CN113533088B - 一种应变控制式现场直剪试验设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变控制式现场直剪试验设备及方法，包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱。其中，法向应力施加装置、剪切装置和垂直推力施加装置位于应力转向装置的下方，法向应力施加装置设置在剪切装置的顶部，位移传感器与应力转向装置啮合，拉压力传感器分别与位移传感器和传力柱连接，传力柱与剪切装置刚性连接。本发明可进行大变形现场直剪试验、残余变形剪切试验、反复剪切试验、不同剪切速率的剪切试验；并且能够使试验结果更加准确。

Description

一种应变控制式现场直剪试验设备及方法

技术领域

本发明涉及岩土试验测试技术领域，具体涉及一种应变控制式现场直剪试验设备及方法。

背景技术

在基建工程中，岩土工程问题是整个工程的关键研究内容。常见的岩土工程中，边坡失稳、地基失稳等问题都是由于岩土体剪切破坏产生的，因此，对于岩土稳定性计算来说，较为准确的抗剪强度参数尤为重要。

相比室内抗剪强度试验，现场实现更能符合现场的实际情况。但是，现场直剪试验耗时较长且需占用一定的场地，并且，现有的现场直剪设备均为应力控制式直剪设备，无法进行大变形现场直剪试验、残余变形剪切试验、反复剪切试验、不同剪切速率的剪切试验等现场试验内容。

此外，现有的现场直剪试验设备中，法向反力通常采用搭设平板架上部堆载，水平反力通常依靠后部土体提供。因此，在剪切过程中，由于后部土体容易发生形变，导致水平推力***移动，以致水平推力的方向随之发生改变，最终导致现场直剪试验得到的抗剪强度参数值与真实值存在差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的现场直剪试验设备及方法无法进行大变形现场直剪试验、残余变形剪切试验、反复剪切试验、不同剪切速率的剪切试验，且很难得到准确的抗剪强度参数。目的在于，提供一种应变控制式现场直剪试验设备及方法，解决现有的现场直剪试验设备及方法存在的缺陷。

本发明通过下述技术方案实现：

一种应变控制式现场直剪试验设备，包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱。其中，法向应力施加装置、剪切装置和垂直推力施加装置位于应力转向装置的下方，法向应力施加装置设置在剪切装置的顶部，位移传感器与应力转向装置啮合，拉压力传感器分别与位移传感器和传力柱连接，传力柱与剪切装置刚性连接。

与现有技术相比，本发明一种应变控制式现场直剪试验设备，其发明点在于：区别于现有的现场直剪设备均为应力控制式（即施加一次向下的法向反作用力，相应地依靠土体产生一次水平的反向作用力），本发明通过应力转向装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱的共同作用，将应力转向装置上方的堆载产生的向下的法向反力，通过垂直推力施加装置产生一个向上的支撑力，经过应力转向装置将该力从应力转向装置的一侧传递到另一侧，并将垂直方向上的力转化为水平方向上的力，再经过位移传感器、拉压力传感器和传力柱将力作用在剪切盒上。由于最终产生的水平方向上的力没有依靠土体，因此不会由于土体因受力变形而影响试验效果，使试验结果更加准确；并且，由于最终产生的水平方向上的力由应力转向装置产生，避免了二次试验或多次试验时因土体变形需重新安装试验设备的弊端，从而本发明可进行残余变形试验和反复剪切试验。同理，在可进行反复试验的基础上，通过改变添加负载的频率进而使得本发明可进行不同剪切速率的剪切试验。此外，通过位移传感器和拉压力传感器可获取到每一次试验产生的位移大小和拉压力大小，结合试样的状态可得到力随物体变形的变化趋势，为下一次试验提供数据参考，从而本发明也可进行大变形剪切试验。

作为对本发明的进一步描述，应力转向装置包括第一纵向齿轮轴、第二纵向齿轮轴、横向齿轮轴和齿轮盘。其中，第一纵向齿轮轴和第二纵向齿轮轴竖直设置，第一纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的一端啮合，第一纵向齿轮轴的下方设置有垂直推力施加装置，第二纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的另一端啮合，第二纵向齿轮轴的底端与齿轮盘连接。

