CN108871893A - 一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法 - Google Patents

Abstract

一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法，包括制备组件和加载组件，制备组件：包括底框、底板、伸缩组件和上切盒，伸缩组件铰接在底框上，底板活动安装在底框内，上切盒位于伸缩组件内，加载组件：包括第一千斤顶、传力架、固定连接在伸缩组件顶端的固定架，第一千斤顶的一端固定连接在固定架上，另外一端抵靠在传力架的端面上，传力架远离第一千斤顶的一端抵靠在上切盒上。

Description

一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法

本发明是申请号 “2016102125710”，专利名称为“一种现场土体直剪试验用土体制备和直剪试验的装置和方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法。

背景技术

近年来，地下工程及边坡工程有关理论、设计、施工得到了深入的研究，岩土工程的变形破坏绝大多数是由于剪切破坏引起的，因此，准确测量岩土体的抗剪强度参数在岩土工程中起着很重要的作用。在测试岩土体抗剪强度的试验中，直剪实验由于其操作方法简单，原理明确而得到了广泛的应用。

由于现场试验条件和经费的限制，岩土体直剪试验仍然以实验室小尺寸试验为主。其优点在于边界条件容易控制，可以采用直剪试验、三轴试验、扭剪试验等多种方法获得不同状态下的岩土体抗剪强度参数；其缺点主要表现在如下两个方面：一是在取样、运输、制样、试验过程中，试样的完整性、结构性、含水率等状态不可避免的受到扰动或破坏；二是室内试样尺寸小，在一定程度上影响了试验结果的真实性和代表性，也即尺寸效应。因此，在滑坡、斜坡稳定性分析等工程实际中，室内试验所获得的抗剪强度参数难以直接应用。而现场直剪试验中，试样尺寸大且在现场进行，能把土体的非均质性及软弱结构面对抗剪强度的影响更真实地反映出来，比室内土体试验更符合实际情况。因此，很多情况下，有必要进行现场土体直剪试验，从而得到土体实际的力学参数，进而指导工程的设计和施工。

但是，目前在现场大型土体直剪试验中，存在两个明显的困难，一个是土体标准试样制备问题，常用的现场土体直剪试验试样尺寸一般为：长×宽×高=500mm×500mm×300mm。现场试验时，一般先在选取的试验地点开挖制备一个较大试样土体（长、宽、高均大于500mm），然后采用削土刀等工具手工制备试样，但是手工制备出来试样的几何尺寸、角度、平整度往往不标准，很难达到试验规范的要求，进而直接导致试验结果的离散性，影响试验结果的准确程度；另一方面，是直剪试验的法向荷载施加问题，通常采用地锚、堆载等方法，但是，地锚埋设和堆载施加的工作量均很大，时间成本和人工成本高，因此，迫切需要一种更方便的法向荷载施加方法。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足之处，提供一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法，可以很方便的对直剪试验用土体进行制备，在现场对土体进行制备后，直接可以将土体制备装置改装为试验装置，并做相应的直剪试验，结构简单，现场安装拆卸方便，便于运输，适用于土体的现场生产和教学试验。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种现场土体直剪试验用土体制备装置，其特征在于：包括制备组件和加载组件，

制备组件：包括底框、底板、伸缩组件和上切盒，伸缩组件铰接在底框上，底板活动安装在底框内，上切盒位于伸缩组件内；

加载组件：包括第一千斤顶、传力架、固定连接在伸缩组件顶端的固定架，第一千斤顶的一端固定连接在固定架上，另外一端抵靠在传力架的端面上，传力架远离第一千斤顶的一端抵靠在上切盒上。

进一步的，传力架为“n”形，在传力架的两个端头分别固设有一卡槽。

进一步的，所述上切盒是由四块钢板围成的方形管，在上切盒下端安置有多条切刀，在上切盒下端部两侧的边缘分别固设有一条翼板，上切盒的下端抵靠在切刀的上端面上，上切盒的外壁位于卡槽内。

进一步的，所述底框包括两根卡条，且两根卡条分别位于土体的两侧，在卡条的一侧设有滑道，在卡条的端面上设有多个支铰，底板位于滑道内，可在滑道内滑动，在卡条的端面上设有多个锚钉孔。

