定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪及其工作方法与流程

本发明涉及一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪及其工作方法，属于岩土工程测量设备领域。

背景技术：

在岩土工程领域，剪切破坏作为土体失稳的主要模式，能否准确测量土体的抗剪强度指标在岩土工程建设中尤为重要。常用的抗剪强度指标测量方法包括：原位十字板试验、原位大型直剪试验、室内三轴压缩试验、室内小型直剪试验等。其中，室内小型直剪仪具有构造简单，操作方便等优点，被广泛使用。

但常规的室内小型直剪仪，受限于自身尺寸，无法真实反映土体抗剪强度的尺寸效应，更无法对含有碎石的土样测定其抗剪强度。若将室内直剪仪大型化，则至少需要克服以下几个问题：上下盒之间的摩擦将抵消一部分剪切力，使得测试结果不准确；上下盒错开较大行程后，法向力和剪切力的方向不容易控制（易发生偏心）；需要大型的反力装置来提供较大的法向力和剪切力。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪及其工作方法，不仅结构简单，而且便捷高效。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪，包括用于盛装土样的上剪切盒与下剪切盒，所述上剪切盒无底盖，所述下剪切盒无顶盖，上剪切盒的底部经第一滚体支撑在下剪切盒的顶部并经水平加载千斤顶驱动沿剪切方向进行平移运动；上剪切盒的内顶部设置有经竖向加载千斤顶驱动进行升降运动的剪切盒盖板，竖向加载千斤顶的顶部经第二滚体在其上方的机架平面上沿剪切方向进行平移运动。

优选的，所述第一滚体包括分布在上剪切盒与下剪切盒衔接处的两相对侧的若干滚珠，其中上剪切盒的底部两相对侧边缘对称设有沿剪切方向延伸的v型上槽，下剪切盒的顶部两相对侧边缘对称设有沿剪切方向延伸的v型下槽，所述滚珠中下部均嵌入同侧的v型下槽、中上部均嵌入同侧的v型上槽。

优选的，所述上剪切盒的两相对外侧部上均开设有沿剪切方向延伸的倒90度“凸”字形定向滚槽，所述下剪切盒的两相对外侧部上均经螺栓螺接有定向轮把手，所述定向轮把手的顶部均设置有轮槽，轮槽上均安装有用以嵌入定向滚槽的定向滚轮。

优选的，所述下剪切盒的每侧定向滚轮数量至少为两个。

优选的，所述上剪切盒无顶盖，所述剪切盒盖板经竖向加载千斤顶驱动压紧在土样顶部表面，竖向加载千斤顶顶部设置有一水平承载板，水平承载板上表面设置有凹槽，所述第二滚体包括若干根卧式滚柱，若干根卧式滚柱的轴线垂直于剪切方向且下部均部分位于凹槽内部，若干根卧式滚柱的顶部与机架平面滚动配合。

优选的，所述机架包括反力框架，反力框架由水平的反力框顶板、反力框底板组成，反力框底板的四个角落均竖直固设有反力框螺杆，反力框顶板的四个角落均设置有用以反力框螺杆穿过的安装通孔，反力框顶板下表面与第二滚体接触、上表面经旋紧在穿过安装通孔的反力框螺杆顶部螺母锁紧。

