专利名称：三轴环压中心直剪仪的制作方法
技术领域：
土力学试验技术领域背景技术 现有的土力学室内剪切试验主要有两种一种是直剪试验；另外一种是三轴压缩试验。直剪试验是先对短圆柱体土样圆面施加法向压力，然后向剪切盒施加水平推力，使试样沿预定的剪切面破坏。通过多组直剪试验获得不同法向应力σn下的试样剪切强度τ，作τ-σn关系曲线图或拟和τ-σn关系式，从而获得试样抗剪强度参数C、φ值。直剪试验分快剪、固结快剪与慢剪三种，在试验完成后，可复位进行残余强度试验。但直剪试验有个缺点是试样大小固定，受剪面积小；不能在野外试验。
三轴压缩试验是先对圆柱状标准试样施加围压，然后施加轴向荷载，直至土样破坏。进行多组试验后，获得不同围压σ3与主应力σ1之间的对应关系，作出莫尔圆图或库仑曲线可获得抗剪强度参数C、φ值。三轴压缩试验有三种非(不)固结-不排水试验(UU试验)；固结-不排水试验(CU试验)；固结-排水试验(CD试验)。三轴压缩试验的缺点是三轴试验的剪破坏面在试验过程中可能不规则，难以计算剪破坏面上的正应力和剪应力；三轴压缩试验试样尺寸较小，受剪面积小；三轴试验不能在野外进行。
总之，上述两种土力学室内剪切试验的两种方法，直剪试验试样大小固定，受剪面积小；不能在野外试验；三轴试验的剪破坏面在试验过程中可能不规则，难以计算剪破坏面上的正应力和剪应力，试样尺寸较小，受剪面积小，不能在野外进行。两种方法均有缺点，不能满足土力学剪切试验的要求。
发明内容
本发明提供一种综合土力学直剪试验与三轴压缩试验优点，并能进行大试样试验，降低试验尺寸效应，室内外通用的三轴环压中心直剪仪。其特征是把三轴压缩试验的围压部分与直剪试验的剪切部分有机地结合起来，变三轴压缩为直剪，变园平面直剪为圆柱面直剪，从而用一种试验可获得两种试验的数据。使用专用取土器取短圆柱形土样，采用三轴围压式施加法向压力，沿预定的圆柱面形剪切面施加剪切力，预定的圆柱面形剪切面较同尺寸的直剪试验和三轴压缩试验有更大的剪切面积，降低了试验的尺寸效应，提高了试验的精度；同时可以做大试样试验，且室内外通用，方便携带。这种试验装置可进行非(不)固结-不排水试验(UU试验)，固结-不排水试验(CU试验)和固结-排水试验(CD试验)。
基本原理与技术根据土力学剪切试验原理，直剪试验试样大小固定，受剪面积小；不能在野外试验；三轴试验的剪破坏面在试验过程中可能不规则，难以计算剪破坏面上的正应力和剪应力，试样尺寸较小，受剪面积小，不能在野外进行。三轴环压中心直剪仪系统可以解决以上难题，综合两种试验的优点，可进行大试件试验，降低试验尺寸效应，获得抗剪强度参数，且室内外通用，便携。
三轴环压中心直剪仪系统由三轴环压剪切盒、仪器架、加压系统和测量系统四部分组成。
三轴环压剪切盒由上承压盘5、下承压盘4与环压室三部分构成。上下承压盘中间部分可上下活动，为保持上下承压盘的间距不变，由下横杆、纵向连杆与上横梁组成的框架与上下活动承压盘连接。在施围压时，它们抵抗土试件压缩产生的侧向压使其不变形，当受千斤顶推剪时，上下活动承压盘可同步发生位移。
上承压盘由上活动承压盘5、透水石14、环压室盖盘3和上盖盘6构成。5的中心有一轴，螺母28将其与横梁24固定在一起。3通过立柱插孔13将上承压盘固定在立柱26上。横梁24的中孔穿进在活动承压盘5的中轴上，24由两根纵向连杆23与横连杆22相连并用螺母28固定成框架。环压室2由橡皮模制作，放置于土样1的筒状乳胶薄膜15外围与环压室外环壁12间的环形空间中，该环形空间上下由下承压盘外盘7与上承压盘环压室盖盘3覆盖，12嵌于3与7之间的矩形沟状环状小槽18中。橡皮膜环压室2从环压室外环壁12的两个小孔中接出两根小管加压气泵管10和围压压力表管11。
