CN111458238A - 一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法，该装置，包括剪切盒、剪切轨道、水平千斤顶、竖向加载装置以及电子测力器，所述剪切轨道通过固定锚杆与地面锚固连接，剪切轨道上设置有用于对剪切盒的剪切位移进行测量的刻度。采用本申请的试验装置，一方面，通过剪切轨道对剪切盒的移动方向进行导向和限制，保证了剪切盒沿规定方向移动，同时，与剪切盒同步移动的竖向加载装置可对试件施加竖向载荷，这些都有利于模拟土体实际受剪过程，大大提高了实验结果的精确性；另一方面，本装置采用装配式设计，整体分为剪切盒、剪切轨道以及竖向加载装置三部分，每部分又可进一步拆分，达到了装配简易，运输便捷的目的。

Description

一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩土体剪切试验技术领域，具体涉及一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法。
背景技术
岩土体抵抗剪切破坏的极限强度是衡量边坡稳定性的重要指标，通常用抗剪强度值来表示。根据摩尔-库仑强度理论，在破裂面上，法向应力σ与抗剪强度τf之间存在着函数关系τf＝f(σ)，同时在一定应力范围内，抗剪强度可用线性函数
Figure BDA0002443746230000011
近似表示，其中粘聚力c与摩擦角
Figure BDA0002443746230000012
为抗剪强度指标。
目前常通过室内直剪试验或原位直剪试验测定抗剪强度，但由于受到试块的尺寸等因素的影响，室内试验结果常不够准确，而原位直剪试验试样尺寸大且对土体结构、密度、湿度等因素扰动小，其结果更具有可信度。
现有技术中，存在一些用于边坡岩土抗剪测试的实验装置，如申请号为201810447510.1的中国专利公开了一种边坡立体剪切试验装置，包括底座，底座上固定有试样中间夹紧装置，底座上对应试样两端夹紧装置设置有与试样形状匹配的大U形套，大U形套内侧壁上嵌设有滚珠，大U形套两侧配置有推顶装置，所述大U形套上方配置有加压装置，加压装置固定在支架上，支架固定于底座上。本发明中加压装置相对大U形套施加压力，而大U形套内设置有滚珠，滚珠能够使大U形套对试样的施压更加均匀，从而更加精准地模拟边坡受压环境。该剪切实验装置虽然有利于提高对试样施压的均匀性，但仍存在如下弊端：1、只能运用在平地上而无法直接在坡面上使用，且无法保证单一的剪切方向，也无法实现竖向加载，因此无法有效模拟土体实际受剪过程，所得的抗剪强度值不够准确；2、为整体式结构，再者，为尽可能提高实验数据的准确性，试验装置往往存在体积大、难运送、操作繁琐等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可直接用于边坡土体的抗剪测试的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法，以解决现有原位直剪仪存在的体积大,运输困难,无法精确模拟实际剪切导致的试验结果不准确的问题。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，包括剪切盒、对剪切盒进行剪切导向的剪切轨道、用于给剪切盒施加剪切力的水平千斤顶、用于给剪切盒施加竖向力的竖向加载装置以及用于对剪切力和竖向力进行测量的电子测力器，所述剪切轨道通过固定锚杆与地面锚固连接，剪切轨道上设置有用于对剪切盒的剪切位移进行测量的刻度。
进一步，所述剪切轨道包括左剪切轨道和右剪切轨道，所述剪切盒设置在左、右剪切轨道之间，剪切盒的左、右两侧分别与左、右剪切轨道紧密接触。
进一步，所述竖向加载装置包括分布在两侧的左、右传力杆、固定横跨在左、右传力杆之间的顶部支撑梁以及设置在顶部支撑梁与剪切盒顶部之间的垂直千斤顶，所述左、右传力杆的底部分别设置有左连接座和右连接座，所述左、右连接座分别滑动扣合在左、右剪切轨道的顶部，左、右连接座的内侧通过连接螺栓分别与剪切盒的左、右两侧连接，左侧的连接螺栓穿过左连接座且可相对左连接座上下滑动，右侧的连接螺栓穿过右连接座且可相对右连接座上下滑动。
进一步，所述左剪切轨道和右剪切轨道均开设有沿滑动方向沿伸的滑动槽，在左连接座和右连接座的两侧下部均开设有滚轴孔，在对应侧的滚轴孔与滑动槽之间贯穿滚动轴。
进一步，所述顶部支撑梁中段底部设置有方形平衡板，所述垂直千斤顶与方形平衡板抵紧接触。
