CN113324854B - 一种土样强度测试装置及其实验方法 - Google Patents

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CN113324854B CN202110597368.0A CN202110597368A CN113324854B CN 113324854 B CN113324854 B CN 113324854B CN 202110597368 A CN202110597368 A CN 202110597368A CN 113324854 B CN113324854 B CN 113324854B
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Abstract

本发明提供了一种土样强度测试装置及其实验方法，其包括安装架、固定在安装架上用于放置土样的剪切装置、安装在安装架上用于给剪切装置中土样施加纵向荷载的法向加载装置和安装在安装架上用于施加横向荷载使剪切装置剪切土样的横向加载装置；剪切装置包括上剪切盒、两个透明套环和下剪切盒；上剪切盒和下剪切盒上均设有相互配合使用并用于安装透明套环的台阶孔，台阶孔的较小孔径与透明套环的内径相同；沿透明套环轴线方向的横截面为矩形；上剪切盒与下剪切盒的侧面上均开有观察口，观察口位于台阶孔的较大孔径处。

Description

一种土样强度测试装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种土样强度测试装置及其实验方法。
背景技术
岩土工程中，边坡土体薄弱充填介质的强度对其稳定性起着重要作用。工程实践表明，在部分膨胀土地区地层中存在着非胀缩变形产生的原生裂隙。这些裂隙倾向多与地貌吻合，它们或集中于地下某一特定层位，或分布于地层的某一条带之中。裂隙长度大小不一，裂隙的延展方向呈现一定的规律性，天然状态下，这些裂隙呈闭合状态，通常由软弱充填介质构成，如灰白或灰绿色黏土，软弱充填介质厚度大多集中在0.5mm～3mm不等，个别裂隙通常较细小，有些甚至无黏土充填。裂隙面软弱充填介质上的土体含水率明显高于两侧土体，原生裂隙充填层饱和度高、压缩性大、强度低的特点。
现有的直剪仪不可视，在剪切土样时，工作人员通常根据经验直接将含有软弱充填介质土样放置在剪切装置中，然后进行实验，也有将在剪切盒底部放置垫片，调整土样高度，但土样在法向加载后压缩变形大，土样剪切面也发生位置变化，盲目剪切，导致土样中软弱充填介质的测量失真和操作繁杂。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种土样强度测试装置及其实验方法，其目的是解决现有的直剪仪不可视，盲目剪切，导致土样中软弱充填介质的测量失真和操作繁杂的问题。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
提供一种土样强度测试装置，其包括安装架、固定在安装架上用于放置土样的剪切装置、安装在安装架上用于给剪切装置中土样施加纵向荷载的法向加载装置和安装在安装架上用于施加横向荷载使剪切装置剪切土样的横向加载装置；
剪切装置包括上剪切盒、两个透明套环和下剪切盒；上剪切盒和下剪切盒上均设有相互配合使用并用于安装透明套环的台阶孔，台阶孔的较小孔径与透明套环的内径相同；沿透明套环轴线方向的横截面为矩形；
上剪切盒与下剪切盒的侧面上均开有观察口，观察口位于台阶孔的较大孔径处。
本发明的有益效果为：在本方案中，设置的台阶孔、两个透明套环和观察口，从观察口透过透明套环观察到土样位置，在剪切时，保证土样的软弱充填介质位于上剪切盒与下剪切盒的交界面处，避免了剪切前的盲目性以及反复操作的繁琐方式。
在本方案中，设置的安装架、剪切装置、法向加载装置和横向加载装置，使强度测试装置操作简单、方便快捷、实用性强、测试结果准确。
进一步，剪切装置还包括用于调节土样位置的高度调节装置；