优选的，所述反力框底板上固设有一竖直的反力框侧板，反力框侧板内侧与安装在上剪切盒侧部的水平加载千斤顶外端部顶接、外侧与反力框底板之间固设有加强肋。

优选的，所述反力框底板上固设有若干根螺柱，下剪切盒的内底部设置有用以螺柱穿过的安装通孔。

一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪的工作方法，按以下步骤进行：（1）将下剪切盒安装于反力框架的反力框底板上，在v型下槽上放置滚珠；（2）对准v型上槽和滚珠安放上剪切盒，将定向滚轮沿定向滚槽移到预定位置后，拧紧固定定向轮把手的螺栓将其固定；（3）安装水平加载千斤顶，在上、下剪切盒内填入制备好的碎石土样，安放剪切盒盖板；（4）安装竖向加载千斤顶，并在竖向加载千斤顶上方依次安放水平承载板和卧式滚柱；（5）安放反力框顶板，旋紧螺母，反力框顶板下表面与卧式滚柱接触，至此直剪仪安装完成；（6）通过竖向加载千斤顶施加第一级竖向荷载，待土体竖向位移稳定后，通过水平加载千斤顶缓慢施加剪切力，并记录剪切力与剪切位移的关系曲线；（7）剪切完成后，卸载，清理土样；（8）重复上述步骤，依次施加第二级、第三级和第四级竖向荷载，根据所记录的四条剪切力与剪切位移曲线，计算土样的抗剪强度指标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪的结构简单，上、下剪切盒之间通过第一滚体，大大降低上、下剪切盒之间的摩擦；通过设置第二滚体，使竖向加载千斤顶可随剪切位移而同步平移，竖向力恒定于土体中心；以上设计精巧的试验装置，可使抗剪强度指标的测试结果更加准确。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的构造示意图。

图2为上剪切盒的构造示意图。

图3为下剪切盒的构造示意图。

图4为竖向加载千斤顶与剪切盒盖板、水平承载板与卧式滚柱的爆炸示意图。

图5为反力框架的构造示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~5所示，一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪，包括用于盛装土样的上剪切盒1与下剪切盒2，所述上剪切盒无底盖，所述下剪切盒无顶盖，上剪切盒的底部经第一滚体支撑在下剪切盒的顶部并经水平加载千斤顶3驱动沿剪切方向进行平移运动；上剪切盒的内顶部设置有经竖向加载千斤顶4驱动进行升降运动的剪切盒盖板5，竖向加载千斤顶的顶部经第二滚体在其上方的机架平面上沿剪切方向进行平移运动。

在本发明实施例中，所述第一滚体包括分布在上剪切盒与下剪切盒衔接处的两相对侧的若干滚珠6，其中上剪切盒的底部两相对侧边缘对称设有沿剪切方向延伸的v型上槽7，下剪切盒的顶部两相对侧边缘对称设有沿剪切方向延伸的v型下槽8，所述滚珠中下部均嵌入同侧的v型下槽、中上部均嵌入同侧的v型上槽。

在本发明实施例中，所述上剪切盒的两相对外侧部上均开设有沿剪切方向延伸的倒90度“凸”字形定向滚槽9，所述下剪切盒的两相对外侧部上均经螺栓螺接有定向轮把手10，所述定向轮把手的顶部均设置有轮槽11，轮槽上均安装有用以嵌入定向滚槽的定向滚轮12；上、下剪切盒之间通过定向滚轮和定向滚槽，使剪切位移的方向保持恒定，通过v型上、下槽和滚珠等装置，大大降低上、下剪切盒之间的摩擦。

在本发明实施例中，所述下剪切盒的每侧定向滚轮数量至少为两个。

在本发明实施例中，所述上剪切盒无顶盖，所述剪切盒盖板经竖向加载千斤顶驱动压紧在土样顶部表面，竖向加载千斤顶顶部设置有一水平承载板13，水平承载板上表面设置有凹槽14，所述第二滚体包括若干根卧式滚柱15，若干根卧式滚柱的轴线垂直于剪切方向且下部均部分位于凹槽内部，若干根卧式滚柱的顶部与机架平面滚动配合。

在本发明实施例中，所述机架包括反力框架，反力框架由水平的反力框顶板16、反力框底板17组成，反力框底板的四个角落均竖直固设有反力框螺杆18，反力框顶板的四个角落均设置有用以反力框螺杆穿过的安装通孔，反力框顶板下表面与第二滚体接触、上表面经旋紧在穿过安装通孔的反力框螺杆顶部螺母19锁紧；反力框架可在有限的空间内，为试验提供较大的竖向反力和水平向反力，反力框顶板的下表面为机架平面。

