测定土层的参数。

Description

一种大型真三轴剪切试验装置及其应用

技术领域

本发明属于岩土试验领域，尤其是涉及一种大型真三轴剪切试验装置及其应用，特别适用于三向应力状态下各种粗、细粒土试样基本力学参数的测定。

背景技术

岩土工程领域，土体的破坏通常都是剪切破坏。建筑物地基的承载力，挡土墙、地下结构物的土压力，各类边坡的稳定性等均由土的抗剪强度控制，能否正确获取土的抗剪强度，往往是工程成败的关键。

直剪试验是测定土的抗剪强度的一种常规方法。目前，许多学者采用不同的直剪试验装置来测定土的抗剪强度。

中国专利CN2879170Y公布了一种测定土样抗剪强度的直接剪切仪，包括滚轴丝杆、剪切盒、底座、测力计、剪切盒由上盒和活动的下盒组成，其中上盒与下盒之间有间隙。该专利通过改进传统的直接剪切试验仪，消除了上下盒之间的滑动摩擦、底部滚珠的滚动摩擦，从而提高了测定试样剪切强度的准确性。

中国专利CN102564869A公布了一种剪切试验仪，它包括上模组件、下模组件以及控制器；所述上模组件包括支架，固定在所述支架上的顶块，所述顶块的下方固定垂直驱动机，所述垂直驱动机的下端固定上半模框；所述下模组件包括道轨、在所述道轨上的水平移动架，所述水平移动架上设有下半模框，所述下半模框与平移动架的竖块之间设有剪切施压件；所述剪切施压件的输出上设有剪切力传感器。该发明的装入试块是在剪切试验区以外的位置，可用于大体积试块的剪切试验。

中国专利CN102323166A公布了一种叠环式斜面剪切仪，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；支架上设装支撑铁块，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。该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。

中国专利CN102901676A公布了一种竖向直接剪切试验装置，包括底座、注水管和排水管，在底座上设压力室，在压力室上设剪切室上盖，在压力室内设橡皮膜套，橡皮膜套下端设在底座上且橡皮膜套的下端与底座密封连接，在橡皮膜套内设有上、下剪切盒，上剪、下剪切盒分别位于橡皮膜套的上、下端，并由橡皮膜套、上、下剪切盒围成试样腔，上剪、下剪切盒采用剪切组件，剪切组件包括基底，在基底分别设有剪切块和变形块，剪切块的与变形块相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块的与变形块相对的平面上设有水槽，水槽向基底延伸并贯通基底，形成通水孔，注水管与上剪切盒中的通水孔连接，排水管与下剪切盒中的通水孔连接，在上剪切盒上设有顶帽，在顶帽设有竖向加载轴，可实现试样剪切面上存在渗透水的抗剪强度试验。

上述专利中的试验装置剪切界面固定，存在尺寸效应，不适用于三向应力状态下土体的剪切试验。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大型真三轴剪切试验装置及其应用，该装置试样尺寸大，剪切面非传统固定面，特别适用于三向应力状态下土体的剪切试验，可为工程的设计与施工提供更加准确的试验数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大型真三轴剪切试验装置，该装置包括试验箱、液压加压机构及水压加压机构，其中，

所述的试验箱包括箱架、剪切盒及土囊，所述的剪切盒设在箱架的底端，所述的土囊设在箱架的内部，且位于剪切盒上，土囊的上方设有竖向加压盖，土囊的前后两侧分别设有第一水平加压盖与第二水平加压盖，所述的剪切盒上端与土囊相对的位置为方形凹槽，槽内设有排水通道，剪切盒的左端与位移计连接，右端设有排水阀，排水阀与排水通道连通，用于控制试样试验时的排水性；

所述的液压加压机构包括液压控制箱、竖向液压缸、第一水平液压缸、第二水平液压缸及剪切试验液压缸，所述的竖向液压缸、第一水平液压缸、第二水平液压缸分别通过竖向液压管、第一水平液压管、第二水平液压管与液压控制箱相接，而剪切试验液压缸直接连在液压控制箱上，所述的竖向液压缸与竖向加压盖连接，所述的第一水平液压缸与第一水平加压盖连接，所述的第二水平液压缸与第二水平加压盖连接，所述的剪切试验液压缸水平连接在剪切盒的左侧；

