CN105806721A - 一种大型岩土体原位直剪试验装置 - Google Patents

一种大型岩土体原位直剪试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种大型岩土体原位直剪试验装置，包括垂直压力机构和水平压力机构，垂直压力机构包括底部支座、顶部支座、调节螺杆和垂直千斤顶，调节螺杆的两端分别与底部支座和顶部支座相连，顶部支座可沿调节螺杆上下移动，垂直千斤顶的顶端和底端分别与顶部支撑板及底部支撑板相抵，顶部支撑板与顶部支座的底面相连，水平压力机构包括水平千斤顶、千斤顶支撑板、水平支撑板和水平反力支撑板，千斤顶支撑板与水平千斤顶的顶端相连，水平千斤顶的顶端和底端分别与水平支撑板及水平反力支撑板相抵。本发明操作过程简单省力，试验获取的岩土体抗剪强度指标准确度高。

Description

一种大型岩土体原位直剪试验装置
技术领域
本发明属于原位直剪试验设备的技术领域，尤其涉及一种大型岩土体原位直剪试验装置。
背景技术
在地基承载力、土质边坡和路基稳定性评价中，岩土体的抗剪强度指标(c、值)是最重要的力学参数。作为建筑物地基的岩土体，如果产生滑动或局部剪坏区发展导致过大或不均匀的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用。目前，测试岩土体抗剪强度较为普遍的确定方法有室内直剪试验(快剪、固结快剪、慢剪和排水反复剪)、室内三轴剪切试验和原位直剪试验等。
室内试验研究这类材料受限于试样的尺寸，难以得到接真实赋存环境下的材料特性。由于现场原位直剪试验的试样尺寸大，对土体扰动小，更接近工程受荷变形，能更好地反映岩土体材料强度特性的实际情况，在铁路、公路、水利、矿山、建筑等多种行业，越来越受到工程界的重视，国内外众多工程设计、施工均将原位直剪试验作为测定岩土体抗剪强度指标的主要手段之一。传统大型原位直剪实验装置存在的两个主要问题：①在原位大型直剪试验中随着切向(或径向)变形(或位移)累积到较大时，如果利用传统的滚排轴手段，无法保证施加的法向(或轴向)正压(应)力的方向一直是垂直施加在样体中心，从而不能严密符合岩土力学库伦-摩尔破坏原理要求的荷载作用条件；②目前主流大型原位直剪试验装置正压(应)力的施加是通过堆载或者平硐的洞壁作为反力支撑，这对试验的过程造成极大的繁琐且正压力控制的精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种大型岩土体原位直剪试验装置，操作过程简单省力，试验获取的岩土体抗剪强度指标准确度高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大型岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，包括垂直压力机构和水平压力机构，所述垂直压力机构包括底部支座、顶部支座、调节螺杆和垂直千斤顶，所述调节螺杆的两端分别与所述底部支座和顶部支座相连，顶部支座可沿调节螺杆上下移动，所述垂直千斤顶的顶端和底端分别与顶部支撑板及底部支撑板相抵，所述顶部支撑板与顶部支座的底面相连，所述水平压力机构包括水平千斤顶、千斤顶支撑板、水平支撑板和水平反力支撑板，所述千斤顶支撑板与所述水平千斤顶的顶端相连，水平千斤顶的顶端和底端分别与所述水平支撑板及所述水平反力支撑板相抵。
按上述方案，所述底部支座顶部为“T”型结构，底部支座的左右两端设有连接孔，所述顶部支座左右两端设有通孔，所述调节螺杆底部与开口朝下的“U”型折弯件相连，顶部穿过所述通孔并通过上螺母和下螺母与顶部支座相连，底部支座的顶部与所述“U”型折弯件的顶部内壁相贴合，“U”型折弯件的两侧边的下部对称设有数个轴承孔，所述轴承孔与滚轴相配置，所述相对称的两个滚轴的间距小于“U”型折弯件的顶部宽度。
按上述方案，所述垂直千斤顶和所述水平千斤顶分别与压力表相连。
按上述方案，还包括位移传感器，所述位移传感器靠近岩土体的四角位置安设。
本发明的有益效果是：1、提供一种大型岩土体原位直剪试验装置，实现剪切过程中试件的平动与竖向加载千斤顶的平动同步，从而实现了正压力大小的稳定以及方向的恒定；2、利用本装置进行原位直剪试验时，只需提前将设备组装好并架在试件上即可进行试验，省去了以往提供正压力反力需要大量人力和物力来堆载这个过程，简单省力；3、本装置的结构简单，成本低，重复使用性高，应用前景广阔，经济效益显著。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为本发明一个实施例的底部支座和“U”型折弯件的装配示意图。
图3为本发明一个实施例的顶部支座的结构示意图。
其中：1-底部支座，2-顶部支座，3-调节螺杆，4-垂直千斤顶，5-顶部支撑板，6-底部支撑板，7-水平千斤顶，8-千斤顶支撑板，9-水平支撑板，10-水平反力支撑板，11-连接孔，12-通孔，13-“U”型折弯件，14-上螺母，15-下螺母，16-滚轴，17-压力表，18-位移传感器。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种大型岩土体原位直剪试验装置，包括垂直压力机构和水平压力机构，垂直压力机构包括底部支座1、顶部支座2、调节螺杆3和垂直千斤顶4，调节螺杆的两端分别与底部支座和顶部支座相连，顶部支座可沿调节螺杆上下移动，垂直千斤顶的顶端和底端分别与顶部支撑板5及底部支撑板相抵6，顶部支撑板与顶部支座的底面相连；水平压力机构包括水平千斤顶7、千斤顶支撑板8、水平支撑板9和水平反力支撑板10，千斤顶支撑板与水平千斤顶的顶端相连，水平千斤顶的顶端和底端分别与水平支撑板及水平反力支撑板相抵。
如图2-3所示，底部支座顶部为“T”型结构，其左右两端设有连接孔11，顶部支座左右两端设有通孔12，调节螺杆底部与开口朝下的“U”型折弯件相连13，顶部穿过通孔并通过上螺母14和下螺母15与顶部支座相连，底部支座的顶部与“U”型折弯件的顶部内壁相贴合，“U”型折弯件的两侧边的下部对称设有数个轴承孔，轴承孔与滚轴16相配置，相对称的两个滚轴的间距小于“U”型折弯件的顶部宽度。
垂直千斤顶和水平千斤顶分别与压力表17相连，位移传感器靠近水平支撑板安设，测试过程中缓慢增加试件的垂直压力和水平剪压力的大小，岩土体在水平剪压力作用下的位移通过位移传感器读出，并记录测试数据，待样方测试完毕，最后进行数据处理，得出该岩土体的抗剪强度参数指标。
将本发明应用于大型原位直剪试验的大致过程为：
1、试件制配，选择了现场有代表性的目标试验地段开挖试坑，试坑的开口尺寸应根据岩土体情况和试验深度而定，首先根据规范和试验方案要求，修剪出确定的试件，并保证各试体之间距离大于试件最小边长的1.5倍。
2、地锚安装，在试件两侧定出四个地锚安装位置，保证两侧地锚连线方向与剪切方向一致，采用空压机风钻在预定地锚安装位置钻孔共四个至预计深度，将地锚膨胀栓与地锚钢筋连接并用铁锤砸入钻孔，保证地锚钢筋露出地面高度大于23cm以便用地锚螺母旋紧固定底部支座。
3、力学装置安装
①安装垂直压力机构：将两个底部支座的连接孔分别穿过两根地锚钢筋放置在试件两侧，保证底部支座的轴线与剪切方向平行，并用地锚螺母将底部支座与地锚钢筋固定在一起，待底部支座固定好后，将两根螺杆底部固定在两个“U”型折弯件上，然后将顶部支座的两个通孔穿过两根螺杆的顶部并用上螺母和下螺母固定，将顶部支撑板用螺栓和螺母固定在顶部支座下表面，并将底部支撑板轻置于试件上顶面，通过调节上螺母和下螺母在螺杆上的位置来调整顶部支座的高度，将垂直千斤顶底端置于底部支撑板上，顶端与顶部支撑板相抵。
②安装水平压力机构：保证试坑壁面平整，使水平反力支撑板与坑壁紧密接触，水平千斤顶利用水平反力支撑板作反力底座，通过千斤顶支撑板作用在试件的水平支撑板上。
4、力学装置的调平，通过油泵给垂直千斤顶施加一定大小的油压，使顶部支座通过螺杆联动底部支座一起悬空，然后利用水平仪测量，先调节松紧地锚钢筋顶部的地锚配套螺母，保证两侧底部支座的水平；再调节上螺母和下螺母，保证顶部支座的水平。
5、安装测量系统，四个位移百分表通过磁性表架顺着剪切方向分别架装在试件的四角处，记录样体的剪切位移；将两个精密压力表通过三通和油管分别与垂直千斤顶和水平千斤顶相连，记录千斤顶的液压油压。
6、加载
①施加法向荷载：根据试验方案确定最大垂直压力，并以此等量分成3至4个垂直压力采用千斤顶加荷，施加垂直压力后，让试件在此压力下进行压缩，当垂直变形达到相对稳定(0.01mm/h)后，即认为稳定，再施加下一级荷载，法向荷载达到最大值后，整个试验过程中应保持不变。
②施加剪切荷载：预加法向荷载达到稳定后，即可施加切向剪应力，控制水平千斤顶使其推力均匀的连续施加，施加速率根据实验方案和规范确定，当剪切变形急剧增长或剪切变形达到试件尺寸的1/10即为剪切破坏，试验过程记录位移百分表读数。
7、试验结束，取试件岩土样本，保存好，带回试验室测定试验后土样的重度和含水率。

