一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置制造方法及图纸

一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，包括应变式直剪仪、加载板，所述加载板为圆柱体，其上端面设有至少一个延伸至圆柱体圆周外的限位凸齿，当试样置于应变式直剪仪的剪切盒中泡水前，加载板上的限位凸齿与剪切盒上端面接触，控制加载板底面与试样实现无间隙接触但不对试样施加荷载。采用上述装置测量膨胀土抗剪强度：先对试样恒体积浸水，测量竖向膨胀力并以此作为上覆荷载进行直剪试验，得试样的有效黏聚力和有效内摩擦角。本实用新型专利技术装置简单、操作方便、结构合理，确保直剪试验中，不同上覆荷载作用下试样剪切前微结构一致，解决了本领域长期以来不能准确获得膨胀土抗剪强度参数的问题，为膨胀土土建工程结构设计提供准确设计参数。

A constant volume immersion direct shear test device for static pressure soil sample

【技术实现步骤摘要】
一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置
本技术公开了一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置；属于土工试验测量

技术介绍
膨胀土遍及世界六大洲40多个国际，我国是是膨胀土分布最广的国家之一，26个省、自治区、直辖市存在这种特殊土，与一般黏土相比，膨胀土富含蒙脱石及其混层矿物，当含水率增大接受到较小约束时，会产生膨胀变形和强度急剧衰减；而当其湿胀受到一定约束时，会对周围土体和结构物产生不可忽略的膨胀附加应力。因此，公路、铁路、水利和房建等工程中的膨胀土挖方和填方边坡极易发生坍塌，严重威胁工程建设与运营安全，造成巨额经济损失。因此确保膨胀土边坡设计参数的合理性与准确性，是有效利用膨胀土填筑路堤和膨胀土路堑边坡处治的关键。岩土工程的失稳绝大多数是由于剪切破坏引起的，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍。根据以往实际工程，膨胀土边坡在坡度只有1:4～1:5的缓坡也会发生滑动，而按照现行规范的直剪试验所得强度指标并不低，理论上认为：上述膨胀土边坡是不会发生滑动的。发生上述现象的原因在于：现有公路土工试验规程(JTGE40-2007)中的常规直剪试验方法，其测量过程存在本质缺陷，不能真实反应膨胀土的抗剪强度。现有公路土工试验规程(JTGE40-2007)中的常规直剪试验方法，直剪试验前，需要对膨胀土试样浸水饱和，浸水饱和过程是将设定初始干密度和含水率的环刀试样置于剪切盒中，试样上下设置透水石，通过加载板作用在上透水石上对试样施加不同人为规定的上覆荷载(如施加100、200、300、400kPa的上覆荷载)，对试样浸水，使其达到饱和状态，然后进行直剪试验；其中：加载板、上透水石、试样的径向尺寸和面积完全一样。现有技术采用上述加载装置、结构及方法，存在以下缺陷：由于采用尺寸及面积都相同的加载板、透水石在浸水前对试样施加不同的上覆荷载，此时，试样在上覆荷载作用下，会发生一定程度压缩，其干密度相对于试样制备时设定的初始干密度会发生改变。膨胀土试样在浸水饱和过程中由于上覆荷载的作用会发生不同程度的膨胀。而膨胀土与非膨胀土最大的区别在于，其含有膨胀性黏土矿物颗粒。这种颗粒会随着含水率增大而膨胀，随着上覆荷载的增大而压缩，进而使土体微结构以及土体平均粒径发生改变。膨胀土吸水膨胀后，黏土矿物集聚体会变小并趋于分散，会导致土中粉粒与粉粒接触的减少，粉粒与黏粒接触增多，而粉粒之间的摩擦强度是膨胀土整体摩擦强度的主要贡献部分。因此，膨胀变形可能会对膨胀土的有效应力抗剪强度指标产生影响。采用常规方法拟合得到的黏聚力和内摩擦角均不低，理论上压实土不具有真黏聚力，因此膨胀土实际抗剪强度指标值比通过常规试验测得的要低。常规剪切试验中，不同上覆荷载作用下导致饱和膨胀土试样干密度和微结构发生变化，剪切的是不同初始状态的膨胀土试样，因此强度包线表现出非线性，直线拟合得到的截距和斜率与真黏聚力和内摩擦角有所区别。
技术实现思路
本技术为了克服现有技术的不足和缺陷，而提供一种结构简单合理、操作方便、严格控制试样初始干密度状态的静压土试样恒体积浸水直剪试验装置。专利技术人通过国内外研究现状调研和常规直剪试验研究发现：在常规直剪试验中，试样在不同上覆荷载作用下浸水饱和后试样在剪切前会发生不同程度的膨胀或压缩。对非膨胀土而言，这种膨胀和压实的变化仅影响土的峰值强度，对极限强度影响小，因此一般不考虑剪切前不同上覆荷载作用下试样结构差异对有效应力抗剪强度指标的影响。然而对膨胀土，采用常规试验方法获得的膨胀土的抗剪强度包线具有显著的非线性(图5)，这样导致线性拟合得到的参数与真实抗剪强度指标存在一定差距。例如，在低应力范围内(0-50kPa)拟合得到的黏聚力虽然仅为几kPa，但内摩擦角高达30°-40°；在高应力范围内(大于50kPa),拟合得到的黏聚力为20kPa以上，内摩擦角为20°左右；在全应力范围内拟合得到的黏聚力和内摩擦角均不低。理论上压实土不具有有效黏聚力或有效粘聚力极小，且膨胀土边坡滑坍具有缓坡性，有的边坡坡率为1:3甚至1:5时仍会滑动，因此膨胀土实际抗剪强度指标值比通过常规试验测得的要低。其原因在于,常规试验中施加不同围压(上覆荷载)并浸水饱和试样后，试样发生不同程度的膨胀或压缩，试样剪切前干密度发生了显著变化。而膨胀土与非膨胀土最大的区别在于，含有膨胀性黏土矿物颗粒。这种颗粒会随着含水率增大而膨胀，随着上覆荷载的增大而压缩，进而使土体微结构以及土体平均粒径发生改变，如图6所示。膨胀土在不同上覆荷载作用下浸水膨胀或压缩后，会导致土中粉粒与黏粒接触数量的改变，而粉粒之间的摩擦强度是膨胀土整体摩擦强度的主要贡献部分。因此，常规直剪试验中，不同上覆荷载作用下导致饱和膨胀土试样干密度和微结构发生变化，剪切的是不同土体结构的膨胀土试样，因此强度包线表现出非线性，直线拟合得到的截距和斜率与真黏聚力和内摩擦角有所区别。因此本专利技术设计了带有限位结构及压力传感器的加载板：1.保证在施加上覆荷载时不会因竖向压力的作用导致试样被压缩，确保了试验土样密度的一致性；2.采用试样膨胀达到饱和状态时实测的竖向膨胀力作为剪切过程中施加在试样上的上覆荷载，保证在剪切过程中试样所受竖向压力是恒定的且不发生膨胀；3.试样在吸水时，通过对加载板施加远大于膨胀土竖向膨胀力的外加荷载，将试样限制在恒定的空间内，不会发生体积膨胀和压缩，通过压力传感器实时监测竖向膨胀力。并可以通过监测压力传感器数据变化，判断土样是否完全达到饱和状态。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，包括应变式直剪仪、加载板，所述加载板为圆柱体，其上端面设有至少一个延伸至圆柱体圆周外的限位凸齿，当试样置于应变式直剪仪的剪切盒中泡水前，将加载板安装在应变式直剪仪的剪切盒上时，所述限位凸齿与剪切盒上端面接触，控制加载板底面与试样实现无间隙接触但不对试样施加荷载。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，所述加载板上端面圆周上设有2-6个限位凸齿。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，所述加载板上端面延伸至圆柱体圆周外形成圆环形凸台，使加载板的横截面呈“T”形结构。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，所述加载板的下部圆柱体直径与应变式直剪仪的剪切盒内径相同，加载板的上端面圆环形凸台直径大于应变式直剪仪的剪切盒内径。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，在下部圆柱体上还套装有一限位卡环。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，所述加载板下部圆柱体上设有延伸至底面的凹槽，凹槽中设置有压力传感器，压力传感器与数据采集装置电连接；，所述数据采集装置的输入端分别连接压力传感器、水平推力控制器、水平测力计、竖向位移计，输出端与外设电脑电连接。本技术一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，试样置于应变式直剪仪的剪切盒中，上下各设置1块透水石，加载板卡装在剪切盒上，设于其下部圆柱体凹槽中的压力传感器与设于上透水石上表面的垫片无间隙接触。本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，包括应变式直剪仪、加载板，其特征在于：所述加载板为圆柱体，其上端面设有至少一个延伸至圆柱体圆周外的限位凸齿，当试样置于应变式直剪仪的剪切盒中泡水前，将加载板安装在应变式直剪仪的剪切盒上时，所述限位凸齿与剪切盒上端面接触，控制加载板底面与试样实现无间隙接触但不对试样施加荷载。/n

