CN104964884B - 低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置 - Google Patents

低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置 Download PDF

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Abstract

低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置，其特征是该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，滚珠轴排(12)，水平滑轨(17)，水平加载轴(22)，垂直加载轴(25)，上盒冷冻液入口(31)，上盒冷冻液出口(32)，下盒冷冻液入口(33)，下盒冷冻液出口(34)，冷冻液管路(35)。该设备制造简单，测量精度高，满足不同温度控制条件下的固结与斜剪试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可用于土木工程或地质工程中遇到的低温条件下各种岩土体包括粗粒土、碎石土、土石混合体及土体的结构性剪切强度量测。

Description

低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置
技术领域
本发明是一种土工测试仪器，属于土木工程仪器测试领域。
背景技术
粗粒土(碎石土、土石混合体)是一种由作为骨料的砾石或块石与作为充填料的粘土和砂组成的地质体。粗粒土作为一种填料被广泛应用于土石坝、公路、铁路、机场、房屋地基等建筑工程，应用范围相当广泛。由于粗粒土由块石和土组成，且两者在力学性质上呈现“极强”(块石)和“极弱”(土体)两个极端的差异性。这种差异性使粗粒土在物理力学性质上呈现极端的不均匀性与极端的非线性特征，其宏观物理力学性质不能由块石或土简单叠加而成。西南地区存在大量粗粒土边坡，且较高海拔处常年处于低温环境，对于低温条件下粗粒土强度的测试不能由传统的土力学剪切装置或者岩石试验机来完成，需要研制适合粗粒土自身特点的新型仪器，量测其力学强度，尤其是要考虑尺寸效应和低温对粗粒土强度的影响。本发明就是一种用于量测低温控制条件下粗粒土抗剪强度的新型试验装置。
发明内容
本发明目的是提供一种低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置，用于解决粗粒土等各种岩土体在不同固结应力状态和低温条件下的强度试验测试，为工程实践提供技术参数。
本发明的技术解决方案，其特征是一种低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置，包括反力架1，加载框架2，第一伺服电机3，第二伺服电机4，载样台5，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11，滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14，第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17，第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23，第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第二垂直滑轨30，上盒冷冻液入口31，上盒冷冻液出口32，下盒冷冻液入口33，下盒冷冻液出口34，冷冻液管路35，测温环36。第一伺服电机3连接垂直加载轴25，垂直加载轴25提供垂直压力，位于加压板26上面，加压板26连接垂直位移计9，加压板26位于上盒试样11的顶面，上剪切盒6由第一侧限柱24和第二侧限柱27固定，第一侧限柱24连接第一垂直滑轨10，第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三侧限柱29相连，第三侧限柱29连接第二垂直滑轨30，上剪切盒6通过滚珠轴排12对准下剪切盒7，上剪切盒6内安装上盒试样11，下剪切盒7内安装下盒试样14，下剪切盒7连接下盒扩展板13，下剪切盒7连接轨道车8，轨道车8可沿水平滑轨17移动到载样台5之上，水平滑轨17与加载框架2连接，第一千斤顶15连接第一支撑底座16，第二千斤顶19连接第二支撑底座18，下剪切盒7连接传力杆20和水平位移计23，连接端头21与水平加载轴22对准，水平加载轴22连接第二伺服电机4；上盒冷冻液入口31、上盒冷冻液出口32、下盒冷冻液入口33、下盒冷冻液出口34分别和制冷机连接，用于提供上盒试样11和下盒试样14冷冻，上剪切盒6和下剪切盒7内均设有冷冻液管路35，用于冷冻液在上剪切盒6和下剪切盒7内部流通，冷冻液采用酒精；下剪切盒7内部预埋测温环36，用于量测下盒试样14的温度。上剪切盒6尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱24一侧的上剪切盒6的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱27一侧的上剪切盒6的盒壁高为155mm，下剪切盒7尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板13一侧的下剪切盒7的盒壁高为155mm，连接传力杆20一侧的下剪切盒7的盒壁高为445mm，滚珠轴排12倾角为30°，上剪切盒6和下剪切盒7均采用质量轻强度高的合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒6和下剪切盒7的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm，上剪切盒6可以沿下盒扩展板13滑动，第一侧限柱24可以沿第一垂直滑轨10垂直滑动，第三侧限柱29可以沿第二垂直滑轨30垂直滑动，第一伺服电机3和第二伺服电机4通过反力架1施加力，反力架1和加载框架2以及加压板26均采用高强度不锈钢材料，加压板26与上剪切盒6间的缝隙间隔为2mm～4mm，滚珠轴排12、下盒扩展板13和水平滑轨17均为高强度不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料。第一伺服电机3和第二伺服电机4均可以进行快进快退操作，也可以进行匀速应变加载和应力加载，应变剪切速率为0.02～5.00mm/min，最大出力可达1000kN，出力测量精度可达0.5％FS，应力剪切速率为100～600kN/min。垂直位移计9的最大量程为150mm，测量精度可达1mm，水平位移计23的最大量程为170mm，测量精度可达1mm。
量测低温条件下粗粒土抗剪强度的试验方法如下：
(1)按照一定含水量、含石量与密度要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；
(2)将轨道车8移至载样台5上，将上剪切盒6经由滚珠轴排12对齐下剪切盒7，将第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
(3)开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
(4)开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F不变；
