CN111189723A - 一种基于卸载作用的直剪试验装置及试验方法 - Google Patents

一种基于卸载作用的直剪试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于变形体力学测试技术领域，具体涉及一种基于卸载作用的直剪试验装置及试验方法。本发明包括剪切盒、顶板、气囊、传压垫、固定装置、吸水机构、进气管和移动机构；剪切盒由上盒和下盒构成，上盒是无盖、无底的矩形框结构，下盒是无盖的矩形盒状结构，上盒连接在下盒上；顶板连接在上盒上部；气囊、传压垫和吸水机构从上至下依次设置在顶板下方；固定装置固定连接在上盒外侧壁上；气囊与穿过上盒侧壁的进气管连通；剪切盒放置在移动机构上。本发明的法向力由气囊提供，施压更加均匀。本设备考虑了卸载条件下的直剪，卸载也通过气囊实现，可做使卸载更加平顺，而非瞬时卸载，更符合工程实际。

Description

一种基于卸载作用的直剪试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于变形体力学测试技术领域，具体涉及一种基于虑卸载作用的直剪试验装置及试验方法。
背景技术
基坑工程涉及土体开挖卸荷，基坑附近土体中应力水平减少，土体的强度受卸载作用影响很大，土体的工程性质与加载状态有明显的差异。目前的基坑支护设计很少考虑这一本质问题，设计所需的强度参数多采用仅考虑加载作用的普通直剪试验由
Figure BDA0002392400760000011
进行计算，从而造成较大的误差，使得设计人员难以把握工程的安全度。基坑工程开挖的关键就是卸载，因此必须寻找适合卸载问题的试验装置及方法。
现有的考虑卸载条件土体强度参数的测量方法主要有两种：常规直剪试验和应力路径三轴仪。常规直剪试验采用取砝码方式完成卸载，该方法虽操作简便，但无法精确控制卸载过程。应力路径三轴仪可获取卸载条件下的土体强度参数，但仪器精密不易操作，试验耗时长。现有的土力学试验方法不能满足快速、方便的获取卸载作用下土样抗剪强度参数的要求。
发明内容
本发明提供了一种基于卸载作用的直剪试验装置及试验方法，目的在于提供一种通过卸载条件下的快速、精确且更符合工程实际的直剪试验装置及试验方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于卸载作用的直剪试验装置，包括剪切盒、顶板、气囊、传压垫、固定装置、吸水机构、进气管、水平加压机构和移动机构；所述的剪切盒由上盒和下盒构成中空盒体，上盒连接在下盒上；所述顶板连接在上盒上部；所述气囊、传压垫和吸水机构从上至下依次设置在顶板下方；所述固定装置固定连接在上盒外侧壁上；所述气囊与穿过上盒侧壁的进气管连通；所述剪切盒放置在移动机构上；所述水平加压机构水平连接在移动机构侧壁上，水平加压机构与固定装置分别位于剪切盒两相对侧。
所述的上盒侧壁上端面上设置有限位槽，所述顶板下底面外沿设置有与限位槽匹配的凸起。
还包括气压表和气压阀；所述的气压表和气压阀设置在剪切盒外且与进气管连接。
所述的吸水机构为透水石；所述的透水石设置有两块，其中一块透水石设置在下盒内的底面上，另一块透水石设置传压垫下方。
所述的透水石形状与剪切盒内腔匹配。
所述的移动机构包括移动台和滚轮；所述的移动台的上表面设置有由于放置剪切盒的置物槽；所述的滚轮固定连接在移动台下底面。
所述的水平加压机构包括压力驱动装置、位移传感器和测力计；所述的压力驱动装置通过驱动杆连接在移动台侧壁上，且压力驱动装置与固定装置分别位于剪切盒的相对两侧；所述的测力计设置在置物槽内侧壁上，且测力计与固定装置分居剪切盒的两相对侧；所述的位移传感器与压力驱动装置分设在移动台的两相对侧。
所述的气囊的横截面形状与上盒内腔形状匹配且与上盒内侧壁贴合。
一种基于卸载作用的直剪试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：按工程需要制取多份同类土样；
步骤二：将上盒放置在下盒上，将剪切盒整体放置在移动台的限位槽内，并将上盒通过固定装置与外部固定体固定；在下盒内的底面上放置透水石，然后将步骤一选取的一份土样放置在剪切盒内，再将另一块透水石放置在土样上，另一块透水石上放置传压垫，随后将顶板安装在上盒的限位槽内并固定；
步骤三：通过外设加压装置对气囊进行加压，直到压力达到预设高压值；
步骤四：对移动台沿水平方向施加预设水平剪力，并记录相应的测力计读数和位移传感器读数；
步骤五：重复步骤一至步骤四，再进行四次试验，且每次试验将气囊的压力按照预设卸压值直接从预设高压值卸压后，进行水平剪力加载，共得到多组试验数据；
步骤六：将步骤五获得的多组试验数据，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；
步骤七：通过步骤六得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土样抵抗剪切破坏的抵抗能力。
所述的步骤一中制取五份同类土样；步骤三中压力预设高压值为300kPa；所述的步骤五中四次试验对气囊卸压的值分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa。
