一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，包括刚性框架、剪切盒、水平加载系统、垂直加载系统、柔性边界控制系统、计算机监控管理系统。本发明专利技术所涉及的试验系统与传统试验装置相比，具有模拟能力强、使用简便、经济成本低、可真实再现高度不均匀的岩土体失稳破坏时的等应力边界条件的优势。的岩土体失稳破坏时的等应力边界条件的优势。的岩土体失稳破坏时的等应力边界条件的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统

：
[0001]本专利技术涉及工程地质领域，尤其是涉及一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统。
技术背景：
[0002]我国幅员辽阔，地形地貌多样，地质环境复杂，山川河流发育，近年来，诸如由岩土体失稳破坏所引起的滑坡等地质灾害频发，给人民群众的生命财产造成了巨大的损失，同时防灾减灾措施尚未能有效发挥作用，说明此类地质灾害的灾变机理尚未完全明晰，主要体现在对岩土体失稳破坏的内在演化机理不明。造成以上科学研究的难点之一在于缺乏能真实再现岩土体失稳破坏边界条件的物理模拟手段。
[0003]目前，国内外相关研究多采用三轴试验和直剪试验，对于像岩土体的剪切试验等岩土力学试验来说，加载端的边界条件主要有两种：
[0004]一种是由刚性边界提供的均匀位移边界条件，例如直剪试验装置等现有的岩土力学试验设备，但这种刚性加载条件会导致在剪切过程中试样内部及剪切面上出现应力分布不均的现象，同时也会导致主应力方向发生变化，使测定的预定剪切面的抗剪强度与土体的实际应力状态差别较大；
[0005]另外一种是由柔性边界提供的均匀力边界条件，例如三轴试验装置，但三轴压缩试验的主应力方向是固定不变的，同时试验是在轴对称情况下进行的，这与岩土体失稳破坏的实际情况有所不同。
[0006]因此，传统岩土体试验装置都有其自身的缺点，都无法真实再现岩土体失稳破坏时的应力与边界条件，这将极大影响到对岩土体失稳破坏机理的研究。已有的研究结果表明，试验时材料所处的均匀位移边界条件与均匀力边界条件所得的响应与应变分布具有明显的不同，均匀位移边界所得响应明显高于均匀力边界条件所得响应，而且塑性应变分布也有所不同。位移边界条件产生更为密集、均匀分布的滑移带，而应力边界条件则产生更为局部化的变形场。另外，由于岩土体具有高度的不均匀性，这类地质体滑坡灾害发生时其周边不可能是等位移的，而更接近于等应力边界。因此，对于传统的岩土体室内力学试验来说，其等位移边界条件难以完美再现岩土体失稳破坏时的真实边界条件，这对研究岩土体失稳破坏的内在演化机理影响极大。开展柔性边界条件下的岩土体力学试验研究，不仅可以发展为一种试验方法还可以作为理论上的补充。但是，此类柔性边界试验条件并未有效应用于岩土体滑坡灾害研究中，究其原因，岩土体失稳破坏时的均匀力边界较难模拟，目前仍缺乏完备有效的试验装置。
[0007]此类试验系统的技术难点在于：
[0008](1)岩土体在试验时，由于其内部的存在较大粒径的岩石块，传统的中小型剪切试验中的剪切盒尺寸较小，无法保证岩石能顺利发生移位与翻转，因此，如何保证剪切过程中的块石在接触试验边界时仍然处于可自由移动状态，是该类试验系统的第一大技术难点；
[0009](2)传统的剪切盒底部采用的是不可变形的刚性矩形边界，这种边界会导致试验
时岩土体在刚性边界处易出现应力集中且会限制剪切带的自由发展，因此，如何保证试样能发生自由变形同时又能施加和维持一定的围压，是该类试验系统的第二大技术难点；
[0010](3)中小型直剪试验装置由于其内部的剪切盒尺寸较小，一般常用作粒径较小且易于变形的土体进行直剪试验，而岩土体由于具有高度的不均匀性，其内部存在较大粒径的岩石块，当剪切面尺寸较小时会限制岩土体剪切变形的发生，因此，如何保证岩土体在加载后仍能发生较大变形时是该类试验系统的第三大技术难点；
[0011](4)传统大型直剪试验的剪切盒底部均为刚性承压板，试样的边界条件为等位移边界条件，而非自然界岩土体真实所处的等应力边界条件，因此，如何保证岩土体在剪切作用时下部边界处于真实的等应力边界条件，是该类试验系统的第四大技术难点。
[0012](5)上下剪切盒在剪切过程中会产生相对的错动位移，这样容易导致剪切盒内的岩土体试样在上、下底面的法向压力作用下在错动处出现挤出现象，因此，如何保证岩土体在剪切过程中不至于在压力作用下出现挤出现象，是该类试验系统的第五大技术难点。

