专利名称：岩土体抗剪强度的现场测试方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程力学中现场测定岩土体抗剪强度的一种试验方法，特别涉及一种岩土体抗剪强度的现场测试方法及其装置。
背景技术：
岩土体的抗剪强度是岩土工程力学中最重要的力学参数之一，是天然土石混合体、人工填筑的河堤、土石坝以及路基等土石方工程稳定性分析的重要依据。目前，广泛应用的岩土体的抗剪强度的现场测定方法主要有直接剪切试验和三轴剪切试验，本发明所涉及的岩土体现场水平推剪试验属直接剪切试验，现有岩土体现场水平推剪试验方法，如中国建筑工业出版社1994年版的《岩土工程手册》一书中所述，该试验方法在试坑预定深度处将试体加工成三面垂直临空的半岛状，如
图1、图2所示，该试验方法所用的主要设备有装有压力表或测力计并经标定的卧式千斤顶，该千斤顶在试坑内以后枕木为依托通过前枕木对试体施加压力，所述千斤顶和前枕木、后枕木之间还设置有钢板，钢板的厚度以加力后不变形为限；试体的尺寸的要求为高度大于最大粒径的5倍，高度和宽度之比为1/3～1/4，长度为宽度的0.8～1.0倍，并在试体两侧各挖约20cm宽的空隙19，槽中放置塑料布，其上用挖出的土回填并稍加夯实；然后，将千斤顶的着力点对准矩形试体面的1/3高度及1/2宽度处，以每15～20分钟内水平位移约4mm的缓慢速度施加水平推力，当压力表读数开始下降时试体被剪坏，此时的压力值即为最大推力Pmax；最后，测定最小推力值Pmin，即土的摩擦力，其测定方法有三(1)千斤顶加压到Pmax值后即停止加压，压力表读数后退所保持的稳定值即为最小推力值Pmin；(2)以试体刚开始出现裂缝时的压力表读数为最小推力值Pmin；(3)当千斤顶加压到Pmax后，松开油阀，然后关上油阀重新加压，以其峰值作为最小推力值Pmin。根据下列公式即可计算出所测岩土体的抗剪强度的相关参数
式中Pmax为最大推力(KN)，Pmin为最小推力(KN)，gi为第i条块土重(KN)，G为滑体的总重(KN)，αi为第i条块滑面与水平面夹角(°)，1i为第i条块滑弧长度(m)。由此确定出滑弧位置，量测滑弧上各点的距离和高度，绘制滑弧剖面图，当滑弧位置难以确定时，可将剪坏后的试体反复加压、减压，以使剪坏与未剪坏的土体界线明显。
从现有的岩土体现场水平推剪试验方法很容易看出其不足之处，就是试验中试体两侧的槽中放置的是塑料布包裹的稍加夯实后回填的土，这就使得加在试体两侧侧面上的力具有很大的随意性，从而导致试验结果不稳定，试验数据有较大的分散性；同时，由于试体两侧回填土的存在，还使得试体两侧不但受到正应力，而且还受到剪应力，导致试体的受力具有三维效应，这样，在试验过程中试体两侧回填土的挤压变形使得作用在试体两侧面上的力发生变化，增加了对试体的受力分析和试验结果处理的复杂性。通常在试验结果分析中，一般不考虑试体两侧的受力情况进而把问题简化为平面问题，因此，现有的试验方法得到的试验结果以及分析处理结果很难反映实际，并有较大的分散性，在实际应用上存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的岩土体现场水平推剪试验方法中试体两侧面上所受的正应力无法确定的不足，试体两侧面受有回填土体的摩擦阻力而导致试验结果分析时只能近似地按平面问题处理的缺陷，以及该试验方法在使用范围上的局限性，从而提供一种岩土体抗剪强度的现场测试方法及其装置。
本发明的目的是这样实现的为实现上述目的，如图3所示，本发明一种岩土体抗剪强度的现场测试方法包括以下步骤(1)在试坑预定深度处将试体加工成三面垂直临空的半岛状，所述试体的高度为最大粒径的5～6倍，且试体的高度和宽度之比为1/3～1/4，试体的长度为宽度的0.8～1.0倍；
