便攜式軟弱層帶原位直剪試驗(yàn)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于巖土體力學(xué)參數(shù)測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及一種便攜式軟弱層帶原位直 剪試驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 軟弱層帶是巖體中物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)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(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等。在水電、鐵路、公路大型工程建設(shè)中，常常遇到軟弱層帶 而導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)、隧道塌方等工程地質(zhì)災(zāi)害，是工程巖體穩(wěn)定性的控制性邊界條件，同時(shí) 也是工程建設(shè)成本控制的重要因素之一。因此，軟弱層帶是各類大型地質(zhì)工程研宄的重點(diǎn)， 軟弱層帶的強(qiáng)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(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。
[0003] 當(dāng)前獲取軟弱層帶"原狀"試樣常在勘探平洞中進(jìn)行。通常是在現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)挖后，受開(kāi)挖方式和卸荷 松馳影響，獲取的試樣極易受擾動(dòng)，不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)軟弱層帶的實(shí)際狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn) 相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)可以測(cè)定未擾動(dòng)的軟弱層帶強(qiáng)度參數(shù)，可避免取樣過(guò)程對(duì)試樣的擾動(dòng)，測(cè) 試值更為準(zhǔn)確，接近實(shí)際。
[0004] 直剪儀是以經(jīng)典巖土力學(xué)庫(kù)倫理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的、最早且最直接測(cè)定巖土體 及其軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的主要技術(shù)裝備和測(cè)試手段，試驗(yàn)原理基本一致，但儀器設(shè)備和 試驗(yàn)手段存在較大差異，尤其在結(jié)構(gòu)形式和使用方法上有較大差別。
[0005] 大多直剪儀加載油缸選用液壓式；機(jī)架主要包括箱形梁整體框架式、立柱箱形梁 復(fù)合式等；測(cè)量系統(tǒng)主要有機(jī)械式、傳感器數(shù)顯式、計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量采集等。軟弱層帶強(qiáng)度 參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通常采用的試驗(yàn)設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)裝置，其對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地條件要求 較高，此外，儀器笨重、試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，很大程度上限制了該類設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果。
[0006] 申請(qǐng)?zhí)枮镃N2014101201243的專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種粗粒土現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)設(shè) 備。該實(shí)用新型屬于巖土力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種粗粒土現(xiàn)場(chǎng)大型直剪 試驗(yàn)設(shè)備。該現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)設(shè)備包括反力裝置、豎向加載油缸、水平加載油缸、測(cè)試系統(tǒng)、剪 切盒。采用機(jī)器開(kāi)挖與人工開(kāi)挖、修整相結(jié)合的方式，制備未受擾動(dòng)的所需尺寸的楔形土墩 子（土臺(tái)），通過(guò)圍巖自承力來(lái)提供反力，并且采用球頭平推法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)粗粒土天然含水狀 態(tài)下的應(yīng)力式快剪試驗(yàn)。然而，該實(shí)用新型屬于大型剪切試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備笨重、攜帶不方便， 試驗(yàn)成本較高，對(duì)工作場(chǎng)地要求也較高，不便于大量開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。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(qǐng)?zhí)枮镃N200710025380. 4的實(shí)用新型專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種便攜式現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi) 兩用直剪試驗(yàn)儀及其取樣測(cè)試方法。該試驗(yàn)儀包括取樣設(shè)備、移動(dòng)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(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(guò)安裝在箱型框架上的移動(dòng)式垂直加荷系統(tǒng)施加垂直 力，采用張拉剪切框測(cè)試土體的強(qiáng)度，試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)限制試樣垂直方向的體積變化。該測(cè) 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(wèn)題，采用 移動(dòng)式垂直加壓系統(tǒng)確保試驗(yàn)過(guò)程中垂直壓力不會(huì)偏心，從而提高測(cè)試精度。然而，該實(shí)用 新型需要將試樣整體挖出，不屬于原位試驗(yàn)；且柔性張拉方式拉力較小，水平向拉力容易受 擾動(dòng)偏心受力，難以滿足軟弱層帶強(qiáng)度試驗(yàn)的精度要求。
