一种三向应力边界可控的直剪试验装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于岩土工程试验技术领域，具体涉及一种三向应力边界可控的直剪试验装置及测试方法。本发明专利技术的装置通过由上下设置的上剪切盒和下剪切盒构成的剪切盒、外力加载系统、侧压控制系统、固定装置和透水机构的有机组合而成。本发明专利技术根据岩土原状体的实际应力状态，通过调控试样垂直向应力、水平双向应力，使其在各向应力边界下进行排水固结；解决了传统直剪试验装置及方法中不能考虑对围压调控的问题。本发明专利技术采用的试样，其断面形状为方形，在受剪过程中，使正应力保持均匀分布的。本发明专利技术通过控制试样的三向应力边界，其更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供可靠依据。

A direct shear test device and test method with controllable stress boundary in three directions

【技术实现步骤摘要】
一种三向应力边界可控的直剪试验装置及测试方法
本专利技术属于岩土工程试验
，具体涉及一种三向应力边界可控的直剪试验装置及测试方法。
技术介绍
直剪试验构造简单，操作方便，是测定土的抗剪强度的一种常用方法，试验的原理是库仑定律，土的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。将土制备成几份试验，分别在不同的法向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力进行剪切，得其剪坏时的剪应力，即为抗剪强度，然后，根据剪切定律确定土的抗剪强度指标粘聚力和摩擦角。抗剪强度在工程应用中具有重要的参考价值，可以估算地基承载力，评价地基稳定性，计算挡土墙土压力等。常规的直剪试验是将试样置于直剪仪的固定上盒和活动下盒内，试验时先在土样上施加垂直压力，然后对下盒施加水平推力，上下盒之间的错动使土样受剪破坏，试验装置内并未考虑试样的原始赋存应力状态以及剪切试验时围压的影响，故试验得到的抗剪强度参数与工程真实情况差异较大。常规的直剪试验的试样是圆柱形，剪切面即是圆形截面，试验的过程即是上、下剪切盒相互错开的过程，因此随着剪切位移的增加，圆柱体上下两部分逐渐错开，剪切面的有效面积在减小，其上垂直压力由初始的位于试验中心到偏离试验中心，剪切面的正应力由初始的均匀分布到不均匀分布，在试验受剪过程中，正应力不是保持均匀分布的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三向应力边界可控的直剪试验装置及测试方法，目的在于提供一种结构简单、可操作性强且试验效果较好的直剪试验装置及测试方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种三向应力边界可控的直剪试验装置，包括剪切盒，剪切盒为方形，且由上下设置的上剪切盒和下剪切盒构成，上剪切盒和下剪切盒中部具有中空方形腔体；外力加载系统，外力加载系统包括可调节的水平向加载机构和可调节的垂直向加载机构，水平向加载机构连接在下剪切盒外侧壁上，垂直向加载机构设置在上剪切盒上端开口处；侧压控制系统，侧压控制系统与剪切盒侧壁连接，用于对试样压力的控制；固定装置，固定装置与上剪切盒外侧壁连接，固定装置设置在水平向加载机构的相对侧面；透水机构，透水机构设置在剪切盒内。所述的上剪切盒是无盖、无底的方形框状结构；所述的下剪切盒是无盖的盒体结构。所述的透水机构包括排水孔和透水石；所述的排水孔为盲孔或通孔，设置在下剪切盒底面；所述的透水石包括上剪切盒透水石和下剪切盒透水石，上剪切盒透水石设置在垂直向加载机构下表面，下剪切盒透水石设置在试样与排水孔之间。所述的外力加载系统包括两套水平向加载机构和一套垂直向加载机构；两套水平向加载机构分别连接在下剪切盒相邻的两个外侧壁上。所述的水平向加载机构均包括外力加载显示仪、加力器和传力板；所述的外力加载显示仪与加力器连接，加力器通过传力板固定在下剪切盒外侧壁上。所述的垂直向加载机构包括外力加载显示仪、加力器、传力钢珠和加压活塞；所述的传力钢珠连接在加压活塞上，传力钢珠通过加力器与外力加载显示仪连接。所述的侧压控制系统设置有四套；其中两套侧压控制系统连接在上剪切盒相邻两侧面上，另外两套侧压控制系统连接在下剪切盒相邻两侧面上且上、下侧压控制系统分别对应；下剪切盒上设置的侧压控制系统与水平向加载机构共面。所述的侧压控制系统包括侧压显示仪、加压器和储气腔；所述的侧压显示仪和加压器设置在剪切盒外；所述的储气腔的截面为矩形且设置在剪切盒内，储气腔布满所处剪切盒的侧面；侧压显示仪连接在加压器上，加压器与剪切盒内的储气腔连通；上剪切盒与下剪切盒内的储气腔之间固定连接有刚性垫块；在设置储气腔的剪切盒相邻两侧壁连接处固定连接有刚性块体。所述的固定装置为量力钢环；量力钢环与上剪切盒连接。一种三向应力边界可控的直剪试验测试方法，包括如下步骤步骤一：首先将上剪切盒和下剪切盒稳定放置，然后将量力钢环与固定竖直支撑件固定；步骤二：将试样放入剪切盒中，通过调节侧压系统和垂直向加载系统，先使试样在原始赋存应力状态下进行排水固结；步骤三：动态调控剪切盒上的侧压系统，通过垂直向加载系统施加设定的垂直压力σ，再通过下剪切盒的水平向加载机构施加设定的剪切力τ(1)x，使试样以设定的剪切速率进行剪切，直至剪破；步骤四：重复步骤一至步骤三，进行4组剪切试验，得到四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；步骤五：根据步骤四获取的四组试验的垂直压力和根四组剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度中粘聚力c和摩擦角φ关系；步骤六：通过步骤五得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土体抵抗剪切破坏的抵抗能力。有益效果：(1)本专利技术根据岩土原状体的实际应力状态，通过调控试样垂直向应力、水平双向应力，使其在各向应力边界下进行排水固结；解决了传统直剪试验装置及方法中不能考虑对围压调控的问题。(2)本专利技术采用的试样，其断面形状为方形，在受剪过程中，使正应力保持均匀分布的。(3)本专利技术通过控制试样的三向应力边界，其更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供可靠依据。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术立面示意图；图2是本专利技术上剪切盒横剖示意图；图3是本专利技术下剪切盒横剖示意图；图4是本专利技术抗剪强度关系示意图。图中：1—剪切盒；2—水平向加载机构；3—垂直向加载机构；4—试样；5—上剪切盒；6—下剪切盒；7—排水孔；8—上剪切盒透水石；9—下剪切盒透水石；10—外力加载显示仪；11—加力器；12—传力板；13—加压活塞；14—侧压显示仪；15—加压器；16—储气腔；17—量力钢环；18-固定竖直支撑件；19-刚性垫块；20-刚性块体；21-传力钢珠。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一：根据图1-3所示的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，包括剪切盒1，剪切盒1为方形，且由上下设置的上剪切盒5和下剪切盒6构成，上剪切盒5和下剪切盒6中部具有中空方形腔体；外力加载系统，外力加载系统包括可调节的水平向加载机构2和可调节的垂直向加载机构3，水平向加载机构2连接在下剪切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：包括/n剪切盒(1)，剪切盒(1)为方形，且由上下设置的上剪切盒(5)和下剪切盒(6)构成，上剪切盒(5)和下剪切盒(6)中部具有中空方形腔体；/n外力加载系统，外力加载系统包括可调节的水平向加载机构(2)和可调节的垂直向加载机构(3)，水平向加载机构(2)连接在下剪切盒(6)外侧壁上，垂直向加载机构(3)设置在上剪切盒(5)上端开口处；/n侧压控制系统，侧压控制系统与剪切盒(1)侧壁连接，用于对试样(4)压力的控制；/n固定装置，固定装置与上剪切盒(5)外侧壁连接，固定装置设置在水平向加载机构(2)的相对侧面；/n透水机构，透水机构设置在剪切盒(1)内。/n

