CN108562501A - 一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 - Google Patents
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108562501A CN108562501A CN201810184841.0A CN201810184841A CN108562501A CN 108562501 A CN108562501 A CN 108562501A CN 201810184841 A CN201810184841 A CN 201810184841A CN 108562501 A CN108562501 A CN 108562501A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tangential
- jack
- sample
- vertical
- shear
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 63
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 56
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 52
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 52
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 46
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 26
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 12
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 6
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 claims description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 2
- 238000000418 atomic force spectrum Methods 0.000 claims 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 238000007660 shear property test Methods 0.000 description 3
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 2
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 2
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 2
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000000686 essence Substances 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009408 flooring Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001141 propulsive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法，本套试验加载装置采用应变控制式，通过对试样进行手动加压控制位移来完成试验过程。本发明针对隧道内复杂的试验条件，充分结合现场环境特点，具有结构简单、易拆装、操作方便，数据记录准确性高，普通技术人员可快速掌握的优点，提高了整个实验过程的稳定性，充分保障了试验过程和实验人员的安全。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程测试技术领域，具体涉及一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法。
背景技术
围岩的粘聚力和摩擦角等物理力学参数是评价隧道围岩稳定性以及支护参数合理性的重要基础数据。对于相对完整的岩体，一般可先通过现场取芯，然后进行室内剪切试验或三轴试验获得隧道围岩的粘聚力和摩擦角。而对于非常软弱、破碎、松散的岩体，则很难取芯，需采用原位直剪试验的手段获取围岩的粘聚力和摩擦角。然而，由于受到现场各种复杂条件的制约，隧道内岩土体原位直剪试验一直很难较好地开展，尤其在试样制作、设备安装、垂直荷载和剪切荷载的设置和施加等方面，操作极为复杂，需要耗费大量的人力和物力。因此，有必要针对隧道现场的环境条件，发明一种隧道内试验效率高、安全性好、经济性佳的岩土体原位直剪试验装置及其使用方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法，以解决现有隧道内岩土体原位直剪试验操作复杂、试验效率低、试验结果精度差的问题。
