CN105115833B - 一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置 - Google Patents

一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置 Download PDF

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Abstract

一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置，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)，垂直加载轴(19)，水平加载轴(20)，侧限柱(22)，传力杆(23)，连接端头(24)，水平滑轨(29)，上盒试样(38)，下盒试样(39)，插销眼(40)等。该装置测量精度高，满足不同垂直应力加载条件下的固结与水平直剪试验要求，可用于土木工程或地质工程中遇到的各种大尺度碎石土、粗粒土、土石混合体等多种地质体的结构性强度、剪切带变形特性以及碎石土与土工合成材料间的摩擦强度获取。

Description

一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置
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
碎石土(粗粒土、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。碎石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。由于碎石土由块石和土组成，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。这种差异性使碎石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。对于碎石土强度的测试及其剪切带变形特性不能由传统的土力学剪切装置或者岩石试验机来完成，需要研制适合碎石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对碎石土强度的影响以及随剪切变形碎石土内部软硬接触面的变形特性研究。本发明就是一种用于量测碎石土抗剪强度特性与剪切带变形特性的新型试验装置。
发明内容
本发明目的是提供一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置，用于解决碎石土在不同固结应力状态下的强度参数测试与剪切带变形特性，为工程实践提供技术参数。
本发明的技术解决方案，其特征是一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置，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，第一水平位移计10，第二水平位移计11，第三水平位移计12，第四水平位移计13，第五水平位移计14，第六水平位移计15，第七水平位移计16，第八水平位移计17，第九水平位移计18，垂直加载轴19，水平加载轴20，加压板21，侧限柱22，传力杆23，连接端头24，第一千斤顶25，第二千斤顶26，第一支撑底座27，第二支撑底座28，水平滑轨29，第一层环30，第二层环31，第三层环32，第四层环33，第五层环34，第六层环35，第七层环36，第八层环37，上盒试样38，下盒试样39，插销眼40。第一伺服电机3连接垂直加载轴19，垂直加载轴19提供垂直压力，位于加压板21上面，加压板21连接垂直位移计9，加压板21位于上盒试样38的顶面，上剪切盒6由侧限柱22固定，上剪切盒6连接第一层环30，第一层环30连接第二层环31，第二层环31连接第三层环32，第三层环32连接第四层环33，第四层环33连接第五层环34，第五层环34连接第六层环35，第六层环35连接第七层环36，第七层环36连接第八层环37，第八层环37位于下剪切盒7之上，下剪切盒7内装有下盒试样39，下剪切盒7连接轨道车8，轨道车8可沿水平滑轨29移动到载样台5之上，水平滑轨29与加载框架2连接，第一千斤顶25连接第一支撑底座27，第二千斤顶26连接第二支撑底座28，下剪切盒7连接传力杆23和第九水平位移计18，连接端头24与水平加载轴20对准，水平加载轴20连接第二伺服电机4，第一层环30连接第一水平位移计10，第二层环31连接第二水平位移计11，第三层环32连接第三水平位移计12，第四层环33连接第四水平位移计13，第五层环34连接第五水平位移计14，第六层环35连接第六水平位移计15，第七层环36连接第七水平位移计16，第八层环37连接第八水平位移计17。上剪切盒6尺寸为长500mm，连接侧限柱22一侧的上剪切盒6的盒壁高为140mm，下剪切盒7尺寸为长500mm宽500mm盒壁高300mm，第一层环30至第八层环37高度均为20mm。上剪切盒6、下剪切盒7、第一层环30至第八层环37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、下剪切盒7、第一层环30至第八层环37的内壁四个角均为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm；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21均采用高强度不锈钢材料，加压板21与上剪切盒6间的缝隙间隔为2mm～4mm；水平滑轨29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，第一水平位移计10至第八水平位移计17的最大量程均为170mm，测量精度均可达1mm。第一层环30至第八层环37之间使用直线导向轴承，层环之间可以滚动，减小摩擦阻力；上剪切盒6、下剪切盒7与第一层环30至第八层环37间使用插销固定于插销眼40内，便于装样。
量测碎石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经由第一层环30至第八层环37对齐下剪切盒7，并把插销插入插销眼40内，将第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1，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19离开加压板21顶帽，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板21，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1，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19离开加压板21顶帽，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板21，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1，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F1不变；
(5)将侧限柱22和上剪切盒6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20与连接端头24相连，将插销从插销眼40中拔出，按要求的等应变速率通过传力杆23施加推力T1，保持上剪切盒6水平方向固定，使下剪切盒7向远离第二伺服电机4方向移动，下盒试样39受剪，分别带动第一层环30至第八层环37发生水平位移，同时采用第一水平位移计10测量第一层环30的水平位移S1，采用第二水平位移计11测量第二层环31的水平位移S2，采用第三水平位移计12测量第三层环32的水平位移S2，采用第四水平位移计13测量第四层环33的水平位移S4，采用第五水平位移计14测量第五层环34的水平位移S5，采用第六水平位移计15测量第六层环35的水平位移S6，采用第七水平位移计16测量第七层环36的水平位移S7，采用第八水平位移计17测量第八层环37的水平位移S8，用第九水平位移计18测量下剪切盒7的水平位移S；
