便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀及其測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖土體力學參數(shù)測試領域，特別涉及一種便攜式軟弱層帶原位直剪試 驗儀及其測試方法。
【背景技術】
[0002] 軟弱層帶是巖體中物理力學性質相對圍巖較弱的呈帶狀分布的巖層，包含了軟弱 夾層、斷層破碎帶、層內錯動帶等。在水電、鐵路、公路大型工程建設中，常常遇到軟弱層帶 而導致的邊坡失穩(wěn)、隧道塌方等工程地質災害，是工程巖體穩(wěn)定性的控制性邊界條件，同時 也是工程建設成本控制的重要因素之一。因此，軟弱層帶是各類大型地質工程研宄的重點， 軟弱層帶的強度參數(shù)是控制巖土體和上部工程建筑物抗滑穩(wěn)定的關鍵力學參數(shù)。
[0003] 當前獲取軟弱層帶"原狀"試樣常在勘探平洞中進行。通常是在現(xiàn)場用套筒取得， 然后用千斤頂將試樣壓入剪切盒中，或采用人工鐵鎬取樣。由于開挖后，受開挖方式和卸荷 松馳影響，獲取的試樣極易受擾動，不能完全反映現(xiàn)場軟弱層帶的實際狀態(tài)?，F(xiàn)場原位試驗 相對于室內試驗可以測定未擾動的軟弱層帶強度參數(shù)，可避免取樣過程對試樣的擾動，測 試值更為準確，接近實際。
[0004] 直剪儀是以經典巖土力學庫倫理論為基礎發(fā)展而來的、最早且最直接測定巖土體 及其軟弱結構面抗剪強度的主要技術裝備和測試手段，試驗原理基本一致，但儀器設備和 試驗手段存在較大差異，尤其在結構形式和使用方法上有較大差別。
[0005] 大多直剪儀加載系統(tǒng)選用液壓式；機架主要包括箱形梁整體框架式、立柱箱形梁 復合式等；測量系統(tǒng)主要有機械式、傳感器數(shù)顯式、計算機自動測量采集等。軟弱層帶強度 參數(shù)的現(xiàn)場測試，通常采用的試驗設備為現(xiàn)場大型剪切試驗裝置，其對試驗場地條件要求 較高，此外，儀器笨重、試驗耗時長，很大程度上限制了該類設備的實際應用效果。
[0006] 申請?zhí)枮镃N2014101201243的專利申請公開了一種粗粒土現(xiàn)場大型直剪試驗設 備。該發(fā)明屬于巖土力學現(xiàn)場試驗參數(shù)測定技術領域，涉及一種粗粒土現(xiàn)場大型直剪試驗 設備。該現(xiàn)場大剪試驗設備包括反力裝置、豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、剪切 盒。采用機器開挖與人工開挖、修整相結合的方式，制備未受擾動的所需尺寸的楔形土墩子 (土臺），通過圍巖自承力來提供反力，并且采用球頭平推法進行現(xiàn)場粗粒土天然含水狀態(tài) 下的應力式快剪試驗。然而，該發(fā)明屬于大型剪切試驗設備，設備笨重、攜帶不方便，試驗成 本較高，對工作場地要求也較高，不便于大量開展現(xiàn)場原位試驗。且所需反力較大，所需圍 巖自承力較高，反力梁不易安裝。
[0007] 申請?zhí)枮镃N200710025380. 4的發(fā)明專利申請公開了一種便攜式現(xiàn)場和室內兩用 直剪試驗儀及其取樣測試方法。該試驗儀包括取樣設備、移動垂直加荷系統(tǒng)和水平張拉受 剪系統(tǒng)，是將剛性框和十字型剪切框一同埋入需要試驗的現(xiàn)場土體中，再把包含剛性框和 剪切框的土體整體挖出，取得擾動較小的整體性試樣，把所取得的整體性試樣放入固定于 箱型框架上的剛性框底座里，通過安裝在箱型框架上的移動式垂直加荷系統(tǒng)施加垂直力， 采用張拉剪切框測試土體的強度，試驗過程中不會限制試樣垂直方向的體積變化。該測試 方法將受剪方式由剛性頂推改為柔性張拉方式，克服了剛性接觸剪切盒摩擦問題，采用移 動式垂直加壓系統(tǒng)確保試驗過程中垂直壓力不會偏心，從而提高測試精度。然而，該發(fā)明需 要將試樣整體挖出，不屬于原位試驗；且柔性張拉方式拉力較小，水平向拉力容易受擾動偏 心受力，難以滿足軟弱層帶強度試驗的精度要求。
