CN107449678A - 大型原位三轴剪切试验装置及其方法 - Google Patents

大型原位三轴剪切试验装置及其方法 Download PDF

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张永双
杨志华
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Abstract

本发明公开了一种大型原位三轴剪切试验装置及其方法，属于岩土工程领域中土的力学特性测试技术。本装置包括试样（10）、围压***（20）、垂向压力***（30）、反力***（40）和自动数据采集***（50）；在围压***（20）内设置有试样（10），在围压***（20）的上下方分别设置有垂向压力***（30）和反力***（40），自动数据采集***（50）的垂向位移计设置在试样（10）内。与现有技术相比，本发明能保持试样原始结构；能对试样施加围压，再现所测土体的原位应力场；可使土体沿其最薄弱面破坏；试样尺寸大，减少尺寸效应影响。本发明在研究土体的抗剪强度问题上具有真实全面的特点，试验数据可靠，可为岩土工程领域的设计与施工提供有力的保障。

Description

大型原位三轴剪切试验装置及其方法
技术领域
本发明属于岩土工程领域中土的力学特性测试技术，尤其涉及一种大型原位三轴剪切试验装置及其方法，特别适用于原位土试样在施加围压状态下力学参数的测定。
背景技术
为了获取粗粒土体抗剪强度指标，国内外多个高校和科研院所致力于研究大型试验设备，例如大型室内三轴剪切试验装置、大型室内(原位)直剪试验装置等，虽取得了***成果，对粗粒土认识和研究提供了保障，但仍存在如下不足之处：
1、大型室内三轴剪切试验装置仅能进行土体重塑样力学试验，无法充分代表工程点粗粒土原始结构特征下的力学性能；
2、大型原位直剪试验装置仅能沿预定的水平面进行力学试验，剪切面并非土体的软弱面，因而试验结果并不能反映土体的真实抗剪强度性能。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述现有试验存在的缺陷，提供一种大型原位三轴剪切试验装置及其方法；所涉及的大型原位三轴剪切试验装置特别适用于施加围压状态下的三轴剪切试验，满足试样尺寸大，非固定剪切面，模拟真实的应力状态，可为工程设计与施工提供更加准确的试验数据；本发明精度高，同时本装置结构简单、易拆装、操作简便，一般岩土技术人员可短时间掌握。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一、大型原位三轴剪切试验装置(简称装置)
本装置包括试样、围压***、垂向压力***、反力***和自动数据采集***；
在围压***内设置有试样，在围压***的上下方分别设置有垂向压力***和反力***，自动数据采集***的垂向位移计设置在试样内。
二、大型原位三轴剪切试验方法(简称方法)
本方法包括以下步骤：
①在开挖的深坑内选择未经扰动且具有代表性的原位土体，制备成直径高度为1：2的圆柱体；
②制备地锚装置，依次安装反力***、围压***及垂直压力***设备，开启数据采集流程；
③通过控制液压缸使水压囊与压力室外壁之间充满水，并按试验设计要求施加围压；
④通过加压千斤顶对土样施加轴向压力，通过控制施加围压持续时间及通过控制轴向压力施加速度，来进行固结排水、固结不排水或不固结不排水剪切试验；
⑤数据自动采集***记录各围压100kPa、200kPa和400kPa条件下，轴向压力、位移随时间的变化，计算抗剪强度及粘聚力c、内摩擦角值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
所测土体的原位应力场；
③可使土体沿其最薄弱面破坏；
④试样尺寸大，减少尺寸效应影响。
总之，本发明在研究土体的抗剪强度问题上具有真实全面的特点，试验数据可靠，可为岩土工程领域的设计与施工提供有力的保障。
附图说明
图1是本装置的结构方框图；
图2是本装置的结构主视图；
图3是本装置的结构俯视图；
图4是围压***的结构主视图；
图5是剪应力与法向应力的关系图。
图中：
10—试样；
20—围压***，
21—压力室，
211—压力室上盖，212—压力室壁，213—压力室底盖；
22—水压管，23—液压缸，24—压力计，25—水压囊；
30—垂向压力***，
31—加压千斤顶，32—传力杆，33—垂向压力板，34—压力传感器；
40—反力***，
41—水平撑杆，42—竖直撑杆，43—反力板，
44—固定底板，45—地锚装置；
50—自动数据采集***，
51、52、53、54、55—第1、2、4、4、5垂向位移计，
56—数据采集箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
如图1-4，本装置包括试样10、围压***20、垂向压力***30、反力***40和自动数据采集***50；
在围压***20内设置有试样10，在围压***20的上下方分别设置有垂向压力***30和反力***40，自动数据采集***50的垂向位移计设置在试样10内。
2、功能部件
1)试样10
试样10是一种在开挖的探坑内选择未经扰动且具有代表性的原位土体，制备成直径：高度＝1：2的圆柱体，一般为300×600mm或200×400mm。
2)围压***20
如图1、2、3、4，围压***20包括压力室21、水压管22、液压缸23、压力计24和水压囊25；
其位置和连接关系是：
从上到下，压力室21由依次连接的压力室上盖211、压力室壁212和压力室底盖213组成，压力室底盖213连接到固定底板44上；
液压缸23、水压管22和压力室21依次连接，压力计24设置在水压管22上；
水压囊25位于压力室21内部，试样10位于水压囊25内部；
所述的水压囊25是一种包裹试样10并大小适配的塑胶圆筒袋。
3)垂向压力***30
如图1、2、3、4，垂向压力***30包括加压千斤顶31、传力杆32、垂向压力板33和压力传感器34；
其位置和连接关系是：
从上到下，加压千斤顶31、传力杆32、力传感器34、垂向压力板33依次连接；垂向压力板33放置在试样10上，加压千斤顶31固定在反力板43上。
4)反力***40
如图1、2、3、4，反力***40包括水平撑杆41、竖直撑杆42、反力板43、固定底板44和锚装置45；
其位置和连接关系是：
竖直撑杆42上端连接水平撑杆41，反力板43套设在水平撑杆41上，竖直撑杆42底部连接固定底板44，地锚装置45顶端与固定底板44连接。
5)自动数据采集***50
如图1、2、3、4，自动数据采集***50由第1、2、3、4、5垂向位移计51、52、53、54、55和数据采集箱56组成，第1垂直位移计51安装在传力杆32上，第2、3、4、5垂直位移计52、53、54、55安置在固定底板44下部、贴近试样10外侧，均与数据采集箱56相连。
二、工作机理
在制备完成的试样10上，安装压力室21，使得试样10被包裹在水压囊25内，通过给水压囊25与压力室壁212之间的封闭空间供水，而达到为待测的试样10提供围压的目的，压力值大小可通过连接于水压管22上的压力计24测定，并分别控制在100kPa、200kPa和400kPa；通过反力***40和加压千斤顶31可向试样10提供轴向压力而进行剪切试验，压力值通过压力传感器34测定，位移可以通过第1、2、4、4、5垂向位移计51、52、53、54、55测定；
如图5，根据100kPa、200kPa和400kPa不同围压条件下，轴向压力、位移随时间的变化数据，根据土体莫尔-库伦强度理论，将不同围压条件下土体破损试验结果绘制成半应力圆，这一组半应力圆的公共切线即为莫尔包络线，也是土体的抗剪强度(τf)包线，进而可计算得到土体强度参数的粘聚力c、内摩擦角值，其中粘聚力c值为图5中抗剪强度包线与剪应力轴的交点值，其单位为kPa，内摩擦角值为抗剪强度包线与水平轴的交角，其单位为°。

