CN108362577A - 一种原位直剪仪及其检测方法 - Google Patents

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杨文智
程永锋
鲁先龙
丁士君
崔强
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Abstract

本发明提供了一种原位直剪仪及其检测方法，包括开口相对的上剪切盒和下剪切盒、与所述下剪切盒纵向一侧连接的平衡槽、设于所述平衡槽内且两端分别与所述平衡槽端壁和上剪切盒壁相抵的施力组件；所述上、下剪切盒横向的侧壁通过用于限制二者横向发生相对位移的直线导轨机构连接。通过直线导轨连接放置试样的上剪切盒和下剪切盒，一方面实现了对上剪切盒和下剪切盒非剪切方向位移和转动的约束，即能够约束上剪切盒和下剪切盒的垂直分离和旋转；另一方面保障了剪切位移方向的无阻力滑动；实现了上剪切盒和下剪切盒的竖向荷载自平衡。

Description

一种原位直剪仪及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种原位直剪仪，具体涉及一种原位直剪仪及其检测方法。
背景技术
摩尔-库仑强度理论是地基基础稳定性验算或承载计算的常用强度准则，根据摩尔-库仑强度理论：剪切破裂面上，材料的抗剪强度是法向应力的单值函数τ＝f(φ)；在一定应力范围内，抗剪强度可用线性函数近似τ＝c+σtanφ表示；岩土单元中，任何一个面上的剪应力大于该面上土体的抗剪强度时，土单元体即发生剪切破坏，可以用摩尔—库伦理论的破坏准则表示。抗剪强度是指岩土体抵抗剪切破坏的极限强度，包括黏聚力c和内摩擦角φ两个参数。
岩土材料的抗剪强度参数可通过直剪试验测定，常通过室内直剪试验或原位直剪试验测量，所用仪器分别称为室内直剪仪和原位直剪仪。原位直剪试验是在保持试验土体既有结构、密度、湿度等条件不受扰动的条件下，在工程建设场地开展的剪切试验。由于原位直剪试验保持了试验土体的原位状态，因此原位直剪试验数据更准确、可信。但现有原位直剪仪存在如下问题：
(1)竖向荷载偏心
在现有的千斤顶施加竖向荷载σ的结构型式下，虽然通过在其与试样间增加滚动支座消除/削弱了二者之间的摩阻力偶，但是随着试样剪切位移的增加，试样与竖向加载千斤顶之间也会产生相对位移，这种位移会导致千斤顶对试样的作用力的作用线偏离试样竖向轴心，对试样顶面产生附加弯矩，且该附加弯矩的大小随着试样与竖向加载千斤顶相对位移的增加而增加。附加弯矩的产生，试样条件的改变，必会影响检测结果。
(2)刚性加载导致应力集中
在现有的千斤顶施加竖向荷载σ的结构型式下，在竖向加载千斤顶与试样间存在起减阻和传递荷载作用的刚性承压板。根据土力学原理，一块刚性板作用在弹性体上时在二者界面会产生马鞍型地基反力，这与理想的均匀竖向力要求不符的。
(3)机械加载竖向尺寸偏大
在已有的千斤顶施加竖向荷载σ的结构型式下，其竖向加载结构的型式自上而下依次为配重或竖向反力框架、竖向加载千斤顶、刚性承压板、试样，这种模式下将导致竖向加载结构的尺寸偏大，不利于竖向结构的稳定性。
(4)斜向加载时力分量与荷载倾角不成比例
岩土体抗剪强度参数的检测中存在斜向加载结构，尤其是岩石地基。斜向加载结构的原理即为通过调节斜向荷载作用线的倾角，改变其竖向荷载分量与水平剪切分量的大小。但是由于试样的竖向抗压刚度和水平剪切刚度不尽相同，导致斜向荷载的竖向和水平分量与荷载倾角不成比例，影响试验结果的准确性。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提供了一种原位直剪仪及其检测方法；一方面，通过直线导轨机构实现了对上剪切盒和下剪切盒非剪切方向位移和转动的约束；另一方面，通过在土样顶面与上剪切盒上底间布置液压囊，实现了对土样的柔性加载，优化了竖向加载结构和尺寸。
本发明的目的是通过下述技术方案进行实现的：