作为对本发明的进一步描述，该应变控制式现场直剪试验设备包括上载力板和下载力板。其中，上载力板设置在横向齿轮轴的上方，用于承载外部堆载施加的向下的力；下载力板设置在横向齿轮轴的下方，用于承载所述法向应力施加装置施加的向上的力。

作为对本发明的进一步描述，该应变控制式现场直剪试验设备还包括支撑杆。支撑杆的一端深入地面以下，另一端与上载力板螺纹连接，可对上载力板进行有效支撑，保持设备的稳定性。并且，支撑杆为2根，分别位于应力转向装置的左、右两侧，并与所述应力转向装置接触，可对第一纵向齿轮轴和第二纵向齿轮轴起到支撑作用，保证试验设备在堆载的压力作用下不会变形或倒塌。

作为对本发明的进一步描述，法向应力施加装置和垂直推力施加装置为千斤顶。

一种应变控制式现场直剪试验方法，包括以下步骤：

步骤1：试坑开挖和试样制备，安装应变控制式现场直剪试验设备，所述应变控制式现场直剪试验设备包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱；

步骤2：在所述应力转向装置上方添加负载，通过齿轮轴将垂直向力转化为水平应变，观察所述剪切装置中试样的状态；

步骤3：重复所述步骤2直至试样被剪切破坏，读取并记录所述位移传感器显示的位移大小和所述拉压力传感器显示的拉压力大小；

步骤4：根据所述位移大小和所述拉压力大小计算得到抗剪强度参数。

作为对本发明的进一步描述，应变控制式现场直剪试验设备的安装方法为：

将所述剪切装置安放到试样位置，并在所述剪切装置顶部安装所述法向应力施加装置；

安装所述应力转向装置，使所述应力转向装置的横向齿轮轴位于所述法向应力施加装置的正上方；

在所述应力转向装置的第一纵向齿轮轴下方安装所述垂直推力施加装置；

在所述应力转向装置的第二纵向齿轮轴下方，朝着所述剪切装置的方向依次安装所述位移传感器、所述拉压力传感器和所述传力柱，所述位移传感器与所述应力转向装置啮合，所述拉压力传感器分别与所述位移传感器和所述传力柱连接，所述传力柱与所述剪切装置刚性连接。

作为对本发明的进一步描述，上述添加负载的方式包括：按照不同重量和不同频率添加，其作用为提供垂直压力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种应变控制式现场直剪试验设备及方法，可进行大变形现场直剪试验、残余变形剪切试验、反复剪切试验、不同剪切速率的剪切试验；

2、本发明一种应变控制式现场直剪试验设备及方法，能够使试验结果更加准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的一种应变控制式现场直剪试验设备结构示意图。

图2为本发明实施例2的一种应变控制式现场直剪试验方法流程图。

附图标记及对应的零部件名称：

2-法向应力施加装置，3-剪切装置，4-垂直推力施加装置，5-位移传感器，6-拉压力传感器，7-传力柱，8-上载力板，9-下载力板，11-第一纵向齿轮轴，12-第二纵向齿轮轴，13-横向齿轮轴，14-齿轮盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

图1为本实施例的一种应变控制式现场直剪试验设备结构示意图。如图所示，应变控制式现场直剪试验设备，包括1台应力转向装置、1个法向应力施加装置2、1个垂直推力施加装置4、1个剪切装置3、1个位移传感器5、1个拉压力传感器6和1根传力柱7。其中，法向应力施加装置2和垂直推力施加转置均为千斤顶。

从图中可以看出，该应变控制式现场直剪试验设备包括1根竖直设置在左侧的第一纵向齿轮轴11、1条竖直设置在右侧的第二纵向齿轮轴12和1根水平设置在顶部的横向齿轮轴13。其中，第一纵向齿轮轴11和第二纵向齿轮轴12均由1条竖直杆和位于竖直杆顶部的齿轮组成；在第一纵向齿轮轴11的竖直杆的底部设置有1个垂直推力施加装置4，用于提供垂直向上的力；在第二纵向齿轮轴12的竖直杆的底部为一个齿轮盘14，该齿轮盘14与该第二纵向齿轮轴12同轴，可随第二纵向齿轮轴12同向同步转动；横向齿轮轴13则由1根水平杆和设置在水平杆两端的齿轮组成，且水平杆两端的齿轮分别与第一纵向齿轮轴11的齿轮和第二纵向齿轮轴12的齿轮啮合。

