专利名称：一种干湿循环大型应变控制式直剪 装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种剪切装置，特别涉及一种用于在岩土力学试验领域中测定粗粒土的强度峰值、残余抗剪强度及其在干湿循环作用下的强度参数的干湿循环大型应变控制式直剪装置。
背景技术：
室内试验对土力学发展的作用是十分重要的。土力学的发展总是伴随着试验测试技术的提高、改进和发展，二者互相促进，共同提高。土力学发展到今天的实践证明，没有现代化的试验仪器和试验技术，也就不可能有现代土力学的理论成果。现场试验不能完全代替室内试验，岩土的一些基础数据，如粒度成分、密度、含水量、可塑性等指标，只能通过室内试验测定；测定土的力学性状时，室内试验可根据需要，控制应力、应变及排水条件， 而原位测试很难做到。甚至有的学者认为，只有室内试验才有可能对土的复杂特性进行研究。地基和岩土建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏，因此，准确确定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。目前，直剪试验用于研究土壤的抗剪强度的室内试验主要方法，其可直接测出试样在预定剪破面上的抗剪强度。通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力P下，施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力f，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度指标内摩擦角φ和凝聚力c。但由于现有的直剪试验设备结构较为单一， 用于对土壤施加剪切力的剪切盒是独立设置，移动不便，且也不能模拟多种天气及地质条件下土壤的状况，尚不能完全满足试验要求，同时上下剪切盒之间是靠滚珠传动来实现移动，很容易造成上下剪切盒错位。

实用新型内容为了解决现有直剪试验设备移动不便，且不能模拟多种天气及地质条件下土壤的状况的技术问题，本实用新型提供一种可有效模拟多种土壤情况、且移动方便，使用可靠的干湿循环大型应变控制式直剪装置。为了实现上述技术效果，本实用新型的技术方案是，一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，包括中空且底面开口的上剪切盒、中空且顶面开口的下剪切盒、垂直力千斤顶和水平力千斤顶，所述的上剪切盒设置于下剪切盒上方且上剪切盒在水平方向上通过水平固定支座固定，所述的下剪切盒可相对于上剪切盒水平运动，所述的垂直力千斤顶设置于上剪切盒的上方，所述的水平力千斤顶设置于下剪切盒的侧面，还包括框架，所述的上剪切盒、下剪切盒、垂直力千斤顶和水平力千斤顶均设置于框架内，所述的垂直力千斤顶通过垂直固定装置固定于框架顶部，所述的水平力千斤顶通过水平固定装置固定于框架的侧边上。所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，所述的上剪切盒和下剪切盒的互相接触面上分别设有相互匹配的凹槽和凸槽。所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，所述的上剪切盒和下剪切盒之间留有间隙，所述的间隙为2-8mm。所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，所述的上剪切盒和下剪切盒的接触面环绕有一用于浸湿土壤的储水环，所述的储水环为上部开口的槽状结构。所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，所述的框架内设有加热装置。所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，所述的框架设有开合门。本实用新型的技术效果在于，使用框架将试验设备装入其中，使得整个直剪设备可方便的移动，同时在框架内加装了加热装置，且框架装有开合门，即可测试高温条件下土壤的状况。上剪切盒和下剪切盒的接触面是由互相匹配的凸槽和凹槽来定位，免除了原有滚珠传动易造成剪切盒错位的情况。上下剪切盒之间设有储水环，可根据需要来浸湿土壤以测试土壤潮湿时的剪切力情况。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型结构示意图；图2为本实用新型储水环的结构示意图；其中1为上剪切盒，2为下剪切盒，3为垂直力千斤顶，4为水平力千斤顶，5为水平固定支座，6为框架，7为垂直固定装置，8为水平固定装置，9为储水环，10为加热装置。
具体实施方式