仪器支架由十字形底座25、两根立柱26、及仪器架横梁27构成。25中间有一圆形浅槽，可放置千斤顶29，十字底座一支为主受力座，两端有固定立柱的孔，为实心厚板，另一支用于保持仪器架稳定，为直角槽形钢。立柱26在下部有环状平台用以保持立柱与底座垂直、互相平行和稳定，同时在底座25下部用螺帽固定。由立柱上面放进下承压盘至中部横梁27上，其上再用螺母28固定。上承压盘则由环压室盖盘3插入立柱26用螺母28固定，从而固定整个三轴环压剪切盒。
加压系统由气泵和千斤顶29构成；测量系统由千分表、压力表等组成。
当环形围压室进行加压时，土试件变形会对上下活动承压盘产生侧向压力，由于上下活动承压盘被框架固定、不会发生运动或位移。但当千斤顶29顶住下部活动承压盘向上运动时、上下活动承压盘与框架一起向上移动，当位移达到一定时，土试件将沿预剪柱面19被剪断。
土样变形量由千分表读出，孔隙水压由压力表读出，剪切应力可由千斤顶压力算出，法向应力可由围压算出，即可得出抗剪强度参数C、值；根据三轴压缩试验σ1、σ3与C、的关系，得出σ1、σ3，同时也可利用上述参数求得单轴抗压强度σc与抗拉强度σt。
图1三轴环压中心直剪仪剪切盒剖面2三轴环压中心直剪仪立体展开图1土试件；2环压室气囊；3环压室上盖盘；4下活动承压盘；5上活动承压盘；6上盖盘；7下承压外盘；8下孔隙水压力管；9上孔隙水压力管；10加压气泵管；11围压压力表管；12环压室外环壁；13立柱插孔；14透水石；15筒状乳胶薄膜；16半园截面圈槽；17密封环槽；18矩形沟状环形槽；19预剪柱面；20环形槽；21螺孔；22横连杆；23纵向连杆；24上横梁；25十字形底座；26立柱；27仪器架立柱圆环台；28螺母；29千斤顶具体实施方式
1.在环压剪切盒下托盘7的中间放入下活动承压盘4，承压盘4带有密封圈和一个进排水管。4上放置透水石14，土样1置于透水石上。
2.在土样外套上隔水的筒状乳胶薄膜15，用橡筋圈将筒状乳胶薄膜15套在半园截面圈槽16处。在土样1上放置上盖盘6与上活动盘5(5上固定有透水石14及孔隙水压力表管)，并把筒状乳胶膜15套在其上，再套上橡筋圈。
3.在下托盘7的矩形沟状环形槽18中嵌入环压室外环壁12，并在土样与外环壁之间放入气囊环压室2，气囊环压室2的加压气泵管10与测围压压力表管11穿过外环壁12。把环压室上盖盘3从立柱与上承压盘中轴穿入盖上，同时用螺母28紧固上盖盘3于立柱上。
4.装上活动承压盘和下活动承压盘的固定框架。首先在下活动盘4的两边螺孔21中旋入框架横连杆22，在22两端孔中由下至上插入纵连杆23，并放上横梁24，并把上承压盘中轴插入横梁中孔、旋上螺母28至压紧为止。把气泵与环压室加压气泵管10相连，把气压表与环压室压力表管11相连，并把千斤顶压29顶住下活动承压盘4。
5.根据所做试验(UU、CU、或CD)要求，对环压室2充气，达到试验所需围压。上、下活动承压盘装上千分表，用千斤顶29对下承压盘4逐渐施压，上下活动承压盘与距离固定框架一起发生位移，同时读出千斤顶压力、土样变形量、孔隙水压与围压的变化，直至土样沿预订的圆柱面20剪断为止。
6.随后把土样、上下活动承压盘与框架一起恢复原位，进行残余强度试验，步骤同5-6。
权利要求