技术实现思路
：
[0013]为了克服上述技术难题，本专利技术设计了一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，该柔性直剪试验系统采用尺寸为600
×
400mm
×
200mm的方形直剪盒，直剪盒尺寸大于传统的中型和小型直剪试验系统中的直剪盒，并且在剪切盒底部布设带有乳胶膜的小型金属盒，从而真实再现岩土体变形失稳破坏时的柔性边界条件，深入研究岩土体失稳破坏时的应力应变关系及剪切带的变形发展规律，揭示岩土体失稳破坏的内在机理，为此类地质灾害的防灾减灾提供科学依据。
[0014]本专利技术通过以下方案实现：
[0015]一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，包括刚性框架(1)、剪切盒(2)、水平加载系统(3)、垂直加载系统(4)、柔性边界控制系统(5)、计算机监控管理系统(6)；
[0016]所述剪切盒(2)包括有上、下剪切盒，位于刚性框架(1)内，用以装载岩土体并进行剪切加载；
[0017]所述水平加载系统(3)包括水平向液压千斤顶(3
‑
1)和水平加载装置，位于刚性框架内剪切盒左侧，提供水平荷载用于移动下剪切盒，从而对试样进行剪切；
[0018]所述垂直加载系统(4)包括垂直向液压千斤顶(4
‑
3)和压力板，利用垂直向液压千斤顶通过压力板用以施加法向压力，保证试样法向受力均匀；
[0019]所述刚性框架(1)位于剪切盒(2)和垂直向液压千斤顶外侧，用以固定上剪切盒并防止在剪切过程中上剪切盒发生位移；
[0020]所述柔性边界控制系统(5)包括一个密封金属盒(5
‑
2)、液压表(5
‑
4)、降压阀(5
‑
5)、液压泵(5
‑
6)、液体输出装置(5
‑
7)、液体回收装置(5
‑
8)，用以模拟岩土体失稳破坏时的真实边界条件；所述金属盒内置于下剪切盒底部，金属盒有六个面，一面为乳胶膜(5
‑
1)，其余五个侧面均为金属板，其中金属盒与下剪切盒中岩土体试样接触的一面为乳胶膜(5
‑
1)，与下剪切盒内壁接触的五个侧面为金属板；金属盒和下剪切盒子底部两侧设有开孔，连接软管；左侧靠近底部的开孔通过软管连接至液体回收装置(5
‑
8)，右侧开孔通过软管分别连接至液压泵、液体输出装置(5
‑
7)，连接液压泵的软管还连接有液压表、降压阀；所述液体输
出装置(5
‑
7)用来向金属盒填充液体，所述液体回收装置(5
‑
8)用来回收金属盒内液体，所述液压表、降压阀和液压泵用来向调节金属盒内液体压力；
[0021]所述计算机监控管理系统(6)，用以设定试验时的法向压力，同时监测试验过程中的压力变化情况；结合水平加载系统(3)、垂直加载系统(4)内布设的传感器，实时监本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，该试验系统包括刚性框架(1)、剪切盒(2)、水平加载系统(3)、垂直加载系统(4)、柔性边界控制系统(5)、计算机监控管理系统(6)；所述剪切盒(2)包括有上、下剪切盒，位于刚性框架(1)内，用以装载岩土体并进行剪切加载；所述水平加载系统(3)包括水平向液压千斤顶(3
‑
1)和水平加载装置，位于刚性框架内剪切盒左侧，提供水平荷载用于移动下剪切盒，从而对试样进行剪切；所述垂直加载系统(4)包括垂直向液压千斤顶(4
‑
3)和压力板，利用垂直向液压千斤顶通过压力板用以施加法向压力，保证试样法向受力均匀；所述刚性框架(1)位于剪切盒(2)和垂直向液压千斤顶外侧，用以固定上剪切盒并防止在剪切过程中上剪切盒发生位移；所述柔性边界控制系统(5)包括一个密封金属盒(5
‑
2)、液压表(5
‑
4)、降压阀(5
‑
5)、液压泵(5
‑
6)、液体输出装置(5
‑
7)、液体回收装置(5
‑
8)，用以模拟岩土体失稳破坏时的真实边界条件；所述金属盒内置于下剪切盒底部，金属盒有六个面，一面为乳胶膜(5
‑
1)，其余五个侧面均为金属板，其中金属盒与下剪切盒中岩土体试样接触的一面为乳胶膜(5
‑
1)，与下剪切盒内壁接触的五个面为金属板；金属盒和下剪切盒子底部两侧设有开孔，用以连接软管；左侧靠近底部的开孔通过软管连接至液体回收装置(5
‑
8)，右侧开孔通过软管分别连接至液压泵、液体输出装置(5
‑
7)，连接液压泵的软管还连接有液压表、降压阀；所述液体输出装置(5
‑
7)用来向金属盒填充液体，所述液体回收装置(5
‑
