CN111044389A - 模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，包括设于试验台上的剪切装置，剪切装置包括水槽，水槽内开设有卡槽，下剪切盒卡入卡槽中，下剪切盒上对应设置上剪切盒，销钉穿过上销钉通孔插入到下销钉孔中实现上剪切盒与下剪切盒的固定，上剪切盒与试验台之间设有量力环，上剪切盒通过传力杆与所述量力环连接，上剪切盒上部开口配置有顶帽，上剪切盒与顶帽之间设置有密封机构，顶帽上设置有至少安装孔，安装孔处安装有导管以连接真空泵；试验台上设有剪切驱动机构，剪切驱动机构通过传力连接件与水槽相连。本发明可实现在不干扰试样以及存在竖向荷载的情况下对土体进行干湿循环，且在完成干湿循环后不需移动土样可直接做直剪试验。

Description

模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程试验仪器设备领域，具体为模拟竖向荷载下干湿循环作用下土体的直剪试验装置。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种采用上述模拟竖向荷载下干湿循环作用下土体的直剪试验装置实施的试验方法。
背景技术
雨水的渗入和蒸发、地下水位的周期性变化、水库和湖泊的水位季节性变化等都会造成临近土体处于一种干湿循环的环境中，长此以往，容易引起地质灾害的发生。因此，研究干湿循环作用对土体强度的影响是很有必要的。
传统的试验方法通常是在没有轴向压力的情况下，进行饱水、干燥的干湿循环试验，随后将试样装入直剪仪进行剪切，该方法下土的应力状态与工程实际不符，试验结果在工程实践中存在着使用缺陷，无法反映真实环境状态下的数据，并且传统干湿循环采用的水分充入和排出方法的效率较差，而且操作不便。
发明内容
针对现有技术所存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，该能够实现在不干扰试样以及存在竖向荷载的情况下对土体进行干湿循环，并且在完成干湿循环之后不需要移动土样可直接进行直剪试验。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种采用上述模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置实施的试验方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，包括设于试验台上的剪切装置，所述剪切装置包括水槽，水槽底部设置有滚轮，水槽下部开设有连通内外的进水通道，进水通道与盛水容器通过橡胶管连接，进水通道处配置有阀门，所述水槽内开设有卡槽，下剪切盒的下部卡入卡槽中，所述下剪切盒上对应设置上剪切盒，上剪切盒上开设有至少两个上销钉通孔，所述下剪切盒上对应于所述销钉通孔开设有下销钉孔，销钉穿过上销钉通孔插入到下销钉孔中实现上剪切盒与下剪切盒的固定，上剪切盒与试验台之间设有量力环，所述上剪切盒通过传力杆与所述量力环连接，所述上剪切盒上部开口配置有顶帽，所述上剪切盒与顶帽之间密封配合，所述顶帽上设置有至少两个贯通顶帽的安装孔，安装孔处安装有导管以连接真空泵；所述试验台上设有剪切驱动机构，剪切驱动机构通过传力连接件 与水槽相连。
进一步的，所述顶帽上方设有加压框架和垂直位移计，加压框架配置有垂直加压装置。
进一步的，所述进水通道连接橡胶管之后使用三通接头连接到总路，总路与盛水容器相连，并在总路上设有阀门。
进一步的，所述上剪切盒与下剪切盒之间设置有密封机构。
进一步的，所述密封机构包括涂抹于上剪切盒与下剪切盒的配合面处的凡士林和涂抹于上剪切盒与下剪切盒接缝处的凡士林。
进一步的，所述上剪切盒外侧具有环形上嵌槽，所述下剪切盒外侧具有环形下嵌槽，所述上剪切盒与下剪切盒配置有橡胶套，橡胶套上的内侧具有截面呈与所述环形上嵌槽和环形下嵌槽匹配的环形凸起，所述橡胶套套在所述上剪切盒和下剪切盒的接缝处且所述凸起分别嵌入所述环形上嵌槽和环形下嵌槽形成密封。
进一步的，所述安装孔以顶帽中心点对称分布，所述橡胶管采用三通接头与真空泵相连，并设置压力控制阀用以控制真空泵对试样所施加的压力。
进一步的，所述滚轮为所述水槽与试验台之间设置的水平定向滚珠。
本发明还提供了一种采用上述模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置实施的直剪试验方法，包括以下步骤：
步骤一、首先将上剪切盒和下剪切盒对准，插入销钉固定，再将透水石、滤纸依次放入下剪切盒中，接着将制备好的试样装入剪切盒中，最后在试样上放置滤纸、透水石，盖上顶帽，顶帽与上剪切盒之间涂凡士林进行密封；
步骤二、在顶帽上安装垂直加压框架和垂直位移计，调节至零位，之后在试样上施加规定的垂直压力；
步骤三、试样饱和时，顶部橡胶管连接真空泵以施加负压3~5kPa，下部不断向水槽注水，以使试样吸水饱和；
步骤四、试样干燥时，橡胶管连接氮气瓶，采用高精度氮气压力控制阀控制压力3~5kPa，以使试样向水槽中排水，并连接真空泵辅助排水干燥试样；
