CN105300811A - 大尺寸土壤循环剪切试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸土壤循环剪切试验机，包括底座，所述底座上设有立柱和顶梁，顶梁底部安装有竖直加压油缸和加载顶板，底座一端设有水平反力牛腿，所述水平反力牛腿与水平加压油缸相连，所述水平加压油缸的推杆上安装有加载底板，所述承土箱由多个约束钢环相互层叠构成，每个约束钢环的外侧设有托耳，所述托耳上下表面各贴有一层橡胶垫片。本发明解决了大尺寸的岩土试样的模拟实验问题。

Description

大尺寸土壤循环剪切试验机

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装置，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（如图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，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，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。

尽管循环单剪试验名为“简单剪切”，概念也简单，但是许多研究者的研究表明，在循环单剪试验中试件的边界条件并不简单。在单剪试样中，作用于上下端面的竖向力的合力必须形成一个力偶以平衡剪力产生的力矩，因此，竖向法应力和剪应力都不是均匀分布的。Seed等（1971）首先指出室内循环单剪试验仪中不均匀的应力分布可能促使试件在低于现场所要求的应力下破坏。Prevost和Hoeg（1976）利用各向均质弹性分析技术研究了单剪试件上下端面偏微分边界滑移的影响，发现剪应力和法向应力的分布均受到这种滑移的很大干扰。他们进一步报道，由于土中剪应变和法向应变之间存在着耦连作用，两者均可由剪应力或法向应力产生，反之亦然，因此，通常施加简剪式的应变状态并不能在土试样中产生简剪式的应力状态。Shen等（1978）对循环单剪试验进行了有限元研究，发现NGI型仪器给出的是不正确的模量值。Wright等（1978）对循环单剪试验进行了分析与试验，分别给出了圆形和矩形表面距试件中心不同距离处的剪应力分布情况，发现自试件中部至边缘剪应力有明显变化，圆形试件比矩形试件显示出更大的应力改变。总之，已有研究表明，常规的循环单剪试验中，试样的应力应变状态存在复杂性和不定性。

常规循环单剪试验难以避免如下缺陷：①试样尺寸小（最大直径≤70mm、高度≤30mm），土样易受取样缺陷和土质不均匀性的影响，试验结果代表性难以保证；②由于试样尺寸小，由于试验方法所固有的应力集中、应力不均匀的影响更显著；③由于试样尺寸小，无法对粗颗粒土、加筋土、砾石、矿渣等工程中实际需要研究的土类进行试验，应用范围受限制。

而大尺寸循环单剪试验可以改善常规尺寸循环单剪试验的缺陷：①首先，试样尺寸的增大，可以减少试样的局部缺陷的影响，提高试验结果的代表性；②试样尺寸的增大，可以使试样中应力集中、应力分布不均匀的影响降低；③试样尺寸的增大，可以使土样能包含粗大砾石，可以对粗粒土、加筋土、砾石矿渣等特殊工程土进行直接试验测试，而不需要进行缩小比例的模型试验，试验结果更直接、可靠；④从试验方法上来看，试样尺寸的增大，可以使试验更宏观化，在同样的仪器测量精度下，可降低最小应变的下限阈值，扩展循环单剪试验的应用范围。因此，大尺寸循环单剪试验是进行土的动力特性试验研究的一种良好方法和发展趋势。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种大尺寸土壤循环剪切试验机。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

大尺寸土壤循环剪切试验机，包括底座、立柱、顶梁、竖直加压油缸、加载顶板、水平反力牛腿、水平加压油缸、加载底板、承土箱；

所述底座上垂直设有两根立柱，两根立柱的顶端通过顶梁互相连接，所述顶梁的底部安装有竖直加压油缸，所述竖直加压油缸的推杆上安装有加载顶板，所述加载顶板上设有导向板，所述导向板两端均设有竖向滑块，所述立柱上设有与竖向滑块相配合的竖向导轨；

所述底座一端设有水平反力牛腿，所述水平反力牛腿与水平加压油缸相连，所述水平加压油缸的推杆上安装有加载底板，所述加载底板的底部安装有水平滑块，所述底座上设有与水平滑块相配合的水平导轨；

