CN105510153A - 一种大型土体界面剪切试验模型及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型土体界面剪切试验模型及试验方法，该试验模型包括模型箱、试验材料、加压设备、剪切设备以及量测设备；模型箱包括上盒和下盒，试验材料包括砂土和粘土，加压设备包括压板、上压板、压簧固定柱、压簧、双头螺柱和底板，剪切设备包括左挡板、细牙螺丝和把手，所述量测设备包括右挡板、压力传感器、竖向位移传感器、水平位移传感器和相机，该试验方法包括以下步骤：确定试验材料，下盒土体固结，土层界面处理，进行剪切模型试验。本发明可以用于研究不同土层之间由于界面效应产生的界面剪切强度变化规律和土体剪切变形规律；与其它大型直剪设备造价高昂工序复杂不同，本试验模型设计直接简易，所用材料来源丰富，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种考虑土体界面效应的大型剪切试验模型及试验方法。
背景技术
土体作为有粘性或者无粘性的具有孔隙的非均质颗粒状材料，其抗剪强度特性也是反映其孔隙规律的基本内容之一，土体的剪切破坏是土的强度破坏的重要特点，土的抗剪强度问题，就是土的强度问题。抗剪强度是工程范围内的土体的重要力学指标，建筑及构筑物的地基承载力，地下结构、挡土墙的土压力以及人工与自然边坡稳定性等，都是受到土体抗剪强度影响与控制。而工程范围内的土体，大多是成层的具有界面的非均质、各向异性土，所以从土层界面的抗剪强度来研究土层的强度与力学特性是最基本的思路。
获得土的抗剪强度指标可以通过室内或现场试验测定，主要包括室内直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验与现场十字板剪切试验。在进行粗粒土与堆石料的抗剪强度指标时还会采用现场或室内的大型直剪试验，其中直剪试验的理论基础是库伦公式与抗剪强度理论，也是控制土体抗剪强度指标最简单直接的方法，具有固结时间短、操作方便、力学关系清晰等优点。在土的剪切带、本构、接触面问题研究中，研究者也多采用直剪试验获得土的剪切带形态、应力应变关系曲线以及接触界面强度，鉴于常规直剪试验的尺寸较小，不能用于较大颗粒土与界面问题，需要开发大型直剪仪以便得到更加准确的结果。为了获取界面的综合粘聚力、摩擦角还有界面大尺寸位移的近似摩擦系数等力学指标，通过大尺寸界面直剪试验改变影响因素，观察影响因素对力学指标的影响情况，在此基础上定性的分析界面土体结构性的变化，以及颗粒的位移与界面处的变形。
目前的直剪试验装置领域，基本没有设计土层界面特性与剪切形态的装置与试验方法。与本发明相类似的有大型的封闭动荷载直剪试验仪(不能观察界面)，如：CN104931360A公开的一种动荷载作用下大型土工直剪测试装置，以及CN104807706A公开的便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法；或者测定筋土界面摩擦系数的CN204346885U公开的一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪，该直剪仪的用途侧重点与本发明不同；即使有些发明专利对常规直剪试验仪进行了改进，如CN203037539U公开的用于直剪切试验的剪切盒和CN202853990U公开的一种直剪试验仪，却都无法针对土层界面这一特性进行研究。
综上所述，现有的研究中，对土层界面的受力理论分析较少，数值模拟只有部分，在现有的土体常规直剪与大型直剪试验中，很大的一个局限在于不能观察剪切界面变形的情况，而且界面的面积较小，不能较好的分析界面情况的变化对剪切力的影响。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大型土体界面效应剪切模型试验方法，能够简易方便的进行人工操作加载与剪切，并且在剪切过程拍照观察界面变形效果，对界面问题进行深入研究。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种大型土体界面剪切试验模型，包括模型箱、试验材料、加压设备、剪切设备以及量测设备；
所述模型箱包括上盒和下盒，上盒和下盒均为方形箱体结构，上盒和下盒的一个侧面均为透明的有机玻璃板，上盒的顶部及底部均敞开，下盒的顶部敞开，下盒的底部设置底板，底盖设有滑轮,上盒和下盒接触面设置界面抽条；
