野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土力学试验技术领域，具体涉及野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置。


背景技术：

2.粗粒土是由大小不等的粗细颗粒组成，最大颗粒可达1000毫米以上，最细可小于0.1毫米，粒径变化范围很大，粗细颗粒特性相差悬殊，在土石坝中粗粒土料常占70％以上。粗粒土一般是单粒结构。由于粗粒土中颗粒的大小可以相差很大，小的颗粒填补了大颗粒所形成的孔隙，级配良好的粗粒土比级配均匀的粗粒土密度更高。另一方面，形状不规则的颗粒可以使密度降低、孔隙更大。即使是由均匀圆球组成的“土”，它们在空间的排列方式不同，也会造成不同的松密状态和不同力学性质。不同排列方式会使粗粒土在密度、渗透性、强度、压缩性、各向异性等方面表现出很大的差异。
3.无黏性粗粒料的抗剪强度由三部分组成：粗颗粒间的交错排列产生的抗剪咬合力，颗粒破碎、充填重新排列而发挥的抗剪阻力，以及矿物颗粒间滑动的摩擦阻力。其值取决于母岩性质、颗粒形状、孔隙比或相对密度以及应力水平等。雨水降渗和蒸发、地下水位上升和下降等水环境的变化是较为常见的自然现象，水的反复浸润导致颗粒之间原有的摩擦平衡状态被打破以及颗粒强度的降低，从而在一定范围内出现颗粒棱角的破碎和颗粒位置的迁移，使粗粒土的抗剪强度和应力应变特性等力学性质发生改变。因此，干湿循环作为一种影响碎石料长期变形的重要因素是不能忽视的，尤其对于高填方工程。在野外做粗粒土干湿循环试验能更加精确的得出土体的抗剪强度等参数。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置。本实用新型为野外现场的干湿循环直剪试验提供一种直剪装置，可以快速的得出干湿循环处理后的粗粒土试样的剪应力。
5.为解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案实现：
6.野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置，其特征在于：包括剪切盒和剪切盒顶盖，剪切盒内部用于容置干湿循环处理后的粗粒土试样，剪切盒呈圆环形设置，剪切盒顶盖与剪切盒的内径相匹配，剪切盒顶盖处在粗粒土试样的顶部，所述剪切盒顶盖的上部连接竖向压力装置，剪切盒的侧壁连接水平剪切装置，剪切盒的外侧设置直剪钢架，所述直剪钢架作为竖向压力装置和水平剪切装置的支撑装置。
7.进一步的：所述竖向压力装置包括竖向力传感器、竖向千斤顶和竖向位移传感器，竖向千斤顶搭设在剪切盒顶盖的顶部，竖向千斤顶的伸出端通过竖向力传感器与直剪钢架上部相顶，竖向位移传感器与剪切盒侧壁相连接，竖向位移传感器的测量端与剪切盒顶盖相配合。
8.进一步的：所述水平剪切装置包括水平千斤顶、水平位移传感器和水平力传感器，
水平千斤顶的伸出端通过水平力传感器与剪切盒侧壁相顶，水平位移传感器与水平千斤顶相连接，水平位移传感器的测量端与剪切盒侧壁相配合。
9.进一步的：所述剪切盒的顶部和底部具有一圈向外侧伸出的上沿和下沿，上沿和下沿之间连接有多块剪切盒肋板，剪切盒肋板与剪切盒的侧壁相连接。
10.进一步的：所述剪切盒顶盖由上板和下板组成，上板的面积小于下板的面积，上板和下板之间连接多块斜肋板，斜肋板在上板和下板之间周向布置。
11.进一步的：所述直剪钢架包括上支架和上支架两侧的侧支架，上支架的设置高度高于剪切盒的顶面高度，两侧侧支架之间的距离大于剪切盒的直径，水平剪切装置的端部与直剪钢架的侧支架固定连接。
12.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
13.本实用新型为野外现场的干湿循环直剪试验提供一种直剪装置，安全可靠、结构简易，可以快速的得出干湿循环处理后的粗粒土试样的剪应力；由于本实用新型直接在野外现场进行试验，使得工作人员可以得出更加精确的土体抗剪强度等参数。
附图说明
14.图1是本实用新型地面刨挖后粗粒土试样的加热图；
15.图2是本实用新型的结构示意图；
16.图3是粗粒土试样的剪应力与水平位移的关系曲线图；
17.图4是粗粒土试样的剪应力与法向应力的关系曲线图。
18.附图标记：1-地面土层；2-剪切盒；3-加热棒；4-粗粒土试样；5-水平千斤顶；6-水平位移传感器；7-水平力传感器；8-竖向力传感器；9-竖向千斤顶；10-竖向位移传感器；11-剪切盒顶盖；12-直剪钢架；13-上沿；14-下沿；15-剪切盒肋板；16-上板；17-下板；18-斜肋板。
具体实施方式
19.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。
20.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