【技术特征摘要】
1.一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，包括应变式直剪仪、加载板，其特征在于：所述加载板为圆柱体，其上端面设有至少一个延伸至圆柱体圆周外的限位凸齿，当试样置于应变式直剪仪的剪切盒中泡水前，将加载板安装在应变式直剪仪的剪切盒上时，所述限位凸齿与剪切盒上端面接触，控制加载板底面与试样实现无间隙接触但不对试样施加荷载。


2.根据权利要求1所述的一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，其特征在于：所述加载板上端面圆周上设有2-6个限位凸齿。


3.根据权利要求1所述的一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，其特征在于：所述加载板上端面延伸至圆柱体圆周外形成圆环形凸台，使加载板的横截面呈“T”形结构。


4.根据权利要求1所述的一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，其特征在于：所述加载板的下部圆柱体直径与应变式直剪仪的剪切盒内径相同，加载板的上端面圆环形凸台直径大于应变式直剪仪的剪切盒内径。


5.根据权利要求1所述的一种静压土试样恒体积浸水直剪试验装置，其特征在于：所述加载板的上端面限位凸齿长度或圆环形凸台直径比应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，陈杰，徐一鸣，邓百洪，周毅，赵亚党，蔡树生，赵旭，
申请(专利权)人：长沙理工大学，广东省长大公路工程有限公司，
类型：新型
国别省市：湖南;43