有益效果：
(1)常规直剪试验中，土样所受正应力由土样形心顶部的竖向荷载通过刚性传压装置产生，本发明的法向力由气囊提供，属柔性加载方式，施压更加均匀稳定。
(2)本发明考虑了卸载条件下的直剪，卸载也通过气囊实现，能够使卸载更加平顺并实现卸载值的精确控制，而非瞬时卸载，更符合工程实际。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明整体结构纵剖面图；
图2是上盒横剖面图。
图中：1-气压表；2-气压阀；3-锁紧螺母；4-限位槽；5-顶板；6-气囊；7-传压垫；8-上盒；9-固定装置；10-下盒；11-透水石；12-移动台；13-位移传感器；14-滚轮；15-压力驱动装置；16-测力计；17-土样；18-驱动杆；19-进气管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例一：
根据图1和图2所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，包括剪切盒、顶板5、气囊6、传压垫7、固定装置9、吸水机构、进气管19、水平加压机构和移动机构；所述的剪切盒由上盒8和下盒10构成中空盒体，上盒8连接在下盒10上；所述顶板5连接在上盒8上部；所述气囊6、传压垫7和吸水机构从上至下依次设置在顶板5下方；所述固定装置9固定连接在上盒8外侧壁上；所述气囊6与穿过上盒8侧壁的进气管19连通；所述剪切盒放置在移动机构上；所述水平加压机构水平连接在移动机构侧壁上，水平加压机构与固定装置9分别位于剪切盒两相对侧。
在实际使用时，首先按工程需要制取多份土样17；将上盒放置在下盒上，将剪切盒整体放置在移动台12的限位槽4内，将上盒8通过固定装置9与外部固定体固定，保证试验时上盒8固定不动。然后将选取的土样17放置在剪切盒内，在土样17的上下均设置吸水机构，在土样17上部吸水机构的上表面放置传压垫7，随后将顶板5安装在上盒8上并固定；通过外设加压装置对气囊6进行加压，直到压力达到预设高压值；水平加压机构通过移动机构给下盒10实施预设的水平力，在水平力作用下移动机构发生位移，记录相应的测力计读数和位移传感器读数，共进行多组试验。本实施例采用五组试验，五组试验中分别对气囊6加压的压力值分别为预设高压值300kPa、由300kPa直接卸压到250kPa、由300kPa直接卸压到200kPa、由300kPa直接卸压到150kPa、由300kPa直接卸压到100kPa等五种情形后进行试验，得到五组试验数据；将获得的五组试验数据，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土样17抵抗剪切破坏的抵抗能力。
本发明的法向力由气囊6提供，使得施压更加均匀。本发明考虑了卸载条件下的直剪，卸载也通过气囊6实现，能够使卸载更加平顺，而非瞬时卸载，更符合工程实际。
本实施例中的外设加压装置，采用的是现有技术的空压机。
外部固定体可以是墙体。
传压垫7的设置，使得土样17接受到气囊6对其施加的垂向力更加均匀。
在具体应用时，剪切盒的形状可以采用矩形、正方形或圆形。上盒是无盖、无底的框结构，下盒是无盖盒状结构。剪切盒内腔的形状与剪切盒外形为相似形。
实施例二：
根据图1和图2所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的上盒8侧壁上端面上设置有限位槽4，所述顶板5下底面外沿设置有与限位槽4匹配的凸起。
在实际使用时，将顶板5通过其下底面外沿设置的凸起卡在上盒8侧壁上端面的限位槽4内，然后固定。
本发明采用本技术方案，使得顶板5与上盒8稳定连接，保证试验的测试数据的精确性。
实施例三：
根据图1所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：还包括气压表1和气压阀2；所述的气压表1和气压阀2设置在剪切盒外且与进气管19连接。
在实际使用时，气压表1的设置，能过及时掌握给气囊6所加压力的值，当压力值达到预设之后，关闭便于气压阀2，进行相关试验及试验数据的获取、记录。
实施例四：
根据图1所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的吸水机构为透水石11；所述的透水石11设置有两块，其中一块透水石11设置在下盒10内的底面上，另一块透水石11设置传压垫7下方。
优选的是所述的透水石11形状与剪切盒内腔匹配。
在实际使用时，当剪切盒安装好后，下盒10内底面上放置一块透水石11，再将选取的土样17放置在透水石11上，然后在土样17的上表面放置另一块透水石11。在土样17的上下均设置透水石11，使得在试验过程中土样17压出的水分被透水石11充分吸附，保证试验数据的精确性。
透水石11的长和宽采用与剪切盒内腔的长宽匹配的技术方案，使得水分吸附的效果更好。
实施例五：
根据图1所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的移动机构包括移动台12和滚轮14；所述的移动台12的上表面设置有由于放置剪切盒的置物槽；所述的滚轮14固定连接在移动台12下底面。
