[發(fā)明專利]大型原位三軸剪切試驗裝置及其方法

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• 申請日: 2017-09-12
• 公開（公告）號: CN107449678A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭長寶;王獻禮;張永雙;楊志華;吳瑞安;任三紹
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所42001
• 代理人: 黃瑞棠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域中土的力學(xué)特性測試技術(shù)，尤其涉及一種大型原位三軸剪切試驗裝置及其方法，特別適用于原位土試樣在施加圍壓狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)的測定。

背景技術(shù)

為了獲取粗粒土體抗剪強度指標(biāo)，國內(nèi)外多個高校和科研院所致力于研究大型試驗設(shè)備，例如大型室內(nèi)三軸剪切試驗裝置、大型室內(nèi)(原位)直剪試驗裝置等，雖取得了豐碩成果，對粗粒土認識和研究提供了保障，但仍存在如下不足之處：

1、大型室內(nèi)三軸剪切試驗裝置僅能進行土體重塑樣力學(xué)試驗，無法充分代表工程點粗粒土原始結(jié)構(gòu)特征下的力學(xué)性能；

2、大型原位直剪試驗裝置僅能沿預(yù)定的水平面進行力學(xué)試驗，剪切面并非土體的軟弱面，因而試驗結(jié)果并不能反映土體的真實抗剪強度性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有試驗存在的缺陷，提供一種大型原位三軸剪切試驗裝置及其方法；所涉及的大型原位三軸剪切試驗裝置特別適用于施加圍壓狀態(tài)下的三軸剪切試驗，滿足試樣尺寸大，非固定剪切面，模擬真實的應(yīng)力狀態(tài)，可為工程設(shè)計與施工提供更加準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)；本發(fā)明精度高，同時本裝置結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝、操作簡便，一般巖土技術(shù)人員可短時間掌握。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一、大型原位三軸剪切試驗裝置(簡稱裝置)

本裝置包括試樣、圍壓系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、反力系統(tǒng)和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

在圍壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有試樣，在圍壓系統(tǒng)的上下方分別設(shè)置有垂向壓力系統(tǒng)和反力系統(tǒng)，自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的垂向位移計設(shè)置在試樣內(nèi)。

二、大型原位三軸剪切試驗方法(簡稱方法)

本方法包括以下步驟：

①在開挖的深坑內(nèi)選擇未經(jīng)擾動且具有代表性的原位土體，制備成直徑高度為1：2的圓柱體；

②制備地錨裝置，依次安裝反力系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)及垂直壓力系統(tǒng)設(shè)備，開啟數(shù)據(jù)采集流程；

③通過控制液壓缸使水壓囊與壓力室外壁之間充滿水，并按試驗設(shè)計要求施加圍壓；

④通過加壓千斤頂對土樣施加軸向壓力，通過控制施加圍壓持續(xù)時間及通過控制軸向壓力施加速度，來進行固結(jié)排水、固結(jié)不排水或不固結(jié)不排水剪切試驗；

⑤數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)記錄各圍壓100kPa、200kPa和400kPa條件下，軸向壓力、位移隨時間的變化，計算抗剪強度及粘聚力c、內(nèi)摩擦角值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：

所測土體的原位應(yīng)力場；

③可使土體沿其最薄弱面破壞；

④試樣尺寸大，減少尺寸效應(yīng)影響。

總之，本發(fā)明在研究土體的抗剪強度問題上具有真實全面的特點，試驗數(shù)據(jù)可靠，可為巖土工程領(lǐng)域的設(shè)計與施工提供有力的保障。

附圖說明

圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；

圖2是本裝置的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3是本裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖4是圍壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖5是剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系圖。

圖中：

10—試樣；

20—圍壓系統(tǒng)，

21—壓力室，

211—壓力室上蓋，212—壓力室壁，213—壓力室底蓋；

22—水壓管，23—液壓缸，24—壓力計，25—水壓囊；

30—垂向壓力系統(tǒng)，

31—加壓千斤頂，32—傳力桿，33—垂向壓力板，34—壓力傳感器；

40—反力系統(tǒng)，

41—水平撐桿，42—豎直撐桿，43—反力板，

44—固定底板，45—地錨裝置；

50—自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，

51、52、53、54、55—第1、2、4、4、5垂向位移計，

56—數(shù)據(jù)采集箱。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：

一、裝置

1、總體

如圖1-4，本裝置包括試樣10、圍壓系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、反力系統(tǒng)40和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)50；

在圍壓系統(tǒng)20內(nèi)設(shè)置有試樣10，在圍壓系統(tǒng)20的上下方分別設(shè)置有垂向壓力系統(tǒng)30和反力系統(tǒng)40，自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)50的垂向位移計設(shè)置在試樣10內(nèi)。

2、功能部件

1)試樣10

試樣10是一種在開挖的探坑內(nèi)選擇未經(jīng)擾動且具有代表性的原位土體，制備成直徑：高度＝1：2的圓柱體，一般為300×600mm或200×400mm。

2)圍壓系統(tǒng)20