CN105571957B - 测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱及使用方法，该装置包括模型底座和模型顶盖，所述模型底座和模型顶盖之间设有矩形叠环，两层矩形叠环之间通过橡皮膜和矩形压条进行连接，矩形叠环形成的空腔内填充有粗粒土，矩形叠环与模型底座和模型顶盖之间均设有透水板，在模型底座上设有进水阀，在顶层矩形叠环上设有排水阀，在模型顶盖上设有对粗粒土加压的压力阀，模型底座通过立柱与横梁连接；每一层矩形叠环均与动态位移传感器连接，每一层矩形叠环内壁均设有动态压力传感器。本发明的模型箱的法向应力的施加，采用内力加载的方式，整体结构简单，重量轻，便于移动，可以在小型振动台上进行动力试验，也可以进行静力试验，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱及使用方法，属于水利工程技术领域。
背景技术
近年来在我国西部地区建设了一批高土石坝，堆石料作为筑坝的主要材料，其静力和动力特性的测定是进行大坝静动力稳定分析的前提。目前关于粗粒土抗剪强度的测定仪器主要有：大型直剪仪，大型静、动三轴仪器。
在本发明之前，中国专利(专利号：ZL200310110739.X)公开了一种粗粒土直剪仪，该仪器测定土体强度过程中规定了土体的剪切面位置，与实际工况不符，且试验过程中无法获得剪切过程中孔压的变化，试验过程中法向应力的施加需要较大的荷载，仪器较为笨重，只能用于测定土体静力的强度指标。中国专利(申请号：201510361856.6)公开了一种应变控制式碎石土大型层剪试验装置，该设备在试验过程中未能考虑水对材料力学特性的影响，同时法向应力通过伺服电机进行施加，法向力的施加属于外力施加，试验仪器装置底座受力较大。中国专利(专利号：ZL201210006950.6)公开了一种测定土与结构物接触面力学双向振动仪器，该仪器能够用于测定土体的抗剪强度，但试验过程中未能考虑水对粗粒土力学特性的影响。在实际工程中，很多问题都与水存在密切的关系，试验过程中忽略水的影响，势必会高估土体的抗剪强度，使得设计和计算结果偏危险。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱及使用方法，模型箱的法向应力的施加，采用内力加载的方式，整体结构简单，重量轻，便于移动，可以在小型振动台上进行动力试验，也可以进行静力试验，适用范围广。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，包括模型底座和模型顶盖，所述模型底座和模型顶盖之间设有若干个相互叠加的矩形叠环，两层矩形叠环之间通过橡皮膜和矩形压条进行连接，矩形叠环形成的空腔内填充有粗粒土，矩形叠环与模型底座和模型顶盖之间均设有透水板，在模型底座上设有进水阀，在顶层矩形叠环上设有排水阀，在模型顶盖上设有对粗粒土加压的压力阀，模型底座通过立柱与横梁连接；每一层矩形叠环均与动态位移传感器连接，每一层矩形叠环内壁均设有动态压力传感器。
作为优选，所述矩形叠环内侧四周顶部和底部分别设有两级台阶，橡皮膜两端延伸有凸台，橡皮膜位于第一级台阶中，两端的凸台分别位于相邻矩形叠环的第二级台阶中，在第二级台阶中放置固定凸台的矩形压条。
作为优选，所述矩形叠环两端均设有定位孔。
作为优选，所述模型顶盖顶面设有两排滚动轴承，滚动轴承固定在横梁上，底面边框设有凹槽，内放O形密封圈。
作为优选，所述模型底座顶面四周开设矩形凹槽，矩形凹槽内放O形密封圈，在O形密封圈下部设有进水阀，矩形凹槽内侧开设交叉凹槽，且交叉凹槽与进水阀连通。
作为优选，所述矩形叠环的两侧上表面和下表面均设有环状凹槽，在相邻矩形叠环的环状凹槽内放置有滚轴
作为优选，所述矩形压条由直角段和直线段组合而成，直角段和直线段连接部位采用上下互压方式，并使用螺栓固定。
一种上述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱的使用方法，包括以下步骤：
(1)把模型底座放置在地面上，矩形叠环按顺序叠加在模型底座上，与模型底座进行连接，并在矩形叠环两端插入定位销；
(2)在两层矩形叠环之间的内侧空间安放橡皮膜，并用矩形压条进行固定；
(3)在矩形叠环内放入透水板，在矩形叠环内侧插入薄皮垫片，再在其内部装入粗粒土，根据试验要求的相对密度进行分层填筑，直至到达顶部高程，抽出薄皮垫片；
(4)在顶层矩形叠环顶面铺设透水板和矩形橡皮膜，安装模型顶盖，并与顶层矩形叠环进行连接；
(5)把横梁两端的孔插入模型底座的立柱中，使得横梁底面与模型顶盖顶面的轴承紧贴在一起，并进行固定；
(6)连接顶盖的压力阀，对粗粒土进行初始法向应力施加；
