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专利名称：测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置及试验方法
技术领域：
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种用于测定颗粒材料不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置和试验方法。
背景技术：
工程实践中砂、砾等颗粒材料可用作材料、地基及周围介质。由于重力沉积或人工碾压等原因，自然界中的这些砂、砾等颗粒材料普遍具有各向异性特性。即沿不同方向加载时，材料具有不同的物理力学特性。颗粒材料的这种各向异性特性在土木工程中具有重要的理论和工程意义。譬如目前实际工程在地基土的承载力、边坡稳定性及土压力计算中，仍然主要采用极限平衡分析方法，且通常假定滑动面上的抗剪强度相等。而由于土的各向异性，与沉积面呈不同角度的滑动面(剪切面)可能具有显著不同的抗剪强度，因此上述计算分析中滑动面上抗剪强度相等的假定将不可避免的带来较大的误差。为科学、合理的评价地基土的承载力、边坡稳定性等土木工程领域中的经典问题，针对各向异性颗粒材料研究与沉积面呈不同角度的剪切面上的抗剪强度特性具有重要的理论和工程意义。如图1所示，在地基承载力计算所假定的破坏面上取典型单元A和B，在边坡滑动面上取单元C，以上三单元将分别作用有正应力分量0 和Qt，以及剪应力分量τ。若以沿剪切方向逆时针旋转为正，以上三个典型单元的剪切面与沉积面的夹角Ψ如图1(a) (C)。由图1(a) (c)可知，剪切面与沉积面的夹角Ψ的变化范围为0° 180°。而在常规的直剪试验中，只能测得剪切面与沉积面平行(即Ψ =0° /180° )这一种情况下的抗剪强度，存在较严重的不足，不能满足工程实际的需要。

发明内容
针对上述常规直剪试验的不足，本发明提供了一种可用于测定颗粒材料不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置和试验方法，所述的试验装置为新型直剪试验盒，试验时可使剪切面与沉积面的夹角ψ在0° 180°之间任意变化，进行抗剪强度测量试验。所述的试验装置为直剪试验盒，该直剪试验盒主要由底座(A)、施力端下侧壁 (B)、施力端上侧壁(C)、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)组成，底座A具有底座前侧壁和底座后侧壁，施力端下侧壁(B)和量力端下侧壁(D)通过螺栓连接在底座(A)的底座前侧壁和底座后侧壁的左右两侧，并且连接后与底座前侧壁和底座后侧壁高度相同，这样，底座(A)、施力端下侧壁⑶和量力端下侧壁⑶连接后组成下盒; 所述的底座前侧壁和底座后侧壁的上端面分别螺栓连接前侧壁(F)和后侧壁(G)，同时，所述的前侧壁(F)和后侧壁(G)的两侧端面分别通过螺栓与施力端上侧壁(C)和量力端上侧壁(E)的内表面连接，这样，所述的施力端上侧壁(C)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)就组成了直剪试验盒的上盒，所述的下盒与上盒组装后成为直剪试验盒。测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验方法，包括如下步骤第一步根据所需的剪切面与沉积面的夹角Ψ，组装直剪试验盒，将组装好的直剪试验盒倾斜放入外箱的两块横隔板(K)之间，并用长螺丝(L)固定；然后将颗粒材料撒入直剪试验盒内，直至直剪试验盒被颗粒材料覆盖；第二步将外箱逆时针旋转Ψ角度，使直剪试验盒的底座(A)的底面水平；将直剪试验盒顶面超出前侧壁(F)和后侧壁(G)的颗粒材料刮掉，安装临时盖板，利用螺栓将临时盖板与前侧壁(F)和后侧壁(G)相连；第三步将第二步的外箱重新恢复到第一步的状态，然后顺时针旋转90° -V，使直剪试验盒的底座(A)竖直、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)水平；第四步将直剪试验盒从外箱中取出，将高出开口侧壁的颗粒材料刮平，并用螺栓将施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)组装；第五步将直剪试验盒重新放回原位，使剪切盒的底面座(A)水平、临时盖板在顶第六步将临时盖板拆除，安装加载顶帽(H)；第七步将第六步制样完成的直剪盒放入常规直剪仪中，按常规直剪试验的操作进行直剪试验。