为达到上述目的，本发明所述一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置包括试验块、垂向压力系统和切向压力系统，试验块包括用于容置试样的剪切盒，剪切盒上下贯通；垂向压力系统包括自上而下依次设置的垂向载荷、反力支架、垂向传力千斤顶、第一垂向压力板、滚轴排和第二垂向压力板，第二垂向压力板的下端面与试样的上端面相接，垂向传力千斤顶与第一手动油压泵通过油管连接；切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座、切向传力钢板和剪切千斤顶，剪切千斤顶与剪切盒的侧面连接，剪切千斤顶与第二手动油压泵通过油管连接；垂向传力千斤顶两侧对称设置有两个用于量测试验过程中试样的垂向位移的垂向位移计，剪切千斤顶上方对称设置有两个切向位移计，切向位移计用于量测试验过程中试样在剪切过程中的切向位移。
进一步的，还包括数据采集箱，数据采集箱与两个垂向位移计、两个切向位移计、垂向传力千斤顶和剪切千斤顶连接。
进一步的，还包括设置在垂向传力千斤顶和反力支架的水平板之间的传力板，传力板用于大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积。
进一步的，还包括切向压力板，切向压力板位于剪切千斤顶和剪切盒之间，切向压力板的面积大于剪切盒侧面的面积。
进一步的，切向反力支座包括至少两根并排设置在坑壁内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶的顶面，钢管中设置有若干钢筋。
进一步的，钢管与切向传力钢板之间填充有碎石或细集料。
进一步的，垂向传力千斤顶和剪切千斤顶均为双作用液压千斤顶。
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验方法，包括以下步骤：
步骤1、试样制备，在隧道掌子面附近，选择未经扰动的具有代表性的原状围岩位置，将岩土体削切为块体，在试样上套入剪切盒，将剪切盒与试样之间缝隙用碎石和细沙填满；
步骤2、仪器安装，将各个试验装置安装至指定位置；剪切盒上方的传力装置安放完成后，用水平尺量测，保证试样上方的传力装置完全水平，传力装置包括自上向下依次设置的第一垂向压力板、滚轴排和第二垂向压力板；
步骤3、垂向加载，对试样分级施加垂向荷载，分3级达到试验要求的荷载，施加荷载后每5min观测变形一次，至每分钟的变形不超过0.05mm时，加下一级荷载；最后一级荷载施加后当30min内的垂向变形不超过0.05mm时，可认为稳定，即可施加切向剪切荷载；
步骤4、切向加载，对试样施加切向剪应力之前，根据预估最大剪切荷载，分8—12级对试样施加切向荷载，每级荷载施加后，测读剪切位移和法向位移，5min后再测读一次，即可施加下一级荷载；在切向加载过程中，当切向荷载达到峰值或稳定时，即认为试样受损；
步骤5、重复试验，重复步骤1至4，在不同垂向荷载条件下，对同一岩性地层以同样的方式进行3-5个试样的剪切试验；
步骤6、数据处理，根据上述步骤测读的数据，绘制不同压力条件下的剪切位移—剪应力曲线，回归分析采用峰值时对应的剪应力，计算抗剪强度、岩体粘聚力C和内摩擦角的值。
进一步的，在步骤3之前中，对切向反力支座进行加固。
进一步的，步骤3中，施加垂向荷载时，保证垂向载荷中心、垂向传力千斤顶底座中心和试样中心，保持在同一轴线上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明针对隧道施工现场的环境特点，设计了一套能在不影响隧道正常施工的前提下进行正常试验的装置，提高了试验的工作效率，为试验的正常操作提供了保障。本装置的所有部件均可拆卸，运输方便，便于安装，结构简单，成本低，重复使用性高。滚轴排试验时随着切向位移的发展而沿垂向压力板表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。滚轴排最大的作用有两个，一个是将滑动摩擦变为滚动摩擦，我们把水平加载作为剪切荷载，但是水平加载力不仅要克服岩体剪力，还有上部摩擦力，如果上部摩擦力很小，那么水平加载力就与岩体剪力很接近了。二是防止竖向千斤顶侧翻，保证实验安全。
进一步的，还包括数据采集箱，数据采集箱与两个垂向位移计、两个切向位移计、垂向传力千斤顶和剪切千斤顶连接，千斤顶加压装置和垂向、切向位移计均通过自动数据采集系统实现数据的自动采集和储存，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的剪切剩余强度；同时避免了试验人员在垂向荷载体下方读数的过程，保障了试验人员的安全。
进一步的，还包括设置在垂向传力千斤顶和反力支架的水平板之间的传力板，传力板用于大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积，增大垂向传力千斤顶和反力支架之间的接触面积，避免试验过程中出现应力集中。
进一步的，还包括切向压力板，切向压力板位于剪切千斤顶和剪切盒之间，切向压力板的面积大于剪切盒侧面的面积，实现剪切盒所受剪力一侧的受力均匀。
进一步的，切向反力支座包括至少两根并排设置在坑壁内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶的顶面，钢管中设置有若干钢筋，确保隧道内原位直剪试验切向反力支座具有足够的强度和刚度，能够有效地承受剪切千斤顶传来的水平反推力，确保试验的成功进行，该切向反力支座更加稳固，而且节省施工空间及施工材料，操作简便。