所述试验材料包括砂土和粘土，砂土填充于上盒内，粘土填充于下盒内；
所述加压设备包括压板、上压板、压簧固定柱、压簧、双头螺柱和底板，上盒内部设置与上盒截面尺寸相匹配的压板，上盒上方设置上压板，压板和上压板之间设置压簧固定柱，压簧设置在压簧固定柱上，底板设置在下盒下方，双头螺柱下端穿过底板并设置下调节螺母，双头螺柱上端穿过上压板并设置上调节螺母；
所述剪切设备包括左挡板、细牙螺丝和把手，在模型箱一侧设有左挡板，在左挡板与下盒等高的位置水平设置有细牙螺丝，细牙螺丝端部设置把手；
所述量测设备右挡板、压力传感器、竖向位移传感器、水平位移传感器和相机，在模型箱另一侧设有与左挡板相对的右挡板，在右挡板与上盒之间设置压力传感器，在右挡板与下盒之间设置水平位移传感器，在压板和上压板之间设置竖向位移传感器，在透明有机玻璃板外侧设置相机。
进一步的，所述左挡板与底板之间以及右挡板与底板之间均设有支撑角钢。
进一步的，所述底板设置导轨，所述滑轮置于导轨上。
根据上述试验模型的一种大型土体界面剪切试验方法，包括以下步骤：
a)确定试验材料：试验材料为粘土和砂土，粘土为现场采集取样粘土，砂土采用国家标准砂；
b)下盒土体固结：根据需要的土性参数，利用模型箱对粘土进行固结，将下盒和上盒依次叠加在底板上，并在上盒和下盒接触面放置界面抽条，在下盒底部铺满滤纸并填入预先准备好的粘土，分层夯实，粘土填满至高出下盒，将粘土上表面整平，铺上滤纸并放入压板，安装压簧与上压板，通过旋紧上调节螺母给上压板施加竖向压力，利用压簧变形将压力通过压板施加在粘土上进行固结；
c)土层界面处理：粘土固结后，卸除上压板、压簧、压板、上盒和界面抽条，对粘土进行界面制形，然后安装界面抽条和上盒，并在上盒内填满砂土，最后再安装压板、压簧和上压板；
d)进行剪切模型试验，其中包括以下几个步骤：
d1)玻璃板标记：在有机玻璃板上标记参考点；
d2)施加竖向压力：监测固定在上压板的竖向位移传感器读数，通过旋紧上调节螺母控制上压板向下的压缩量从而控制压簧对压板施加的压力大小，通过压板对模型箱土体进行压缩固结，当加压至试验设计条件压力，去除上盒和下盒接触面的界面抽条，在上盒和下盒之间留出缝隙作为土层界面剪切带；
d3)施加水平剪切力：转动把手使细牙螺丝顶触到下盒，通过极慢速度旋进细牙螺丝进行准静态剪切，并通过水平位移传感器实时监测剪切位移，通过压力传感器监测上盒所受的水平向摩擦力；
d4)记录界面变形：通过相机拍摄剪切过程中土层界面剪切带变形照片。
进一步的，步骤c)中对粘土进行界面制形时，在粘土上表面加工出锯齿形状，通过控制锯齿尺寸及数量，来模拟粘土和砂土之间不同的摩擦界面。
进一步的，步骤c)中对粘土进行界面制形时，在粘土上表面铺设一层彩砂，以便观察土体剪切过程中土层界面变形。
进一步的，步骤c)中安装上盒时，在上盒有机玻璃板和下盒有机玻璃板之间涂抹一层润滑剂，以减少土体剪切过程中上盒和下盒之间的摩擦力。
有益效果：本发明提供的大型土体界面效应剪切试验模型及试验方法，可以用于研究不同土层之间由于界面效应产生的界面剪切强度变化规律和土体剪切变形规律；与其它大型直剪设备造价高昂工序复杂不同，本试验模型设计直接简易，所用材料来源丰富，成本较低。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的俯视图；
图3为图1中的上压板俯视图；
图4为图1中的压板俯视图。
图中：1-上盒，2-下盒，3-底盖，4-滑轮，5-砂土，6-粘土，7-压板，8-上压板，9-竖向位移传感器，10-压簧固定柱，11-压簧，12-双头螺柱，13-底板，14-下调节螺母，15-上调节螺母，16-左挡板，17-细牙螺丝，18-把手，19-右挡板，20-压力传感器，21-水平位移传感器，22-相机，23-支撑角钢，24-导轨。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至4所示，本发明的一种大型土体界面剪切试验模型包括模型箱、试验材料、加压设备、剪切设备以及量测设备。模型箱用于放置所要研究的试验材料；加压设备用来给试验材料施加竖向压力；量测设备用来量测上盒所受的水平摩擦力、下盒的剪切位移和上盒土体的竖向位移；剪切设备用来给剪切试验提供驱动。