在实际使用时，水平加压机构给移动台12施力，在与固定装置9的配合下，方便的使剪切盒受到水平方向的剪切力。
实施例六：
根据图1和图2所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的水平加压机构包括压力驱动装置15、位移传感器13和测力计16；所述的压力驱动装置15通过驱动杆18连接在移动台12侧壁上，且压力驱动装置15与固定装置9分别位于剪切盒的相对两侧；所述的测力计16设置在置物槽内侧壁上，且测力计16与固定装置9分居剪切盒的两相对侧；所述的位移传感器13与压力驱动装置15分设在移动台12的两相对侧。
在实际使用时，压力驱动装置15给移动台12施力，通过位移传感器13获取移动台12的位移数据，通过测力计16获取压力驱动装置15对剪切盒的施力数值。压力驱动装置15在固定装置9的共同配合下，精确的获取水平向施力的数值。
在具体应用时，压力驱动装置15可以采用液压、电动或手摇等多种现有技术方式通过驱动杆18对移动台12施力。
实施例七：
根据图1和图2所示的一种基于卸载作用的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的气囊6的横截面形状与上盒8内腔形状匹配且与上盒8内侧壁贴合。
在实际使用时，气囊6采用本技术方案，能够保证传力的均匀。
实施例八：
一种基于卸载作用的直剪试验装置的试验方法，包括如下步骤
步骤一：按工程需要制取多份同类土样17；
步骤二：将上盒8放置在下盒10上，将剪切盒整体放置在移动台12的限位槽4内，并将上盒8通过固定装置9与外部固定体固定；在下盒10内的底面上放置透水石11，然后将步骤一选取的一份土样17放置在剪切盒内，再将另一块透水石11放置在土样17上，另一块透水石11上放置传压垫7，随后将顶板安装在上盒8的限位槽4内并固定；
步骤三：通过外设加压装置对气囊6进行加压，直到压力达到预设高压值；
步骤四：对移动台沿水平方向施加预设水平剪力，并记录相应的测力计读数和位移传感器读数；
步骤五：重复步骤一至步骤四，再进行四次试验，且每次试验将气囊6的压力按照预设卸压值直接从预设高压值卸压后，进行水平剪力加载，共得到多组试验数据；
步骤六：将步骤五获得的多组试验数据，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；
步骤七：通过步骤六得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土样17抵抗剪切破坏的抵抗能力。
优选的是所述的步骤一中制取五份同类土样17；步骤三中压力预设高压值为300kPa；所述的步骤五中四次试验对气囊6卸压的值分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa。
在具体应用时，第一组试验是将气囊6加压的压力值加到预设高压值300kPa后进行水平剪力的施加，然后进行相关数据的记录。第二组试验是将气囊6加压的压力值加到预设高压值300kPa后直接卸压到250kPa后，再进行水平剪力的施加，并进行数据的记录。第三组试验是将气囊6加压的压力值加到预设高压值300kPa后直接卸压到200kPa后，再进行水平剪力的施加，并进行数据的记录。第四组试验是将气囊6加压的压力值加到预设高压值300kPa后直接卸压到150kPa后，再进行水平剪力的施加，并进行数据的记录。第五组试验是将气囊6加压的压力值加到预设高压值300kPa后直接卸压到100kPa后，再进行水平剪力的施加，并进行数据的记录。共得到五组试验数据。将获得的五组试验数据，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土样17抵抗剪切破坏的抵抗能力。
土样17的份数选取的个数，可以根据实际需要确定。选取五组，基本满足实际需要。
预设高压值选定为300kPa，符合常规施工土样压力的需要。本实施例的卸压压差选取为50kPa，也可以根据实际需求进行不同压差值的选用。
在实际使用时，本发明的法向力由气囊提供，使得施压更加均匀。本发明考虑了卸载条件下的直剪，卸载也通过气囊实现，能够使卸载更加平顺，而非瞬时卸载，更符合工程实际。
本发明不仅能够精确获取试验数据，且方便、用时短，能满足快速方便的获取卸载作用下土样抗剪强度参数的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：包括剪切盒、顶板(5)、气囊(6)、传压垫(7)、固定装置(9)、吸水机构、进气管(19)、水平加压机构和移动机构；所述的剪切盒由上盒(8)和下盒(10)构成中空盒体，上盒(8)连接在下盒(10)上；所述顶板(5)连接在上盒(8)上部；所述气囊(6)、传压垫(7)和吸水机构从上至下依次设置在顶板(5)下方；所述固定装置(9)固定连接在上盒(8)外侧壁上；所述气囊(6)与穿过上盒(8)侧壁的进气管(19)连通；所述剪切盒放置在移动机构上；所述水平加压机构水平连接在移动机构侧壁上，水平加压机构与固定装置(9)分别设置在剪切盒两相对侧。
