CN105842086B - 一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机 - Google Patents

一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机，包括刚性基座、设于刚性基座上的机架，机架上设有竖直加载单元，竖直加载单元的下端与试样盖板连接，上剪切盒和下剪切盒呈上下排列叠放在试样盖板与刚性基座之间，刚性基座上设有水平加载单元，下剪切盒底部与机架底座之间设有下剪切盒水平滚轴，下剪切盒与左右侧向导壁整体锻造组成凹字形结构，所述上剪切盒由多个刚性叠环叠加而成，所述多个刚性叠环置于所述凹字形结构中，沿剪切方向在上剪切盒的多个刚性叠环左右两侧各设有叠环水平滚轴，在侧向导壁与上部刚性叠环之间设置侧壁滚珠。本发明可增强剪切盒构件之间的刚度，大幅降低机械摩阻力，实现垂向和水平向的双向动力加载。

Description

一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机
技术领域
本发明涉及岩土工程室内土工试验技术领域，具体是一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机。
背景技术
岩土工程应用中，采用直剪试验获取试样强度及应力变形曲线最为普遍。直剪仪结构简单，操作便利，试验过程中保留了天然试样K0固结特征，且切向加载路径符合实际工程中土体剪切破坏方式，因此该测试结果被实际工程设计和施工广泛认可，但传统直剪试验存在三个以下问题亟待解决：
1、剪切破坏面被人为限定：试样仅能沿上、下剪切盒之间的狭小缝隙发生剪切破坏，该限定对细粒土的剪切强度测试尚不会产生显著误差，但对粗粒土而言，由于试样中部分颗粒粒径显著大于上、下剪切盒之间缝隙，导致试样中颗粒分布可能会对试验成果造成显著影响，造成测试成果失真；
2、无法进行动力试验：精细化和订制化是土工试验发展趋势，为能更好反映土石体在实际工程中可能遭受的各种振动工况，采用直剪试验的加载方式测试试样动力特性或对试样振动后测试其强度和变形规律很有必要，传统直剪试验机(包括现有常规叠环剪切仪)不能够实现动荷载的加载，特别是垂向和水平向的双向动力加载，而采用动力三轴试验则无法保证试样的K0固结状态；
3、机械摩阻力较大：传统直剪仪采用涂抹润滑剂的方式降低各构件间的摩阻力，仍无法改变诸多构件之间滑动摩擦的接触关系。先后有研究人员设计了叠环式剪切试验仪，其虽克服了剪切面限定难题，但未对构件间滑动摩擦关系进行有效改进，特别是对于叠环式剪切盒，其上部多个薄层刚性叠环取代了直剪仪上剪切盒，整个剪切盒构件数量和自由度数量显著增多，潜在的不利机械摩阻力可能更大，测试成果准确度存在较多不确定性，应当适当的增加剪切盒系统的整体性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机，可增强剪切盒构件之间的刚度，大幅降低机械摩阻力，可实现垂向和水平向的双向动力加载，使该试验机适用于精确测试各种粗颗粒材料静、动力强度和变形参数，以及研究散体材料在静、动力作用下大变形失效过程机理。
一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机，包括刚性基座、设于刚性基座上的机架，机架上设有竖直加载单元，竖直加载单元的下端与试样盖板连接，上剪切盒和下剪切盒呈上下排列叠放在试样盖板与刚性基座之间，刚性基座上设有水平加载单元，剪切盒和下剪切盒置于水槽中,下剪切盒底部与水槽底部之间设有下剪切盒水平滚轴，其特征在于：下剪切盒与左右侧向导壁整体锻造组成凹字形结构，所述上剪切盒由多个刚性叠环叠加而成，所述多个刚性叠环置于所述凹字形结构中，沿剪切方向在上剪切盒的多个刚性叠环左右两侧各设有叠环水平滚轴，在侧向导壁与上部刚性叠环之间设置侧壁滚珠。