(2)在试体两侧各挖一与试体深度相同、宽度为20～30cm的空隙，其中分别填充一个密封的金属箱体，该金属箱体接触试体的一面为乳胶膜，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体的内部空间充装液体或/和气体，并通过一连通软管连通；所述金属箱体与低压软管的一端连通，该低压软管的另一端与气压表、降压阀和高压气瓶相连；(3)利用气瓶通过低压软管和气压表对金属箱体的内部空间加压，当施加在试体两侧的压力达到试验要求值时，关闭气瓶；(4)在试坑内设置一装有压力表并经标定的千斤顶，该千斤顶以后枕木为依托通过前枕木对试体施加压力，所述千斤顶的着力点对准矩形试体顶端的1/3高度及1/2宽度处，以每15～20分钟内水平位移4mm的速度施加水平推力推动试体移动；同时，调节降压阀以保证金属箱体对试体的压力不变；(5)记录压力表读数开始下降时的压力值，即试体被剪坏时的最大推力Pmax；同时，在千斤顶加压到Pmax值后即停止加压，测定压力表后退所保持的稳定值的读数即最小推力值Pmin；最后，根据最大推力Pmax和最小推力Pmin通过计算公式确定出所测的岩土体抗剪强度的相关参数。
所述步骤(5)测定出最大推力值Pmax的方法为以试体刚开始出现裂缝时的压力表读数为最大推力值Pmax。
所述步骤(5)测定出最小推力值Pmin的方法为当千斤顶加压到Pmax后，松开油阀，然后关上油阀重新加压，以其峰值作为最小推力值Pmin。
本发明的一种岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，包括一放置在试体的顶端的前枕木和一固定在试坑内侧壁上的后枕木，前枕木和后枕木之间放置一安装有压力表的千斤顶，其特征在于，试体两侧的空隙中分别填充一个密封的金属箱体，该金属箱体接触试体的一面为乳胶膜，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体的内部空间充装液体或/和气体，并通过一连通软管连通；所述金属箱体与低压软管的一端连通，该低压软管的另一端与气压表、降压阀和高压气瓶相连。
所述的金属箱体由五个侧面均为金属板的金属框架中放置一密封有液体或气体的乳胶膜制成的加载胶囊组成。
所述的金属箱体由内金属框架和外金属框架组成，内外金属框架之间的上下侧各放置两排钢珠。
所述千斤顶为卧式千斤顶。
所述千斤顶和前枕木、后枕木之间还设置有钢板。
所述的乳胶膜的外壁与试体的侧壁之间涂抹一层黄油。
本发明所述的岩土体抗剪强度的现场测试装置，利用高压气瓶通过乳胶膜对试体的侧面施加压力，压力值的大小是通过与其相连的压力表显示的，由于试验过程中试体两侧的膨胀变形会导致金属箱体内的压力增加，因此需要用减压阀对其进行调节，以使试体上的侧压保持恒定；另外低压软管还把试体两侧的金属箱体连接起来，以使它们相互连通，保证两侧压力相等。所述的内外金属框架之间在试验过程中根据试体两侧发生的变形可以作相对运动，从而保证对试体两侧可以施加恒定的压力。所述的乳胶膜的外壁涂抹一层黄油，进一步保证乳胶膜的外壁与试体侧壁之间只有正应力，没有剪应力，使三维问题真正变为平面问题。
本发明的优点在于本发明一种岩土体抗剪强度的现场测试方法及其装置，采用了两个加载胶囊对试体两侧施加压力，并通过压力表和降压阀控制其压力的大小，从而保证了所施加的侧向压力的大小是可控制的，同时，由于加载胶囊的柔性加载，还保证了在试验过程中施加在侧壁上的每一点的压力都是相等的，并且，由于加载胶囊的可变形特性，使得加载胶囊可以和试体的侧壁一起变形，在加载胶囊和试体之间的摩擦力极大地减小，这样在试验过程中由于试体受力变形而引起的乳胶套与试体间的摩擦可以忽略不计，从而可以真正简化为平面问题。因此，本发明方法及其装置，可以实现控制施加到试体侧壁上的力的大小，保证试体两侧面所受的正应力在每一点上大小相等，且消除了试体两侧面上所受的剪应力，简化了试验结果的分析，克服了现有的岩土体现场水平推剪试验方法中存在的缺点，使得试验结果更加真实、稳定。