进一步的，所述伸缩组件包括多根伸缩杆，伸缩杆的一端铰接在支铰上，另外一端套接在固定架上，所述伸缩杆包括套管和螺杆，在套管内设有螺纹通孔，螺杆具有两根，分别螺接在套管的两端，在螺杆的端部固设有用于与支铰铰接的钢管，在套管的中部设有一锁紧孔，在锁紧孔内套接有加力杆。

一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备试样的方法，包括如下步骤：

第一步、在选取的试验地点开挖出一个较大的基坑，在基坑的中部留出初始土体，初始土体前后左右都预留出一定的空间；

第二步、将两根卡条分别安放在初始土体的两侧，并且要求初始土体两侧的卡条相互平行、卡条带有滑道的一端朝向初始土体，使用锚钉将卡条固定在基坑的底部；

第三步、将各个伸缩杆铰接在卡条上的支铰上；

第四步、将各个伸缩杆立起来，在将固定架固定安装在各个伸缩杆的上端；

第五步、将第一千斤顶的一端固定连接的固定架上，将上切盒放置在土体的上端面上；

第六步、将上切盒抬起，将各块切刀卡入至上切盒的下端部，在将传力架将上切盒卡住；

第七步、第一千斤顶远离固定架的一端顶住传力架，利用加力杆调节各个伸缩杆的高度，并且对上切盒施加一定的压力，待各块切刀均匀的嵌入至土体中后，就可以停在调节伸缩杆；

第八步、将第一千斤顶伸长，对土体进行法向切割，在切割完成后，清理被切下的多余的土渣，并且将上切盒和传力架从土体上取下，被上切盒切割完成后的土体为成品土体；

第九步、将底板卡入至卡条上的滑道内，在基坑后部的侧壁处置上木方，再在木方和底板之间安置上第三千斤顶，木方作为第三千斤顶的底座，伸长第三千斤顶，第三千斤顶推动底板，底板对成品土体进行横向切割，待底板对成品土体切割完毕后的土体就为现场土体直剪试验用的试验土体。

一种土体直剪试验的装置，包括制备组件、加压组件、直剪组件和测量部分；

制备组件：包括底框、底板和伸缩组件，伸缩组件铰接在底框上，底板活动安装在底框内；所述底框包括两根卡条，且两根卡条分别位于土体的两侧，在卡条的一侧设有滑道，在卡条的端面上设有多个支铰，底板位于滑道内，可在滑道内滑动，在卡条的端面上设有多个锚钉孔；所述伸缩组件包括多根伸缩杆，伸缩杆的一端铰接在支铰上，另外一端套接在固定架上，所述伸缩杆包括套管和螺杆，在套管内设有螺纹通孔，螺杆具有两根，分别螺接在套管的两端，在螺杆的端部固设有用于与支铰铰接的钢管，在套管的中部设有一锁紧孔，在锁紧孔内套接有加力杆。

加压组件：通过支铰铰接在卡条一侧的支撑架、一端与支撑架相接触的第二千斤顶；

直剪组件：包括包覆在土体外的上切盒和下切盒，还包括包括第一千斤顶、固定连接在伸缩组件顶端的固定架，第一千斤顶的一端固定连接在固定架上，在下切盒靠近上切盒的端面上安置有滚珠，还包括放置在上切盒内、土体顶面上的下传力板和上传力板，在上传力板与下传力板之间置放有滚轴排，第一千斤顶的远离固定架的一端抵靠在上传力板的端面上，第二千斤顶远离支撑架的一端抵靠在上切盒的一侧，所述上切盒是由四块钢板围成的方形管，在上切盒下端部两侧的边缘分别固设有一条翼板，所述滚珠安置在翼板上，所述下切盒的形状大小与上切盒相同，在下切盒的两侧面固设有多块支撑板，支撑板铰接在支铰上；

测量部分：包括一测量上传力板法向位移量的第一百分表、一测量切盒横向位移量的第二百分表。

进一步的，所述支撑架为“n”字形，支撑架的两端分别铰接土体两侧的支铰上。

进一步的，在第一千斤顶和第二千斤顶上分别安装有一块压力表。

一种土体直剪试验方法，其特征在于：

第一步、在成品土体外套入上切盒和下切盒，并将滚珠塞入在上切盒和下切盒两侧的翼板相对应的端面上，将下切盒两侧的面的支撑板铰接在支铰上；

第二步、将伸缩杆和支撑架安装在卡条上，并将第二千斤顶塞入到支撑架与上切盒之间的间隙内；

第三步、依次将下传力板、滚轴排和上传力板安置在土体的顶面上；

第四步、将伸缩杆立起后，将固定架安装在伸缩杆的顶端，将第一千斤顶塞入到固定架与上传力板之间的间隙内，第一千斤顶伸长给土体施加法向荷载，并观察固定架的水平；

第五步、伸长第二千斤顶，给上切盒施加横向荷载，推动上切盒移动，观察第一百分表、第二百分表和压力表的变化数值，在土体达到规范要求剪切位移后即可停止试验，试验过程中记录并保存试验数据；

