CN204439474U - 滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滑坡岩体现场直剪试验装置，涉及一种大型现场直剪试验装置，特别适用于滑坡区岩石弱面或软弱岩石的现场直剪试验。本试验装置包括试样1、反力系统8、9、垂向压力系统6、传力系统7、滚轴排4、垂向位移传感器10、切向剪力系统15、滚珠轴承13、垫板12、14、切向位移传感器11、一套垂向自动加荷数据采集系统18和一套切向自动加荷数据采集系统19。本实用新型所有部件可拆卸，方便运输，便于安装。由于采用了自动加荷数据采集系统、压力传感器、位移传感器、使用钢筋混凝土保护罩保护岩样和切向剪力前端加上滚珠轴承等技术措施，而使得滑坡岩体抗剪强度数据测试测量精度高，稳定性好。

Description

滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种大型现场直剪试验装置，特别涉及一种滑坡区岩石弱面或软弱岩石的现场直剪试验装置。

背景技术

岩土体的抗剪强度是岩土工程力学中最重要的力学参数之一，是滑坡(边坡)防治治理工程稳定性分析的重要依据。目前，岩体抗剪强度的现场测定方法主要是直接剪切试验，其试验条件更接近岩体实际。现场直剪试验装置是进行直接剪切试验的主要设备，但是，在现有装置的应用过程中还是经常由于装置的某些缺陷而造成试验的失败，造成资源和精力的浪费。因此准确测定岩体的抗剪强度参数对开展滑坡防治设计以及稳定性评价具有一定的现实意义。

岩土体直剪试验原理方法虽然简单，但对于大颗粒、现场大尺寸样品的测试工作一直很难较好开展。因为现场剪切试验操作较为复杂，尤其在试件制备、设备安装、垂向和剪切荷载的设置，需要耗费大量的人力与物力。试验精度不高，主要由设备的安装误差、加载的不稳定、自动化控制程度低、采用人工操作加载系统，以及进行人工位移测读等因素引起的，很难准确测定滑坡岩体的抗剪强度参数。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用性强、使用范围广泛的滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，包括试样1、钢筋混凝土保护罩2、反力系统、垂向压力系统、传力系统、切向剪力系统、垂向自动加荷数据采集系统18、切向自动加荷数据采集系统19，试样1置于钢筋混凝土保护罩2内；在所述钢筋混凝土保护罩2的上方依次安装有垂向压力系统、传力系统、反力系统；在所述钢筋混凝土保护罩2的一侧依次安装有切向剪力系统；垂向压力系统和切向剪力系统分别控制垂向压力和切向剪力；垂向自动加荷数据采集系统18通过位移传感器电缆21、油压软管20连接垂向位移传感器10和垂向压力系统；切向自动加荷数据采集系统19通过位移传感器电缆21、油压软管20连接切向位移传感器11和切向剪力系统；所述的垂向位移传感器10位于垂向压力系统上，用于量测试验过程中试样1的垂向位移；所述的切向位移传感器11位于试样1剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样1的切向位移。

本实用新型提供的滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，包括试样、反力系统、垂向压力系统、传力系统、滚轴排、切向剪力系统、滚珠轴承、垫板、一套垂向自动加荷数据采集系统和一套切向自动加荷数据采集系统。本实用新型精度高，应用、操作简便、因地制宜、充分利用现场资源、节省试验成本。本试验方法属于应变控制式，即通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验过程。其优点在于采用了自动加荷数据采集系统、压力传感器、位移传感器、使用钢筋混凝土保护罩保护岩样和切向剪力前端加上滚珠轴承等技术措施，而使得滑坡岩体抗剪强度数据测试更加科学、准确、合理，使得滑坡岩体抗剪强度数据测试测量精度高，稳定性好。

本实用新型为一种野外大型现场原位直剪试验装置，为滑坡岩体抗剪强度试验提供了更方便、更精确、更自动化的测试设备，具有较好的实用性，采用本实用新型进行现场直剪试验可确保试验操作更方便、试验结果更精确、试验过程更自动化。

附图说明

下面将结合附图对使用新型进行详细说明。

图1是试验装置的剖面图(主视图)；

图2是试验装置的平面图(俯视图)；

图3是垂向自动加荷采集系统。

图4是切向自动加荷采集系统。

图中：1—试样；

2—钢筋混凝土保护罩；

3—下压力钢板；

4—滚滑排；

5—上压力钢板；

6—垂向压力千斤顶；

7—垂向传力筒；

8—压重平台钢梁；

9—堆重；

10—垂向位移传感器；

11—切向位移传感器；

12—切向前一钢垫板；

13—滚珠轴承；

14—切向前二钢垫板；

15—切向剪力千斤顶；

16—后垫板(枕木、钢板)；

17—膨胀聚苯乙烯(或其他材料)垫料；

18—垂向自动加荷数据采集系统(包括静载测试仪、中继器、压力传感器、控载箱、油泵和单向阀等)；

19—切向自动加荷数据采集系统(包括静载测试仪、中继器、压力传感器、控载箱、油泵和单向阀等)；

20—油压软管；

21—位移传感器电缆；

22—静载测试仪；

23—中继器；

24—控载箱；

25—油泵；

26—压力传感器；

27—单向阀。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细描述。参照附图，对本实用新型优选实施例进行详细的描述，其中所有相同的附图标记表示相同的部件。