本发明提供了一种原位直剪仪，包括开口相对的上剪切盒和下剪切盒、与所述下剪切盒纵向一侧连接的平衡槽、设于所述平衡槽内且两端分别与所述平衡槽端壁和上剪切盒壁相抵的施力组件；所述上、下剪切盒横向的侧壁通过用于限制二者横向发生相对位移的直线导轨机构连接。
优选的，所述直线导轨机构包括分别与所述上下剪切盒侧壁连接的固定翼板、分别与所述固定翼板连接且相互匹配的滑轨和滑块。
优选的，所述固定翼板的截面呈L形；所述固定翼板反向相对，其竖边与所述剪切盒连接；其横边与所述滑轨或滑块连接。
优选的，所述滑轨一侧设有纵向延伸的滑槽；所述滑槽的截面呈梯形；所述梯形的下底为所述滑槽的底；所述滑块的截面与所述滑槽的截面匹配。
优选的，所述滑块设有纵向延伸的滑槽；所述滑槽的横截面呈梯形；所述梯形的下底为所述滑槽的底；所述滑轨的横截面与所述滑槽的截面相匹配；所述滑轨设于所述滑槽内。
优选的，所述上、下剪切盒横向的两侧分别设有一个所述直线导轨机构；每个所述直线导轨机构的所述滑块的数目大于等于2。
优选的，所述上剪切盒高于所述平衡槽的槽底；所述上剪切盒与所述施力组件间设有弯头。
优选的，所述施力组件的轴线与所述上下剪切盒之间的剪切面共面。优选的，所述弯头的弯转角度为90°，相互垂直的两个断面分别与所述上剪切盒的侧壁和所述平衡槽的的槽底连接。
优选的，所述弯头与所述施力组件间设有压力传感器；所述压力传感器的轴线与所述施力组件的轴线重合。
优选的，所述上下剪切盒纵向的另一侧设有位移传感器；所述位移传感器的底座与所述下剪切盒的侧壁固定连接、所述位移传感器的探头与所述上剪切盒的侧壁相对。
优选的，所述上剪切盒的上底下方设有液压囊；所述液压囊依次连接液压管和设于所述剪切盒外的液压泵。
优选的，所述液压囊内设有液压传感器。
优选的，所述施力组件为千斤顶。
本发明提供了一种利用上述的原位直剪仪进行检测的方法，所述方法包括如下步骤：
将直剪土样置于所述下剪切盒内并依次安转所述所述上剪切盒、所述直线导轨机构、所述平衡槽和所述施力组件；
启动施力组件并均匀施压。
优选的，所述直剪土样包括：根据所述上下剪切盒内空腔的尺寸挖设的土样。
优选的，所述启动施力组件之前还包括：向所述液压囊内充气至其压力稳定。
优选的，所述均匀施压的同时读取所述位移传感器和所述压力传感器采集到的位移值和压力值。
优选的，所述启动施力组件与所述均匀施压之间还包括：
逐渐增加施力组件的施压至所述压力传感器和所述位移传感器示值稳定；然后将所述压力传感器和所述位移传感器的示值做归零处理。
优选的，所述测试方法结束时所述上剪切盒和所述下剪切盒的相对位移应大于等于6mm。
与最接近现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、实现了上剪切盒和下剪切盒的竖向荷载自平衡
通过直线导轨连接放置试样的上剪切盒和下剪切盒，一方面实现了对上剪切盒和下剪切盒非剪切方向位移和转动的约束，即能够约束上剪切盒和下剪切盒的垂直分离和旋转；另一方面保障了剪切位移方向的无阻力滑动。
2、实现了对试样的施加柔性轴心加载
通过在试样顶面与上剪切盒封盖间布置液压囊，实现了对试样的柔性加载；液压囊布置于上剪切盒中，并与上剪切盒同步位移，实现了竖向荷载相对于试样顶面的全过程轴心加载；优化了竖向加载结构和尺寸。
3、易于操作使用
仪器在竖向和水平方向均实现了自平衡，无需辅助配重，因此整体尺寸小，易于操作安装；在试验过程仅需对油压千斤顶进行加压、卸压操作，以及位移传感器和液压传感器的实时记录，因此操作过程简单。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1：本发明提供的原位直剪仪的正视图；
图2：图1中A-A向的剖面视图；
图3：图2中B部的局部放大图；