本发明具有如下优点及功效(1)利用新型直剪试验盒和制样方法，可以制得多种沉积角度的试样，剪切面与沉积面可呈0° 180°之间的任意角度；(2)利用新型直剪试验盒和制样方法，可以探究各向异性颗粒材料不同剪切面的抗剪强度特性；(3)可在常规直剪试验仪上进行，只需更换直剪试验盒，成本较低；(4)剪切试验过程与常规直剪试验过程相同，因此操作简单，几乎可以在所有的土工试验室进行。


图1——破坏面与沉积面夹角Ψ示意图；图2——新型直剪试验盒结构示意图；图2Α——新型直剪试验盒的底座结构示意图；图3——安装好量力构件和加载顶帽的新型直剪试验盒；图4——安装好施力构件的新型直剪试验盒；图5——试样制备外箱结构示意图；图6(a)——制备Ψ在0° 90°之间试样时直剪试验盒在外箱内的布局示意图；图6(b)——制备Ψ在90° 180°之间试样时直剪试验盒在外箱内的布局示意图；图6(c) 图6(g)——试样制备过程中直剪试验盒的布局变换示意图；图6 (a) 图6 (g)中的直剪试验盒均为图2中的M-M剖面图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提供的测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置及试验方法进行详细说明。所述的试验装置为新型直剪试验盒，如图2所示，该新型直剪试验盒主要由底座 A、施力端下侧壁B、施力端上侧壁C、量力端下侧壁D、量力端上侧壁E、前侧壁F和后侧壁G 组成。如图2A所示，底座A具有底座前侧壁和底座后侧壁。施力端下侧壁B和量力端下侧壁D通过螺栓连接在底座A的底座前侧壁和底座后侧壁的左右两侧，并且连接后与底座前侧壁和底座后侧壁高度相同，这样，底座A、施力端下侧壁B和量力端下侧壁D连接后组成下盒。所述的底座前侧壁和底座后侧壁的上端面分别螺栓连接前侧壁F和后侧壁G，同时，所述的前侧壁F和后侧壁G的两侧端面分别通过螺栓与施力端上侧壁C和量力端上侧壁E的内表面连接，这样，所述的施力端上侧壁C、量力端上侧壁E、前侧壁F和后侧壁G就组成了直剪试验盒的上盒，所述的下盒的上截面与上盒的下截面可以重合对齐，组装后成为直剪试验盒。所述的施力端上侧壁C、量力端下侧壁D、量力端上侧壁E、前侧壁F和后侧壁G均为长方体条状结构，底座A为带有底座前侧壁和底座后侧壁的U型底板结构，施力端下侧壁 B为L型长条状结构。直剪试验盒组装后，量力端下侧壁D、量力端上侧壁E和底座A的外侧截面是对齐的，施力端下侧壁B上表面的宽度大于施力端上侧壁C的宽度，如图2所示， 施力端上侧壁C和量力端上侧壁E的上表面高度大于前侧壁F和后侧壁G的上表面高度。在试样准备时，上盒和下盒的连接采用螺栓将前侧壁F、后侧壁G与底座A相连实现，但在试样剪切前需将这些螺栓取走，以便上盒和下盒能自由移动。如图3所示，试验时， 量力端上侧壁E的外侧通过两个螺栓连接有量力构件I，量力构件I用作常规直剪仪上剪力测量装置的支撑。试验时正应力通过加载顶帽H上凸起的圆柱体顶面施加，圆柱体顶面为凹陷的半球形，加载顶帽H的下部为长方体结构，长方体的长度为直剪试验盒的净长度，宽度为直剪试验盒的净宽度，高度为施力端上侧壁C和前侧壁F的高差。如图4所示，施力端下侧壁B与施力构件J通过螺栓相连。常规直剪仪上剪切传动装置的推动轴支撑在施力构件J上，用于施加剪切力。所述的净宽度和净长度是指直剪试验盒的内径尺寸。与常规直剪试验盒相比，本发明提供的新型直剪试验盒的显著特点是本发明的直剪试验盒的施力端下侧壁B、施力端上侧壁C、量力端下侧壁D、量力端上侧壁E以及前侧壁F和后侧壁G均是独立可拆卸的，通过螺栓彼此连接，因此在制样过程中，可根据不同的需求进行组装，使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。