CN103728191A - 一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置，冲击载荷机构包括由中心柱和嵌套在中心柱顶部半径依次增大的一组套环组成的落锤、吊装套环的绳索和中心柱贯穿其中心固定的盖板；试样冲剪机构为位于冲击载荷机构下部的压力室，压力室内设有橡皮膜套包覆的试样腔，橡皮膜套内试样腔的上部和下部分别设有上剪切盒和下剪切盒；该剪切装置中剪切块和变形块刚度的差异性使轴向力转化为剪切力，实现了试样竖直向的直接剪切试验功能，剪切面确定，且剪切加载、正压力施加方便，便于测量试样在冲剪作用下的强度变化；该装置中各实心环的质量相等，通过控制下落高度，能够有效的控制冲击能，从而能够较准确的确定试样动载作用下剪切等力学参数。

Description

一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置

技术领域

本发明涉及岩土力学、岩土工程领域，具体涉及一种连续动载冲剪条件下试样剪切面强度测试装置。

背景技术

岩土工程领域中，岩土体的剪切破坏是一种常见的破坏形式，而剪切面形成后，剪切面的强度指标及力学特性则是计算岩土稳定性的重要指标，直接剪切试验是获取岩土基本力学参数的主要技术手段与方法。

实践中，动载作用下岩土体的强度与静荷载相比具有明显差异，即便动载较小，当荷载具有一定的变化速率时，岩土体剪切面承受动载冲击的能力差异巨大，但剪切面在动载冲剪下的强度变化却很难测量，原因在于直接剪切试验很难获得连续冲剪荷载。

特别地，由颗粒介质胶结而成的土石混合介质，颗粒差异性和剪切面的复杂性对剪切面抗剪强度影响较大，现行试验规程中对该类介质动态抗剪强度试验尚无规定，因此，研制连续冲击剪切试验方法有较好的工程实践价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可获得连续冲剪载荷的模拟连续冲击剪切加载的试验装置。

技术方案：本发明提供了一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置，包括冲击载荷机构和试样冲剪机构，所述冲击载荷机构包括由中心柱和嵌套在中心柱顶部半径依次增大的一组套环组成的落锤、吊装套环的绳索和中心柱贯穿其中心固定的盖板，所述试样冲剪机构为位于冲击载荷机构下部的压力室，压力室内设有橡皮膜套包覆的试样腔，橡皮膜套内所述试样腔的上部和下部分别设有上剪切盒和下剪切盒；冲击载荷机构采用半径依次增大的套环作为落锤，套环沿着中心柱自由下落连续冲击盖板，盖板带动中心柱产生位移并通过中心柱将载荷传递给上剪切盒，通过试样冲剪机构的上下剪切盒可将此轴向力转化为剪切力，从而实现了试样竖直向的直接剪切试验功能，测试试样在连续冲剪作用下破坏性能。

为了保证试验中每次冲击载荷能相等，相邻两个所述套环之间位于内层的套环的外径等于位于外层套环的内径，且所有套环的质量相等。

为了达到升降改进落锤的目的，在所述套环的上表面径向两端分别通过绳索吊起并绕过装置顶部的横向滚轴，所述横向滚轴在绳索绕过的部分设有凹槽，可保证改进落锤在升降过程中不会产生大幅度摇摆，以保障试验安全。

进一步，所述上剪切盒和下剪切盒均包括剪切块和变形块，上剪切盒的剪切块和下剪切盒的变形块上下对应，上剪切盒的变形块和下剪切盒的剪切块上下对应，且上剪切盒的剪切块和变形块的剪切面和下剪切盒的剪切块和变形块的剪切面共面；相对于现有的剪切装置，本装置可通过上下剪切盒的剪切块和变形块把轴向力（包括轴向动荷载）转化为沿剪切面的竖向剪切力，形成稳定连续的剪切加载作用于试样。

优选的，所述变形块为海绵块、塑胶板或泡沫块，所述剪切块为铁块或钢块；变形块选用刚度较小的材料，可用来固定试样，监测剪切位移，剪切块选用刚度较大的材料，在轴向力的作用下变形可忽略不计，当轴向力传递给剪切盒时，变形块刚度较小，可以忽略在剪切过程中对剪切块的阻力，在上剪切盒和下剪切盒的剪切块共同作用下，在变形块和剪切块之间可形成一竖向剪切面。

