CN202916155U - 一种竖向直接剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

一种竖向直接剪切试验装置，包括底座、注水管和排水管，在底座上设压力室，在压力室上设剪切室上盖，在压力室内设橡皮膜套，橡皮膜套下端设在底座上且橡皮膜套的下端与底座密封连接，在橡皮膜套内设有上、下剪切盒，上剪、下剪切盒分别位于橡皮膜套的上、下端，并由橡皮膜套、上、下剪切盒围成试样腔，上剪、下剪切盒采用剪切组件，剪切组件包括基底，在基底分别设有剪切块和变形块，剪切块的与变形块相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块的与变形块相对的平面上设有水槽，水槽向基底延伸并贯通基底，形成通水孔，注水管与上剪切盒中的通水孔连接，排水管与下剪切盒中的通水孔连接，在上剪切盒上设有顶帽，在顶帽设有竖向加载轴。

Description

一种竖向直接剪切试验装置

技术领域

本实用新型涉及岩土力学、岩土工程领域的试验与测试部分，具体涉及一种竖向直接剪切试验装置，适用于具有胶结强度的均质土试样、土石混合体试样的岩土基本力学参数的测试以及滑面渗水作用下的岩土力学参数的测试，尤其是可实现渗水条件下试样剪切面强度指标的测试；此外，亦可用于岩石、混凝土的裂隙面渗流测试。

背景技术

岩土工程领域中，岩土体的剪切破坏是一种常见的破坏形式，而在剪切面形成后，剪切面的强度指标及力学特性则是计算稳定性的重要指标。直接剪切试验是获取岩土基本力学参数的主要技术手段与方法。实践中，当岩土介质具有一定的胶结强度时，岩体本身渗透性较小，当岩土体中有剪切面形成时，水的存在对剪切面强度弱化作用则十分明显，因此，剪切面上水的渗透影响下的岩土体抗剪强度对岩土体稳定性至关重要。

但常见的岩土直接剪切试验均为水平向施加剪切力，垂直向施加正应力，且由于自重作用难以考虑剪切面渗水作用。

如果采用浸水饱和试件进行剪切，则岩体介质的力学性能又均发生变化，不能仅反映滑面渗水作用的影响。

特别地，由颗粒介质胶结而成的土石混合介质，颗粒差异性、剪切面的复杂性对剪切面抗剪强度影响较大，现行试验规程中对该类介质抗剪强度试验尚无规定，因此，研制考虑滑面渗透性的直接剪切试验方法有较好的工程实践价值。

实用新型内容

本实用新型提供一种竖向直接剪切试验装置，本实用新型能够实现考虑试样剪切面上存在渗透水的抗剪强度的测试。

本实用新型采用如下技术方案：

一种竖向直接剪切试验装置，包括：底座、注水管和排水管，在底座上设有压力室，在压力室上设有剪切室上盖，在压力室内设有橡皮膜套，橡皮膜套的下端设在底座上且橡皮膜套的下端与底座密封连接，在橡皮膜套内设有上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒和下剪切盒分别位于橡皮膜套的上、下端，并由橡皮膜套、上剪切盒和下剪切盒围成试样腔，上剪切盒和下剪切盒采用剪切组件，所述剪切组件包括基底，在基底分别设有剪切块和变形块，并且，剪切块的与变形块相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块的与变形块相对的平面上设有水槽，所述水槽向基底延伸并贯通基底，形成通水孔，所述注水管与上剪切盒中的通水孔连接，所述排水管与下剪切盒中的通水孔连接，在上剪切盒上设有顶帽，在顶帽设有竖向加载轴且竖向加载轴延伸穿过上盖，在压力室与橡皮膜套之间充有压力油。