进一步的，钢管与切向传力钢板之间填充有碎石或细集料，钢管是打设在坑壁附近，打设过程中对土体有扰动，会使土体变得松散，而为了增加接触面积，用细集料进行填充捣实，经过捣实后钢垫板钢管间可形成较为稳固的复合体共同受力，利用隧道开挖产生的渣石作为试验所需要的垂向荷载体，切向反力支座的加固也做到了重复利。
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验方法，采用应变控制式提高了整个实验过程的稳定性，充分保障了试验过程和实验人员的安全，对试样加上竖向荷载以后，要待其稳定，才可加水平荷载，判断其是否稳定则依据竖向位移变化率；之后，对试验块施加水平荷载，判断试验块剪坏并终止实验可依据水平位移是否达到了试样边长的10％，千斤顶加压装置和垂向、切向位移计均通过数据自动采集系统实现数据的自动采集和储存，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的剪切剩余强度；同时避免了试验人员在垂向荷载体下方读数的过程，保障了试验人员的安全。
进一步的，在步骤3之前中，对切向反力支座进行加固，保证试验的顺利进行。
附图说明
图1为本发明装置结构方框图；
图2为本试验装置细部构造图；
图3为本试验装置局部构造图；
图4为剪应力-剪切位移关系曲线；
图5为剪应力-法向应力关系曲线；
附图中：1-试样；2-垂向传力千斤顶；3-剪切千斤顶；4-数据自动采集系统；5-垂向荷载；6-切向反力支座；71-第一垂向压力板；72-第二垂向压力板；8-滚轴排；9-传力板；10-切向压力板；11-切向传力钢板；12-大管径钢管；13-细集料；14-数据采集箱；151-第一手动油压泵；152-第二手动油压泵，16-剪切盒；17-切向位移计；18-垂向位移计；19-第一不动杆；20-反力支架，21-第二不动杆，22-坑壁。
具体实施方
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1至图3，一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置采用应变控制式，通过对试样进行手动加压控制位移来完成试验。针对隧道内复杂的试验条件，充分结合现场环境特点，设计了一套结构简单、易拆装、操作方便，数据记录准确性高，普通技术人员可快速掌握的直剪试验装置。
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置包括垂向压力系统、切向压力系统、数据自动采集系统和试验块。
垂向压力系统设置在试样1上方，包括自上而下依次设置的垂向载荷5、反力支架20的水平板、传力板9、垂向传力千斤顶2、第一垂向压力板71、滚轴排8和第二垂向压力板72，第二垂向压力板72的下端面与试样1的上端面相接。
其中：
垂向载荷5包括内填渣石的料石箱，料石箱是正方体的箱式装渣容器，其规格大小为长×宽×高＝120cm×120cm×120cm，其单个极限装载能力为4000kg，设计有规格相同的8个料石箱，根据试验需要选择试验过程中料石箱的装载个数。
反力支架20为采用H型钢通过焊接而成的承载平台，包括水平板和与水平板下端面固定的四个支腿，四个支腿根被位于水平板的四个角部，水平板位于传力板9和垂向载荷5之间，反力支架20规格大小为长×宽×高＝250cm×250cm×100cm，其楼面恒荷载为1.00KN/M2，楼面活荷载为64.0KN/M2，其极限承载能力为400KN。
传力板9为连接垂向传力千斤顶2和反力支架20的长方形钢片，其作用是增大垂向传力千斤顶2和反力支架20之间的接触面积，避免试验过程中出现应力集中。
垂向传力千斤顶2是双作用液压千斤顶，型号为RR—30，工作能力为30T，行程为400mm，其采用手动油压加压模式，通过与数据采集箱14连接实现垂向受力数据的显示、记录、储存。垂向传力千斤顶2与第一手动油压泵151通过油管连接。
第一垂向压力板71和第二垂向压力板72规格相同，是大小为长×宽＝50cm×50cm的正方形钢板，钢板厚度为2cm，第一垂向压力板71和第二垂向压力板72连接垂向传力千斤顶2和试样1，实现试样顶面的垂向荷载受力均匀。
滚轴排8为安装在第一垂向压力板71和第二垂向压力板72之间的正方形排式滚轴，其规格大小为35cm×35cm，其滚轴直径为4cm；试验时随着切向位移的发展而沿垂向压力板7表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。滚轴排最大的作用有两个，一个是将滑动摩擦变为滚动摩擦，我们把水平加载作为剪切荷载，但是水平加载力不仅要克服岩体剪力，还有上部摩擦力，如果上部摩擦力很小，那么水平加载力就与岩体剪力很接近了。二是防止竖向千斤顶侧翻，保证实验安全。
切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座6、切向传力钢板11、剪切千斤顶3和切向压力板10，切向压力板10一侧与试样1的侧面连接。
其中：