本发明的优点在于：本发明可以很方便地制备符合试验需求的土体标准试样，避免了人工制样造成的误差；

在现场试验时，整个试验***构成一个封闭的体系，通过底框可将法向荷载和水平荷载转化为加载装置的内力，无需额外的反力装置；

试验过程中下切盒完全固定，上切盒只能平动，不能转动，因此，剪切缝不会因为试样的剪胀作用而发生突变，从而使试样的剪切变形更加均匀；

上下切盒之间的滚珠能有效减小磨擦作用，使试验结果更加真实；上下传力板之间的滚轴排保证法向压力始终作用于试样正中间，避免法向荷载的偏心作用；

本发明结构简单，现场安装拆卸方便，便于运输，适用于土体的现场生产和教学试验。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明制备装置的立体结构示意图，

图2为本发明试验装置的立体结构示意图，

图3为本发明制备装置的主视图，

图4为本发明制备装置的侧视图，

图5为本发明试验装置的主视图，

图6为本发明试验装置的侧视图，

图7为本发明在使用时的俯视示意图，图中所示的是对成品土体进行横向切割，

图8为图7中A-A处的剖面示意图。

具体实施方式

一种现场土体直剪试验用土体制备装置，包括制备组件和加载组件，

制备组件：包括底框、底板1、伸缩组件和上切盒5，伸缩组件铰接在底框上，底板1活动安装在底框内，上切盒5位于伸缩组件内；

加载组件：包括第一千斤顶7、传力架6、固定连接在伸缩组件顶端的固定架8，第一千斤顶7的一端固定连接在固定架8上，另外一端抵靠在传力架6的端面上，传力架6远离第一千斤顶7的一端抵靠在上切盒5上。

进一步的，传力架6为“n”形，在传力架6的两个端头分别固设有一卡槽601。

进一步的，所述上切盒5是由四块钢板围成的方形管，在上切盒5下端安置有多条切刀4，在上切盒5下端部两侧的边缘分别固设有一条翼板501，上切盒5的下端抵靠在切刀4的上端面上，上切盒5的外壁位于卡槽601内。

进一步的，所述底框包括两根卡条2，且两根卡条2分别位于土体的两侧，在卡条2的一侧设有滑道201，在卡条2的端面上设有多个支铰202，底板1位于滑道201内，可在滑道201内滑动，在卡条2的端面上设有多个锚钉孔203。

进一步的，所述伸缩组件包括多根伸缩杆3，伸缩杆3的一端铰接在支铰202上，另外一端套接在固定架8上，所述伸缩杆3包括套管301和螺杆302，在套管301内设有螺纹通孔，螺杆302具有两根，分别螺接在套管301的两端，在螺杆302的端部固设有用于与支铰202铰接的钢管303，在套管301的中部设有一锁紧孔，在锁紧孔内套接有加力杆18。

一种现场土体101直剪试验用土体101制备装置制备试样的方法，包括如下步骤：

第一步、在选取的试验地点开挖出一个较大的基坑102，在基坑102的中部留出初始土体101，初始土体101前后左右都预留出一定的空间；

第二步、将两根卡条2分别安放在初始土体101的两侧，并且要求初始土体101两侧的卡条2相互平行、卡条2带有滑道201的一端朝向初始土体101，使用锚钉21将卡条2固定在基坑102的底部；

第三步、将各个伸缩杆3铰接在卡条2上的支铰202上；

第四步、将各个伸缩杆3立起来，在将固定架8固定安装在各个伸缩杆3的上端；

第五步、将第一千斤顶7的一端固定连接的固定架8上，将上切盒5放置在土体101的上端面上；

第六步、将上切盒5抬起，将各块切刀4卡入至上切盒5的下端部，在将传力架6将上切盒5卡住；

第七步、第一千斤顶7远离固定架8的一端顶住传力架6，利用加力杆18调节各个伸缩杆3的高度，并且对上切盒5施加一定的压力，待各块切刀4均匀的嵌入至土体101中后，就可以停在调节伸缩杆3；