Claims (4)

1.一种大型岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，包括垂直压力机构和水平压力机构，所述垂直压力机构包括底部支座、顶部支座、调节螺杆和垂直千斤顶，所述调节螺杆的两端分别与所述底部支座和顶部支座相连，顶部支座可沿调节螺杆上下移动，所述垂直千斤顶的顶端和底端分别与顶部支撑板及底部支撑板相抵，所述顶部支撑板与顶部支座的底面相连，所述水平压力机构包括水平千斤顶、千斤顶支撑板、水平支撑板和水平反力支撑板，所述千斤顶支撑板与所述水平千斤顶的顶端相连，水平千斤顶的顶端和底端分别与所述水平支撑板及所述水平反力支撑板相抵。
2.根据权利要求1所述的一种大型岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，所述底部支座顶部为“T”型结构，底部支座的左右两端设有连接孔，所述顶部支座左右两端设有通孔，所述调节螺杆底部与开口朝下的“U”型折弯件相连，顶部穿过所述通孔并通过上螺母和下螺母与顶部支座相连，底部支座的顶部与所述“U”型折弯件的顶部内壁相贴合，“U”型折弯件的两侧边的下部对称设有数个轴承孔，所述轴承孔与滚轴相配置，所述相对称的两个滚轴的间距小于“U”型折弯件的顶部宽度。
3.根据权利要求1所述的一种大型岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，所述垂直千斤顶和所述水平千斤顶分别与压力表相连。
4.根据权利要求1所述的一种大型岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括位移传感器，所述位移传感器靠近岩土体的四角位置安设。
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