参见图1，本实用新型包括中空且底面开口的上剪切盒1、中空且顶面开口的下剪切盒2、垂直力千斤顶3和水平力千斤顶4，上剪切盒1设置于下剪切盒2上方且上剪切盒 1在水平方向上通过水平固定支座5固定，下剪切盒2可相对于上剪切盒1水平运动，垂直力千斤顶3设置于上剪切盒1的上方，水平力千斤顶4设置于下剪切盒2的侧面，上剪切盒 1、下剪切盒2、垂直力千斤顶3和水平力千斤顶4均设置于框架6内，垂直力千斤顶3通过垂直固定装置7固定于框架6顶部，水平力千斤顶4通过水平固定装置8固定于框架6的侧边上，框架内还设有加热装置10。传统的直剪仪底座下部装有滚珠，在剪切时，下剪切盒的移动是通过滚珠的滚动而实现的，在拆卸下盒时滚珠易从滑槽上掉出来，而且滚珠与水平面之间的摩擦力较大，运动方向不是太稳定，因此给试验带来误差采用机械原理，改进了原有剪切盒通过滚珠滚动前进，而是直接在上剪切盒1和下剪切盒2之间做了凹凸槽，使得剪切盒只能沿直线前进， 同时在凹槽内滴入足够的润滑油减小仪器本身带来的误差。传统的细粒土直剪仪剪切盒的尺寸为D = 61. 8mm, H = 20mm,在进行扰动土的直剪试验时，需先用击实法或压样法制备好试件，然后用环刀在制好的试件上取样。在制好的试件上进行环刀取样实际上使土经受了再次扰动，这样测得的土的抗剪强度指标与真实土体的抗剪强度指标可能相差较大。为了减少对土的扰动，提高试验结果的精度，满足具有大粒径的粗粒土的直剪试验要求，本大直剪仪对剪切盒的尺寸进行了独特的设计。将剪切盒的尺寸扩大了 10倍左右，具体尺寸为长度X宽度X高度=500mmX500mmX300mm。因此，试样的剪切面积扩大到原来的83. 38倍，试样的体积增大到原来的1250. 7倍。这样设计的理由是，大的剪切盒尺寸更能模拟提的现实情况，同时受到的尺寸效应也就越小，同时还能满足对较大粒径的粗粒土进行的直剪试验。传统的细粒土直剪仪其上下剪切盒是扣在一起的，上剪切盒直接压在下剪切盒上，这样测得的剪应力就包含了两部分，一部分是对试样的剪切力，另一部分是上下盒之间的摩擦力。上下剪切盒之间的摩擦加大了试样的剪切强度，使得实测强度值高于土体的真实强度。为了消除上下剪切盒之间的摩擦影响，提高试验结果的精度，本实用新型对剪切盒进行了开缝设计，将上剪切盒通过螺栓固定在支座上，使上下剪切盒之间有一定间隙，避免了它们直接接触。上下剪切盒之问的开缝尺寸是有要求的，开缝既不能太大也不能太小。 缝隙尺寸太小，则会造成强度值偏高；若缝隙开得过大，剪切过程中土颗粒会从缝隙掉出来，有效剪切面积减小，并使剪切面上的密度减小，造成强度值偏低。本实用新型上下剪切盒之间开缝尺寸为2-8mm，优选为5mm。本实用新型选用了两种不同的千斤顶作为加载装置，垂直荷载采用的是液压分离式的千斤顶，而水平荷载是机械式的螺旋齿轮千斤顶。在垂直方向，可以克服以前因砝码的固定而只能施加几个固定的荷载的问题，本实用新型可以任意的施加IOOkN以内的荷载。 而水平方向则可以克服一般千斤顶施力不均勻的问题，通过圆形手柄，可以一圈圈的转动千斤顶的齿轮来均勻加力。本实用新型采用了框架式结构。不在需要实验室提供特殊的反力点，同时更为美观。框架6是由槽钢和钢板为原材料加工而成，并且框架6在需要烘试样时可以通过关上开合门来封闭整个框架，提高烘土的效率。在进行直剪试验时又可将框架6的前后两面打开，不会影响试验的进行。参见图2，为了研究试样在不同浸水条件下的抗剪特性，本实用新型在环绕剪切盒的接触面处布置了一个储水环9，，储水环为上部开口的槽状结构。在需要时，可以使得剪切面在剪切前后一直处于浸水状态。储水环9从下剪切盒的中线开始直到上剪切盒的中线， 在试验过程中，往试样表面和储水环9加水，使储水环9储备足够的水以保证剪切面一直处于浸水状态。即可通过改变试样的浸水时间这一参数进行碎石土在干湿循环环境下的研为了减少刚性剪切盒对试料颗粒在剪切破坏时移动的约束，试样尺寸必须与试料粒径问满足一定的比例关系。以往的研究多是从试样直径(圆形)或宽度(方形)与试料最大粒径间的关系进行研究，确定出0/(1 !￡或8/(1_的合理比值。本实用新型工作时包括以下步骤试样制备通过筛分，配制不同含石量的土样，混合拌合之后，由下剪切盒起，在剪切盒内逐层填铺，用重型击实锤人工击实，直至填满上下两个剪切盒。试验步骤(1)试样制备和安装。(2)将下剪切盒2安放在反力架的底部滑槽之上，再将上剪切盒1放在下剪切盒 2的上部滑槽之上，并用固定插销定位将称好的试样拌勻后分层装入剪切盒内，层次可根据高度与层缝错开的原则而定，一般为或层每一层应击实至要求的高度对粘质粗颗粒土每层表面刨毛后再填第层重复上述步骤至最后一层整平表面试样如需饱和对无粘性粗颗粒土宜用水头饱和法对粘质粗颗粒土宜用真空饱和法。[0029](3)在试样面上依次放上透水板、传压板、垂直千斤顶和传压板等，按要求安装对中，传压板应用水平尺校平，上下反力钢梁应水平。然后安装2-4个垂直百分表，徐徐开动垂直千斤顶使各部接触，并记录变形起始读数，安装水平千斤顶和水平百分表务使水平千斤顶的着力线通过剪切面的中心，徐徐开动水平千斤顶，使其与下剪切盒2的着力点接触即水平百分表开始微动即停止。每组试验应制备至3-5个试样，其密度差值不得大于
