可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的制作方法

本发明涉及一种可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置，属于岩土工程测量仪器制造技术及测试领域。

背景技术：

非饱和土中水流速度很慢，为使土样变形、孔压均匀化，剪切试验中加载速率比饱和土要小得多，试验历时也长得多。与三轴试验相比，非饱和土直剪仪结构简单，操作方便，特别是试样厚度小，试验历时大大缩短，因而可提高试验效率。

在吸力的变化过程中，土体体积变化会非常大，比如膨润土、红黏土等特殊性质的黏土土。以膨润土为类，膨润土具有非常明显的湿胀干缩特性。在进行不同吸力控制下膨润土试样的直剪试验时，土体的干化收缩会与现有的常规剪切盒内壁脱离，影响直剪试验结果的准确性。如果在非饱和大块试样上切成环刀样，如果吸力很高，也即试样含水率较低，强度高，土样易碎、不易切块成型，导致制样失败，试验费时费力。所以非常有必要设计一种可根据土样尺寸方便调节剪切环直径的新式构造剪切盒来解决非饱和土在吸力变化情况下体积变化的问题，从而更加精确的测量非饱和土剪切强度。

另外，目前常规的非饱和土直剪仪的吸力控制范围有限，其吸力控制主要应用轴平移技术，吸力范围取决于陶土板的量程，通常为40kPa-2MPa，所以土样无法在2MPa以上的吸力下进行剪切试验。因此，现有的通过轴平移技术控制吸力的非饱和土直剪仪，已经无法解决高吸力控制的实际工程问题。为了解决这一问题，需要研制新的非饱和土直剪仪。水汽平衡法吸力控制技术是实现高吸力控制的有效途径之一，其基本方法是在干燥器中放置一定浓度的某种化学溶液，则容器内的蒸气压将与之处于平衡，这样容器内的相对湿度将保持不变。土样放置在同一湿度环境中，也将与容器内的蒸气压达到平衡，从而达到吸力控制的目的，吸力量测范围为40kPa-262MPa。

本发明所提出的可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪，可以用来进行常规饱和土、非饱和土的直剪试验研究，可以进行吸力控制下的非饱和土直剪试验，尤其是对于吸力平衡后体积收缩的试样，可根据试样的直径调节剪切环尺寸，进行高吸力下强度测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置，可在实时条件下量测土体的直径，得到土体在不同状态下的体积变化，解决土体干缩与剪切盒内壁不能贴合的问题，得到不同吸力下土体的直剪强度。该仪器设计简便、轻巧，操作方便，一体性好，应用范围广。

为达到上述发明目的，解决现有技术问题，本发明的构思是：

本装置包括上剪切盒与下剪切盒，上下剪切盒基本相同，分别包括可伸缩钢片、钢片抵板以及剪切外壳三部分。伸缩钢片为弹性强的钢材制作，具有较大的回弹性。钢片抵板成T字形，由长方形钢板，伸缩钢棒，弹簧，螺丝和螺丝卡扣组成。剪切外壳为等边三角形结构，为剪切盒的外壁，其中三个脚点分别为固定螺孔，用来固定上下剪切盒。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置，包括上、下剪切盒，所述上、下剪切盒包括圆形伸缩钢片、钢片抵板以及剪切外壳；所述剪切外壳为等边三角形，三角形的每个边中部连接钢片抵板，所述钢片抵板分别在三个方向固定圆形伸缩钢片，上、下剪切盒通过螺栓固定连接。

所述钢片抵板成T字形，由长方形钢板，伸缩钢棒，弹簧，螺母和螺丝卡扣组成；所述长方形钢板外测中间焊接伸缩钢棒的一端，伸缩钢棒的另一端伸出剪切外壳，通过螺母固定，所述螺丝卡扣安装在螺母的外侧，螺母与剪切外壳之间设有橡胶圈以减小摩擦，所述弹簧套装在伸缩钢棒上，位于剪切外壳和长方形钢板之间。

所述圆形伸缩钢片的起始端有伸出段伸出长方形钢板，伸出段上面设有测量土样直径的刻度；所述圆形伸缩钢片的末端通过固定销与长方形钢板相连，在长方形钢板内测中间安装圆形导轮，在圆形伸缩钢片外侧设有凹槽，圆形导轮与凹槽相配合，使得圆形伸缩钢片伸缩时不偏离。

所述上剪切盒的剪切外壳的三个顶点分别设有贯穿的上螺孔，下剪切盒的剪切外壳的三个顶点分别设有贯穿的下螺孔，用来插进螺栓，固定上、下剪切盒；剪切外壳三个顶点分别进行圆形倒角，以免尖端剪切时破坏仪器。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

本发明在外观上是三角形而不是传统直剪盒的正方形，结构简单，所以大大减少用材。采用可伸缩内径装置，现有的非饱和土的直剪盒均由饱和土直剪盒改造，未考虑试样收缩带来的剪切误差，本试验装置在试样的周围设置收缩内径的钢环，将试样放入钢环内，可调节钢环内径，保证剪切试样完全接触剪切盒。收缩内径的钢环上有测量试样内径的刻度，在装样时可以测量土样的内径。该试验装置可以测量饱和土、非饱和土的直剪强度，同时，可以在饱和土直剪架上使用，也可以在非饱和土的吸力控制压力室内使用。