高度调节装置包括螺杆，下剪切盒上设有同轴并连通台阶孔的第一螺纹孔，螺杆插接在第一螺纹孔中，位于台阶孔中的螺杆上安装有轴承座，轴承座安装在推力轴承上，推力轴承滑动设置在台阶孔中，远离轴承座一端的螺杆上安装有手轮。
现有的直剪仪在剪切土样时，通过在土样底部增加垫片、或取样时严格控制裂隙充填层位于中部，前者需要事先加工不同厚度垫片，调整高度过程费时费力，后者对取样操作人员有较高要求，但即便如此，在土样法向加载后，均不能保证剪切时薄层裂隙面与剪切面重合。设置的高度调节装置，能随意调节土样位于上剪切盒和下剪切盒中的位置，在实验时，便于将土样的软弱充填介质调节到上剪切盒和下剪切盒的交界处，提高了实验的准确性。
进一步，剪切装置还包括用于定位上剪切盒和下剪切盒的定位机构；
定位机构包括设置在上剪切盒顶面边缘处的第一贯穿孔、与第一贯穿孔同轴的盲孔和用于插接在第一贯穿孔和盲孔中的插销。
定位机构起到初步定位上剪切盒和下剪切盒的作用，便于放置土样、以及高度控制装置调节土样软弱充填介质位置；在横向剪切实验时需要将插销拔出，通过横向加载装置使上剪切盒与下剪切盒横向错位移动剪切土样软弱充填介质。
进一步，下剪切盒滑动设置在基座上，基座固定安装在安装架的台面上；
台面和基座上均设有便于螺杆滑动的第一通槽，螺杆穿过第一通槽插接在第一螺纹孔中。
进一步，基座上设有一对相互平行的第一凹槽，下剪切盒底面上设有一对与第一凹槽配合使用的第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽之间设置有滚珠；位于第一凹槽两端的基座上分别固定设有限位板。
在实验时，设置的第一凹槽、第二凹槽和滚珠，便于剪切装置相对于基座滑动剪切土样。两个限位板一方面防止滚珠从基座两侧滑出，另一方面防止下剪切滑出，撞坏。
进一步，法向加载装置包括两个传力杆、放置在土样上方的加载盖、顶板、承载板、螺帽、加重板、带有底盘的丝杆、第一砝码，台面上开有对称设置且相互平行的两个第二通槽，两个传力杆的一端对称固定在顶板上，传力杆的另一端设有外螺纹并依次穿过第二通槽和承载板上的第二贯穿孔、并采用螺帽紧固在传力杆的外螺纹上；
顶板上设有连接杆，连接杆的底端与加载盖接触；加重板可拆卸安装在承载板的顶面上，承载板上设有第二螺纹孔，丝杆插接在第二螺纹孔中，第一砝码挂接在丝杠上。
台面上设置的第二通槽，在不进行实验时，可以将法向加载装置通过第二通槽移动到剪切装置的一侧。设置的两个传力杆、顶板、承载板、螺帽和加载盖组成了可以给土样施加法向荷载的装置。加重板设置在承载板的顶面上可以作为第一法向荷载；承载板上插接丝杆并将第一砝码挂接在丝杠上可以作为第二法向荷载；通过第一法向荷载或第二法向荷载或二者的组合提供了土样在法向所需的荷载，保证了安装架下方狭小空间内大、小法向荷载的都可施加。
进一步，横向加载装置包括正向支撑上剪切盒的反力支撑装置、反向拉动下剪切盒的拉动装置和反向推动下剪切盒的作动器；
反力支撑装置包括固定在台面上的两个竖板和螺纹杆，上剪切盒的侧面上开有V形嘴，两个竖板上分别设有同轴的内螺纹孔和通孔，螺纹杆的一端插接在内螺纹孔和通孔中、并延伸至与V形嘴配合使用，另一端设有转动轮；
拉动装置包括钢丝绳、固定在台面上的两组定滑轮和承重组件，钢丝绳依次缠绕过一个定滑轮、下剪切盒和另一个定滑轮，钢丝绳的两端固定连接在承重组件上；承重组件包括带有底盘的竖杆和插接在竖杆上的第二砝码；竖杆与钢丝绳的两端固定连接。
作动器安装在台面上，作动器与拉动装置分别设置在剪切装置的两侧，作动器的推动杆与下剪切盒接触。
在实验时，调节反力支撑装置与V形嘴刚好接触配合，将拉动装置的钢丝绳依次缠绕过一个定滑轮、靠近作动器的限位板和另一个定滑轮，承重组件固定在钢丝绳的两端，将法向荷载装置施加在土样上时，此时将承重组件悬挂与台面以下，开始加载法向荷载，法向变形稳定后，将靠近作动器的限位板处的钢丝绳挂置下剪切盒侧面卡槽中，开始横向剪切实验。设置的承重组件包括竖杆和插接在竖杆上的第二砝码，便于根据不同土样所需的横向荷载施加不同的荷载。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明提供所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中一种土样强度测试装置的立体图。