进一步的，剪切盒为外方内方结构。
进一步的，所述竖直加载单元包括依次连接的垂向加载动作器、垂向力传感器、刚性垂向升降导向及稳定压板，试样盖板设在垂向升降导向及稳定压板下方。
进一步的，所述水平加载单元包括设在左侧的左侧水平加载动力装置、左侧水平力传感器以及设在右侧的右侧水平加载动力装置、右侧水平力传感器，左侧水平加载动力装置和右侧水平加载动力装置对称设置，通过伺服总控制在动力加载过程中，左侧水平加载动力装置和右侧水平加载动力装置可实现推拉并进。
本发明具有以下优点：
1、采用多个薄层可活动刚性叠环替代常规直剪仪的上剪切盒，使试样破坏路径由“人为限定的剪切面”变为“变形自适应的剪切带”，更贴近实际情况；
2、将下剪切盒与侧向导向壁整体锻造，上剪切盒的多个刚性叠环限定在该凹字形整体结构内，叠环仅有沿剪切方向这一个自由度，移动方向可严格保证与下剪切盒一致，剪切盒系统整体刚度显著提高；另，在机架上设置有刚性垂向升降导向及稳定压板，将机架和剪切盒垂直方向再次定位，剪切盒与机架位移协同性紧密相联，进一步提升剪切盒的刚度，以上举措保证了双向剧烈动荷载加载过程中荷载施加方向与试样剪切方向的正交；
3、剪切盒为外方内方形态，摒弃了常规静力叠环剪外方内圆的形态，使得试样为立方体形状而非圆柱体，在剪切变形过程中(特别是大变形过程中)，试样受力均匀，避免圆柱形试样受力时两头弧顶附近应力集中的现象，以及大变形过程中剪切受力面积急剧减小的弊端。
4、在剪切盒垂向和水平向设置电液伺服动力加载及控制模块，可实现双向往复振动荷载的精准加载功能；
5、沿剪切方向，在薄层刚性叠环左右两侧各设置三组滚轴装置，保证叠环间独立变形的同时，将滑动摩擦关系变为滚轴摩擦关系；在下剪切盒和上部刚性叠环两侧导向壁设置滚珠装置，将滑动摩擦关系变为滚动摩擦关系，这两种改进极大降低了机构间机械摩阻力，提高了试验精度；
6、在剪切盒外部增设水槽结构为本发明的另一改进，该水槽结构还可升级为温控环境箱(例如冻融循环、冷热循环等)，弥补传统直剪和叠环剪试验中无法准确控制试样环境状态的缺陷。
附图说明
图1是本发明低摩阻叠环式双向动剪切试验机的结构示意图；
图2是本发明中剪切盒的主视图；
图3是本发明中剪切盒的俯视图；
图4是不同法向压力作用下试样剪切应力与应变关系曲线图；
图5是法向应力与峰值剪切应力线性拟合关系图；
图6是不同应力水平S叠环剪应变演化曲线图，以峰值应力作为应力水平1.00。
图中：1—机架，2—垂向加载动作器，3—垂向力传感器，4—垂向升降导向及稳定压板，5—试样盖板，6—多通道水平位移监测装置，7—右侧水平加载动力装置，8—右侧水平力传感器，9—滑轮，10—刚性锚固板，11—水槽，12—上剪切盒，13—下剪切盒，14—左侧水平加载动力装置，15—左侧水平力传感器，16—刚性基座，17—下剪切盒水平滚轴，18—试样，19—侧壁滚珠，20—叠环水平滚轴。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1所示为本发明低摩阻叠环式双向动剪切试验机的结构示意图，所述低摩阻叠环式双向动剪切试验机包括刚性基座16、设于刚性基座16上的机架1，机架1上设有竖直加载单元，竖直加载单元的下端与试样盖板5连接，上剪切盒12和下剪切盒13呈上下排列叠放在试样盖板5与刚性基座16之间，刚性基座16上设有水平加载单元。所述上剪切盒12由多个刚性叠环叠加而成，即多个刚性叠环叠放在下剪切盒13上。下剪切盒13底部与机架1底座之间设有下剪切盒水平滚轴17。
所述竖直加载单元包括依次连接的垂向加载动作器2、垂向力传感器3、刚性垂向升降导向及稳定压板4，试样盖板5设在垂向升降导向及稳定压板4下方。