本发明的目的、特征及优点将通过优选的实施例结合附图加以说明。
图面说明图1、现有原位水平推剪法试验主视2、现有原位水平推剪试验的俯视3、本发明岩土体抗剪强度的现场测试装置的一实施例的俯视4、本发明岩土体抗剪强度的现场测试装置的另一实施例的俯视图附图标示前枕木1 后枕木2 钢板3千斤顶4 压力表5 试体6金属框7 乳胶膜8 破坏滑面9气压表10气瓶11降压阀12低压软管13 连通软管14外金属框架15内金属框架16加载胶囊17试坑18空隙19具体实施方式
参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。
实施例1制作一岩土体抗剪强度的现场测试装置，如图3所示，前枕木1放置在试体6的顶端，后枕木2固定在试坑18内侧壁上，千斤顶4位于前枕木1和后枕木2之间；千斤顶和前枕木1、后枕木2之间还设置有钢板3；试体6两侧的空隙19中还分别填充一个密封的金属箱体7，该金属箱体7接触试体6的一面为乳胶膜8，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体7的内部空间充装液体，并通过一连通软管14连通；所述金属箱体7与低压软管13的一端连通，该低压软管13的另一端与气压表10、降压阀12和高压气瓶11相连。本例中，千斤顶4为带有压力表5的卧式千斤顶，枕木尺寸为8cm×32cm，厚约5cm，千斤顶4的底座处的尺寸可稍大一些，钢板尺寸与枕木相同；所述的乳胶膜8的外壁与试体6侧壁之间涂抹一层黄油，涂抹一层黄油，进一步保证乳胶膜8的外壁与试体6侧壁之间只有正应力，没有剪应力，使三维问题真正变为平面问题。
实施例2制作另一岩土体抗剪强度的现场测试装置，如图3、图4所示，后枕木2固定在试坑18内侧壁上，前枕木1放置在试体6的顶端，千斤顶4位于前枕木1和后枕木2之间，试体6两侧的空隙19中还分别填充一个金属箱体7，本例中的金属箱体7由五个侧面均为金属板的金属框架中放置一密封有液体或气体的乳胶膜制成的加载胶囊17组成，加载胶囊17与试体6直接接触，所述两个加载胶囊17的内部空间充装气体，并通过一连通软管14连通；所述加载胶囊17与低压软管13的一端连通，该低压软管13的另一端与气压表10、降压阀12和高压气瓶11相连，其它同实施例1；所述的加载胶囊17的外壁与试体6侧壁之间涂抹一层黄油。
实施例3制作另一岩土体抗剪强度的现场测试装置，如图4所示，本例中，填充在试体6两侧的空隙19中的金属箱体7由一金属框架中放置一密封有液体的乳胶膜制成的加载胶囊17组成，加载胶囊17与试体6直接接触，所述的金属框架由内金属框架16和外金属框架15组成，内外金属框架之间的上下侧各放置两排钢珠，金属内框16可以和加载胶囊17一起自由移动。其它同实施例2。
实施例4利用上述实施例3制作的岩土体抗剪强度的现场测试装置进行现场测试，具体步骤如下(1)在试坑18预定深度处将试体6加工成三面垂直临空的半岛状，所述试体6的高度为最大粒径的5倍～6倍，且试体6的高度和宽度之比为1/3～1/4，试体6的长度为宽度的0.8～1.0倍；(2)在试体6两侧各挖一与试体6深度相同、宽度为20～30cm的空隙19，空隙19中分别填充一个金属箱体7；(3)调节阀门通过加载胶囊17对试体6两侧施加压力，先用气瓶11通过低压软管13和气压表10对加载胶囊17加压，由于加载胶囊17通过金属内框16上的大窗口与试体6两侧表面直接接触，这样，施加到加载胶囊17内的压力就等于作用在试体6两侧的压力，其值大小由气压表10来显示，所施加压力的大小由试验要求而定。当施加在试体6两侧的压力达到试验要求值时，关闭气瓶11。