图2为本发明中一种土样强度测试装置测量土样瞬时强度的示意图。
图3为本发明中一种土样强度测试装置测量土样强度的示意图。
图4为本发明中剪切装置的爆炸图。
图5为本发明中下剪切盒与高度调节装置的结构示意图。
图6为本发明中高度调节装置的结构示意图。
图7为本发明中法向加载装置的结构示意图。
图8为本发明中反力支撑装置的结构示意图。
图9为本发明中基座的结构示意图。
图10为本发明中拉动装置的结构示意图。
图11为本发明中安装架的结构示意图。
图12剪切荷载与破坏时间的关系曲线。
其中：1、安装架；101、台面；102、第二通槽；104、支撑腿；105、导向孔；2、垂直位移计；3、法向加载装置；301、顶板；302、传力杆；303、连接杆；304、加载盖；305、加重板；306、丝杆；308、第一砝码；309、承载板；4、剪切装置；401、上剪切盒；402、观察口；403、盲孔；404、第三孔；405、卡槽；406、下剪切盒；407、螺杆；408、第二凹槽；409、第四孔；410、V形嘴；411、第二孔；412、第一孔；413、第一贯穿孔；414、轴承座；415、推力轴承；5、反力支撑装置；501、竖板；502、通孔；503、螺纹杆；504、内螺纹孔；6、拉动装置；601、钢丝绳；602、定滑轮；603、竖杆；604、第二砝码；605、平衡板；7、基座；701、限位板；702、第一凹槽；703、第一通槽；704、螺栓；8、作动器；9、荷载传感器；10、水平位移计。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
请参考图1-图9，本发明提供一种土样强度测试装置，其包括安装架1、固定在安装架1上用于放置土样的剪切装置4、安装在安装架1上用于给剪切装置4中土样施加纵向荷载的法向加载装置3和安装在安装架1上用于施加横向荷载使剪切装置4剪切土样的横向加载装置。
参考图1、2和3，剪切装置4包括上剪切盒401、两个透明套环和下剪切盒406；上剪切盒401和下剪切盒406上均设有相互配合使用并用于安装透明套环的台阶孔，台阶孔的较小孔径与透明套环的内径相同；沿透明套环轴线方向的横截面为矩形；上剪切盒401与下剪切盒406的侧面上均开有观察口402，观察口402位于台阶孔的较大孔径处。
在本方案中，设置的台阶孔、两个透明套环和观察口402，从观察口402透过透明套环观察到土样位置，在剪切时，保证土样的软弱充填介质位于上剪切盒401与下剪切盒406的交界面处，避免了剪切前的盲目性以及反复操作的繁琐方式。
在本方案中，设置的安装架1、剪切装置4、法向加载装置3和横向加载装置，使强度测试装置操作简单、方便快捷、实用性强。
为了方便说明本申请，将上剪切盒401的台阶孔从上到下命名为第一孔412和第二孔411，将下剪切盒406的台阶孔从上到下命名为第三孔404和第四孔409；其中第一孔412和第四孔409为台阶孔的较小孔，第二孔411和第三孔404为台阶孔的较大孔。透明套环的外径、第二孔411的孔径和第三孔404的孔径均相同，透明套环的内径、第一孔412的孔径、第四孔409的孔径和土样的直径均相同，透明套环的厚度、第二孔411的厚度和第三孔404的厚度均相同。
需要说明的是，设置的第二孔411和第三孔404便于与两个透明套环配合使用，避免了法向加载装置3把土样挤压到第二孔411和第三孔404中，保证了剪切盒与套环组成的整体具有刚度大、变形小的特征，避免了实验误差。设置的观察口402，从观察口402透过透明套环观察到土样位置，便于高度调节装置调节准确调节土样的位置；避免了剪切前的盲目性以及反复操作的繁琐方式。安装架1可以是现有技术，还可以是如图1和9，包括台面101和用于支撑台面101的支撑腿104。上剪切盒401和下剪切盒406均可以是圆柱形。第一孔412、第二孔411、第三孔404、第四孔409和第一螺纹孔的轴线与上剪切盒401和下剪切盒406的中心线重合。透明套环可以是有机玻璃制成的。
