CN105510154A - 一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，它包括水平底座，水平底座的上水平面上设置有多个滚轴；多个滚轴上放置有岩土圆柱试件剪切组件；岩土圆柱试件剪切组件中，刻有角度刻度盘的上半圆形试样槽通过紧固螺栓固定安装于承压面下方。本发明提供的一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法，可以解决现有装置不能测定圆柱体岩土的抗剪强度指标的问题，通过对一个常规圆柱形岩土试件进行多次剪切，得到多个剪切数据，计算该岩土试件的抗剪强度指标，大大减小了数据的离散性，测试结果准确。

Description

一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法

技术领域

本发明涉及岩土工程用剪切试验装置及方法，尤其是一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法。

背景技术

随着科技的进步，现在对岩土试件抗剪强度指标的测定方法也越来越多，但测试得到的实验数据的精确度也不一样。现有的测定岩土试件抗剪强度指标的装置，如直剪仪(剪切盒)压剪试验(单面剪)，立方体试件单面剪试验，试件端部受压双面剪试验，角模压剪试验(变角剪切试验)等相比，这些试验测试的试样都是正方体，不能测定圆柱体岩土的抗剪强度指标，也不能对土样来进行测试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法，可以解决现有装置不能测定圆柱体岩土的抗剪强度指标的问题，通过对一个常规圆柱形岩土试件进行多次剪切，得到多个剪切数据，计算该岩土试件的抗剪强度指标，大大减小了数据的离散性，测试结果准确。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，

它包括水平底座，水平底座的上水平面上设置有多个滚轴；

多个滚轴上放置有岩土圆柱试件剪切组件；

岩土圆柱试件剪切组件中，刻有角度刻度盘的上半圆形试样槽通过紧固螺栓固定安装于承压面下方，承压面上设有与角度刻度相配合的指示箭头，下半圆形试样槽与上半圆形试样槽拼接组合形成一个圆柱体，下半圆形试样槽与上半圆形试样槽上各开设有装样区，两装样区形成放置岩土圆柱试件的装样槽，各装样区的底部为与圆柱形岩土试件相配合的圆形，各装样区底部内放置有至少一个垫块，下半圆形试样槽与上半圆形试样槽的拼接处形成齿合缝；下半圆形试样槽底部沿圆周方向开设有多个与上半圆形试样槽上的角度刻度相配合的安装孔，剪切盒通过带螺栓的薄板及安装孔固定在下半圆形试样槽上；

岩土圆柱试件剪切组件的剪切盒放置在水平底座的多个滚轴上；

承压面上设置有千斤顶压头。

垫块的数量为多个。

水平底座的左端与剪切盒的左端平齐，水平底座的右端与下半圆形试样槽的外圈在同一竖直面上。

一种采用上述装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，该方法包括以下步骤：

1)将上述装置的上半圆形试样槽取下称重，得到其质量为M千克；

2)选定将要进行测试的圆柱形岩土试件，并将该岩土试件的两端面磨平；

3)第一次装样：将圆柱形岩土试件装入上述装置的下半圆形试样槽内，再将上半圆形试样槽和下半圆形试样槽固定，旋转，使下半圆形试样槽与上半圆形试样槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角a₁，50°≤a₁≤70°后将下半圆形试样槽与剪切盒固定连接；

4)第一次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₁，此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{sin\α}}_1}{dl}$

其中，d为岩土圆柱试件直径，l为岩土圆柱试件高度；

5)将已剪坏的岩土试件从装样槽内取出取出，把剪成两半的岩土试件取其中一半并将其在磨石器上将剪切面磨平，制得第二次剪切所需岩土试件；

6)第二次装样：在下半圆形试样槽或上半圆形试样槽的装样区内垫上至少一块垫块，使得第二次剪切所需的剪切面距离第二次剪切所需岩土试件的边缘大于10毫米，再装上第二次剪切所需岩土试件，旋转，使下半圆形试样槽与上半圆形试样槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角a₂，50°≤a₂≤70°，a₁≠a₂，后将下半圆形试样槽与剪切盒固定连接；

