利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，步骤如下：步骤一、平整试验场地，按试样盒切制同等尺寸的试样；步骤二、摆放并锚固承力框架座；步骤三、设置侧向测力千斤顶和侧向位移指示表，记录侧向位移指示表初始值；将侧向测力千斤顶通过侧向压力表与侧向液压泵相连，将侧向压力表指针回零；步骤四、分级、连续施加侧向荷载，记录侧向位移、侧向压力值，并观察试样盒周围土体变形情况；步骤五、完成多个不同压力下的直剪试验后，绘制剪切应力—侧向位移关系曲线图，确定剪切应力。本发明具有操作方便、能够真实有效地获取粘性土体抗剪强度数据、适应各种场地的特点，可以广泛应用于粘性土检测【技术领域】。
【专利说明】利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粘性土检测【技术领域】，特别是涉及一种利用现场大型直剪试验装置检 测粘性土抗剪强度的方法。
【背景技术】
[0002] 在工程地质勘察及其工程建设中，为了获取粘性土的抗剪强度值，需要使用仪器 对其进行测试。
[0003] 由于目前室内试验的试样采取具有局限性，受人为及天气影响的因素较多，试样 多为土块，且体积偏小，易于扰动，而现有的大型直剪试验装置所用的坚向堆载不仅占用场 地大，而且容易出事故，因此，不能全面的反映粘性土体的真实强度。同时，现有的大型直剪 试验装置只能检测水平地面上的试样而无法对坡面上的试样进行检测，适用场合有限。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种利用现场大型直剪试验 装置检测粘性土抗剪强度的方法，具有操作方便、能够真实有效地获取粘性土体抗剪强度 数据、适应各种场地的特点。
[0005] 本发明提供的一种利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，所述 方法步骤如下：步骤一、选取并平整试验场地，按试样盒切制一个同等尺寸的试样，试样侧 边与剪切应力方向平行或垂直；步骤二、在试样盒外侧摆放承力框架座，通过地锚锚固承力 框架座；步骤三、在承力框架座和试样盒之间沿剪切方向设置侧向测力千斤顶和侧向位移 指示表，并使承力框架座内侧壁和试样盒外侧壁分别与侧向测力千斤顶两端相抵靠，并记 录侧向位移指示表初始值；将侧向测力千斤顶通过侧向压力表与侧向液压泵相连，将侧向 压力表指针回零；步骤四、通过侧向测力千斤顶向试样盒内的试样分级、连续施加侧向荷 载，每过一段时间记录侧向位移、侧向压力值，并观察试样盒周围土体变形情况，如果侧向 位移剧增或侧向位移量达试样尺寸的1/10时，即可结束试验；步骤五、完成多个不同压力 下的直剪试验后，绘制剪切应力一侧向位移关系曲线图，确定剪切应力。
[0006] 在上述技术方案中，所述步骤二中，地锚锚固承力框架座之前，将横力梁固定到承 力框架座顶面，地锚锚固好承力框架座之后在地锚上部预留孔中穿栓钉并压紧承力框架 座；所述步骤三中，在承力框架座和试样盒之间设置侧向测力千斤顶和侧向位移指示表之 前，在试样盒内的试样顶面放置下平板，在下平板上顺剪切方向放置多个滚轴，每个滚轴垂 直剪切方向设置，所述滚轴顶部再以上平板覆盖；在上平板上放置垂向测力千斤顶，所述 垂向测力千斤顶与横力梁相抵靠，所述上平板顶面安装通过固定支架锚固的垂向位移指示 表，并记录垂向位移指示表初始值；将侧向测力千斤顶通过侧向压力表与侧向液压泵相连 之前，将垂向测力千斤顶通过垂向压力表与垂向液压泵相连，同时将垂向压力表指针回零； 所述步骤四中，侧向测力千斤顶向试样盒内的试样施加侧向荷载之前，通过垂向测力千斤 顶向上平板匀速施加坚向荷载至预定值，每过一段时间记录坚向位移，至上平板相对稳定； 所述步骤五中，绘制剪切应力一侧向位移关系曲线图后，再以剪切应力为纵坐标、坚向应力 为横坐标绘制剪切应力一坚向正应力关系图，并依据图中数据拟合并确定土体抗剪强度。
[0007] 在上述技术方案中，所述步骤三中，在上平板正中放置垂向测力千斤顶，侧向测力 千斤顶居于试样盒外侧壁中间。
[0008] 在上述技术方案中，所述滚轴之间等距并排设置。
[0009] 在上述技术方案中，所述滚轴为5个。
[0010] 在上述技术方案中，所述承力框架座顶面通过螺栓与横力梁相连。
[0011] 在上述技术方案中，所述步骤四中，垂向测力千斤顶向上平板匀速施加坚向荷载 时，每过20min记录上平板坚向位移，上平板相对稳定指上平板坚向位移值小于0. 01mm/h ; 在20min内通过侧向测力千斤顶向试样盒内的试样分级、连续施加侧向荷载，每级侧向荷 载为估算最大荷载的8 %?10 %，每过lmin记录试样盒侧向位移以及侧向压力表的侧向压 力值，
[0012] 在上述技术方案中，所述步骤五中，共完成四个不同压力下的直剪试验。
