CN104807706A - 便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法。便携式软弱层带原位直剪试验仪包括：反力钢架，反力钢架内部形成测试空间；剪切盒，安装在测试空间内；水平加载系统，一端作用在反力钢架上，另一端作用在剪切盒的竖向侧壁上；竖向加载系统，包括滚珠排，竖向加载系统的一端作用在反力钢架的顶盖上，另一端通过滚珠排作用在剪切盒的上表面。本发明能够在现场快速获取原位条件下未受扰动的软弱层带抗剪参数，结果更为准确、可靠，可便于测试原位条件下软弱层带的剪切强度参数。另外，本发明还具有结构型式简洁、易于操作、便于携带的特点。

Description

便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土体力学参数测试领域，特别涉及一种便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法。

背景技术

软弱层带是岩体中物理力学性质相对围岩较弱的呈带状分布的岩层，包含了软弱夹层、断层破碎带、层内错动带等。在水电、铁路、公路大型工程建设中，常常遇到软弱层带而导致的边坡失稳、隧道塌方等工程地质灾害，是工程岩体稳定性的控制性边界条件，同时也是工程建设成本控制的重要因素之一。因此，软弱层带是各类大型地质工程研究的重点，软弱层带的强度参数是控制岩土体和上部工程建筑物抗滑稳定的关键力学参数。

当前获取软弱层带“原状”试样常在勘探平洞中进行。通常是在现场用套筒取得，然后用千斤顶将试样压入剪切盒中，或采用人工铁镐取样。由于开挖后，受开挖方式和卸荷松驰影响，获取的试样极易受扰动，不能完全反映现场软弱层带的实际状态。现场原位试验相对于室内试验可以测定未扰动的软弱层带强度参数，可避免取样过程对试样的扰动，测试值更为准确，接近实际。

直剪仪是以经典岩土力学库伦理论为基础发展而来的、最早且最直接测定岩土体及其软弱结构面抗剪强度的主要技术装备和测试手段，试验原理基本一致，但仪器设备和试验手段存在较大差异，尤其在结构形式和使用方法上有较大差别。

大多直剪仪加载系统选用液压式；机架主要包括箱形梁整体框架式、立柱箱形梁复合式等；测量系统主要有机械式、传感器数显式、计算机自动测量采集等。软弱层带强度参数的现场测试，通常采用的试验设备为现场大型剪切试验装置，其对试验场地条件要求较高，此外，仪器笨重、试验耗时长，很大程度上限制了该类设备的实际应用效果。

申请号为CN2014101201243的专利申请公开了一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该发明属于岩土力学现场试验参数测定技术领域，涉及一种粗粒土现场大型直剪试验设备。该现场大剪试验设备包括反力装置、竖向加载系统、水平加载系统、测试系统、剪切盒。采用机器开挖与人工开挖、修整相结合的方式，制备未受扰动的所需尺寸的楔形土墩子(土台)，通过围岩自承力来提供反力，并且采用球头平推法进行现场粗粒土天然含水状态下的应力式快剪试验。然而，该发明属于大型剪切试验设备，设备笨重、携带不方便，试验成本较高，对工作场地要求也较高，不便于大量开展现场原位试验。且所需反力较大，所需围岩自承力较高，反力梁不易安装。

申请号为CN200710025380.4的发明专利申请公开了一种便携式现场和室内两用直剪试验仪及其取样测试方法。该试验仪包括取样设备、移动垂直加荷系统和水平张拉受剪系统，是将刚性框和十字型剪切框一同埋入需要试验的现场土体中，再把包含刚性框和剪切框的土体整体挖出，取得扰动较小的整体性试样，把所取得的整体性试样放入固定于箱型框架上的刚性框底座里，通过安装在箱型框架上的移动式垂直加荷系统施加垂直力，采用张拉剪切框测试土体的强度，试验过程中不会限制试样垂直方向的体积变化。该测试方法将受剪方式由刚性顶推改为柔性张拉方式，克服了刚性接触剪切盒摩擦问题，采用移动式垂直加压系统确保试验过程中垂直压力不会偏心，从而提高测试精度。然而，该发明需要将试样整体挖出，不属于原位试验；且柔性张拉方式拉力较小，水平向拉力容易受扰动偏心受力，难以满足软弱层带强度试验的精度要求。