为了降低压力室与橡皮膜套之间的摩擦，减少摩阻力对剪切试验的影响，所述压力室和所述橡皮膜套之间填充有压力油。

有益效果：1、该剪切装置中剪切块和变形块刚度的差异性使轴向力转化为剪切力，实现了试样竖直向的直接剪切试验功能，剪切面确定，且剪切加载、正压力施加方便，便于测量试样在冲剪作用下的强度变化；2、该装置中各实心环的质量相等，通过控制下落高度，能够有效的控制冲击能，从而能够较准确的确定试样动载作用下剪切等力学参数；3、该装置结构紧凑，制作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为落锤处的局部放大图；

图3为套环的俯视图；

图4为套环的侧视图；

图5为试样冲剪机构的局部放大图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置，如图1所示，包括冲击载荷机构和试样冲剪机构，冲击载荷机构（如图2所示）包括钢桁架1、滚轴支座2、滚轴3、落锤4、绳索5、盖板6和中心柱9，中心柱9纵向穿过盖板6并固定，落锤4由四个半径依次增大但质量相等的套环10；11；12；13组成，由大至小嵌套在中心柱9的顶部，如图3所示，相邻两个套环10；11；12；13之间位于内层的套环10；11；12；13的外径等于位于外层套环10；11；12；13的内径，中心柱9为圆柱体，截面半径为R1，套环10；11；12；13的截面为圆环，套环10的内外半径分别为R1和R2，套环11的内外半径分别为R2和R3，套环12的内外半径分别为R3和R4，套环13的内外半径分别为R4和R5，各个套环10；11；12；13的质量分别为M1、M2、M3和M4，为保证一次试验中的每次冲击载荷相等，每个套环10；11；12；13的质量都等于M，则落锤4的各部分之间有如下关系：

M1＝M2＝M3＝M4＝M

M＝ρV，V＝H×S

$\left\{\begin{array}{c}M1=H\×\mathrm{\π}\×({R2}^2-{R1}^2)\\ M2=H\×\mathrm{\π}\×({R3}^2-{R2}^2)\\ M3=H\×\mathrm{\π}\×({R4}^2-{R3}^2)\\ M4=H\×\mathrm{\π}\×({R5}^2-R{4}^2)\end{array}\right.$

式中：H为套环10；11；12；13的高度，S为套环10；11；12；13的截面面积，ρ为密度，V为体积；由上述关系得到：

$\left\{\begin{array}{c}R5=\sqrt{5}R1\\ R4=2R1\\ R3=\sqrt{3}R1\\ R2=\sqrt{2}R1\end{array}\right.$

如图4所示，套环10；11；12；13的上表面沿径向两端分别通过绳索5吊起并绕过装置顶部的横向滚轴3，横向滚轴3通过滚轴支座2吊装在钢桁架1上，所述横向滚轴3在绳索5绕过的部分设有凹槽，用来升降落锤4，由于套环10；11；12；13释放下落次序并无限定，需要控制的仅为各个部分释放下落的时间间隔，通过绳索5提升的高度来控制改进落锤4下降的高度，即每次的冲击能，同时也可通过改变每个套环10；11；12；13的下落释放时间，来控制冲击间隔时间，即冲击加载率：

$h=\frac{1}{2}{\mathrm{gt}}^2$

式中，h为下落高度，改进落锤4各个部分的下落高度均相等，g为重力加速度，为常数，t为下落时间，所得冲击加载率即为套环10；11；12；13下落释放的间隔时间。

如图5所示，试样冲剪机构为位于冲击载荷机构下部的压力室17，压力室17固定在底座25上，顶端由上盖14封闭，压力室17内设有橡皮膜套18包覆的试样腔19，中心柱9穿过上盖14中心直抵橡皮膜套18顶部的顶帽15，橡皮膜套18底部密封在底座25上，压力室17和橡皮膜套18之间填充有压力油；橡皮膜套18内试样腔19的上部和下部分别设有上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒与顶帽15之间通过刚性卡环16固定，上剪切盒和下剪切盒均含有剪切块21和变形块23，上剪切盒和下剪切盒均包括剪切块21和变形块23，上剪切盒的剪切块21和下剪切盒的变形块23上下对应，上剪切盒的变形块23和下剪切盒的剪切块21上下对应，且上剪切盒的剪切块21和变形块23的剪切面和下剪切盒的剪切块21和变形块23的剪切面共面；本实施例中变形块23为泡沫块，剪切块21为钢块，在轴向力的作用下泡沫块变形较大，钢块几乎不产生形变，因此在变形块23和剪切面21的接触面产生剪切力加载于试样。泡沫块与试样腔19之间垫有钢衬垫24，钢衬垫24可阻止试样腔19内中的试样在载荷下嵌入泡沫。上剪切盒的泡沫块与顶帽15之间以及下剪切盒的泡沫块与底座25之间设有基底20，可使变形块23与顶帽15和底座25之间不存在孔隙，对试样起到一定固定作用。整个冲击载荷机构和试样冲剪机构置于钢桁架1内，由于钢桁架1的强度较高，所以在冲击过程中不会产生宏观变形。

