岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置及方法与流程

1.本发明涉及一种岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置及方法，属于土木工程技术领域。


背景技术：

2.水电站地下洞室群、隧道、基坑等开挖卸荷工程的围岩稳定性，都与土的抗剪强度有密切关系。土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，指土体抵抗剪切破坏的极限能力，数值上等于土体发生剪切破坏时的切应力，土体破坏的本质是剪切破坏。
3.目前土的剪切特性常用直剪仪进行直剪试验获得。一般的直剪试验是将土样置于直剪仪的固定上盒和活动下盒内。试验时先在土样上施加垂直压力，然后对下盒施加水平推力，上下盒之间的错动使土样受剪破坏。
4.但是在实际复杂岩土环境中，岩土体的应力状态对其抗剪强度参数影响较显著，传统直剪试验装置及方法未考虑岩土体开挖卸荷的影响，导致得到的抗剪强度参数和试验成果与真实情况差异较大，应用于工程实际可能会产生较大经济成本浪费，或造成较大安全风险。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置及方法，能够解决传统直剪试验中未考虑岩土体开挖卸荷的影响，而导致的抗剪强度指标和试验成果与真实情况差异较大的问题。
6.一方面，本发明提供了一种岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置，所述装置包括：
7.剪切盒，由底层盒体和叠层设置在所述底层盒体上的多个上层盒体构成，相邻的两个上层盒体或底层盒体与相邻的上层盒体之间通过紧固件可拆卸连接；所述剪切盒顶端具有开口、且其内具有用于容置待测土试样的柱状空腔；
8.水平加载模块，连接在任一个上层盒体的外侧壁上，用于向所述上层盒体施加水平方向的作用力；
9.垂直加卸载模块，设置在所述剪切盒的顶端开口处，用于向所述待测土试样施加竖直方向的作用力；
10.第一固定模块，连接在与所述水平加载模块相对侧的底层盒体的外侧壁上，用于固定并支撑所述剪切盒。
11.可选的，所述装置还包括：
12.第二固定模块，连接在与所述第一固定模块相对侧的底层盒体的外侧壁上，用于固定并支撑所述剪切盒。
13.可选的，所述底层盒体为有底无盖的盒体结构；所述上层盒体为无盖无底且与所述底层盒体尺寸适配的盒体结构。
14.可选的，所述垂直加卸载模块包括施力单元、加压活塞和传力钢珠；
15.所述加压活塞设置在所述剪切盒的顶端开口处，所述传力钢珠设置在所述加压活塞远离所述待测土试样一侧的表面中心处；所述施力单元通过所述传力钢珠向所述加压活塞施加竖直方向的作用力。
16.可选的，所述装置还包括：
17.透水模块，设置在所述剪切盒的内侧，用于吸附所述待测土试样受挤压后排出的水分。
18.可选的，所述紧固件为活动螺栓。
19.可选的，所述透水模块包括两块排水石；
20.其中一块排水石设置在所述底层盒体的内侧底面与所述待测土试样之间，另一块排水石设置在所述垂直加卸载模块与所述待测土试样之间。
21.可选的，所述透水模块还包括设置在所述底层盒体的底面上的多个排水孔；所述排水孔用于将所述排水石中多余的水分排出。
22.可选的，所述第一固定模块和/或所述第二固定模块为量力钢环；所述量力钢环的一端与所述底层盒体的外侧壁连接，另一端与固定平台连接。
23.另一方面，本发明提供了一种应用上述任一种所述的岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置的试验方法，所述方法包括：
24.s1、切取原状待测土试样，并将其置于剪切盒内；
25.s2、拆卸掉所述剪切盒顶部两层盒体之间的紧固件，以使所述两层盒体之间无连接；其余层盒体之间通过紧固件连接；
26.s3、还原所述待测土试样至真实应力状态后，控制所述垂直加卸载模块向所述待测土试样加载分级卸荷状态下的不同垂直压力，并控制所述水平加载模块向所述两层盒体中的上一层盒体施加剪切力，以使试验以预设剪切速率进行剪切，直至剪破；
27.s4、拆卸掉所述剪切盒下一相邻的两层盒体之间的紧固件，并将其余层盒体之间通过紧固件连接；
28.s5、重复执行步骤s3至s4，直到所述剪切盒中底层盒体与相邻的上层盒体之间的待测土试样的剪切试验完成为止。
29.可选的，在所述s1之后，所述方法还包括：