步骤五、重复上述步骤三和步骤四，按此规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，完成预定干湿循环试验后关闭顶部压力控制阀，移除上剪切盒和下剪切盒之间的销钉，以设定的速率对试样进行剪切，记录不同干湿度和承载特定压力的试样14的剪切力。
本发明有以下有益效果：
1、本试验装置可先施加一定的法向荷载，在有荷作用下进行干湿循环作用，试验模拟过程更接近真实的土体干湿循环作用过程。
2、本试验装置需要的竖向荷载可根据不同路基填筑层所受上覆压力而定，并可考虑路面结构层和车辆荷载的重量，通过增添砝码的方式实现竖向力的加载调整。并且在整个干湿循环过程中无需卸除上覆荷载，剪切时仅施加水平力即可，可提高试验操作的效率。
3、本试验装置能够在一个设备中完成一种模拟有竖向荷载情况下干湿循环作用的土体直剪试验，能够将土样的干燥和浸湿过程均简化为在剪切盒内进行，避免将土样移出剪切盒再进行干燥和饱和的操作，避免拆样对土体造成的干扰，有效控制了由于人工操作而带来的误差，加快试验进程。
附图说明
图1为本发明提供的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置的结构剖视示意图；
图2为本发明提供的上剪切盒、下剪切盒和水槽组件的俯视示意图；
图3为本发明提供的上剪切盒和下剪切盒组件的结构剖视示意图。
其中，1、剪切驱动机构，3、下剪切盒，4、上剪切盒，5、垂直加压框架，6、垂直位移计，7、导管，8、顶帽，9、进水通道，10、水槽，11、量力环，12、水平位移计，13、滚珠，14、试样，15、试验台，16、垂直加压装置，17、销钉，18、传力连接件，19、传力杆，20、真空泵，21、透水石，22、压力控制阀，23、橡胶管，24、盛水容器，25、阀门，26、环形下嵌槽，27、橡胶套，28、环形凸起，29、环形上嵌槽，30、卡槽。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
参照图1-3所示，本发明提供的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，包括设于试验台15上的剪切装置，剪切装置包括水槽10，水槽10底部设置有滚轮，滚轮实际为所述水槽10与试验台15之间设置的水平定向滚珠13，水槽10下部开设有连通内外的进水通道9，进水通道9的具体设置为：水槽10内部与剪切方向垂直的两个侧面底部分别开一个孔作为所述进水通道9，进水通道9与盛水容器24通过橡胶管23连接，进水通道9处配置有阀门25，所述水槽10内开设有卡槽30，下剪切盒3的下部卡入卡槽30中，所述下剪切盒3上对应设置上剪切盒4，上剪切盒4上开设有至少两个上销钉通孔，本实施例仅在左右对角各设置一个上销钉通孔，所述下剪切盒3上对应于所述销钉通孔开设有下销钉孔，销钉17穿过上销钉通孔插入到下销钉孔中实现上剪切盒4与下剪切盒3的固定，上剪切盒4与试验台15之间设有量力环11， 量力环11配置有水平位移计12，上剪切盒4通过传力杆 19连接量力环11，所述上剪切盒4上部开口配置有顶帽8，所述上剪切盒4与顶帽8之间密封配合，一般采用涂抹凡士林的方式实现，所述顶帽8上设置有至少两个贯通顶帽8的安装孔，本实施例中顶帽8上以中心对称地开两个安装孔，安装孔处安装有导管7以连接真空泵20；试验台15上设有剪切驱动机构1，剪切驱动机构1的T形连接杆与传力连接件18锁接，传力连接件18上带有与T形连接杆的T形端头匹配的T形槽，并通过传力连接件18与水槽10相连。
参照图1所示，上述顶帽8上方设有加压框架5和垂直位移计6，加压框架5配置有垂直加压装置16，垂直加压装置16可为电机驱动的加压机构，也可是砝码堆叠在加压框架5的承台上实现堆载，本实施例采用的是砝码堆载。
参照图1所示，上述进水通道9连接橡胶管23之后使用三通接头连接到总路，总路与盛水容器24相连，并在总路上设有阀门25。
参照图1、图3所示，上述上剪切盒4与下剪切盒3之间设置有密封机构，密封机构包括涂抹于上剪切盒4与下剪切盒3的配合面处的凡士林和涂抹于上剪切盒4与下剪切盒3接缝处的凡士林，所述上剪切盒4外侧具有环形上嵌槽29，所述下剪切盒3外侧具有环形下嵌槽26，所述上剪切盒4与下剪切盒3配置有橡胶套27，橡胶套27上的内侧具有截面呈与所述环形上嵌槽29和环形下嵌槽26匹配的环形凸起28，所述橡胶套27套在所述上剪切盒4和下剪切盒3的接缝处且所述凸起28分别嵌入所述环形上嵌槽29和环形下嵌槽26形成密封。
参照图1所示，所述安装孔以顶帽8中心点对称分布，所述橡胶管23采用三通接头与真空泵20相连，并设置压力控制阀22用以控制真空泵20对试样14所施加的压力。
参照图1-3所示，本发明还提供了一种采用上述模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置实施的直剪试验方法，包括以下步骤：
步骤一、首先将上剪切盒4和下剪切盒3对准，插入销钉17固定，再将透水石21、滤纸依次放入下剪切盒3中，接着将制备好的试样14装入剪切盒中，最后在试样14上放置滤纸、透水石21，盖上顶帽8，顶帽8与上剪切盒4之间涂凡士林进行密封；
步骤二、在顶帽8上安装垂直加压框架5和垂直位移计6，调节至零位，之后在试样上施加规定的垂直压力；
