CN109085050A - 一种应力控制式直剪仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应力控制式直剪仪，属于岩土工程领域。本发明解决了工程实际中常采用应变控制式直剪仪而缺乏应力控制式直剪仪的数据，使工程实际中的数据更充分；解决了常规试验中由于砝码施加荷载所带来的误差，解决了常规试验中由于人工读数给试验带来的误差，减少试验工作量。通过本申请可提供工程实际大量可靠资料，大大减小了由于资料不充分给工程设计带来的设计缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力控制式直剪仪，属于岩土工程领域。
背景技术
直剪试验对同一种土（重度和含水量相同）通常至少取四个试样，一般分别在垂直压力（100、200、300、400kPa）作用下，施加水平力进行剪切，取得水平破坏时的剪应力，然后根据Coulomb强度理论确定土的抗剪强度指标（粘聚力和内摩擦角）。
直剪仪是土工试验中最常规的一种类实验设备，我国普遍采用的是应变控制式直剪仪。在常规的直剪试验土工测试技术中，采用砝码加载，而砝码的重量往往比较大，施加造成砝码时产生很大的惯性力，特别是像软土等对受力比较敏感的土采用砝码施加的瞬时荷载，往往会使试验结果造成不可避免的误差。在常规的直剪试验土工测试技术中采用人工读数来记录实验数据，人工读数常存在主观因素和客观因素带来的误差，且增加了工作量。
然而目前工程中剪切破坏往往使岩土体失稳，支护工程中主要控制岩土体剪切力和剪切位移的发展，因此，通过施加剪切力对岩土体进行试验，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中意义重大，应力控制式直剪仪在工程实际中也非常重要。
发明内容
本发明提供了一种应力控制式直剪仪，以解决工程实际中常采用应变控制式直剪仪而缺乏应力控制式直剪仪的数据，使工程实际中的数据更充分等。
本发明的技术方案是：一种应力控制式直剪仪，包括储水盒1、下剪切盒2、上剪切盒3、加压盖4、透水石5、传力杆6、条形刚体7、反力台8、水平受力横杆10、实验平台11、竖向荷载力传力杆12、竖向荷载加压横杆13、定滑轮14、竖向加荷系统受力组件16-1、水平加荷系统受力组件16-2、竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2；
所述下剪切盒2和上剪切盒3上下开口，下剪切盒2安装在顶面开口的储水盒1中且与储水盒1为一体结构，上剪切盒3放置在下剪切盒2上，加压盖4嵌入上剪切盒3中，储水盒1、下剪切盒2、上剪切盒3和加压盖4形成的空间中从下住上依次放置透水石5、试样17、透水石5，透水石5与试样17接触的表面垫有滤纸或者不透水塑料膜，下剪切盒2的底部设有孔用于储水盒1中的水经透水石5渗入试样17中，储水盒1的顶面高于下剪切盒2的顶面用于储水盒1中的水进入试样17；
加压盖4的上端连接竖向荷载加压横杆13的中部底端，竖向荷载加压横杆13的两端分别通过竖向荷载力传力杆12经线性材料与竖向加荷系统受力组件16-1连接，竖向加荷系统受力组件16-1的下方设有固定在实验平台11一侧上的竖向加荷系统施力组件19-1；
储水盒1的一侧连接水平受力横杆10中部的一侧，水平受力横杆10的两端通过线性材料经固定在实验平台11末端的定滑轮14连接水平加荷系统受力组件16-2，水平加荷系统受力组件16-2的下方设有固定在实验平台11另一侧上的水平加荷系统施力组件19-2；
储水盒1的另一侧上方设有的传力杆6的一端与上剪切盒3的一侧连接，传力杆6的另一端与条形刚体7的一端连接，条形刚体7的另一端及底面与固定在实验平台11上的反力台8连接。
所述上剪切盒3放置在下剪切盒2上，通过固定销21插入上剪切盒3、下剪切盒2上的限位孔并拧紧使得上剪切盒3和下剪切盒2不产生相对位移。
所述水平受力横杆10中部的另一侧、竖向荷载加压横杆13的中部顶端分别通过磁性表座连接数显百分表9，数显百分表9采集的数据通过数据线传输至计算机18；安装在竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2上的力传感器20用于采集应数据并通过数据线将数据传输至计算机18。
所述线性材料为钢绞线15。
