一种动荷载作用下大型土工直剪测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种土工测试仪器，属于土木工程仪器测试领域。
【背景技术】
[0002]粗粒土(碎石土、土石混合体)是一种由作为骨料的砾石或块石与作为充填料的粘土和砂组成的地质体。粗粒土作为一种填料被广泛应用于土石坝、公路、铁路、机场、房屋地基等建筑工程，应用范围相当广泛。由于粗粒土由块石和土组成，且两者在力学性质上呈现“极强”(块石)和“极弱”(土体)两个极端的差异性。这种差异性使粗粒土在物理力学性质上呈现极端的不均匀性与极端的非线性特征，其宏观物理力学性质不能由块石或土简单叠加而成。对于西南地区粗粒土边坡在地震作用下发生滑坡灾害，其治理措施要充分考虑动荷载对边坡灾害的控制性作用，因此动荷载作用下粗粒土强度的测试不能由传统的土力学剪切装置或者岩石试验机来完成，需要研制适合粗粒土自身特点的新型仪器，量测其动荷载强度，尤其是要考虑尺寸效应对粗粒土强度的影响。本发明就是一种用于量测动荷载作用下粗粒土直剪强度特性。
【发明内容】
[0003]本发明目的是提供一种动荷载作用下大型土工直剪测试装置，用于解决粗粒土在动荷载作用下的直剪强度特性试验，为工程实践提供技术参数。
[0004]本发明的技术解决方案，其特征是一种动荷载作用下大型土工直剪测试装置，包括反力架1，加载框架2，第一伺服加载装置3，第二伺服加载装置4，载样台5，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11，滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14，第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17，第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23，第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第二垂直滑轨30。第一伺服加载装置3的作动器连接垂直加载轴25，垂直加载轴25提供垂直压力，位于加压板26上面，加压板26连接垂直位移计9，加压板26位于上盒试样11的顶面，上剪切盒6由第一侧限柱24和第二侧限柱27固定，第一侧限柱24连接第一垂直滑轨10，第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三侧限柱29相连，第三侧限柱29连接第二垂直滑轨30，上剪切盒6通过滚珠轴排12对准下剪切盒7，上剪切盒6内安装上盒试样11，下剪切盒7内安装下盒试样14，下剪切盒7连接下盒扩展板13，下剪切盒7连接轨道车8，轨道车8可沿水平滑轨17移动到载样台5之上，水平滑轨17与加载框架2连接，第一千斤顶15连接第一支撑底座16，第二千斤顶19连接第二支撑底座18，下剪切盒7连接传力杆20和水平位移计23，连接端头21与水平加载轴22对准，水平加载轴22连接第二伺服加载装置4的作动器。上剪切盒6尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱24 —侧的上剪切盒6的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱27 —侧的上剪切盒6的盒壁高为155mm，下剪切盒7尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板13 —侧的下剪切盒7的盒壁高为155mm，连接传力杆20 —侧的下剪切盒7的盒壁高为445mm，滚珠轴排12倾角为30°，上剪切盒6和下剪切盒7均采用质量轻强度高的合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒6和下剪切盒7的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm?60mm，上剪切盒6可以沿下盒扩展板13滑动，第一侧限柱24可以沿第一垂直滑轨10垂直滑动，第三侧限柱29可以沿第二垂直滑轨30垂直滑动，第一伺服加载装置3和第二伺服加载装置4通过反力架I施加力，反力架I和加载框架2以及加压板26均采用高强度不锈钢材料，加压板26与上剪切盒6间的缝隙间隔为2_?4_，滚珠轴排12、下盒扩展板13和水平滑轨17均为高强度不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料。第一伺服加载装置3和第二伺服加载装置4均可采用液压加载，也可以采用电机加载，均可以进行快进快退操作，也可以进行应变加载和应力加载，第一伺服加载装置3的作动器和第二伺服加载装置4的作动器最高频率均可达70Hz，作动器行程均可达100mm，最大出力均可达1000kN，出力测量精度可达0.5% FS，可实现自定义加载波形；第二伺服加载装置4的应变剪切速率为0.02?5.00mm/min,应力剪切速率为100?600kN/min ;垂直位移计9的最大量程为150mm，测量精度可达1mm，水平位移计23的最大量程为170mm，测量精度可达Imm0
[0005]量测粗粒土动荷载用下的直剪强度的试验方法如下:
[0006](I)按照一定含水量、含石量与密度要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；
[0007](2)将轨道车8移至载样台5上，将上剪切盒6经由滚珠轴排12对齐下剪切盒7，将第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服加载装置3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
[0008](3)开动第一伺服加载装置3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服加载装置3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；
[0009](4)开动第一伺服加载装置3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服加载装置3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F不变；
[0010](5)将第一侧限柱24和第二侧限柱27分别与上剪切盒6连接，将第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三侧限柱29连接，使上剪切盒6固定，启动第二伺服加载装置4，使连接端头21与连接作动器的水平加载轴22相连，按要求的振动频率和振幅通过传力杆20施加推力T，使下剪切盒7向远离第二伺服加载装置4方向移动，同时采用水平位移计23测量水平位移S，保持上剪切盒6水平方向固定，上剪切盒6通过第一垂直滑轨10和第二垂直滑轨30向上滑动，使连接垂直加载轴25的作动器的输出压力按照P = F-Ttg30°变化，并采用垂直位移计9测量加压板26的垂直位移S'，滚珠轴排12沿下盒扩展板13滑动，以避免上剪切盒6内部的上盒试样11漏出；
[0011](6)待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样11与下盒试样14接触面处正压力f = P cos30° +Tsin30°，取f的最大值fmaxl，获得接触面处剪切力Iw =Tcos30° -F' sin30°，取 T'的最大值 T' maxl；
[0012](7)通过垂直加载轴25使第一伺服加载装置3卸载，第二伺服加载装置4通过水平加载轴22施加拉力拉动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6与下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6与第一侧限柱24及第二侧限柱27的连接，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触，将轨道车8通过水平滑轨17移动至载样台5上，卸除全部混合料；
[0013](8)改变垂直压力F的值，重复步骤⑵-(7)，获得fmax# T' max2;
[0014](9)再次改变垂直压力F的值，重复步骤(2)-(7)，获得f—与T' max3;
[0015](10)将 fmax^ T' maxl、fmax# T' max2、fmax3与 T' max3通过上盒试样 11 与下盒试样14的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取粗粒土混合料动剪切强度指标和剪切模量。
[0016]本发明优点:
[0017]仪器制造简单，测量精度高，满足不同振动频率条件下的动剪切试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可以量测大尺度粗粒土(包括碎石土、土石混合体及土体)的动剪切强度及剪切模量等参数。
[0018]本发明适用范围:
[0019]适用于土木工程中遇到的各种堆积体、粗粒土、土石混合体等多种岩土体室内固结特性、动态强度特性试验。
【附图说明】
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[0020]图1是一种动荷载作用下大型土工直剪测试装置结构示意图。其中有:反力架1，加载框架2，第一伺服加载装置3，第二伺服加载装置4，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11，滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14，第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17，第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23，第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第二垂直滑轨30。
[0021]图2是一