(4)在试坑18内设置一装有压力表5并经标定的千斤顶4，该千斤顶4以后枕木2为依托通过前枕木1对试体6施加压力，将千斤顶4的着力点对准矩形试体6顶端面的1/3高度及1/2宽度处，以每15～20分钟内水平位移4mm的速度施加水平推力推动试体6移动；在试验的过程中，由于千斤顶4推动试体6向前运动，试体6的两侧面就会向外膨胀，这样就会推动加载胶囊17和金属内框16向外移动，从而使得加载胶囊17缩小，压力增大，这时就需要通过降压阀12降压，以保持作用在试体6两侧的压力维持不变。
(5)记录压力表5读数开始下降时的压力值，即试体被剪坏时的最大推力Pmax，当推力达到最大推力Pmax时，破坏滑面9即形成；同时，在千斤顶加压到Pmax值后即停止加压，测定压力表5后退所保持的稳定值的读数即最小推力值Pmin；最后，根据最大推力Pmax和最小推力Pmin通过计算公式确定出所测的岩土体抗剪强度的相关参数。
比较本发明和现有试验方法可以看出，改进后的原位水平推剪试验方法与现有的原位水平推剪试验方法相比，最本质的区别就是试体两侧面上侧向压力施加方式的不同。在现有的试验方法中，侧向力的施加是通过在试体两侧的槽中放置塑料布，其上用挖出的土回填并稍加夯实来实现的。这样做的结果就使得施加在试体两侧侧面上的力是不确定的，从而导致试验结果不稳定，有较大的分散性。另外，由于试体两侧回填土的存在，使得试体两侧不但受到正应力，而且还受到剪应力，从而使试体的受力具有三维效应，而且由于在试验过程中试体两侧回填土受到挤压变形，使得作用在试体两侧面上的力是变化的，这就造成了对试体的受力分析和处理试验结果更加复杂。
而在本发明的改进后的试验方法中，由于侧向力的加载采用了柔性边界加载，不仅金属内框可以和加载胶囊一起自由移动，而且还有侧向力测量系统，这就保证了所施加的侧向压力的大小是可控制的，可以维持在整个试验过程中始终保持试体两侧所施加的侧向力不变；并且由于加载胶囊的柔性加载，还保证了在试验过程中施加在侧壁上的每一点的压力都是相等的；另外，由于加载胶囊可变形的特性，使得加载胶囊可以和试体的侧壁一起变形，从而不产生摩擦力，保证了加载胶囊的外壁与试体侧壁之间只有正应力，没有剪应力，简化了试验结果的分析，使得试验结果更加稳定。
权利要求
1.一种岩土体抗剪强度的现场测试方法，该方法包括以下步骤(1)在试坑(18)预定深度处将试体(6)加工成三面垂直临空的半岛状，所述试体(6)的高度为试体(6)的粒径的5～6倍，且试体(6)的高度和宽度之比为1/3～1/4，试体(6)的长度为宽度的0.8～1.0倍；(2)在试体(6)两侧各挖一与试体(6)深度相同、宽度为20～30cm的空隙(19)中分别填充一个密封的金属箱体(7)，该金属箱体(7)接触试体(6)的一面为乳胶膜(8)，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体(7)的内部空间充装液体或/和气体，并通过一连通软管(14)连通；所述金属箱体(7)与低压软管(13)的一端连通，该低压软管(13)的另一端与气压表(10)、降压阀(12)和高压气瓶(11)相连；(3)利用气瓶(11)通过低压软管(13)和气压表(10)对金属箱体(7)的内部空间加压，当施加在试体(6)两侧的压力达到试验要求值时，关闭气瓶(11)；(4)在试坑(18)内设置一装有压力表并经标定的千斤顶(4)，该千斤顶(4)以后枕木(2)为依托通过前枕木(1)对试体(6)施加压力，所述千斤顶(4)的着力点对准矩形试体(6)顶端的1/3高度及1/2宽度处，以每15～20分钟内水平位移4mm的速度施加水平推力推动试体(6)移动；同时，调节降压阀(12)保证金属箱体(7)对试体(6)的压力不变；(5)记录压力表(5)读数开始下降时的压力值，即试体(6)被剪坏时的最大推力Pmax；同时，在千斤顶(4)加压到Pmax值后即停止加压，测定压力表后退所保持的稳定值的读数即最小推力值Pmin；最后，根据最大推力Pmax和最小推力Pmin通过计算公式确定出所测的岩土体抗剪强度的相关参数。