本实用新型可以进一步采用以下技术措施：

竖向直接剪切试验装置所述变形块由泡沫块和阻止试样腔内试验试样嵌入泡沫块中的刚衬垫组合而成，所述刚衬垫设在变形块的临腔面侧。

竖向直接剪切试验装置在压力室上连接有用于提供渗流水的注水系统和测量渗流量的排水系统以及用于保持压力室压力的伺服系统。

与现有直接剪切试验相比，该装置具有以下优点：

本实用新型核心是在常规三轴压缩试验设备上增添一套特殊装置，使原三轴试验轴向力转化为剪切力，围压转化为剪切试验正压力，从而实现了试样竖直向的直接剪切试验功能；同时，通过在该装置中设置通水孔实现了剪切面上渗流水的施加，可测试渗流水对介质抗剪强度的影响，亦可用于岩石、混凝土的裂隙面渗流测试。

（1）该剪切装置中剪切块和变形块刚度的差异性使原三轴试验轴向力转化为剪切力，伺服围压转化为剪切试验正压力，实现了试样竖直向的直接剪切试验功能，且剪切加载、正压力、渗流水施加方便；

（2）该装置中预设处于剪切面内的通水孔和水槽实现了考虑试样剪切面上存在渗透水的抗剪强度的测试，克服了水平向剪切试验中试样含水因自重作用保水性差的缺陷；

（3）该装置可用于测量具有胶结强度的均质土、土石混合体的岩土基本力学参数，亦可用于岩石、混凝土裂隙面的渗流测试；

（4）该装置结构紧凑，制作方便。

附图说明

图1是竖向剪切装置结构示意图；

图2是上剪切盒组成示意图；

图3是下剪切盒组成示意图；

图4是上剪切盒主视图；

图5是上剪切盒左视图；

图6是上剪切盒右视图；

图7是假三轴上剪切盒俯视图；

图8真三轴上剪切盒俯视图；

图9是下剪切盒主视图；

图10是下剪切盒左视图；

图11是下剪切盒右视图；

图12是假三轴下剪切盒俯视图；

图13是真三轴下剪切盒俯视图。

图中：

10—三轴试验压力室，

11—竖向加载轴，12—上盖，13—顶帽，14—刚性卡环，15—橡皮膜，16—试样腔，17—注水管，18—排水管，19—底座，20A—上剪切盒和20B—下剪切盒；

20—剪切系统，

20A—上剪切盒，

20I—基底，20II—剪切快，20III—变形块，201—通水孔，202—水槽，203—泡沫块，204—刚衬垫，

20B—下剪切盒，同上剪切盒；

30—注水系统；

40—排水系统；

50—伺服系统。

具体实施方式

一种竖向直接剪切试验装置，包括：底座19、注水管17和排水管18，在底座19上设有压力室10，在压力室10上设有剪切室上盖12，在压力室10内设有橡皮膜套15，橡皮膜套15的下端设在底座19上且橡皮膜套15的下端与底座19密封连接，在橡皮膜套15内设有上剪切盒20A和下剪切盒20B，上剪切盒20A和下剪切盒20B分别位于橡皮膜套15的上、下端，并由橡皮膜套15、上剪切盒20A和下剪切盒20B围成试样腔16，上剪切盒20A和下剪切盒20B采用剪切组件，所述剪切组件包括基底20I，在基底20I分别设有剪切块20II和变形块20III，并且，剪切块20II的与变形块20III相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块20II的与变形块20III相对的平面上设有水槽202，所述水槽202向基底20I延伸并贯通基底20I，形成通水孔201，所述注水管17与上剪切盒20A中的通水孔201连接，所述排水管18与下剪切盒20B中的通水孔201连接，在上剪切盒20A上设有顶帽13，在顶帽13设有竖向加载轴11且竖向加载轴11延伸穿过上盖12，在压力室10与橡皮膜套15之间充有压力油。在本实施例中，

所述变形块20III由泡沫块203和阻止试样腔16内试验试样嵌入泡沫块203中的刚衬垫204组合而成，所述刚衬垫204设在变形块20III的临腔面侧；在压力室10上连接有用于提供渗流水的注水系统30、测量渗流量的排水系统40以及用于保持压力室10压力的伺服系统50。