(7)打开模型底座的进水阀和顶层矩形叠环上的排水阀，对粗粒土进行饱和；
(8)安装模型箱两端的矩形叠层的动态位移传感器；
(9)拔出矩形叠环两端的定位销，模型箱安装完毕。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)试验过程中能够考虑水对粗粒土力学特性的影响，试验过程中能够获得孔压的变化规律；
(2)模型箱的法向应力的施加，采用内力加载的方式，整体结构简单，重量轻，便于移动，可以在小型振动台上进行动力试验，也可以进行静力试验，此时的水平力加载位置 为模型顶盖，适用范围广；
(3)能够方便的测量不同位置粗粒土的应力和位移；
(4)采用在两层矩形叠环之间布置橡皮膜进行防水，避免了在矩形叠环之间布置整个橡皮膜因在试验过程中由于橡皮膜破坏而需要进行整体更换，节约了成本；
(5)采用分段矩形压条设计，方便了橡皮膜的安装和有效的保障防水的效果；
(6)顶盖与横梁采用滚动轴承接触方式，减小了模型顶盖运动过程中的摩擦力。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为图1中A部位局部放大图；
图4为图1中B-B剖面图；
图5为图1中矩形压条直角段结构示意图；
图6为图1中矩形压条连接部位示意图；
图7为图1中模型底座主视图示意图；
图8为图1中C-C剖面图。
图中：1模型底座，2模型顶盖，3矩形叠环，4横梁，5透水板，6动态位移传感器，7粗粒土，11立柱，12进水阀，13O形密封圈，14底座固定螺栓，15定位销，16交叉凹槽，21压力阀，22轴承，23顶盖固定螺栓，31动力压力传感器，32矩形压条，321直角段，322直线段，323螺栓孔，33橡皮膜，34排水阀，35矩形橡皮膜，36上凹槽，37滚轴，38下凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图8所示，本发明的一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，包括模型底座1和模型顶盖2，所述模型底座1和模型顶盖2之间设有若干个相互叠加的矩形叠环3，模型顶盖2底面边框设有凹槽，内放O形密封圈13，四周对称开设固定螺孔，模型顶盖2通过顶盖固定螺栓23固定在矩形叠环3上，模型底座1通过底座固定螺栓14与矩形叠环3连接，矩形叠环3形成的空腔内填充有粗粒土7，矩形叠环3与模型底座1和模型顶盖2之间均设有透水板5，在模型底座1上设有进水阀12，在模型顶盖2下方的透水板5上设有排水阀34，在模型顶盖2上设有对粗粒土7加压的压力阀21，压力阀21与液压装置连接，模型底座1通过立柱与横梁4连接；每一层矩形叠环3均与动态位移传感器6连接，每一层矩形叠环3内壁均设有动态压力传感器31，通过外接的液压加载装置实现对粗粒土的法向应力的加载和获得粗粒土的体积变形，通过内置的动态压力传感器31和外接的动态位移传感器6能够获得每一层土体的动剪应力和动剪应变，通过分层的橡皮膜33实现了粗粒土的饱和过程，能够测定剪切过程中粗粒土整体的超孔压。
在本发明中，所述矩形叠环3内侧四周顶部和底部分别设有两级台阶，橡皮膜33两端延伸有凸台，橡皮膜33位于第一级台阶中，第一级台阶高度为2～5mm，凸台位于第二级台阶，第二级台阶高度为5～10mm，在第二级台阶中放置固定凸台的矩形压条32橡胶模33为分段设计，所述矩形叠环3两端均设有定位销15。所述模型底座1顶面四周开设矩形凹槽，矩形凹槽内放O形密封圈，四周设有固定螺栓孔，在O形密封圈下部设有进水阀12，在矩形凹槽内侧开设交叉凹槽16，且交叉凹槽16与进水阀12连通。
在本发明中，所述矩形叠环3内侧四周顶部和底部分别设有2级台阶，第一级台阶高度为2～5mm，第二级台阶高度为5～10mm，顶层矩形叠环顶部不开设台阶，底层矩形叠环底部不开设台阶。
在本发明中，所述矩形叠环3由金属材料浇筑或焊接而成，两侧边框上下开设上凹槽36和下凹槽38，上凹槽36和下凹槽38分别为环状凹槽，上凹槽36内部安装滚轴37，滚轴是圆柱体，滚轴中心距离顶面5～10mm，下凹槽38的深度小于滚轴37半径6～12mm，使得上凹槽36与下凹槽38组装后的矩形叠环3之间的间隙为1～2mm使得矩形叠环3之间原来的面接触，变为线接触或点接触，大大减小摩擦阻力，矩形叠环3两端内侧分别嵌入动态压力传感器31，在矩形叠环3的两端开设定位孔；顶层矩形叠环3两侧边框上部不开设凹槽，顶部四周开设固定螺栓孔；底层矩形叠环两侧边框下部不开设凹槽，矩形叠环外侧设固定螺栓孔。所述矩形压条32由直角段321和直线段322组合而成，直角段321和直线段322连接部位采用上下互压方式，并使用螺栓固定。