【技术特征摘要】
1.一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：包括
剪切盒(1)，剪切盒(1)为方形，且由上下设置的上剪切盒(5)和下剪切盒(6)构成，上剪切盒(5)和下剪切盒(6)中部具有中空方形腔体；
外力加载系统，外力加载系统包括可调节的水平向加载机构(2)和可调节的垂直向加载机构(3)，水平向加载机构(2)连接在下剪切盒(6)外侧壁上，垂直向加载机构(3)设置在上剪切盒(5)上端开口处；
侧压控制系统，侧压控制系统与剪切盒(1)侧壁连接，用于对试样(4)压力的控制；
固定装置，固定装置与上剪切盒(5)外侧壁连接，固定装置设置在水平向加载机构(2)的相对侧面；
透水机构，透水机构设置在剪切盒(1)内。


2.如权利要求1所述的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的上剪切盒(5)是无盖、无底的方形框状结构；所述的下剪切盒(6)是无盖的盒体结构。


3.如权利要求1所述的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的透水机构包括排水孔(7)和透水石；所述的排水孔(7)为盲孔或通孔，设置在下剪切盒(6)底面；所述的透水石包括上剪切盒透水石(8)和下剪切盒透水石(9)，上剪切盒透水石(8)设置在垂直向加载机构(3)下表面，下剪切盒透水石(9)设置在试样(4)与排水孔(7)之间。


4.如权利要求1所述的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的外力加载系统包括两套水平向加载机构(2)和一套垂直向加载机构(3)；两套水平向加载机构(2)分别连接在下剪切盒(6)相邻的两个外侧壁上。


5.如权利要求1或4所述的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的水平向加载机构(2)均包括外力加载显示仪(10)、加力器(11)和传力板(12)；所述的外力加载显示仪(10)与加力器(11)连接，加力器(11)通过传力板(12)固定在下剪切盒(6)外侧壁上。


6.如权利要求1或4所述的一种三向应力边界可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的垂直向加载机构(3)包括外力加载显示仪(10)、加力器(11)、传力钢珠(21)和加压活塞(13)；所述的传力钢珠(21)连接在加压活塞(13)上，传力钢珠(21)通过加力器(11)与外力加载显示仪(10)连接。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，狄圣杰，吕庆超，陆希，
申请(专利权)人：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61