所述竖向加荷系统受力组件16-1与水平加荷系统受力组件16-2结构相同，竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2结构相同；竖向加荷系统受力组件16-1为与竖向加荷系统施力组件19-1产生吸力的物块，竖向加荷系统施力组件19-1为电磁铁，竖向加荷系统施力组件19-1由线圈量和电流控制其磁力大小。
所述产生吸力的物块为电磁铁、铁块。
本发明的有益效果是：本发明解决了工程实际中常采用应变控制式直剪仪而缺乏应力控制式直剪仪的数据，使工程实际中的数据更充分；解决了常规试验中由于砝码施加荷载所带来的误差，解决了常规试验中由于人工读数给试验带来的误差，减少试验工作量。通过本申请可提供工程实际大量可靠资料，大大减小了由于资料不充分给工程设计带来的设计缺陷。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的A-A'剖面图；
图3是本发明的直剪试验试样受力示意图；
图4是本发明的直剪试验强度线图；
图中各标号：1-储水盒；2-下剪切盒；3-上剪切盒；4-加压盖；5-透水石；6-传力杆；7条形刚体；8-反力台；9-数显百分表；10-水平受力横杆；11-实验平台；12-竖向荷载力传力杆；13-竖向荷载加压横杆；14-定滑轮；15-钢绞线；16-1-竖向加荷系统受力组件；16-2-水平加荷系统受力组件；17-试样；18-计算机；19--1竖向加荷系统施力组件；19-2-水平加荷系统施力组件；20-力传感器；21-固定销。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-图4所示，一种应力控制式直剪仪，包括储水盒1、下剪切盒2、上剪切盒3、加压盖4、透水石5、传力杆6、条形刚体7、反力台8、水平受力横杆10、实验平台11、竖向荷载力传力杆12、竖向荷载加压横杆13、定滑轮14、竖向加荷系统受力组件16-1、水平加荷系统受力组件16-2、竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2；所述下剪切盒2和上剪切盒3上下开口，下剪切盒2安装在顶面开口的储水盒1中且与储水盒1为一体结构，上剪切盒3放置在下剪切盒2上，加压盖4嵌入上剪切盒3中，储水盒1、下剪切盒2、上剪切盒3和加压盖4形成的空间中从下住上依次放置透水石5、试样17、透水石5，透水石5与试样17接触的表面垫有滤纸或者不透水塑料膜，下剪切盒2的底部设有孔用于储水盒1中的水经透水石5渗入试样17中，储水盒1的顶面高于下剪切盒2的顶面用于储水盒1中的水进入试样17；加压盖4的上端连接竖向荷载加压横杆13的中部底端，竖向荷载加压横杆13的两端分别通过竖向荷载力传力杆12经线性材料与竖向加荷系统受力组件16-1连接，竖向加荷系统受力组件16-1的下方设有固定在实验平台11一侧上的竖向加荷系统施力组件19-1；储水盒1的一侧连接水平受力横杆10中部的一侧，水平受力横杆10的两端通过线性材料经固定在实验平台11末端的定滑轮14连接水平加荷系统受力组件16-2，水平加荷系统受力组件16-2的下方设有固定在实验平台11另一侧上的水平加荷系统施力组件19-2；储水盒1的另一侧上方设有的传力杆6的一端与上剪切盒3的一侧连接，传力杆6的另一端与条形刚体7的一端连接，条形刚体7的另一端及底面与固定在实验平台11上的反力台8连接。
进一步地，可以设置所述上剪切盒3放置在下剪切盒2上，通过固定销21插入上剪切盒3、下剪切盒2上的限位孔并拧紧使得上剪切盒3和下剪切盒2不产生相对位移。
进一步地，可以设置所述水平受力横杆10中部的另一侧、竖向荷载加压横杆13的中部顶端分别通过磁性表座连接数显百分表9，数显百分表9采集的数据通过数据线传输至计算机18；安装在竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2上的力传感器20用于采集应力数据并通过数据线将数据传输至计算机18。
进一步地，可以设置所述线性材料为钢绞线15。
进一步地，可以设置所述竖向加荷系统受力组件16-1与水平加荷系统受力组件16-2结构相同，竖向加荷系统施力组件19-1和水平加荷系统施力组件19-2结构相同；竖向加荷系统受力组件16-1为与竖向加荷系统施力组件19-1产生吸力的物块，竖向加荷系统施力组件19-1为电磁铁，竖向加荷系统施力组件19-1由线圈量和电流控制其磁力大小（保持线圈量不变，改变电流大小；或者保持电流不变，改变线圈量）。