为制得剪切面与沉积面的夹角Ψ在0° 180°之间某个任意角度的试样，在试样制备阶段，另需一个试样制备外箱1，如图5所示。外箱1内有两块可以任意移动的横隔板K，将组装后的新型直剪试验盒倾斜放入两块横隔板K之间，通过调整连接在外箱1和横隔板K之间的长螺丝L固定横隔板K，即可将直剪试验盒固定到任意角度。应用上述组装得到的直剪试验盒进行直剪试验，具体试验过程如下第一步根据所需的剪切面与沉积面的夹角Ψ，组装新型直剪试验盒，将组装好的新型直剪试验盒倾斜放入外箱1的两块横隔板K之间，并用长螺丝L固定。采用“空中砂雨法”将颗粒材料撒入直剪试验盒内，直至直剪试验盒被颗粒材料覆盖一定深度。若Ψ=0° /180°，即进行常规直剪试验，则如图2所示组装直剪盒。若所需的Ψ在0° 90°之间，则组装底座Α、量力端下侧壁D、量力端上侧壁Ε、 前侧壁F和后侧壁G，并使组装后的直剪试验盒在外箱1中的倾斜角度为Ψ，如图6(a)所不。若ψ在90° 180°之间，则组装底座Α、施力端下侧壁B、施力端上侧壁C、前侧壁F和后侧壁G，并使组装后的直剪试验盒的倾斜角度为180° -Ψ，如图6(b)所示。ψ在0° 90°之间以及90° 180°之间，仅是第一步直剪试验盒的组装不同， 接下来的步骤相同，因此下面的试验过程将以Ψ在0° 90°之间为例说明。第二步如图6(c)所示，将试样制备外箱1逆时针旋转Ψ角度，使直剪试验盒的底座A的底面水平。将直剪试验盒顶面超出前侧壁F和后侧壁G的颗粒材料刮掉，安装临时盖板2，利用螺栓将临时盖板2与前侧壁F和后侧壁G相连。连接临时盖板2后，临时盖板2的外缘与量力端上侧壁E外缘齐平。第三步如图6(d)所示，将第二步的外箱1重新恢复到第一步的状态，然后顺时针旋转90° - Ψ，使直剪试验盒的底座A竖直、量力端下侧壁D、量力端上侧壁E水平。第四步如图6(e)所示，将直剪试验盒从外箱1中取出，将高出开口侧壁的颗粒材料刮平，并用螺栓将施力端下侧壁B、施力端上侧壁C组装。第五步如图6(f)所示，将直剪试验盒重新放回原位，使剪切盒的底座A水平、临时盖板2在顶面。第六步如图6(g)所示，将临时盖板2拆除，安装加载顶帽H。第七步将第六步制样完成的直剪盒放入常规直剪仪中，即可按常规直剪试验的操作进行直剪试验。此时直剪试验所得到的强度即为剪切面与沉积面为Ψ角度时相应的抗剪强度。所述的常规直剪仪选用为EDJ-I型电动等应变直剪仪型号。
权利要求
1.测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置，其特征在于所述的试验装置为直剪试验盒，该直剪试验盒主要由底座(A)、施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)组成，底座A具有底座前侧壁和底座后侧壁，施力端下侧壁(B)和量力端下侧壁(D)通过螺栓连接在底座(A)的底座前侧壁和底座后侧壁的左右两侧，并且连接后与底座前侧壁和底座后侧壁高度相同，这样，底座(A)、施力端下侧壁(B)和量力端下侧壁(D)连接后组成下盒；所述的底座前侧壁和底座后侧壁的上端面分别螺栓连接前侧壁(F)和后侧壁(G)，同时，所述的前侧壁(F)和后侧壁(G)的两侧端面分别通过螺栓与施力端上侧壁(C)和量力端上侧壁(E)的内表面连接，这样，所述的施力端上侧壁(C)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)就组成了直剪试验盒的上盒，所述的下盒与上盒组装后成为直剪试验盒。
2.根据权利要求1所述的测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置，其特征在于 所述的施力端上侧壁(C)、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G) 均为长方体条状结构，底座(A)为带有底座前侧壁和底座后侧壁的U型底板结构，施力端下侧壁(B)为L型长条状结构。