第八步、将第一千斤顶7伸长，对土体101进行法向切割，在切割完成后，清理被切下的多余的土渣，并且将上切盒5和传力架6从土体101上取下，被上切盒5切割完成后的土体101为成品土体101；

第九步、将底板1卡入至卡条2上的滑道201内，在基坑102后部的侧壁处置上木方20，再在木方20和底板1之间安置上第三千斤顶11，木方20作为第三千斤顶11的底座，伸长第三千斤顶11，第三千斤顶11推动底板1，底板1对成品土体101进行横向切割，待底板1对成品土体101切割完毕后的土体101就为现场土体101直剪试验用的试验土体101。

在利用现场土体101直剪试验用土体101制备装置完成对土体101的制备后，可以将制备装置改动为试验装置；

再在制备装置上安装上加压组件、直剪组件和测量部分就为现场土体101直剪试验装置。

加压组件：通过支铰202铰接在卡条2一侧的支撑架12、一端与支撑架12相接触的第二千斤顶11；

直剪组件：包括包覆在土体101外的上切盒5和下切盒10，在下切盒10靠近上切盒5的端面上安置有滚珠9，还包括放置在上切盒5内、土体101顶面上的下传力板13和上传力板15，在上传力板15与下传力板13之间置放有滚轴排14，第一千斤顶7的远离固定架8的一端抵靠在上传力板15的端面上，第二千斤顶11远离支撑架12的一端抵靠在上切盒5的一侧，所述下切盒10的形状大小与上切盒5相同，在下切盒的两侧面固设有多块支撑板110，支撑板110铰接在支铰202上；

测量部分：包括一测量上传力板15法向位移量的第一百分表17、一测量切盒横向位移量的第二百分表171。

进一步的，所述支撑架12为“n”字形，支撑架12的两端分别铰接土体101两侧的支铰202上。

进一步的，在第一千斤顶7和第二千斤顶11上分别安装有一块压力表170。

一种现场土体直剪试验方法，包括如下步骤：

第一步、在成品土体101外套入上切盒5和下切盒10，并将滚珠9塞入在上切盒5和下切盒10两侧的翼板501相对应的端面上，将下切盒10两侧的面的支撑板110铰接在支铰202上；

第二步、将伸缩杆3和支撑架12安装在卡条2上，并将第二千斤顶11塞入到支撑架12与上切盒5之间的间隙内；

第三步、依次将下传力板13、滚轴排14和上传力板15安置在土体101的顶面上；

第四步、将伸缩杆3立起后，将固定架8安装在伸缩杆3的顶端，将第一千斤顶7塞入到固定架8与上传力板15之间的间隙内，第一千斤顶7伸长给土体101施加法向荷载，并观察固定架8的水平；

第五步、伸长第二千斤顶11，给上切盒5施加横向荷载，推动上切盒5移动，观察第一百分表17、第二百分表171和压力表170的变化数值，在土体101达到规范要求剪切位移后即可停止试验，试验过程中记录并保存试验数据；

本发明是基于库伦理论试验土体抗剪强度测试的仪器，主要通过上切盒5和下切盒10之间产生水平位移达到现场对土体101进行剪切。试验时，土体101装载于上切盒5和下切盒10之中，上切盒5和下切盒10之间通过滚珠9相连接；下切盒10通过支撑板110铰接在底框上，且底面与底板1接触，上切盒5的顶部置放有上传力板15和下传力板13，以及滚轴排14。上传力板15上放置有测量法向位移量的第一百分表17。上切盒5可在水平向液压千斤顶的驱动下在滚珠9和滚轴排14之间水平滑动，从而达到剪切土体的效果。水平推力可以由连接在第二千斤顶11上的压力表170读取，水平位移由第二百分表171测得；法向压力可以由第一千斤顶上的压力表170读取。在整个试验过程中，记录百分表（或者位移传感器）和千斤顶压力表的数据，直至上下切盒10之间的相对位移达到规范要求为止，此时试验结束。

本发明可以很方便地制备符合试验需求的土体标准试样，避免了人工制样造成的误差；在现场试验时，整个试验***构成一个封闭的体系，通过底框可将法向荷载和水平荷载转化为加载装置的内力，无需额外的反力装置；试验过程中下切盒完全固定，上切盒5只能平动，不能转动，因此，剪切缝不会因为试样的剪胀作用而发生突变，从而使试样的剪切变形更加均匀；上切盒5与下切盒10之间的滚珠9能有效减小磨擦作用，使试验结果更加真实；上传力板15和下传力板13之间的滚轴排14保证法向压力始终作用于土体正中间，避免法向荷载的偏心作用；本发明，结构简单，现场安装拆卸方便，便于运输，适用于土体的现场生产和教学试验。