30.s6、控制垂直加卸载模块向所述待测土试样加载垂直压力，使所述待测土试样在原始赋存应力状态下进行排水固结；
31.在所述s5之后，所述方法还包括：
32.s7、根据不同垂直压力及其对应的剪切力，利用库伦强度理论获取不同卸荷状态下的待测土试样的抗剪强度指标。
33.可选的，在所述s3之后，所述方法还包括：
34.s8、控制所述水平加载模块向所述两层盒体中的上一层盒体施加反向剪切力，以使试验以预设剪切速率进行剪切，直至剪破，测得所述待测土试样的残余强度。
35.本发明能产生的有益效果包括：
36.(1)本发明提供的岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置，该装置中的剪切盒由于包含多个层级盒体，且相邻盒体之间通过可拆卸的紧固件连接，因而可开展同
一试样分级卸荷状态下的多组剪切试验，可利用一次试样测得岩土体在不同卸荷状态下的抗剪强度指标，利用该装置模拟了试样的真实应力状态，提高了试验结果的准确度。
37.(2)本发明提供的岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验方法，该方法根据岩土体的实际应力状态，调控试样的垂直压力，使其在原始赋存应力状态下进行排水固结，然后根据实际工程卸载条件减小试样的垂直压力，在岩土体的松弛卸荷作用下开展剪切试验，模拟真实应力状态。本发明的试验方法由于还原了真实应力状态，可更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供更为详细和准确的依据。
38.(3)本发明提供的岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验方法，在进行一组剪切试验后，再进行回剪，可测得卸荷作用下的岩土体残余强度。
附图说明
39.图1为本发明实施例提供的直剪试验装置纵剖面示意图；
40.图2为本发明实施例提供的剪切盒横剖面示意图；
41.图3为本发明实施例提供的抗剪强度线示意图；
42.图4为本发明实施例提供的直剪试验方法流程图。
43.部件和附图标记列表：
44.10、剪切盒；11、底层盒体；12、上层盒体；13、紧固件；14、水平加载模块；15、施力单元；16、加压活塞；17、传力钢珠；18、排水石；19、排水孔；20、待测土试样；21、量力钢环；22、固定平台。
具体实施方式
45.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
46.本发明实施例提供了一种岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置，如图1和图2所示，所述装置包括：
47.剪切盒，由底层盒体和叠层设置在底层盒体上的多个上层盒体构成，相邻的两个上层盒体或底层盒体与相邻的上层盒体之间通过紧固件可拆卸连接；剪切盒顶端具有开口、且其内具有用于容置待测土试样的柱状空腔。
48.其中，底层盒体为有底无盖的盒体结构；上层盒体为无盖无底且与底层盒体尺寸适配的盒体结构。本发明实施例对于上层盒体的设置数量不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。示例的，上层盒体可以设置2个、3个、4个、或更多个。
49.在实际应用中，剪切盒一般为圆柱体结构或棱柱体结构，连接相邻两层盒体的紧固件可以为活动螺栓。
50.水平加载模块，连接在任一个上层盒体的外侧壁上，用于向上层盒体施加水平方向的作用力。其中，水平加载模块的位置可以调节，以适应对不同高度的上层盒体施加水平方向的作用力。
51.本发明实施例对于水平加载模块的具体结构不做限定，只要能实现施加水平方向的作用力的功能即可。
52.垂直加卸载模块，设置在剪切盒的顶端开口处，用于向待测土试样施加竖直方向的作用力。
53.其中，垂直加卸载模块可以包括施力单元、加压活塞和传力钢珠；加压活塞设置在剪切盒的顶端开口处，传力钢珠设置在加压活塞远离待测土试样一侧的表面中心处；施力单元通过传力钢珠向加压活塞施加竖直方向的作用力，这样可以保证待测土试样所受的力始终保持在竖直方向(即法向)上。在实际应用中，施力单元可以为施力器。
54.第一固定模块，连接在与水平加载模块相对侧的底层盒体的外侧壁上，用于固定并支撑剪切盒。
55.其中，第一固定模块为量力钢环；量力钢环的一端与底层盒体的外侧壁连接，另一端与固定平台连接。