如图1-4所示，一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，包括试样1、钢筋混凝土保护罩2、反力系统、垂向压力系统、传力系统、切向剪力系统、垂向自动加荷数据采集系统18、切向自动加荷数据采集系统19，试样1置于钢筋混凝土保护罩2内；在所述钢筋混凝土保护罩2的上方依次安装有垂向压力系统、传力系统、反力系统；在所述钢筋混凝土保护罩2的一侧依次安装有切向剪力系统；垂向压力系统和切向剪力系统分别控制垂向压力和切向剪力；垂向自动加荷数据采集系统18通过位移传感器电缆21、油压软管20连接垂向位移传感器10和垂向压力系统；切向自动加荷数据采集系统19通过位移传感器电缆21、油压软管20连接切向位移传感器11和切向剪力系统；所述的垂向位移传感器10位于垂向压力系统上，用于量测试验过程中试样1的垂向位移；所述的切向位移传感器11位于试样1剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样1的切向位移。

进一步的：

所述的反力系统由压重平台钢梁8和位于其上的堆重9组成；所述的传力系统为垂向传力筒7，所述的垂向传力筒7下与垂向压力系统相连、上与压重平台钢梁8相连。

所述的垂向压力系统是由下压力钢板3、滚轴排4、上压力钢板5和垂向压力千斤顶6依次连接组成；所述的滚轴排4内置滚珠，位于上压力钢板5和下压力钢板3之间，试验时随着切向位移的发展而沿下压力钢板3表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。

所述的切向剪力系统是由切向前一钢垫板12、滚珠轴承13、切向前二钢垫板14、切向剪力千斤顶15、后垫板16依次连接组成；所述的滚轴轴承13由若干钢滚珠与固定滚珠框架组成，位于切向前一钢垫板12和切向前二钢垫板14之间，试验时随着垂向位移的发展而沿切向前一钢垫板12表面滑动，保证切向剪力不产生偏心力矩；所述的后垫板16与探坑坑壁构成反力底座，所述的后垫板16是由若干块枕木或钢板组成。

所述的垂向位移传感器10为四个，分别位于上压力钢板5的四个角点；所述的切向位移传感器11为两个。

所述的垂向自动加荷数据采集系统18、切向自动加荷数据采集系统19分别由静载测试仪22、中继器23、压力传感器26、控载箱24、油泵25、单向阀27组成。

所述的垂向自动加荷数据采集系统18、切向自动加荷数据采集系统19分别通过油压软管20连接垂向压力千斤顶6和切向剪力千斤顶15。

所述钢筋混凝土保护罩2的下方设有膨胀聚苯乙烯垫料17。

所述的垂向压力千斤顶6、切向剪力千斤顶15为分离式油压千斤顶。

所述的钢筋混凝土保护罩2为10厘米厚C30钢筋混凝土保护罩。

本试验装置包括试样1、钢筋混凝土保护罩2、反力系统8、9、垂向压力系统6、传力系统7、切向剪力系统15、滚滑排3、4、5、滚珠轴承12、13、14和自动加荷数据采集系统18、19。试样1置于钢筋混凝土保护罩2内，反力系统8、9、垂向压力系统6、传力系统7、滚轴排3、4、5和试样1依次连接，将垂向压力施加于试样1；切向剪力系统15、滚珠轴承12、13、14和试样1依次连接，将侧向压力施加于试样1；垂向自动加荷数据采集系统18由四个垂向位移传感器10位于上压力钢板5的四个角点，用于量测试验过程中试样1的垂向位移；切向自动加荷数据采集系统19由两个切向位移传感器11位于剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样1的切向位移；垂向压力系统6的和切向剪力系统15分别控制量测垂向压力和切向剪力。

