CN106501097A - 一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒 - Google Patents

Abstract

一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，涉及一种岩土工程土层界面试验装置。保温上剪切盒下表面及保温下剪切盒上表面分别设有一对相互平行的滑槽，每对相对设置的滑槽内均嵌入有多个限位钢珠，保温上剪切盒与保温下剪切盒之间设有弹性垫圈，保温上剪切盒一外侧壁固定有传力组件二，保温上剪切盒与保温下剪切盒可拆卸固定连接，控温承压板匹配设置在保温上剪切盒的金属圆管上端内，控温承压板上固定有传力组件一，控温底板固定在保温下剪切盒下表面，多个热电偶分别设置在保温上剪切盒的金属圆管内的下端以及保温下剪切盒的金属圆管内的上端。本发明具有控温功能，配合外部加载设备可以进行冻融土层界面的剪切试验。

Description

一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒

技术领域

本发明涉及一种岩土工程土层界面试验装置，尤其是一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒。

背景技术

中国是世界第三大冻土大国，季节冻土区和多年冻土区占据总国土面积的75%，在冻土地区开展工程建设需要考虑土体冻融变化的影响。目前冻土地区铁路、公路、隧道、边坡等工程中冻胀、融沉、冻融滑塌等病害频发，严重影响工程的正常服役性能。究其原因在于目前尚未深入了解病害的形成机理，构建合理的冻土地区工程病害防治措施。

调查研究表明，冻土地区随着气温的变化在土层结构中形成稳定且清晰的冻结区与未冻区分界线，即为冻融土层界面。在剪切荷载作用下由于冻融土层力学特性的巨大差异使得在该界面处容易产生剪切滑移，进而造成土层结构的失稳破坏，例如，冻土区边坡春融期浅层土的滑塌破坏，地震荷载作用下水平冻土场地冻融土层间的滑移等均与此密切相关。开展冻土构筑物及场地的静动力稳定性评价及防治技术研究均需了解冻融土层界面的剪切行为及抗剪强度特性，然而目前缺乏开展冻融土层界面剪切力学特性试验的装置，导致相应的研究中无法有效获取冻融土层界面的本构关系及强度参数。

发明内容

针对目前缺乏开展冻融土层界面剪切力学试验的装置，本发明基于冻融土层的形成机理及主要影响因素，发明一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，本发明具有控温功能，配合外部加载设备可以进行冻融土层界面的剪切试验。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，包括保温上剪切盒、保温下剪切盒、控温承压板、控温底板以及多个热电偶，所述的保温上剪切盒及保温下剪切盒内的中心位置分别固定有一个金属圆管，所述的金属圆管轴线与对应的保温上剪切盒或保温下剪切盒中心线重合设置，金属圆管与对应的保温上剪切盒上下表面或保温下剪切盒上下表面均贯通设置，保温上剪切盒下表面及保温下剪切盒上表面分别设有一对相互平行的滑槽，两对所述的滑槽一一相对设置，每对相对设置的滑槽内均嵌入有多个限位钢珠，保温上剪切盒与保温下剪切盒之间设有弹性垫圈，所述的弹性垫圈中心位置设有与金属圆管相对应的通孔，保温上剪切盒一外侧壁固定有用于外部加载设备传递剪力的传力组件二，保温上剪切盒与保温下剪切盒通过销钉可拆卸固定连接，所述的控温承压板匹配设置在保温上剪切盒的金属圆管上端内，控温承压板上固定有用于外部加载设备传递压力的传力组件一，所述的控温底板固定在保温下剪切盒下表面，所述的多个热电偶分别设置在保温上剪切盒的金属圆管内的下端以及保温下剪切盒的金属圆管内的上端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的保温上剪切盒及保温下剪切盒内固定支撑有金属圆管，保温上剪切盒或保温下剪切盒与对应的金属圆管之间填充多孔保温棉，解决了多孔柔软保温材料不能有效传递应力的矛盾，实现了土样试件侧面应力均匀传递功能与侧面有效隔热功能的统一；

2.本发明中圆筒状的多孔保温棉设计可以保证圆柱状土样试件侧面温度边界的一致性，实现热流的单向传递；

3.本发明的控温承压板与控温底板内均设有蛇形迂回凹槽，通过外部冷浴设备使冷浴液分别在控温承压板与控温底板盘内的蛇形迂回凹槽进行循环实现控温功能，在圆柱状土样试件轴向形成稳定温度梯度；

4.本发明设有多个热电偶，与配套的外部温度实时显示设备连接，监测保温上剪切盒与保温下剪切接触面处形成冻融土层界面，利用外部加载设备分别向传力组件一和传力组件二施加压力和剪力，可以辅助完成冻融土层界面的剪切试验。

