粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置的制作方法

本发明涉及剪切测试装置，具体涉及一种粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置。

背景技术：

随着交通工程标准的提高，如修建高速公路与高速铁路，其线路的平顺性要求也越来越高，由此导致隧道工程、路堑工程及边坡挖方工程越来越多，在上述工程施工中，当地层处于一定的风化岩地层状态下，将产生大量的粗粒土。此外，在工业生产中也将产生大量的废渣，如高炉渣，经重锤夯实处理后，也属于粗粒土。对于上述粗粒土的最好处理方法是用于填筑路基或地基，而抗剪强度、黏聚力、内摩擦角作为粗粒土的重要力学参数，其准确测定对路基与地基的强度、稳定性等分析至关重要。

如图1、2所示，对于粗粒土的力学参数确定，最快捷、方便的测试方法是利用大型直剪仪进行直剪试验。然而，直剪试验实践表明，直剪试验过程中剪切盒内的应力非常复杂，理论剪切面上的剪力极不均匀，导致剪切面上不同位置的剪胀量与剪缩量相差较大，而现有的大型直剪仪法向加载板2只有一块并由单个法向加载千斤顶1加载，因此法向加载板出现翘起现象，由此导致法向荷载不均匀。由此可见，现有的大型直剪仪主要存在以下问题：剪切面上的法向荷载不均匀，剪切面上的剪力分布也不均匀，在粗粒土直剪试验过程中上剪切盒3与下剪切盒4之间的理论剪切面的面积逐渐减小，因此得到的粗粒土的剪切强度不准确，因此由剪切强度反算得到的黏聚力与内摩擦角等力学参数也不准确。

此外，中国专利cn201410216856a公开了一种恒定剪切面直剪仪，该直剪仪采用旋转的方式进行直剪，由于剪切面上的半径不同，因此在试验过程中剪切位移也不同。而剪切力的大小及发展与发挥程度直接与剪切位移相关。此外，该直剪仪中的上剪切盒上只有一个竖向加载板，上剪切盒内的径向隔板剪承担一部分竖向荷载，导致竖向荷载不准。此外，上剪切盒只有一块径向隔板，加上剪切位移不同，导致剪切面上的剪力仍然不均匀，无法准确测试到剪切强度。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置，该剪切盒结构及法向加载装置通过将上剪切盒盒体空间分隔为4-7个土舱并由相对应数量的法向加载千斤顶进行加载以获得均匀剪力，同时通过将上剪切盒在纵向上的两端板厚度进行加厚使其不小于允许的最大剪切位移，从而确保有效剪切面积保持恒定不变。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置，其特征在于包括自下而上依次设置的下剪切盒、上剪切盒以及法向加载装置，所述下剪切盒内间隔设置有4-7块竖向隔板ⅰ；所述上剪切盒内经竖向隔板ⅱ分隔为4-7个土舱；所述法向加载装置具有与所述土舱数量相对应的法向加载千斤顶，各所述法向加载千斤顶的底端部安装有与所述土舱尺寸相适配的法向加载板。

所述上剪切盒为一呈上、下敞口的盒体，所述盒体内沿纵向等间隔设置有3-6块所述竖向隔板ⅱ。

所述上剪切盒在纵向上的两端板厚度不小于允许的最大剪切位移。

所述竖向隔板ⅱ的顶部与所述上剪切盒的顶部相齐平，所述竖向隔板ⅱ的底部位于所述上剪切盒中并与其底部存在高度差。

所述上剪切盒的高度为300-450mm、内部净宽度为400mm-600mm，所述竖向隔板ⅱ的厚度为15-25mm、高度为250-400mm，所述竖向隔板ⅱ的底部距所述上剪切盒与所述下剪切盒之间的理论剪切面为40-60mm；所述上剪切盒在纵向上的两端板厚度为200-250mm。

所述下剪切盒为一呈上部敞口、下部封闭的盒体，所述盒体内沿纵向间隔设置有4-7块竖向隔板ⅰ，且所述竖向隔板ⅰ与所述上剪切盒中的所述竖向隔板ⅱ相互错位设置。

所述竖向隔板ⅰ的底部与所述下剪切盒的底部相齐平，所述竖向隔板ⅰ的顶部位于所述下剪切盒中并与其顶部存在高度差。

所述下剪切盒的高度为200-250mm、内部净宽度为400mm-600mm，所述竖向隔板ⅰ的厚度为15-25mm、高度为150-200mm，所述竖向隔板ⅰ的顶部距所述下剪切盒与所述上剪切盒之间的理论剪切面为40-60mm；所述下剪切盒底部设置有若干圆形滚条。

各所述法向加载千斤顶大小型号相同，且并联于同一加载油泵上。

所述法向加载板与所述法向加载千斤顶之间经万向铰连接。

本发明的优点是：在粗颗粒土进行大型直剪试验时在剪切面上产生的剪力更加均匀，且随着剪切位移的增加，其有效剪切面面积保持恒定不变，测试结果与实际情况更加接近，可提高粗颗粒土剪切强度的测试精度。