21.如图1至4所示，野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置，包括剪切盒2和剪切盒顶盖11，剪切盒2内部用于容置干湿循环处理后的粗粒土试样4，剪切盒2呈圆环形设置，剪切盒顶盖11与剪切盒2的内径相匹配，剪切盒顶盖11处在粗粒土试样4的顶部，所述剪切盒顶盖11的上部连接竖向压力装置，剪切盒2的侧壁连接水平剪切装置，剪切盒2的外侧设置直剪钢架12，所述直剪钢架12作为竖向压力装置和水平剪切装置的支撑装置。粗粒土试样4高度为300mm，直径为500mm，刨挖时需剔除较大的石块，防止对试验的参数造成较大
的影响。
22.所述剪切盒2处于地面土层1上，粗粒土试样4为地面土层1的其中一部分。粗粒土试样4的取样是先在地面土层1上进行试验剪切位置的选取，再将选取位置周围的土体进行刨挖，刨挖完成后余下的土体作为试样进行试验，因此，该试样几乎不受扰动影响。
23.将剪切盒2稳定套设在选取的粗粒土试样4外侧，将加热棒3插入粗粒土试样4中，经过干湿循环后，将加热棒3拔出取走，并进行剪切试验装置的安装。
24.竖向压力装置对粗粒土试样4进行法向力的加载。
25.所述竖向压力装置包括竖向力传感器8、竖向千斤顶9和竖向位移传感器10，竖向千斤顶9搭设在剪切盒顶盖11的顶部，竖向千斤顶9的伸出端通过竖向力传感器8与直剪钢架12上部相顶，竖向力传感器8固定在直剪钢架12的上支架上，竖向位移传感器10与剪切盒2侧壁相连接，竖向位移传感器10架设在剪切盒2上，竖向位移传感器10的测量端与剪切盒顶盖11相配合。竖向力传感器8与直剪钢架12的上支架固定连接。所述竖向位移传感器10通过测量端可测量处粗粒土试样4的竖向位移。
26.所述水平剪切装置包括水平千斤顶5、水平位移传感器6和水平力传感器7，水平千斤顶5的伸出端通过水平力传感器7与剪切盒2侧壁相顶，水平力传感器7固定在剪切盒2的侧壁上，水平位移传感器6与水平千斤顶5相连接，水平位移传感器6通过支脚架设在水平千斤顶5上，水平位移传感器6的测量端与剪切盒2侧壁相配合。水平力传感器7与剪切盒2侧壁固定连接。所述水平位移传感器6用于测量粗粒土试样4的水平向位移。
27.水平力传感器7、水平位移传感器6、竖向力传感器8以及竖向位移传感器10连接采集仪，可以实时读取数据。
28.所述剪切盒2的顶部和底部具有一圈向外侧伸出的上沿13和下沿14，上沿13和下沿14之间连接有多块剪切盒肋板15，剪切盒肋板15与剪切盒2的侧壁相连接。
29.所述剪切盒顶盖11由上板16和下板17组成，上板16的面积小于下板17的面积，上板16和下板17之间连接多块斜肋板18，斜肋板18在上板16和下板17之间周向布置。所述上板16和下板17均为一整块的钢板，上板16和下板17的中心线共线设置，多块斜肋板18在中心线的位置呈放射型布置。
30.所述直剪钢架12包括上支架和上支架两侧的侧支架，上支架的设置高度高于剪切盒2的顶面高度，两侧侧支架之间的距离大于剪切盒2的直径，水平剪切装置的端部与直剪钢架12的侧支架固定连接。直剪钢架12通过吊车移动位置。
31.上述直接剪切试验装置进行抗剪强度指标的测试方法，具体步骤如下：
32.s1：在野外粗粒土地面土层1上刨挖试验坑，试验坑的中心处留有粗粒土试样4，粗粒土试样4的底部与地面土层1连为一体，粗粒土试样4到试验坑之间的空间能够设置水平剪切装置、竖向压力装置以及直剪钢架，在粗粒土试样4外侧套上剪切盒2，剪切盒2的底部触碰到试验坑坑底；
33.s2：对粗粒土试样4灌水饱和，并将加热棒3插入粗粒土试样4中，进行加热干燥，根据试验需求选择干湿循环处理的次数；
34.s3：吊放好直剪钢架12，使粗粒土试样4位于直剪钢架12的合适位置；
35.s4：安装水平千斤顶5、水平力传感器7、水平位移传感器6、竖向力传感器8、竖向位移传感器10，竖向千斤顶9；
36.s5：将水平力传感器7、位移传感器6，竖向力传感器8、位移传感器10连接到采集仪上，通过竖向千斤顶9施加相应的竖向荷载，此时竖向力传感器8有相应读数，竖向荷载施加到指定的数值；
37.s6：通过水平千斤顶5对粗粒土试样4施加水平荷载，直至将粗粒土试样4剪破坏，记录数值，并进行下一组试验。
38.实施例1：
39.以图3和图4的试验结果做以下说明：
40.二次干湿循环下粗粒土试样4的内摩擦角φ为45.47
°
，粘聚力c为16.85kpa，三次干湿循环下粗粒土试样4的内摩擦角φ为43.38
°
，粘聚力c为10.00kpa。粗粒土试样4经过干湿循环后内摩擦角和粘聚力均减小，其中粘聚力减小的幅度要大于内摩擦角，试样强度出现衰减劣化。
41.依据本实用新型的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本实用新型的野外粗粒土干湿循环条件下直接剪切试验装置，并且能够产生本实用新型所记载的积极效果。
42.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。