所述承土箱由多个约束钢环相互层叠构成，在层叠的钢环内壁铺设一层橡胶膜，以保证试样的密封性，每个约束钢环的外侧均匀设有四个与钢环相切的托耳，所述托耳上下表面各贴有一层橡胶垫片，在剪切过程中，相邻约束钢环之间的橡胶垫片可发生剪切变形。

本发明的大型循环单剪试验装置的主要功能是：在外部动力（包括水平方向和竖直方向）的作用下，对试验土样进行侧限竖向固结，然后对试样施加往复水平剪切变形，并模拟试样在剪切变形过程中的体积变化。

本发明的工作原理如下：（1）将装满试验土样的承土箱放置在加载顶板与加载底板之间。启动竖直加压油缸，在竖直加压油缸作用下，加载顶板在竖向导轨的引导与约束下发生竖向位移，对土样施加竖向固结应力；（2）由层叠的约束钢环而组成的盛土箱对土样的侧向变形提供约束，保证其在竖向应力下不发生侧向应变，以模拟实际土层中的平面应变状态；（3）启动水平加压油缸，带动加载底板沿着水平导轨发生左右往复运动，而加载顶板在竖向导轨的约束下水平方向维持不动，试样除上下表面分别于加载顶板和加载底板接触而受力外，其它不再受外力，因此在试样中产生沿试样高度方向不变的竖向压力和水平剪切力；（4）试样在沿高度方向一致的剪切力作用下有发生剪切变形的趋势，为试样提供边界约束的盛土箱在限制其径向变形的同时，通过层叠的约束钢环之间的相对剪切错动顺应试样剪切变形的发生，从而试样能发生自由剪切变形，模拟了实际土层中土层的剪切变形状态；（5）在剪切过程中，加载顶板在水平方向不能发生位移，但在竖直方向能自由地发生位移，从而能模拟土体在剪切过程中的体积变化（剪胀或剪缩）。

本发明具有以下优点：

（1）结构体系受力自平衡，不需外部反力：水平反力通过连接在底座上的水平反力牛腿提供，竖向反力通过连接在底座上的刚性框架（由立柱和顶梁组成）提供，体系受力自平衡，不需要外部反力装置。

（2）试样尺寸大，能进行各类土的原型试验：本发明的大型循环单剪试验装置中，试样的最大直径可达1000mm，试样高度0~500mm可调（通过改变约束钢环的叠放层数实现），可进行各种原状和扰动土的大尺寸试样循环剪切试验，特别是能对常规试验所不能研究的粗颗粒土、加筋土进行试验，消除常规尺寸试验仪器只能做小比例模型试验的缩尺效应。

（3）严格满足循环单剪试验的边界条件：通过层叠的钢环的约束确保试样在径向不能发生应变；通过层叠的钢环之间的橡胶垫片的剪切变形确保试样在水平方向上可以自由发生剪切变形；通过安装于刚性立柱上的四条竖向导轨确保试样可发生竖向变形；通过竖向导轨的限制确保加载顶板不会发生水平位移和转动位移，确保剪切应力的施加和均匀；通过加载板上的刻痕，增大了加载板与土样之间的摩擦力，减少剪切过程中试样表面与加载板之间的相对滑动。

（4）装样简单方便：水平导轨的长度经过设计确定，保证装样时将加载底板推至最左端能获得足够的工作空间，方便大型土样装样。

本发明在国内外独一无二，填补了大型循环单剪岩土试验装置的空白，尤其适应于大尺寸、抗剪强度高的岩土试样，具有压实性能好、透水性强、填筑密度较大、严格满足循环单剪试验的边界条件、操作简便、试验结果精确等优点。

附图说明

图1为土单元在地震中的应力应变状态示意图。

图2为大型循环单剪试验装置的立体透视图。

图3为承土箱的结构示意图。

图4为带托耳的单个约束钢环的结构示意图。

附图中：1.底座，2.立柱，3.顶梁，4.水平反力牛腿，5.水平导轨，6.竖向导轨，7.加载底板，8.加载顶板，9.竖直加压油缸，10.水平加压油缸，11.水平滑块，12.承土箱，13.托耳，14.约束钢环，15.橡胶膜，16.橡胶垫片，17.导向板。

