CN111024521A - 一种土体现场直剪试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土体现场直剪试验装置及其使用方法，该装置包括试样保护罩、竖向加载机构和反力组件以及切向加载机构，保护罩为透明保护罩（2），其侧壁上距顶面一小段距离处设有水平刻度线（27）并且水平刻度线以上均布有多个注水孔（3）。透明保护罩进一步集透明和切削一体。本发明装置在应用时，可以观察记录试样破坏的整个过程；能够简便有效的调节试样的含水率，得到不同含水率下试样的抗剪强度指标。此外，对于滑坡土体，通过在同一抗滑桩钻孔内滑体土层、滑带土土层、滑床土层三个不同位置分别进行试验，能够解决既有试样在平面上处于不同位置产生误差的影响，所得的试验结果更加符合实际工程的需要。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种土体现场直剪试验装置及其使用方法。
背景技术
滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的一种地质现象。其根本原因在于某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度，主要受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失，甚至发生毁灭性的灾难。根据滑坡的产生原因和特点，准确得到滑坡土体的抗剪强度指标是预防和治理滑坡的关键所在。抗剪强度指标是滑坡稳定性计算和治理工程的重要条件，它对大型滑坡的治理成本以及工程可靠性起决定作用。因此，获得准确的抗剪强度指标对滑坡的有效预防和治理就显得非常重要。
目前，抗剪强度指标的获取主要有室内直剪试验、三轴试验和现场直剪试验。室内试验的试验条件较好，但是在试样的取样、运输、制备过程中容易扰动土体的天然状态，造成实验结果的失真，且具有尺寸效应。
现有的现场直剪试验技术（比如申请号201520235289. 5专利文件公开的滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置）虽然有效的解决了室内试验的不足，但依然无法满足试验参数准确获取的条件。其一在于，剪切盒编钢筋、浇筑混凝土、养护的制备时间较长且无法观察记录裂缝的发展规律。其二在于，无法获取不同含水率下试样的抗剪强度指标，不能直观的反映地下水、雨水等含水量变化对岩土体抗剪强度的影响。其三在于，现有的试验多测试滑坡表层土体的抗剪强度指标，未见到基于抗滑桩挖孔过程测试滑带土抗剪强度指标的实验，无法满足实际工程的需要。其四在于，采用人工削取试样耗费时间和人力较大，对试样依然有较大的扰动，而且不利于精确控制试样的表观尺寸，容易造成试验结果的偏差。因此，针对现有技术的不足，提出一整套完备的现场直剪试验装置及试验方法具有重大的工程意义和社会经济效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够详细观察并记录裂缝发展，能够获取不同含水率下试样抗剪强度指标的土体现场直剪试验装置。
为解决上述问题，本发明所述的一种土体现场直剪试验装置，包括试样保护罩、设在所述保护罩顶部的竖向加载机构和反力组件以及设在所述保护罩侧边的切向加载机构，其特征在于，所述保护罩为透明保护罩，其侧壁上距顶面一小段距离处设有水平刻度线并且所述水平刻度线以上均布有多个注水孔，所述装置还包括使用时与所述注水孔连通并提供水源的水箱。
优选的，所述透明保护罩底部具有向下延伸的切削部。
优选的，所述切削部与所述透明保护罩可拆卸连接并且其超出所述透明保护罩底部的距离等于所述水平刻度线到所述透明保护罩顶面内壁的距离。
优选的，所述透明保护罩包括铁框架和设在所述铁框架除底面之外上的五片透明有机玻璃。
优选的，所述水箱上具有容量刻度线。
优选的，该装置还包括与所述竖向加载机构、所述切向加载机构均相连的自动加载控制机构。
优选的，该装置还包括设在所述透明保护罩顶部的竖向位移传感器、设在所述透明保护罩顶部的切向位移传感器以及与两者均相连的数据采集处理设备。
相应地，本发明还提供了一种土体现场直剪试验装置的使用方法，该方法包括：
原地挖出包括试样在内的土样，对试样顶部进行整平；
需要测量不同含水率下的抗剪强度指标时，把透明保护罩向下压至试样顶面与水平刻度线重合；利用水箱向注水孔注入设定水量，待水全部渗入所述试样时平稳向下压所述透明保护罩使其顶面内壁与所述试样顶面重合；然后按常规直剪试验内容进行操作即可。