(6)待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样38与下盒试样39接触面处正压力F1及接触面处剪切力T1，取T1的最大值Tmax1，并获得第一水平位移计10至第八水平位移计19的位移值，绘制第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
(7)通过垂直加载轴19使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过水平加载轴20施加拉力拉动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6通过第一层环30至第八层环37与下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6与侧限柱22的连接，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8通过水平滑轨29移动至载样台5上，卸除全部混合料；
(8)改变垂直压力为F2，重复步骤(2)-(7)，获得F2、Tmax2以及第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
(9)再次改变垂直压力为F3，重复步骤(2)-(7)，获得F3与Tmax3以及第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
(10)将F1与Tmax1、F2与Tmax2、F3与Tmax3通过上盒试样38与下盒试样39的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取碎石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的固结与水平直剪试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可以量测大尺度碎石土(包括粗粒土、土石混合体及土体)的结构性强度与剪切带变形特性以及碎石土与土工合成材料间的摩擦强度。
本发明适用范围：
适用于土木工程或地质工程中遇到的各种碎石土、粗粒土、土石混合体等多种地质体的室内固结特性、强度特性与变形特性试验。
附图说明：
图1是一种应变控制式碎石土大型层剪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，第一水平位移计10，第二水平位移计11，第三水平位移计12，第四水平位移计13，第五水平位移计14，第六水平位移计15，第七水平位移计16，第八水平位移计17，第九水平位移计18，垂直加载轴19，水平加载轴20，加压板21，侧限柱22，传力杆23，连接端头24，第一千斤顶25，第二千斤顶26，第一支撑底座27，第二支撑底座28，水平滑轨29，第一层环30，第二层环31，第三层环32，第四层环33，第五层环34，第六层环35，第七层环36，第八层环37，上盒试样38，下盒试样39。
图2是一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置结构示意图的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，加压板21，上盒试样11，第一层环30，第二层环31，第三层环32，第四层环33，第五层环34，第六层环35，第七层环36，第八层环37，上盒试样38，下盒试样39。
图3是一种应变控制式碎石土大型层剪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，插销眼40。
具体实施方式：
实施例：碎石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经由第一层环30至第八层环37对齐下剪切盒7，并把插销插入插销眼40内，将第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1＝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19离开加压板21顶帽，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板21，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1＝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19离开加压板21顶帽，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板21，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板21置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴19正下方，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28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19接触加压板21顶帽，按要求施加垂直压力F1＝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F1＝400kN不变；
⑤将侧限柱22和上剪切盒6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20与连接端头24相连，将插销从插销眼40中拔出，按要求的等应变速率2mm/min通过传力杆23施加推力T1，保持上剪切盒6水平方向固定，使下剪切盒7向远离第二伺服电机4方向移动，下盒试样39受剪，分别带动第一层环30至第八层环37发生水平位移，同时采用第一水平位移计10测量第一层环30的水平位移S1，采用第二水平位移计11测量第二层环31的水平位移S2，采用第三水平位移计12测量第三层环32的水平位移S2，采用第四水平位移计13测量第四层环33的水平位移S4，采用第五水平位移计14测量第五层环34的水平位移S5，采用第六水平位移计15测量第六层环35的水平位移S6，采用第七水平位移计16测量第七层环36的水平位移S7，采用第八水平位移计17测量第八层环37的水平位移S8，用第九水平位移计18测量下剪切盒7的水平位移S；
⑥待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样38与下盒试样39接触面处正压力400kN及接触面处剪切力T1，取T1的最大值Tmax1，并获得第一水平位移计10至第八水平位移计19的位移值，绘制第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
⑦通过垂直加载轴19使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过水平加载轴20施加拉力拉动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6通过第一层环30至第八层环37与下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6与侧限柱22的连接，启动第一千斤顶25和第二千斤顶26，将第一支撑底座27和第二支撑底座28分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨29接触，将轨道车8通过水平滑轨29移动至载样台5上，卸除全部混合料；
⑧改变垂直压力为F2＝600kN，重复步骤②-⑦，获得Tmax2以及第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
⑨再次改变垂直压力为F3＝800kN，重复步骤②-⑦，获得Tmax3以及第一层环30至第八层环37随剪切时间发生的位移曲线；
⑩将F1与Tmax1、F2与Tmax2、F3与Tmax3通过上盒试样38与下盒试样39的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取碎石土混合料抗剪强度指标。