3.根据权利要求1所述的测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置，其特征在于 所述的直剪试验盒组装后，量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)和底座(A)的外侧截面是对齐的，施力端下侧壁(B)上表面的宽度大于施力端上侧壁(C)的宽度，如图2所示，施力端上侧壁(C)和量力端上侧壁E的上表面高度大于前侧壁(F)和后侧壁(G)的上表面高度。
4.根据权利要求1所述的测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置，其特征在于 试验时，量力端上侧壁(E)的外侧通过两个螺栓连接有量力构件(I)，施力端下侧壁⑶外侧与施力构件(J)通过螺栓相连。
5.测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验方法，其特征在于，包括如下步骤第一步根据所需的剪切面与沉积面的夹角Ψ，组装直剪试验盒，将组装好的直剪试验盒倾斜放入外箱的两块横隔板(K)之间，并用长螺丝(L)固定；然后将颗粒材料撒入直剪试验盒内，直至直剪试验盒被颗粒材料覆盖；第二步将外箱逆时针旋转Ψ角度，使直剪试验盒的底座(A)的底面水平；将直剪试验盒顶面超出前侧壁(F)和后侧壁(G)的颗粒材料刮掉，安装临时盖板，利用螺栓将临时盖板与前侧壁(F)和后侧壁(G)相连；第三步将第二步的外箱重新恢复到第一步的状态，然后顺时针旋转90° -Ψ，使直剪试验盒的底座(A)竖直、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)水平；第四步将直剪试验盒从外箱中取出，将高出开口侧壁的颗粒材料刮平，并用螺栓将施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)组装；第五步将直剪试验盒重新放回原位，使剪切盒的底面座(A)水平、临时盖板在顶面；第六步将临时盖板拆除，安装加载顶帽(H)；第七步将第六步制样完成的直剪盒放入常规直剪仪中，按常规直剪试验的操作进行直剪试验。
6.根据权利要求5所述的测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验方法，其特征在于， 第一步中直剪盒的组装是指若ψ = 0° /180°，即进行常规直剪试验，则按照权利要求1所述组装直剪盒；若所需的Ψ在0° 90°之间，则组装底座(A)、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E) 和前侧壁(F)和后侧壁(G)，并使组装后的直剪试验盒在外箱中的倾斜角度为Ψ ；若Ψ在90° 180°之间，则组装底座(A)、施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)和前、后侧壁(F)和(G)，并使组装后的直剪试验盒的倾斜角度为180° -Ψ。
全文摘要
本发明公开了一种测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置及试验方法，属于土木工程技术领域。所述的试验装置为直剪试验盒，试验时可使剪切面与沉积面的夹角ψ在0°～180°之间任意变化，进行抗剪强度测量试验。与常规直剪试验盒相比，本发明的直剪试验盒的各组成部件均是独立可拆卸的，通过螺栓彼此连接，因此在制样过程中，可根据不同的需求进行组装，使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。剪切试验过程与常规直剪试验过程相同，因此操作简单，几乎可以在所有的土工试验室进行。
文档编号G01N3/24GK102435509SQ201110394600
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者周少鹏, 石光, 童朝霞 申请人:北京航空航天大学