CN113970466A - 现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置及制作方法，包括挖设在野外粗粒土地面土层上的实验坑(3)，实验坑(3)内设置剪切盒(1)，剪切盒(1)内部用于容置粗粒土未处理试样(2)，剪切盒(1)至实验坑(3)坑壁之间留有注水空间(9)，实验坑(3)内注水(5)，粗粒土未处理试样(2)上插设加热棒(6)和温度传感器(7)，加热棒(6)和温度传感器(7)均与自动跳闸装置(8)线路连接。本发明可在现场直接进行试样的制作，从而能够准确模拟不同工程现场岩土体的实际情况，保证实验效果。
Description
技术领域
本发明涉及土力学试验技术领域，具体涉及现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置及制作方法。
背景技术
粗粒土是指粒径为0.075～60mm的颗粒含量(质量比)大于50％的土石混合料。粗粒土的成因一般比较复杂，其颗粒大小不一，物质成分复杂，结构分布不规则，不均匀系数较大，而且渗透系数相差悬殊。组成粗粒土的各种组分在外荷载作用下的力学性质有很大差异，同时它们之间又存在着极其复杂的相互作用，是非常复杂的不连续介质材料。粗粒土的这些特性决定了它的工程性质十分复杂，给粗粒土的研究带来了很多困难。随着岩土力学的发展和大规模岩体工程的建设，尤其是道路和水利水电工程建设的发展，土石混合料经常作为一种填料应用在工程建设中，它作为一种特殊的岩土介质，越来越受到国内外学者的重视，这种岩土材料的力学特性与其内部结构、尺寸效应、颗粒形状和粒度组成都有很大的关系。雨水降渗和蒸发、地下水位上升和下降等水环境的变化是较为常见的自然现象，水的反复浸润导致颗粒之间原有的摩擦平衡状态被打破以及颗粒强度的降低，从而在一定范围内出现颗粒棱角的破碎和颗粒位置的迁移，使粗粒土的强度和应力应变特性等力学性质发生改变。因此，干湿循环作为一种影响粗粒土长期力学性质变化的重要因素是不能忽视的，尤其对于消落带高填方工程。
然而，目前粗粒土在干湿循环条件下的力学性质变化并没有得到足够的重视，主要表现为很多干湿循环试验中的研究对象根本没有粗粒土，或者只是采用简易的干湿循环方法进行研究。另外，许多学者采用室内试验的方法来研究干湿循环作用对粗粒土抗剪强度的影响。室内试验粗粒土试样为重塑试样，原来的胶结作用已经遭到破坏，干湿循环作用所产生的裂隙的发育受到尺寸、试验条件的限制，难以完全反应对抗剪强度的影响。实际工程中，受现场条件的限制，关于干湿循环作用对现场抗剪强度影响的研究尚不多见。
现阶段，粗粒土的干湿循环主要在室内采用浸水湿化和自然晾干的方法。其中自然凉干所需时间长，脱水效果差，严重限制了对此类问题的研究。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置。本发明可在现场直接进行试样的制作，从而能够准确模拟不同工程现场岩土体的实际情况，保证实验效果。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：包括挖设在野外粗粒土地面土层上的实验坑，实验坑内设置剪切盒，剪切盒内部用于容置粗粒土未处理试样，剪切盒至实验坑坑壁之间留有注水空间，实验坑内注水，粗粒土未处理试样上插设加热棒和温度传感器，加热棒和温度传感器均与自动跳闸装置线路连接。
进一步的：所述粗粒土未处理试样上插设多根加热棒，加热棒在粗粒土未处理试样上所处的位置能够保证粗粒土未处理试样顺利完成干湿循环处理。
进一步的：所述粗粒土未处理试样与野外粗粒土地面土层保留原始一体状态。
进一步的：所述粗粒土未处理试样的顶部设置承压板。
本发明的第二个目的在于：提供一种现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样的制作方法，其特征在于，预制好上述所述的承压板和剪切盒作为粗粒土未处理试样的取用直径，所述制作方法包括如下步骤：
S1、确定野外粗粒土地面土层上的试验点位置，将承压板放置在试验点位置，以承压板的直径为粗粒土未处理试样的取用直径，用电镐松动承压板周围土体，并用小铲将松动土体铲出，形成实验坑，实验坑内剩余的粗粒土为实验所用的粗粒土未处理试样，粗粒土未处理试样至实验坑坑壁之间的空间为注水空间；
S2、取下承压板，用水平尺整平粗粒土未处理试样的顶面，修整粗粒土未处理试样周围土体，并确保粗粒土未处理试样直径略小于剪切盒的直径；
S3、在粗粒土未处理试样外侧套上剪切盒，用细料将剪切盒与粗粒土未处理试样之间的空缺处填满并进行击实；
S4、往注水空间和粗粒土未处理试样的顶部注水，并在注水空间内维持一定的水面高度，使得粗粒土未处理试样能够完成第一次饱和处理，此时，试样完成了第一次干湿循环处理；
S5、采用手钻在完成第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶面均匀施工多个钻孔，在钻孔内安放加热棒和温度传感器；