7)第二次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₂，此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_2=\frac{(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_2=\frac{(F_2-Mg){\mathrm{sin\α}}_2}{dl};$

8)分析整理所得实验数据，根据库伦定律的抗剪强度公式列式计算如下:

两式相减，得

将的值代入①式，得

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

综上，得到该岩土试件的抗剪强度内聚力和内摩擦角的数值

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

即测得岩土试件抗剪强度指标。

步骤2)中选定的圆柱形岩土试件的高度为大于等于20毫米。

步骤3)中，下半圆形试样槽与上半圆形试样槽拼接时齿合缝与水平底座的底边所成夹角a₁，60°≤a₁≤70°。

步骤6)中垫垫块的方式还可以为：在在下半圆形试样槽和上半圆形试样槽(13)的装样区内分别垫上至少一块垫块。

本发明提供的一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置及测定方法，有益效果如下：

1、可对同一个岩土试件可以进行多次剪切，得到的数据离散性比常规不同试件剪切试验大幅降低。

2、对高度不同的岩土试件都可进行剪切，最大限度的利用钻取圆柱形岩土试件，获取抗剪强度指标。并大幅降低试验成本。

3、剪切面为圆面，剪切面积较小，所需加载力较小，而现有的装置的剪切面为矩形，剪切面积较大，导致剪切面不平整概率增大。

4、剪切面的位置有任意性，满足剪切面离端部的距大于等于10毫米都可进行剪切。

5、不容易在剪切面附近发生较大的应力集中，而现有的装置进行的剪切试验对岩土试件进行剪切时，应力集中现象较为明显，对实验数据有较大影响。

6、剪切后产生的各剪裂面之间无干扰。

7、可以解决现有装置不能测定圆柱体岩土的抗剪强度指标的问题，通过对一个常规圆柱形岩土试件进行多次剪切，得到多个剪切数据，计算该岩土试件的抗剪强度指标，大大减小了数据的离散性，测试结果准确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置中下半圆形试样槽安装圆柱形岩土试件后的示意图；

图3为本发明装置中承压面和上半圆形试样槽连接时的示意图；

图4为本发明装置中薄板的示意图；

图5是本发明方法步骤3)中第一次装样形成夹角a₁的示意图；

图6是本发明方法步骤6)中第二次装样形成夹角a₂的示意图；

图7是本发明方法步骤8)中结构面岩体强度分析图。

具体实施方式

实施例一

如图1-4所有，一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，它包括水平底座12，水平底座12的上水平面上设置有多个滚轴11；

多个滚轴11上放置有岩土圆柱试件剪切组件；

岩土圆柱试件剪切组件中，刻有角度刻度盘4的上半圆形试样槽13通过紧固螺栓3固定安装于承压面2下方，承压面2上设有与角度刻度相配合的指示箭头，下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13拼接组合形成一个圆柱体，下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13上各开设有装样区，两装样区形成放置岩土圆柱试件的装样槽7，各装样区的底部为与圆柱形岩土试件相配合的圆形，各装样区底部内放置有至少一个垫块8，下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13的拼接处形成齿合缝5；下半圆形试样槽6底部沿圆周方向开设有多个与上半圆形试样槽13上的角度刻度相配合的安装孔9，剪切盒14通过带螺栓的薄板10及安装孔9固定在下半圆形试样槽6上；

岩土圆柱试件剪切组件的剪切盒14放置在水平底座12的多个滚轴11上；

承压面2上设置有千斤顶压头1。

垫块8的数量为多个。

水平底座12的左端与剪切盒14的左端平齐，水平底座12的右端与下半圆形试样槽6的外圈在同一竖直面上。

实施例二

上述装置的安装及工作过程如下：

先将承压面2与上半圆形试样槽13按预先设计好的角度(上半圆形试样槽13和下半圆形试样槽6拼接时齿合缝5与水平底座的底边所成夹角a，50°≤a≤70°，根据指示箭头所指角度调整)，通过紧固螺栓3连在一起，然后根据上半圆形试样槽13设计好的角度，将下半圆形试样槽6和剪切盒14转动到相应的角度，使之与上半圆形试样槽13吻合；

