CN110579397B - 一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具和试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土工程试验技术领域，公开了一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具和试验方法，试验夹具包括夹具主体、剪切块、两个铰接支架和两块侧压力板；夹具主体上沿竖直方向设置有贯穿上下表面的剪切凹槽，前端面上设置有向后端面水平延伸但未贯穿夹具主体的试件槽，两块侧压力板对称设置在试件槽两侧，侧压力板外侧均固定设置有一万向头，万向头内设置有球形腔室，球形腔室内设置有可沿球形腔室内壁转动的转向小球；两个铰接支架对称设置在夹具主体两侧；剪切块设置在剪切凹槽内。本发明结构简单，试验过程中只需要更换试件和砝码就可以控制变量，有效地简化了试验流程，大大节省试验经费。

Description

一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具和试验方法
技术领域
本发明涉及一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，属于岩土工程试验技术领域以及建筑工程技术领域。
背景技术
工程实践和室内试验均证明，剪切破坏是岩土体破坏的重要形式，岩土体的抗剪强度关系着岩土工程的稳定性。目前确定岩土体抗剪强度的方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验和变角剪切压模试验等方法。当前应用最多的是变角剪切压模试验，此种试验方法每次试验都需要至少三组试验夹具，且在试验过程中需要不断手动更换夹具。夹具本身尖锐且笨重，容易伤到试验者；当夹具角度较大时，在试验机施加力前无法平稳地放置夹具，需要人为手扶，这就使得试验过程更加的复杂与繁琐，没有直接剪切方便快捷。
因此，考虑到试验的准确性和便捷性，本发明从限制性剪切强度试验的原理出发，发现采用试件端部受压双面剪切试验可以更加方便准确地得到莫尔强度包络线，从而得出粘聚力c和内摩擦角φ，使得试验的操作更为便捷，且应用本发明所做的试验属于直接剪切试验，所得数据更加精确。
发明内容
为了解决现有土工试验中变角剪切压模试验操作繁琐且精度不高的问题，本发明提供了一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，将变角剪切转化为直接剪切，且无需直接剪切试验机，只需单轴压缩试验机即可进行。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，包括夹具主体、剪切块、两个铰接支架和两块侧压力板；
所述夹具主体上沿竖直方向设置有贯穿上下表面的剪切凹槽，前端面上设置有向后端面水平延伸但未贯穿夹具主体的试件槽，两块侧压力板对称设置在所述试件槽两侧，所述侧压力板外侧均固定设置有一万向头，所述万向头内设置有球形腔室，球形腔室内设置有可沿球形腔室内壁转动的转向小球；
两个铰接支架对称设置在夹具主体两侧，所述铰接支架包括一端固定连接在一起的第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第三连杆位于第一连杆和第二连杆之间，其一端通过转轴与所述夹具主体铰接，所述第一连杆沿竖直方向设置，所述第二连杆沿水平方向设置，且所述第二连杆的另一端沿垂直于试件槽侧壁的方向穿过所述夹具主体与转向小球固定连接；
所述剪切块设置在所述剪切凹槽内，与所述剪切凹槽的侧壁紧密贴合，并位于设置在所述试件槽内的试件上方。
所述第一连杆上方固定设置有砝码托盘。
所述试件槽的内部边界位于所述剪切凹槽的两个边界之间。
所述试件槽位于夹具主体的中部偏下位置。
所述夹具主体内还设置有从所述试件槽的两侧向外延伸至夹具主体外侧面的万向头容置槽，所述万向头容置槽用于容纳所述万向头和第一连杆。
所述转向小球上靠近第二连杆的一侧设置有螺纹孔，所述第二连杆的另一端设置有螺纹杆，第二连杆与转向小球通过螺纹连接。
所述剪切块的顶部高于所述夹具主体的上表面2~3cm。
此外，本发明还提供了一种便捷式限制性双面剪切强度试验方法，采用所述的试验夹具，包括以下步骤：
S1、将试验夹具放置在单轴压缩机的压缩平台之间，将试件放入试件槽中，剪切块从上方放入剪切凹槽中；
S2、启动单轴压缩机，通过剪切块对放置在试件槽里的试件施加垂直方向上的压力，进行双面剪切；当试验机出现压力突变或者试件被剪切出两道明显裂痕时停止试验机，然后将试验机复位；