所述模型箱包括上盒1和下盒2，上盒1和下盒2均为方形箱体结构，上盒1和下盒2的一个侧面均为透明的有机玻璃板，上盒1的顶部及底部均敞开，下盒2的顶部敞开，下盒2的底部设置底板3，底盖3设有滑轮4,上盒1和下盒2接触面设置界面抽条，因为界面剪切时会有土体颗粒粒径10～16倍的界面，界面抽条是为了保留剪切界面形成土层界面剪切带。
所述试验材料包括砂土5和粘土6，砂土5填充于上盒1内，粘土6填充于下盒2内。
所述加压设备包括压板7、上压板8、压簧固定柱10、压簧11、双头螺柱12和底板13，上盒1内部设置与上盒1截面尺寸相匹配的压板7，上盒1上方设置上压板8，压板7和上压板8之间设置压簧固定柱10，压簧11设置在压簧固定柱10上，根据压簧的线弹性特征，通过控制压簧的变形量来产生竖向压力，对土体进行固结。
底板13设置在下盒2下方，双头螺柱12下端穿过底板13并设置下调节螺母14，双头螺柱12上端穿过上压板8并设置上调节螺母15。
所述剪切设备包括左挡板16、细牙螺丝17和把手18，在模型箱一侧设有左挡板16，在左挡板16与下盒2等高的位置水平设置有细牙螺丝17，细牙螺丝17端部设置把手18。
所述量测设备右挡板19、压力传感器20、水平位移传感器21和相机22，在模型箱另一侧设有左挡板16相对的右挡板19，在右挡板19与上盒1之间设置压力传感器20，在右挡板19与下盒2之间设置水平位移传感器21，在压板7和上压板8之间设置竖向位移传感器9，在透明有机玻璃板外侧设置相机22。
另外，所述左挡板16与底板13之间以及右挡板19与底板13之间均设有支撑角钢23，以增加左挡板16和右挡板19支撑强度；所述底板13设置导轨24，所述滑轮4置于导轨24上，通过导轨24对滑轮4导向定位。
根据上述试验模型的一种大型土体界面剪切试验方法，包括以下步骤：
a)确定试验材料：试验材料为粘土5和砂土6，粘土5为现场采集取样粘土，砂土6采用国家标准砂；
b)下盒土体固结：根据需要的土性参数，利用模型箱对粘土6进行固结，将下盒2和上盒1依次叠加在底板13上，并在上盒1和下盒2接触面放置界面抽条，在下盒2底部铺满滤纸并填入预先准备好的粘土6，分层夯实，粘土6填满至高出下盒60mm左右，将粘土2上表面整平，铺上滤纸并放入压板7，安装压簧11与上压板8，通过旋紧上调节螺母15给上压板8施加竖向压力，利用压簧11变形将压力通过压板7施加在粘土6上进行固结；
c)土层界面处理：粘土6固结后，卸除上压板8、压簧11、压板7、上盒1和界面抽条，对粘土6进行界面制形，对粘土6进行界面制形时，在粘土6上表面加工出锯齿形状，通过控制锯齿尺寸及数量，来模拟粘土5和砂土6之间不同的摩擦界面，并且在粘土6上表面铺设一层彩砂，以便观察土体剪切过程中土层界面变形，然后安装界面抽条和上盒1，并在上盒1内填满砂土5，安装上盒1时，在上盒1有机玻璃板和下盒2有机玻璃板之间涂抹一层润滑剂，以减少土体剪切过程中上盒1和下盒2之间的摩擦力，最后再安装压板7、压簧11和上压板8；
d)进行剪切模型试验，其中包括以下几个步骤：
d1)玻璃板标记：在有机玻璃板上标记参考点；
d2)施加竖向压力：监测固定在上压板8的竖向位移传感器9读数，通过旋紧上调节螺母15控制上压板8向下的压缩量从而控制压簧11对压板7施加的压力大小，通过压板7对模型箱土体进行压缩固结，当加压至试验设计条件压力，去除上盒1和下盒2接触面的界面抽条，在上盒1和下盒2之间留出缝隙作为土层界面剪切带；
d3)施加水平剪切力：转动把手18使细牙螺丝17顶触到下盒2，通过极慢速度旋进细牙螺丝17进行准静态剪切，并通过水平位移传感器21实时监测剪切位移，通过压力传感器20监测上盒2所受的水平向摩擦力，为了保证剪切过程的准静态加载，采用细牙螺丝17作为驱动力，细牙螺丝17每旋转一周，推动下盒2前进1mm。
d4)记录界面变形：通过相机22拍摄剪切过程中土层界面剪切带变形照片,剪切过程中下盒2每移动2mm拍一张界面变形照片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种大型土体界面剪切试验模型，其特征在于：包括模型箱、试验材料、加压设备、剪切设备以及量测设备；
所述模型箱包括上盒(1)和下盒(2)，上盒(1)和下盒(2)均为方形箱体结构，上盒(1)和下盒(2)的一个侧面均为透明的有机玻璃板，上盒(1)的顶部及底部均敞开，下盒(2)的顶部敞开，下盒(2)的底部设置底板(3)，底盖(3)设有滑轮(4),上盒(1)和下盒(2)接触面设置界面抽条；
所述试验材料包括砂土(5)和粘土(6)，砂土(5)填充于上盒(1)内，粘土(6)填充于下盒(2)内；