下面参照附图，对本实用新型作出更为详细的说明：

1.总体

如图1所示，该竖向直接剪切试验装置，包括：底座19、注水管17和排水管18，在底座19上设有压力室10，在压力室10上设有剪切室上盖12，其特征在于，在压力室10内设有橡皮膜套15，橡皮膜套15的下端设在底座19上且橡皮膜套15的下端与底座19密封连接，在橡皮膜套15内设有上剪切盒20A和下剪切盒20B，上剪切盒20A和下剪切盒20B分别位于橡皮膜套15的上、下端，并由橡皮膜套15、上剪切盒20A和下剪切盒20B围成试样腔16，上剪切盒20A和下剪切盒20B采用剪切组件，所述剪切组件包括基底20I，在基底20I分别设有剪切块20II和变形块20III，并且，剪切块20II的与变形块20III相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块20II的与变形块20III相对的平面上设有水槽202，所述水槽202向基底20I延伸并贯通基底20I，形成通水孔201，所述注水管17与上剪切盒20A中的通水孔201连接，所述排水管18与下剪切盒20B中的通水孔201连接，在上剪切盒20A上设有顶帽13，在顶帽13设有竖向加载轴11且竖向加载轴11延伸穿过上盖12，在压力室10与橡皮膜套15之间充有压力油。

该竖向直接剪切试验装置所述变形块20III由泡沫块203和阻止试样腔16内试验试样嵌入泡沫块203中的刚衬垫204组合而成，所述刚衬垫204设在变形块20III的临腔面侧。

该竖向直接剪切试验装置在压力室10上连接有用于提供渗流水的注水系统30、测量渗流量的排水系统40以及用于保持压力室10压力的伺服系统50。

2、功能块

1）三轴试验压力室10

如图1所示，三轴试验压力室10为常规三轴压缩试验设备，包括竖向加载轴11，上盖12，顶帽13，刚性卡环14，橡皮膜套15，试样腔16，注水管17，排水管18，底座19，上剪切盒20A和下剪切盒20B；

其连接关系为：

剪切室上盖12与底座19通过螺栓固定于剪切室上下两端，竖向加载轴11通过剪切室上盖12与顶帽13连接，上剪切盒20A、试样腔16和下剪切盒20B依次相连在一起，高热塑性橡皮膜套15包裹于上剪切盒20A，试样腔16和下剪切盒20B外，并用刚性卡环14将橡皮膜套15与顶帽13、底座17密封连接；

2）剪切系统20

如图2所示，剪切系统20是一种组装结构，是实现竖直向直接剪切的核心，包括上剪切盒20A和下剪切盒20B两部分；

其连接关系为：

如图3所示，上剪切盒20A设置于试样腔16上部，包括基底20I、剪切块20II和变形块20III，剪切块20II与变形块20III刚度的巨大差异是原三轴试验轴向力转化为剪切力的根源，变形块20III由泡沫块203和刚衬垫204组成，刚衬垫204可阻止试验腔16内试验试样嵌入泡沫块203；

如图4所示，下剪切盒20B设置于试样16下部，同样包括基底20I、剪切块20II和变形块20III，变形块20III由泡沫块203和刚衬垫204组成；

图5为泡沫衬垫203三视图；

图6为刚性衬垫204三视图；

3）渗流系统30，排水系统40和伺服系统50

渗流系统30，排水系统40和伺服系统50均采用常规三轴试验设备，。

其连接关系为：

渗流系统30，排水系统40和伺服系统50分别通过底座19预留孔道与三轴试验压力室10连接。

3、实施步骤

（1）根据试验规范要求制作试样；

（2）将上、下剪切盒装置与试样上下端，外侧包裹一层热塑性较高的橡皮膜，并用刚性卡环与顶帽、底座固定在一起；

（3）通过常规三轴压缩试验设备加载系统、伺服系统、渗流系统和排水系统进行直接剪切或者渗流测试；

（4）常规剪切试验不需要考虑水的存在，通过设置围压确定剪切正压力，根据轴向应变加载控制剪切；若要考虑渗水对剪切面强度的影响，可在剪切试样出现剪切面后通过渗流系统施加渗流水压，记录剪应力应变变化曲线确定相应的强度参数；若要进行裂隙面渗流测试，可在饱和试样剪切破坏后停止轴向加载，然后通过渗流系统和排水系统测试，记录渗流量及渗流时间。