S3、更换试件及调节铰接支架上的砝码托盘上的砝码质量，重复步骤S2的试验，得到多个σ-г的组合，然后处理数据得到莫尔强度包络线，进而计算得出试件的粘聚力c和内摩擦角φ，其中，σ和г分别表示试件的应力和应变。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1．本发明提供的一种试验装置，结构简单，加工难度小，造价低，并且对试验条件的要求较低，且容易操作便于快速推广；
2．本发明提供的一种试验装置，可以对试件进行端部受压双面剪切试验，该装置使用时放置在单轴压缩机的压缩平台之间，一方面可以通过改变砝码的质量，来调节试件水平方向上的压力，另一方面可以通过单轴压缩机对试件施加垂直方向的压力，进行双面剪切；因此，本发明的试验夹具可以得出多个σ-г（应力-应变）的组合，从而可以得出莫尔强度包络线，以便于得出试件的粘聚力c和内摩擦角φ。因砝码的质量控制起来比较简单，因此可以设置多组变量，从而可以拟合出更精确的莫尔强度包络线；
3．本发明在试验过程中，侧压力加载方式为砝码重力转化，可以保证在试验期间所加载的力大小恒定，加载简单方便；只需要更换试件和砝码，无需频繁变动夹具，可以很大程度上节省时间，且操作起来简单易行，仅需一人便可进行试验。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1中A-A′面的剖视图；
图5为图2中B-B’面的剖视图；
图6是本发明实施例的试验夹具放在单轴压缩试验机中的立体示意图。
图中，1为试件槽，2为侧压力板，3为万向头，4为铰接支架，5为转轴，6为砝码托盘，7为夹具主体，8为剪切块，9为剪切凹槽，10为单轴压缩试验机，11为第一连杆，12为第二连杆，13为第三连杆，14为转向小球，15为万向头容置槽，16为试件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本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作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1~5所示，本发明实施例提供了一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，包括夹具主体7、剪切块8、两个铰接支架4和两块侧压力板2。所述夹具主体是一个连贯的整体，其整体外观为一长方体，内部留设有试件槽和剪切凹槽，其整体呈左右对称。
其中，所述夹具主体7上沿竖直方向的中心位置设置有贯穿上下表面的剪切凹槽9，宽度比夹具主体7宽度小，不会将夹具主体分割为两半；前端面上设置有向后端面水平延伸但未贯穿夹具主体7的试件槽1，其整体呈左右对称，两块侧压力板2对称设置在所述试件槽1两侧，所述侧压力板2外侧均固定设置有一万向头3，所述万向头3内设置有球形腔室，球形腔室内设置有可沿球形腔室内壁转动的转向小球14。如图4和图5所示，试件槽1的左右两端的侧压力板2起到水平加载的作用，两个侧压力板2将试件16加持其中，为试件施加水平方向的力，同时也起到限制试件位置的作用。
其中，两个铰接支架4对称设置在夹具主体7两侧，所述铰接支架4包括一端固定连接在一起的第一连杆11、第二连杆12和第三连杆13，所述第三连杆13位于第一连杆11和第二连杆12之间，其一端通过转轴5与所述夹具主体7铰接，所述第一连杆11沿竖直方向设置，所述第二连杆12沿水平方向设置，且所述第二连杆12的另一端沿垂直于试件槽1侧壁的方向穿过所述夹具主体7与转向小球14固定连接。
其中，所述剪切块8设置在所述剪切凹槽9内，与所述剪切凹槽9的左右方向上的侧壁紧密贴合，并位于设置在所述试件槽1内的试件的上方。
具体地，本实施例中，所述第一连杆11上方固定设置有砝码托盘6。试验过程中要保证左右两边的砝码质量相等，确保施加在试件上的水平力相等。
具体地，如图2所示，所述试件槽1的内部边界位于所述剪切凹槽9的两个边界之间。也就是说，试件槽的内部边界不会超过剪切凹槽靠近夹具主体7后侧面的边界。这样，进行剪切试验时，试件的前后表面都位于剪切块8的可接触范围内，有利用剪切试验的进行。
具体地，本实施例中，所述试件槽1位于夹具主体7的中部偏下位置。
具体地，本实施例中，所述夹具主体7内还设置有从所述试件槽1的两侧向外延伸至夹具主体7外侧面的万向头容置槽15，所述万向头容置槽15用于容纳所述万向头3和第一连杆12，此外，所述夹具主体7上位于试件槽1两侧还对称设置有2个贯穿前后表面的转轴孔，转轴孔用于设置转轴5；所述夹具主体7的两侧面还设置有贯穿至转轴孔的连杆孔，所述连杆孔用于使第三连杆13穿过夹具主体7与设置在转轴孔内的转轴5固定在一起。也就是说，转轴5设置在转轴孔内，并穿过第三连杆13的端部的通孔，进而将铰接支架4转动固定在夹具主体7上。
具体地，本实施例中，所述转向小球14上靠近第二连杆12的一侧设置有螺纹孔，所述第二连杆的另一端设置有螺纹杆，第二连杆12转向小球14通过螺纹连接。