可见，目前还缺乏快速、经济、便携的软弱层带原位直剪试验设备，因此软弱层带原位试验大多限于勘察成本投入较大的大型、特大型工程中，而众多的工程建设主要还是凭借室内试验参数和设计人员经验获取强度参数，缺乏现场原位试验数据的支持，难以满足现代工程建设的需要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法，以解决现有技术中常用原位直剪仪普遍质量大、试验成本高、整体不可拆卸、运输携带不方便的技术问题。

本发明的第一方面提供了一种便携式软弱层带原位直剪试验仪，包括：反力钢架，反力钢架内部形成测试空间；剪切盒，安装在测试空间内；水平加载系统，一端作用在反力钢架上，另一端作用在剪切盒的竖向侧壁上；竖向加载系统，包括滚珠排，竖向加载系统的一端作用在反力钢架的顶盖上，另一端通过滚珠排作用在剪切盒的上表面。

优选地，水平加载系统的另一端与剪切盒之间设置有带凹槽的第一承压板，竖向加载系统的另一端与剪切盒之间设置有带凹槽的第二承压板。

优选地，竖向加载系统还包括上盖和隔板，上盖、滚珠排和隔板由上至下依次设置。

优选地，方形的剪切盒内部形成有用于放置环刀且与环刀的外径相同的圆柱形空间。

优选地，便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括吸水石和滤纸，吸水石和滤纸设置在隔板与剪切盒的上表面之间。

优选地，便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括用于测量隔板和剪切盒位移的传感器，传感器与计算机数据采集系统连接。

优选地，反力钢架为四柱两板式反力钢架，四柱两板式反力钢架的顶盖焊接有肋梁，四柱两板式反力钢架的与水平加载系统相对应的两侧为钢板，四柱两板式反力钢架的其余两侧处于开放状态。

优选地，反力钢架还包括用于与岩石地面固定连接的反力座，四柱两板式反力钢架的每个立柱的下端均安装有一个反力座。

优选地，反力座通过膨胀螺栓固定在岩石地面上。

本发明还提供了一种上述便携式软弱层带原位直剪试验仪的测试方法，其特征在于，包括：步骤1，选择需要开展试验的软弱层带出露位置，揭去预定范围的软弱层带的上覆岩体，将便携式软弱层带原位直剪试验仪的环刀平整放置于软弱层带上，然后下压环刀以形成圆柱状原位试样，并将原位试样周边的土体清除，预留剪切试验缝，然后将剪切盒套在环刀的外部；步骤2，利用水准器保证场地水平，利用直尺测量并调整反力钢架的位置，使剪切盒与竖向加载系统位于同一直线上，并在剪切盒内放入吸水石和滤纸；步骤3，启动计算机数据采集系统并调零，然后启动水平加载系统及竖向加载系统，并采用微动形式交替使水平加载系统及竖向加载系统的工作面与剪切盒贴紧；步骤4，采用平推法进行快剪试验：通过竖向加载系统施加竖向压力，并通过水平加载系统分级施加水平向剪切力以捕捉峰值，使原位试样在3至5min内剪损，当剪切变形达预定值后停止水平加载系统的加载，完成一组测试，并通过计算机数据采集系统全程记录应力应变数据；步骤5，依次卸下水平加载系统和竖向加载系统，取出剪切盒，撬起反力钢架的反力座上的膨胀螺栓，使反力钢架松动以将反力钢架取出。

本发明能够现场快速测试原位条件下未受扰动的软弱层带抗剪强度参数，结果更为准确、可靠。另外，本发明还具有结构型式简洁、易于操作、便于携带的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为反力钢架的顶盖的结构示意图；

图4为剪切盒的结构示意图；

图5为原位试样制样过程示意图。

图中附图标记：1、反力钢架；2、剪切盒；3、水平加载系统；4、竖向加载系统；5、滚珠排；6、第一承压板；7、第二承压板；8、隔板；9、环刀；11、肋梁；12、软弱层带；13、传力柱；14、吸水过滤部；15、上盖；16、膨胀螺栓；17、岩石地面；18、第三承压板；19、第四承压板；21、留空；22、钢板；23、传感器；24、剪切面。

