专利名称：细观结构直接剪切仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种土体受到法向力和剪切力作用时对土体的细观 结构进行观测的试验仪器，尤其是对砂土细观结构进行观测的细观结构直接剪 切仪。
技术背景
目前国内外采用的直接剪切仪是测定土的抗剪强度的一种常规方法，直接 剪切仪的剪切试验，通常采用4个土样为一组，每个土样分别在不同的垂直压
力CT下，施加水平剪应力进行剪切，目的是为了求得剪切破坏时的剪应力T，
然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角cp和内聚力c 。直剪试验 分为快剪(Q)、固结快剪(CQ)和慢剪(S)三种试验方法。直接剪切仪的试 验对试验土样是封闭的，在试验过程中仅能测量到土样的受力和变形，不能观 测到土样内部的土体细观结构的变化，从而为研究土体受到剪切作用时的细观 结构的力学特性不能够达到较好的效果
实用新型内容
本实用新型目的在于，填补现有土工实验仪器的直接剪切仪不能观测土体 细观结构的空白，基于直接剪切试验、土体受到法向力和剪切力作用时对土体 的细观结构进行观测的试验仪器，而提供一种能够直观的观测土体内部的细观 结构变化，研究土体受到剪切作用时，土体细观结构力学特性的有效地试验仪 器即细观结构直接剪切仪。
为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用了以下的技术方案是细观 结构直接剪切仪，包括剪切盒、测力器和底座；所述剪切盒设有固定上盒和活
动下盒，本实用新型是建立在室内土工试验的直接剪切实验基础上，依托直剪试验的工作原理，采用了半圆状的剪切盒的活动下盒、固定上盒和透水石；受
剪切土样为半圆状圆柱体，安装入剪切盒内；剪切盒的半圆体的弧形侧面由环 形、刚性的金属制作，对土样起水平约束作用；剪切盒的半圆体的直边侧面由 平板状透明物体制作，对土样起水平约束作用。
其中，所述剪切盒直边侧面的平板状透明物体构成细观结构观测面，可以 通过平板状透明物体观测到土体的剖面图象；平板状透明物体具有足够的刚 度，确保剪切过程的平板状透明物体不会弯曲变形，影响对土样的侧限。细观 结构观测直接剪切仪适合体视显微镜的安置与观测，而且适合体视显微镜观测 用灯光的照明。
所述直接剪切仪的观测面通过上述的平板状透明物体进行观察，平板状透 明物体具有足够的强度，确保剪切过程的平板状透明物体不会破裂，导致土样 的破坏；该观测面即平板状透明物体表面上涂薄层润滑剂，减小土样与平板状 透明物体的摩擦；观测面可以为高20mm，宽618mm。
根据上述所述的细观结构直接剪切仪，其中，上述平板状透明物体与剪切 盒的活动下盒牢固粘结，并且随剪切盒的活动下盒移动。
按顺序安装直接剪切仪进行直接剪切试验，活动下盒-下透水石-土样-固定 上盒-上透水石-加压板-百分表-量力环；对土样施加法向力，观测百分表读数， 通过半圆体直边侧面的平板状透明物，观测土体侧表面的细观结构变化；施加 水平剪切力，观测量力环读数，通过半圆体直边侧面由平板状透明物，观测土 体侧表面的细观结构变化；得出各级法向力和相应水平剪切力作用下的土体侧 表面的细观结构变化。
本实用新型的有益效果是实现了在施加法向力和剪切力的过程中，不仅能 够测试土样的受力和变形，而且能够直观的观测到土体内部的细观结构变化。 本实用新型具有试验简便、试验结果直观，可以进行土样的全剖面观测、也可 以进行土样的局部部位细观结构观测的特点。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。 图1为本实用新型的剪切盒的结构示意图。图2为图1的左视图。
图3为图1的俯视图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白 了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
参考图l、图2和图3，本实用新型基于直接剪切试验、土体受到法向力 和剪切力作用时对土体的细观结构进行观测的试验仪器，尤其是对砂土细观结 构的观测。本实用新型依托直剪试验的工作原理，其具体实施方式