具体地，本实施例中，所述剪切块8的顶部高于所述夹具主体7的上表面2~3cm。也就是说，其高度要比试件槽1的上边界到夹具主体7的上表面之间的距离高出2~3cm，此外，剪切块8的宽度要与剪切凹槽基本相同，即剪切块与剪切凹槽紧密贴合，保证在试验过程中剪切力的方向为竖直向下，其长度应该大于试件长度，以保证试件的长度方向都与剪切块8接触；剪切块8还要足够光滑，便于试验结束后将剪切块复位，且可以避免摩擦力对试验结果造成不必要的影响。
以夹具主体7左右方向为宽度方向，前后方向为长度方向，本发明实施例中，试验夹具整体以夹具主体7沿长度方向的中线为对称轴，呈左右对称，每一个部件都成对存在。
此外，本发明实施例还提供了一种便捷式限制性双面剪切强度试验方法，采用上述的试验夹具，包括以下步骤：
S1、如图6所示，将试验夹具放置在单轴压缩机10的压缩平台之间，将试件放入试件槽1中，剪切块8从上方放入剪切凹槽9中；
S2、启动单轴压缩机10，通过剪切块8对放置在试件槽1里的试件施加垂直方向上的压力，进行双面剪切；当试验机出现压力突变或者试件被剪切出两道明显裂痕时停止试验机，然后将试验机复位；
S3、更换试件及调节铰接支架4上的砝码托盘上的砝码质量，重复步骤S2的试验，得到多个σ-г的组合，然后处理数据得到莫尔强度包络线，进而计算得出试件的粘聚力c和内摩擦角φ，其中，σ和г分别表示试件的应力和应变。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，包括夹具主体（7）、剪切块（8）、两个铰接支架（4）和两块侧压力板（2）；
所述夹具主体（7）上沿竖直方向设置有贯穿上下表面的剪切凹槽（9），前端面上设置有向后端面水平延伸但未贯穿夹具主体（7）的试件槽（1），两块侧压力板（2）对称设置在所述试件槽（1）两侧，所述侧压力板（2）外侧均固定设置有一万向头（3），所述万向头（3）内设置有球形腔室，球形腔室内设置有可沿球形腔室内壁转动的转向小球（14）；
两个铰接支架（4）对称设置在夹具主体（7）两侧，所述铰接支架（4）包括一端固定连接在一起的第一连杆（11）、第二连杆（12）和第三连杆（13），所述第三连杆（13）位于第一连杆（11）和第二连杆（12）之间，其一端通过转轴（5）与所述夹具主体（7）铰接，所述第一连杆（11）沿竖直方向设置，所述第二连杆（12）沿水平方向设置，且所述第二连杆（12）的另一端沿垂直于试件槽（1）侧壁的方向穿过所述夹具主体（7）与转向小球（14）固定连接；
所述剪切块（8）设置在所述剪切凹槽（9）内，与所述剪切凹槽的侧壁紧密贴合，并位于设置在所述试件槽（1）内的试件上方；所述第一连杆（11）上方固定设置有砝码托盘（6）。
2.根据权利要求1所述的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，所述试件槽（1）的内部边界位于所述剪切凹槽（9）的两个边界之间。
3.根据权利要求1所述的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，所述试件槽（1）位于夹具主体（7）的中部偏下位置。
4.根据权利要求1所述的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，所述夹具主体（7）内还设置有从所述试件槽（1）的两侧向外延伸至夹具主体（7）外侧面的万向头容置槽（15），所述万向头容置槽（15）用于容纳所述万向头（3）和第一连杆（11）。
5.根据权利要求1所述的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，所述转向小球（14）上靠近第二连杆（12）的一侧设置有螺纹孔，所述第二连杆的另一端设置有螺纹杆，第二连杆（12）与转向小球（14）通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种便捷式限制性双面剪切强度试验夹具，其特征在于，所述剪切块（8）的顶部高于所述夹具主体（7）的上表面2~3cm。
7.一种便捷式限制性双面剪切强度试验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的试验夹具，包括以下步骤：
S1、将试验夹具放置在单轴压缩机（10）的压缩平台之间，将试件放入试件槽（1）中，剪切块（8）从上方放入剪切凹槽（9）中；
S2、启动单轴压缩机（10），通过剪切块（8）对放置在试件槽（1）里的试件施加垂直方向上的压力，进行双面剪切；当试验机出现压力突变或者试件被剪切出两道明显裂痕时停止试验机，然后将试验机复位；
S3、更换试件及调节铰接支架（4）上的砝码托盘上的砝码质量，重复步骤S2的试验，得到多个σ-г的组合，然后处理数据得到莫尔强度包络线，进而计算得出试件的粘聚力c和内摩擦角φ，其中，σ和г分别表示试件的应力和应变。
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