在本发明实施例中，所述反力框底板上固设有一竖直的反力框侧板20，反力框侧板内侧与安装在上剪切盒侧部的水平加载千斤顶外端部顶接、外侧与反力框底板之间固设有加强肋21。

在本发明实施例中，所述反力框底板上固设有若干根螺柱22，下剪切盒的内底部设置有用以螺柱穿过的安装通孔。

一种定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪的工作方法，按以下步骤进行：（1）将下剪切盒安装于反力框架的反力框底板上，在v型下槽上放置滚珠；（2）对准v型上槽和滚珠安放上剪切盒，将定向滚轮沿定向滚槽移到预定位置后，拧紧固定定向轮把手的螺栓将其固定；（3）安装水平加载千斤顶，在上、下剪切盒内填入制备好的碎石土样，安放剪切盒盖板；（4）安装竖向加载千斤顶，并在竖向加载千斤顶上方依次安放水平承载板和卧式滚柱；（5）安放反力框顶板，旋紧螺母，反力框顶板下表面与卧式滚柱接触，至此直剪仪安装完成；（6）通过竖向加载千斤顶施加第一级竖向荷载，待土体竖向位移稳定后，通过水平加载千斤顶缓慢施加剪切力，并记录剪切力与剪切位移的关系曲线；（7）剪切完成后，卸载，清理土样；（8）重复上述步骤，依次施加第二级、第三级和第四级竖向荷载，根据所记录的四条剪切力与剪切位移曲线，计算土样的抗剪强度指标。

在本发明实施例中，安装下剪切盒时，螺柱穿过下剪切盒的安装通孔并经螺母旋紧。

在本发明实施例中，上剪切盒内边长宽高尺寸50cm×50cm×25cm，壁厚3cm，无顶盖，无底盖，其定向滚槽高3cm、深2cm，其v型上槽宽2cm、深0.5cm。

在本发明实施例中，下剪切盒内边长宽高尺寸50cm×50cm×25cm，壁厚3cm，无顶盖，有底盖，其两相对侧面均带有两处宽5cm、厚0.5cm的定向轮把手，定向轮把手设置外径3cm的定向滚轮，其v型下槽宽2cm、深0.5cm，每侧v型下槽内布设20粒直径2cm的滚珠，各滚珠间留有一定间隙以其自由滚动，以上构件均由钢材制成。上、下剪切盒的尺寸较大，可对粗粒碎石土开展直剪试验，克服岩土体强度的尺寸效应问题。

在本发明实施例中，水平加载千斤顶和竖向加载千斤顶的吨位为16t，量程为20cm。剪切盒盖板为长宽尺寸50cm×50cm、厚度1cm的钢板，水平承载板的长宽尺寸为30cm×20cm，厚度为1cm，其内开深0.5cm的凹槽，以供放置直径2cm、长16cm的卧式滚柱。

在本发明实施例中，反力框顶板和反力框底板均由长宽尺寸1m×1m、厚度5cm的钢板制成。反力框螺杆的直径4cm、长0.8m。反力框侧板为三角形的格构墩，由厚度2cm的钢板焊接而成。

在本发明实施例中，在步骤（6）中，先施加第一级竖向荷载100kpa，即竖向加载千斤顶的压力为2.5t，待土体竖向位移速率小于0.1mm/min时，可通过水平加载千斤顶施加水平力（水平力按每级0.1t加载），电脑记录剪切力和剪切位移的关系曲线，当曲线出现峰值或最大水平位移达到5cm时，停止加载，完成第一次实验，卸载并清理土样。然后重复以上步骤，完成第二级竖向荷载（200kpa）、第三级竖向荷载（300kpa）和第四级竖向（400kpa）荷载。根据所记录的四条剪切力与剪切位移曲线，计算土样的抗剪强度指标。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的定向低摩擦的自平衡式大型室内直剪仪及其工作方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。