具体实施方式

本发明的基本原理基于经典岩土力学库仑原理提出，根据库仑强度准则其中，τ_f是指岩土体的抗剪强度(kPa)，σ是作用在剪切面上的法向压力(kPa)，指岩土体的内摩擦角(°)，c指岩土体的内聚力(kPa)，由以抗剪强度τ_f为纵坐标，垂直压力σ为横坐标，绘制抗剪强度τ_f与垂直压力σ的关系曲线，根据图上各点绘一视测的直线，直线的倾角为土的内摩擦角直线在纵坐标轴上的截距为土的粘聚力c。本发明在竖直方向上施加一定荷载，并施加水平作用力，当剪切盒发生相对错动时，试样剪损(本试验中一般位移大于4mm视为试样破坏)，此时试样的剪力即是土的抗剪强度τ_f。

请参考图1至图5，本发明提供了一种便携式软弱层带原位直剪试验仪，包括：反力钢架1，反力钢架1内部形成测试空间；剪切盒2，安装在测试空间内；水平加载系统3，一端作用在反力钢架1上，另一端作用在剪切盒2的竖向侧壁上；竖向加载系统4，包括滚珠排5，竖向加载系统4的一端作用在反力钢架1的顶盖上，另一端通过滚珠排5作用在剪切盒2的上表面。例如，水平加载系统3和竖向加载系统4均可利用液压油缸来实现，显然，也可以采用其他形式的加载系统。

优选地，竖向加载系统4的上端通过传力柱13作用在反力钢架1的顶盖上。通过滚珠排5可以使剪切盒2内的原位试样在剪切时，试样受水平向剪切力产生位移，同时，还能使竖向加载系统4在测试过程中，始终向原位试样施加竖向的作用力。

本发明中的便携式软弱层带原位直剪试验仪是整体可拆卸的，使用时，将反力钢架1、剪切盒2、水平加载系统3和竖向加载系统4等在现场组装起来，利用反力钢架1为水平加载系统3和竖向加载系统4提供反力支撑，这样，可以通过水平加载系统3向剪切盒2内的原位试样施加测试用的剪切力，并通过竖向加载系统4向原位试样施加竖向的力，以模拟原始的竖向应力，使原位试样更贴近原始受力状态，因而，本发明能够现场快速测试原位条件下未受扰动的软弱层带抗剪参数，结果更为准确、可靠。另外，本发明还具有结构型式简洁、易于操作、便于携带的特点。

优选地，水平加载系统3的所述另一端与剪切盒2之间设置有带凹槽的第一承压板6，竖向加载系统4的所述另一端与剪切盒2之间设置有带凹槽的第二承压板7。优选地，水平加载系统3的所述一端与反力钢架1之间设置有第三承压板18，竖向加载系统4的所述一端与反力钢架1之间设置有第四承压板19。

优选地，竖向加载系统4还包括上盖15和隔板8，上盖15、滚珠排5和隔板8由上至下依次设置。在剪切过程中，原位试样始终通过滚珠排5获得来自竖向加载系统4施加的作用力，同时，隔板8在滚珠排的作用下，沿水平方面运动，因而不会阻碍原位试样在剪切时的水平移动。

优选地，方形的剪切盒2内部形成有用于放置环刀9且与环刀9的外径相同的圆柱形空间。优选地，方形的剪切盒2为采用模具浇注外方内圆的钢结构，其外部高约3.0cm，长、宽为10cm，圆柱形空间的直径为6.5cm。优选地，环刀9可选用取样面积30cm²环刀，内径尺寸为61.8mm，外径为65mm，厚约0.3mm，刃口角度10°。

优选地，便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括吸水石和滤纸，吸水石和滤纸设置在隔板8与剪切盒2的上表面之间。其中，在图1和图4中，吸水石和滤纸合起来构成吸水过滤部14。

优选地，便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括用于测量隔板8和剪切盒2位移的传感器23，传感器23与计算机数据采集系统连接。更优选地，传感器23均安装在第一承压板6或第二承压板7。优选地，测试前，须对竖向和水平加载系统试验正常运行产生的摩擦力和组件重力进行标定，以便在成果整理时扣除，使测试结果更为准确。