[0008] 可見，目前還缺乏快速、經濟、便攜的軟弱層帶原位直剪試驗設備，因此軟弱層帶 原位試驗大多限于勘察成本投入較大的大型、特大型工程中，而眾多的工程建設主要還是 憑借室內試驗參數(shù)和設計人員經驗獲取強度參數(shù)，缺乏現(xiàn)場原位試驗數(shù)據(jù)的支持，難以滿 足現(xiàn)代工程建設的需要。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提供一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀及其測試方法，以 解決現(xiàn)有技術中常用原位直剪儀普遍質量大、試驗成本高、整體不可拆卸、運輸攜帶不方便 的技術問題。
[0010] 本發(fā)明的第一方面提供了一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀，包括：反力鋼架， 反力鋼架內部形成測試空間；剪切盒，安裝在測試空間內；水平加載系統(tǒng)，一端作用在反力 鋼架上，另一端作用在剪切盒的豎向側壁上；豎向加載系統(tǒng)，包括滾珠排，豎向加載系統(tǒng)的 一端作用在反力鋼架的頂蓋上，另一端通過滾珠排作用在剪切盒的上表面。
[0011] 優(yōu)選地，水平加載系統(tǒng)的另一端與剪切盒之間設置有帶凹槽的第一承壓板，豎向 加載系統(tǒng)的另一端與剪切盒之間設置有帶凹槽的第二承壓板。
[0012] 優(yōu)選地，豎向加載系統(tǒng)還包括上蓋和隔板，上蓋、滾珠排和隔板由上至下依次設 置。
[0013] 優(yōu)選地，方形的剪切盒內部形成有用于放置環(huán)刀且與環(huán)刀的外徑相同的圓柱形空 間。
[0014] 優(yōu)選地，便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀還包括吸水石和濾紙，吸水石和濾紙設 置在隔板與剪切盒的上表面之間。
[0015] 優(yōu)選地，便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀還包括用于測量隔板和剪切盒位移的傳 感器，傳感器與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
[0016] 優(yōu)選地，反力鋼架為四柱兩板式反力鋼架，四柱兩板式反力鋼架的頂蓋焊接有肋 梁，四柱兩板式反力鋼架的與水平加載系統(tǒng)相對應的兩側為鋼板，四柱兩板式反力鋼架的 其余兩側處于開放狀態(tài)。
[0017] 優(yōu)選地，反力鋼架還包括用于與巖石地面固定連接的反力座，四柱兩板式反力鋼 架的每個立柱的下端均安裝有一個反力座。
[0018] 優(yōu)選地，反力座通過膨脹螺栓固定在巖石地面上。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種上述便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀的測試方法，其特征在 于，包括：步驟1，選擇需要開展試驗的軟弱層帶出露位置，揭去預定范圍的軟弱層帶的上 覆巖體，將便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀的環(huán)刀平整放置于軟弱層帶上，然后下壓環(huán)刀 以形成圓柱狀原位試樣，并將原位試樣周邊的土體清除，預留剪切試驗縫，然后將剪切盒套 在環(huán)刀的外部；步驟2,利用水準器保證場地水平，利用直尺測量并調整反力鋼架的位置， 使剪切盒與豎向加載系統(tǒng)位于同一直線上，并在剪切盒內放入吸水石和濾紙；步驟3,啟動 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并調零，然后啟動水平加載系統(tǒng)及豎向加載系統(tǒng)，并采用微動形式交 替使水平加載系統(tǒng)及豎向加載系統(tǒng)的工作面與剪切盒貼緊；步驟4,采用平推法進行快剪 