S6、加热棒与温度传感器均与自动跳闸装置相连，加热棒进行持续的一段时间的加热后，停止加热，并再一次往注水空间和第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶部注水，并在注水空间内维持一定的水面高度，使得第一次干湿循环处理的粗粒土试样能够完成第二次饱和处理，即完成第二次干湿循环处理；
S7、根据实验需求，重复步骤S6，对粗粒土未处理试样进行多次干湿循环处理。
进一步的：在步骤S6中，当温度传感器检测到第一次干湿循环处理的粗粒土试样温度到达设定值时，信号传输至自动跳闸装置，自动跳闸装置断电，加热棒停止加热；从而能够控制加热后的粗粒土试样含水率到达特定值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明可在野外现场直接进行试样的制作，有效控制试样的含水率，从而能够准确模拟不同工程现场岩土体的实际情况，同时也防止加热棒温度过高对试样产生的影响，保证实验效果。本发明采用的试样体积较大，因而试验结果比传统小试样直剪试验所得结果更准确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明承压板和剪切盒的结构示意图；
图3是本发明加热棒和温度传感器的布置图。
附图标记：1-剪切盒；2-粗粒土未处理试样；3-实验坑；4-承压板；5-水；6-加热棒；7-温度传感器；8-自动跳闸装置；9-注水空间。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1至3所示，现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，包括挖设在野外粗粒土地面土层上的实验坑3，实验坑3内设置剪切盒1，剪切盒1内部用于容置粗粒土未处理试样2，剪切盒1至实验坑3坑壁之间留有注水空间9，实验坑3内注水5，粗粒土未处理试样2上插设加热棒6和温度传感器7，加热棒6和温度传感器7均与自动跳闸装置8线路连接，当温度传感器7检测到试样温度到达设定值时，信号传输至自动跳闸装置8，自动跳闸装置8断电，加热棒6停止加热；从而能够控制加热后的粗粒土试样的含水率。
所述粗粒土未处理试样2上插设多根加热棒6，加热棒6在粗粒土未处理试样2上所处的位置能够保证粗粒土未处理试样2顺利完成干湿循环处理。优选的，采用三根或四根加热棒6，并在粗粒土未处理试样2上呈等边三角型或平行四边形布置，加热棒6在粗粒土未处理试样2上的插入深度可根据剪切盒1的高度进行延长，加热棒6的直径为粗粒土未处理试样2直径的1/50，其形状为圆柱体或棱柱体。
所述粗粒土未处理试样2与野外粗粒土地面土层保留原始一体状态。本发明的试验土样是原状土，扰动较小，可以真实反应试样在干湿循环作用下由胶结作用引起的的黏结强度的劣化情况。
所述粗粒土未处理试样2的顶部设置承压板4。
本发明可以反应干湿循环作用下试样由于水的渗透其力学性质的变化，有效地模拟水库岸坡消落带岩石所处的环境条件；本发明通过设置加热棒6，有效缩短了粗粒土试样的干燥时间，改善了粗粒土试样的干燥效果。
本发明还提供了一种现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样的制作方法，预制好上述所述的承压板4和剪切盒1作为粗粒土未处理试样2的取用直径，所述制作方法包括如下步骤：
S1、确定野外粗粒土地面土层上的试验点位置，将承压板4放置在试验点位置，以承压板的直径为粗粒土未处理试样2的取用直径，用电镐松动承压板4周围土体，并用小铲将松动土体铲出，形成实验坑3，实验坑3内剩余的粗粒土为实验所用的粗粒土未处理试样2，粗粒土未处理试样2至实验坑3坑壁之间的空间为注水空间9，注水空间9的面积为粗粒土未处理试样2直径的2倍；
S2、取下承压板4，用水平尺整平粗粒土未处理试样2的顶面，修整粗粒土未处理试样2周围土体，并确保粗粒土未处理试样2直径略小于剪切盒1的直径；
S3、在粗粒土未处理试样2外侧套上剪切盒1，用细料(细料为野外粗粒土地面土层上的小颗粒直径的粗粒土)将剪切盒1与粗粒土未处理试样2之间的空缺处填满并进行击实；
S4、往注水空间9和粗粒土未处理试样2的顶部注水5，并在注水空间9内维持一定的水面高度(在本实施例中，水面高度维持在10cm)，使得粗粒土未处理试样2能够完成第一次饱和处理，此时，试样完成了第一次干湿循环处理；
S5、采用手钻在完成第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶面均匀施工多个钻孔，在钻孔内安放加热棒6和温度传感器7；
S6、加热棒6与温度传感器7均与自动跳闸装置8相连，加热棒6进行持续的一段时间加热时间为8小时的加热后，停止加热，并再一次往注水空间9和第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶部注水5，在注水空间9内维持一定的水面高度(在本实施例中，水面高度维持在10cm)，使得第一次干湿循环处理的粗粒土试样能够完成第二次饱和处理，即完成第二次干湿循环处理；