[0013] 在上述技术方案中，所述地锚、承力框架座、横力梁、试样盒、下平板、上平板、滚轴 和固定支架均为钢制。
[0014] 在上述技术方案中，所述试样盒长宽高分别为40cmX40cmX 15cm。
[0015] 本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，具有以下有益效 果：由于现有的大型直剪试验装置坚向加荷采用堆载的方法，所以只能检测水平地面上的 试样而无法对坡面上的试样进行检测，并且占用场地大、易出事故，而本发明坚向加荷采 用垂向测力千斤顶模拟坚向加荷，并且可以分级施加，不仅稳定性更好、对场地要求低、占 用面积小，安全性也大为提高，更为重要的是适应各种场地需要，除了水平地面，对坡度在 15°以内坡面上的试样也能进行检测，特别是随着渠道开挖深度或沿着结构面如长大裂隙 面发育方向也能进行大型剪切试验，解决了现有坚向堆载无法在坡面上稳定施加荷载的工 程问题，而这一问题的解决也使得侧向荷载施力稳定，加力更连贯、更均匀。而在下平板和 上平板之间通过设置5?6个滚轴，不仅在坚向加荷时使试样土体的受力更均匀，而且减小 了侧向加载时沿侧向产生的摩擦力，提高了对试样侧向抗剪强度检测时的检测精度，而只 设置5?6个滚轴是通过大量的试验得到的数据，如果太少就不能将坚向荷载均匀地分布 到试样土体上，而太多又会增加上、下平板与滚轴之间的摩擦力，不适当地提高摩擦力在受 力体系中的比例，从而影响到检测精度。并且本发明还能根据试样尺寸的要求进行调整，如 承力框架座的尺寸及地锚锚固的深度，更有利于整个装置的加荷能力，能更真实地测试粘 性土的剪切强度。同时，与现有的大型直剪试验方法相比，本发明制样快捷、操作简单方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明所利用的现场大型直剪试验装置俯视结构示意图；
[0017] 图2为本发明所利用的现场大型直剪试验装置的A-A剖视结构示意图；
[0018] 图3为本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法试验后剪 切应力一侧向位移关系曲线图；
[0019] 图4为本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法试验后剪 切应力一坚向正应力拟合示意图；
[0020] 图5为本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法的流程示 意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对 本发明的限制。
[0022] 参见图1至图2,本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法， 涉及到地锚1、承力框架座2、横力梁3、螺栓4、栓钉5、试样盒6、下平板7a、上平板7b、滚轴 8、垂向液压泵9、垂向压力表10、垂向测力千斤顶11、垂向位移指示表12、侧向液压泵13、侧 向压力表14、侧向测力千斤顶15、侧向位移指示表16和固定支架17。
[0023] 所述试样盒6用于安放粘性土样品控制试样受力，所述试样盒6长宽高分别为 40cmX40cmX15cm，该尺寸与试样盒6中的粘土试样的尺寸相同。所述侧向测力千斤顶15 通过侧向压力表14与侧向液压泵13相连，所述侧向位移指示表16通过固定支架17锚固。 所述承力框架座2通过地锚1锚固并位于试样盒6外侧，所述地锚1穿过承力框架座2四 角的预留孔。试样盒6、承力框架座2的尺寸及地锚1锚固的深度还能根据试样尺寸的要求 进行调整，更有利于整个装置的加荷能力，能更真实地测试粘性土的剪切强度。所述承力框 架座2内侧壁与试样盒6外侧壁分别与侧向测力千斤顶15的两端相抵靠。所述侧向位移 指示表16与试样盒6外侧壁相连、且检测方向与侧向测力千斤顶15布置方向平行。本发 明坚向加荷采用垂向测力千斤顶15模拟坚向加荷，并且可以分级施加，不仅稳定性更好、 对场地要求低、占用面积小，安全性也大为提高，更为重要的是适应各种场地需要，除了水 平地面，对坡度在15°以内坡面上的试样也能进行检测，特别是随着渠道开挖深度或沿着 结构面如长大裂隙面发育方向也能进行大型剪切试验，解决了现有坚向堆载无法在坡面上 稳定施加荷载的工程问题，而这一问题的解决也使得侧向荷载施力稳定，加力更连贯、更均 匀。