步骤三、试样14饱和时，顶部橡胶管23连接真空泵20以施加负压3~5kPa，下部不断向水槽10注水（盛水容器24开口连接水槽10，保持液面相平）以使试样14吸水饱和；
步骤四、试样14干燥时，橡胶管23连接氮气瓶，采用高精度氮气压力控制阀控制压力3~5kPa，以使试样14向水槽10中排水，并连接真空泵20辅助排水干燥试样14，真空泵20的辅助作用主要在于抽吸水分；；
步骤五、重复上述步骤三和步骤四，按此规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，完成预定干湿循环试验后关闭顶部压力控制阀22，移除上剪切盒4和下剪切盒3之间的销钉17，以设定的速率对试样14进行剪切，记录不同干湿度和承载特定压力的试样14的剪切力。

Claims (10)

1.一种模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，包括设于试验台上的剪切装置，其特征是：所述剪切装置包括水槽，水槽底部设置有滚轮，水槽下部开设有连通内外的进水通道，进水通道与盛水容器通过橡胶管连接，进水通道处配置有阀门，所述水槽内开设有卡槽，下剪切盒的下部卡入卡槽中，所述下剪切盒上对应设置上剪切盒，上剪切盒上开设有至少两个上销钉通孔，所述下剪切盒上对应于所述销钉通孔开设有下销钉孔，销钉穿过上销钉通孔插入到下销钉孔中实现上剪切盒与下剪切盒的固定，上剪切盒与试验台之间设有量力环，所述上剪切盒通过传力杆与所述量力环连接，所述上剪切盒上部开口配置有顶帽，所述上剪切盒与顶帽之间密封配合，所述顶帽上设置有至少两个贯通顶帽的安装孔，安装孔处安装有导管以连接真空泵；所述试验台上设有剪切驱动机构，剪切驱动机构通过传力连接件 与水槽相连。
2.根据权利要求1所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述顶帽上方设有加压框架和垂直位移计，加压框架配置有垂直加压装置。
3.根据权利要求2所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述进水通道连接橡胶管之后使用三通接头连接到总路，总路与盛水容器相连，并在总路上设有阀门。
4.根据权利要求1或2或3所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述上剪切盒与下剪切盒之间设置有密封机构。
5.根据权利要求4所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述密封机构包括涂抹于上剪切盒与下剪切盒的配合面处的凡士林和涂抹于上剪切盒与下剪切盒接缝处的凡士林。
6.根据权利要求5所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述上剪切盒外侧具有环形上嵌槽，所述下剪切盒外侧具有环形下嵌槽，所述上剪切盒与下剪切盒配置有橡胶套，橡胶套上的内侧具有截面呈与所述环形上嵌槽和环形下嵌槽匹配的环形凸起，所述橡胶套套在所述上剪切盒和下剪切盒的接缝处且所述凸起分别嵌入所述环形上嵌槽和环形下嵌槽形成密封。
7.根据权利要求4所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述安装孔以顶帽中心点对称分布，所述橡胶管采用三通接头与真空泵相连，并设置压力控制阀用以控制真空泵对试样所施加的压力。
8.根据权利要求1或2或3所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述安装孔以顶帽中心点对称分布，所述橡胶管采用三通接头与真空泵相连，并设置压力控制阀用以控制真空泵对试样所施加的压力。
9.根据权利要求1或2或3所述的模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置，其特征是：所述滚轮为所述水槽与试验台之间设置的水平定向滚珠。
10.一种采用权利要求1或2或3所述模拟竖向荷载下干湿循环作用的直剪试验装置实施的直剪试验方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、首先将上剪切盒和下剪切盒对准，插入销钉固定，再将透水石、滤纸依次放入下剪切盒中，接着将制备好的试样装入剪切盒中，最后在试样上放置滤纸、透水石，盖上顶帽，顶帽与上剪切盒之间涂凡士林进行密封；
步骤二、在顶帽上安装垂直加压框架和垂直位移计，调节至零位，之后在试样上施加规定的垂直压力；
步骤三、试样饱和时，顶部橡胶管连接真空泵以施加负压3~5kPa，下部不断向水槽10注水，以使试样14吸水饱和；
步骤四、试样干燥时，橡胶管连接氮气瓶，采用高精度氮气压力控制阀控制压力3~5kPa，以使试样向水槽中排水，并连接真空泵辅助排水干燥试样；
步骤五、重复上述步骤三和步骤四，按此规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，完成预定干湿循环试验后关闭顶部压力控制阀，移除上剪切盒和下剪切盒之间的销钉，以设定的速率对试样进行剪切，记录不同干湿度和承载特定压力的试样14的剪切力。
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