試驗：通過豎向加載系統(tǒng)施加豎向壓力，并通過水平加載系統(tǒng)分級施加水平向剪切力以捕 捉峰值，使原位試樣在3至5min內剪損，當剪切變形達預定值后停止水平加載系統(tǒng)的加載， 完成一組測試，并通過計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)全程記錄應力應變數(shù)據(jù)；步驟5,依次卸下水平 加載系統(tǒng)和豎向加載系統(tǒng)，取出剪切盒，撬起反力鋼架的反力座上的膨脹螺栓，使反力鋼架 松動以將反力鋼架取出。
[0020] 本發(fā)明能夠現(xiàn)場快速測試原位條件下未受擾動的軟弱層帶抗剪強度參數(shù)，結果更 為準確、可靠。另外，本發(fā)明還具有結構型式簡潔、易于操作、便于攜帶的特點。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明的俯視圖；
[0023] 圖3為反力鋼架的頂蓋的結構示意圖；
[0024] 圖4為剪切盒的結構示意圖；
[0025] 圖5為原位試樣制樣過程示意圖。
[0026] 圖中附圖標記：1、反力鋼架；2、剪切盒；3、水平加載系統(tǒng)；4、豎向加載系統(tǒng)；5、滾 珠排；6、第一承壓板；7、第二承壓板；8、隔板；9、環(huán)刀；11、肋梁；12、軟弱層帶；13、傳力柱； 14、吸水過濾部；15、上蓋；16、膨脹螺栓；17、巖石地面；18、第三承壓板；19、第四承壓板； 21、留空；22、鋼板；23、傳感器；24、剪切面。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明的基本原理基于經典巖土力學庫侖原理提出，根據(jù)庫侖強度準則 +Tf = σ +e,其中，τ {是指巖土體的抗剪強度（kpa)，〇是作用在剪切面上的法向壓 力（kPa)，《Ρ.指巖土體的內摩擦角（° )，c指巖土體的內聚力（kPa)，由以抗剪強度τ f為縱 坐標，垂直壓力σ為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力〇的關系曲線，根據(jù)圖上各點繪 一視測的直線，直線的傾角為土的內摩擦角V,直線在縱坐標軸上的截距為土的粘聚力 c。 本發(fā)明在豎直方向上施加一定荷載，并施加水平作用力，當剪切盒發(fā)生相對錯動時，試樣剪 損（本試驗中一般位移大于4mm視為試樣破壞），此時試樣的剪力即是土的抗剪強度τ f。
[0028] 請參考圖1至圖5,本發(fā)明提供了一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀，包括：反 力鋼架1，反力鋼架1內部形成測試空間；剪切盒2,安裝在測試空間內；水平加載系統(tǒng)3, 一 端作用在反力鋼架1上，另一端作用在剪切盒2的豎向側壁上；豎向加載系統(tǒng)4,包括滾珠 排5,豎向加載系統(tǒng)4的一端作用在反力鋼架1的頂蓋上，另一端通過滾珠排5作用在剪切 盒2的上表面。例如，水平加載系統(tǒng)3和豎向加載系統(tǒng)4均可利用液壓油缸來實現(xiàn)，顯然， 也可以采用其他形式的加載系統(tǒng)。
[0029] 優(yōu)選地，豎向加載系統(tǒng)4的上端通過傳力柱13作用在反力鋼架1的頂蓋上。通過 滾珠排5可以使剪切盒2內的原位試樣在剪切時，試樣受水平向剪切力產生位移，同時，還 能使豎向加載系統(tǒng)4在測試過程中，始終向原位試樣施加豎向的作用力。
[0030] 本發(fā)明中的便攜式軟弱層帶原位直剪試驗儀是整體可拆卸的，使用時，將反力鋼 架1、剪切盒2、水平加載系統(tǒng)3和豎向加載系統(tǒng)4等在現(xiàn)場組裝起來，利用反力鋼架1為水 平加載系統(tǒng)3和豎向加載系統(tǒng)4提供反力支撐，這樣，可以通過水平加載系統(tǒng)3向剪切盒2 內的原位試樣施加測試用的剪切力，并通過豎向加載系統(tǒng)4向原位試樣施加豎向的力，以 模擬原始的豎向應力，使原位試樣更貼