切向反力支座6采用垂直打设两根大管径钢管12的形式实现支座的加固，本实施例中打设的钢管规格长2m的Φ108钢管，必要时在钢管内加入小管径钢管和钢筋来增加钢管的抗剪强度，过两根大管径钢管12中轴线的平面与剪切千斤顶3的中轴线垂直，切向反力支座6与切向传力钢板11之间用碎石和细集料13进行捣实加固，使切向反力支座6受力均匀，从而增大了切向反力支座6的极限承载能力。
切向传力钢板11固定在剪切千斤顶3与切向反力支座6之间，大小与切向反力支座6的侧面大小相同，其作用是增大剪切千斤顶3与切向反力支座6的接触面积，加强切向反力支座6的极限承载能力。
剪切千斤顶3是双作用液压千斤顶，型号为RR—50，工作能力为50T，行程为400mm，其采用手动油压加压模式，通过与数据采集箱14相连接实现剪切加压数据的显示、记录、储存。剪切千斤顶3与第一手动油压泵152通过油管连接。
切向压力板10的面积大于剪切盒16侧面的面积，其规格大小为长*宽＝50cm*30cm的长方形钢板，钢板厚度为2cm，切向压力板10连接剪切千斤顶3和剪切盒16，实现剪切盒16所受剪力一侧的受力均匀。
数据自动采集系统4包括两个垂向位移计18、两个切向位移计17、垂向传力千斤顶2、剪切千斤顶3和数据采集箱14。两个垂向位移计18对称分布于垂向传力千斤顶2两侧且与垂向传力千斤顶2的轴线位于同一平面，两个切向位移计17同处于剪切千斤顶3上方分布于千斤顶两侧，两个垂向位移计18、两个切向位移计17、垂向传力千斤顶2、剪切千斤顶3均与数据采集箱14相连接，数据采集箱14用于收集、显示、记录、存储试验过程中试样位移和受力情况，具体收集两个垂向位移计18、两个切向位移计17所测量的位移数据，垂向传力千斤顶2和剪切千斤顶3所测量到的受力数据。
垂向位移计18用百分表固定支座吸附在第一垂向压力板71的上表面，垂向位移计18的弹簧位移传感器固定在试样旁的第一不动杆19上端面，第一不动杆19架设在坑壁上，垂向位移计18用于量测试验过程中试样的垂向位移，不动杆19相对地面绝对静止，以便于测量垂直位移计的位移，第一不动杆19两端与坑壁的两个向对面固定连接；两个切向位移计17分别用百分表固定支座吸附在剪切盒16的两个相对的侧面上，这两个侧面和与剪切千斤顶3相接的侧面连接，切向位移计17的弹簧位移传感器固定在试样旁的第二不动杆21侧面，用于量测试验过程中试样的切向位移；第二不动杆21与第一不动杆19垂直，且第二不动杆21位于第一不动杆19上方。
其中：
垂向传力千斤顶2和剪切千斤顶3均与数据采集箱14相连，实现千斤顶受力读数的自动显示、记录和采集。
两个垂向位移计18采用VWD-50振弦式位移计，分别置于第一垂向压力板71的两侧，用于量测试验过程中试样的垂向位移，位移的最大量程100mm，精度为0.01mm。
两个切向位移计17采用VWD-50振弦式位移计，分别置于剪切盒—16剪力受力面的左右两侧，用于量测试验过程中试样1在剪切过程中的切向位移，位移计最大量程100mm，精度0.01mm。
数据采集箱14为MR71V01K15X版本的超薄宽屏无纸记录仪，其技术指标如下：
①处理器
采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，可同时实现多路信号采集、记录、显示和多路报警。
②存储模块
采用大容量并行NAND FLASH闪存芯片存贮历史数据，采用串行FRAM存储芯片存贮系统配置参数等关键信息。
③记录功能
记录容量：64/128/192/248MB(FLASH容量可选择)；
记录间隔：1秒至240秒，共分11档，有1/2/4/8/12/24/36/60/120/180/240秒可选；
记录时间：记录时间的长短与FLASH存储器容量、输入点数、记录间隔有关，计算公式如下：
参照图1，试验块包括岩土体试样1和用于容置试样1的剪切盒16；剪切盒16是一个方形容器，包括4个首尾相接的侧面，第二垂向压力板72与剪切盒16的内壁间隙配合，采用1.5cm厚的钢板焊接而成。垂向传力千斤顶2和剪切千斤顶3均与剪切盒16的接触面垂直，并且二者的延伸线均通过试样1的几何中心，第一垂向压力板71和第二垂向压力板72与水平面平行。
本装置的连接过程如下：
在切削完成的原位岩土体的试样1上扣入剪切盒16，之后在试样1上方安装第二垂向压力板72和第一垂向压力板71，保证试样1所受的垂向压力荷载均匀分布，在第一垂向压力板71和第二垂向压力板72之间安装滚轴排8，在位于上方的第一垂向压力板71上安放垂向传力千斤顶2，垂向传力千斤顶2上方通过传力板9连接反力支架20，反力支架20上根据试验需要安放4-6个料石箱，料石箱内填制隧道开挖渣石来为试验提供垂向荷载5。
在试样1的切向受力一侧，紧挨剪切盒16侧面安放切向压力板10，且剪切盒16与切向压力板10之间紧密贴合，在切向压力板10另一侧安装剪切千斤顶3，在剪切千斤顶3底座位置安放切向传力钢板11，传力钢板11与切向反力支座6连接，在切向传力钢板11后打设大管径钢管12对切向反力支座6进行加固，在切向传力钢板11与切向反力支座6之间用碎石和细集料13对支座进行加固。
测量试样垂向变形的位移计18安装在垂向压力板7的两侧；量测试样切向变形的位移计17安装在剪切盒16的侧面；位移计17、18和垂向传力千斤顶2、剪切千斤顶3均与数据采集箱14相连接。
切向反力支座6用潜孔钻打设大管径钢管12，在大管径钢管内塞填小管径钢管和钢筋来增大抗剪强度；切向反力支座6与剪切千斤顶3之间通过切向传力钢板11连接，在切向反力支座6与切向传力钢板11之间用碎石和细集料13进行加固处理。
