专利名称：叠环式直剪单剪两用剪切仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测试不同土工材料组合之间力学特性的技术领域，特别是涉及一
种测试卫生填埋场复合衬垫材料系统力学特性的剪切仪及利用该剪切仪进行测试的试验 方法。
背景技术：
现代生活垃圾的大量产生以及土地资源的紧张，急迫要求建立大容量，高安全的 大型卫生填埋场。因此，在高压力、大坡角的条件下，建立能真实反映复合衬里界面本构关 系的数学模型对准确分析大型卫生填埋场稳定性有重大意义。现代卫生填埋场的衬垫系统 主要有土工膜，土工布，土工网，GCL衬垫等土工材料以及砂土，粘土等组成。而要研究不同 土工材料之间的力学特性，就必需对不同土工材料的组合进行直剪，单剪，整体剪切试验。 直剪，即两层不同土工材料间的剪切试验；单剪，即三层不同土工材料进行剪切试验；整体 剪切，即按照填埋场实际衬垫铺设顺序，在试验仪器中取同样土工材料叠放顺序进行试验。 目前常见的土工材料力学特性测试仪器主要有(1)改进直剪仪，常规剪切仪的试样尺寸一 般比较小，剪切位移一般小于1厘米，而且随着剪切的进行，剪切面积逐步减小。改进直剪 仪下盘粘贴的土工材料面积比上盘剪切盒的面积大一些，这样在剪切过程中，上盘材料始 终在下盘材料上滑动，从而使剪切面积保持不变。其缺点主要有虽然改进直剪仪解决了剪 切面积变化问题，但与直剪仪一样，它只能进行单剪试验，对于多层界面情况则无法适用， 并且存在着尺寸效应；上剪切盒与下层剪切盒土工材料间存在一定的摩擦。(2)大型直剪 仪，两层剪切盒之间有钢珠可以减小摩擦力，主要用来测量大面积矩形试样的抗剪强度；由 于大型直剪仪下部有一个水化试样的水池，试验基本都在水中进行，因此主要适用于饱和 条件下土与土工合成材料之间的接触强度研究。(3)扭转剪切仪，扭转剪切仪可以在一个方 向上产生无限大的位移，且剪切面积始终保持不变，能测得不同接触界面之间的残余剪切 强度。其缺点有试样尺寸一般较小，有着明显的尺寸效应；扭剪仪是环向剪切，适合于各 向均匀的土工膜与土之间的剪切，而对于土工布和土工网，由于试样的生产和制备方向都 不是环向的，因此存在一个剪切方向上的差异，必然导致试验结果的差异；(4)斜板仪。斜 板仪使用理论简单，能得到较大的相对位移，进而有利于残余峰值的取得，制造和使用费用 低廉，但是其只适用于法向应力较小的情况，对于压力较大的情况不适用。
发明内容本实用新型针对上述测试仪器存在的缺陷试验界面单一，只能进行直剪测试，存 在尺寸效应、不适于对各种土工材料进行测试。本实用新型提供一种不仅可以直剪，还可进 行单剪、整体剪，避免尺寸效应且能对各种土工材料组成的复合衬垫系统特性进行测试的 叠环式剪切仪及利用该仪器进行测试的方法，试验中具有多个剪切界面，更加真实地反映 了实际卫生填埋场复合衬垫系统的实际情况。
为解决以上的技术问题，本实用新型采用以下的技术方案[0005] 本实用新型的叠环式直剪单剪两用剪切仪，包括机架、数据采集分析装置、液压控 制装置、下剪切盒，上剪切盒、竖相液压油缸、水平液压油缸、竖向位移传感器、水平位移传 感器，所述竖相液压油缸、水平液压油缸固定安装在机架上，并与数据采集分析装置和液压 控制装置相连，竖相液压油缸液压杆端连接有盖板，盖板上端面与竖向位移传感器工作端 接触，竖向位移传感器、水平位移传感器通过数据线与数据采集分析装置相连，其特征在 于还包括叠环组，该叠环组叠置于上述下剪切盒、上剪切盒之间，所述下剪切盒通过液压 连杆与上述水平液压油缸相连，并且在下剪切盒底部固连有刚性底板，刚性底板与机架底 座之间设置有滚轴，所述叠环侧壁与上述水平位移传感器工作端接触，叠环组最上边的一 个叠环由机架固定。 