[0008] 可見(jiàn)，目前還缺乏快速、經(jīng)濟(jì)、便攜的軟弱層帶原位直剪試驗(yàn)設(shè)備，因此軟弱層帶 原位試驗(yàn)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(shè)主要還是 憑借室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)獲取強(qiáng)度參數(shù)，缺乏現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，難以滿 足現(xiàn)代工程建設(shè)的需要。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的在于，提供一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗(yàn)儀，以解決現(xiàn)有 技術(shù)中常用原位直剪儀普遍質(zhì)量大、試驗(yàn)成本高、整體不可拆卸、運(yùn)輸攜帶不方便的技術(shù)問(wèn) 題。
[0010] 本實(shí)用新型的第一方面提供了一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗(yàn)儀，包括：反力 鋼架，反力鋼架內(nèi)部形成測(cè)試空間；剪切盒，安裝在測(cè)試空間內(nèi)；水平加載油缸，一端作用 在反力鋼架上，另一端作用在剪切盒的豎向側(cè)壁上；豎向加載油缸，包括滾珠排，豎向加載 油缸的一端作用在反力鋼架的頂蓋上，另一端通過(guò)滾珠排作用在剪切盒的上表面。
[0011] 優(yōu)選地，水平加載油缸的另一端與剪切盒之間設(shè)置有帶凹槽的第一承壓板，豎向 加載油缸的另一端與剪切盒之間設(shè)置有帶凹槽的第二承壓板。
[0012] 優(yōu)選地，豎向加載油缸還包括上蓋和隔板，上蓋、滾珠排和隔板由上至下依次設(shè) 置。
[0013] 優(yōu)選地，方形的剪切盒內(nèi)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(yàn)儀還包括吸水石和濾紙，吸水石和濾紙?jiān)O(shè) 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(yàn)儀還包括用于測(cè)量隔板和剪切盒位移的傳 感器，傳感器與計(jì)算機(jī)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油缸相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)為鋼板，四柱兩板式反力鋼架的 其余兩側(cè)處于開(kāi)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(gè)立柱的下端均安裝有一個(gè)反力座。
[0018] 優(yōu)選地，反力座通過(guò)膨脹螺栓固定在巖石地面上。
[0019] 本實(shí)用新型能夠現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試原位條件下未受擾動(dòng)的軟弱層帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié) 果更為準(zhǔn)確、可靠。另外，本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)潔、易于操作、便于攜帶的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為本實(shí)用新型的俯視圖；
[0022] 圖3為反力鋼架的頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖4為剪切盒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖5為原位試樣制樣過(guò)程示意圖。
[0025] 圖中附圖標(biāo)記：1、反力鋼架；2、剪切盒；3、水平加載油缸；4、豎向加載油缸；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(guò)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(shí)施方式】
[0026] 本實(shí)用新型的基本原理基于經(jīng)典巖土力學(xué)庫(kù)侖原理提出，根據(jù)庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則 Tf = σ 'taacp+ C，其中，τ肩指巖土體的抗剪強(qiáng)度（kPa)，σ是作用在剪切面上的法向壓 力（kPa)，V.指巖土體的內(nèi)摩擦角（° )，c指巖土體的內(nèi)聚力（kPa)，由以抗剪強(qiáng)度τ f為縱 坐標(biāo)，垂直壓力σ為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力〇的關(guān)系曲線，根據(jù)圖上各點(diǎn)繪 一視測(cè)的直線，直線的傾角為土的內(nèi)摩擦角-，直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為土的粘聚力c。 本實(shí)用新型在豎直方向上施加一定荷載，并施加水平作用力，當(dāng)剪切盒發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，試 樣剪損（本試驗(yàn)中一般位移大于4mm視為試樣破壞），此時(shí)試樣的剪力即是土的抗剪強(qiáng)度
[0027] 請(qǐng)參考圖1至圖5,本實(shí)用新型提供了一種便攜式軟弱層帶原位直剪試驗(yàn)儀，包 括：反力鋼架1，反力鋼架1內(nèi)部形成測(cè)試空間；剪切盒2,安裝在測(cè)試空間內(nèi)；水平加載油 缸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(cè)壁上；豎向加載油缸4,包 括滾珠排5,豎向加載油缸4的一端作用在反力鋼架1的頂蓋上，另一端通過(guò)滾珠排5作用 在剪切盒2的上表面。例如，水平加載油缸3和豎向加載油缸4均可利用液壓油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)， 顯然，也可以采用其他形式的加載油缸。
[0028] 優(yōu)選地，豎向加載油缸4的上端通過(guò)傳力柱13作用在反力鋼架1的頂蓋上。通過(guò) 滾珠排5可以使剪切盒2內(nèi)的原位試樣在剪切時(shí)，試樣受水平向剪切力產(chǎn)生位移，同時(shí)，還 能使豎向加載油缸4在測(cè)試過(guò)程中，始終向原位試樣施加豎向的作用力。
[0029] 本實(shí)用新型中的便攜式軟弱層帶原位