0.03g/cm3，含水率差值不得大于1 %，在不同压力下进行试验各级垂直压力级差大致相同。试验方式的选择根据研究的需要，试验可以分别选择快剪试验，固结快剪试验以及慢剪试验等方式。(1)快剪试验1)按本规程的规定安装试样和定位，但在试样上下面接触处安放与透水板厚度相等的不透水钢板，在试样上一次施加额定的垂直荷载，使其在整个试验过程中保持恒定。2)拔除上下剪切盒的固定销，记录垂直水平千斤顶百分表等的读数，随即开动水平千斤顶施加水平荷载，每加一级并测读次水平百分表和垂直百分表的读数，起始水平荷载按垂直荷载的7% -10%施加，当某级水平荷载下的剪切位移超过前一级剪切位移的
1.5-2倍时，改为按5%施加每施加一级水平荷载测读垂直和水平百分表各一次，当水平荷载读数不再增加或剪切变形急骤增长即认为已剪损。若无上述两种情况出现应控制剪切变形达试样直径的1/15-1/10，方可停止试验。应控制试样在5-lOmin内达到剪切破坏3)试验结束后尽快卸去百分表、水平荷载、垂直荷载和加荷设备。视需要对剪切面作简要描述。取剪切面附近的试样，测定其剪切后含水率与颗粒级配。(2)固结快剪试验按本规程的规定进行试样安装和定位，但试样上下两面的不透水板换放细铜丝布和透水钢板，在试样上施加垂直荷载后，如每小时垂直变形小于0. 03mm，则认为变形稳定， 测记此时垂直百分表读数。试样达到固结稳定后按快剪步骤进行剪切。(3)慢剪试验按本规程的规定进行试样安装和定位，但试样上下两面的不透水板改放细铜丝布和透水钢板，按本规程的规定进行试样固结，试样达到固结稳定后，拔除上下剪切盒固定销，检查垂直千斤顶、水平千斤顶等，记录其读数。开动水平千斤顶，施加水平荷载每隔Imin 测1记次水平百分表读数和垂直百分表读数，若Imin内剪切变形不超过0.01mm，则施加下一级水平荷载，起始水平荷载每级按垂直荷载的7%-10%施加，当某级水平荷载下的剪切位移超过前一级剪切位移的1.5-2倍时，改为按5%施加。当水平荷载读数不再增加或剪切变形急骤增长即认为已剪损。若无上述两种情况出现应控制剪切变形达试样直径的 1/15-1/10，方可停止试验。试验结束后按规定拆除试样，并测定其剪切后含水率与颗粒级配。试验结果的计算和制图按下列公式计算垂直压力和剪应力
权利要求1.一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，包括中空且底面开口的上剪切盒(1 )、中空且顶面开口的下剪切盒(2)、垂直力千斤顶(3)和水平力千斤顶(4)，所述的上剪切盒(1) 设置于下剪切盒(2)上方且上剪切盒(1)在水平方向上通过水平固定支座(5)固定，所述的下剪切盒(2)可相对于上剪切盒(1)水平运动，所述的垂直力千斤顶(3)设置于上剪切盒 (1)的上方，所述的水平力千斤顶(4)设置于下剪切盒(2)的侧面，其特征在于，还包括框架 (6)，所述的上剪切盒(1)、下剪切盒(2)、垂直力千斤顶(3)和水平力千斤顶(4)均设置于框架(6)内，所述的垂直力千斤顶(3)通过垂直固定装置(7)固定于框架(6)顶部，所述的水平力千斤顶(4)通过水平固定装置(8)固定于框架(6)的侧边上。
2.根据权利要求1所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，其特征在于，所述的上剪切盒(1)和下剪切盒(2)的互相接触面上分别设有相互匹配的凹槽和凸槽。
3.根据权利要求1所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，其特征在于，所述的上剪切盒(1)和下剪切盒(2)之间留有间隙，所述的间隙为2-8mm。
4.根据权利要求1所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，其特征在于，所述的上剪切盒(1)和下剪切盒(2)的接触面环绕有一用于浸湿土壤的储水环(9)，所述的储水环(9)为上部开口的槽状结构。
5.根据权利要求1所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，其特征在于，所述的框架内设有加热装置(10)。
6.根据权利要求1所述的一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，其特征在于，所述的框架设有开合门。
专利摘要本实用新型公开了一种干湿循环大型应变控制式直剪装置，包括上剪切盒、下剪切盒、垂直力千斤顶、水平力千斤顶、框架、储水环，本实用新型的技术效果在于，使用框架将试验设备装入其中，使得整个直剪设备可方便的移动，同时在框架内加装了加热装置，且框架装有开合门，即可测试高温条件下土壤的状况。上剪切盒和下剪切盒的接触面是由互相匹配的凸槽和凹槽来定位，免除了原有滚珠传动易造成剪切盒错位的情况。上下剪切盒之间设有储水环，可根据需要来浸湿土壤以测试土壤潮湿时的剪切力情况。
文档编号G01N3/24GK202083598SQ20112008869
公开日2011年12月21日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者曾胜, 李振存, 李文, 甘先永, 赵健 申请人:曾胜, 李振存, 李文, 甘先永, 赵健