附图说明

图1是本发明的用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒的整体结构轴测图；

图2是本发明的拆分结构轴测图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是本发明的控温底板的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图4所示，本发明公开了一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，包括保温上剪切盒1、保温下剪切盒2、控温承压板3、控温底板4以及多个热电偶5，所述的保温上剪切盒1及保温下剪切盒2内的中心位置分别固定有一个金属圆管1-1，所述的金属圆管1-1轴线与对应的保温上剪切盒1或保温下剪切盒2中心线重合设置，金属圆管1-1与对应的保温上剪切盒1上下表面或保温下剪切盒2上下表面均贯通设置，保温上剪切盒1与保温下剪切盒2为形状大小相同的长方体钢制构件，所述的长方体钢制构件内设有圆柱体内腔，所述的圆柱体内腔轴线与长方体钢制构件中心线重合设置，金属圆管1-1通过多根支撑杆1-6与所述的圆柱体内腔固接，金属圆管1-1与圆柱体内腔之间紧密填充有多孔保温棉1-7，保温上剪切盒1下表面及保温下剪切盒2上表面分别设有一对相互平行的滑槽，两对所述的滑槽一一相对设置，每对相对设置的滑槽内均嵌入有多个限位钢珠1-2，保温上剪切盒1与保温下剪切盒2之间设有弹性垫圈1-3，所述的弹性垫圈1-3中心位置设有与金属圆管1-1相对应的通孔，保温上剪切盒1一外侧壁固定有用于外部加载设备传递剪力的传力组件二1-5，保温上剪切盒1与保温下剪切盒2通过销钉可拆卸固定连接，所述的控温承压板3匹配设置在保温上剪切盒1的金属圆管1-1上端内，控温承压板3由叠放的上盘3-1和下盘3-2通过螺栓固定连接构成，所述的上盘3-1由高强低导热率材料制成，所述的下盘3-2由高强高导热率材料制成，上盘3-1与下盘3-2之间设有密封垫一，下盘3-2上表面设有蛇形迂回凹槽一3-3，上盘3-1上表面与所述的蛇形迂回凹槽一3-3两端相对应位置分别贯通设置有一个冷浴液进孔一3-4及一个冷浴液出孔一3-5，控温承压板3上固定有用于外部加载设备传递压力的传力组件一1-4，所述的控温底板4固定在保温下剪切盒2下表面，控温底板4由叠放的上板4-1和下板4-2通过螺栓固定连接构成，所述的上板4-1由高强高导热率材料制成，所述的下板4-2由高强低导热率材料制成，上板4-1与下板4-2之间设有密封垫二，上板4-1下表面位于金属圆管1-1范围内设有蛇形迂回凹槽二，所述的蛇形迂回凹槽二两端与上板4-1两侧面分别贯通设置有一个冷浴液进孔二及一个冷浴液出孔二，保温上剪切盒1的金属圆管1-1内的下端以及保温下剪切盒2的金属圆管1-1内的上端分别均匀设置有四个热电偶5，保温上剪切盒1的金属圆管1-1内所述的四个热电偶5至保温上剪切盒1下表面距离为1cm，保温下剪切盒2的金属圆管1-1内所述的四个热电偶5至保温下剪切盒2上表面距离为1cm，保温上剪切盒1及其内部的金属圆管1-1和保温下剪切盒2及其内部的金属圆管1-1上均设有与对应的热电偶5导线导出的密封导线孔。