为，本实用 新型的细观结构直接剪切仪，包括剪切盒l、测力器、百分表、量力环和底座; 所述剪切盒1下端通过销栓7安装有活动下盒11，在活动下盒11上面安装通 过螺丝9固定在剪切盒1上有固定上盒12，固定上盒12的安装有螺栓8，该 螺栓8起到预固定作用，装土样前固定上盒12，装好土样实施剪切时取出螺栓 8。所述剪切盒1的活动下盒11、固定上盒12和透水石都为半圆状，通过固定 上盒12和活动上盒12相适配构成剪切盒1，该透水石设有上盒透水石和下盒 透水石，所述上盒透水石安装在固定上盒12内，下盒透水石装入活动下盒11 内；在剪切盒l内安装受剪切土样，该受剪切土样为半圆状圆柱体，与剪切盒 l相适配；本实施例中，所述剪切盒1的半圆体设有通过环形、刚性的金属制 作的弧形侧面，对土样起水平约束作用；所述剪切盒l的半圆体的直边侧面由 平板状透明物体2制作，对土样起水平约束作用，同时，所述剪切盒直边侧面 的平板状透明物体构成细观结构观测面，可以通过平板状透明物体2观测到土 体的剖面图象；该平板状透明物体2与剪切盒1的活动下盒11牢固粘结，并 且随剪切盒1的活动下盒11移动。
在本实用新型中，直接剪切仪的细观结构观测面的高40mm，宽618mm， 并采用了足够刚度的平板状透明物体2制作(如钢化玻璃)，确保剪切过程的 平板状透明物体2不会弯曲变形和破裂，导致土样的破坏，影响对土样的侧限； 所述观测面的平板状透明物体2表面还上涂薄层润滑剂，用来减小土样与平板 状透明物体2的摩擦。该平板状透明物体2的作用是通过视觉和仪器观测土样 的侧面受法向力和剪切力作用时的土体细观结构。所述土体的细观结构观测是采用体视显微镜通过平板状透明物体观测土样在法向力和剪切力作用下的 土体细观结构；细观结构观测直接剪切仪适合体视显微镜的安置与观测，体视 显微镜的镜头前部直径64mm，长度25mm，后部扩展区45°斜边长30mm，直 径120mm;细观结构观测直接剪切仪适合体视显微镜观测用灯光的照明。 为了更为详细阐述本实用新型，本实用新型的具体设置和操作如下-
(1) 建立在室内土工试验的直接剪切实验基础上，依托直剪试验的工作原理。
(2) 剪切盒1的活动下盒ll、固定上盒12、透水石为半圆状。
(3) 受剪切土样为半圆状圆柱体，安装入剪切盒l内。
(4) 剪切盒1的半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作，对土样起水平 约束作用。
(5) 剪切盒1的半圆体的直边侧面由平板状透明物体2制作，对土样起水平 约束作用。
(6) 按顺序安装直接剪切仪进行直接剪切试验，活动下盒11-下透水石-土样 -固定上盒12-上透水石-加压板-百分表-量力环。
(7) 对土样施加法向力，观测百分表读数，通过半圆体直边侧面的平板状透 明物，观测土体侧表面的细观结构变化。
(8) 施加水平剪切力，观测量力环读数，通过半圆体直边侧面由平板状透明 物，观测土体侧表面的细观结构变化。
(9) 重复(6) -(8)，得出各级法向力和相应水平剪切力作用下的土体侧表面的 细观结构变化。
在上述本实用新型中，对所述土样的制作和安装要求是
(1) 半圆状圆柱形土样的制作，可以在相同尺寸的半圆状环刀内填筑成型， 或以相同尺寸的半圆状环刀去切割已经制备好的几何尺寸较大的土样形成半 圆状圆柱体土样，或直接在金属刚性环与平板状透明物体围合形成的半圆柱空 间内填筑土体成型，进行直接剪切试验。
(2) 半圆状圆柱形土样的中间高度水平面，位于上、下剪切盒的接缝处。
(3) 半圆状圆柱形土样的直径和各部分尺寸，与剪切盒的内部空间几何尺寸 相同。
6(4)半圆状圆柱形土样的上、下表面平整，与上、下透水石的下、上表面平 整接触。
通过对本实用新型的专门试验，对本实用新型进一步描述。 下面为试验过程与内容
1. 制备土样，使用半圆柱状环刀切取土样，土样半径为3.09cm， 土样高度 为20mm;试验用海滩砂土，细砂，土的重度14.6kN/m3，含水率5.9°/。，内摩 擦角383度。
2. 安置剪切盒1的活动下盒11，在活动下盒11的底部放置半圆的透水石；
3. 在活动下盒的透水石上面放置土样。
4. 安置固定上盒12，在固定上盒12内的土样上面放置半圆的透水石，放 置加压板。
5. 安置法向力的加载装置和百分表。
6. 安置剪切力的量力环和百分表。
7. 通过在砝码盘放置砝码，对土样施加法向力，并测试土样的垂直位移；
8. 施加法向力的同时，仪器观测土样的细观结构的变化，并拍摄数码照片；
9. 透过摇动转轮的手柄，经过伞形齿轮的传动，对土样施加水平向的剪切 力，量测剪切力和剪切位移，直至使土样剪切破坏。
10. 施加剪切力的同时，仪器观测土样的细观结构的变化，并拍摄数码照片；
11. 重复l-9步骤，通过施加不同的法向力，测试不同法向力作用下土样的 细观结构变化。
12. 对拍摄的数码照片进行记录和整理，将数码照片输入相应的分析软件进 行图像分析，得到土体细观结构参数。
13. 试验和观测结果达到设计要求后，取出土样进行拍照，撤除仪器设备。 完成细观结构直接剪切仪的直接剪切试验。