所述水平加载单元包括设在左侧的左侧水平加载动力装置14、左侧水平力传感器15以及设在右侧的右侧水平加载动力装置7、右侧水平力传感器8。通过伺服总控制，在动力加载过程中，左侧水平加载动力装置14和右侧水平加载动力装置7可实现推拉并进，从而实现对试样动荷载的准确施加；与一般剪切设备相比，对称布置的左侧水平加载动力装置14和右侧水平加载动力装置7另一目的在于通过与试样的直接刚性连接，克服动荷载加载过程中下剪切盒的惯性，避免对试样施加额外不必要的变形增量。
下剪切盒13与左右侧向导壁整体锻造组成凹字形结构，这样上剪切盒12的多个刚性叠环就置于由下剪切盒13与侧向导壁组成的凹字形结构中，降低了结构的自由度，仅能沿剪切方向平滑；垂向加载动作器2和垂向升降导向及稳定压板4的设计，不仅起到竖向的导向作用，还相当于在竖向反力架中间又增加了一道横梁，并增加了剪切盒与机架1的协同受力作用，以上举措进一步提升剪切盒的刚度，保证了双向剧烈动荷载加载过程中荷载施加方向与试样剪切方向的正交。
沿剪切方向，在上剪切盒12的多个刚性叠环左右两侧各设置三组叠环水平滚轴20，保证叠环间独立变形的同时，将滑动摩擦关系变为滚轴摩擦关系；在侧向导壁与上部刚性叠环之间设置侧壁滚珠19，将滑动摩擦关系变为滚动摩擦关系，这两种改进极大降低了机构间机械摩阻力，提高了试验精度。
本发明将剪切盒设计为外方内方结构，有助于试样的合理受力，不存在圆柱体试样两侧圆弧弧顶存在的应力集中现象，剪切位移速率更加均匀。
本发明还包括多通道水平位移监测装置6，其通过弹簧杆件分别与上剪切盒的每层刚性叠环连接；下剪切盒底部设有滑轮9，与剪切盒轴承连接，可沿地面定向钢轨滑动，使得下剪切盒能够在试样遭受水平静动力加载时发生移动；两侧的刚性锚固板10通过定位螺栓与下剪切盒刚性连接。
本发明还可包括水槽11，上剪切盒12和下剪切盒13置于水槽11中，常规试验下，通过对水槽11中灌水和排水达到改变试样干湿状态的目的；在例如冻融循环、冷热循环等特殊试验中，可在剪切盒外围和水槽之间的空间放置电热丝或冷凝管实现环境控制目的，不仅可用于控制试样的干湿状态，还可进行温度控制。
本发明的有益效果是能对包括松散土石体在内的各种土样在K0固结条件下进行静力和动力强度试验，叠环式设计有助于搜索受剪切作用时试样内部强度最薄弱层面，滚珠及滚轴减摩装置的应用可大幅提高试验精度，垂直方向和水平方向的电液伺服式动力加载装置可用于测试试样经振动后的强度指标及变形特性，可很好的模拟土体遭受地震荷载的受力状态，为实际工程提供可靠的试验参数。
应用实例流程
1：开展动力叠环剪之前，先将剪切盒平台滑出，在滚轴和滚珠上涂抹凡士林，将叠环与下剪切盒对齐并采用定位插销固定，便于向剪切盒内装样；
2：按照试验设计要求将试样分层填筑并在剪切盒内采用平面振动仪完成击实，若进行松散体测试，则可采用重力抛落结合人工轻微振捣的方式进行装样，装样完毕削平试样顶部，将土工布和传压板依次至于试样顶部。
3：将剪切盒平台滑入机架1下方，借助垂向升降导向及稳定压板4，调节垂向加载动作器2(例如竖向加载千斤顶)方位，使承压头恰好顶入传压板球形凹槽，拔除串通叠环之间的定位插销；
4：按试验设计要求确定水槽是否灌水或进行环境温度控制，在此基础上施加法向压力，试样竖向变形稳定、充分固结后，进行动荷载的加载，可采用水平动荷载和垂直动荷载交替加载的方式实现对试样遭受地震荷载的模拟。
5：动力加载结束后，立即采用水平加载动力装置开始施加剪切力，并通过荷载传感器和剪切盒上的多个位移传感器采集整个剪切过程中试样的应力变形数据
6：以达到试验设计的剪切应变要求或应力峰值关系作为实验结束条件，保存监测数据，进行拆样。
应用实例：模拟遭受地震后松散土石体浸水状态下应力变形及强度试验