8)用来回收金属盒内液体；所述液压表、降压阀和液压泵用来向调节金属盒内液体压力；所述计算机监控管理系统(6)，用以设定试验时的法向压力，同时监测试验过程中的压力变化情况；结合水平加载系统(3)、垂直加载系统(4)内布设的传感器，实时监测输出荷载的大小并采集岩土体在剪切过程中的应力应变数据。2.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述刚性框架(1)包括横梁(1
‑
1)、立柱(1
‑
2)、底座(1
‑
3)、水平滑轮装置(1
‑
4)和内框架(1
‑
5)；所述横梁(1
‑
1)与垂直向液压千斤顶(4
‑
3)相固定，保证对试样施加均匀的垂直向压力；所述立柱(1
‑
2)与横梁(1
‑
1)固定，用以抵消垂直向液压千斤顶所产生的反力；所述底座(1
‑
3)，用以固定住上部框架及剪切盒，立柱(1
‑
2)、内框架(1
‑
5)和底座(1
‑
3)固定形成整体框架，避免在试验过程中仪器整体发生位移；所述水平滑轮装置(1
‑
4)采用两排滑轮，分置于垂直剪切盒的承台两侧。3.根据权利要求2所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述横梁(1
‑
1)、底座(1
‑
3)、内框(1
‑
5)采用刚性材料制成；所述立柱(1
‑
2)采用铝合金材料制成。4.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述剪切盒(2)包括上剪切盒(2
‑
1)、下剪切盒(2
‑
2)、滚珠轴排(2
‑
3)；所述上剪切盒(2
‑
1)，用以承受液压千斤顶所施加的法向压力；所述下剪切盒(2
‑
2)，用以连接水平加载装置，并对试样施加剪切作用；
所述下剪切盒(2
‑
2)左侧设置有左铰链座(2
‑
4)，用以连接水平加载装置，下剪切盒(2
‑
2)与水平加载装置形成铰链连接；所述上剪切盒(2
‑
1)右侧设置有右铰链座(2
‑
5)，用以连接刚性框架的内框(1
‑
5)，将上剪切盒与刚性框架固定住，防止其发生移动；所述上剪切盒左侧外壁设置有上等边角钢(2
‑
6)，所述下剪切盒右侧外壁设置有下等边角钢(2
‑
7)，上等边角钢(2
‑
6)和下等边角钢(2
‑
7)用以防止在剪切过程中上、下剪切盒中的岩土体试样在法向压力的作用下被挤出；所述滚珠轴排(2
‑
3)设置于下剪切盒(2
‑
2)底部，用以下剪切盒在外部荷载作用下发生水平剪切位移。5.根据权利要求4所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述上剪切盒(2
‑
1)、下剪切盒(2
‑
2)采用高强度刚性材料制成；所述滚珠轴排(2
‑
3)采用滚轮铺垫成两排，保证下剪切盒可以在沿水平方向移动；所述左铰链座(2
‑
4)、右铰链座(2
‑
5)采用刚性材料制成。6.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述水平加载系统(3)结合油泵来施加水平荷载，保证水平荷载能够持续稳定地施加在下剪切盒上，包括水平向液压千斤顶(3
‑
1)、水平荷载传感器(3
‑
2)、水平位移传感器(3
‑
3)、螺杆(3
‑
4)、变频减速稳定装置(3
‑
5)；所述水平向液压千斤顶(3
‑
1)固定于刚性框架的内框架(1
‑
5)，并通过螺杆(3
‑
4)与变频减速稳定装置(3
‑
5)相连，所述水平荷载传感器(3
‑
2)和水平位移传感器(3
‑
3)设置在螺杆(3
‑
4)上，变频减速稳定装置(3
‑
5)通过销子一(3
‑
6)与下剪切盒的左铰链座(2
‑
4)相连接；所述水平向液压千斤顶(3
‑
1)结合油泵来向下剪切盒提供水平力；所述水平荷载传感器(3
‑
2)，用以监测水平输出荷载的大小；所述水平位移传感器(3
‑
3)，用以监测水平位移的变化情况；所述螺杆(3
‑
4)，用以传递水平荷载；所述变频减速稳定装置(3
‑
5)，用以卸载时控制水平输出荷载的大小。7.根据权利要求1所述的一种研究岩土体剪切行为的大型柔性边界直剪试验系统，其特征在于，所述垂直加载系统(4)结合油泵来布设垂直向压力加载装置，包括垂直向荷载传感器(4
‑
1)、垂直向位移传感器(4
‑
2)、垂直向液压千...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑虎，鲁天明，戴国威，黄雨，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：