反力支架20在安放时，要将反力支架20重心与试样1的几何中心保持在一个垂线上。在料石箱安放时，控制反力支架20的受力平衡，以免试验过程中出现倾斜造成危险。
剪切千斤顶3和垂向传力千斤顶2通过手动控制加压过程，从而保障试验的安全性；千斤顶的读数在数据采集箱14上完成，从而提高了试验读数的准确性。
本装置的工作过程如下：
在隧道内下台阶或者中台阶平台上选择未经扰动的具有代表性的原状围岩位置，用铁锹和洋镐除去地层表面渣石，在隧道原状围岩上使用削土刀将岩土体削切为略小于剪切盒内径大小的块体作为试样1，将剪切盒16套在试样1上，将剪切盒16与试样1之间缝隙用碎石和细沙填满；将传力装置安放在剪切盒16上，使传力装置与试样1上表面相接，调整试样上表面并用水平尺量测保证传力装置保持绝对水平，传力装置包括自上向下依次设置的第一垂向压力板71、滚轴排8和第二垂向压力板72。通过垂向压力系统对试样1施加垂向压力荷载，待试样1在垂向压力作用下固结稳定后，通过水平压力系统推动剪切盒16而对试样1施加水平剪力直至试样破坏。试验过程中切向剪力和垂向压力由手动压杆加压提供，由数据自动采集箱14自动采集压力数据并储存，试样1的水平位移和垂向位移由切向位移计17和垂向位移计18测量，测量数据通过数据采集箱14采集并储存。
二、试验方法
以实施例为例，结合图1-图5对本发明试验方法进行详细说明：
一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验方法(以下简称试验方法)包括以下步骤：
步骤1、试样制备
在隧道内开挖掌子面附近中台阶或下台阶平台上选择适当的试验位置，首先使用铁锹和洋镐清理地层表面，清除隧道爆破产生的碎石和人为扰动过的地表岩土层，裸露出未经扰动的具有代表性的原状围岩。采用削土刀制备一个大小为长×宽×高＝50cm×50cm×30cm的原状岩土体试样1；套入剪切盒16后，在剪切盒16与试样1之间的缝隙填满细沙，垂向压力板7的底面与试样1的顶面间垫一层薄沙，使用水平尺量测垂向压力板7上表面并调整薄沙层使垂向压力板7保持水平。(水平荷载必须与竖向荷载垂直，只有垂直压力板保持水平，才能保证试块所受竖向荷载垂直向下)
步骤2、装置安装
按照上述方案中的装置的安装顺序依次将各个装置进行安装；在安装过程中需要注意以下几个方面：施加垂向荷载时，须保证垂向荷载重心、传力板9、垂向压力板7中心、垂向传力千斤顶2、滚轴排8、垂向压力板7和试样1中心保持在同一轴线上；施加切向荷载时，须保证切向传力钢板11、剪切千斤顶3、切向压力板10、剪切盒16和试样1中心保持在同一轴线上(安装剪切荷载千斤顶时，应使剪切方向与预定的推力方向一致，其轴线在剪切面上的投影，应通过预定剪切面中心。本试验剪切荷载作用轴线应平行于预定剪切面，轴线与剪切面的距离不宜大于剪切方向试体边长的5％)。由于试验过程所需要的剪力较大，需要对切向反力支座进行加固处理；剪切盒上方的传力装置安放完成后，需要用水平尺量测保证试样上方的传力装置完全水平。
步骤3、施加垂向应力
在施加垂向荷载之前，确定试验组数和每组试验的垂向荷载分布；本实施例所确定的试验方案为：结合现场条件特点，将每组试验取三次不同的垂向荷载，在三个不同垂向荷载6MPa、12MPa、18MPa作用下分别进行直剪试验，然后将试验数据进行作图计算分析隧道围岩地层的岩体粘聚力C、内摩擦角Φ值。施加垂向荷载时，保证垂向载荷5中心、垂向传力千斤顶2底座中心和试样中心保持在同一轴线上，在每次垂向荷载加压时，利用手动油压泵15手动加压垂向荷载，垂向荷载分三级完成，每级加压时间间隔5min观测试样变形一次，当连续两次测读的法向位移之差不大于0.01mm时，可认为稳定，即可在达到规定数值后保持正压力恒定再施加切向剪切荷载。垂向荷载的初始值和每一级加的载荷根据实验人员预定要加的竖向荷载而定，比如第一个试块要加15KN，那么分三级加(一般均匀加)，先加到5KN，再加到10KN，最后加到15KN。
步骤4、施加剪切应力
在垂向荷载在加载完成并保持恒定之后，开始加载切向应力，对试样施加切向剪应力之前，测读各位移表的读数，当实验人员认为接下来的实验，试块的水平位移可能超过位移表量程时，需要调整各位移表的读数，根据需要，调整剪切千斤顶位置，使千斤顶与切向压力板相接触，对试样施加切向剪应力时，首先预估最大剪切荷载，宜分8—12级施加。本实施例分为10级施加，每级荷载施加后，即应测读剪切位移和法向位移，数据采集箱14上面会直接显示数据，5min后再测读一次，即可施加下一级荷载；在切向加载过程中，水平位移读数变化增大或者临近剪切破坏发生时，应根据情况适当减小每级荷载增量；当切向荷载达到峰值或稳定时，即认为试样剪切破坏。峰值就是所能加载上的最大水平荷载，因为到后来，水平力就加不上去了，甚至会逐渐减小，那么能加上的最大值就是峰值；当水平力加载到峰值后，即使再加载，水平力也会降下去，降到一定程度后，会保持稳定不变，此时认为稳定。
步骤5、重复试验
在不同垂向荷载下，对同一岩性地层以同样的方式进行3-5个试样的剪切试验，重复步骤1—4，对不同试样进行相同的重复试验，根据步骤3的要求，调整不同等级的垂向应力，将试验结果进行横纵向对比，减小试验过程中偶然因素对结果造成的影响。
步骤6、试验结果分析