1.三轴环压中心直剪仪由如下部分构成环压剪切盒部分、仪器架部分、加压部分(油泵、气泵和千斤顶)和测量部分(气泵与测压计、油压表和千分表)。环压剪切盒部分由下承压盘部分7、上盖盘部分6，环压室部分2构成，下承压盘7与上盖盘6中心部分是上下活动承压盘(4和5)和一个距离固定框架连接起来；仪器架部分由十字形底座25、两根立柱26及固定螺母28组成。其特征是把三轴压缩试验的围压部分与直剪试验的剪切部分有机地结合起来，但变三轴压缩为直剪，变园平面直剪为圆柱面直剪，从而用一种试验可获得两种试验的数据。
2.根据权利要求1所述，圆柱形土试件1被放置于环压剪切盒下承压盘7上，下承压盘用螺母固定在仪器架立柱圆环台27上，下承压盘由外盘7、下活动承压盘4及其上透水石构成。4可在7的内筒中上下移动，4上有密封环槽，放置密封圈防止气液从4与7的间隙中流出；4放置透水石14一面有圆圈状与放射状小网沟、并与管8相通，可使土样受压时排除的气液通过透水石14与网沟从8排出；外盘7上还有一半园截面圈槽16与一矩形沟状环形槽18，前者用橡筋圈密封土样的筒状乳胶膜15，后者用于嵌入环压室外环壁。上盖盘部分由上活动承压盘5与透水石14、上盖盘6和环压室盖盘3构成。5与14间同样有网沟，接孔隙水压力表管9以及防渗密封环槽17，在其中心有一轴，可穿过框架横梁中孔用螺母28固定，5可在6的内筒上下移动；6上半园截面圈槽16，可密封乳胶膜15，3上也有一矩形沟状环形槽，用于固定外环壁，其外对称分布的两个立柱孔，可用螺母28把上盖盘固定于立柱上。环压剪切盒其特征是下承压盘和上盖盘的中心部分为上下活动承压盘，它由距离固定框架连接固定起来，框架由由两根横杆22与下活动承压盘4连接，两根纵向连杆把两根横杆与框架横梁连接，横梁中孔同时穿于上活动盘中轴上，用三个螺母固定使其压在上活动承压盘上。上活动承压盘中轴螺纹以及纵向连杆上部螺纹部分较长，可使框架高度变化，以便适应不同高度土样和外环壁。当千斤顶29顶住下活动承压盘向上位移时、框架与上下活动承压盘可一起同步移动。
3.根据权利要求1所述，仪器架的特征是底座为十字形，中心部分有一放置千斤顶的圆形槽，底座上有两个立柱孔，立柱中部与下部有轮状园环台，中部园环台27放置下承压盘7，下部园环台与底座25接触，用以保持两立柱竖直与平行，立柱下部用螺母与底座紧固。立柱中部平台与上部均有螺纹，用于以螺母固定环压剪切盒的上、下承压盘。上部螺纹杆较长，以适应不同高度土样的试验。
全文摘要
所属技术领域土力学试验技术领域，本发明提供一种综合土力学直剪试验与三轴压缩试验优点，并能进行大试样试验，降低试验尺寸效应，室内外通用的三轴环压中心直剪仪。其特征是把三轴压缩试验的围压部分与直剪试验的剪切部分有机地结合起来，变三轴压缩为直剪，变园平面直剪为圆柱面直剪，从而用一种试验可获得两种试验的数据。使用专用取土器取短圆柱形土样，采用三轴围压式施加法向压力，沿预定的圆柱面形剪切面施加剪切力，预定的圆柱面形剪切面较同尺寸的直剪试验和三轴压缩试验有更大的剪切面积，降低了试验的尺寸效应，提高了试验的精度；同时可以做大试样试验，且室内外通用，方便携带。
文档编号G01N3/24GK1601255SQ20041008368
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月18日 优先权日2004年10月18日
发明者李晓, 张年学, 李守定, 赫建明 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所, 李晓, 张年学, 李守定, 赫建明