CN105203408A - 一种用于大型循环单剪试验的剪切箱 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于大型循环单剪试验的剪切箱，具有以下特征：用高强钢丝制作提供侧向约束的钢环，在钢环平面内与钢环外沿相切均匀设置4个由钢片制作的托耳，在托耳上下贴置面积与托耳相同、厚度2mm的橡胶垫，通过橡胶膜套箍将橡胶垫与托耳套紧加固，形成单个的约束钢环；将一定数量的约束钢环对齐叠放，并在内部衬垫一层橡胶膜，形成可为土样提供侧向刚性约束、同时可随土样水平剪切变形自由发生形变的剪切箱。

Description

一种用于大型循环单剪试验的剪切箱

技术领域

本发明涉及一种用于岩土介质动力特性参数测试的大型循环单剪试验剪切箱，涉及到岩土测试技术领域。

背景技术

岩土在动力循环荷载（地震、波浪、交通）作用下，表现出滞回性、非线性的特点，通常用动剪模量和阻尼比来表示这种动力特性，动剪模量和阻尼比是进行岩土体动力反应分析的必需参数。测试土体动力特性的试验方法有共振柱试验、动三轴试验和循环单剪试验。共振柱试验适用于测试10^-6~10^-4应变范围内的动力特性，动三轴和循环单剪试验适用于测试10^-3~10^-1应变范围内的动力特性。

循环单剪设备是为了在试验室模拟地震时剪切波竖向传播所引起的反复剪应力而发展起来的。大多数多研究者都同意认为，循环单剪试验是在试验室内模拟土单元承受（图1）所示理想地震应力的适宜途径。因此，循环单剪试验是测试土体动剪模量和阻尼比参数的最合适试验方法，它能够真实地模拟土体在场地中的应力应变状态，试验结果更为可靠。

循环单剪试验常用的单剪仪有两种，一种是挪威-瑞典岩土工程研究所研制的柔性式单剪仪，另一种是英国剑桥大学研制的刚性式单剪仪。瑞典土工研究所采用的单剪设备（简称SGI型）利用叠迭的薄环来限止试件的侧向变形，挪威土工研究所采用的单剪设备（简称NGI型）则采用加筋橡皮膜。而剑桥型单剪仪则采用了刚性竖向边界和矩形横截面。挪威岩土所研制的单剪仪如（图2）所示。试样侧向用绕有琴弦的橡皮膜包裹着，琴弦直径0.2mm，螺距0.5mm。使试样受到压力作用后能防止侧向膨胀，达到固结状态，在受到剪切后剪力能够均匀的分布在试样上。英国剑桥大学研制的刚性式单剪仪如（图3）所示，试样为方形，剪切时剪切方向的侧板可以转动，但互相平行，保持试样长度不变。用这种方法使试样的剪应变均匀，而且不发生侧向膨胀。

常规循环单剪试验的尺寸较小（一般为直径70mm、高度20mm），对于粗颗粒土、加筋土、砾石、矿渣等工程中实际需要研究的土类无法直接进行试验研究，因此在某些工程领域需要应用大型循环单剪试验装置。

设计大型循环单剪试验装置的核心与难点在于采用怎样的剪切箱，即如何给土样提供符合场地中土体真实情况的边界条件。

如[0004]条所述，循环单剪试验常用的边界条件有两类，一类是刚性的剪切盒，第二类是柔性的剪切箱，但当尺寸比较大时，如土样直径达到700mm及以上时，刚性剪切盒这种边界条件的实现很困难：刚性剪切盒的自重非常大，在试验时转动铰所承受的摩擦力很大，对试验造成较大误差，经常采用的是第二类边界条件，即柔性剪切箱。

柔性剪切箱主要有两种，一种是采用加筋橡皮膜的NGI型剪切箱，另一种是采用层叠的刚性环的SGI型。NGI型剪切箱在剪切过程中难以避免土样上下表面的剪力偶产生的扭矩所引起的弯曲变形，尤其是在大型剪切试验中，这种弯曲变形的影响更为明显，对试验结果产生较大影响。试验和研究表明，在大型循环单剪试验装置中采用层叠刚性环的SGI型剪切箱更为合理。

在常规SGI型剪切中，轻质薄环直接上下叠放对土样构成约束边界，因为薄环质量轻、相对变形小，上下层薄环之间的摩擦力可忽略不计；但在大型循环单剪试验中，如何既保证环的刚度，又尽量减小上下层环之间在发生相对位移时的摩擦力，一直是本领域的关键问题，据资料调查显示，该问题目前仍然没有得到较好的解决。