试验结束后，在数据采集箱14内导出试验数据，然后进行计算处理：首先以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标绘制剪应力—剪切位移的关系曲线，如图4所示，从试验结果图像可见，试验完成时，剪切面并不是一个平直的面，而是根据碎石土的结构组成而形成的凹凸不平的不规则面。这是由于一些碎石颗粒恰好位于剪切面上，则剪切必须绕过这些颗粒，在空间上出现波浪式。这与碎石土剪切试验的理论研究结果相符。
在上述剪应力—剪切位移的关系曲线上，选取曲线上的峰值或稳定值作为抗剪强度值τmax；以抗剪强度为纵坐标，法向应力为横坐标绘制抗剪强度—法向应力关系曲线，如图5所示，然后根据库伦定律：τ＝σtgΦ+c，τ指剪应力，σ指法向应力，采用线性回归的方法拟合最佳直线，计算得到此次试验所测隧道围岩原状岩土体的抗剪强度为：粘聚力c为
169.21KPa，内摩擦角Φ约为51.96°。图4中横坐标u指剪切位移。
图5中的公式:y＝1.2779x+169.21，R2＝0.9495，y就是τ，x就是σ，y＝kx+b是τ＝σtgΦ+c的一般表达而已，系数1.2779(tgΦ)和169.2 1(c)由实验数据经最小二乘法求得，R为相关系数或线性相关系数，用来度量两个变量间的线性关系。R的定义式为其中，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，包括试验块、垂向压力系统和切向压力系统，其中：
试验块包括用于容置试样(1)的上下贯通的剪切盒(16)；
垂向压力系统包括自上而下依次设置的垂向载荷(5)、反力支架(20)、垂向传力千斤顶(2)、第一垂向压力板(71)、滚轴排(8)和第二垂向压力板(72)，第二垂向压力板(72)的下端面与试样(1)的上端面相接，垂向传力千斤顶(2)与第一手动油压泵(151)通过油管连接；
切向压力系统包括在水平方向上依次连接的切向反力支座(6)、切向传力钢板(11)和剪切千斤顶(3)，剪切千斤顶(3)与剪切盒(16)的侧面连接，剪切千斤顶(3)与第二手动油压泵(152)通过油管连接；
垂向传力千斤顶(2)两侧对称设置有两个用于量测试验过程中试样(1)的垂向位移的垂向位移计(18)，剪切千斤顶(3)上方对称设置有两个切向位移计(17)，切向位移计(17)用于量测试验过程中试样(1)在剪切过程中的切向位移。
2.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括数据采集箱(14)，两个垂向位移计(18)、两个切向位移计(17)、垂向传力千斤顶(2)和剪切千斤顶(3)均与数据采集箱(14)连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括设置在垂向传力千斤顶(2)和反力支架(20)的水平板之间的传力板(9)，传力板(9)用于大垂向传力千斤顶(2)和反力支架(20)之间的接触面积。
4.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，还包括切向压力板(10)，切向压力板(10)位于剪切千斤顶(3)和剪切盒(16)之间，切向压力板(10)的面积大于剪切盒(16)侧面的面积。
5.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，切向反力支座(6)包括至少两根并排设置在坑壁(22)内侧的土体中的钢管，经过所有钢管中轴线的平面与剪切千斤顶(3)的中轴线垂直，钢管的上端面高于剪切千斤顶(3)的顶面，钢管中设置有若干钢筋。
6.根据权利要求5所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，钢管与切向传力钢板(11)之间填充有碎石或细集料(13)。
7.根据权利要求1所述的一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置，其特征在于，垂向传力千斤顶(2)和剪切千斤顶(3)均为双作用液压千斤顶。
8.基于权利要求1所述的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、试样制备，在隧道掌子面附近选择未经扰动的具有代表性的原状围岩位置，将岩土体削切为块体，在试样上套入剪切盒，将剪切盒与试样之间缝隙用碎石和细沙填满；
步骤2、仪器安装，将各个试验装置安装至指定位置；剪切盒(16)上方的传力装置安放完成后，用水平尺量测，保证试样(1)上方的传力装置完全水平，传力装置包括自上向下依次设置的第一垂向压力板(71)、滚轴排(8)和第二垂向压力板(72)；
步骤3、垂向加载，对试样(1)分级施加垂向荷载，分3级达到试验要求的荷载，施加荷载后每5min观测变形一次，至每分钟的变形不超过0.05mm时，加下一级荷载；最后一级荷载施加后当30min内的垂向变形不超过0.05mm时，可认为稳定，即可施加切向剪切荷载；
步骤4、切向加载，分8—12级对试样(1)施加切向荷载，每级荷载施加后，测读剪切位移和法向位移，5min后再测读一次，即可施加下一级荷载；在切向加载过程中，当切向荷载达到峰值或稳定时，即认为试样受损；
步骤5、重复试验，重复步骤1至4，在不同垂向荷载条件下，对同一岩性地层以同样的方式进行3-5个试样的剪切试验；
