CN110320113B - 一种土岩界面原状试样扭剪试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种土岩界面原状试样扭剪试验装置,包括承载框架，承载框架内设有试样固定单元，试样固定单元上方设有法向应力加载单元，试样固定单元侧向设有环向剪切单元；所述试样固定单元包括套筒、试样、岩板，其中试样置于套筒内，套筒置于岩板上方，承载框架底部的固定轴杆穿过岩板、套筒并伸入到试样中；所述法向应力加载单元包括依次设置在套筒上方的传力板、千斤顶、压力传感器及垫板；所述环向剪切单元包括安装在套筒上的蜗轮蜗杆机构。本发明专利提供的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，可以进行原状试样的扭剪试验，同时可避免剪切面上剪应力分布不均匀。

Description

一种土岩界面原状试样扭剪试验装置及方法
技术领域
本发明专利涉及一种土岩界面扭剪装置及使用方法，具体的说，涉及岩土工程测试技术领域中的土岩界面原状试样扭剪试验，适用于土体和基岩接触界面的抗剪强度测试。
背景技术
在岩土工程中，剪切破坏是土和岩石破坏和变形的主要形式之一，基本上都是由于剪切破坏引起的，岩土工程的失稳和破坏都伴随着剪切位移的发展而发展。同时，在实际工程中，很多堆积体滑坡都是沿着土岩接触面发生的剪切滑动，因此，有必要对土岩接触面的抗剪性能开展试验研究。
如何通过试验快速获取准确、客观反映实际的抗剪强度参数，已经成为工程技术人员普遍关注的课题。直剪试验作为基础试验方法被广泛应用，其优点在于设备简单、操作容易和试验历时短，在工程中被广泛使用。但是其也具有显著的缺点，例如剪切面上剪应力分布不均匀，剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；在剪切过程中，试样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按试样的原截面积计算的。因此测得的土岩界面的抗剪强度偏小且不精确。另一个方面，在目前的较多剪切试验中，通常采用重塑试样，与原状试样物理、力学性质差异显著。因此，急需发明一种可以进行土岩界面原状试样剪切的装置，同时消除直剪试验中存在的问题。
发明内容
本发明专利所要解决的技术问题是提供一种土岩界面原状试样扭剪试验装置及方法，克服土岩界面直剪试验过程中土岩剪切面逐渐缩小以及应力集中的问题，提供一种集法向应力加载与环向剪切为一体的土岩界面原状试样扭剪装置及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明专利所采用的技术方案是：
一种土岩界面原状试样扭剪试验装置,包括承载框架，承载框架内设有试样固定单元，试样固定单元上方设有法向应力加载单元，试样固定单元侧向设有环向剪切单元；
所述试样固定单元包括套筒、试样、岩板，其中试样置于套筒内，套筒置于岩板上方，承载框架底部的固定轴杆穿过岩板、套筒并伸入到试样中；
所述法向应力加载单元包括依次设置在套筒上方的传力板、千斤顶、控制器、压力传感器及垫板；千斤顶通过加压泵加压并通过压力传感器检测
所述环向剪切单元包括安装在套筒上的蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，蜗杆通过轴承安装在承载框架上并通过手轮带动转动；手轮与蜗杆之间安装扭矩传感器，套筒一侧安装旋转传感器。
所述试样通过入渗单元供水；入渗单元包括伸入到试样中的进水导管，进水导管另一端与盛水容器连接，盛水容器另一端通过出水导管与水源连接；所述进水导管、出水导管上分别设有进水阀、出水阀。
所述传力板与试样之间设有透水石，进水导管进口端伸入到透水石以下。
所述盛水容器上设有刻度。
所述水源、盛水容器、试样位置依次从高到低设置。
所述垫板与承载框架顶端之间设有滚排。
所述压力传感器采用电阻式压力传感器，型号为FSR402电阻式薄膜压力传感器。
所述扭矩传感器型号为为JNNT-S。
所述旋转传感器型号为WIFI-901,同套筒一起旋转，将旋转角度数据通过无线传输模式将数据传输给无线接收器，无线接收器再将数据传输到服务器。
一种土岩界面原状试样扭剪试验方法，包括以下步骤：
第一步、现场采用特制的取土环刀采集要试验的原状试样，切割一定尺寸的岩板，密封后运回试验室；
第二步、将切有试样的环刀刃口向上，反放在套筒上用推土塞将原状试样推入套筒内；