具体实施方式

如图2所示，一种大尺寸土壤循环剪切试验机，包括底座1、立柱2、顶梁3、竖直加压油缸9、加载顶板8、水平反力牛腿4、水平加压油缸10、加载底板7、承土箱12。

底座1由型钢焊接而成，底座1总长度4m左右，底座1总宽度2.6m左右。底座1上垂直焊接有两根立柱2，两根立柱2的顶端通过顶梁3互相连接，顶梁3与立柱2之间的连接为刚性连接。顶梁3与立柱2均采用方钢管、或工字钢、或槽钢等型钢制作，设计时确保其具有足够的强度和刚度。

顶梁3的底部安装有竖直加压油缸9，所述竖直加压油缸9的推杆上安装有加载顶板8。加载顶板8上设有两块导向板17，每块导向板17的两端均设有竖向滑块（图中未示出），立柱2上设有与竖向滑块相配合的竖向导轨6。竖向轨道设置在立柱2的正反两面，每根立柱2上各2道，总共4道，竖向轨道采用高精度线性轨道，长度和安装高度按设计确定以保证加载顶板8与加载底板7的净距为0~500mm。加载顶板8在竖直加压油缸9作用可对试样施加固结压力，加载顶板8下表面带有尖齿状刻痕，以增大其与试样之间的摩擦力，加载顶板8的设计确保其具有足够的强度和刚度，在加载过程中仅能发生竖向刚体位移。

底座1一端设有水平反力牛腿4，所述水平反力牛腿4通过高强螺栓与底座1连接，牛腿的设计确保其具有足够的强度和刚度。水平反力牛腿4与水平加压油缸10相连，水平加压油缸10的推杆上安装有加载底板7，加载底板7形状为Γ形，突出的一端上留有螺孔以连接水平加压油缸10，加载底板7上表面带尖齿状刻痕，加载底板7净空面积为1.0m×1.0m。加载底板7的底部安装有水平滑块11，所述底座1上设有与水平滑块11相配合的水平导轨5；所述水平导轨5铺设在底座1上，长度沿底座1全长铺设，水平导轨5采用两道高精度线性轨道。

如图3、图4所示，承土箱12由多个约束钢环14相互层叠构成，在层叠的钢环内壁铺设一层橡胶膜15，以保证试样的密封性。约束钢环14直径为6mm，每个约束钢环14的外侧均匀设有四个与钢环相切的托耳13。每个托耳13尺寸约为100×50×6mm，托耳13上下表面各贴有一层厚度约2mm的橡胶垫片16，在剪切过程中，相邻约束钢环14之间的橡胶垫片16可发生剪切变形。在测试时，将装满岩土试样的承土箱12放置在加载底板7上。

本发明在国内外独一无二，填补了大型循环单剪岩土试验装置的空白，尤其适应于大尺寸、抗剪强度高的岩土试样，具有压实性能好、透水性强、填筑密度较大、严格满足循环单剪试验的边界条件、操作简便、试验结果精确等优点。

需要指出的是，本发明并不限于上述实施方式，任何熟悉本专业的技术人员在基于本发明技术方案内对上述实施例所作的任何简单修改、组合应用、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.大尺寸土壤循环剪切试验机，包括底座、立柱、顶梁、竖直加压油缸、加载顶板、水平反力牛腿、水平加压油缸、加载底板、承土箱；

所述底座上垂直设有两根立柱，两根立柱的顶端通过顶梁互相连接，所述顶梁的底部安装有竖直加压油缸，所述竖直加压油缸的推杆上安装有加载顶板，所述加载顶板上设有导向板，所述导向板两端均设有竖向滑块，所述立柱上设有与竖向滑块相配合的竖向导轨；

所述底座一端设有水平反力牛腿，所述水平反力牛腿与水平加压油缸相连，所述水平加压油缸的推杆上安装有加载底板，所述加载底板的底部安装有水平滑块，所述底座上设有与水平滑块相配合的水平导轨；

所述承土箱由多个约束钢环相互层叠构成，在层叠的钢环内壁铺设一层橡胶膜，以保证试样的密封性，每个约束钢环的外侧均匀设有四个与钢环相切的托耳，所述托耳上下表面各贴有一层橡胶垫片，在剪切过程中，相邻约束钢环之间的橡胶垫片可发生剪切变形。