优选地，反力钢架1为四柱两板式反力钢架，四柱两板式反力钢架的顶盖焊接有肋梁11，四柱两板式反力钢架的与水平加载系统3相对应的两侧为钢板，四柱两板式反力钢架的其余两侧处于开放状态。优选地，两侧钢板的厚约20mm。这样，便于试验观测、装卸和调整。在一个优选的实施例中，四柱两板式反力钢架选用厚约20mm标准钢板切割成3块钢板22，两两沿长边用钢质螺丝固定，且在四柱两板式反力钢架顶盖焊接肋梁以增加结构刚度，下部与水平加载系统3相对应的两侧为钢板，另外两侧形成留空21，以便于试验观测、装卸和调整。

优选地，反力钢架1还包括用于与岩石地面固定连接的反力座，四柱两板式反力钢架的每个立柱的下端均安装有一个反力座。优选地，反力座通过膨胀螺栓16固定在岩石地面17上。这样，反力钢架1与岩石地面之间呈刚性连接，以使反力钢架1牢固并能提供足够的竖向和水平向反力。优选地，反力座上形成有固定孔，其孔径为11mm，可用通用的10mm膨胀螺栓将其与岩石地面锁固，呈刚性连接，以使试验钢架结构牢固并能提供足够的竖向和水平向反力。

本发明还提供了一种该便携式软弱层带原位直剪试验仪的测试方法，包括：

步骤1，选择需要开展试验的软弱层带12出露位置，揭去预定范围的软弱层带12的上覆岩体(例如，可人工开挖、修整的方式去除上覆岩体，并对软弱层带12进行平整)，将便携式软弱层带原位直剪试验仪的环刀9平整放置于软弱层带12上，然后下压环刀9以形成圆柱状原位试样，并将原位试样周边的土体清除，预留剪切试验缝(约2～3mm)，然后将剪切盒2套在环刀9的外部；

步骤2，利用水准器保证场地水平，利用直尺测量并调整反力钢架1的位置，使剪切盒2与竖向加载系统4位于同一直线上，并在剪切盒2内放入吸水石和滤纸；

步骤3，启动计算机数据采集系统并调零，然后启动水平加载系统3及竖向加载系统4，并采用微动形式交替使水平加载系统3及竖向加载系统4的工作面与剪切盒2贴紧；

步骤4，采用平推法进行快剪试验：通过竖向加载系统4施加竖向压力，并通过水平加载系统3分级施加水平向剪切力以捕捉峰值，使原位试样在3至5min内剪损，当剪切变形达预定值(例如6mm)后停止水平加载系统3的加载，完成一组测试，并通过计算机数据采集系统全程记录应力应变数据；此时，原位试样的底部形成剪切面24。

步骤5，依次卸下水平加载系统3和竖向加载系统4，取出剪切盒2，撬起反力钢架1的反力座上的膨胀螺栓，使反力钢架1松动以将反力钢架1取出。

反复以上操作，进行不少于四组试验用于试验数据成果整理，并可通过下述的数据整理方法对数据进行处理：

剪切面上的正应力σ、剪应力τ按下式计算，

$\mathrm{\σ}=\frac{G|P{f}_1}{A}$

$\mathrm{\τ}=\frac{F-f_2}{A}$

其中：G为竖向油缸、剪切试验盒的重力；P为竖向传感器测得压力值；f₁为竖向系统产生的摩擦力(试验进行前标定测得)；f₂为水平向系统产生的摩擦力(试验进行前标定测得)；F为水平加载力(传感器测量荷载值)，A为剪切面面积。

综上所述，本发明在测试时，采用人工开挖、修整的方式，将环刀9整体压入软弱层带中，从而可以制备未受扰动的圆柱状原位试样，并且采用水平加载系统3和竖向加载系统4(例如，二者可以为小型油缸)实施平推法，以进行现场原位天然含水状态下快剪试验，具有结构型式简洁、易于操作、便于携带的特点，能够现场测试获取原位条件下未受扰动的软弱层带抗剪参数，结果更为准确、可靠。