优选地，针对滑坡土体的抗剪强度指标的准确获取，在同一抗滑桩钻孔内自上而下的滑体土层、滑带土土层、滑床土层三个不同位置分别进行直剪试验。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中，试样保护罩为透明保护罩，相较以往的钢筋混凝土保护罩，可以观察记录试样破坏的整个过程，为研究岩土体的裂缝发展提供有力的证据；同时保护罩的透明特性与水平刻度线、注水孔和水箱的组合，能够简便有效的调节试样的含水率，得到不同含水率下试样的抗剪强度指标，用于直观的反映出不同含水率对岩土体抗剪强度的影响。
2、透明保护罩进一步集透明和切削为一体，使得试样的尺寸更加规整，缩短试验时间，减小了人为因素对试样的扰动；切削部可拆卸安装并且其长度与水平刻度线位置相互配合，使得相关试验过程精准快速。
3、对于滑坡土体，使用时为满足试验参数获取的条件，整个试验可在同一抗滑桩成孔过程中三个不同位置（滑体土层、滑带土土层、滑床土层）上进行分别测试，进而取得滑坡不同层面岩土体的抗剪强度指标，能够解决试样在空间上的单一性问题，所得的试验结果更加符合实际工程的需要。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的直剪试验装置的应用场景图。
图2为本发明实施例提供的透明保护罩的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的透明保护罩与水箱连接的示意图。
图4为本发明实施例提供的数据采集处理设备的结构示意图。
图中：1—试样，2—透明保护罩，3—注水孔，4—下垫板，5—滚排，6—上垫板，7—竖向自动加载机构，8—竖向位移传感器，9—传力钢柱，10—球铰支座，11—反力钢梁，12—后垫板，13—切向自动加载机构，14—前垫板，15—控制电缆，16—自动加载控制机构，17—切向位移传感器，18—位移传感器电缆，19—数据采集机构，20—USB线，21—数据处理系统，22—固定螺杆，23—切削部，24—三角加固钢筋，25—橡皮导管，26—水箱，27—水平刻度线，28—数据采集处理设备，29—坑壁预留孔洞。
具体实施方式
参考图1和图3，本发明实施例提供的土体现场直剪试验装置主要包括试样保护罩、设在保护罩顶部的竖向加载机构和反力组件以及设在保护罩侧边的切向加载机构，特别地，保护罩为透明保护罩2，其侧壁上距顶面一小段距离处围设有水平刻度线27并且水平刻度线27以上均布有多个注水孔3，装置还包括使用时通过橡皮导管25与注水孔3连通并提供水源的水箱26。
在测量不同含水率下的抗剪强度指标时，为有效准确地控制试样1的含水率，水箱26上具有便于读取水量的容量刻度线，或者操作时预先准备好设定水量的水，然后倒入空的水箱26。
参考图2，透明保护罩2底部具有向下延伸的切削部23，集透明和切削为一体。切削部23与透明保护罩2可拆卸连接并且其超出透明保护罩2底部的距离等于水平刻度线27到透明保护罩2顶面内壁的距离，使得测量不同含水率下的抗剪强度指标时能够准确快速地使试样1顶面与透明保护罩2顶面内壁重合。
在实际应用中，透明保护罩2可以由铁框架和设在铁框架除底面之外上的五片透明有机玻璃组成，比如，铁框架为角铁焊制的六面体框架，有机玻璃粘贴在除底面以外的五个面上；结构简单，制作方便快速，所用时间短。铁框架下端四个角安装四块铁质的切削三棱柱作为切削部，每一块切削三棱柱由四根固定螺杆22固定在透明保护罩2上，并且在铁框架与切削三棱柱之间焊接四根三角加固钢筋24以加固切削部的位置。
参考图1，竖向加载机构设在透明保护罩2顶部，其自下而上包括下垫板4、滚排5、上垫板6、竖向自动加载机构7、传力钢柱9、球铰支座10以及反力钢梁11。对于滑坡土体抗滑桩钻孔内的应用场景，反力钢梁11两端可以穿设在坑壁预留孔洞29中，就地取材，简单方便。反力钢梁11采用工字钢梁。
切向加载机构设在透明保护罩2一侧，由里向外包括前垫板14、切向自动加载机构13和后垫板12。
竖向加载机构和切向加载机构具有一个总的自动加载控制机构16，集中控制、方便操作。自动加载控制机构16通过两根控制电缆15分别与竖向加载机构中的竖向自动加载机构7、切向加载机构中的切向自动加载机构13相连。
参考图1，本发明土体现场直剪试验装置还包括设在透明保护罩2顶部的竖向位移传感器8、设在透明保护罩2顶部的切向位移传感器17以及与两者均相连的数据采集处理设备28。参考图4，数据采集处理设备28由数据采集机构19和数据处理系统21构成，这两者之间通过USB线20相连，数据采集机构19通过两根位移传感器电缆18分别与竖向位移传感器8、切向位移传感器17相连。
基于上述内容公开的土体现场直剪试验装置，本发明实施例相应提供一种使用方法，针对需要测量不同含水率下的抗剪强度指标的情况，该方法具体包括：
（1）原地挖出包括试样1在内的土样，对试样1顶部进行整平。