工作原理：在切削完成的滑坡岩体的试样1上，浇筑钢筋混凝土保护罩2，在其上安装上压力钢板5、下压力钢板3，在两个垂向压力板之间放置滚轴排4，在上压力钢板5的上面依次安装垂向压力千斤顶6、垂向传力筒7、压重平台钢梁8和堆重9，垂向压力千斤顶6的作用力作用于反力系统8、9以提供垂向压力；切向剪力系统15利用探坑坑壁加后垫板16作反力底座，切向剪力千斤顶15和切向前二钢垫板14、滚珠轴承13、切向前一钢垫板12结合作用于试样1侧面提供切向剪力；量测试样1垂向变形的位移传感器10，安装在上压力钢板5的四角上；量测试样1剪切变形的位移传感器11，安装在剪力受力面的另一侧；垂向和切向位移传感器10、11分别与垂向和切向自动加荷数据采集系统18、19相连，启动垂向自动加荷数据采集系统18，施加垂向压力，固结一定时间后，启动切向自动加荷数据采集系统19分级施加切向剪力，记录试验数据。

实施例：

本实用新型装置依次安装压重平台钢梁、堆重，安装下压力钢板、滚滑排、上压力钢板、垂向压力千斤顶和垂向传力筒，安装切向前一钢垫板、滚珠轴承、切向前二钢垫板、切向剪力千斤顶和后垫板，安装位移传感器和压力传感器，并将位移传感器、压力传感器和自动加荷数据采集系统相连，启动数据采集程序即可开始试验。首先对试样分级施加垂向荷载，待垂直变形已经稳定后对试样施加切向剪应力，当切向剪切达到峰值或稳定值时，即认为试样剪损；在施加切向剪应力过程中，保持垂向荷载不变；在不同垂向荷载条件下，对同一岩层以同样方式进行5个试样的剪切试验。在全部试样试验完成后，绘制不同压力条件下的剪应力与剪切位移关系曲线、抗剪强度与垂直压力关系曲线，回归分析采用峰值时或10％剪切位移对应的剪应力(无峰值)，计算抗剪强度及C、φ值。试体剪断后进行剪断面的残余抗剪强度试验，当完成各级垂向荷载下的残余抗剪强度试验后，绘制剪应力与剪切位移关系曲线、残余抗剪强度与垂直压力关系曲线，回归分析计算残余抗剪强度及残余粘聚力C_r、残余内摩擦角φ_r。

现场组装仪器，测试滑坡岩体的抗剪强度指标，现场测定5个试样，使用沙袋堆重提供反力。

制备的试样尺寸为长50cm×宽50cm×高35cm，在试样外部设10厘米厚C30钢筋混凝土保护罩；垂向上压力钢板的底面与试样的顶面间垫薄层砂，并使垂向上压力钢板与试样的底平面平行；施加垂向荷载时，须保证垂向上压力钢板中心、反力中心、垂向压力千斤顶底座中心和试样中心，保持在同一轴线上。

首先对试样分级施加垂向荷载，5个试样的垂向压力分别为80kPa、140kPa、200kPa、230kPa、290kPa五个等级。一般可分4级进行施加荷载，施加荷载后每5min观测变形一次；当5min内垂直变形值不超过0.05mm时，可施加下一级荷载；施加最后一级荷载后按5min、10min、15min的时间间隔测记垂直变形值，当连续两次15min垂直变形累计不大于0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可施加剪切荷载。

对试样施加切向剪应力，剪应力的施加可采用分级的方法，即每5～10min加一级，开始按垂向总荷载的10％施加，当某级切向剪力下的变形超过前一级变形的1.5倍以上时，改为按垂向总荷载的5％施加；每施加一级，观测水平位移一次，当切向剪切达到峰值或稳定值时，即认为试样剪损；若无上述情况出现，剪切变形达到10％试样边长时，即可停止试验；在施加切向剪应力过程中，保持垂向荷载不变；剪损时间宜控制在5～10min之内。

试验完成时，剪切面并不是一个平直的面，而是根据岩体的结构组成而形成的凹凸不平的不规则面。这是由于岩体弱面节理裂隙发育，呈不同方向变化，则剪切在空间上出现凹凸不平的不规则面，这与岩体弱面剪切试验的理论研究结果是相符的。通过各个试样的剪应力与剪切变形关系曲线，绘制了试样抗剪强度曲线图，采用线性回归方法，计算得到此次试验的强风化绢云母片岩的抗剪强度为：粘聚力c为37kPa，内摩擦角φ约为33.82°。计算得到此次试验岩体的残余抗剪强度为：残余粘聚力c为36kPa，残余内摩擦角φ约为27.92°。

本实用新型主要特点：

1.试样的制备大多是滑坡区岩体的软弱面或软弱岩体，其节理裂隙多发育，在切割雕凿的过程中多容易破碎、切面不规整，套上常规的剪切盒内缝隙较大，受力的着力点不均匀容易造成试样早期应力破坏，采用在试样外部设10厘米厚钢筋混凝土保护罩代替剪切盒来解决此问题，效果好。