这种测试方法所依托的试验装置，构造简单，设计轻巧，操作方便，一体化性能好，作用广泛。

附图说明

图1是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的上剪切盒俯视图。

图2是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的下剪切盒俯视图。

图3是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的上剪切盒侧视图。

图4是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的下剪切盒侧视图。

图5是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的剪切盒剖视图。

图6是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的非饱和土剪切压力室剖视图。

图7是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的三维图。

图8是本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置的拼装图。

具体实施方式

本发明的优选的实施例结合附图详述如下：

参见图1-5，一种可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置，包括上、下剪切盒，所述上、下剪切盒包括圆形伸缩钢片1、钢片抵板8以及剪切外壳6；所述剪切外壳6为等边三角形，三角形的每个边中部连接钢片抵板8，所述钢片抵板8分别在三个方向固定圆形伸缩钢片1，上、下剪切盒通过螺栓15固定连接。

所述钢片抵板8成T字形，由长方形钢板7，伸缩钢棒9，弹簧10，螺母3和螺丝卡扣4组成；所述长方形钢板7外测中间焊接伸缩钢棒9的一端，伸缩钢棒9的另一端伸出剪切外壳6，通过螺母3固定，所述螺丝卡扣4安装在螺母3的外侧，螺母3与剪切外壳6之间设有橡胶圈14以减小摩擦，所述弹簧10套装在伸缩钢棒9上，位于剪切外壳6和长方形钢板7之间。长方形钢板7长为125mm±0.1mm，宽为5mm±0.1mm，高为30mm±0.1mm。伸缩钢棒9长45mm±0.1mm，半径5mm±0.1mm。螺母3半径10mm±0.1mm。

所述圆形伸缩钢片1的起始端有伸出段12伸出长方形钢板7，伸出段12上面设有测量土样直径的刻度；所述圆形伸缩钢片1的末端通过固定销11与长方形钢板7相连，在长方形钢板7内测中间安装圆形导轮2，在圆形伸缩钢片1外侧设有凹槽13，圆形导轮2与凹槽13相配合，使得圆形伸缩钢片1伸缩时不偏离。圆形伸缩钢片1在松弛状态下内径为61.8mm±0.1mm，外径为64.8mm±0.1mm，高度为20mm±0.1mm，壁厚为4mm±0.2mm；在外壁距上距下端面8mm±0.1mm处有一环形凹槽13，凹槽13的深度为1mm±0.1mm，凹槽13环绕整个圆形伸缩钢片1；圆形导轮2长为125mm±0.1mm，宽1mm±0.1mm，高1mm±0.1mm。

所述上剪切盒的剪切外壳6的三个顶点分别设有贯穿的上螺孔5，下剪切盒的剪切外壳6的三个顶点分别设有贯穿的下螺孔17，用来插进螺栓15，固定上、下剪切盒；剪切外壳6三个顶点分别进行圆形倒角16，以免尖端剪切时破坏仪器。剪切外壳6的外壁长度为205mm±0.1mm，高度为30mm±0.1mm，厚度为15mm±0.1mm。螺孔半径为3.5mm±0.01mm。圆形倒角半径为7.5mm±0.01mm。

参见图1-6，本发明可调节剪切环直径的非饱和土直剪仪试验装置上下剪切盒合并后可以放入非饱和土实验直剪仪中，这样在控制吸力的同时控制直径。在图2的下剪切盒中，底部有螺旋钻孔18，方便陶土板饱和与冲刷气泡。将剪切盒壁上的调节螺母3拧松，使圆形伸缩钢片1达到松弛状态，此状态的圆形伸缩钢片1直径为61.8mm。将剪切盒放上非饱和直剪仪压力室上，其下剪切盒底部有两个导轨19，将导轨放上直剪仪支架上的两个Teflon圆珠滑轮20上，材质为聚四氟乙烯，以减小摩擦。固定上剪切盒于固定棒23上，固定下剪切盒于推进棒21上。将压力棒24对准压盖版中心，盖上压力室盖板29，拧紧盖板螺丝26。水压管27连接水压，气压管28连接气压。

本实施例依托上述实验装置用于高吸力下土体变形及变形后直剪强度测定及换算方法，实验步骤如下：

1.安装步骤：将上下剪切盒合上，拧上3个螺栓15，将剪切盒壁上的螺母3拧松，使圆形伸缩钢片1达到松弛状态，此状态的直径为61.8mm。将剪切盒放上直剪仪上，其下剪切盒底部有两个导轨19，将导轨放上直剪仪支架上的两个Teflon圆珠滑轮上20，以减小摩擦。上剪切盒抵住应力钢环23，测量应力，下剪切盒抵住推进装置22，进行剪切时推进。在剪切盒底部放上透水石30，透水石上放上一层滤纸31，将控制好吸力的土样32放入剪切盒中，将剪切盒壁上的调节螺母3拧紧，调整伸缩钢片1紧贴试验土样32，记下伸缩钢片刻度13，可以得到土样直径。在试样上再放上一层滤纸33，滤纸上放上透水石34，再放上受压盖板35，在受压盖板上加上受压装置24。至此，完成测试装置的安装

2.试验方法：移动传动装置使上盒前端钢珠20刚好与测力计接触依次放上传压板加压框架24，安装垂直位移和水平位移量测装置23，并调至零位或测记初读数。根据工程实际和土的软硬程度施加各级垂直压力，对松软试样垂直压力应分级施加，以防土样挤出。拔去固定销15，以一定的剪切速度进行剪切，试样每产生剪切位移，测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至破坏时停机，记下破坏值当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停机，剪切结束，退去剪切力和垂直压力，移动加压框架24，取出试样32。以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线。取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时取剪切位移所对应的剪应力为抗剪强度。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力。对不同直径的试样的剪切强度进行数据处理，并与相同物理指标的试样在常规直剪仪的剪切强度数据进行对比，得到对于这一类土的该仪器的尺寸换算系数，得到精准的非饱和土的强度指标。