所述的水压加压机构包括水箱、气压罐、第一水压囊及第二水压囊，所述的水箱与气压罐通过气压管相连，并置于支座上，支座放置于箱架底部，所述的水箱上设有压力计，所述的第二水压囊与第一水压囊分别位于土囊的左右两侧，所述的第一水压囊、第二水压囊分别通过第一水压管、第二水压管与水箱相连接，所述的第一水压囊的外侧设有第一水压盖，所述的第二水压囊的外侧设有第二水压盖，通过水压盖将水压囊封闭于土囊左右两侧。

所述的土囊，是由橡胶膜制成的袋状体，上端开口并固定在方形金属框架上，中部自由，下端开有排水孔，外观呈方形。

所述的第一水压囊、第二水压囊，也是由橡胶膜制成的方形袋状体，其临近第一水压盖、第二水压盖侧则分别固定在第一水压盖、第二水压盖上，其余侧自由，第一水压囊固定在第一水压盖的部分开设有开口，第二水压囊固定在第二水压盖的部分开设有开口，该开口分别通过第一水压管与第二水压管连接水箱，并通过第一水压盖、第二水压盖将第一水压囊、第二水压囊封闭于土囊两侧，试验箱之中，通过控制气压罐可使第一水压囊、第二水压囊施压于土囊。

所述的剪切盒下端设有石墨滑槽，剪切盒通过石墨滑槽设置于箱架下部的凸缘上，在剪切试验液压缸加压时，剪切盒沿箱架的凸缘滑动，滑动的位移可用位移计测定。

所述的箱架上设有竖直撑杆，竖直撑杆上端连接水平撑杆，水平撑杆上滑动套设有反力板，所述的竖向液压缸固定在反力板上。所述的竖向液压缸，通过传压头对准竖向加压盖的凹槽施压于土囊中的试样，装卸土时为方便竖向加压盖的揭盖，反力板套设在水平撑杆上并可沿水平撑杆移动，且竖向加压盖上焊有盖耳。

所述的水箱通过气压罐施加水压于第一水压囊、第二水压囊，压力的大小可由水箱上的压力计测定。

所述的液压控制箱分别控制着竖向液压缸、第一水平液压缸、第二水平液压缸及剪切试验液压缸的施加压力，施加压力的大小可分别由液压控制箱上的压力计测定。

所述的试验装置整体通过箱架底部的固定脚固定在试验室内。

一种大型真三轴剪切试验装置的应用，该应用包括以下步骤：

(1)在试验箱内部的第一水压囊、第二水压囊、第一水平加压盖、第二水平加压盖表面涂抹润滑油，然后将土囊放入试验箱内，从而降低土囊与水压囊、水平加压盖之间的摩擦对试验的影响；

(2)将方形透水石放入土囊中，通过控制剪切试验液压缸来调节剪切盒在箱架下部凸缘上的位置，从而使透水石刚好竖直嵌入剪切盒上端的方形凹槽中；

(3)通过控制第一水平液压缸、第二水平液压缸使第一水平加压盖、第二水平加压盖刚好接触到土囊；

(4)通过控制气压罐使第一水压囊、第二水压囊中刚好充满水；

(5)将配置好试验用的土样按需要量装入土囊中；

(6)一边适当增加第一水平液压缸、第二水平液压缸、第一水压囊、第二水压囊中的压力，并使其压力相同，一边振捣土样，直到土样达试验所需密实度；

(7)将竖向加压盖设有在土样上端，调整好竖向液压缸的加压位置：如需做土体的固结排水剪切试验，则调整第一水压囊、第二水压囊、第一水平液压缸、第二水平液压缸到相同的压力，打开排水阀，通过竖向液压缸施加同样的竖向压力，开始排水固结，待排水固结完成后，关闭排水阀，调整土囊各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸加压，从而进行固结排水剪切试验；如需做土体的固结不排水剪切试验，则关闭排水阀，调整土囊各向压力到试验所需后开始固结，待固结完成，则控制剪切试验液压缸加压，从而进行固结不排水剪切试验；如需做土体的不固结不排水剪切试验，则关闭排水阀，调整土囊各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸加压，直接进行剪切试验即为不固结不排水剪切试验；

(8)试验时记录土囊各向所加压力随时间的变化及剪切盒的位移随时间的变化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)能再现所测土体的原始应力场；