Claims (1)

1.一种现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法，其特征在于：包括现场土体直剪试验用土体制备装置，所述现场土体直剪试验用土体制备装置包括制备组件和加载组件，

制备组件：包括底框、底板（1）、伸缩组件和上切盒（5），伸缩组件铰接在底框上，底板（1）活动安装在底框内，上切盒（5）位于伸缩组件内；

加载组件：包括第一千斤顶（7）、传力架（6）、固定连接在伸缩组件顶端的固定架（8），第一千斤顶（7）的一端固定连接在固定架（8）上，另外一端抵靠在传力架（6）的端面上，传力架（6）远离第一千斤顶（7）的一端抵靠在上切盒（5）上；

传力架（6）为“n”形，在传力架（6）的两个端头分别固设有一卡槽（601）；

所述上切盒（5）是由四块钢板围成的方形管，在上切盒（5）下端安置有多条切刀（4），在上切盒（5）下端部两侧的边缘分别固设有一条翼板（501），上切盒（5）的下端抵靠在切刀（4）的上端面上，上切盒（5）的外壁位于卡槽（601）内；

所述底框包括两根卡条（2），且两根卡条（2）分别位于土体的两侧，在卡条（2）的一侧设有滑道（201），在卡条（2）的端面上设有多个支铰（202），底板（1）位于滑道（201）内，可在滑道（201）内滑动，在卡条（2）的端面上设有多个锚钉孔（203）；

所述伸缩组件包括多根伸缩杆（3），伸缩杆（3）的一端铰接在支铰（202）上，另外一端套接在固定架（8）上，所述伸缩杆（3）包括套管（301）和螺杆（302），在套管（301）内设有螺纹通孔，螺杆（302）具有两根，分别螺接在套管（301）的两端，在螺杆（302）的端部固设有用于与支铰（202）铰接的钢管（303），在套管（301）的中部设有一锁紧孔，在锁紧孔内套接有加力杆（18）；

一种使用现场土体直剪试验用土体制备装置制备土体的方法，包括如下步骤：

第一步、在选取的试验地点开挖出一个较大的基坑（102），在基坑（102）的中部留出初始土体（101），初始土体（101）前后左右都预留出一定的空间；

第二步、将两根卡条（2）分别安放在初始土体（101）的两侧，并且要求初始土体两侧的卡条（2）相互平行、卡条（2）带有滑道（201）的一端朝向初始土体（101），使用锚钉（21）将卡条（2）固定在基坑（102）的底部；

第三步、将各个伸缩杆（3）铰接在卡条（2）上的支铰（202）上；

第四步、将各个伸缩杆（3）立起来，在将固定架（8）固定安装在各个伸缩杆（3）的上端；

第五步、将第一千斤顶（7）的一端固定连接的固定架（8）上，将上切盒（5）放置在土体（101）的上端面上；

第六步、将上切盒（5）抬起，将各块切刀（4）卡入至上切盒（5）的下端部，在将传力架（6）将上切盒（5）卡住；

第七步、第一千斤顶（7）远离固定架（8）的一端顶住传力架（6），利用加力杆（18）调节各个伸缩杆（3）的高度，并且对上切盒（5）施加一定的压力，待各块切刀（4）均匀的嵌入至土体（101）中后，就可以停在调节伸缩杆（3）；

第八步、将第一千斤顶（7）伸长，对土体（101）进行法向切割，在切割完成后，清理被切下的多余的土渣，并且将上切盒（5）和传力架（6）从土体（101）上取下，被上切盒（5）切割完成后的土体（101）为成品土体；

第九步、将底板（1）卡入至卡条（2）上的滑道（201）内，在基坑（102）后部的侧壁处置上木方（20），再在木方（20）和底板（1）之间安置上第三千斤顶（11），木方（20）作为第三千斤顶（11）的底座，伸长第三千斤顶（11），第三千斤顶（11）推动底板（1），底板（1）对成品土体进行横向切割，待底板（1）对成品土体切割完毕后的土体（101）就为现场土体直剪试验用的试验土体。