本方案优选的，参考图1、2、3、4、5和6，剪切装置4还包括用于调节土样位置的高度调节装置。高度调节装置包括螺杆407，下剪切盒406上设有同轴并连通台阶孔的第一螺纹孔，螺杆407插接在第一螺纹孔中，位于台阶孔中的螺杆407螺纹连接有轴承座414，所述轴承座414上放置推力轴承415，所述轴承座414升降设置在所述台阶孔中，远离轴承座414一端的螺杆407上安装有手轮。
现有的直剪仪在剪切土样时，通过在土样底部增加垫片、或取样时严格控制裂隙充填层位于中部，前者需要事先加工不同厚度垫片，调整高度过程费时费力，后者对取样操作人员有较高要求，但即便如此，由于法向压缩变形时，裂隙软弱充填层位置发生移动，也不能保证剪切时剪切面与薄层软弱充填层重合。设置的高度调节装置，能随意调节土样位于上剪切盒401和下剪切盒406中的位置，在实验时，便于将土样软弱充填介质调节到上剪切盒401和下剪切盒406的交界处，提高了实验的准确性。
手轮可以焊接在螺杆407上，手轮还可以替换成便于转动螺杆407的任何驱动装置。其中推力轴承415可以参考图5和图6，土样可以放在带有顶盖的推力轴承415顶面上，还可以在推力轴承415的顶面上放置一个外径与第四孔409孔径相同的圆铁饼或透水石，土样放在圆铁饼或透水石上。
本方案优选的，参考图1和3，剪切装置4还包括用于定位上剪切盒401和下剪切盒406的定位机构；定位机构包括设置在上剪切盒401顶面边缘处的第一贯穿孔413、与第一贯穿孔413同轴的盲孔403和用于插接在第一贯穿孔413和盲孔403中的插销。
定位机构起到初步定位上剪切盒401和下剪切盒406的作用，便于放置土样、以及高度控制装置调节土样软弱充填介质位置；在实验剪切时需要将插销拔出，通过横向加载装置使上剪切盒401与下剪切盒406横向错位移动剪切土样软弱充填介质。
其中第一管穿孔和盲孔403的数量均为两个，两个第一管穿孔分别对称设置在靠近上剪切盒401两个对角上处的壳体顶面上，两个盲孔403与两个盲孔403位置匹配设置。
本方案优选的，参考图1、4、5和9，下剪切盒406滑动设置在基座7上，基座7固定安装在安装架1的台面101上；台面101和基座7上均设有便于螺杆407滑动的第一通槽703，螺杆407穿过第一通槽703插接在第一螺纹孔中。
参考图1、3、5和9，基座7上设有一对相互平行的第一凹槽702，下剪切盒406底面上设有一对与第一凹槽702配合使用的第二凹槽408，第一凹槽702与第二凹槽408之间设置有滚珠；位于第一凹槽702两端的基座7上分别固定设有限位板701。
在实验时，设置的第一凹槽702、第二凹槽408和滚珠，便于剪切装置4相对于基座7滑动剪切土样。两个限位板701防止剪切装置4从基座7两侧滑出，限位板701上插接有螺栓705，螺栓705用于在剪切实验前，调节剪切装置4与反力支撑装置刚好接触。
基座7可以螺栓固定在台面101上。限位板701可以焊接或螺栓连接在基座7上。第一通槽703可以位于基座7的中部。两个第一凹槽702可以分别位于第一通槽703的两侧。其中，在实验时避免上剪切盒401从下剪切盒406上脱落下来。
本方案优选的，参考图1和7，法向加载装置3包括两个传力杆302、顶板301、承载板309、螺帽、加重板305、带有底盘的丝杆306、第一砝码308，台面101上开有对称设置且相互平行的两个第二通槽102，两个传力杆302的一端对称固定在顶板301上，传力杆302的另一端设有外螺纹并依次穿过第二通槽102和承载板309上的第二贯穿孔、并采用螺帽紧固在传力杆302的外螺纹上。
顶板301上设有连接杆303，连接杆303上固定连接有加载盖304；加重板305可拆卸安装在承载板309的顶面上，承载板309上设有第二螺纹孔，丝杆306插接在第二螺纹孔中，第一砝码308挂接在丝杠上。