(2)可用于三向应力状态下的土体剪切试验；

(3)剪切面非传统固定面，可使土体沿其最薄弱滑动面破坏；

(4)试样尺寸大，避免了尺寸效应。

本发明在研究土体的抗剪强度问题上具有真实全面的特点，试验数据可靠，可为建筑物地基、挡土墙、各类边坡的稳定性等的设计与施工提供有力的保障。

附图说明

图1为本发明的试验装置的总体结构前视图；

图2为本发明的试验装置的总体结构后视图；

图3为本发明中试验箱的局部结构示意图；

图4为本发明中土囊的局部结构示意图。

图中标号：1为竖向液压缸、2为水平撑杆、3为竖向加压盖、4为第一水平加压盖、5为箱架、6为第一水压盖、7为第一水平液压缸、8为剪切盒、9为排水阀、10为位移计、11为剪切试验液压缸、12为液压控制箱、13为支座、14为第一水平液压管、15为第一水压管、16为竖向液压管、17为水箱、18为气压管、19为反力板、20为竖直撑杆、21为盖耳、22为第一水压囊、23为石墨滑槽、24为排水通道、25为排水孔、26为土囊、27为第二水压囊、28为第二水压盖、29为凹槽、30为传压头、31为气压罐、32为第二水压管、33为第二水平液压管、34为第二水平加压盖、35为第二水平液压缸、36为固定脚。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种大型真三轴剪切试验装置，如图1～图4所示，该装置包括试验箱、液压加压机构及水压加压机构，其中，

试验箱包括箱架5、土囊26及剪切盒8，剪切盒8设在箱架5的底端，土囊26设在箱架5的内部，且位于剪切盒8上，土囊26的上方设有竖向加压盖3，土囊26的前后两侧分别设有第一水平加压盖4与第二水平加压盖34，剪切盒8上端与土囊26相对的位置为方形凹槽，槽内设有排水通道24，下端设有石墨滑槽23，并通过石墨滑槽23设置于箱架5下部的凸缘上，左端与位移计10连接，右端设有排水阀9，排水阀9与排水通道24连通，用于控制试样试验时的排水性；

液压加压机构包括液压控制箱12、竖向液压缸1、第一水平液压缸7、第二水平液压缸35及剪切试验液压缸11，竖向液压缸1固定在反力板19上，而反力板19套在水平撑杆2上，水平撑杆2与箱架5上的竖直撑杆20相接，竖向液压缸1、第一水平液压缸7、第二水平液压缸35分别通过竖向液压管16、第一水平液压管14、第二水平液压管33与液压控制箱12相接，而剪切试验液压缸11直接连在液压控制箱12上，竖向液压缸1与竖向加压盖3连接，第一水平液压缸7与第一水平加压盖4连接，第二水平液压缸35与第二水平加压盖34连接，剪切试验液压缸11水平连接在剪切盒8的左侧；

水压加压机构包括水箱17、气压罐31、第一水压囊22及第二水压囊27，水箱17与气压罐31通过气压管18相连，并置于支座13上，支座13放置于箱架5底部，水箱17上设有压力计，第二水压囊27与第一水压囊22分别位于土囊26的左右两侧，第一水压囊22、第二水压囊27分别通过第一水压管15、第二水压管32与水箱17相连接，第一水压囊22的外侧设有第一水压盖6，第二水压囊27的外侧设有第二水压盖28，第一水压盖6、第二水压盖28将第一水压囊22、第二水压囊27封闭于土囊26两侧，试验箱之中。

土囊26是由橡胶膜制成的袋状体，上端开口并固定在方形金属框架上，中部自由，下端开有排水孔25，外观呈方形；

第一水压囊22、第二水压囊27也是由橡胶膜制成的袋状体，其临近第一水压盖6、第二水压盖28侧则分别固定在第一水压盖6、第二水压盖28上，其余侧自由，第一水压囊22固定在第一水压盖6的部分开设有开口，第二水压囊27固定在第二水压盖28的部分开设有开口，该开口分别通过第一水压管15与第二水压管32连接水箱17，并通过第一水压盖6、第二水压盖28将第一水压囊22、第二水压囊27封闭于土囊26两侧，试验箱之中，通过控制气压罐31可使第一水压囊22、第二水压囊27施压于土囊26。

剪切盒8下端设有石墨滑槽23，剪切盒8通过石墨滑槽23设置于箱架5下部的凸缘上，在剪切试验液压缸11加压时，剪切盒8可沿箱架5的凸缘滑动，滑动的位移可用位移计10测定。

箱架5上设有竖直撑杆20，竖直撑杆20上端连接水平撑杆2，水平撑杆2上滑动套设有反力板19，竖向液压缸1固定在反力板19上。竖向液压缸1，通过传压头30对准竖向加压盖3的凹槽29施压于土囊26中的试样，装卸土时为方便竖向加压盖3的揭盖，反力板19套设在水平撑杆2上并可沿水平撑杆2移动，且竖向加压盖3上焊有盖耳21。