实验设计实施例

某土石混合多元介质由粒径相对较小（小于5mm）的土与粒径在5mm-20mm内的块石颗粒构成，其中5mm-20mm内颗粒百分含量30%左右；天然介质处于一定的胶结状态，在滑动面上含水时强度变化对介质稳定性影响甚大；且由于采样困难，实验室内难以得到非挠动试样。

实验目的：

（1）研究胶结强度与颗粒构成控制下的试样直接剪切强度；

（2）分析水对滑面抗剪强度的影响。

试验方案设计：

可选择直径16cm的三轴压缩仪，将本实用新型剪切装置与之匹配后，进行如下设计：

（1）采用天然提取的颗粒构成试样，分别以天然土样(粒径小于5mm)、粘土、石膏三种充填物,分析不同胶结强度对抗剪切强度的影响；

（2）固定胶结物与块石含量，通过渗流系统对剪切面施加不同压力的水荷载，分析抗剪切强度与渗透量的关系。

（3）在相同含量基质胶结物下，添加不同含量的块石，研究块石含量对抗剪切强度的影响。

剪切应力的计算：

对圆柱形试样:

$\mathrm{\τ}=\frac{2P}{\mathrm{\π}{R}^2}$

对立方体试样：

$\mathrm{\τ}=\frac{2P}{L^2}$

式中：P为轴向压力，R为圆柱形试样的半径；H为试样高度;L为正方形试样的边长；τ为试样的剪切应力。

法向应力的计算时，圆柱形试样施加围压或正方向试样施加正压力均采用下式计算

σ_n＝σ₃

式中，σ₃为围压（圆柱形试样）或正应力(立方体试样)。

试验曲线的处理：

（1）绘制τ~s曲线。

（2）根据不同围压下τ~s曲线的峰值，根据莫尔库仑准则计算抗剪切强度。

Claims (3)

1.一种竖向直接剪切试验装置，包括：底座（19）、注水管（17）和排水管（18），在底座（19）上设有压力室（10），在压力室（10）上设有剪切室上盖（12），其特征在于，在压力室（10）内设有橡皮膜套（15），橡皮膜套（15）的下端设在底座（19）上且橡皮膜套（15）的下端与底座（19）密封连接，在橡皮膜套（15）内设有上剪切盒（20A）和下剪切盒（20B），上剪切盒（20A）和下剪切盒（20B）分别位于橡皮膜套（15）的上、下端，并由橡皮膜套（15）、上剪切盒（20A）和下剪切盒（20B）围成试样腔（16），上剪切盒（20A）和下剪切盒（20B）采用剪切组件，所述剪切组件包括基底（20I），在基底（20I）分别设有剪切块（20II）和变形块（20III），并且，剪切块（20II）的与变形块（20III）相对的平面和试样的剪切面共面，在剪切块（20II）的与变形块（20III）相对的平面上设有水槽（202），所述水槽（202）向基底（20I）延伸并贯通基底（20I），形成通水孔（201），所述注水管（17）与上剪切盒（20A）中的通水孔（201）连接，所述排水管（18）与下剪切盒（20B）中的通水孔（201）连接，在上剪切盒（20A）上设有顶帽（13），在顶帽（13）设有竖向加载轴（11）且竖向加载轴（11）延伸穿过上盖（12），在压力室（10）与橡皮膜套（15）之间充有压力油。

2.根据权利要求1所述的竖向直接剪切试验装置，其特征在于，所述变形块（20III）由泡沫块（203）和阻止试样腔（16）内试验试样嵌入泡沫块（203）中的刚衬垫（204）组合而成，所述刚衬垫（204）设在变形块（20III）的临腔面侧。

3.根据权利要求1所述的竖向直接剪切试验装置，其特征在于，在压力室（10）上连接有用于提供渗流水的注水系统（30）、测量渗流量的排水系统（40）以及用于保持压力室（10）压力的伺服系统（50）。

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