接着将下半圆形试样槽6和剪切盒14通过通过带螺栓的薄板10及安装孔9连接固定在一起；

再装样；

将上半圆形试样槽13和承压面2盖在岩土试件和下半圆形试样槽6组成的的整体之上；岩土圆柱试件剪切组件组装完成，再将岩土圆柱试件剪切组件放置于滚轴11上，整个装置组装完成。

通过外部的千斤顶压头1施加竖直向下的力，使上半圆形试样槽13和下半圆形试样槽6之间发生相对剪切错动，岩土试件即被剪坏。

实施例三

一种采用上述装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，该方法包括以下步骤：

1)将上述装置的上半圆形试样槽13取下称重，得到其质量为M千克；

2)选定将要进行测试的圆柱形岩土试件，并将该岩土试件的两端面磨平；

3)第一次装样：将圆柱形岩土试件装入上述装置的下半圆形试样槽6内，再将上半圆形试样槽13和下半圆形试样槽6固定，旋转，使下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13拼接时齿合缝5与水平底座12的底边所成夹角a₁，50°≤a₁≤70°后将下半圆形试样槽6与剪切盒14固定连接，如图5所示；

4)第一次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₁，此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{sin\α}}_1}{dl}$

其中，d为岩土圆柱试件直径，l为岩土圆柱试件高度；

5)将已剪坏的岩土试件从装样槽7内取出取出，把剪成两半的岩土试件取其中一半并将其在磨石器上将剪切面磨平，制得第二次剪切所需岩土试件；

6)第二次装样：在下半圆形试样槽6或上半圆形试样槽13的装样区内垫上至少一块垫块8，使得第二次剪切所需的剪切面距离第二次剪切所需岩土试件的边缘大于10毫米，再装上第二次剪切所需岩土试件，旋转，使下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13拼接时齿合缝5与水平底座12的底边所成夹角a₂，50°≤a₂≤70°，a₁≠a₂，后将下半圆形试样槽6与剪切盒14固定连接，如图6所示；

7)第二次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₂，此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_2=\frac{(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_2=\frac{(F_2+Mg){\mathrm{sin\α}}_2}{dl};$

8)分析整理所得实验数据，根据库伦定律的抗剪强度公式如图7所示，列式计算如下:

两式相减，得

将的值代入①式，得

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

综上，得到该岩土试件的抗剪强度内聚力和内摩擦角的数值

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\cos }_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

即测得岩土试件抗剪强度指标。

步骤2)中选定的圆柱形岩土试件的高度为大于等于20毫米。

步骤3)中，下半圆形试样槽6与上半圆形试样槽13拼接时齿合缝5与水平底座12的底边所成夹角a₁，60°≤a₁≤70°。

步骤6)中垫垫块8的方式还可以为：在在下半圆形试样槽6和上半圆形试样槽13的装样区内分别垫上至少一块垫块8。

Claims (7)

1.一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，其特征在于：它包括水平底座(12)，水平底座(12)的上水平面上设置有多个滚轴(11)；

多个滚轴(11)上放置有岩土圆柱试件剪切组件；

岩土圆柱试件剪切组件中，刻有角度刻度盘(4)的上半圆形试样槽(13)通过紧固螺栓(3)固定安装于承压面(2)下方，承压面(2)上设有与角度刻度相配合的指示箭头，下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)拼接组合形成一个圆柱体，下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)上各开设有装样区，两装样区形成放置岩土圆柱试件的装样槽(7)，各装样区的底部为与圆柱形岩土试件相配合的圆形，各装样区底部内放置有至少一个垫块(8)，下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)的拼接处形成齿合缝(5)；下半圆形试样槽(6)底部沿圆周方向开设有多个与上半圆形试样槽(13)上的角度刻度相配合的安装孔(9)，剪切盒(14)通过带螺栓的薄板(10)及安装孔(9)固定在下半圆形试样槽(6)上；