某斜坡松散堆积体级配如表1所示，经击实试验，试样最大干密度为2.238g/cm3，对应最优含水率为约5％，最小干密度经测试为1.586g/cm3。制备相对密度Dr＝0.30(试样密度为1.738g/cm3)的松散状态试样，经充分浸水，以1Hz动荷载频率、0.15g峰值加速度(对应VIII度地震烈度)的正弦波对试样在水平方向和垂直方向施加20s地震荷载，后进行剪切试验，模拟实际工程中斜坡松散土石体遭受强震后遇暴雨的工况，研究对应于该状态的试样强度参数及变形特性。
表1强风化板岩试验级配
图4为遭受振动和充分浸水后，在4种法向应力状态下试样剪切应变(下剪切盒)与水平剪切力的关系曲线。水平剪切力随法向压力的增大而增大，在15％剪应变区间内试样无显著应力峰，表明试样结构十分松散。
图5为法向应力与峰值剪应力拟合关系，可以看出在该试验条件下，法向应力与峰值剪应力呈线性关系，表明采用低摩阻叠环式剪切试验机得到的结论与底法向应力区间的莫尔库仑假设较好吻合，并可得到试样的强度参数为内摩擦角7.20度、黏聚力23.82kPa，强度参数极低。
图6为不同应力水平S时叠环剪应变演化曲线，可以看出试样在应力水平S＝0.80前呈现整体剪切变形，试样断面形态由矩形演化为平行四边形，试样内部剪切力分布及传递良好；当应力水平S>0.80后，剪切破坏面迅速在下剪切盒(0号叠环)和2号叠环之间的6cm层间范围内产生，最终导致试样的破坏。
该工程实例较好的实现了对复杂的工况下松散土石体应力变形的测试任务，充分展现了本发明核心创新(低摩阻叠环式剪切盒和双向伺服式振动控制)的应用效果。
与目前的静力叠环式剪切试验机相比，本发明除采用薄层叠环替代直剪仪上剪切盒外，为增强剪切盒整体性、确保剪切路径严格按直线矢量方向移动，将下剪切盒与两侧导向壁进行整体锻造，增强剪切盒构件之间的刚度，并在剪切盒各构件之间采用滚轴和滚珠系统大幅降低机械摩阻力；与静荷载相比，动荷载在加载过程中对试样及反力装置所施加的瞬时荷载极大，上述剪切盒设计在增强剪切盒整体刚度和降低系统摩擦的前提下，可实现垂向和水平向的双向动力加载，使该试验机适用于精确测试各种粗颗粒材料静、动力强度和变形参数，以及研究散体材料在静、动力作用下大变形失效过程机理。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种低摩阻叠环式双向动剪切试验机，包括刚性基座(16)、设于刚性基座(16)上的机架(1)，机架(1)上设有竖直加载单元，竖直加载单元的下端与试样盖板(5)连接，上剪切盒(12)和下剪切盒(13)呈上下排列叠放在试样盖板(5)与刚性基座(16)之间，刚性基座(16)上设有水平加载单元，上剪切盒(12)和下剪切盒(13)置于水槽(11)中，下剪切盒(13)底部与水槽(11)底部之间设有下剪切盒水平滚轴(17)，其特征在于：下剪切盒(13)与左右侧向导壁整体锻造组成凹字形结构，所述上剪切盒(12)由多个刚性叠环叠加而成，所述多个刚性叠环置于所述凹字形结构中，沿剪切方向在上剪切盒(12)的多个刚性叠环左右两侧各设有叠环水平滚轴(20)，在侧向导壁与刚性叠环之间设置侧壁滚珠(19)；上剪切盒(12)和下剪切盒(13)为外方内方结构；所述竖直加载单元包括依次连接的垂向加载动作器(2)、垂向力传感器(3)、刚性垂向升降导向及稳定压板(4)，试样盖板(5)设在刚性垂向升降导向及稳定压板(4)下方；所述水平加载单元包括设在左侧的左侧水平加载动力装置(14)、左侧水平力传感器(15)以及设在右侧的右侧水平加载动力装置(7)、右侧水平力传感器(8)，左侧水平加载动力装置(14)和右侧水平加载动力装置(7)对称设置，左侧水平加载动力装置(14)和右侧水平加载动力装置(7)通过伺服控制在动力加载过程中实现推拉并进。
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