传力杆302的顶端可以以顶板301中心对称且垂直焊接在顶板301上，传力杆302中心距与两个第二通槽102的中心距相等，且传力杆302的直径小于第二通槽102的槽宽，传力杆302的底端穿过承载板309的第二管穿孔，通过螺帽将承载板309固定在传力杆302上。其中加重板305是一定重量的矩形板，例如可以是5kg、10kg、20kg等，加重板305可以直接放在承载板309顶面上；还可以在承载板309上设置一个便于加重板305插接的滑杆或螺纹杆。在安装丝杆306时候，使丝杆306的顶面尽可能不超过承载板309的顶面，这样便于在承载板309顶面上安装加重板305。丝杠上挂机第一砝码308为现有技术，可以参考天平秤上的挂接方式。加重板305设置在承载板309的顶面上可以作为第一法向荷载；承载板309上插接丝杆306并将第一砝码308挂接在丝杠上可以作为第二法向荷载；通过第一法向荷载或第二法向荷载或二者的组合提供了土样在法向所需的三种添加方式荷载，这样在实验时，根据不同的土样所需的法向荷载需求，保证法向加载装置3可以适用多种土样，避免了现有法向加载装置3适用的局限性。连接杆303垂直且可以螺纹连接或焊接在顶板301的中部，加载盖304可以焊接或螺纹连接在连接杆303上，加载盖304的顶面为平面。在放置第一法向荷载或第二法向荷载后，需要检测法向加载装置3是否对土样加载完毕，此时可以采用安装在顶板301的垂直位移计2，当垂直位移计2指针或读数不发生变化时，说明法向加载装置3对土样的以挤压并保持不变；在台面101上安装水平位移计10为现有技术，可以进行检测下剪切盒406的水平位移量，其中垂直位移计2和水平位移计10均为现有技术，可以直接采用安装并使用。
其中，台面101上以剪切装置4对称设置的两个第二通槽102，在不进行实验时，可以将法向加载装置3通过第二通槽102移动到剪切装置4的一侧。设置的两个传力杆302、顶板301、承载板309、螺帽和加载盖304组成了可以给土样施加法向荷载的装置，使剪切装置4位于顶板301与台面101之间，加载盖304恰好可以垂直滑动设置在上剪切盒401的第一孔412中。
本方案优选的，参考图1、6和8，横向加载装置包括正向支撑上剪切盒401的反力支撑装置5、反向拉动所述下剪切盒406的拉动装置6和反向推动所述下剪切盒406的作动器8；
参考图1和6，反力支撑装置5包括固定在台面101上的两个竖板501和螺纹杆503，上剪切盒401的侧面上开有V形嘴410，两个竖板501上分别设有同轴的内螺纹孔504和通孔502，丝杠的一端插接在内螺纹孔504和通孔502中、并延伸至与V形嘴410配合使用，另一端设有转动轮。
作动器8安装在所述台面101上，作动器8与拉动装置6对称设置在剪切装置的两侧，作动器8的推动杆与下剪切盒406接触。
两个竖板501可以焊接或螺栓连接在台面101上，内螺纹孔504和通孔502的轴线可以是水平并指向上剪切盒401的侧面中上部，V形嘴410可以焊接在上剪切盒401的侧面中上部，恰好螺纹杆503端部穿过内螺纹孔504和通孔502水平顶在V形嘴410上，螺纹杆503端部可设有与V形嘴410匹配的形状。转动轮可以焊接在螺纹杆503的另一端上，转动轮还可以用其他驱动装置代替，驱动螺纹杆503转动并移动。其中，V形嘴410还可以其他形状，与螺纹杆503可以固定配合使用。
参考图1和10，拉动装置6包括钢丝绳601、固定在台面101上的两组定滑轮602和承重组件，钢丝绳601依次缠绕过一个定滑轮602、下剪切盒406和另一个定滑轮602，钢丝绳601的两端固定连接在承重组件上；
承重组件包括带有底盘的竖杆603和插接在竖杆603上的第二砝码604；竖杆603与钢丝绳601的两端固定连接。
在未设有V形嘴410的下剪切盒406不同面上设有卡槽405，这样便于钢丝绳601卡在下剪切盒406上，防止钢丝绳601在下剪切盒406上下滑动。为了保证实验时剪切荷载是水平施加的，钢丝绳601在定滑轮602上的高度与钢丝绳601在下剪切盒406上卡槽405的高度相同。定滑轮602可以螺栓连接在远离剪切装置4一侧的台面101边缘处上；其中钢丝绳601两端绕过定滑轮602后不与台面101接触，也就是说钢丝绳601的两端绕过定滑轮602后穿过设置在台面上且位于定滑轮法向切线方向的导向孔105，然后与承重组件固定连接。承重组件中的平衡梁605与钢丝绳601两端可以是焊接连接，还可以是通过平衡板605与钢丝绳601的两端连接，平衡板605中部与竖杆603的顶端螺栓连接。