进一步地，可以设置所述产生吸力的物块为电磁铁、铁块。
进一步地，可以设置所述加压盖4上端设有的凹槽与竖向荷载加压横杆13中部低端的凸起配合连接，储水盒1一侧设有的凹槽与水平受力横杆10中部一侧的凸起配合连接，储水盒1的另一侧上方设有的传力杆6的一端与上剪切盒3的一侧固接（如：焊接），传力杆6的另一端的凸起与条形刚体7的一端设有的凹槽配合连接，条形刚体7的另一端及底面的凸起与固定在实验平台11上的反力台8上的凹槽配合连接。
所述加压盖4嵌入上剪切盒3中的原理同打气筒。
本发明的实验原理如下：直剪试验中，采用圆柱状试样，如图3所示，在竖直方向施加法向力P，在预定剪切面上、下加一对剪力T使试样剪切。试验时，剪力T自零开始增加，剪位移δ也自零增加。剪破时，剪力T达到最大值Tmax，对应剪破面上剪应力达到抗剪强度，即：σ=P/A；τf=Tmax/A；式中：σ-剪破面上法向应力；P、T分别为法向力和剪力，τf-剪破面上抗剪强度；Tmax-试样能承受的最大剪力；A-剪破面面积。所施加水平荷载和竖向荷载可以使用分级加载，也可以使用分别加载，通过Boltzman叠加原理或者陈氏加载法把分级加载得到的数据处理成分别加载的数据。
当采用4个试样，用不同的法向应力σ，作用于竖直方向，剪切时得到不同抗剪强度τfi。将4组(σ，τfi)，置于图4坐标系中，用最小二乘法作直线，称作库仑强度线。强度线在纵坐标上的截距为粘聚力c，强度线与水平线的夹角为内摩擦角φ。
直剪试验按法向力P和剪力T施加速度或作用时间长短分成下述三种：
1.快剪：法向力P刚加好，就快速加剪力T剪破试样。要求试样在加法向力P至剪破过程中来不及排水；
2.固结快剪：法向力P作用于试样上后，让试样固结排水，产生竖向压缩变形，待固结稳定后，再快速施加水平剪力使试样剪破。要求试样在剪切过程中来不及排水；
3.慢剪：试样在法向力P作用下固结完成后，慢速施加水平剪力T，使试样剪切至破坏。要求试样在剪切过程中孔隙水应力能及时消散。
具体的试样制备及试验如下：
（一）试样制备
按工程需要，从原状土样中切取原状土试样17或制备给定干密度及含水率的扰动试样17，整平其两端。
按密度试验和含水率试验的方法测定试样的密度和含水率，对扰动试样需要饱和时，可采用抽气饱和法进行。
每组试验至少制备4个试样，在四个不同竖向压力作用下进行剪切试验。竖向压力的大小根据现场工程荷载和土层深度确定，原则上竖向压力范围应覆盖原状土从自重应力到自重应力附加应力范围，一般可取：100，200，300，400kPa。对于软黏土应采用较小的竖向应力，以免产生挤出现象。
（二）快剪试验
对准上剪切盒3、下剪切盒2，插入固定销21，在下剪切盒2内放入下透水石5，不透水塑料膜，将试样17对准剪切盒口，放置不透水塑料膜和上透水石5，将试样17慢慢推入剪切盒2、3，移去环刀。顺序加上加压盖4及其它图1、2中所示部件。储水盒1中注入的水与其顶面平齐。
调试竖向加荷系统施力组件19-1控制其所施加竖向荷载的大小，施加竖向荷载，计算机18采集力传感器20获得的法向力数据及竖向方向上数显百分表9采集的竖向位移数据。施加竖向压力P后立即拔出固定销21，调试水平加荷系统施力组件19-2控制其所施加水平荷载的大小，施加水平荷载，计算机18采集力传感器20获得的剪力数据及水平方向上数显百分表9采集的剪位移数据。
试样剪破，结束试验。
（三）固结快剪
对准上剪切盒3、下剪切盒2，插入固定销21，在下剪切盒2内放入下透水石5，透水滤纸，将试样17对准剪切盒口，放置透水滤纸和上透水石5，将试样17慢慢推入剪切盒2、3，移去环刀。顺序加上加压盖4及其它图1、2中所示部件。
调试竖向加荷系统施力组件19-1控制其所施加竖向荷载的大小，施加竖向荷载，施加竖向压力P后，使试样在法向应力σ作用下排水固结。计算机18采集力传感器20获得的法向力数据及竖向方向上数显百分表9采集的竖向位移数据。若是饱和试样，在施加竖向压力P加上5 min以后，往储水盒1中注水与其顶面平齐；若是非饱和试样，在剪切盒四周以湿棉花，防止水分蒸发。
施加竖向压力P待固结完成后立即拔出固定销21，调试水平加荷系统施力组件19-2控制其所施加水平荷载的大小，施加水平荷载，计算机18采集力传感器20获得的剪力数据及水平方向上数显百分表9采集的剪位移数据。
试样剪破，结束试验。
（四）慢剪
对准上剪切盒3、下剪切盒2，插入固定销21，在下剪切盒2内放入下透水石5，透水滤纸，将试样17对准剪切盒口，放置透水滤纸和上透水石5，将试样17慢慢推入剪切盒2、3，移去环刀。顺序加上加压盖4及其它图1、2中所示部件。