本实施例的技术参数如下 ，
1、 土样制备原状土样，使用半圆的环刀切取土样；重塑土样，按要求 确定土样的密实度和含水率，在半圆状环刀内制备土样，或直接在已经安装好 的剪切盒内按要求的密实度制备土样。
2、 施加法向力对土样施加的法向力的一般值为，50kPa， 100 kPa， 200 kPa，300kPa， 400kPa等；法向力的大小，可以根据要求自行确定。
3、 施加剪切力对承受一定的法向力的土样施加的剪切力，从0荷载开 始，逐渐增加，直至土样破坏。
4、 施加法向力的持续时间和施加剪切力的加荷速率根据直接剪切试验
分为快剪(Q)、固结快剪(CQ)和慢剪(S)三种试验方法。快剪试验是在对 土样施加法向力后，立即以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪应力使试样 剪切破坏。 一般从加荷到土样剪坏只用3 5分钟；固结快剪是在对土样施加 竖向压力后，让土样充分排水固结，待土样沉降稳定后，再0.8mm/min的剪切 速率快速施加水平剪应力使试样剪切破坏；慢剪试样是在对土样施加竖向压力 后，让土样充分排水固结，待沉降稳定后，以小于0.02mm/min的剪切速率施 加水平剪应力直至试样剪切破坏，使土样在受剪过程中一直充分排水和产生体 积变形，模拟了"固结排水剪切"过程。
5、 土样的细观结构观测在施加法向力和剪切力的过程中，通过直立的 平板透明钢化玻璃，使用体视显微镜直接观测并拍摄土样的细观结构变化；使 用数码相机直接观测并拍摄土样的变形图像。
本实用新型的目的是填补目前土工实验仪器的直接剪切仪不能观测土体 细观结构的空白，提供一^能够直观的观测土体内部的细观结构变化，研究土 体受到剪切作用时的土体细观结构的力学特性的有效地试验仪器。相对于直接 剪切仪，细观结构直接剪切仪不仅能够测试土样的受力和变形，而且能够直观 的观测到土体内部的细观结构变化。
本实用新型的有益效果是实现了在施加法向力和剪切力的过程中，可以直 观的观测土体内部的细观结构变化，并具有试验简便、试验结果直观，可以进 行土样的全剖面观测、也可以进行土样的局部部位细观结构观测的特点。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优 点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实 施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神 和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入 要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书 及其等效物界定。
权利要求1、细观结构直接剪切仪，包括剪切盒、透水石、量力环和底座，所述剪切盒设有固定上盒和活动下盒，其特征在于所述剪切盒的活动下盒、固定上盒、透水石为半圆状；所述剪切盒的半圆体设有环形、刚性金属的弧形侧面；所述剪切盒的半圆体的直边侧面为平板状透明物体。
2、 根据权利要求1所述的细观结构观测直接剪切仪，其特征在于，所述 剪切盒直边侧面的平板状透明物体构成细观结构观测面，该细观结构观测面通 过平板状透明物体进行观测，所述平板状透明物体表面上还涂有薄层润滑剂。
3、 根据权利要求1或2所述的细观结构观测直接剪切仪，其特征在于， 所述平板状透明物体与剪切盒的活动下盒牢固粘结，并且随剪切盒的活动下盒 移动。
专利摘要本实用新型涉及一种基于直接剪切试验、土体受到法向力和剪切力作用时对土体的细观结构进行观测的试验仪器，尤其是对砂土细观结构观测的细观结构直接剪切仪，它包括剪切盒、细观结构观测面、透水石和量力环，所述剪力盒采用了半圆状的剪切盒的活动下盒、固定上盒和透水石；剪切盒的半圆体的弧形侧面由环形、刚性的金属制作；剪切盒的半圆体的直边侧面由平板状透明物体制作，而且适合体视显微镜观测用灯光的照明。本实用新型的有益效果是实现了在施加法向力和剪切力的过程中，可以直观的观测土体内部的细观结构变化，并具有试验简便、试验结果直观，可以进行土样的全剖面观测、也可以进行土样的局部部位细观结构观测的特点。
文档编号G01N3/00GK201327472SQ20082015641
公开日2009年10月14日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者刘文白, 史旦达, 健 周, 辉 张, 亮 曹 申请人:上海海事大学