一种粗粒土多尺度原位强度测试装置的制作方法

本实用新型涉及土的力学性能试验领域，特别是涉及一种粗粒土多尺度原位强度测试装置。

背景技术：

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)，岩土体抗剪强度测试主要有常规三轴剪切试验和直接剪切试验。

常规三轴剪切试验是模拟岩土体受轴对称压力条件下进行岩土体变形和破坏的试验。圆柱形的岩土试样在不同的围压作用下，使粗粒土试样得到固结，固结后逐渐施加轴向压力直至试样破坏。由于试验室加荷条件的限制，常规试验的试样尺寸不能满足粗粒土的要求，对于含较大粒径的粗粒土则无法进行测定，实验室的质量替代等方法的测试结果也会造成一定的误差。另一方面，三轴剪切试验中需要人工制备试样，无法保持粗粒土试样的原始结构和应力状态，所得到的粗粒土的内摩擦角和内聚力c较大程度地无法反映原状土的力学性状。

室内直剪试验是对土体进行规定剪切面的条件下进行的剪切试验，其设备简单，操作方便，因而广为使用。常用的试验仪器有大型直剪试验仪和常规的直剪试验仪。但由于试验前都需人工制备试样，存在粗粒土原始结构和应力状态扰动的问题，对于常规的直剪试验，试样较小，忽略大粒径后的试验结果会导致较大的误差。鉴于粗粒土的“尺度效应”对其力学参数的影响的重要性，开展原位测试是十分必要的。

目前，现场水平直剪试验以水平推剪试验应用较为广泛，但是存在的缺陷主要是，试验装置中受力板尺寸单一，剪切过程中受力面的尺寸对试验结果的影响并没与考虑在其中。

即在测试中，须考虑岩土试样的“尺寸效应”。一般情况下，岩土试样的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高。

在粗粒土的原位推剪试验过程中也存在这一现象，采用单一尺寸的承压板导致试验结果不够准确。

因此，业内亟需一种多尺度，试验误差小，适用性广，能快速、精准的获取粗力土抗剪强度性质指标的测试装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种粗粒土多尺度原位强度测试装置，以解决上述现有技术存在的问题，使粗力土抗剪强度性质指标的测试过程能有效减小了单一尺寸承压板带来的误差，克服了实验室测试粗粒土性能存在的缺陷，适用性广，且试验快速、准确。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种粗粒土多尺度原位强度测试装置，包括施力装置、压力表、第一承压板、第二承压板和位移监测装置；所述施力装置置于试坑中，所述第一承压板和所述第二承压板分别设置于所述施力装置两端，所述第一承压板和所述第二承压板形状、尺寸相同，且所述第一承压板和所述第二承压板可更换为多种尺寸；所述压力表用于测定所述施力装置对所述第一承压板或所述第二承压板施加的力的大小，所述位移监测装置用于测定所述第一承压板或所述第二承压板水平方向的位移。

可选地，所述第一承压板和所述第二承压板为面积为900cm²、1600cm²或2500cm²的正方形板。

可选地，所述第一承压板与所述施力装置之间设置有第一垫板，所述第二承压板与所述施力装置之间设置有第二垫板。

可选地，所述第一垫板和所述第二垫板上设置有尺寸与所述施力装置的两端相适应的凹槽。

可选地，所述第一垫板与所述第一承压板通过螺丝连接，所述第二垫板与所述第二承压板通过螺丝连接。

可选地，还包括固定架，所述固定架底部固定于试坑坑底，所述固定架上部设置有与所述施力装置外围尺寸相适应的托槽。

可选地，所述位移监测装置包括电连接的位移记录显示器和位移传感器，所述位移传感器一端设置于所述固定架上，所述位移传感器另一端设置于所述第一承压板或所述第二承压板上。