[0024] 所述承力框架座2顶面通过螺栓4与横力梁3相连，所述地锚1突出于承力框架座 2的锚杆上设有用于限位的栓钉5。所述试样盒6内设有用于设置于粘性土样品顶面的下平 板7a，所述下平板7a顶面由下至上依次设有滚轴8和上平板7b。所述滚轴8为多个且垂 直于侧向测力千斤顶15布置方向，所述滚轴8之间等距并排设置，在本实施例中，所述滚轴 8为5个，当然，也可以为6个。所述上平板7b顶面设有垂向测力千斤顶11，所述垂向测力 千斤顶11的顶面与横力梁3相抵靠，所述垂向测力千斤顶11通过垂向压力表10与垂向液 压泵9相连。所述上平板7b顶面设有通过固定支架17锚固的垂向位移指示表12,垂向位 移指示表12检测方向与垂向测力千斤顶11布置方向平行。在下平板7a和上平板7b之间 通过设置5?6个滚轴8,不仅在坚向加荷时使试样土体的受力更均匀，而且减小了侧向加 载时沿侧向产生的摩擦力，提高了对试样侧向抗剪强度检测时的检测精度，而只设置5?6 个滚轴8是通过大量的试验得到的数据，如果太少就不能将坚向荷载均匀地分布到试样土 体上，而太多又会增加上、下平板7与滚轴8之间的摩擦力，不适当地提高摩擦力在受力体 系中的比例，从而影响到检测精度。
[0025] 所述地锚1、承力框架座2、横力梁3、试样盒6、下平板7a、上平板7b、滚轴8和固 定支架17均为钢制。
[0026] 参见图5,本发明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，步骤 如下：
[0027] 步骤一、选取并平整2m2的试验场地，按试样盒6切制一个同等尺寸的试样，要求 试样无扰动、无松动、无损坏，且试样侧边与剪切应力方向平行或垂直。
[0028] 步骤二、参见图1至图2,在试样盒6外侧摆放承力框架座2,通过螺栓4将横力梁 3安装到承力框架座2顶面，在承力框架座2四角的预留孔位同步下地锚1，在地锚1上部 预留孔中穿栓钉5并压紧承力框架座2四角。
[0029] 步骤三、在试样盒6内的试样顶面放置下平板7a，在下平板7a上顺剪切方向等距 并排放置5个滚轴8,每个滚轴8垂直剪切方向设置，所述滚轴8顶部再以上平板7b覆盖； 在上平板7b正中放置垂向测力千斤顶11，所述垂向测力千斤顶11与横力梁3相抵靠，所述 上平板7b顶面安装通过固定支架17锚固的垂向位移指示表12,并记录垂向位移指示表12 初始值；在承力框架座2和试样盒6之间沿剪切方向设置侧向测力千斤顶15和侧向位移指 示表16,并使承力框架座2内侧壁和试样盒6外侧壁与侧向测力千斤顶15两端相抵靠，侧 向测力千斤顶15居于试样盒6外侧壁中间，并记录侧向位移指示表16初始值；将垂向测力 千斤顶11通过垂向压力表10与垂向液压泵9相连，将侧向测力千斤顶15通过侧向压力表 14与侧向液压泵13相连，将垂向压力表10和侧向压力表14指针回零。
[0030] 步骤四、通过垂向测力千斤顶11向上平板7b匀速施加坚向荷载至预定值，每过 20min记录上平板7b坚向位移，至上平板7b相对稳定，相对稳定指上平板7b坚向位移值小 于0. 01mm/h ;在20min内通过侧向测力千斤顶15向试样盒6内的试样分级、连续施加侧向 荷载，每级侧向荷载为估算最大荷载的8%?10%，每过lmin记录试样盒6侧向位移以及 侧向压力表14的侧向压力值，并观察试样盒6周围土体变形情况，如果侧向位移剧增或侧 向位移量达试样尺寸的1/10时，即可结束试验。
[0031] 步骤五、完成三?四个不同压力下的直剪试验后，绘制如图3所示的剪切应力一 侧向位移关系曲线图，确定剪应力，在本实施例中，进行了四个直剪试验，分别为模拟坚向 荷载在无荷载、天然56kpa、天然89kpa和天然115kpa情况下的剪切应力；然后再以剪切应 力为纵坐标、坚向应力为横坐标绘制如图4所示的剪切应力一坚向正应力关系图，并依据 图中数据拟合并确定土体抗剪强度，在本实施例中，剪切应力和坚向正应力关系式为y = 0· 438χ+18· 70,其中，y为剪切应力，X为坚向正应力。
[0032] 通过与南水北调中线膨胀土滑坡反演得到的参数分析对比，发明人认为采用本发 明利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法所获得的试验成果真实可靠。
[0033] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0034] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1. 一种利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其特征在于：所述方 法步骤如下： 步骤一、选取并平整试验场地，按试样盒（6)切制一个同等尺寸的试样，试样侧边与剪 切应力方向平行或垂直； 步骤二、在试样盒（6)外侧摆放承力框架座（2)，通过地锚（1)锚固承力框架座（2); 步骤三、在承力框架座（2)和试样盒（6)之间沿剪切方向设置侧向测力千斤顶（15)和 侧向位移指示表（16)，并使承力框架座（2)内侧壁和试样盒（6)外侧壁分别与侧向测力千 斤顶（15)两端相抵靠，并记录侧向位移指示表（16)初始值；将侧向测力千斤顶（15)通过 侧向压力表（14)与侧向液压泵（13)相连，将侧向压力表（14)指针回零； 步骤四、通过侧向测力千斤顶（15)向试样盒￠)内的试样分级、连续施加侧向荷载，每 过一段时间记录侧向位移、侧向压力值，并观察试样盒（6)周围土体变形情况，如果侧向位 移剧增或侧向位移量达试样尺寸的1/10时，即可结束试验； 步骤五、完成多个不同压力下的直剪试验后，绘制剪切应力一侧向位移关系曲线图，确 定剪切应力。