第三步、将承载框架的左竖直立板、右竖直立板安装在底板上，接着安装顶板形成一封闭的空间；
第四步、将岩板放在底板上，然后将装有试样的套筒放在岩板中心，通过固定轴杆和锚具来限制套筒的水平位移，同时也限制了套筒与岩板之间的相对位移；
第五步、将旋转传感器通过螺栓固定安装在套筒一侧，随套筒一起旋转。
第六步、在套筒上面放置传力板，传力板与套筒间铺设透水石，将进水导管一端与套筒和传力板上的圆形进水口相连，另一端与盛水容器相连，盛水容器与水源之间通过出水导管相连；打开出水阀使盛水容器装有一定刻度的水，打开进水阀，通过进水阀来控制水的流量，观测记录盛水容器侧壁刻度的变化数值。
第七步、在传力板上面依次放置垫板、千斤顶、传感器、垫板、滚排，伸长千斤顶，传力板，垫板、千斤顶、传感器的中轴线处于同一垂直线上，从而施加法向应力，观测记录压力表盘上的数据；
第八步、在套筒上安装蜗轮，蜗杆通过轴承固定安装在底板上，在蜗杆与手轮之间安装扭矩传感器，均匀的转动手轮，带动蜗杆旋转，蜗杆带动蜗轮旋转进而带动套筒以及套筒内试样旋转来完成扭转力的施加，均匀的转动手轮，每转一圈，同时读取并记录扭矩传感器与旋转传感器的读数一次，随着旋转传感器读数的增加，直到扭矩传感器的读数趋于稳定或降低，试样被剪坏，即可停止这一试样的试验。
第九步、卸除垂直荷载，取出试样，并在剪切面附近取出约30～40克的试样，装于盒中，以测定试验后试样含水量率。
第十步、试验完毕后，除去套筒和仪器上的余土，然后将仪器装置复原。
本发明专利一种土岩界面原状试样扭剪试验装置及方法，具有以下技术效果：目前，获取土岩界面剪切破坏的抗剪强度参数一般采用直剪试验,但是直剪试验中，剪切面上剪应力分布不均匀，剪切破坏时先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象；再者，在剪切过程中，试样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按试样的原截面积计算的，导致测得的土岩界面的抗剪强度偏小；同时，以往试验都未考虑降雨或者库水入渗对土岩界面剪切性能的影响，土岩界面剪切试验一般在天然或者饱水状态下进行，而且制样的过程中，一般采用重塑试样，这些都导致了测试结果不能真实准确反映土岩界面的剪切性能。而本申请通过蜗轮蜗杆系统实现扭转力的施加，克服了直剪试验中土岩剪切面积变化及应力集中的问题；通过制备原状试样，采用入渗单元还可以模拟降雨入渗、库水位升降变化过程中等多种情况下土岩界面剪切试验，从而能够快速获取准确、客观反映实际的抗剪强度参数。本发明的装置既可以在室内进行试验，也可以很好的满足现场土岩界面扭剪试验的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明：
图1为本发明土岩界面扭剪装置的主视图。
图2为本发明土岩界面扭剪装置的俯视图。
图3为本发明土岩界面扭剪装置的侧视图。
图4为本发明中套筒的结构示意图。
图5为本发明中套筒的半剖视图。
图6为本发明中推土塞的结构示意图。
图7为本发明中环刀的结构示意图。
图8为本发明中滚排装置的俯视图。
图9为本发明中旋转传感器的原理图。
图中：顶板1，底板2，左竖直立板3，右竖直立板4，垫板5，传感器6，液压千斤顶7，传力板8，套筒9，试样10，固定轴杆11，锚具12，岩板13，蜗轮14，蜗杆15，轴承16，手轮杆17，手轮18，旋转传感器19，扭矩传感器20，控制器21，导线22，加压泵23，压力表盘24，进水阀25，进水导管26，盛水容器27，出水导管28，出水阀29，盛水容器侧壁刻度30，托盘31，支架32，水源33，滚排34，透水石35。
具体实施方式
如图1-4所示，一种土岩界面原状试样扭剪试验装置,包括承载框架，承载框架内设有试样固定单元，试样固定单元上方设有法向应力加载单元，试样固定单元侧向设有环向剪切单元；另外还设有入渗单元，入渗单元是为了给试样供水，模拟含水状态下的土岩界面扭剪试验
具体地，所述承载框架包括顶板1、底板2、左竖直立板3和右竖直立板4，从而形成一封闭的空间，来进行扭剪试验。
所述试样固定单元包括套筒9、试样10、岩板13，其中，试样10置于套筒9内，套筒9置于岩板13上方。而岩板13则放在底板2上，且底板2上通过锚具12固定有固定轴杆11，固定轴杆11穿过岩板13、试样10且与套筒9中心轴线重合。通过固定轴杆和锚具来限制套筒的水平位移，同时也限制了套筒与岩板之间的相对位移。固定轴杆11上端穿过套筒9与上部传力板8，通过锚具连接，与下端连接方式一样。