附图标记：0-直剪土样，1-上剪切盒，2-弯头，3-下剪切盒，4-平衡槽，5-滑块固定翼板，6-滑块、7-滑轨固定翼板、8-滑轨、9-紧固螺栓、10-位移传感器、11-压力传感器、12-施力组件、13-液压囊。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本发明提供了一种原位直剪仪，包括开口相对的上剪切盒1和下剪切盒3、与所述下剪切盒3纵向一侧连接的平衡槽4、设于所述平衡槽4内且两端分别与所述平衡槽端壁和上剪切盒壁相抵的施力组件12；所述上、下剪切盒1横向的侧壁通过用于限制二者横向发生相对位移的直线导轨机构连接。
所述直线导轨机构包括分别与所述上下剪切盒侧壁连接的固定翼板、分别与所述固定翼板连接且相互匹配的滑轨8和滑块6。
所述固定翼板的截面呈L形；所述固定翼板反向相对，其竖边与所述剪切盒连接；其横边与所述滑轨或滑块连接。
本实施例中：
所述滑块固定翼板5的竖边与所述上剪切盒1的侧壁固定连接，所述滑块6设于其横边下方，并通过紧固螺栓9进行固定连接；
所述滑轨固定翼板7的竖边与所述下剪切盒3的侧壁固定连接，所述滑轨8设于其横边上方，并通过紧固螺栓9进行固定连接；
所述滑块6设有纵向延伸的滑槽；所述滑槽的横截面呈梯形；所述梯形的下底为所述滑槽的底；所述滑轨8呈条状，所述滑轨8的横截面与所述滑槽的截面相匹配；所述滑轨8设于所述滑槽内，所述滑块6在沿所述滑轨8纵向滑动。
所述滑块的数目等于2。
所述上剪切盒1高于所述平衡槽4的槽底；所述上剪切盒1与所述施力组件12间设有弯头2。
所述施力组件12的轴线与所述上、下剪切盒1和3之间的剪切面共面。
所述弯头2的弯转角度为90°，相互垂直的两个端面分别与所述上剪切盒1的侧壁和所述平衡槽4的槽底连接。
所述弯头2与所述施力组件12间设有压力传感器11；所述压力传感器11的轴线与所述施力组件12的轴线重合。
所述上下剪切盒纵向的另一侧设有位移传感器10；所述位移传感器10的底座与所述下剪切盒3的侧壁固定连接、所述位移传感器10的探头与所述上剪切盒1的侧壁相对，因此所述位移传感器10可以检测所述上下剪切盒1和3的纵向相对位移。
所述上剪切盒1的上底下方设有液压囊13；所述液压囊13依次连接液压管和设于所述剪切盒外的液压泵。
所述液压泵为手摇液压泵。
所述液压囊13内设有液压传感器，可以检测所述液压囊内的压力。
所述施力组件12为千斤顶。
实施例2
基于同一发明构思，本发明提供了一种利用上述的原位直剪仪进行测试的方法，所述方法包括如下步骤：
将直剪土样0置于所述下剪切盒3内并依次安转所述上剪切盒1、所述直线导轨机构、所述平衡槽4和所述施力组件12；
启动施力组件12并均匀施压。
所述直剪土样0包括：根据所述上下剪切盒内空腔的尺寸挖设的土样。
所述启动施力组件12之前还包括：向所述液压囊13内充气至其压力稳定，即所述液压传感器的示值稳定。
所述均匀施压的同时读取所述位移传感器10和所述压力传感器11采集到的位移值和压力值。
所述启动施力组件12与所述均匀施压之间还包括：
逐渐增加施力组件12的施压至所述压力传感器11和所述位移传感器10示值稳定；然后将所述所述压力传感器11和所述位移传感器10的示值做归零处理，如此可消除上剪切盒1、下剪切盒3和直剪土样0间的缝隙。
待所述上剪切盒1和所述下剪切盒3的相对位移超过6mm，即所述位移传感器10的示值超过6mm时，则可结束检测。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (19)

1.一种原位直剪仪，其特征在于，包括开口相对的上剪切盒和下剪切盒、与所述下剪切盒纵向一侧连接的平衡槽、设于所述平衡槽内且两端分别与所述平衡槽端壁和上剪切盒壁相抵的施力组件；所述上、下剪切盒横向的侧壁通过用于限制二者横向发生相对位移的直线导轨机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述直线导轨机构包括分别与所述上下剪切盒侧壁连接的固定翼板、分别与所述固定翼板连接且相互匹配的滑轨和滑块。