调试竖向加荷系统施力组件19-1控制其所施加竖向荷载的大小，施加竖向荷载，施加竖向压力P后，使试样在法向应力σ作用下排水固结。计算机18采集力传感器20获得的法向力数据及竖向方向上数显百分表9采集的竖向位移数据。若是饱和试样，在施加竖向压力P加上5 min以后，往储水盒1中注水与其顶面平齐；若是非饱和试样，在剪切盒四周以湿棉花，防止水分蒸发。
施加竖向压力P待固结完成后立即拔出固定销21，调试水平加荷系统施力组件19-2控制其施加较小水平力进行剪切，计算机18采集力传感器20获得的剪力数据及水平方向上数显百分表9采集的剪位移数据，直至剪破。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种应力控制式直剪仪，其特征在于：包括储水盒（1）、下剪切盒（2）、上剪切盒（3）、加压盖（4）、透水石（5）、传力杆（6）、条形刚体（7）、反力台（8）、水平受力横杆（10）、实验平台（11）、竖向荷载力传力杆（12）、竖向荷载加压横杆（13）、定滑轮（14）、竖向加荷系统受力组件（16-1）、水平加荷系统受力组件（16-2）、竖向加荷系统施力组件（19-1）和水平加荷系统施力组件（19-2）；
所述下剪切盒（2）和上剪切盒（3）上下开口，下剪切盒（2）安装在顶面开口的储水盒（1）中且与储水盒（1）为一体结构，上剪切盒（3）放置在下剪切盒（2）上，加压盖（4）嵌入上剪切盒（3）中，储水盒（1）、下剪切盒（2）、上剪切盒（3）和加压盖（4）形成的空间中从下住上依次放置透水石（5）、试样（17）、透水石（5），透水石（5）与试样（17）接触的表面垫有滤纸或者不透水塑料膜，下剪切盒（2）的底部设有孔用于储水盒（1）中的水经透水石（5）渗入试样（17）中，储水盒（1）的顶面高于下剪切盒（2）的顶面用于储水盒（1）中的水进入试样（17）；
加压盖（4）的上端连接竖向荷载加压横杆（13）的中部底端，竖向荷载加压横杆（13）的两端分别通过竖向荷载力传力杆（12）经线性材料与竖向加荷系统受力组件（16-1）连接，竖向加荷系统受力组件（16-1）的下方设有固定在实验平台（11）一侧上的竖向加荷系统施力组件（19-1）；
储水盒（1）的一侧连接水平受力横杆（10）中部的一侧，水平受力横杆（10）的两端通过线性材料经固定在实验平台（11）末端的定滑轮（14）连接水平加荷系统受力组件（16-2），水平加荷系统受力组件（16-2）的下方设有固定在实验平台（11）另一侧上的水平加荷系统施力组件（19-2）；
储水盒（1）的另一侧上方设有的传力杆（6）的一端与上剪切盒（3）的一侧连接，传力杆（6）的另一端与条形刚体（7）的一端连接，条形刚体（7）的另一端及底面与固定在实验平台（11）上的反力台（8）连接。
2.根据权利要求1所述的应力控制式直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒（3）放置在下剪切盒（2）上，通过固定销（21）插入上剪切盒（3）、下剪切盒（2）上的限位孔并拧紧使得上剪切盒（3）和下剪切盒（2）不产生相对位移。
3.根据权利要求1所述的应力控制式直剪仪，其特征在于：所述水平受力横杆（10）中部的另一侧、竖向荷载加压横杆（13）的中部顶端分别通过磁性表座连接数显百分表（9），数显百分表（9）采集的数据通过数据线传输至计算机（18）；安装在竖向加荷系统施力组件（19-1）和水平加荷系统施力组件（19-2）上的力传感器（20）用于采集力数据并通过数据线将数据传输至计算机（18）。
4.根据权利要求1所述的应力控制式直剪仪，其特征在于：所述线性材料为钢绞线（15）。
5.根据权利要求1所述的应力控制式直剪仪，其特征在于：所述竖向加荷系统受力组件（16-1）与水平加荷系统受力组件（16-2）结构相同，竖向加荷系统施力组件（19-1）和水平加荷系统施力组件（19-2）结构相同；竖向加荷系统受力组件（16-1）为与竖向加荷系统施力组件（19-1）产生吸力的物块，竖向加荷系统施力组件（19-1）为电磁铁，竖向加荷系统施力组件（19-1）由线圈量和电流控制其磁力大小。
6.根据权利要求5所述的应力控制式直剪仪，其特征在于：所述产生吸力的物块为电磁铁、铁块。
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