水箱17通过气压罐31施加水压于第一水压囊22、第二水压囊27，压力的大小可由水箱17上的压力计测定。

液压控制箱12分别控制着竖向液压缸1、第一水平液压缸7、第二水平液压缸35及剪切试验液压缸11压力的施加，所加压力的大小可分别由液压控制箱12上的压力计测定。

试验装置整体通过箱架5底部的固定脚36固定在试验室内，液压控制箱12和气压罐31通过分别控制竖向液压缸1、第一水平液压缸7、第二水平液压缸35和第一水压囊22、第二水压囊27的压力，可使土囊26中的试样处于三向应力状态，通过剪切试验液压缸11对试样进行剪切试验，试验时，可通过控制试样是否固结、排水阀9是否打开来进行固结排水、固结不排水或不固结不排水剪切试验，位移计10及液压控制箱12、水箱17上的压力计则用来记录试样剪切时位移随时间的变化及各向所加压力随时间的变化。

一种大型真三轴剪切试验装置的应用，该应用包括以下步骤：

(1)在试验箱内部的第一水压囊22、第二水压囊27、第一水平加压盖4、第二水平加压盖34表面涂抹润滑油后，再将土囊26放入试验箱内，以降低土囊26与第一水压囊22、第二水压囊27、第一水平加压盖4、第二水平加压盖34之间的摩擦对试验的影响；

(2)将方形透水石放入土囊26中，通过控制剪切试验液压缸11来调节剪切盒8在箱架5下部凸缘上的位置，从而使透水石刚好竖直嵌入剪切盒8上的方形凹槽中；

(3)通过控制第一水平液压缸7、第二水平液压缸35使第一水平加压盖4、第二水平加压盖34刚好接触到土囊26；

(4)通过控制气压罐31使第一水压囊22、第二水压囊27中刚好充满水；

(5)将配置好试验用的土样按需要量装入土囊26中；

(6)一边适当增加第一水平液压缸7、第二水平液压缸35、第一水压囊22、第二水压囊27中的压力，并使其压力相同，一边振捣土样，直到土样达到试验所需密实度；

(7)将竖向加压盖3设有在土样上端，调整好竖向液压缸1的加压位置：如需做土体的固结排水剪切试验，则调整第一水压囊22、第二水压囊27、第一水平液压缸7、第二水平液压缸35到相同的压力，打开排水阀9，通过竖向液压缸1施加同样的竖向压力，开始排水固结，待排水固结完成后，关闭排水阀9，调整土囊26各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸11加压，从而进行固结排水剪切试验；如需做土体的固结不排水剪切试验，则关闭排水阀9，调整土囊26各向压力到试验所需后开始固结，待固结完成，则控制剪切试验液压缸11加压，从而进行固结不排水剪切试验；如需做土体的不固结不排水剪切试验，则关闭排水阀9，调整土囊26各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸11加压，直接进行剪切试验即为不固结不排水剪切试验；

(8)记录试验时土囊26各向所加压力随时间的变化、剪切盒8的位移随时间的变化。

Claims (10)

1.一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，该装置包括试验箱、液压加压机构及水压加压机构，其中，

所述的试验箱包括箱架(5)、剪切盒(8)及土囊(26)，所述的剪切盒(8)设在箱架(5)的底端，所述的土囊(26)设在箱架(5)的内部，且位于剪切盒(8)上，土囊(26)的上方设有竖向加压盖(3)，土囊(26)的前后两侧分别设有水平加压盖，所述的剪切盒(8)上端与土囊(26)相对的位置为方形凹槽，槽内设有排水通道(24)，剪切盒(8)的左端与位移计(10)连接，右端设有排水阀(9)，排水阀(9)与排水通道(24)连通；

所述的液压加压机构包括液压控制箱(12)、竖向液压缸(1)、水平液压缸及剪切试验液压缸(11)，所述的竖向液压缸(1)与水平液压缸分别通过液压管与液压控制箱(12)连接，所述的剪切试验液压缸(11)直接连在液压控制箱(12)上，所述的竖向液压缸(1)与竖向加压盖(3)连接，所述的水平液压缸与水平加压盖连接，所述的剪切试验液压缸(11)水平连接在剪切盒(8)的左侧；