3.根据权利要求2所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述固定翼板的截面呈L形；所述固定翼板反向相对，其竖边与所述剪切盒连接；其横边与所述滑轨或滑块连接。
4.根据权利要求2所述的一种原位直剪仪，其特征在于，，所述滑轨一侧设有纵向延伸的滑槽；所述滑槽的截面呈梯形；所述梯形的下底为所述滑槽的底；所述滑块的截面与所述滑槽的截面匹配；所述滑块设于所述滑槽内。
5.根据权利要求2所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述滑块设有纵向延伸的滑槽；所述滑槽的横截面呈梯形；所述梯形的下底为所述滑槽的底；，所述滑轨的横截面与所述滑槽的截面相匹配；所述滑轨设于所述滑槽内。
6.根据权利要求4或5所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述上、下剪切盒横向的两侧分别设有一个所述直线导轨机构；每个所述直线导轨机构的所述滑块的数目大于等于2。
7.根据权利要求1所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述上剪切盒和所述下剪切盒的剪切面高于所述平衡槽的槽底；所述上剪切盒与所述施力组件间设有弯头。
8.根据权利要求7所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述施力组件的轴线与所述上下剪切盒之间的剪切面共面。
9.根据权利要求8所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述弯头的弯转角度为90°，相互垂直的两个端面分别与所述上剪切盒的侧壁和所述平衡槽的槽底连接。
10.根据权利要求9所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述弯头与所述施力组件间设有压力传感器；所述压力传感器的轴线与所述施力组件的轴线重合。
11.根据权利要求1所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述上下剪切盒纵向的另一侧设有位移传感器；所述位移传感器的底座与所述下剪切盒的侧壁固定连接、所述位移传感器的探头与所述上剪切盒的侧壁相对。
12.根据权利要求1所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述上剪切盒的上底下方设有液压囊；所述液压囊依次连接有液压管和设于所述剪切盒外的液压泵。
13.根据权利要求12所述的一种原位直剪仪，其特征在于，所述液压囊内设有液压传感器。
14.根据权利要求1所述的一种原位直剪仪，其特征在于，其特征在于，所述施力组件为千斤顶。
15.一种利用权利要求1～14所述的原位直剪仪进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将直剪土样置于所述下剪切盒内并依次安装上剪切盒、直线导轨机构、平衡槽和施力组件；
启动施力组件并均匀施压。
16.根据权利要求15所述的一种检测方法，其特征在于，所述直剪土样包括：根据所述上下剪切盒内空腔的尺寸挖设的土样。
17.根据权利要求15所述的一种检测方法，其特征在于，所述启动施力组件之前还包括：向所述液压囊内充气至其压力稳定。
18.根据权利要求15所述的一种检测方法，其特征在于，所述启动施力组件与所述均匀施压之间还包括：
逐渐增加施力组件的施压至所述压力传感器和所述位移传感器示值稳定；然后将所述压力传感器和所述位移传感器的示值做归零处理。
19.根据权利要求15所述的一种检测方法，其特征在于，所述测试方法结束时所述上剪切盒和所述下剪切盒的相对位移应大于等于6mm。
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