56.量力钢环的作用是测量剪切力，需要和固定平台(即竖直的支撑件)进行固定，从而固定和支撑剪切盒，确保剪切盒受力的均匀。固定平台可以是墙体，也可以是固定物，本发明实施例对此不做限定。
57.本发明提供的装置中的剪切盒由于包含多个层级盒体，且相邻盒体之间通过可拆卸的紧固件连接，因而可开展同一试样分级卸荷状态下的多组剪切试验，可利用一次试样测得岩土体在不同卸荷状态下的抗剪强度指标，利用该装置模拟了试样的真实应力状态，提高了试验结果的准确度。
58.进一步的，所述装置还包括：第二固定模块，连接在与第一固定模块相对侧的底层盒体的外侧壁上，用于固定并支撑剪切盒。在本发明实施例中，第二固定模块可以为量力钢环。
59.参考图1所示，所述装置还包括：透水模块，设置在剪切盒的内侧，用于吸附待测土试样受挤压后排出的水分。
60.具体的，透水模块包括两块排水石；其中一块排水石设置在底层盒体的内侧底面与待测土试样之间，另一块排水石设置在垂直加卸载模块与待测土试样之间。
61.透水模块还包括设置在底层盒体的底面上的多个排水孔；排水孔用于将排水石中多余的水分排出。排水孔可以是盲孔，也可以是通孔，本领域技术人员可以根据试样的实际情况进行选择。当待测土试样含水量比较大时可以选择通孔；当待测土试样含水量比较小时可以选择盲孔，甚至可以不设置排水孔。
62.本发明另一实施例提供了一种应用上述任一种所述的岩土体分级卸载的直剪峰值与残余强度试验装置的试验方法，如图4所示，所述方法包括：
63.s1、切取原状待测土试样，并将其置于剪切盒内。
64.实际应用中，在该步骤之后，所述方法还包括：
65.s6、控制垂直加卸载模块向待测土试样加载垂直压力，使待测土试样在原始赋存应力状态下进行排水固结。
66.s2、拆卸掉剪切盒顶部两层盒体之间的紧固件，以使两层盒体之间无连接；其余层盒体之间通过紧固件连接。
67.s3、还原待测土试样至真实应力状态后，控制垂直加卸载模块向待测土试样加载分级卸荷状态下的不同垂直压力，并控制水平加载模块向两层盒体中的上一层盒体施加剪切力，以使试验以预设剪切速率进行剪切，直至剪破。
68.在本发明实施例中，在该步骤后，所述方法还可以包括：
69.s8、控制水平加载模块向两层盒体中的上一层盒体施加反向剪切力，使试验以预
设剪切速率进行剪切，直至剪破，测得待测土试样的残余强度。
70.s4、拆卸掉剪切盒下一相邻的两层盒体之间的紧固件，并将其余层盒体之间通过紧固件连接。
71.s5、重复执行步骤s3至s4，直到剪切盒中底层盒体与相邻的上层盒体之间的待测土试样的剪切试验完成为止。
72.进一步的，在s5之后，所述方法还包括：
73.s7、根据不同垂直压力及其对应的剪切力，利用库伦强度理论获取不同卸荷状态下的待测土试样的抗剪强度指标。
74.在实际使用时，首先将剪切盒中顶部的两层盒体之间的紧固件打开，其余各层盒体通过紧固件连接，然后将第一固定装置、第二固定装置分别与竖直的固定平台固定；再将待测土试样放入剪切盒中，控制垂直加卸载模块启动，对待测土试样进行竖直方向上的施力，使得待测土试样在原始赋存应力状态下进行排水固结；再根据分级卸荷大小，动态调控垂直加卸载模块施加设定的垂直压力σ(1)，然后通过水平加载模块施加设定的剪切力τ(1)x，使试样以预设剪切速率进行剪切，直至剪破；再通过水平加载模块对试验施加反向剪切力，使试验以预设剪切速率进行剪切，测得其残余强度；重复进行4组剪切试验，得到四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；再根据获取的四组试验的垂直压力和四组剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度中的粘聚力c和内摩擦角关系(如图3所示)；进而确定土体抵抗剪切破坏的抵抗能力，为后续工程安全稳定性分析提供可靠依据。
75.本发明首先根据岩土体的实际应力状态，调控试样的垂直压力，使其在原始赋存应力状态下进行排水固结，然后根据实际工程卸载条件减小试样的垂直压力，在岩土体的松弛卸荷作用下开展剪切试验，模拟真实应力状态。本发明的试验方法由于还原了真实应力状态，可更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供更为详细和准确的依据。另外，本发明在进行一组剪切试验后，再进行水平方向的回剪，可测得卸荷作用下的岩土体残余强度。
76.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。