附图说明

图1为现有技术中粗粒土大型直剪仪结构组成示意图；

图2为现有技术中粗粒土大型直剪仪在直剪试验时的示意图；

图3为本发明中直剪仪剪切盒结构及法向加载装置结构示意图；

图4为本发明中直剪仪剪切盒结构及法向加载装置在直剪试验时的示意图；

图5为本发明图3中上剪切盒的a-a剖视图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中各标记分别为：法向加载千斤顶1、法向加载板2、上剪切盒3、下剪切盒4、法向加载装置5、法向加载千斤顶6、法向加载板7、上剪切盒8、竖向隔板9、端板10、土舱11、竖向隔板12、土舱13、下剪切盒14、滚条15、侧板16。

实施例：如图3、4、5所示，本实施例具体涉及一种粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置，该直剪仪包括自下而上依次设置的下剪切盒14、上剪切盒8以及法向加载装置5。

如图3、4、5所示，上剪切盒8为一呈上、下敞口的盒体，盒体的矩形框架由两端板10以及两侧板16围合而成，在直剪试验时，上剪切盒8的盒体固定安装于外部基准物上以保持其位置始终固定不动。在上剪切盒8的盒体内，沿纵向等间隔设置数道竖向隔板9，以将盒体空间分隔为4-7个相同尺寸的土舱11，此处的纵向是指在具体直剪试验时下剪切盒14的移动方向，且竖向隔板9是垂直于纵向设置的；其中，竖向隔板9的顶部与上剪切盒8的顶部相齐平、底部位于上剪切盒8中并与之存在一定的高度差；此外，相较于如图1中所示的直剪仪结构，本实施例中对于上剪切盒8的端板10进行了厚度增加，使端板10的厚度不小于直剪试验过程中允许的最大剪切位移。本实施例中，上剪切盒8的尺寸规格如下：上剪切盒8的盒体内部净宽度为450mm-600mm，净长度为800mm-1000mm；上剪切盒8的盒体高度为300mm—450mm，竖向隔板9的高度为250mm-400mm，竖向隔板9与上剪切盒8顶部平齐，确保上剪切盒8中竖向隔板9的底部距离理论剪切面为40mm-60mm；此外，各土舱11的规格相同，约为150-200mm的长度；且端板10的厚度为200-250mm。

如图3、4、5所示，法向加载装置5由4-7法向加载千斤顶6组合而成，法向加载千斤顶6的数量与上剪切盒8内土舱11的数量相对应，各法向加载千斤顶6分别对应布置于相应土舱11的正上方，且各法向加载千斤顶6的下端部经万向铰连接法向加载板7，法向加载板7的尺寸与相应土舱11的尺寸相对应，以能够完全覆盖加载到土舱11内的土体为宜；法向加载装置5还包括一加载油泵，各法向加载千斤顶6同时并联于该加载油泵上，且所有的法向加载千斤顶6大小相同，以使工作时各法向加载千斤顶6能够产生相同的法向压力。

如图3、4、5所示，下剪切盒14设置于上剪切盒8的正下方，下剪切盒14为一呈上部敞口、底部封闭的盒体，盒体底部与地面之间布置有若干圆形滚条15，从而在直剪试验过程中，能够使下剪切盒14能够与上剪切盒8之间产生相对位置变化，形成剪切位移。同样的，在下剪切盒14中，沿纵向间隔布置有4-7块竖向隔板12，以将下剪切盒14的盒体分隔为5-8个土舱13，但下剪切盒14中的竖向隔板12应与上剪切盒8中的竖向隔板9进行相互错位设置；其中，竖向隔板9的底部与下剪切盒14的底部相齐平，竖向隔板9的顶部位于下剪切盒14中但与下剪切盒14的顶部存在一定的高度差。本实施例中，下剪切盒14的尺寸规格如下：下剪切盒14的高度为200-250mm，竖向隔板9的厚度为15mm—25mm、高度为150mm-300mm，竖向隔板9与下剪切盒14的底部平齐，确保下剪切盒14内的竖向隔板9顶部距离理论剪切面为40mm-60mm。

如图3、4、5所示，本实施例中粗粒土大型直剪仪剪切盒结构及法向加载装置在试验过程中，将上剪切盒8进行固定，向左一侧抽出下剪切盒14时，由于上剪切盒8的端板10增加了厚度，且下剪切盒14的右侧部分存在冗余，因此随着剪切位移的增加，可以确保上剪切盒8与下剪切盒14之间有效剪切面面积保持恒定不变。同时根据千斤顶的液压传导原理，下剪切盒14冗余部分的土体进入接触面后能够形成紧密接合面，与实际土体受剪切过程相同，提高了试验的准确性。上剪切盒8与下剪切盒14的剪切面承受着来自各法向加载千斤顶6施加的均布土压力，其中，当下剪切盒8内最右侧土舱13内的冗余部分进入接触面时，位于其上方相应的法向加载千斤顶6将会单独下压以减小土体孔隙。与此同时，为了防止应力集中而致使上剪切盒8的盒体产生挠曲，下剪切盒14在向一侧抽出一定距离后应当停止移动，结束试验，即下剪切盒14的移动距离应位于允许的最大剪切位移之内。需要说明的是，在直剪试验时，同时测试各块法向加载板7的竖向位移，用于分析填料的剪胀量与剪缩量。

本实施例的有益效果在于：在粗颗粒土进行大型直剪试验时在剪切面上产生的剪力更加均匀，且随着剪切位移的增加，其有效剪切面面积保持恒定不变，测试结果与实际情况更加接近，可提高粗颗粒土剪切强度的测试精度。