2.按权利要求1所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法，其特征在于，所述步骤(5)测定出最大推力值Pmax的方法为以试体(6)刚开始出现裂缝时的压力表读数为最大推力值Pmax。
3.按权利要求1所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法，其特征在于，所述步骤(5)测定出最小推力值Pmin的方法为当千斤顶(4)加压到Pmax后，松开油阀，然后关上油阀重新加压，以其峰值作为最小推力值Pmin。
4.一种按权利要求1所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，包括一放置在试体(6)的顶端的前枕木(1)和一固定在试坑(18)内侧壁上的后枕木(2)，前枕木(1)和后枕木(2)之间放置一安装有压力表的千斤顶(4)，其特征在于，试体(6)两侧的空隙(19)中分别填充一个密封的金属箱体(7)，该金属箱体(7)接触试体(6)的一面为乳胶膜(8)，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体(7)的内部空间充装液体或/和气体，并通过一连通软管(14)连通；所述金属箱体(7)与低压软管(13)的一端连通，该低压软管(13)的另一端与气压表(10)、降压阀(12)和高压气瓶(11)相连。
5.按权利要求4所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，其特征在于，所述的金属箱体(7)由五个侧面均为金属板的金属框架中放置一密封有液体或气体的乳胶膜制成的加载胶囊(17)组成。
6.按权利要求4或5所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，其特征在于，所述的金属箱体(7)由内金属框架(16)和外金属框架(15)组成，内外金属框架之间的上下侧各放置两排钢珠。
7.按权利要求4所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，其特征在于，所述千斤顶(4)为卧式千斤顶。
8.按权利要求4所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，其特征在于，所述千斤顶(4)和前枕木(1)、后枕木(2)之间还设置有钢板(3)。
9.按权利要求4所述的岩土体抗剪强度的现场测试方法的专用装置，其特征在于，所述的乳胶膜(8)的外壁与试体(6)的侧壁之间涂抹一层黄油。
全文摘要
本发明涉及一种岩土体抗剪强度的现场测试方法及其装置，该装置包括一放置在试体顶端的前枕木和一固定在试坑内侧壁上的后枕木，前、后枕木之间放置一安装有压力表的千斤顶，试体两侧的空隙中分别填充一个密封的金属箱体，该金属箱体接触试体的一面为乳胶膜，其它五个侧面均为金属板；所述两个金属箱体的内部空间充装液体或/和气体，并通过一连通软管连通；所述金属箱体与低压软管的一端连通，该低压软管的另一端与气压表、降压阀和高压气瓶相连；本发明保证了所施加的侧向压力的可控性，使得每次的试验结果之间具有更好的可比性，将三维问题转化为真正的平面问题，从而简化试验结果的分析。
文档编号G01N3/08GK1609586SQ200310102210
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年10月24日
发明者李世海, 孟祥跃, 张均锋 申请人:中国科学院力学研究所