步骤6、数据处理，根据上述步骤测读的数据，绘制不同压力条件下的剪切位移—剪应力曲线，回归分析采用峰值时对应的剪应力，计算抗剪强度、岩体粘聚力C和内摩擦角的值。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，在步骤3之前中，对切向反力支座(6)进行加固。
10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，步骤3中，施加垂向荷载时，保证垂向载荷(5)中心、垂向传力千斤顶(2)底座中心和试样中心，保持在同一轴线上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810184841.0A CN108562501A (zh) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810184841.0A CN108562501A (zh) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108562501A true CN108562501A (zh) | 2018-09-21 |
Family
ID=63531437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810184841.0A Pending CN108562501A (zh) | 2018-03-06 | 2018-03-06 | 一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108562501A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109520821A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-26 | 南京工程学院 | 一种钢混结构试件专用弯、剪试验加载装置及其加载方法 |
| CN109975523A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-05 | 华侨大学 | 一种爆炸挤淤泥石混合层工程性质预测方法 |
| CN110258498A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-20 | 四川冶金建筑工程质量有限公司 | 一种大面积现场直剪试验设备的施工方法 |
| CN111982711A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-24 | 四川正达检测技术有限责任公司 | 一种板式橡胶支座抗剪弹性模量单剪试验方法 |
| CN112345384A (zh) * | 2020-10-14 | 2021-02-09 | 华南理工大学 | 冻土重力剪切试验滑板、装置及其试验方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101968415A (zh) * | 2010-10-21 | 2011-02-09 | 重庆大学 | 现场非扰动土的直剪试验仪 |
| CN103558096A (zh) * | 2013-11-04 | 2014-02-05 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法 |
| CN107271297A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-10-20 | 西北大学 | 一种用于测定饱和黄土‑泥岩接触面的原位剪切实验仪 |
-
2018
- 2018-03-06 CN CN201810184841.0A patent/CN108562501A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101968415A (zh) * | 2010-10-21 | 2011-02-09 | 重庆大学 | 现场非扰动土的直剪试验仪 |
| CN103558096A (zh) * | 2013-11-04 | 2014-02-05 | 中国地质科学院地质力学研究所 | 带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法 |
| CN107271297A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-10-20 | 西北大学 | 一种用于测定饱和黄土‑泥岩接触面的原位剪切实验仪 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109520821A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-26 | 南京工程学院 | 一种钢混结构试件专用弯、剪试验加载装置及其加载方法 |
| CN109520821B (zh) * | 2018-12-14 | 2024-02-09 | 南京工程学院 | 一种钢混结构试件专用弯、剪试验加载装置及其加载方法 |
| CN109975523A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-05 | 华侨大学 | 一种爆炸挤淤泥石混合层工程性质预测方法 |