所述加压设备包括压板(7)、上压板(8)、压簧固定柱(10)、压簧(11)、双头螺柱(12)和底板(13)，上盒(1)内部设置与上盒(1)截面尺寸相匹配的压板(7)，上盒(1)上方设置上压板(8)，压板(7)和上压板(8)之间设置压簧固定柱(10)，压簧(11)设置在压簧固定柱(10)上，底板(13)设置在下盒(2)下方，双头螺柱(12)下端穿过底板(13)并设置下调节螺母(14)，双头螺柱(12)上端穿过上压板(8)并设置上调节螺母(15)；
所述剪切设备包括左挡板(16)、细牙螺丝(17)和把手(18)，在模型箱一侧设有左挡板(16)，在左挡板(16)与下盒(2)等高的位置水平设置有细牙螺丝(17)，细牙螺丝(17)端部设置把手(18)；
所述量测设备右挡板(19)、压力传感器(20)、竖向位移传感器(9)、水平位移传感器(21)和相机(22)，在模型箱另一侧设有与左挡板(16)相对的右挡板(19)，在右挡板(19)与上盒(1)之间设置压力传感器(20)，在右挡板(19)与下盒(2)之间设置水平位移传感器(21)，在压板(7)和上压板(8)之间设置竖向位移传感器(9)，在透明有机玻璃板外侧设置相机(22)。
2.根据权利要求1所述的一种大型土体界面剪切试验模型，其特征在于：所述左挡板(16)与底板(13)之间以及右挡板(19)与底板(13)之间均设有支撑角钢(23)。
3.根据权利要求1所述的一种大型土体界面剪切试验模型，其特征在于：所述底板(13)设置导轨(24)，所述滑轮(4)置于导轨(24)上。
4.根据权利要求1所述试验模型的一种大型土体界面剪切试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)确定试验材料：试验材料为粘土(5)和砂土(6)，粘土(5)为现场采集取样粘土，砂土(6)采用国家标准砂；
b)下盒土体固结：根据需要的土性参数，利用模型箱对粘土(6)进行固结，将下盒(2)和上盒(1)依次叠加在底板(13)上，并在上盒(1)和下盒(2)接触面放置界面抽条，在下盒(2)底部铺满滤纸并填入预先准备好的粘土(6)，分层夯实，粘土(6)填满至高出下盒(2)，将粘土(2)上表面整平，铺上滤纸并放入压板(7)，安装压簧(11)与上压板(8)，通过旋紧上调节螺母(15)给上压板(8)施加竖向压力，利用压簧(11)变形将压力通过压板(7)施加在粘土(6)上进行固结；
c)土层界面处理：粘土(6)固结后，卸除上压板(8)、压簧(11)、压板(7)、上盒(1)和界面抽条，对粘土(6)进行界面制形，然后安装界面抽条和上盒(1)，并在上盒(1)内填满砂土(5)，最后再安装压板(7)、压簧(11)和上压板(8)；
d)进行剪切模型试验，其中包括以下几个步骤：
d1)玻璃板标记：在有机玻璃板上标记参考点；
d2)施加竖向压力：监测固定在上压板(8)的竖向位移传感器(9)读数，通过旋紧上调节螺母(15)控制上压板(8)向下的压缩量从而控制压簧(11)对压板(7)施加的压力大小，通过压板(7)对模型箱土体进行压缩固结，当加压至试验设计条件压力，去除上盒(1)和下盒(2)接触面的界面抽条，在上盒(1)和下盒(2)之间留出缝隙作为土层界面剪切带；
d3)施加水平剪切力：转动把手(18)使细牙螺丝(17)顶触到下盒(2)，通过极慢速度旋进细牙螺丝(17)进行准静态剪切，并通过水平位移传感器(21)实时监测剪切位移，通过压力传感器(20)监测上盒(2)所受的水平向摩擦力；
d4)记录界面变形：通过相机(22)拍摄剪切过程中土层界面剪切带变形照片。
5.根权利要求4所述的一种大型土体界面剪切试验方法，其特征在于：步骤c)中对粘土(6)进行界面制形时，在粘土(6)上表面加工出锯齿形状，通过控制锯齿尺寸及数量，来模拟粘土(5)和砂土(6)之间不同的摩擦界面。
6.根权利要求4所述的一种大型土体界面剪切试验方法，其特征在于：步骤c)中对粘土(6)进行界面制形时，在粘土(6)上表面铺设一层彩砂，以便观察土体剪切过程中土层界面变形。
7.根权利要求4所述的一种大型土体界面剪切试验方法，其特征在于：步骤c)中安装上盒(1)时，在上盒(1)有机玻璃板和下盒(2)有机玻璃板之间涂抹一层润滑剂，以减少土体剪切过程中上盒(1)和下盒(2)之间的摩擦力。
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