另外，套筒9的内壁沿轴线方向设有凸起条纹，这样一方面便于将试样推入套筒内，另一方面增加套筒与试样之间的摩擦力，以保证试验过程中套筒和试样一起绕固定轴杆11转动。
所述岩板13为现场切割成一定尺寸的基岩岩块。
所述试样是采用特制的取土环刀采集要试验的原状试样。取土环刀的内径与套筒相同，取土环刀的长度大于套筒。特制的取土环刀的好处是现场取样、运输，可以保证试样的原状性能，方便推入套筒，不扰乱土的原状。
所述法向应力加载单元包括依次设置在套筒9上方的传力板8、千斤顶7、压力传感器6及垫板5；其中，垫板5设置在顶板1下方，顶板1与垫板5之间设有滚排34，滚排的好处是在进行土岩界面扭剪实验时，消除顶板1与垫板5之间的摩擦力，减小误差。这里垫板5与压力传感器6相连，压力传感器6与千斤顶7相连，千斤顶7下方放置垫板5，垫板5与传力板8相连，传力板8下端与套筒9连接来完成法向应力的施加。施加法向应力时，所述垫板5、压力传感器6、传力板8、千斤顶7的中轴线处于同一垂直线上。在连接各个元件的时候，保证各个元件的中心相对应。
所述千斤顶7通过加压泵23供压，加压泵23上安装有压力表盘24，压力表盘24用来记录施加法向应力的大小。加压泵23型号为MSA63-2-I空气自动增压泵。
这里的压力传感器6采用电阻式压力传感器，压力传感器6型号为FSR402电阻式薄膜压力传感器，通过压阻效应将压力信号转化为电信号的装置，在本实验中把信号传递给控制器，控制器控制加压泵23，使得千斤顶7施加不同的压力，从而实现法向应力的控制。控制器的型号为YWK-50-C压力控制器。
所述环向剪切单元包括安装在套筒9上的蜗轮14，蜗轮14与蜗杆15啮合，蜗杆15通过轴承安装在底板2上并通过手轮17带动转动；当手轮17带动蜗杆15转动时，蜗轮14转动并带动套筒9及试样10一起转动。而在所述套筒9一侧通过螺栓固定安装旋转传感器19，旋转传感器19型号为WIFI-901,同套筒9一起旋转，将旋转角度数据通过无线传输模式将数据传输给无线接收器36，无线接收器36再将数据传输到服务器37。
所述入渗单元包括伸入到试样10中的进水导管26，进水导管26另一端与盛水容器27连接，盛水容器27另一端通过出水导管28与水源33连接；所述进水导管26、出水导管28上分别设有进水阀25、出水阀29。
所述传力板8与试样10之间设有透水石35，进水导管26进口端伸入到透水石35以下。透水石的好处是使进水管道26里的水均匀的渗入试样内。
所述盛水容器27上设有刻度30。便于计算水的入渗量。
所述水源33、盛水容器27、试样10位置依次从高到低设置。当打开相应的阀门时，可自动出水。
工作原理及过程：
1)、制备与安装
制备内壁设有顺轴向凸起条纹的套筒9，将切有试样10的环刀刃口向上，反放在套筒9上，用推土塞将试样10压人套筒9内。从现场切割一定尺寸的岩板13带回实验室。
制备承载框架，将左竖直立板3和右竖直立板4安装在底板2上，接着安装顶板1形成一封闭的空间。将现场切割的一定尺寸的岩板13放在底板2上，然后将装有试样的套筒9放在岩板13上。
接着通过固定轴杆11和锚具12将装有试样的套筒9与岩板13以及底板2相连，以此固定装有试样的套筒9与岩板13来限制其水平位移，同时也限制了套筒9与岩板13之间的相对位移。
再接着在套筒9上放置传力板8，传力板8与套筒9间铺设透水石35，将进水导管26一端与套筒9和传力板8上的圆形进水口相连，另一端与盛水容器27相连，盛水容器27与水源通33通过出水导管28相连；打开出水阀29使盛水容器27装有一定刻度的水，打开进水阀25，使水流入试样，通过进水阀25来控制水的流量。通过盛水容器侧壁的刻度来记录水的入渗量。
2)、法向应力的施加、检测
然后在传力板8上面依次放置垫板5、千斤顶7、压力传感器6、垫板5，垫板5与顶板1间设滚排，伸长千斤顶，传力板8，垫板5、千斤顶6、压力传感器6的中轴线处于同一垂直线上，从而施加法向应力。
压力表盘安装在压力泵上，用来记录施加法向应力的大小。
3)、扭转力的施加、检测
在套筒9上安装蜗轮14，蜗杆15通过轴承固定安装在底板上，在蜗杆15与手轮17之间安装扭力传感器20，均匀转动手轮17，带动蜗杆15旋转，蜗杆15带动蜗轮14旋转进而带动套筒9以及套筒9内的试样旋转来完成扭转力的施加。