| CN109975523B (zh) * | 2019-04-29 | 2021-06-29 | 华侨大学 | 一种爆炸挤淤泥石混合层工程性质预测方法 |
| CN110258498A (zh) * | 2019-06-26 | 2019-09-20 | 四川冶金建筑工程质量有限公司 | 一种大面积现场直剪试验设备的施工方法 |
| CN111982711A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-24 | 四川正达检测技术有限责任公司 | 一种板式橡胶支座抗剪弹性模量单剪试验方法 |
| CN112345384A (zh) * | 2020-10-14 | 2021-02-09 | 华南理工大学 | 冻土重力剪切试验滑板、装置及其试验方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108562501A (zh) | 一种适用于隧道内岩土体原位直剪试验装置及方法 | |
| CN109163985B (zh) | 一种测试岩样抗剪强度和长期蠕变变形的原位测试装置及方法 | |
| Kurup et al. | Calibration chamber studies of piezocone test in cohesive soils | |
| CN104807706A (zh) | 便携式软弱层带原位直剪试验仪及其测试方法 | |
| Lehtonen et al. | Full-scale embankment failure test under simulated train loading | |
| CN108797660A (zh) | 湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验装置以及试验方法 | |
| CN204575465U (zh) | 便携式软弱层带原位直剪试验仪 | |
| CN110346213A (zh) | 一种隧道下穿采空区围岩稳定性评价方法 | |
| Sahadewa et al. | Field testing method for evaluating the small-strain shear modulus and shear modulus nonlinearity of solid waste | |
| CN106049559A (zh) | 一种基于荷载补偿的大直径桩基自平衡检测方法 | |
| CN102445398A (zh) | 软岩硬土力学特性仿真测试方法 | |
| Liao et al. | A new ring-shear device for testing rocks under high normal stress and dynamic conditions | |
| CN105043938A (zh) | 一种可重复利用的饱水砂层渗透注浆试验模型及其应用 | |
| CN108661091A (zh) | 一种深层载荷试验适时测试装置及测试方法 | |
| CN108824497A (zh) | 大型原位抗滑桩模型试验装置及其方法 | |
| CN210376011U (zh) | 一种大面积现场直剪试验设备 | |
| Oyanguren et al. | Stability analysis of Llerin Rockfill Dam: An in situ direct shear test | |
| Sun et al. | Development status and prospects of mine physical similar material simulation experiments | |
| CN106872290B (zh) | 一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪和方法 | |
| Lutenegger et al. | Uplift capacity of small-diameter drilled shafts from in situ tests | |
| Becker | Contemporary state of stress and neotectonic deformation in the Carpathian‐Pannonian region | |
| CN115931602A (zh) | 无水砂层中矩形顶管施工管土剪切特性现场试验方法、试验装置 | |
| Viana da Fonseca et al. | Improved laboratory techniques for advanced geotechnical characterization towards matching in situ properties | |
| CN102200496A (zh) | 重塑土室内中型剪切试验方法及其专用设备 | |
| CN208309657U (zh) | 一种大型原位抗滑桩模型试验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180921 |