进一步，所述左传力杆穿过顶部支撑梁的左端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母并紧，所述右传力杆穿过支撑梁的右端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母并紧。
进一步，所述方形平衡板通过固定螺丝与顶部支撑梁固定连接。
8.一种采用上述装置进行坡面岩土体原位抗剪实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择坡面合适的地段开挖试坑，为原位直剪提供工作面；
S2：修整岩土体试块大小，套入剪切盒；
S3：用左、右剪切轨道夹紧剪切盒，拟定两侧四根固定锚杆安装位置，采用空压机电钻在预定位置钻孔至预计深度，打入固定锚杆固定两侧剪切轨道；
S4：将传力杆下端的连接座架于剪切轨道上，并穿入滚动轴，，同时通过连接螺栓将连接座与剪切盒连接；
S5：在两侧传力杆之间横跨安装顶部支撑梁，并用螺母固定，在顶部支撑梁中段底部采用固定螺丝固定方形平衡板；
S6：通过水平千斤顶和垂直千斤顶分别对剪切盒施加水平剪切力和竖向力，模拟试块受剪过程，记录相关数据并处理；
S7：对数据进行处理，计算公式如下：
Figure BDA0002443746230000041
Figure BDA0002443746230000042
表示为随时间变化的函数式：
Figure BDA0002443746230000043
Figure BDA0002443746230000044
其中Fj(t)为剪切过程中，t时刻对应的剪力大小；
Ft(t)为t时刻，水平千斤顶对应的电子测力器测得的推力大小；
G为试验岩土体以及剪切盒重之和；
Figure BDA0002443746230000045
为坡度；Ff为剪切盒与地面之间摩擦力；
m合为试件与盒总质量；S(t)为剪切位移与时间曲线；
Figure BDA0002443746230000046
为发生剪切破坏时剪力大小；A为剪切面的面积。
本发明的有益效果：
本发明的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置及方法，该装置，包括剪切盒、对剪切盒进行剪切导向的剪切轨道、用于给剪切盒施加剪切力的水平千斤顶、用于给剪切盒施加竖向力的竖向加载装置以及用于对剪切力和竖向力进行测量的电子测力器，所述剪切轨道通过固定锚杆与地面锚固连接，剪切轨道上设置有用于对剪切盒的剪切位移进行测量的刻度。采用本申请的试验装置，一方面，通过剪切轨道对剪切盒的移动方向进行导向和限制，保证了剪切盒沿规定方向移动，同时，与剪切盒同步移动的竖向加载装置可对试件施加竖向载荷，这些都有利于模拟土体实际受剪过程，大大提高了实验结果的精确性；另一方面，本装置采用装配式设计，整体分为剪切盒、剪切轨道以及竖向加载装置三部分，每部分又可进一步拆分，达到了装配简易，运输便捷的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明实施例的主视图；
图2为本发明实施例的侧视图；
图3为本发明实施例的俯视图；
图4为本发明实施例的立体结构示意图；
图5为本发明实施例数据处理辅助图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
如图1-4，本实施例的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，主要包括剪切盒2、剪切轨道1以及竖向加载装置三部分，其中剪切盒2为具有一定厚度的方形盒；剪切轨道1为两块倒立“F”型空心板，板两端预留锚杆孔，在实际试验中通过打入固定锚杆4使轨道与地面紧密连接，同时也约束了剪切盒2的移动方向；竖向加载装置主要由传力杆3以及顶部支撑梁5组成，传力杆3下端为一底部“凹”型的连接座，连接座两侧边下部设有数个滚轴孔，通过插入滚动轴，传力杆3在与剪切轨道1保持连接的同时可带动上部结构沿剪切方向发生移动。另在连接座内侧加长，预留螺栓孔，使其通过连接螺栓12与剪切盒2连接，保证剪切盒2与竖向加载装置发生同步位移。传力杆3上端通过在顶部支撑梁5的上下侧套入螺母13将顶部支撑梁5的高度位置进行固定，顶部支撑梁5中段用固定螺丝14连接一块方形平衡板15，在垂直千斤顶16加载时使顶部支撑梁5受力均匀，不产生偏心力。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施实例对本发明进一步的描述：
遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施实例给出一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，包括剪切轨道1、剪切盒2、传力杆3，固定锚杆4、顶部支撑梁5、用于给剪切盒2施加剪切力的水平千斤顶17以及用于给剪切盒2施加竖向力的垂直千斤顶16。所述剪切轨道1包括左剪切轨道6和右剪切轨道7，左、右剪切轨道均为倒立的“F”型空心板，两端预留锚杆孔，通过穿过锚杆孔的固定锚杆4与地面固定连接。所述剪切盒2设置在左、右剪切轨道之间，剪切盒2的左、右两侧分别与左、右剪切轨道紧密接触，左、右剪切轨道对剪切盒的移动方向进行导向和限制，确保剪切盒沿剪切力的施力方向移动。
所述传力杆3包括左传力杆8和右传力杆9，所述左、右传力杆的底部分别设置有左连接座19和右连接座20，所述左、右连接座分别滑动扣合在左、右剪切轨道的顶部。为降低滑动过程中的磨损以及避免左连接座与左剪切轨道之间、右连接座与右剪切轨道之间轴向滑脱，在左剪切轨道6和右剪切轨道7均开设有沿滑动方向沿伸的滑动槽10，在左连接座和右连接座的两侧下部均开设有滚轴孔，在对应侧的滚轴孔与滑动槽10之间贯穿滚动轴11。所述左、右连接座的内侧通过连接螺栓12分别与剪切盒2的左、右两侧连接，左侧的连接螺栓穿过左连接座且可相对左连接座上下滑动，右侧的连接螺栓穿过右连接座且可相对右连接座上下滑动。一方面，连接螺栓12确保了剪切盒2与传力杆3在剪切力作用下同步滑动，另一方面，连接螺栓不约束剪切盒相对连接座的轴向移动，可确保剪切盒在竖向加载下自由产生形变或位移。
所述顶部支撑梁5横跨在左、右传力杆之间，左传力杆穿过顶部支撑梁的左端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母13并紧，右传力杆穿过支撑梁的右端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母13并紧。所述顶部支撑梁5中段底部采用固定螺丝14固定连接有方形平衡板15，所述垂直千斤顶16倒置在方形平衡板15底部。在垂直千斤顶16加载时，方形平衡板15可使顶部支撑梁5受力均匀，不产生偏心力。
所述垂直千斤顶16以及水平千斤顶17分别用来给剪切土块提供竖向压力和水平推力，同时两千斤顶分别与电子测力器18相连，通过电子测力器18分别测量水平方向剪力以及竖直方向的法向力，同时通过观察不同时间剪切轨道上标注的刻度记录剪切盒水平方向的位移变化。记录测试数据，并对其进行处理，得出测试地段的抗剪强度参数指标。
一种采用上述装置进行坡面岩土体原位抗剪实验的方法，包括如下步骤：
S1：选择坡面合适的地段开挖试坑，为原位直剪提供工作面；
S2：修整岩土体试块大小，套入剪切盒；
S3：用左、右剪切轨道夹紧剪切盒，拟定两侧四根固定锚杆安装位置，采用空压机电钻在预定位置钻孔至预计深度，打入固定锚杆固定两侧剪切轨道；
S4：将传力杆下端的连接座架于剪切轨道上，并穿入滚动轴，，同时通过连接螺栓将连接座与剪切盒连接；
S5：在两侧传力杆之间横跨安装顶部支撑梁，并用螺母固定，在顶部支撑梁中段底部采用固定螺丝固定方形平衡板；
S6：通过水平千斤顶和垂直千斤顶分别对剪切盒施加水平剪切力和竖向力，模拟试块受剪过程，记录相关数据并处理；
具体来说，原位直剪实验装置安装完毕后，分别在水平、竖直两个方向放置水平千斤顶和垂直千斤顶。水平千斤顶一端顶住挖好的平整坑壁，若坑壁较粗糙可垫钢板整平，水平千斤顶另一端与剪切盒侧面中心位置接触，保证加压时力沿着水平中心方向施加，通过水平千斤顶加压，剪切盒沿轨道方向发生位移，模拟剪切过程；垂直千斤顶置于剪切盒顶面与顶部支撑梁之间，同样应保持中心位置放置。顶部支撑梁与轨道以及地面之间依次通过滚动轴和固定锚杆连接，当垂直千斤顶加压时，轨道与顶部支撑梁位置保持不动，力从地面传至剪切盒，对剪切盒产生竖向压力，可达到模拟不同大小法向应力的效果。
为测量垂直压力以及剪力大小，水平、竖直两个方向应分别安置测力装置，采用电子测力器，有效避免人为读数不准确现象。同时在轨道上刻有刻度，记录剪切盒的位移变化，在水平千斤顶的作用下，当剪切变形急剧增长或达到试件尺寸的1/10即为剪切破坏，记录下此时的垂直压力、水平剪力、剪切位移以及时间等数值
S7：对数据进行处理，参照图5，计算公式如下：
Figure BDA0002443746230000081
Figure BDA0002443746230000082
表示为随时间变化的函数式：
Figure BDA0002443746230000083
Figure BDA0002443746230000084
其中Fj(t)为剪切过程中，t时刻对应的剪力大小；