所述的水压加压机构包括水箱(17)、气压罐(31)及水压囊，所述的水箱(17)与气压罐(31)通过气压管(18)相连，所述的水箱(17)上设有压力计，所述的水压囊位于土囊(26)的左右两侧，且通过水压管与水箱(17)相连接，水压囊的外侧设有水压盖；

液压控制箱(12)通过控制竖向液压缸(1)与水平液压缸的压力，气压罐(31)通过控制水压囊的压力，使土囊(26)中的试样处于三向应力状态，通过剪切试验液压缸(11)对试样进行剪切试验，试验时，通过排水阀(9)控制试样是否排水，位移计(10)、液压控制箱(12)上的压力计及水箱(17)上的压力计用来记录试样剪切时位移随时间的变化及各向所加压力随时间的变化。

2.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的土囊(26)为由橡胶膜制成的袋状体，上端开口并固定在方形金属框架上，中部自由，下端开设有排水孔(25)，外观呈方形。

3.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的水压囊为由橡胶膜制成的方形袋状体，水压囊的外侧固定在水压盖上，其余侧自由，通过水压盖将水压囊封闭于土囊(26)左右两侧，水压囊固定在水压盖的部分开设有开口，该开口通过水压管与水箱(17)连接。

4.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的剪切盒(8)的下端设有石墨滑槽(23)，剪切盒(8)通过石墨滑槽(23)设置于箱架(5)下部的凸缘上，在剪切试验液压缸(11)加压时，剪切盒(8)可沿箱架(5)的凸缘滑动，滑动的位移用位移计(10)测定。

5.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的水箱(17)通过气压罐(31)施加水压于水压囊，压力的大小由水箱(17)上的压力计测定；所述的液压控制箱(12)分别控制竖向液压缸(1)、水平液压缸及剪切试验液压缸(11)的施加压力，施加压力的大小分别由液压控制箱(12)上的压力计测定。

6.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的箱架(5)上设有竖直撑杆(20)，竖直撑杆(20)上端连接水平撑杆(2)，水平撑杆(2)上滑动套设有反力板(19)，所述的竖向液压缸(1)固定在反力板(19)上。

7.根据权利要求1所述的一种大型真三轴剪切试验装置，其特征在于，所述的水箱(17)与气压罐(31)均置于支座(13)上，支座(13)设在箱架(5)的底部。

8.一种如权利要求1所述的大型真三轴剪切试验装置的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：

(1)在试验箱内部的水压囊、水平加压盖表面涂抹润滑油后，将土囊(26)放入试验箱内；

(2)将方形透水石放入土囊(26)中，通过控制剪切试验液压缸(11)来调节剪切盒(8)在箱架(5)下部凸缘上的位置，从而使透水石刚好竖直嵌入剪切盒(8)上端的方形凹槽中；

(3)通过控制水平液压缸使水平加压盖刚好接触到土囊(26)；

(4)通过控制气压罐(31)使水压囊中刚好充满水；

(5)将配置好试验用的土样装入土囊(26)中；

(6)一边增加水平液压缸、水压囊中的压力，并使其压力相同，一边振捣土样，直到土样达到试验所需密实度；

(7)将竖向加压盖(3)设在土样上端，调整好竖向液压缸(1)的加压位置，进行土体的剪切试验；

(8)试验时记录土囊(26)各向所加压力随时间的变化及剪切盒(8)的位移随时间的变化。

9.根据权利要求8所述的一种大型真三轴剪切试验装置的应用，其特征在于，在步骤(7)中，通过控制试样是否固结、排水阀(9)是否打开来进行固结排水、固结不排水或不固结不排水剪切试验。

10.根据权利要求9所述的一种大型真三轴剪切试验装置的应用，其特征在于，如需做土体的固结排水剪切试验，则调整水压囊、水平液压缸到相同的压力，打开排水阀(9)，通过竖向液压缸(1)施加同样的竖向压力，开始排水固结，待排水固结完成后，关闭排水阀(9)，调整土囊(26)各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸(11)加压，从而进行固结排水剪切试验；

如需做土体的固结不排水剪切试验，则关闭排水阀(9)，调整土囊(26)各向压力到试验所需后开始固结，待固结完成，则控制剪切试验液压缸(11)加压，从而进行固结不排水剪切试验；

如需做土体的不固结不排水剪切试验，则关闭排水阀(9)，调整土囊(26)各向压力到试验所需后，控制剪切试验液压缸(11)加压，直接进行剪切试验即为不固结不排水剪切试验。