可选地，所述施力装置为液压式千斤顶，所述液压式千斤顶的缸体连接有千斤顶油箱。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型在测试地点开挖试坑进行原位测试，克服了人工制备土样无法保持粗粒土试样的原始结构和应力状态的缺陷，适用性广，同时采用多尺度承压板分别测试，有效减小了单一尺寸承压板带来的误差，试验精度高，且操作方便，高效。

进一步地，第一垫板和第二垫板的使用可以确保第一承压板和第二承压板受力均匀，并且第一垫板和第二垫板上设置的凹槽能够限制施力装置端部发生位移，提高装置的稳定性，第一垫板和第二垫板通过螺丝与第一承压板和第二承压板可拆卸连接，方便不同尺寸的第一承压板和第二承压板更换。

进一步地，固定架能够限制施力装置的侧向移动，从而有效防止施力装置在施加压力的过程中，由于压力过大导致施力装置产生滑动，进而使试验实效。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置的主视图；

图2为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置的俯视图；

图3为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置的第一承压板或第二承压板的结构图；

图4为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置的第一垫板或第二垫板的结构图；

图5为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置的固定架的结构图；

图6为本本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置使用过程中试体破坏时的剖面示意图；

图7为本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置使用过程中试体破坏面计算模型图；

图中：1-施力装置；2-压力表；3-第一承压板；4-第二承压板；5-第一垫板；6-第二垫板；7-位移传感器；8-位移记录显示器；9-固定架；10-千斤顶油箱；11-凹槽；12-托槽；13-试体；L-试体破裂面长度；H-滑动土体在竖直方向的高度；α-破裂面与水平方向夹角；τ-破裂面上的剪切应力；P-施力装置的水平推力；G-破裂面以上土体的重力。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种粗粒土多尺度原位强度测试装置，包括施力装置、压力表、第一承压板、第二承压板和位移监测装置；所述施力装置置于试坑中，所述第一承压板和所述第二承压板分别设置于所述施力装置两端，所述第一承压板和所述第二承压板形状、尺寸相同，且所述第一承压板和所述第二承压板可更换为多种尺寸；所述压力表用于测定所述施力装置对所述第一承压板或所述第二承压板施加的力的大小，所述位移监测装置用于测定所述第一承压板或所述第二承压板水平方向的位移。

本实用新型在测试地点开挖试坑进行原位测试，克服了人工制备土样无法保持粗粒土试样的原始结构和应力状态的缺陷，适用性广，同时采用多尺度承压板分别测试，有效减小了单一尺寸承压板带来的误差，试验精度高，且操作方便，高效。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置，包括施力装置1、压力表2、第一承压板3、第二承压板4和位移监测装置；施力装置1置于试坑中，第一承压板3和第二承压板4分别设置于施力装置1两端，且第一承压板3和第二承压板4形状、尺寸相同，且第一承压板3和第二承压板4可更换为多种尺寸；压力表2用于测定施力装置1对第一承压板3或第二承压板4施加的力的大小，位移监测装置用于测定第一承压板3或第二承压板4水平方向的位移。

启动施力装置1并调整施力大小，施力装置1两端可分别推动第一承压板3和第二承压板4在水平方向上运动，进而推动试坑两侧试体13运动；压力表2和位移监测装置可分别实时监测施力装置1对试体13施加力的大小以及试体13内滑动土体的位移量。

进一步地，第一承压板3和第二承压板4为面积为900cm2、1600cm2或2500cm²的正方形板。

进一步地，第一承压板3与施力装置1之间设置有第一垫板5，第二承压板4与施力装置1之间设置有第二垫板6。

进一步地，第一垫板5和第二垫板6上设置有尺寸与施力装置1的两端相适应的凹槽11。

施力装置1两端分别嵌入第一垫板5和第二垫板6的凹槽11内，从而限制施力装置1的端部位移，进而提高施力装置1的工作稳定性。

进一步地，第一垫板5与第一承压板3通过螺丝连接，第二垫板6与第二承压板4通过螺丝连接。

第一垫板5上设置有与第一承压板3相对应的螺纹孔，第二垫板6上设置有与第二承压板4相对应的螺纹孔，通过螺丝穿过螺纹孔将第一垫板5与第一承压板3、第二垫板6与第二承压板4进行固定，从而方便不同尺寸的第一承压板3和第二承压板4的更换；与此同时，第一垫板5和第二垫板6的使用可以确保第一承压板3和第二承压板4受力均匀。