与位于第二纵向齿轮轴12底部的齿轮盘14向啮合的是1个位移传感器5，在齿轮盘14的带动下，该位移传感器5可朝着剪切装置3的方向水平移动，同时显示出位移的距离。并且，在位移传感器5移动方向上依次设置有拉压力传感器6和传力柱7，拉压力传感器6分别与位移传感器5和传力柱7连接，传力柱7与剪切装置3刚性连接。在位移传感器5、拉压力传感器6和传力柱7的共同作用下，可将应力转向装置施加的水平应变传递到剪切装置3处。

从图1中也可以看到，剪切装置3和法向应力施加装置2设置在应力转向装置的正下方，且法向应力施加装置2设置在剪切装置3的顶部。

此外，应变控制式现场直剪试验设备还包括1块上载力板8和1块下载力板9。上载力板8设置在横向齿轮轴13的上方，用于承载外部堆载施加的向下的力；下载力板9设置在横向齿轮轴13的下方，用于承载所述法向应力施加装置施加的向上的力。在应力转向装置的左右两侧各竖直设置有1根支撑杆。支撑杆的一端***地面以下，另一端与上载力板8螺纹连接，可对上载力板8进行有效支撑，保持设备的稳定性。并且，2根支撑杆为，分别与位于应力转向装置的左、右两侧的第一纵向齿轮轴11和第二纵向齿轮轴12的外侧接触，因此起到对第一纵向齿轮轴11和第二纵向齿轮轴12起到支撑作用，保证试验设备在堆载的压力作用下不会变形或倒塌。

实施例2：

图2为本实施例的一种应变控制式现场直剪试验方法流程图。如图所示，一种应变控制式现场直剪试验方法，包括以下步骤：

步骤1：试坑开挖和试样制备，安装应变控制式现场直剪试验设备，所述应变控制式现场直剪试验设备包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱；

步骤2：在所述应力转向装置上方添加负载，通过齿轮轴将垂直向力转化为水平应变，观察所述剪切装置中试样的状态；

步骤3：重复所述步骤2直至试样被剪切破坏，读取并记录所述位移传感器显示的位移大小和所述拉压力传感器显示的拉压力大小；

步骤4：根据所述位移大小和所述拉压力大小计算得到抗剪强度参数。

上述步骤2中，应变控制式现场直剪试验设备的安装方法为：将所述剪切装置安放到试样位置，并在所述剪切装置顶部安装所述法向应力施加装置；安装所述应力转向装置，使所述应力转向装置的横向齿轮轴位于所述法向应力施加装置的正上方；在所述应力转向装置的第一纵向齿轮轴下方安装所述垂直推力施加装置；在所述应力转向装置的第二纵向齿轮轴下方，朝着所述剪切装置的方向依次安装所述位移传感器、所述拉压力传感器和所述传力柱，所述位移传感器与所述应力转向装置啮合，所述拉压力传感器分别与所述位移传感器和所述传力柱连接，所述传力柱与所述剪切装置刚性连接。

需补充说明的是，上述添加负载的方式包括：按照不同重量和不同频率添加，其作用为提供垂直反力。

试验时，首先按照现有技术进行试坑开挖和试样制备，然后按照上述应变控制式现场直剪设备的结构特征进行试验设备安装，安装完成后即可进行试验。在试验过程中，法向应力施加装置对应力转向装置施加向上的力，相应的，应力转向装置顶部的堆载对应力转向装置施加向下的法向反力。同时，位于第一纵向齿轮轴底部的垂直推力施加装置在向下压力的作用下对第一纵向齿轮轴施加向上的反作用力，使第一纵向齿轮轴转动，并依次带动横向齿轮轴、第二纵向齿轮轴和齿轮盘转动，从而将施加在第一纵向齿轮轴的竖直向上的反作用力通过齿轮轴和齿轮盘的传动，最终转化为指向剪切装置的水平位移，在该水平位移的作用下进行剪切操作。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应变控制式现场直剪试验设备，其特征在于，包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱；所述法向应力施加装置、所述剪切装置和所述垂直推力施加装置位于所述应力转向装置的下方，所述法向应力施加装置设置在所述剪切装置的顶部，所述位移传感器与所述应力转向装置啮合，所述拉压力传感器分别与所述位移传感器和所述传力柱连接，所述传力柱与所述剪切装置刚性连接；所述应力转向装置包括第一纵向齿轮轴、第二纵向齿轮轴、横向齿轮轴和齿轮盘；第一纵向齿轮轴和第二纵向齿轮轴竖直设置，第一纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的一端啮合，第一纵向齿轮轴的下方设置有垂直推力施加装置，第二纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的另一端啮合，第二纵向齿轮轴的底端与齿轮盘连接。

