土体原位剪切试验装置的制作方法

本发明涉及一种岩土工程测试装置，具体是一种竖向压力恒定变形自由的土体原位剪切试验装置。

背景技术：

现场原位剪切试验是探求岩土体真实强度的一项必备试验，剪切试样尺寸大、扰动小，试验结果更具可靠性。常用的原位直剪仪主要由竖向压力系统、水平剪力系统以及数据采集系统所组成。由于现场试样尺寸大，维持试样所需的竖向载荷需要的加载量大(重达数吨)，并且随试样位置更换竖向荷载必须随之搬动，工作量大，费时费力。因此，如何方便快捷地为试验过程提供准确且稳定的竖向载荷成为现场直接剪切试验的关键问题。

现有技术中，现场原位剪切试验的竖向载荷一般通过堆载或仪器自重提供。堆载法的堆载过程繁琐，时间长，工作量大，安全性差；依靠仪器自重提供竖向载荷时，仪器框架与试样竖向荷载施加装置相连，由仪器自重或施加在框架上的外荷载提供反力，据此维持试样所需的竖向压力。上述两种方式，均难以为试验提供精确恒定的竖向压力，且剪切过程中稳定性差；多数情况下同时限制了竖向变形的发展，而试样在剪切破坏时试样体积发生变化也是试验过程中需要测量的一个重要指标，影响最终实验结果。中国专利号cn201610349059.0提出来一种试样竖向变形自由的室内试验竖向压力杠杆加载法，通过设定可上下移动的加压横杆保证了试验过程中对环形试样进行竖向加载的变形位移空间，但该法只适用于室内环剪试验；当试样尺寸大，且为现场原位水平剪切试验时，剪切过程中试样水平移动时此法无法达到理想效果。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种土体原位剪切试验装置，该装置能够在土体试样剪胀、剪缩破坏时仍为试样提供垂直施加且大小恒定的竖向载荷，并且不妨碍试样竖向变形。

技术方案：一种竖向压力恒定变形自由的土体原位剪切试验装置，包括水平剪切系统、竖向加压系统以及数据采集系统；具体地，水平剪切系统包括电机、底座、抗滑锚杆、连接螺丝、300mm*300mm方形剪切盒；竖向加压系统包括滑动支座、滑槽、反力支架、反力板、加力杠杆、配重砝码、微调砝码、光滑椭圆接触体和钢垫板；数据采集系统包括水平及竖向轴力传感器、水平及竖向位移传感器以及数据采集箱。

电机与剪切盒之间设有轴力传感器，三者间通过连接螺丝固定连接，为整个剪切装置提供水平剪切力；抗滑锚杆通过底座的预留孔打入土体内部，防止剪切时装置产生水平位移；加力杠杆下方设置有光滑椭圆接触体；所述光滑接触体下设置有轴力传感器；剪切盒内试样上方设有钢垫板；加力杠杆一端设置有滑动支座；加力杠杆的另一端设置有配重砝码；水平位移传感器、竖向位移传感器能够测取水平及竖向位移；数据采集箱与各传感器相连，测量记录剪切过程中各项数据变化；试样为原状样，试样与地面保持天然连接。

剪切过程中滑动支座可在反力支架上设置的滑槽内自由滑动，且滑槽始终保持双向水平，保证滑动支座所受反力始终垂直向下，同时剪切过程中竖向压力系统与试样同步移动。

加力杠杆下方设置接触体，接触体上设置有光滑椭圆形凹槽，该光滑椭圆形凹槽与轴力传感器上方设置的光滑椭圆形凸起相接触，从而将加力杠杆所提供的压力施加给试样，并运用椭圆接触保证竖向压力始终竖直施加。相同配重情况下，支座采用光滑椭圆接触的形式能有效降低杆件所受最大正应力的大小，降低对杆件材质的要求。

加力杠杆两端底部采用弧型设计，保证杠杆与滑动支座及配重砝码接触点、光滑椭圆接触点，三点在同一水平线上。

配重砝码与所述接触体之间还设有滑动微调砝码，用于精确控制试验载荷为试验设定值；同时，若试验过程产生异常现象导致竖向轴力计读数变化时，也可通过微调砝码保证竖向压力恒定。

工作原理：工作开始前，先对试验区土样进行人工切削至正好可放入剪切盒大小，削平试样顶部，将剪切盒套于试样外周，安装仪器底座，并将抗滑锚杆从底座预留孔打入土体内部，防止底座在试验过程中产生水平位移；固定水平轴力传感器与剪切盒间的连接螺丝，将水平位移计固定于电机侧面；将钢垫板安装于试样顶部，将轴力传感器固定于钢垫板上，将竖向加压装置的接触体的光滑椭圆凹槽固定于加力杠杆上，并与剪切盒钢垫板上方的椭圆凸起相接触。由于反力支架的作用，加力杠杆一端始终保持水平且高度不变，通过调整配重砝码使竖向压力至设定载荷附近，再调整微调砝码精确至荷载设定值；将各传感器与采集箱相连，启动电机，给土体试样施加应变速率恒定的水平剪切力，开始试验。