通过本发明实施例完成的软弱层带原位天然直剪试验可以得到可靠的、更接近真实的试验数据。此外，本发明还具有整体可拆卸、试样受剪恒定、使用范围广等特点。在条件允许的情况下，可在试坑内进行人工饱水浸泡，进行软弱层带的饱水快速直剪试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)整套设备结构简单，操作方便，整套仪器可装入一个箱型框内，体积小，便于携带和维护；(2)通过原位测试能真实反映现场软弱层带的实际状态，测试值更贴近现场情况；(3)对试验场地要求不高，减少了开挖量，大大降低试验成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，包括：

反力钢架(1)，所述反力钢架(1)内部形成测试空间；

剪切盒(2)，安装在所述测试空间内；

水平加载系统(3)，一端作用在所述反力钢架(1)上，另一端作用在所述剪切盒(2)的竖向侧壁上；

竖向加载系统(4)，包括滚珠排(5)，所述竖向加载系统(4)的一端作用在所述反力钢架(1)的顶盖上，另一端通过所述滚珠排(5)作用在所述剪切盒(2)的上表面。

2.根据权利要求1所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述水平加载系统(3)的所述另一端与所述剪切盒(2)之间设置有带凹槽的第一承压板(6)，所述竖向加载系统(4)的所述另一端与所述剪切盒(2)之间设置有带凹槽的第二承压板(7)。

3.根据权利要求1所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述竖向加载系统(4)还包括上盖(15)和隔板(8)，所述上盖(15)、所述滚珠排(5)和所述隔板(8)由上至下依次设置。

4.根据权利要求1所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，方形的所述剪切盒(2)内部形成有用于放置环刀(9)且与所述环刀(9)的外径相同的圆柱形空间。

5.根据权利要求3所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括吸水石和滤纸，所述吸水石和滤纸设置在所述隔板(8)与所述剪切盒(2)的上表面之间。

6.根据权利要求1所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，便携式软弱层带原位直剪试验仪还包括用于测量隔板(8)和剪切盒(2)位移的传感器(23)，所述传感器(23)与计算机数据采集系统连接。

7.根据权利要求1所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述反力钢架(1)为四柱两板式反力钢架，所述四柱两板式反力钢架的顶盖焊接有肋梁(11)，所述四柱两板式反力钢架的与所述水平加载系统(3)相对应的两侧为钢板，所述四柱两板式反力钢架的其余两侧处于开放状态。

8.根据权利要求7所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述反力钢架(1)还包括用于与岩石地面固定连接的反力座，所述四柱两板式反力钢架的每个立柱的下端均安装有一个所述反力座。

9.根据权利要求8所述的便携式软弱层带原位直剪试验仪，其特征在于，所述反力座通过膨胀螺栓固定在所述岩石地面上。

10.一种如权利要求1至9中所述便携式软弱层带原位直剪试验仪的测试方法，其特征在于，包括：

步骤1，选择需要开展试验的软弱层带(12)出露位置，揭去预定范围的所述软弱层带(12)的上覆岩体，将所述便携式软弱层带原位直剪试验仪的环刀(9)平整放置于所述软弱层带(12)上，然后下压所述环刀(9)以形成圆柱状原位试样，并将所述原位试样周边的土体清除，预留剪切试验缝，然后将所述剪切盒(2)套在所述环刀(9)的外部；

步骤2，利用水准器保证场地水平，利用直尺测量并调整所述反力钢架(1)的位置，使所述剪切盒(2)与所述竖向加载系统(4)位于同一直线上，并在所述剪切盒(2)内放入吸水石和滤纸；

步骤3，启动计算机数据采集系统并调零，然后启动所述水平加载系统(3)及竖向加载系统(4)，并采用微动形式交替使所述水平加载系统(3)及竖向加载系统(4)的工作面与所述剪切盒(2)贴紧；

步骤4，采用平推法进行快剪试验：通过所述竖向加载系统(4)施加竖向压力，并通过所述水平加载系统(3)分级施加水平向剪切力以捕捉峰值，使所述原位试样在3至5min内剪损，当剪切变形达预定值后停止所述水平加载系统(3)的加载，完成一组测试，并通过所述计算机数据采集系统全程记录应力应变数据；

步骤5，依次卸下所述水平加载系统(3)和所述竖向加载系统(4)，取出所述剪切盒(2)，撬起所述反力钢架(1)的反力座上的膨胀螺栓，使所述反力钢架(1)松动以将所述反力钢架(1)取出。