本发明中所述的蛇形迂回凹槽一3-3以及蛇形迂回凹槽二均制为曲线形，有利于热量的均匀传递。

本发明所述的用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒的尺寸根据外部加载系统尺寸以及试验土样的颗粒尺寸确定选取。装样前将固定有控温底板4的保温下剪切盒2固定于外部加载设备上，保温上剪切盒1和保温下剪切盒2通过销钉进行固定，之后将试验土样装入保温上剪切盒1和保温下剪切盒2的金属圆管1-1内形成土样试件，装样过程中分别在保温下剪切盒2的金属圆管1-1内和在保温上剪切盒1的金属圆管1-1内的预定位置埋设4个热电偶5，并将每个热电偶5的导线分别通过对应的密封导线孔导出并与外部温度实时显示设备相连，装样完毕后将控温承压板3盖装至保温上剪切盒1的金属圆管1-1上端内部与土样试件紧密接触，然后将控温承压板3和控温底板4分别与外部冷浴设备的冷浴管接通，开启外部冷浴设备，将控温承压板3对应的外部冷浴设备调至-30℃，控温底板4对应的外部冷浴设备调至1℃，进行土样试件的单向快速冻结，通过外部温度实时显示设备实时监测多个热电偶5的温度，按照保温上剪切盒1和保温下剪切盒2两层热电偶5之间的薄层土样（厚度约为2cm）温度沿竖向呈线性分布近似假定，据此可通过保温上剪切盒1的4个热电偶5的平均温度和保温下剪切盒2的4个热电偶5的平均温度计算薄层土样沿厚度的温度分布，当薄层土样中心层的温度达到土体的冻结温度时即可认为该层面为冻融层界面，之后关停外部冷浴设备，拆卸控温承压板3和控温底板4连接的冷浴管，断开连接外部温度实时显示设备与对应热电偶5之间的导线后迅速开展力学加载试验，测试冻融土层界面的剪切性能，试验结束后在界面两侧取样测试确定界面的含水量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，其特征在于：包括保温上剪切盒（1）、保温下剪切盒（2）、控温承压板（3）、控温底板（4）以及多个热电偶（5），所述的保温上剪切盒（1）及保温下剪切盒（2）内的中心位置分别固定有一个金属圆管（1-1），所述的金属圆管（1-1）轴线与对应的保温上剪切盒（1）或保温下剪切盒（2）中心线重合设置，金属圆管（1-1）与对应的保温上剪切盒（1）上下表面或保温下剪切盒（2）上下表面均贯通设置，保温上剪切盒（1）下表面及保温下剪切盒（2）上表面分别设有一对相互平行的滑槽，两对所述的滑槽一一相对设置，每对相对设置的滑槽内均嵌入有多个限位钢珠（1-2），保温上剪切盒（1）与保温下剪切盒（2）之间设有弹性垫圈（1-3），所述的弹性垫圈（1-3）中心位置设有与金属圆管（1-1）相对应的通孔，保温上剪切盒（1）一外侧壁固定有传力组件二（1-5），保温上剪切盒（1）与保温下剪切盒（2）可拆卸固定连接，所述的控温承压板（3）匹配设置在保温上剪切盒（1）的金属圆管（1-1）上端内，控温承压板（3）上固定有传力组件一（1-4），所述的控温底板（4）固定在保温下剪切盒（2）下表面，所述的多个热电偶（5）分别设置在保温上剪切盒（1）的金属圆管（1-1）内的下端以及保温下剪切盒（2）的金属圆管（1-1）内的上端。

2.根据权利要求1所述的一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，其特征在于：所述的保温上剪切盒（1）与保温下剪切盒（2）为形状大小相同的长方体钢制构件，所述的长方体钢制构件内设有圆柱体内腔，所述的圆柱体内腔轴线与长方体钢制构件中心线重合设置，所述的金属圆管（1-1）通过多根支撑杆（1-6）与所述的圆柱体内腔固接，金属圆管（1-1）与圆柱体内腔之间紧密填充有多孔保温棉（1-7）。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，其特征在于：所述的控温承压板（3）由叠放的上盘（3-1）和下盘（3-2）通过螺栓固定连接构成，所述的上盘（3-1）由高强低导热率材料制成，所述的下盘（3-2）由高强高导热率材料制成，上盘（3-1）与下盘（3-2）之间设有密封垫一，下盘（3-2）上表面设有蛇形迂回凹槽一（3-3），上盘（3-1）上表面与所述的蛇形迂回凹槽一（3-3）两端相对应位置分别贯通设置有一个冷浴液进孔一（3-4）及一个冷浴液出孔一（3-5）。

4.根据权利要求1所述的一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，其特征在于：所述的控温底板（4）由叠放的上板（4-1）和下板（4-2）通过螺栓固定连接构成，所述的上板（4-1）由高强高导热率材料制成，所述的下板（4-2）由高强低导热率材料制成，上板（4-1）与下板（4-2）之间设有密封垫二，上板（4-1）下表面位于金属圆管1-1范围内设有蛇形迂回凹槽二，所述的蛇形迂回凹槽二两端与上板（4-1）两侧面分别贯通设置有一个冷浴液进孔二及一个冷浴液出孔二。

5.根据权利要求1所述的一种用于冻融土层界面直剪试验的剪切盒，其特征在于：所述的保温上剪切盒（1）的金属圆管（1-1）内以及保温下剪切盒（2）的金属圆管（1-1）内分别均匀设置有四个热电偶（5），保温上剪切盒（1）的金属圆管（1-1）内所述的四个热电偶（5）至保温上剪切盒（1）下表面距离为1cm，保温下剪切盒（2）的金属圆管（1-1）内所述的四个热电偶（5）至保温下剪切盒（2）上表面距离为1cm，保温上剪切盒（1）及其内部的金属圆管（1-1）和保温下剪切盒（2）及其内部的金属圆管（1-1）上均设有与对应的热电偶（5）导线导出的密封导线孔。