为减少仪器误差，本实用新型在下剪切盒、叠环组中单个叠环的端面、上剪切盒的 端面嵌置有滚珠。为准确定位在叠环组中单个叠环、下剪切盒、上剪切盒侧壁沿轴向设置有 定位孔。 通过以上的技术方案，可实现以下的有益效果 (1)可以进行多钟试验，直剪，单剪，整体剪切，一次试验可以得到多个界面的滑动 位移，以此可以判断出整个衬垫系统中的最薄弱面； (2)通过施加不同的垂直压力，也就是等同于模拟卫生填埋场的上覆压力，最薄 弱滑动面可以变化，在一组试验中可以观察最薄弱滑动面怎样转移，更加贴近现场实际情 况； (3)采用水平和竖向位移传感器，试验数据直接由数据采集分析装置得到，水平位 移传感器由一组几个固定在一起的传感器组成，通过观察每个位移传感器采集到的数据的 变化，可以找到每个最薄弱滑动面的转移规律以及破坏规律； (4)仪器上下剪切盒之间，以及不同叠环之间，嵌入有钢珠，并涂抹润滑油，减小了 试验的仪器误差；试样尺寸大，可以不考虑尺寸效应。
图1为本实用新型的叠环式剪切仪结构示意图； 图2为本实用新型的叠环式剪切仪上剪切盒、叠环、下剪切盒俯视图； 图3为本实用新型的叠环式剪切仪上剪切盒、叠环、下剪切盒主视图； 图4为运用本实用新型仪器进行整体剪切试验的应力一位移关系图。 其中1机架2数据采集分析装置3液压控制装置4滚轴5刚性底板6下剪切盒7
叠环8上剪切盒9盖板10竖向液压油缸11水平液压油缸12竖向位移传感器13水平位移
传感器14定位孔
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明。 如图1所示，本实用新型的叠环式剪切仪包括机架1、数据采集分析装置2、液压控
制装置3、下剪切盒6，上剪切盒8、竖相液压油缸10、水平液压油缸11、竖向位移传感器12、
水平位移传感器13，所述竖相液压油缸10、水平液压油缸11固定安装在机架1上，并与数
据采集分析装置2和液压控制装置3相连，竖相液压油缸10液压杆端连接有盖板9，盖板9上端面与竖向位移传感器12工作端接触，盖板9压在上剪切环8或叠环7内部的复合衬垫 材料上，竖向位移传感器12、水平位移传感器13通过数据线与数据采集分析装置2相连，其 特征在于还包括叠环7，该叠环7叠置于上述下剪切盒6、上剪切盒8之间，所述下剪切盒 6通过液压连杆与上述水平液压油缸11相连，并且在下剪切盒6底部固连有刚性底板5，刚 性底板5与机架1底座之间设置有滚轴4，所述叠环7侧壁与上述水平位移传感器13工作 端接触，并且最上边的一个叠环由机架1固定。 如图2、图3分别为下剪切盒、叠环、上剪切盒的俯视图和主视图，图中上剪切盒、 下剪切盒、叠环的侧壁设置有沿轴向的定位孔14，上剪切盒、下剪切盒都为内径300毫米， 厚120毫米；叠环组7共六个，内径300毫米，其中五个是厚20毫米(用于粘土或砂土等) 或1.5毫米(用于土工材料)的钢环，最顶上一个是厚50毫米的钢环。 以下为利用本实用新型剪切仪对复合衬垫材料进行测试的方法具体实施例 实施例一 传统压实粘土衬垫系统的材料进行整体剪切试验，试验中运用到两个叠环，分别 用来粘土工布和土工膜。土工布和土工膜分别用胶水粘在叠环组7中的1.5mm厚的叠环上； 砂土置于下剪切盒6中，粘有土工布的剪切叠环置于砂土上，其上放土工网，粘有土工膜的 剪切叠环置于土工网上，最后将压实粘土装入上剪切盒8内。