(5)将第一侧限柱24和第二侧限柱27分别与上剪切盒6连接，将第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三侧限柱29连接，使上剪切盒6固定，启动第二伺服电机4，使水平加载轴22与连接端头21相连；打开制冷机，通过上盒冷冻液入口31和下盒冷冻液入口33分别为上盒试样11和下盒试样14提供低温冷冻，待测温环36指示温度达到要求的试验温度时，按要求的等应变速率通过传力杆20施加拉力T，使下剪切盒7向第二伺服电机4方向移动，同时采用水平位移计23测量水平位移S，保持上剪切盒6水平方向固定，上剪切盒6通过第一垂直滑轨10和第二垂直滑轨30向下滑动，使垂直加载轴25输出压力按照F′＝F-Ttg30°变化，并采用垂直位移计9测量加压板26的垂直位移S′，滚珠轴排12沿下盒扩展板13滑动，以避免上剪切盒6内部的上盒试样11漏出；
(6)待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样11与下盒试样14接触面处正压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值fmax1，获得接触面处剪切力T′＝Tcos30°-F′sin30°，取T′的最大值T′max1；
(7)关闭制冷机，通过垂直加载轴25使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过水平加载轴22施加推力推动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6与下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6与第一侧限柱24及第二侧限柱27的连接，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8通过水平滑轨17移动至载样台5上，卸除全部混合料；
(8)改变垂直压力F的值，重复步骤(2)-(7)，获得fmax2与T′max2；
(9)再次改变垂直压力F的值，重复步骤(2)-(7)，获得fmax3与T′max3；
(10)将fmax1与T′max1、fmax2与T′max2、fmax3与T′max3通过上盒试样11与下盒试样14的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取低温条件下粗粒土混合料抗剪强度指标。
本发明优点：
该装置制造简单，测量精度高，满足不同垂直应力加载条件下和低温控制条件下的固结与斜剪试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可以量测大尺度粗粒土(包括碎石土、土石混合体及土体)在不同低温条件下的结构性强度及粗粒土与土工织物间的摩擦强度。
本发明适用范围：
适用于土木工程中遇到的各种堆积体、粗粒土、碎石土、土石混合体、粘性土等多种岩土体室内低温控制条件下的固结特性、强度特性试验。
附图说明：
图1是一种大型土工抗剪强度试验装置结构示意图。其中有：反力架1，加载框架2，第一伺服电机3，第二伺服电机4，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11，滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14，第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17，第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23，第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第二垂直滑轨30，上盒冷冻液入口31，上盒冷冻液出口32，下盒冷冻液入口33，下盒冷冻液出口34，冷冻液管路35。
图2是一种大型土工抗剪强度试验装置的结构示意图的AA左视图。其中有：第一伺服电机3，载样台5，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，上盒试样11，下盒试样14，加压板26。
图3是一种大型土工抗剪强度试验装置结构示意图中的上剪切盒6的俯视图。其中有上剪切盒6，上盒冷冻液入口31。
图4是一种大型土工抗剪强度试验装置结构示意图中的下剪切盒7的俯视图。其中有下剪切盒7，下盒扩展板13，下盒冷冻液入口33。
具体实施方式：
实施例：粗粒土抗剪强度量测方法如下所示，
①按照含水量15％、含石量20％与密度1.9g/cm3要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；
②将轨道车8移至载样台5上，将上剪切盒6经由滚珠轴排12对齐下剪切盒7，将第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F＝400kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
③开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F＝400kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
④开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F＝400kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F＝400kN不变；
⑤将第一侧限柱24和第二侧限柱27分别与上剪切盒6连接，将第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三侧限柱29连接，使上剪切盒6固定，启动第二伺服电机4，使水平加载轴22与连接端头21相连，；打开制冷机，通过上盒冷冻液入口31和下盒冷冻液入口33分别为上盒试样11和下盒试样14提供低温冷冻，待测温环36指示温度达到零下10℃时，按要求的等应变速率1mm/min通过传力杆20施加拉力T，使下剪切盒7向第二伺服电机4方向移动，同时采用水平位移计23测量水平位移S，保持上剪切盒6水平方向固定，上剪切盒6通过第一垂直滑轨10和第二垂直滑轨30向下滑动，使垂直加载轴25输出压力按照F′＝F-Ttg30°变化，并采用垂直位移计9测量加压板26的垂直位移S′，滚珠轴排12沿下盒扩展板13滑动，以避免上剪切盒6内部的上盒试样11漏出；
⑥待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样11与下盒试样14接触面处正压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值fmax1，获得接触面处剪切力T′＝Tcos30°-F′sin30°，取T′的最大值T′max1；
⑦关闭制冷机，通过垂直加载轴25使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过水平加载轴22施加推力推动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6与下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6与第一侧限柱24及第二侧限柱27的连接，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8通过水平滑轨17移动至载样台5上，卸除全部混合料；
⑧改变垂直压力F＝600kN，重复步骤②-⑦，获得fmax2与T′max2；
⑨再次改变垂直压力F＝800kN，重复步骤②-⑦，获得fmax3与T′max3；
⑩将fmax1与T′max1、fmax2与T′max2、fmax3与T′max3通过上盒试样11与下盒试样14的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获得零下10℃条件下粗粒土混合料的抗剪强度指标。