Ft(t)为t时刻，水平千斤顶对应的电子测力器测得的推力大小；
G为试验岩土体以及剪切盒重之和；
Figure BDA0002443746230000085
为坡度；Ff为剪切盒与地面之间摩擦力；
m合为试件与盒总质量；S(t)为剪切位移与时间曲线；
Figure BDA0002443746230000086
为发生剪切破坏时剪力大小；A为剪切面的面积。
若将本直剪仪运用于平面，剪应力计算方法与常规原位直剪仪计算方法一致，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：包括剪切盒、对剪切盒进行剪切导向的剪切轨道、用于给剪切盒施加剪切力的水平千斤顶、用于给剪切盒施加竖向力的竖向加载装置以及用于对剪切力和竖向力进行测量的电子测力器，所述剪切轨道通过固定锚杆与地面锚固连接，剪切轨道上设置有用于对剪切盒的剪切位移进行测量的刻度。
2.根据权利要求1所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述剪切轨道包括左剪切轨道和右剪切轨道，所述剪切盒设置在左、右剪切轨道之间，剪切盒的左、右两侧分别与左、右剪切轨道紧密接触。
3.根据权利要求2所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述竖向加载装置包括分布在两侧的左、右传力杆、固定横跨在左、右传力杆之间的顶部支撑梁以及设置在顶部支撑梁与剪切盒顶部之间的垂直千斤顶，所述左、右传力杆的底部分别设置有左连接座和右连接座，所述左、右连接座分别滑动扣合在左、右剪切轨道的顶部，左、右连接座的内侧通过连接螺栓分别与剪切盒的左、右两侧连接，左侧的连接螺栓穿过左连接座且可相对左连接座上下滑动，右侧的连接螺栓穿过右连接座且可相对右连接座上下滑动。
4.根据权利要求3所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述左剪切轨道和右剪切轨道均开设有沿滑动方向沿伸的滑动槽，在左连接座和右连接座的两侧下部均开设有滚轴孔，在对应侧的滚轴孔与滑动槽之间贯穿滚动轴。
5.根据权利要求4所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述顶部支撑梁中段底部设置有方形平衡板，所述垂直千斤顶与方形平衡板抵紧接触。
6.根据权利要求5所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述左传力杆穿过顶部支撑梁的左端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母并紧，所述右传力杆穿过支撑梁的右端且在顶部支撑梁的上下侧用螺母并紧。
7.根据权利要求6所述的装配式岩土体边坡原位直剪试验装置，其特征在于：所述方形平衡板通过固定螺丝与顶部支撑梁固定连接。
8.一种采用如权利要求7所述的装置进行坡面岩土体原位抗剪实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择坡面合适的地段开挖试坑，为原位直剪提供工作面；
S2：修整岩土体试块大小，套入剪切盒；
S3：用左、右剪切轨道夹紧剪切盒，拟定两侧四根固定锚杆安装位置，采用空压机电钻在预定位置钻孔至预计深度，打入固定锚杆固定两侧剪切轨道；
S4：将传力杆下端的连接座架于剪切轨道上，并穿入滚动轴，，同时通过连接螺栓将连接座与剪切盒连接；
S5：在两侧传力杆之间横跨安装顶部支撑梁，并用螺母固定，在顶部支撑梁中段底部采用固定螺丝固定方形平衡板；
S6：通过水平千斤顶和垂直千斤顶分别对剪切盒施加水平剪切力和竖向力，模拟试块受剪过程，记录相关数据并处理；
S7：对数据进行处理，计算公式如下：
Figure FDA0002443746220000021
Figure FDA0002443746220000022
表示为随时间变化的函数式：
Figure FDA0002443746220000023
Figure FDA0002443746220000024
其中Fj(t)为剪切过程中，t时刻对应的剪力大小；
Ft(t)为t时刻，水平千斤顶对应的电子测力器测得的推力大小；
G为试验岩土体以及剪切盒重之和；
Figure FDA0002443746220000025
为坡度；Ff为剪切盒与地面之间摩擦力；
m合为试件与盒总质量；S(t)为剪切位移与时间曲线；
Fjmax为发生剪切破坏时剪力大小；A为剪切面的面积。
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