试样剪切过程中，通过滑槽配合滑动支座消除水平摩擦力对剪应力的影响，保证剪切过程中竖向压力系统与试样同步移动；由于反力板及滑槽始终保持双向水平，故滑动支座端杠杆所受反力始终竖直向下；由光滑椭圆接触面受力原理可知，杠杆提供给试样的压力始终竖直向下；由于配重及微调砝码受重力作用，其力的大小不变、方向始终竖直向下。由于杠杆两端采用弧形设计，杠杆水平时，杠杆与滑动支座接触点、杠杆与配重砝码接触点以及光滑椭圆接触点三点在同一水平线上，当试样产生剪胀、剪缩等竖向变形时，杠杆倾斜，杠杆下的接触体固定于杠杆上，反力支点、配重力的作用点在杠杆上固定，且三点一线。剪切过程中，加载系统为整体位移，因此杠杆各支点间长度不变，各支点受力方向不变，故加力杠杆两端的臂长比值始终保持不变。当配重大小不变时，根据力的平衡原理可知接触体对剪切盒内试样的竖向压力大小及方向也保持不变。同时，由于整个加载系统采用可产生竖向位移的杠杆加载法，因此，试样竖向变形不受限制。

有益效果：本发明所提供的一种土体原位剪切试验装置，可以在不限制试样竖向变形发展的情况下运用椭圆接触保证竖向力始终垂直施加且大小恒定，并且能够精确调整竖向力的大小，使得试验结果更加精准。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的滑动支座及滑槽结构主视图；

图3为本发明的滑动支座及滑槽结构左视图。

具体实施方法

如图1所示，一种竖向压力恒定变形自由的土体原位剪切试验装置，包括水平剪切系统、竖向加压系统以及数据采集系统；具体地，水平剪切系统包括电机1、底座2、抗滑锚杆3、连接螺丝6、300mm*300mm方形剪切盒7；竖向加压系统包括滑动支座8、反力支架9、滑槽91、反力板92、加力杠杆10、配重砝码11、微调砝码111、接触体13和钢垫板15；数据采集系统包括水平轴力传感器4、水平位移传感器5、竖向轴力传感器14、竖向位移传感器12以及数据采集箱16。电机1与剪切盒7之间设有轴力传感器4，并配合连接螺丝6固定连接，为整个剪切装置提供水平剪切力，并保证剪切过程中剪切盒不发生倾斜，试样只能发生水平及竖直方向的位移；抗滑锚杆3通过底座2的预留孔打入土体内部，防止剪切时整个装置产生水平位移；加力杠杆10下方固定有接触体13；接触体13下设置有轴力传感器14，轴力传感器下方设有钢垫板15；加力杠杆10一端设置有滑动支座8，另一端设置有配重砝码11；水平位移传感器5、竖向位移传感器12能够测取水平及竖向位移；数据采集箱16与各传感器相连，测量记录剪切过程中各项数据变化；试样17为原状样，试样与地面保持天然连接。

为了精确控制竖向压力，配重砝码11与所述接触体13之间还设有滑动微调砝码111。

加力杠杆10下方设置的接触体13上设置有光滑的椭圆形凹槽，该椭圆形凹槽与轴力传感器14上方设置的光滑椭圆形凸起相接触，从而将加力杠杆10竖直向下的压力施加给试样17，运用椭圆接触保证向试样17施加的竖向力始终垂直于试样顶部。

如图1所示，加力杠杆10两端底部采用弧型设计，保证加力杠杆10与滑动支座8及配重砝码11的接触点、光滑椭圆接触点，三点在同一水平线上。

加力杠杆10一端设有滑动支座8，滑动支座8可在反力支架9上设置的双向水平反力板92下的滑槽91内自由滑动，滑槽91的长度大于滑动支座8的运动轨迹以保证滑动支座8在滑槽91内始终处于可滑动状态，故试样17剪切破坏时加力杠杆10与之同步移动，杠杆10、滑动支座8、光滑椭圆接触以及配重砝码11共同组成了杠杆比恒定、竖向压力大小及方向不变、试样变形自由的加压系统。

如图2和图3所示，为了使得加力杠杆10一端能够在反力支架9的滑槽91内滑动而不会由于加力杠杆10的位置变化而造成不稳定或者偏移，故在加力杠杆10上设置有倒三角形的滑动支座8；滑动支座8底边与水平滑槽91平行，两个底角上各设有一个滑轮81，滑轮在滑槽91内滑动；滑动支座8的顶角固定连接在加力杠杆10上的转轴82上。

如图3所示，为了使滑动支座8的滑轮81在滑槽91内滑动时保证加力杠杆10受力平稳不侧翻，在反力支架上设置两个相互平行且关于加力杠杆10轴向中心轴线对称的滑槽91，转轴82垂直贯穿加力杠杆10两侧面，转轴82两端关于加力杠杆10中心轴线对称；两个形状相同且相互平行的倒置三角形滑动支座8固定在转轴82的两端，对称布置于加力杠杆10的两侧。