Claims (7)

1.一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
包括试样（10）、围压***（20）、垂向压力***（30）、反力***（40）和自动数据采集***（50）；
在围压***（20）内设置有试样（10），在围压***（20）的上下方分别设置有垂向压力***（30）和反力***（40），自动数据采集***（50）的垂向位移计设置在试样（10）内。
2.按权利要求1所述的一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
试样（10）是一种在开挖的探坑内选择未经扰动且具有代表性的原位土体，制备成直径：高度=1：2的圆柱体。
3.按权利要求1所述的一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
所述的围压***（20）包括压力室（21）、水压管（22）、液压缸（23）、压力计（24）和水压囊（25）；
其位置和连接关系是：
从上到下，压力室（21）由依次连接的压力室上盖（211）、压力室壁（212）和压力室底盖（213）组成，压力室底盖（213）连接到固定底板（44）上；
液压缸（23）、水压管（22）和压力室（21）依次连接，压力计（24）设置在水压管（22）上；
水压囊（25）位于压力室（21）内部，试样（10）位于水压囊（25）内部；
所述的水压囊（25）是一种包裹试样（10）并大小适配的塑胶圆筒袋。
4.按权利要求1所述的一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
所述的垂向压力***（30）包括加压千斤顶（31）、传力杆（32）、垂向压力板（33）和压力传感器（34）；
其位置和连接关系是：
从上到下，加压千斤顶（31）、传力杆（32）、力传感器（34）、垂向压力板（33）依次连接；垂向压力板（33）放置在试样（10）上，加压千斤顶（31）固定在反力板（43）上。
5.按权利要求1所述的一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
所述的反力***（40）包括水平撑杆（41）、竖直撑杆（42）、反力板（43）、固定底板（44）和锚装置（45）；
其位置和连接关系是：
竖直撑杆（42）上端连接水平撑杆（41），反力板（43）套设在水平撑杆（41）上，竖直撑杆（42）底部连接固定底板（44），地锚装置（45）顶端与固定底板（44）连接。
6.按权利要求1所述的一种大型原位三轴剪切试验装置，其特征在于：
所述的自动数据采集***（50）包括1、2、4、4、5垂向位移计（51、52、53、54、55）和数据采集箱（56），第1垂直位移计（51）安装在传力杆（32）上，第2、4、4、5垂直位移计（52、53、54、55）安置在固定底板（44）下部、贴近试样（10）外侧，均与数据采集箱（56）相连。
7.基于权利要求1-6所述大型原位三轴剪切试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
①在开挖的深坑内选择未经扰动且具有代表性的原位土体，制备成直径高度为1：2的圆柱体；
②制备地锚装置，依次安装反力***、围压***及垂直压力***设备，开启数据采集流程；
③通过控制液压缸使水压囊与压力室外壁之间充满水，并按试验设计要求施加围压；
④通过加压千斤顶对土样施加轴向压力，通过控制施加围压持续时间及通过控制轴向压力施加速度，来进行固结排水、固结不排水或不固结不排水剪切试验；
⑤数据自动采集***记录各围压100kPa、200kPa和400kPa条件下，轴向压力、位移随时间的变化，计算抗剪强度及粘聚力c、内摩擦角φ值。
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