一种上述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱的使用方法，包括以下步骤：
(1)把模型底座1放置在地面上，矩形叠环3按顺序叠加在模型底座1上，与模型底座1进行连接，并在矩形叠环3两端插入定位销15；
(2)在两层矩形叠环3之间的内侧空间安放橡皮膜33，并用矩形压条32进行固定；
(3)在矩形叠环3内放入透水板5，在矩形叠环3内侧插入薄皮垫片，再在其内部装入粗粒土7，根据试验要求的相对密度进行分层填筑，直至到达顶部高程，抽出薄皮垫片；
(4)在顶层矩形叠环3顶面铺设透水板5和矩形橡皮膜35，安装模型顶盖2，并与顶层矩形叠环3进行连接；
(5)把横梁4两端的孔插入模型底座1的立柱11中，使得横梁4底面与模型顶盖2顶面的轴承22紧贴在一起，并进行固定；
(6)连接顶盖的压力阀21，对粗粒土7进行初始法向应力施加；
(7)打开模型底座1的进水阀12和顶层矩形叠环3上的排水阀34，对粗粒土7进行饱和；
(8)安装模型箱两端的矩形叠环3的动态位移传感器6；
(9)拔出矩形叠环3两端的定位销15，模型箱安装完毕。
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)
1.一种测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：包括模型底座和模型顶盖，所述模型底座和模型顶盖之间设有若干个相互叠加的矩形叠环，两层矩形叠环之间通过橡皮膜和矩形压条进行连接，矩形叠环形成的空腔内填充有粗粒土，矩形叠环与模型底座和模型顶盖之间均设有透水板，在模型底座上设有进水阀，在顶层矩形叠环上设有排水阀，在模型顶盖上设有对粗粒土加压的压力阀，模型底座通过立柱与横梁连接；每一层矩形叠环均与动态位移传感器连接，每一层矩形叠环内壁均设有动态压力传感器；所述矩形叠环内侧四周顶部和底部分别设有两级台阶，橡皮膜两端延伸有凸台，橡皮膜位于第一级台阶中，两端的凸台分别位于相邻矩形叠环的第二级台阶中，在第二级台阶中放置固定凸台的矩形压条。
2.根据权利要求1所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：所述矩形叠环两端均设有定位孔。
3.根据权利要求1所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：所述模型顶盖的顶面设有两排滚动轴承，滚动轴承固定在横梁上，底面边框设有凹槽，内放O形密封圈。
4.根据权利要求1所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：所述模型底座顶面四周开设矩形凹槽，矩形凹槽内放O形密封圈，在O形密封圈下部设有进水阀，矩形凹槽内侧开设交叉凹槽，且交叉凹槽与进水阀连通。
5.根据权利要求1所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：所述矩形叠环的两侧上表面和下表面均设有环状凹槽，在相邻矩形叠环的环状凹槽内放置有滚轴。
6.根据权利要求1所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱，其特征在于：所述矩形压条由直角段和直线段组合而成，直角段和直线段连接部位采用上下互压方式，并使用螺栓固定。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的测定粗粒土抗剪强度的大型模型箱的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)把模型底座放置在地面上，矩形叠环按顺序叠加在模型底座上，与模型底座进行连接，并在矩形叠环两端插入定位销；
(2)在两层矩形叠环之间的内侧空间安放橡皮膜，并用矩形压条进行固定；
(3)在矩形叠环内放入透水板，在矩形叠环内侧插入薄皮垫片，再在其内部装入粗粒土，根据试验要求的相对密度进行分层填筑，直至到达顶部高程，抽出薄皮垫片；
(4)在顶层矩形叠环顶面铺设透水板和矩形橡皮膜，安装模型顶盖，并与顶层矩形叠环进行连接；
(5)把横梁两端的孔插入模型底座的立柱中，使得横梁底面与模型顶盖顶面的轴承紧贴在一起，并进行固定；
(6)连接顶盖的压力阀，对粗粒土进行初始法向应力施加；
(7)打开模型底座的进水阀和顶层矩形叠环上的排水阀，对粗粒土进行饱和；
(8)安装模型箱两端的矩形叠层的动态位移传感器；
(9)拔出矩形叠环两端的定位销，模型箱安装完毕。
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