Claims (1)

1.一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置，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)，第一水平位移计(10)，第二水平位移计(11)，第三水平位移计(12)，第四水平位移计(13)，第五水平位移计(14)，第六水平位移计(15)，第七水平位移计(16)，第八水平位移计(17)，第九水平位移计(18)，垂直加载轴(19)，水平加载轴(20)，加压板(21)，侧限柱(22)，传力杆(23)，连接端头(24)，第一千斤顶(25)，第二千斤顶(26)，第一支撑底座(27)，第二支撑底座(28)，水平滑轨(29)，第一层环(30)，第二层环(31)，第三层环(32)，第四层环(33)，第五层环(34)，第六层环(35)，第七层环(36)，第八层环(37)，上盒试样(38)，下盒试样(39)，插销眼(40)；第一伺服电机(3)连接垂直加载轴(19)，垂直加载轴(19)提供垂直压力，位于加压板(21)上面，加压板(21)连接垂直位移计(9)，加压板(21)位于上盒试样(38)的顶面，上剪切盒(6)由侧限柱(22)固定，上剪切盒(6)连接第一层环(30)，第一层环(30)连接第二层环(31)，第二层环(31)连接第三层环(32)，第三层环(32)连接第四层环(33)，第四层环(33)连接第五层环(34)，第五层环(34)连接第六层环(35)，第六层环(35)连接第七层环(36)，第七层环(36)连接第八层环(37)，第八层环(37)位于下剪切盒(7)之上，下剪切盒(7)内装有下盒试样(39)，下剪切盒(7)连接轨道车(8)，轨道车(8)可沿水平滑轨(29)移动到载样台(5)之上，水平滑轨(29)与加载框架(2)连接，第一千斤顶(25)连接第一支撑底座(27)，第二千斤顶(26)连接第二支撑底座(28)，下剪切盒(7)连接传力杆(23)和第九水平位移计(18)，连接端头(24)与水平加载轴(20)对准，水平加载轴(20)连接第二伺服电机(4)，第一层环(30)连接第一水平位移计(10)，第二层环(31)连接第二水平位移计(11)，第三层环(32)连接第三水平位移计(12)，第四层环(33)连接第四水平位移计(13)，第五层环(34)连接第五水平位移计(14)，第六层环(35)连接第六水平位移计(15)，第七层环(36)连接第七水平位移计(16)，第八层环(37)连接第八水平位移计(17)；上剪切盒(6)尺寸为长500mm，连接侧限柱(22)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为140mm，下剪切盒(7)尺寸为长500mm宽500mm盒壁高300mm，第一层环(30)至第八层环(37)高度均为20mm；上剪切盒(6)、下剪切盒(7)、第一层环(30)至第八层环(37)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)、下剪切盒(7)、第一层环(30)至第八层环(37)的内壁四个角均为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm；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(21)均采用高强度不锈钢材料，加压板(21)与上剪切盒(6)间的缝隙间隔为2mm～4mm；水平滑轨(29)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，第一水平位移计(10)至第八水平位移计(17)的最大量程均为170mm，测量精度均可达1mm；第一层环(30)至第八层环(37)之间使用直线导向轴承，层环之间可以滚动，减小摩擦阻力；上剪切盒(6)、下剪切盒(7)与第一层环(30)至第八层环(37)间使用插销固定于插销眼(40)内，便于装样。
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