在实验时，靠近作动器8的限位板701上插接有螺栓704，螺栓704调节剪切装置与调节反力支撑装置5接触。将拉动装置6的钢丝绳601依次缠绕过一个定滑轮602、靠近作动器8的限位板701和另一个定滑轮602，承重组件固定在钢丝绳601的两端，将法向荷载装置施加在土样上时，待法向变形稳定后，将钢丝绳601从限位板701上取下，然后挂接在下剪切盒406的卡槽405上，此时将承重组件悬挂与台面101以下，施加横向荷载，开始实验剪切实验。设置的承重组件包括竖杆603、竖杆顶端平衡板605、和插接在竖杆603上的第二砝码604，便于根据不同土样所需的横向荷载施加不同的荷载。
在测量土样的瞬时剪切强度时，需用作动器8的推动杆推动剪切装置4进行剪切土样；在测量土样剪切强度时，需用拉动装置6拉动剪切装置4进行剪切土样；两中方式均为现有技术，本领域技术人员可以查到并使用。
在本方案中，水平位移计、反力支撑装置5和拉动装置6均位于剪切装置4的一侧。作动器8和拉动装置6使下剪切盒406在基座7上滑动的方向与第二通槽102的长度方向相同。法向加载装置3的加载盖304刚好可以垂直挤压土样。两个观察口402的分别设置两个对侧面上的两个端部，保证前后均可视，V形嘴410设置在未设有观察口402的侧面上，这样的观察口402便于观察内部土样的情况。
本方案在具体实施的尺寸具体可以如下所示：
台面101的长为1150mm，宽为500cm，厚为20mm；第一凹槽702和第二凹槽408的截面为梯形，上边为8mm、下边长为2mm；下剪切盒406的长为110mm、宽110mm、高85mm；上剪切盒401的长为110mm、宽110mm、高25mm；透明套环的外径、第二孔411和第三孔404的直径为71.8mm，透明套环的内径、第一孔412和第四孔409的直径为61.8mm，透明套环、第二孔411和第三孔404的高度为10mm；第四孔409的高度为50mm，第一孔412的高度20mm，空心的透明套环的壁厚为5mm；连通第二孔411或第三孔404的观察口402高度为5mm，宽度为20mm。
一种土样强度测试装置的实验方法，其包括以下步骤：
步骤一：获取中部为软弱充填介质(为1mm厚度)的土样,土样的软弱充填介质涂有鲜亮颜色；土样为原状土环刀土样或重塑土环刀土样；
步骤二：将土样放置在推力轴承415顶面上，调节高度调节装置直至土样的软弱充填介质位于上剪切盒401和下剪切盒406的交界面的上方；
步骤三：通过法向加载装置(3)向土样施加预设法向荷载；
加载完毕后，记录土样的垂直位移变化量及对应时间，直至土样法向变形稳定，调节土样的软弱充填介质位于上剪切盒(401)和下剪切盒(406)的交界面；
步骤四：测量土样瞬时剪切强度；
拔掉插销，转动靠近作动器一侧的限位板701螺栓，调整剪切装置位置，使得上剪切盒401的V形嘴410与反力支撑装置5刚好接触，启动作动器(8)按预设推动速度推动下剪切盒，完全破坏土样，测量土样的瞬时剪切强度为τf。
步骤五：更换土样，重复步骤一、步骤二和步骤三；
拔掉插销，根据步骤四中的瞬时剪切强度，在拉动装置(6)上施加不大于瞬时剪切强度的预设横向荷载，进行土样剪切并记录下剪切盒(406)的水平位移变化量和对应时间；从而得到破坏土样的软弱充填介质的破坏时间。τf为横向荷载；tf为破坏时间。
步骤六：重复步骤一、二、三、五、六，至少更换四次土样，得出至少四组土样的剪切荷载τ与对应的破坏时间tf，代入τ＝A-Btf/(C+tf)进行曲线回归，得出A、B、C的值，从而得到任意破坏时间tf对应土样的剪切荷载τ，以及tf趋于无穷大时土样的永久强度为A-B。
在步骤五中，施加的横向荷载必须能使剪切装置4破坏土样。