Claims (1)

1.低温控制条件下大型土工直剪强度测试装置，其特征是该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，垂直位移计(9)，第一垂直滑轨(10)，上盒试样(11)，滚珠轴排(12)，下盒扩展板(13)，下盒试样(14)，第一千斤顶(15)，第一支撑底座(16)，水平滑轨(17)，第二支撑底座(18)，第二千斤顶(19)，传力杆(20)，连接端头(21)，水平加载轴(22)，水平位移计(23)，第一侧限柱(24)，垂直加载轴(25)，加压板(26)，第二侧限柱(27)，伸缩臂(28)，第三侧限柱(29)，第二垂直滑轨(30)，上盒冷冻液入口(31)，上盒冷冻液出口(32)，下盒冷冻液入口(33)，下盒冷冻液出口(34)，冷冻液管路(35)，测温环(36)；第一伺服电机(3)连接垂直加载轴(25)，垂直加载轴(25)提供垂直压力，位于加压板(26)上面，加压板(26)连接垂直位移计(9)，加压板(26)位于上盒试样(11)的顶面，上剪切盒(6)由第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)固定，第一侧限柱(24)连接第一垂直滑轨(10)，第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)相连，第三侧限柱(29)连接第二垂直滑轨(30)，上剪切盒(6)通过滚珠轴排(12)对准下剪切盒(7)，上剪切盒(6)内安装上盒试样(11)，下剪切盒(7)内安装下盒试样(14)，下剪切盒(7)连接下盒扩展板(13)，下剪切盒(7)连接轨道车(8)，轨道车(8)可沿水平滑轨(17)移动到载样台(5)之上，水平滑轨(17)与加载框架(2)连接，第一千斤顶(15)连接第一支撑底座(16)，第二千斤顶(19)连接第二支撑底座(18)，下剪切盒(7)连接传力杆(20)和水平位移计(23)，连接端头(21)与水平加载轴(22)对准，水平加载轴(22)连接第二伺服电机(4)；上盒冷冻液入口(31)、上盒冷冻液出口(32)、下盒冷冻液入口(33)、下盒冷冻液出口(34)分别和制冷机连接，用于提供上盒冷冻液和下盒冷冻液，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)内均设有冷冻液管路(35)，用于冷冻液在上剪切盒(6)和下剪切盒(7)内部流通，冷冻液采用酒精；下剪切盒(7)内部预埋测温环(36)，用于量测下盒试样(14)的温度；上剪切盒(6)尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱(24)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱(27)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为155mm，下剪切盒(7)尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板(13)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为155mm，连接传力杆(20)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为445mm，滚珠轴排(12)倾角为30°，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)均采用合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm，上剪切盒(6)能够沿下盒扩展板(13)滑动，第一侧限柱(24)能够沿第一垂直滑轨(10)垂直滑动，第三侧限柱(29)能够沿第二垂直滑轨(30)垂直滑动，第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)通过反力架(1)施加力，反力架(1)和加载框架(2)以及加压板(26)均采用不锈钢材料，加压板(26)与上剪切盒(6)间的缝隙间隔为2mm～4mm，滚珠轴排(12)、下盒扩展板(13)和水平滑轨(17)均为不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料；第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)均能够进行快进快退操作，能够进行匀速应变加载和应力加载，应变剪切速率为0.02～5.00mm/min，最大出力达到1000kN，出力测量精度达到0.5％FS，应力剪切速率为100～600kN/min；垂直位移计(9)的最大量程为150mm，测量精度达到1mm，水平位移计(23)的最大量程为170mm，测量精度达到1mm。
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