进一步地，还包括固定架9，固定架9底部固定于试坑坑底，固定架9上部设置有与施力装置1外围尺寸相适应的托槽12。

将施力装置1置于固定架9的托槽12中，能够有效限制施力装置1的侧向移动，从而有效防止施力装置1在施加压力的过程中，由于压力过大导致施力装置1产生滑动，进而使试验实效。

进一步地，位移监测装置包括电连接的位移记录显示器8和位移传感器7，位移传感器7一端设置于固定架9上，位移传感器7另一端设置于第一承压板3或第二承压板4上；位移传感器7将测得的位移信息传输至位移记录显示器8，并在位移记录显示器8上显示。

由于固定架9保持不动，第一承压板3和第二承压板4随试体13内的滑动土体移动，从而位移传感器7能够准确测出试坑任意一端试体13内滑动土体的水平位移，并在位移记录显示器8上显示。

进一步地，施力装置1为液压式千斤顶，液压式千斤顶的缸体连接有千斤顶油箱10。

使用本实用新型提供的粗粒土多尺度原位强度测试装置进行粗粒土强度测试的方法，包括以下步骤：

步骤一：平整土体表面，进行原状土的采集以便进行土工试验测定土的天然重度、含水率等指标，然后开挖试坑，使试坑相对两侧的土体形成受力面相互平行的一组试体13；根据需要开挖深度分别为35cm、45cm、55cm的试坑各1组，开挖完成后平整试坑表面；

步骤二：第一承压板3和第二承压板4分别紧贴两相对的试体13，通过螺丝将第一垫板5、第二垫板6分别和第一承压板3和第二承压板4固定，将施力装置1置于第一垫板5和第二垫板6中间；

步骤三：首先进行预加载，在缓慢加载后位移监测装置出现突变时即停止预加载，记录开始时刻压力表2的读数，然后启动施力装置1进行逐级加压；

施力装置1施加速度根据第一承压板3和第二承压板4尺寸的不同有所改变：

第一承压板3和第二承压板4面积为900cm2时，施力装置1每隔20s加载100kPa；

第一承压板3和第二承压板4面积为1600cm2时，施力装置1每隔20s加载80kPa；

第一承压板3和第二承压板4面积为2500cm2时，施力装置1每隔20s加载50kPa；

步骤四：当第一承压板3或第二承压板4的位移测量出现突变时，此时认为试体13被剪坏，这时记录压力表2读数，即为试体13所受最大压力Pmax；

步骤五：试体13的抗剪强度性质指标内聚力c和内摩擦角的计算：假定试体13的破裂面视为一较为平直的破裂面，则滑动土体为一五面体，在剖面上为一直角三角形；根据上述试验方法，测得破裂面长度为L，滑动土体在竖直方向高度为H，破裂面与水平方向夹角为α；

步骤六：根据摩尔-库伦强度理论，土体破坏时在破裂面上的剪切应力τ已经达到了土体的抗剪强度τf，即τ＝τf，破裂面上的剪切应力τ＝(Pmaxcosα-Gsinα)/(bL)，土体抗剪强度故有静力平衡公式：其中，G为破裂面以上土体的重力，b为承压板的边长；

步骤七：采用不同尺寸的第一承压板3和第二承压板4，重复步骤一至步骤五，得出多组Pmax、L、H和α的不同数据，并将每组数据分别代入步骤六中的公式中，然后两两组合得出多组内聚力c和内摩擦角值，最后取多组内聚力c和内摩擦角值的平均值，即为所求。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。