实验方法的举例说明：在邯郸膨胀土地区边坡工程同一地层中，取中部为软弱充填介质的土样，软弱充填介质为黏土矿物，厚度为1mm，数量5个。按照步骤二和步骤三操作，对土样施加预先计算出的法向荷载50kPa，通过法向位移计2测定加载后的法向变形，记录土样的垂直位移变化量及对应时间，直至土样法向变形稳定，调节土样的软弱充填介质位于上剪切盒401和下剪切盒406的交界面上；按照步骤四拔掉插销，转动靠近作动器8一侧的限位板701上的螺栓，调整剪切装置4的位置，使得上剪切盒401的V形嘴410与反力支撑装置5刚好接触，启动作动器8按按2.4mm/min速度推动下，快速剪切土样，待土样完全破坏后，通过反力支撑装置5上的荷载传感器9得到瞬时剪切强度为τf＝40kPa；随后，更换土样，重复步骤一、步骤二和步骤三，拔掉插销，将钢丝绳601从限位板701上取下，然后挂接在下剪切盒406的卡槽405上，此时将承重组件悬挂与台面101以下，施加横向荷载τ1，大小为1倍τf，开始实验剪切实验，同时水平位移计9和秒表记录下剪切盒406的水平位移变化量和对应时间，待土样剪切破坏后停止数据记录，读取剪切破坏时间tf1＝1.0min，由此，获得了第一组实验数据(tf1，τ1)；随后，更换土样，按照上述操作，施加横向荷载τ2、τ3、τ4、τ5，大小分别为0.94τf、0.87τf、0.82τf、0.76τf，分别测的了土样的剪切破坏时间tf2＝29.2min、tf3＝352.0min、tf4＝1958.5min、tf5＝9580.0min。将上述五组数据代入τ＝A-Btf/(C+tf)进行曲线回归，如图12所示，得出A＝42.1、B＝9.9、C＝44.2，从而得到任意破坏时间tf对应土样的剪切荷载τ，以及土样当tf趋于无穷大时，τ与tf关系曲线的渐近线为A-B＝32.2kPa，即永久强度τ∞＝32.2kPa。
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)

1.一种土样强度测试装置，其特征在于，包括安装架(1)、固定在所述安装架(1)上用于放置土样的剪切装置(4)、安装在所述安装架(1)上用于给所述剪切装置(4)中土样施加纵向荷载的法向加载装置(3)和安装在所述安装架(1)上用于施加横向荷载使所述剪切装置(4)剪切土样的横向加载装置；
所述剪切装置(4)包括上剪切盒(401)、两个透明套环和下剪切盒(406)；所述上剪切盒(401)和所述下剪切盒(406)上均设有相互配合并用于安装透明套环的台阶孔，所述台阶孔的较小孔径与所述透明套环的内径相同；所述透明套环沿其轴线方向的横截面为矩形；
所述上剪切盒(401)与下剪切盒(406)的侧面上均开有观察口(402)，所述观察口(402)位于所述台阶孔的较大孔径处；
所述剪切装置(4)还包括用于调节土样位置的高度调节装置；所述高度调节装置包括螺杆(407)，所述下剪切盒(406)上设有同轴并连通台阶孔的第一螺纹孔，所述螺杆(407)插接在所述第一螺纹孔中，位于所述台阶孔中的螺杆(407)上螺纹连接有轴承座(414)，所述轴承座(414)上放置推力轴承(415)，所述轴承座(414)升降设置在所述台阶孔中，远离轴承座(414)一端的螺杆(407)上安装有手轮；
所述下剪切盒(406)滑动设置在基座(7)上，所述基座(7)固定安装在安装架(1)的台面(101)上；所述台面(101)和所述基座(7)上均设有便于所述螺杆(407)滑动的第一通槽(703)，所述螺杆(407)穿过所述第一通槽(703)插接在所述第一螺纹孔中；
所述法向加载装置(3)包括两根传力杆(302)、放置在土样上方的加载盖(304)、顶板(301)、承载板(309)、螺帽、加重板(305)、带有底盘的丝杆(306)和第一砝码(308)，所述台面(101)上开有对称设置且相互平行的两个第二通槽(102)，两根所述传力杆(302)的一端对称固定在所述顶板(301)上，另一端设有外螺纹并依次穿过所述第二通槽(102)和所述承载板(309)上的第二贯穿孔、并采用所述螺帽紧固在传力杆(302)的外螺纹上；所述顶板(301)上设有连接杆(303)，所述连接杆(303)的底端与所述加载盖(304)接触；所述加重板(305)可拆卸安装在所述承载板(309)的顶面上，所述承载板(309)上设有第二螺纹孔，所述丝杆(306)插接在所述第二螺纹孔中，所述第一砝码(308)挂接在所述丝杆(306)上。
2.根据权利要求1所述的一种土样强度测试装置，其特征在于，所述剪切装置(4)还包括用于定位上剪切盒(401)和下剪切盒(406)的定位机构；