本装置动载产生加载过程为：套环10；11；12；13的通过绳索5吊起，释放后沿中心柱9下落，下落顺序无限制，连续冲击盖板6，即对盖板6施加动荷载，带动中心柱9向下冲击顶帽15，通过顶帽15将动荷载传递给上剪切盒，顶帽15与上剪切盒的加载面为平面以保证试样在每次冲击过程中所受的荷载为均布荷载，上下的剪切块和变形块之间形成剪切面，产生竖向剪切位移。

上述试验装置的实施方法包括以下步骤：

（1）根据试验规范要求制作试样；

（2）在压力室17中，将上、下剪切盒按位置置于试样上下端，使上部的剪切块21和下部的变形块23上下对应，上部的变形块23和下部的剪切块21上下对应，且上部的剪切块21和变形块23的剪切面和下部的剪切块21和变形块23的剪切面共面，外部再包裹一层热塑性较高的橡皮膜，并用刚性卡环16使上剪切室与顶帽15固定，下剪切室与底座25固定在一起，压力室17的顶部用上盖14密封；

（3）确定试验所需的冲击次数、试验所需的冲击能（即落锤的质量）和试验所需的冲击加载率（即冲击加载的间隔时间），将中心柱9穿过各套环10；11；12；13，使中心轴9和各套环10；11；12；13中心重合；架起钢桁架1，将各套环10；11；12；13的绳索5绕过滚轴3吊起，调控套环10；11；12；13下落高度，并用计时器控制套环10；11；12；13下落释放时间间隔，套环10；11；12；13以一定的时间间隔冲击盖板6，完成试验；

通过常规三轴压缩试验设备记录系统，利用套环10；11；12；13下落产生冲击荷载，通过控制下落高度，实现多级加载，从而记录试样在连续冲剪作用下的破坏特征；

（4）剪切应力的计算：

对于圆柱形试样：

$\mathrm{\τ}=\frac{2P}{\mathrm{\π}{R}^2}$

式中：τ为试样的剪切应力，P为轴向压力，R为圆柱形试样的半径；

对于立方体试样：

$\mathrm{\τ}=\frac{2P}{L^2}$

式中，τ为试样的剪切应力，P为轴向压力，L为正方形试样的边长；

计算法向应力时，圆柱形试样施加围压或立方体试样施加正压力均采用下式计算

σ_n＝σ₃

式中，σ₃为围压（圆柱形试样）或正应力(立方体试样)；

（5）试验曲线的处理：

①绘制τ～s曲线，其中s为剪切变形的位移；

②根据不同围压下τ～s曲线的峰值，根据莫尔库仑准则计算抗剪切强度。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：包括冲击载荷机构和试样冲剪机构，所述冲击载荷机构包括由中心柱和嵌套在中心柱顶部半径依次增大的一组套环组成的落锤、吊装套环的绳索和中心柱贯穿其中心固定的盖板；所述试样冲剪机构为位于冲击载荷机构下部的压力室，压力室内设有橡皮膜套包覆的试样腔，橡皮膜套内所述试样腔的上部和下部分别设有上剪切盒和下剪切盒。

2.根据权利要求1所述的模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：相邻两个所述套环之间位于内层的套环的外径等于位于外层套环的内径，且所有套环的质量相等。

3.根据权利要求1所述的模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：所述套环的上表面径向两端分别通过绳索吊起并绕过装置顶部的横向滚轴，所述横向滚轴在绳索绕过的部分设有凹槽。

4.根据权利要求1所述的模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：所述上剪切盒和下剪切盒均包括剪切块和变形块，上剪切盒的剪切块和下剪切盒的变形块上下对应，上剪切盒的变形块和下剪切盒的剪切块上下对应，且上剪切盒的剪切块和变形块的剪切面和下剪切盒的剪切块和变形块的剪切面共面。

5.根据权利要求4所述的模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：所述变形块为海绵块、塑胶板或泡沫块，所述剪切块为铁块或钢块。

6.根据权利要求1所述的模拟连续冲击剪切加载的试验装置，其特征在于：所述压力室和所述橡皮膜套之间填充有压力油。

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