转动手轮的同时要观测扭力传感器20与旋转传感器19的读数，当扭力传感器20读数趋于某一稳定数值或降低时，其对应旋转传感器19读取的角位移读数持续增大且无法稳定，说明土岩界面发生了破坏；
这里套筒9采用钢套筒，能将法向应力传递给试样，套筒9内设有凸槽，使得套筒与试样紧密贴合，施加扭转力时能带试样一起扭转，从而完成对试样扭转力的施加。剪坏的具体意思就是土岩界面的抗剪强度(或抗扭力矩)达到了最大值并趋于稳定或者降低，其对应的角位移持续增大且无法稳定，即为土岩界面发生了破坏，套筒9不发生破坏。
当土岩界面剪切破坏时，同时读取并记录扭矩传感器20与旋转传感器19的读数，扭矩传感器20读取土岩界面扭剪实验时的扭矩值，旋转传感器19读取土岩界面扭剪实验时的角位移，分别可得到土岩界面上的剪应力与平均剪位移，从而可绘制剪切应力-剪切位移曲线来分析扭剪实验时土岩界面的剪切行为，得到土岩界面的抗剪强度参数。
土岩界面剪切破坏时，其抗扭力矩是由圆柱体试样的下表面与岩板的接触面的剪应力产生的抗扭力矩，该抗扭力矩应与通过扭矩传感器所检测的扭矩相等，由力学知识可知，土岩界面的扭矩M与剪应力τ满足以下关系式：
Figure BDA0002136866280000071
式中,τ为土岩界面上的剪应力(N/mm2),R为试样半径(mm)，M为扭矩传感器检测的土岩界面力矩值(N·mm)。
再经上式(1)变形，土岩界面的剪应力按如下公式(2)计算：
Figure BDA0002136866280000072
式中，τ为土岩界面上的剪应力(N/mm2)，R为土岩界面的最大半径(mm)，M为扭矩传感器检测的土岩界面力矩值(N·mm)。
土岩界面的平均剪位移可按如下公式(3)计算：
Figure BDA0002136866280000073
式中，R为试样半径(mm),θ为旋转传感器检测的土岩界面角位移(°)。

Claims (7)

1.一种土岩界面原状试样扭剪试验装置,其特征在于：包括承载框架，承载框架内设有试样固定单元 ，试样固定单元上方设有法向应力加载单元，试样固定单元侧向设有环向剪切单元；
所述试样固定单元包括套筒（9）、试样（10）、岩板（13），其中试样（10）置于套筒（9）内，套筒（9）内设有凸槽，套筒（9）置于岩板（13）上方， 承载框架底部的固定轴杆（11）穿过岩板（13）、套筒（9）并伸入到试样（10）中；
所述法向应力加载单元包括依次设置在套筒（9）上方的传力板（8）、千斤顶（7）、压力传感器（6）及垫板（5）；千斤顶（7）通过加压泵（23）加压并通过压力传感器（6）检测；
所述环向剪切单元包括安装在套筒（9）上的蜗轮（14），蜗轮（14）与蜗杆（15）啮合，蜗杆（15）通过轴承安装在承载框架上并通过手轮（17）带动转动；手轮（17）与蜗杆（15）之间安装扭矩传感器（20），检测对套筒（9）施加的扭矩力，套筒（9）一侧安装旋转传感器（19），旋转传感器（19）同套筒（9）一起旋转。
2.根据权利要求1所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述试样（10）通过入渗单元供水；入渗单元包括伸入到试样（10）中的进水导管（26），进水导管（26）另一端与盛水容器（27）连接，盛水容器（27）另一端通过出水导管（28）与水源（33）连接；所述进水导管（26）、出水导管（28）上分别设有进水阀（25）、出水阀（29）。
3.根据权利要求2所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述传力板（8）与试样（10）之间设有透水石（35），进水导管（26）进口端伸入到透水石（35）以下。
4.根据权利要求3所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述盛水容器（27）上设有刻度（30）。
5.根据权利要求2所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述水源（33）、盛水容器（27）、试样（10）位置依次从高到低设置。
6.根据权利要求1所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述垫板（5）与承载框架顶端之间设有滚排(（34）。
7.根据权利要求1所述的一种土岩界面原状试样扭剪试验装置，其特征在于：所述压力传感器（6）采用电阻式压力传感器。
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