所述定位机构包括设置在所述上剪切盒(401)顶面边缘处的第一贯穿孔(413)、与所述第一贯穿孔(413)同轴的盲孔(403)和用于插接在所述第一贯穿孔(413)和盲孔(403)中的插销。
3.根据权利要求1所述的一种土样强度测试装置，其特征在于，所述基座(7)上设有一对相互平行的第一凹槽(702)，所述下剪切盒(406)底面上设有一对与第一凹槽(702)配合使用的第二凹槽(408)，所述第一凹槽(702)与第二凹槽(408)之间设置有滚珠；位于第一凹槽(702)两端的所述基座(7)上分别固定设有限位板(701)。
4.根据权利要求1所述的一种土样强度测试装置，其特征在于，所述横向加载装置包括正向支撑所述上剪切盒(401)的反力支撑装置(5)、反向拉动所述下剪切盒(406)的拉动装置(6)和反向推动所述下剪切盒(406)的作动器(8)，
所述上剪切盒(401)的侧面上开有V形嘴(410)，所述反力支撑装置(5)包括固定在所述台面(101)上的两块竖板(501)和螺纹杆(503)，两块所述竖板(501)上分别设有同轴的内螺纹孔(504)和通孔(502)，所述螺纹杆(503)的一端插接在内螺纹孔(504)和通孔(502)中、并延伸至与所述V形嘴(410)配合，另一端设有转动轮；
所述拉动装置(6)包括钢丝绳(601)、固定在所述台面(101)上的两组定滑轮(602)和承重组件，所述钢丝绳(601)依次缠绕过一个定滑轮(602)、下剪切盒(406)和另一个定滑轮(602)，所述钢丝绳(601)的两端固定连接在所述承重组件上；
所述承重组件包括带有底盘的竖杆(603)和插接在竖杆(603)上的第二砝码(604)；所述竖杆(603)与钢丝绳(601)的两端固定连接；
所述作动器(8)安装在所述台面(101)上，所述作动器(8)与所述拉动装置(6)分别设置在剪切装置的两侧，所述作动器(8)的推动杆与所述下剪切盒(406)接触。
5.根据权利要求4所述的一种土样强度测试装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取内含为软弱充填介质的土样；
步骤二：将土样放置在推力轴承(415)顶面上，调节高度调节装置直至土样的软弱充填介质位于上剪切盒(401)和下剪切盒(406)的交界面的上方；
步骤三：通过法向加载装置(3)向土样施加预设法向荷载；
加载完毕后，记录土样的垂直位移变化量及对应时间，直至土样法向变形稳定，调节土样的软弱充填介质位于上剪切盒(401)和下剪切盒(406)的交界面上；
步骤四：测量土样瞬时剪切荷载强度；
拔掉插销，启动作动器(8)按预设推动速度推动下剪切盒，完全破坏土样，测量土样的瞬时剪切强度荷载；
步骤五：更换土样，重复步骤一、步骤二和步骤三；
拔掉插销，根据步骤四中的瞬时剪切强度荷载，在拉动装置(6)上施加不大于瞬时剪切强度荷载的预设横向荷载，进行土样剪切并记录下剪切盒(406)的水平位移变化量和对应时间，从而得到破坏土样的软弱充填介质的破坏时间。
6.根据利要求5所述的一种土样强度测试装置的实验方法，其特征在于，土样的软弱充填介质涂有鲜亮颜色；土样为原状土环刀土样或重塑土环刀土样。
7.根据利要求5所述的一种土样强度测试装置的实验方法，其特征在于，还包括步骤六：至少重复四次步骤一、二、三、五，并同时更换至少四次土样，得出至少四组土样的剪切荷载τ与对应的破坏时间tf，代入τ＝A-Btf/(C+tf)进行曲线回归，得出A、B、C的值，从而得到任意破坏时间tf对应土样的剪切荷载τ，以及当tf趋于无穷大时，土样的永久强度为A-B。
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自走铁矿覆岩裂隙带发育规律研究;陶峰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;20151215(第12期);第B021-18页 *
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