2.根据权利要求1所述的一种应变控制式现场直剪试验设备，其特征在于，所述应力转向装置包括第一纵向齿轮轴、第二纵向齿轮轴、横向齿轮轴和齿轮盘；所述第一纵向齿轮轴和所述第二纵向齿轮轴竖直设置，所述第一纵向齿轮轴的顶端与所述横向齿轮轴的一端啮合，所述第一纵向齿轮轴的下方设置有所述垂直推力施加装置，所述第二纵向齿轮轴的顶端与所述横向齿轮轴的另一端啮合，所述第二纵向齿轮轴的底端与所述齿轮盘连接。

3.根据权利要求2所述的一种应变控制式现场直剪试验设备，其特征在于，包括上载力板和下载力板，所述上载力板设置在所述横向齿轮轴的上方，用于承载外部堆载施加的向下的力；所述下载力板设置在所述横向齿轮轴的下方，用于承载所述法向应力施加装置施加的向上的力。

4.根据权利要求3所述的一种应变控制式现场直剪试验设备，其特征在于，包括支撑杆，所述支撑杆的一端深入地面以下，所述支撑杆的另一端与所述载力板螺纹连接，所述支撑杆为2根，分别位于所述应力转向装置的左、右两侧，所述支撑杆与所述应力转向装置接触。

5.根据权利要求1或2所述的一种应变控制式现场直剪试验设备，其特征在于，所述法向应力施加装置和所述垂直推力施加装置为千斤顶。

6.一种应变控制式现场直剪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：试坑开挖和试样制备，安装应变控制式现场直剪试验设备，所述应变控制式现场直剪试验设备包括应力转向装置、法向应力施加装置、剪切装置、垂直推力施加装置、位移传感器、拉压力传感器和传力柱；所述应力转向装置包括第一纵向齿轮轴、第二纵向齿轮轴、横向齿轮轴和齿轮盘；第一纵向齿轮轴和第二纵向齿轮轴竖直设置，第一纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的一端啮合，第一纵向齿轮轴的下方设置有垂直推力施加装置，第二纵向齿轮轴的顶端与横向齿轮轴的另一端啮合，第二纵向齿轮轴的底端与齿轮盘连接；

步骤2：在所述应力转向装置上方添加负载，观察所述剪切装置中试样的状态，读取并记录所述位移传感器显示的位移大小和所述拉压力传感器显示的拉压力大小；

步骤3：重复所述步骤2直至试样被剪切破坏，读取并记录所述位移传感器显示的最终位移大小和所述拉压力传感器显示的最终拉压力大小；

步骤4：根据所述位移大小和所述拉压力大小计算得到抗剪强度参数。

7.根据权利要求6所述的一种应变控制式现场直剪试验方法，其特征在于，所述应变控制式现场直剪试验设备的安装方法为：

将所述剪切装置安放到试样位置，并在所述剪切装置顶部安装所述法向应力施加装置；

安装所述应力转向装置，使所述应力转向装置的横向齿轮轴位于所述法向应力施加装置的正上方；

在所述应力转向装置的第一纵向齿轮轴下方安装所述垂直推力施加装置；

在所述应力转向装置的第二纵向齿轮轴下方，朝着所述剪切装置的方向依次安装所述位移传感器、所述拉压力传感器和所述传力柱，所述位移传感器与所述应力转向装置啮合，所述拉压力传感器分别与所述位移传感器和所述传力柱连接，所述传力柱与所述剪切装置刚性连接。

8.根据权利要求6或7所述的一种应变控制式现场直剪试验方法，其特征在于，所述添加负载的方式包括：按照不同重量和不同频率添加。