2.本实用新型属于应变控制式现场直剪试验系统，即通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验过程，可以实现对试样的匀速剪切，能够反映原位岩土体变形的全过程，实现对水平位移的严格控制，可以根据需要调整剪切速率。

3.反力提供采用现场沙袋堆重，就地取材，提供的反力足够大，解决了以往反力不足的缺点。

4.采用垂向、切向自动加荷数据采集系统控制压力传感器做到自动加载、能保证恒载，使试验荷载施加以及试验进程得以控制，解决了加载系统不稳定的问题。

5.在剪切施加力前方设置滚珠轴承，避开了垂向分力的干扰，保证了剪切力直线不变，剪切过程中水平向荷载均匀施加在试样侧面上，因此，剪切缝不会由于试样的剪胀作用而发生改变，从而使试样的变形较传统的直剪仪更加均匀。

6.由于采用自动加荷数据采集系统，试验中的全部测量数据实现了自动采集，采用数字位移传感器的测量精度高，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的残余抗剪强度指标。

7.本实用新型现场直剪试验装置操作简单、测量精度高、因地制宜、充分利用现场资源、节省试验成本，装置结构简单，性能可靠，所有部件可拆卸，方便运输，便于安装。

Claims (10)

1.一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，包括试样(1)、钢筋混凝土保护罩(2)、反力系统、垂向压力系统、传力系统、切向剪力系统、垂向自动加荷数据采集系统(18)、切向自动加荷数据采集系统(19)，其特征在于，试样(1)置于钢筋混凝土保护罩(2)内；在所述钢筋混凝土保护罩(2)的上方依次安装有垂向压力系统、传力系统、反力系统；在所述钢筋混凝土保护罩(2)的一侧依次安装有切向剪力系统；垂向压力系统和切向剪力系统分别控制垂向压力和切向剪力；垂向自动加荷数据采集系统(18)通过位移传感器电缆(21)、油压软管(20)连接垂向位移传感器(10)和垂向压力系统；切向自动加荷数据采集系统(19)通过位移传感器电缆(21)、油压软管(20)连接切向位移传感器(11)和切向剪力系统；所述的垂向位移传感器(10)位于垂向压力系统上，用于量测试验过程中试样(1)的垂向位移；所述的切向位移传感器(11)位于试样(1)剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样(1)的切向位移。

2.根据权利要求1所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的反力系统由压重平台钢梁(8)和位于其上的堆重(9)组成；所述的传力系统为垂向传力筒(7)，所述的垂向传力筒(7)下与垂向压力系统相连、上与压重平台钢梁(8)相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的垂向压力系统是由下压力钢板(3)、滚轴排(4)、上压力钢板(5)和垂向压力千斤顶(6)依次连接组成；所述的滚轴排(4)内置滚珠，位于上压力钢板(5)和下压力钢板(3)之间，试验时随着切向位移的发展而沿下压力钢板(3)表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。

4.根据权利要求3所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的切向剪力系统是由切向前一钢垫板(12)、滚珠轴承(13)、切向前二钢垫板(14)、切向剪力千斤顶(15)、后垫板(16)依次连接组成；所述的滚轴轴承(13)由若干钢滚珠与固定滚珠框架组成，位于切向前一钢垫板(12)和切向前二钢垫板(14)之间，试验时随着垂向位移的发展而沿切向前一钢垫板(12)表面滑动，保证切向剪力不产生偏心力矩；所述的后垫板(16)与探坑坑壁构成反力底座，所述的后垫板(16)是由若干块枕木或钢板组成。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的垂向位移传感器(10)为四个，分别位于上压力钢板(5)的四个角点； 所述的切向位移传感器(11)为两个。

6.根据权利要求5所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的垂向自动加荷数据采集系统(18)、切向自动加荷数据采集系统(19)分别由静载测试仪(22)、中继器(23)、压力传感器(26)、控载箱(24)、油泵(25)、单向阀(27)组成。

7.根据权利要求5所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的垂向自动加荷数据采集系统(18)、切向自动加荷数据采集系统(19)分别通过油压软管(20)连接垂向压力千斤顶(6)和切向剪力千斤顶(15)。

8.根据权利要求1、2、4或6所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述钢筋混凝土保护罩(2)的下方设有膨胀聚苯乙烯垫料(17)。

9.根据权利要求1、2、4、6或7所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的垂向压力千斤顶(6)、切向剪力千斤顶(15)为分离式油压千斤顶。

10.根据权利要求1、2、4、6或7所述的一种滑坡岩体抗剪强度的现场直剪试验装置，其特征在于，所述的钢筋混凝土保护罩(2)为10厘米厚C30钢筋混凝土保护罩。