发明内容

本发明提出一种适用于大型循环单剪试验的柔性剪切箱，在本领域学术分类上属于SGI型剪切箱。

本发明的适用于大型循环单剪试验的柔性剪切箱由若干数量的单个约束钢环（1）层叠组成，在层叠后形成的箱腔内壁附有橡胶膜内衬（2）。

约束钢环（1）由钢环本体（3），钢环托耳（4），橡胶垫片（5），橡胶膜套箍（6）组成。

本发明的用于大型循环单剪试验的剪切箱的详细构造特征为：

1）所述钢环本体（3）由高强度圆钢丝制成，圆钢丝直径6~10mm，一般取6mm；

2）所述钢环托耳（4）由薄钢片制成，通过焊接或锻造与钢环本体（3）相连，每个钢环上均匀分布4个托耳，托耳平面尺寸约为100×50mm；

3）所述橡胶垫片（5）平面尺寸与托耳相同，厚度约2mm，分布贴于托耳上下表面；

4）所述橡胶膜套箍（6）为由合适尺寸的薄橡胶管（如废旧自行车轮胎）剪裁得到的，进一步将橡胶垫片（5）固定在钢环托耳（4）上，使之成为一个整体。

本发明的剪切箱的主要功能是：对承受水平循环剪切的大尺寸试验土样提供侧向约束，同时不影响土样水平剪切变形的自由发生。

本发明的用于大型循环单剪试验的剪切箱工作原理如下：

1）由约束钢环（1）层叠组成的盛土箱为土样提供侧向约束，模拟实际场地中土单元的应力应变状态；

2)约束钢环除承受其自重外，不承担竖向外力，因而各层钢环不会被紧压在一起，托耳处的层间橡胶垫（5）也不会发生竖向压缩；

3）箱内土样在由上下底面传来的剪切力偶作用下发生剪切变形时，相邻层钢环仅需克服层间橡胶垫的弹性回复力即可发生相对错动，实现土体的自由剪切变形；

4）由于层间橡胶垫的面积相对于土样尺寸而言很小，层间橡胶垫所产生的回复力相对于土体内的剪切力而言非常微小，因此本发明剪切箱对实际测得的土样剪切力所产生的误差很小。

本发明的用于大型循环单剪试验的剪切箱的主要创新特征是：

1）用高强钢丝作为提供侧向约束的钢环，相比于现有报道的滑轨框架组成的土箱，钢环自重大幅减轻，减小了在动力剪切过程中约束钢环自身惯性力对土体自由剪切变形的影响；

2）通过在钢环外均匀设置对称的4个托耳，解决了钢环叠放不稳、在剪切过程中上下层钢环容易发生嵌套的问题（图），而且托耳面积小，对钢环的质量增加影响很小；

3）在托耳上下贴置橡胶垫，利用橡胶的易变形特性，保证钢环叠放后能自由发生相对错动；

4）通过橡胶膜套箍进一步保证了托耳上下层的橡胶垫与托耳连接的稳固性，在往复循环剪切过程中不会脱落；

5）由于层间橡胶垫的面积相对于土样尺寸而言很小，层间橡胶垫所产生的回复力相对于土体内的剪切力而言非常微小，因此本发明剪切箱对实际测得的土样剪切力所产生的误差很小。

本发明的用于大型循环单剪试验的剪切箱其应用安装步骤为：

1）根据试样高度，确定所需约束钢环（1）的数量；

2）在钢环托耳（3）上下表面上粘贴层间橡胶垫片（5），并套入橡胶膜套箍（6）进行加固；

3）将贴好橡胶垫片的约束钢环（1）对齐叠放，保证上下层钢环托耳（4）相互对齐，形成剪切箱；

4）在剪切箱内衬附一层橡胶膜（2）；

5）进行试样装样，按照循环单剪试验流程和后续试验操作方法进行试验。

附图说明：

图1是场地土在地震中的应力应变状态示意图；

图2是常规尺寸的NGI型单剪仪原理示意图；

图3是常规尺寸的剑桥型单剪仪原理示意图；

图4是本发明的大型循环单剪试验装置的组成盛土箱的单个约束钢环；

图5是本发明的大型循环单剪试验装置的盛土箱；

图6是本发明的大型循环单剪试验装置的组成盛土箱的约束钢环的托耳构造图；

图7是托耳处橡胶垫层和橡胶膜套的示意图；

图8是在没有托耳的情况下钢环在剪切过程中发生相互嵌套的示意图；

图9本发明的大型循环单剪试验装置的盛土箱发生剪切变形的示意图（左剪）；

图10是本发明的大型循环单剪试验装置的盛土箱发生剪切变形的示意图（右剪）。

附图标注号说明：

1.约束钢环；

2.橡胶膜内衬；

3.钢环本体；

4.钢环托耳；

5.层间橡胶垫片；

6.橡胶膜套箍。

Claims (1)

1.一种用于大型循环单剪试验的剪切箱，具有以下特征：用高强钢丝作为提供侧向约束的钢环，在钢环平面内与钢环外沿相切均匀设置4个托耳，在托耳上下贴置橡胶垫，通过橡胶膜套箍将橡胶垫与托耳套紧加固，利用橡胶垫片的弹性保证了剪切箱可发生层间相对错动位移。