将水平液压油缸11的液压连 杆与下剪切盒6相连，并将螺栓拧紧；装上水平位移传感器13，并将其与叠环组7中的叠环 对齐，装上竖向位移传感器12，使其与盖板9接触，检查传感器是否灵敏；接通数据采集分 析装置2和液压控制装置3 ;通过竖向液压油缸IO施加垂直压力，依据试验要求，可以施加 不同的垂直压力；通过水平液压油缸11施加水平力，开始试验。 如图4所示，为运用本实用新型仪器进行整体剪切试验的应力-位移关系图。 实施例二 若进行直剪试验，则不需要运用叠环，将叠环换成整体的上剪切盒，进行直剪。以 土工网-土工膜的界面直剪为例因为下剪切盒6厚120毫米，无法直接粘土工膜，所以在 下剪切盒6内加刚性铁块作为支撑，再在刚性铁块上放一刚性板，将土工膜固定粘在刚性 板上；土工网粘在另一块刚性板上，置于上剪切盒8内，使土工网与土工膜紧密接触。
实施例三 组合界面单剪试验，以土工网-土工布-砂的组合为例，土工网用胶水粘在刚性板 上置于下剪切盒6中，下剪切盒6内加刚性铁块支撑刚性板，土工布用502胶水粘在剪切叠 环上(因为土工材料本身只有几个毫米厚，这时用的是1. 5mm的叠环)，置于土工网上，砂土 装填在置于土工布上的叠环组7中厚度为20mm的叠环中。
权利要求一种叠环式直剪单剪两用剪切仪，包括机架(1)、数据采集分析装置(2)、液压控制装置(3)、下剪切盒(6)，上剪切盒(8)、竖相液压油缸(10)、水平液压油缸(11)、竖向位移传感器(12)、水平位移传感器(13)，所述竖相液压油缸(10)、水平液压油缸(11)固定安装在机架(1)上，并与数据采集分析装置(2)和液压控制装置(3)相连，竖相液压油缸(10)液压杆端连接有盖板(9)，盖板(9)上端面与竖向位移传感器(12)工作端接触，竖向位移传感器(12)、水平位移传感器(13)通过数据线与数据采集分析装置(2)相连，其特征在于还包括叠环组(7)，该叠环组(7)叠置于上述下剪切盒(6)、上剪切盒(8)之间，所述下剪切盒(6)通过液压连杆与上述水平液压油缸(11)相连，并且在下剪切盒(6)底部固连有刚性底板(5)，刚性底板(5)与机架(1)底座之间设置有滚轴(4)，所述叠环组(7)侧壁与上述水平位移传感器(13)工作端接触，叠环组(7)最上边的一个叠环由机架(1)固定。
2. 根据权利要求l所述的叠环式直剪单剪两用剪切仪，其特征在于所述下剪切盒(6) 端面、叠环组(7)中单个叠环端面、上剪切盒(8)端面嵌置有滚珠。
3. 根据权利要求l所述的叠环式直剪单剪两用剪切仪，其特征在于所述下剪切盒(6) 侧壁、叠环组(7)中单个叠环侧壁、上剪切盒(8)侧壁沿轴向设置有定位孔(14)。
专利摘要本实用新型提供一种叠环式剪切仪及其测试方法，本叠环式剪切仪的主体部分包括上剪切盒、下剪切盒，还包括叠置于下剪切盒、上剪切盒之间的叠环组，下剪切盒通过液压连杆与水平液压油缸相连，并且在下剪切盒底部固连有刚性底板，刚性底板与机架底座之间设置有滚轴，叠环侧壁与水平位移传感器工作端接触。利用本仪器进行试验时，将待测试的复合衬垫材料分别置于叠置的下剪切盒内、叠环或上剪切盒内，将最上面的一个叠环或上剪切盒固定于机架，开始试验过程，本实用新型突破了传统试验仪器在对卫生填埋场衬垫系统进行室内试验时，只能固定剪切界面的局限，同时能够观察试验在施加不同的垂直荷载时，试样中最薄弱滑动面在不同的土工材料接触面之间的转移。
文档编号G01N3/24GK201449359SQ20092004726
公开日2010年5月5日 申请日期2009年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者刘慧 , 卢廷浩, 施建勇, 朱月兵, 钱学德 申请人:河海大学