具体地，在试样1所选地挖出包括试样1在内的土样雏形，清除周围沟槽的浮土并对试样1顶部用水平仪进行整平，通过放线确定所需试样1的精确位置。
（2）把透明保护罩2向下压至试样1顶面与水平刻度线27重合。
具体地，把将图2所示的切削、透明一体的保护罩安置在放线上，用水平仪对透明保护罩1进行调平。对竖向自动加载机构7施加荷载通过反力把透明保护罩1向下压至试样1顶面与水平刻度线27重合，清除保护罩周围浮土。
（3）需要调节试样含水量时，利用水箱26向注水孔3注入设定水量，待水全部渗入试样1时平稳向下压透明保护罩2使其顶面内壁与试样1顶面重合。
具体地，参考图3将橡皮导管25分别插入注水孔3中，用量筒量取试验所需水量倒入水箱26中对试样1进行注水，待水全部渗入试件时，拆卸透明保护罩1下端的切削部23（切削三棱柱），将上部装置平稳的压至与基底面重合（即透明保护罩2使其顶面内壁与试样1顶面重合），对竖向自动加载机构7回压并续接传力钢柱9与反力钢梁11贴合。其中，切削部23拆卸后留下坑槽，由于切削部23超出透明保护罩2底部的距离等于水平刻度线27到透明保护罩2顶面内壁的距离，所以在上部装置下压过程中能准确顺畅快速到达所需的重合位置。
（4）按常规直剪试验内容进行操作即可。
具体地，开启自动加载控制机构16，对试样1施加竖向荷载，待土体稳定一段时间后，施加切向荷载，在施加荷载过程中对土体进行观察并记录裂缝发展状况，当土体破坏时停止加载并记录试验数据。
可以理解的是，针对不需要测量不同含水率下的抗剪强度指标的情况，在步骤（2）中直接将透明保护罩2向下压至试样1顶面与透明保护罩2顶面内壁重合然后执行步骤（4）即可。
针对滑坡土体的抗剪强度指标的准确获取，通过在同一抗滑桩钻孔内自上而下的滑体土层、滑带土土层、滑床土层三个不同位置分别进行直剪试验，能够解决试样在空间上的单一性问题，所得的试验结果更加符合实际工程的需要。试验过程参考上文即可。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种土体现场直剪试验装置，包括试样保护罩、设在所述保护罩顶部的竖向加载机构和反力组件以及设在所述保护罩侧边的切向加载机构，其特征在于，所述保护罩为透明保护罩（2），其侧壁上距顶面一小段距离处设有水平刻度线（27）并且所述水平刻度线（27）以上均布有多个注水孔（3），所述装置还包括使用时与所述注水孔（3）连通并提供水源的水箱（26）。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明保护罩（2）底部具有向下延伸的切削部（23）。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述切削部（23）与所述透明保护罩（2）可拆卸连接并且其超出所述透明保护罩（2）底部的距离等于所述水平刻度线（27）到所述透明保护罩（2）顶面内壁的距离。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透明保护罩（2）包括铁框架和设在所述铁框架除底面之外上的五片透明有机玻璃。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水箱（26）上具有容量刻度线。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括与所述竖向加载机构、所述切向加载机构均相连的自动加载控制机构（16）。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括设在所述透明保护罩（2）顶部的竖向位移传感器（8）、设在所述透明保护罩（2）顶部的切向位移传感器（17）以及与两者均相连的数据采集处理设备（28）。
8.一种权利要求1所述的土体现场直剪试验装置的使用方法，该方法包括：
原地挖出包括试样（1）在内的土样，对试样（1）顶部进行整平；
需要测量不同含水率下的抗剪强度指标时，把透明保护罩（2）向下压至试样（1）顶面与水平刻度线（27）重合；利用水箱（26）向注水孔（3）注入设定水量，待水全部渗入所述试样（1）时平稳向下压所述透明保护罩（2）使其顶面内壁与所述试样（1）顶面重合；然后按常规直剪试验内容进行操作即可。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，针对滑坡土体的抗剪强度指标的准确获取，在同一抗滑桩钻孔内自上而下的滑体土层、滑带土土层、滑床土层三个不同位置分别进行直剪试验。
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