一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备及方法

本发明属于岩土工程试验，具体涉及一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备及方法。

背景技术：

1、由于土在自然沉积或人工填筑过程中会因各种原因导致土颗粒在不同方向上的排列不同，使得土体有明显的各向异性现象，各向异性也会对土体或土与其他材料界面的力学性状造成显著影响。同时剪切试验是研究土体或土与其他材料界面的力学性状最常用的方法之一。因此，想要研究土体或土与其他材料界面的各向异性行为，其中重要的一个环节就是制备无粘性土各向异性剪切试验试样。

2、剪切试验包括直剪试验和单剪试验。目前研究土体或土与其他材料界面的各向异性行为的方法几乎都为直剪试验。但与单剪试验相比，直剪试验中土体变形不均匀，破坏面固定，这不利于土体或土与其他材料界面的各向异性行为的研究。另外，目前的各向异性制样仅考虑了一个方向的倾角，而实际土体沉积在空间上的倾斜是双向的。因此，需要开发新的无粘性土各向异性单剪试验制样设备与使用方法以保证能满足研究土体或土与其他材料界面的各向异性行为的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备及方法，能够制备出任意双向倾角的各向异性单剪试验无粘性土试样，为研究土体或土与其他材料界面的各向异性行为提供需求。

2、本发明的技术方案是：

3、一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备，包括：

4、双向可旋转底座，包括基板、第一转动板以及第二转动板，所述第一转动板位于所述基板与所述第二转动板之间，所述第一转动板相邻的两个边侧分别角度调节组件与所述基板和所述第二转动板转动连接，并且所述第二转动板位于所述第一转动板背离所述基板的一侧，所述角度调节组件用于调节第一转动板与基板或第二转动板之间的夹角；

5、承载座，可拆卸的安装在所述第二转动板背离所述第一转动板的一侧；

6、剪切环组，可拆卸的安装在所述承载座上，所述剪切环组用于约束无粘性土试样的侧向变形。

7、优选的，所述角度调节组件包括第一连接板和第二连接板，所述第一连接板靠近所述第二连接板一侧固连有两个相对设置的第一凸块，两个所述第一凸块背离的侧壁上均固连有螺栓，每个所述螺栓上还套装有第二凸块，所述第二凸块与所述第二连接板靠近所述第一连接板的一侧固连，所述第二凸块背离所述第一凸块的一侧设置有螺母，所述螺母与所述螺栓螺纹连接，并且所述螺母抵接在所述第二凸块上。

8、优选的，所述第一转动板绕所述基板的旋转角为α，所述第二转动板绕所述第一转动板的旋转角为θ，α、θ的取值范围均为0°-90°。

9、优选的，所述承载座包括第一底板，所述第一底板可拆卸的安装在所述第二转动板上，所述第一底板背离所述第二转动板的侧壁上开设有凹槽，所述凹槽内安装有第二底板，所述第二底板为所述剪切环组提供安装空间，用于实现各向异性单剪界面试验。

10、优选的，所述承载座还包括第三底板，所述第三底板用于替换所述第二底板，所述第三底板上固定有圆柱形的凸起，所述第三底板背离所述凸起的一侧安装在所述凹槽内，所述第三底板为所述剪切环组提供安装空间，用于实现纯土各向异性单剪试验。

11、优选的，所述剪切环组包括圆柱形管状结构的橡胶模，所述橡胶模的外侧套设有多个叠加设置的剪切环，且多个所述剪切环通过螺栓连接在所述承载座上，所述橡胶模顶部翻折在远离所述承载座的剪切环上，且所述橡胶模翻折的部分通过上部垫片与所述剪切环固定，所述橡胶模内部靠近所述承载座的位置还设置有侧面垫片，用于对所述橡胶模的定位。

12、优选的，远离所述承载座的所述剪切环上还连接有两个挡板，两个所述挡板设置在所述剪切环相邻的两个边侧，并且两个所述挡板的相邻端贴合设置。

13、优选的，所述承载座与所述剪切环组组装后在水平面上的转动角度为β，β的取值分别为0°、90°、180°、270°。

14、根据上述的一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备，其使用方法，包括以下步骤：

15、s1.设定好试验试样的沉积角ω和γ，按下列公式换算为设备需要的三个角度α，θ和β；

16、

17、cosγ＝cosαcosθ

18、其中，v为各向异性单剪试验试样沉积面的外法向方向向量为，ω为方向向量v在x-y面上的投影向量与x轴的夹角，取值范围为0°-360°，γ为方向向量v与z轴的夹角，取值范围为0°-90°；

19、具体确定方法为试算法，先预设β为0°计算α和θ，若它们位于0°-90°之间则可行，若不位于，则更换β为90°，180°，270°，直至计算得到的α和θ位于0°-90°之间；

20、s2.按照换算好的α和θ通过转动组件调整第一转动板与基板、第一转动板与第二转动板的转角，后续制样过程中基板不在发生转动，并将基板放置于水平桌面上；

21、s3.将第一底板固定在第二转动板上，当进行各向异性界面试验时，通过螺丝在第一底板凹槽中固定好第二底板，当进行纯土各向异性试验时，通过螺丝在第一底板凹槽中固定好第三底板；

22、s4.按照试样高度确定好剪切环数量；对于各向异性界面试验橡胶模底部通过侧面垫片固定在底部剪切环的侧面，橡胶模顶部翻折通过上部垫片固定在顶部剪切环上；之后将拼装好的剪切环组通过螺丝固定在第二底板上；对于纯土各向异性试验，先通过皮筋将橡胶模底部固定于第三底板中间圆柱形凸起上，在橡胶模外侧通过螺丝固定好剪切环，之后翻折橡胶模并用上部垫片固定在顶部剪切环上；

23、s5.在远离承载座的剪切环侧面通过螺丝将两个挡板安装好，使得挡板置于剪切环倾斜方向的下侧；

24、s6.将多个剪切环在制样设备中间形成的圆柱形空间作为无粘性土试样位置，令无粘性土沿垂直方向下落入拼装好的制样设备的中间圆柱形空间内，直至土样完全填满圆柱形空间；

25、s7.土样完全填满圆柱形空间后，将第一底板从第二转动板上拆卸下来，保持各向异性单剪试样在水平面不转动，放置于水平桌面上；

26、s8.拆除挡板，移除圆柱形空间外多余的土样，使用击锤将土样压实到预定密度，并按照换算好的β角在水平面旋转试样，试验式样制备完成，将试验试样放入各类单剪仪中即可进行试验。

27、与现有技术相比，本发明的一种无粘性土各向异性单剪试验制样设备及方法，具有以下有益效果：

28、1、通过本技术提出的设备和方法，通过两个角度调节组件对第一转动板和第二转动板的角度调节，将承载座从两个不同的方向转至不同的角度，使得剪切环组在任意倾角下可以制备出双向任意倾角的各向异性单剪试验试样，能够满足研究土体或土与其他材料界面的各向异性行为的需求，并且这也是其他制样设备无法进行的，实用性更好；

29、2、本技术提出的设备，通过双向可旋转底座解决了如何制备双向倾角的各向异性剪切试验试样的问题以及单剪界面试验中橡胶模如何固定的问题；

30、3、本设备体积小，原理简单，需要的零部件容易加工制作，部件也可以视试验情况随时更换，通过改变设备的几何尺寸，也可以满足不同尺寸的各向异性单剪试验试样的制样需求。