2. 根据权利要求1所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述步骤二中，地锚（1)锚固承力框架座（2)之前，将横力梁（3)固定到承力框 架座（2)顶面，地锚（1)锚固好承力框架座（2)之后在地锚（1)上部预留孔中穿栓钉（5) 并压紧承力框架座（2); 所述步骤三中，在承力框架座（2)和试样盒（6)之间设置侧向测力千斤顶（15)和侧 向位移指示表（16)之前，在试样盒￠)内的试样顶面放置下平板（7a)，在下平板（7a)上 顺剪切方向放置多个滚轴（8)，每个滚轴（8)垂直剪切方向设置，所述滚轴（8)顶部再以上 平板（7b)覆盖；在上平板（7b)上放置垂向测力千斤顶（11)，所述垂向测力千斤顶（11)与 横力梁（3)相抵靠，所述上平板（7b)顶面安装通过固定支架（17)锚固的垂向位移指示表 (12)，并记录垂向位移指示表（12)初始值；将侧向测力千斤顶（15)通过侧向压力表（14) 与侧向液压泵（13)相连之前，将垂向测力千斤顶（11)通过垂向压力表（10)与垂向液压泵 (9)相连，同时将垂向压力表（10)指针回零； 所述步骤四中，侧向测力千斤顶（15)向试样盒￠)内的试样施加侧向荷载之前，通过 垂向测力千斤顶（11)向上平板（7b)匀速施加坚向荷载至预定值，每过一段时间记录坚向 位移，至上平板（7b)相对稳定； 所述步骤五中，绘制剪切应力一侧向位移关系曲线图后，再以剪切应力为纵坐标、坚向 应力为横坐标绘制剪切应力一坚向正应力关系图，并依据图中数据拟合并确定土体抗剪强 度。
3. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述步骤三中，在上平板（7b)正中放置垂向测力千斤顶（11)，侧向测力千斤顶 (15)居于试样盒（6)外侧壁中间。
4. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述滚轴（8)之间等距并排设置。
5. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述滚轴（8)为5个。
6. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述承力框架座（2)顶面通过螺栓（4)与横力梁（3)相连。
7. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述步骤四中，垂向测力千斤顶（11)向上平板（7b)匀速施加坚向荷载时，每过 20min记录上平板（7b)坚向位移，上平板（7b)相对稳定指上平板（7b)坚向位移值小于 0. Olmm/h;在20min内通过侧向测力千斤顶（15)向试样盒（6)内的试样分级、连续施加侧 向荷载，每级侧向荷载为估算最大荷载的8%?10%，每过lmin记录试样盒（6)侧向位移 以及侧向压力表（14)的侧向压力值。
8. 根据权利要求2所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪强度的方法，其 特征在于：所述步骤五中，共完成四个不同压力下的直剪试验。
9. 根据权利要求2至8中任一项所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪 强度的方法，其特征在于：所述地锚（1)、承力框架座（2)、横力梁（3)、试样盒￠)、下平板 (7a)、上平板（7b)、滚轴（8)和固定支架（17)均为钢制。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的利用现场大型直剪试验装置检测粘性土抗剪 强度的方法，其特征在于：所述试样盒（6)长宽高分别为4〇 CmX4〇CmX15cm。
【文档编号】G01N3/24GK104142275SQ201410335875
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】阳云华, 赵旻, 强鲁斌, 赵鑫, 朱瑛洁, 张良平, 麻斌, 耿军民 申请人:长江勘测规划设计研究有限责任公司, 长江岩土工程总公司（武汉）