2.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的上盒(8)侧壁上端面上设置有限位槽(4)，所述顶板(5)下底面外沿设置有与限位槽(4)匹配的凸起。
3.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：还包括气压表(1)和气压阀(2)；所述的气压表(1)和气压阀(2)设置在剪切盒外且与进气管(19)连接。
4.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的吸水机构为透水石(11)；所述的透水石(11)设置有两块，其中一块透水石(11)设置在下盒(10)内的底面上，另一块透水石(11)设置传压垫(7)下方。
5.如权利要求4所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的透水石(11)形状与剪切盒内腔匹配。
6.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的移动机构包括移动台(12)和滚轮(14)；所述的移动台(12)的上表面设置有由于放置剪切盒的置物槽；所述的滚轮(14)固定连接在移动台(12)下底面。
7.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的水平加压机构包括压力驱动装置(15)、位移传感器(13)和测力计(16)；所述的压力驱动装置(15)通过驱动杆(18)连接在移动台(12)侧壁上，且压力驱动装置(15)与固定装置(9)分设于剪切盒的相对两侧；所述的测力计(16)设置在置物槽内侧壁上，且测力计(16)与固定装置(9)分别位于剪切盒的两相对侧；所述的位移传感器(13)与压力驱动装置(15)分设在移动台(12)的两相对侧。
8.如权利要求1所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置，其特征在于：所述的气囊(6)的横截面形状与上盒(8)内腔形状匹配且与上盒(8)内侧壁贴合。
9.如权利要求1-8任意一项所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按工程需要制取多份同类土样(17)；
步骤二：将上盒(8)放置在下盒(10)上，将剪切盒整体放置在移动台(12)的限位槽(4)内，并将上盒(8)通过固定装置(9)与外部固定体固定；在下盒(10)内的底面上放置透水石(11)，然后将步骤一选取的一份土样(17)放置在剪切盒内，再将另一块透水石(11)放置在土样(17)上，另一块透水石(11)上放置传压垫(7)，随后将顶板安装在上盒(8)的限位槽(4)内并固定；
步骤三：通过外设加压装置对气囊(6)进行加压，直到压力达到预设高压值；
步骤四：对移动台沿水平方向施加预设水平剪力，并记录相应的测力计读数和位移传感器读数；
步骤五：重复步骤一至步骤四，再进行四次试验，且每次试验将气囊(6)的压力按照预设卸压值直接从预设高压值卸压后，进行水平剪力加载，共得到多组试验数据；
步骤六：将步骤五获得的多组试验数据，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；
步骤七：通过步骤六得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土样(17)抵抗剪切破坏的抵抗能力。
10.如权利要求9所述的一种基于卸载作用的直剪试验装置的试验方法，其特征在于：所述的步骤一中制取五份同类土样(17)；步骤三中压力预设高压值为300kPa；所述的步骤五中四次试验对气囊(6)卸压的值分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa。
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CN112903459A (zh) * 2021-02-02 2021-06-04 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 模拟地表超载对既有盾构隧道结构影响的可视化试验装置及方法
CN113029821A (zh) * 2021-03-31 2021-06-25 重庆科创职业学院 用于研究接触面力学特性的直剪盒
CN113916664A (zh) * 2021-11-30 2022-01-11 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种土体根系拉拔剪一体化测试装置
CN114739785A (zh) * 2022-04-14 2022-07-12 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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