S7、根据实验需求，重复步骤S6，对粗粒土未处理试样2进行多次干湿循环处理。
在步骤S6中，当温度传感器7检测到第一次干湿循环处理的粗粒土试样温度到达设定值时，信号传输至自动跳闸装置8，自动跳闸装置8断电，加热棒6停止加热。
注水空间9和粗粒土未处理试样2顶部的注水在24小时内对粗粒土未处理试样2进行渗透，24小时后，粗粒土未处理试样2被水完全渗透，即完成饱和处理。在本实施例中，粗粒土未处理试样2的高度为300mm，直径为500mm，加热棒6采用三根，三根加热棒6在粗粒土未处理试样2上呈等边三角形布置，三根加热棒6在粗粒土未处理试样2上距剪切盒1边缘100mm处布置，插入的深度在25-28cm之间，直径为1.5cm；三根加热棒6有效的加热辐射范围在边缘上具有重叠，使得粗粒土未处理试样2整体能被加热棒6的加热辐射范围所包含在内。本发明通过人为对加热棒加热时间的控制、温度传感器感应试样温度后根据设定温度结合自动跳闸装置进行加热棒断电处理。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置及制作方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：包括挖设在野外粗粒土地面土层上的实验坑(3)，实验坑(3)内设置剪切盒(1)，剪切盒(1)内部用于容置粗粒土未处理试样(2)，剪切盒(1)至实验坑(3)坑壁之间留有注水空间(9)，实验坑(3)内注水(5)，粗粒土未处理试样(2)上插设加热棒(6)和温度传感器(7)，加热棒(6)和温度传感器(7)均与自动跳闸装置(8)线路连接。
2.根据权利要求1所述的现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：所述粗粒土未处理试样(2)上插设多根加热棒(6)，加热棒(6)在粗粒土未处理试样(2)上所处的位置能够保证粗粒土未处理试样(2)顺利完成干湿循环处理。
3.根据权利要求1所述的现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：所述粗粒土未处理试样(2)与野外粗粒土地面土层保留原始一体状态。
4.根据权利要求1所述的现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：所述粗粒土未处理试样(2)的顶部设置承压板(4)。
5.现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样的制作方法，其特征在于，预制好如权利要求4所述的承压板(4)和剪切盒(1)作为粗粒土未处理试样(2)的取用直径，所述制作方法包括如下步骤：
S1、确定野外粗粒土地面土层上的试验点位置，将承压板(4)放置在试验点位置，以承压板(4)的直径为粗粒土未处理试样(2)的取用直径，用电镐松动承压板(4)周围土体，并用小铲将松动土体铲出，形成实验坑(3)，实验坑(3)内剩余的粗粒土为实验所用的粗粒土未处理试样(2)，粗粒土未处理试样(2)至实验坑(3)坑壁之间的空间为注水空间(9)；
S2、取下承压板(4)，用水平尺整平粗粒土未处理试样(2)的顶面，修整粗粒土未处理试样(2)周围土体，并确保粗粒土未处理试样(2)直径略小于剪切盒(1)的直径；
S3、在粗粒土未处理试样(2)外侧套上剪切盒(1)，用细料将剪切盒(1)与粗粒土未处理试样(2)之间的空缺处填满并进行击实；
S4、往注水空间(9)和粗粒土未处理试样(2)的顶部注水(5)，并在注水空间(9)内维持一定的水面高度，使得粗粒土未处理试样(2)能够完成第一次饱和处理，此时，试样完成了第一次干湿循环处理；
S5、采用手钻在完成第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶面均匀施工多个钻孔，在钻孔内安放加热棒(6)和温度传感器(7)；
S6、加热棒(6)与温度传感器(7)均与自动跳闸装置(8)相连，加热棒(6)进行持续的一段时间的加热后，停止加热，并再一次往注水空间(9)和第一次干湿循环处理的粗粒土试样的顶部注水(5)，在注水空间(9)内维持一定的水面高度，使得第一次干湿循环处理的粗粒土试样能够完成第二次饱和处理，即完成第二次干湿循环处理；
S7、根据实验需求，重复步骤S6，对粗粒土未处理试样(2)进行多次干湿循环处理。
6.根据权利要求5所述的现场干湿循环作用下粗粒土大型直剪试验试样制作装置，其特征在于：在步骤S6中，当温度传感器(7)检测到第一次干湿循环处理的粗粒土试样温度到达设定值时，信号传输至自动跳闸装置(8)，自动跳闸装置(8)断电，加热棒(6)停止加热。
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