岩土圆柱试件剪切组件的剪切盒(14)放置在水平底座(12)的多个滚轴(11)上；

承压面(2)上设置有千斤顶压头(1)。

2.根据权利要求1所述的一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，其特征在于：垫块(8)的数量为多个。

3.根据权利要求1所述的一种测定岩土试件抗剪强度指标的装置，其特征在于：水平底座(12)的左端与剪切盒(14)的左端平齐，水平底座(12)的右端与下半圆形试样槽(6)的外圈在同一竖直面上。

4.一种采用上述权利要求1-3中任一项所述的装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)将上述装置的上半圆形试样槽(13)取下称重，得到其质量为M千克；

2)选定将要进行测试的圆柱形岩土试件，并将该岩土试件的两端面磨平；

3)第一次装样：将圆柱形岩土试件装入上述装置的下半圆形试样槽(6)内，再将上半圆形试样槽(13)和下半圆形试样槽(6)固定，旋转，使下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)拼接时齿合缝(5)与水平底座(12)的底边所成夹角a₁，50°≤a₁≤70°后将下半圆形试样槽(6)与剪切盒(14)固定连接；

4)第一次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₁，

此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_1=\frac{(F_1+Mg){\mathrm{sin\α}}_1}{dl}$

其中，d为岩土圆柱试件直径，l为岩土圆柱试件高度；

5)将已剪坏的岩土试件从装样槽(7)内取出取出，把剪成两半的岩土试件取其中一半并将其在磨石器上将剪切面磨平，制得第二次剪切所需岩土试件；

6)第二次装样：在下半圆形试样槽(6)或上半圆形试样槽(13)的装样区内垫上至少一块垫块(8)，使得第二次剪切所需的剪切面距离第二次剪切所需岩土试件的边缘大于10毫米，再装上第二次剪切所需岩土试件，旋转，使下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)拼接时齿合缝(5)与水平底座(12)的底边所成夹角a₂，50°≤a₂≤70°，a₁≠a₂，后将下半圆形试样槽(6)与剪切盒(14)固定连接；

7)第二次剪切：通过千斤顶压头1对岩土圆柱试件施加荷载，直至岩土圆柱试件刚好被剪坏，记下此时的压力值F₂，

此时正应力 ${\mathrm{\σ}}_2=\frac{(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2}{dl},$ 剪应力 ${\mathrm{\τ}}_2=\frac{(F_2+Mg){\mathrm{sin\α}}_2}{dl};$

8)分析整理所得实验数据，根据库伦定律的抗剪强度公式列式计算如下:

①

②

两式相减，得

将的值代入①式，得

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

综上，得到该岩土试件的抗剪强度内聚力和内摩擦角的数值

$c=\frac{(F_1+Mg)(F_2+Mg)({\mathrm{cos\α}}_2{\mathrm{sin\α}}_1-{\mathrm{cos\α}}_1{\mathrm{sin\α}}_2)}{dl\[(F_2+Mg){\mathrm{cos\α}}_2-(F_1+Mg){\mathrm{cos\α}}_1\]}$

即测得岩土试件抗剪强度指标。

5.根据权利要求4所述的一种采用上述装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，其特征在于：步骤2)中选定的圆柱形岩土试件的高度为大于等于20毫米。

6.根据权利要求4所述的一种采用上述装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，其特征在于：步骤3)中，下半圆形试样槽(6)与上半圆形试样槽(13)拼接时齿合缝(5)与水平底座(12)的底边所成夹角a₁，60°≤a₁≤70°。

7.根据权利要求4所述的一种采用上述装置测定岩土试件抗剪强度指标的方法，其特征在于步骤6)中垫垫块(8)的方式还可以为：在在下半圆形试样槽(6)和上半圆形试样槽(13)的装样区内分别垫上至少一块垫块(8)。