一种土体环剪试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及一种土体环剪试验装置及试验方法，属于土木与岩土工程技术领域。


背景技术：

2.在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设时，为确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答。
3.冻土是指温度在0℃或0℃以下，土体中孔隙水凝固结冰的土壤。冻土可分为季节性冻土和永久冻土，对季节性冻土而言，土壤中的水成冰后，冰晶体周围土壤中的水分会不断向冰晶体靠拢，形成更大的冰晶体，而气候变暖和时，土壤中的冰块融化变成孔隙水。正是由于这些特性，在冻土区修筑工程构筑物就会面临两大危险：冻胀和融沉。其中起重要作用的是水的存在形态，当土壤中水的汇集到某一处变成冰时体积增大，使土体膨胀，地表因此而拱起升高，这就是冻胀；当土中的冰转变为水时，体积收缩了，地表便发生融化下沉，简称融沉。在这两种现象的反复作用下，道路或房屋的基底就会出现破裂或者塌陷，冻土地区边坡滑塌工程事件屡见报道。
4.现有技术用于模拟冻土滑坡的试验设备通过采用直剪仪，直剪仪无法在一个方向对土体进行连续剪切，并且在试验过程中剪切面的接触面积会发生变化，无法测定土体破坏后的残余强度。因此，现有技术仍不够成熟。亟需开发一种新的冻土滑坡试验设备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种土体环剪试验装置及试验方法，以用于测量冻土或非冻土在大变形条件下土体的残余强度，从而克服现有技术的不足。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的一种土体环剪试验装置，包括操作台，操作台上设有控温盘，控温盘经隔热管与温控器连接；控温盘顶面与下剪切盒固定连接；下剪切盒的剪切室内设有待试验土体，待试验土体顶部设有上剪切盒；上剪切盒经连接盘与加载杆顶端固定连接；加载杆底端与操作台底部的上盒驱动缸内的活塞连接；在上盒驱动缸顶部的加载杆上设有扭矩加载盘，扭矩加载盘与扭矩加载装置连接；上盒驱动缸经液压管与过渡缸连接，过渡缸内的活塞与过渡缸驱动装置连接；扭矩加载装置、过渡缸驱动装置和温控器与控制箱电气连接。
8.前述土体环剪试验装置中，所述上剪切盒形状为上口封闭的圆筒状；上剪切盒上口的封板与加载杆连接；上剪切盒下口设有锥状收口；上剪切盒下口设有沿圆周均布的一组铜片；上剪切盒下口外圆和内圆面均设有一组沿圆周均布的径向伸缩弹性柱。
9.前述土体环剪试验装置中，所述上剪切盒下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱均沿圆周紧密排列。
10.前述土体环剪试验装置中，所述径向伸缩弹性柱包括筒状壳体，筒状壳体的筒口设有收口，筒状壳体的收口内设有钢球，钢球与筒状壳体的筒底之间设有弹簧。
11.前述土体环剪试验装置中，所述下剪切盒包括底板32；底板32底面与操作台上的控温盘固定连接；底板32顶面设有外筒，外筒内设有内筒；外筒与内筒之间形成剪切室；剪切室底面设有沿圆周均布的一组铜片；上剪切盒下口位于下剪切盒的剪切室内；上剪切盒下口外圆的一组径向伸缩弹性柱与外筒内壁滚动连接，上剪切盒下口内圆的一组径向伸缩弹性柱与内筒外壁滚动连接。
12.本发明的一种采用上述土体环剪试验装置对土体的试验方法为，该方法是将待试验土体放入下剪切盒的剪切室内，通过上盒驱动缸带动上剪切盒向下移动将待试验土体压实至预定密度使待试验土体固结；然后启动扭矩加载装置，通过扭矩加载盘使上剪切盒与下剪切盒之间产生相对转动，使待试验土体两端产生剪切位移，并根据施加在待试验土体两端的剪切速率和剪切位移测得待试验土体的抗剪切参数。
13.前述试验方法中，所述下剪切盒底部设有控温盘，控温盘设有调温液道，通过调温液道和温控器对待试验土体进行温度控制。
14.前述试验方法中，所述下剪切盒和上剪切盒与待试验土体的接触面均设有铜片，通过铜片镶嵌在待试验土体内以增加剪切盒与待试验土体的摩擦力，防止剪切盒与待试验土体之间打滑；同时通过铜片良好的导热性，将控温盘的温度导入待试验土体内，以缩短控温时间，使待试验土体内部温度均匀。
15.前述试验方法中，所述上剪切盒下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱均沿圆周紧密排列以防止在对待试验土体施加压力时，待试验土体从上剪切盒下口两侧挤出。
16.前述试验方法中，所述扭矩加载装置上设有扭矩传感器，过渡缸驱动装置上设有压力传感器。
17.由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，本发明的环剪试验装置是一种研究大变形下土体的抗剪能力的仪器，对环剪试验而言，整个试验过程中，剪切面的接触面积是不变的，因此可以测定土体破坏后的残余强度。残余强度反映的是土体内部发生剪损后剪切面上残留的剪应力值，研究残余强度的目的便是探求土体遭受破坏后强度衰减的变化规律，环剪试验是研究滑坡问题的重要试验手段。与传统反复直剪仪相比，本发明的环剪试验装置的明显优势是在剪切过程中可以在一个方向进行连续剪切，并且剪切面接触面积固定不变，是研究滑坡问题的理想试验仪器。本发明的环剪试验装置在上剪切盒的内外边缘上装有可径向变形的装置，可以减小上下剪切盒间的缝隙，解决上下剪切盒接触造成剪切应力不正确的问题，有效防止剪切室内的土体从缝隙挤出，造成土体竖向变形不准确的问题。本发明的环剪试验装置设有温控器，可以测试冻土或非动土的残余剪切强度，拓展了的仪器的适用性，同时消除了试验过程中因环境温度的改变对剪切室内的土体造成的影响。在上剪切盒和下剪切盒上装有铜片，铜片作用一是增大土体与剪切盒的摩擦力，保证剪切面为土-土接触面；二是铜片将控温盘的温度导入土中，缩短控温时间，使土体内部温度均匀。因此，本发明的环剪试验装置是研究残余强度较好的仪器。
附图说明
18.图1是本发明的土体环剪试验装置结构示意图；
19.图2是本发明的剪切盒组件结构示意图；
20.图3是本发明的径向伸缩弹性柱的结构示意图。
21.附图中的标记为：00-待试验土体、10-操作台、20-上剪切盒、21-铜片、22-径向伸缩弹性柱、23-筒状壳体、24-钢球、25-弹簧、30-下剪切盒、31-控温盘、32-底板、33-外筒、34-内筒、35-剪切室、40-加载杆、41-连接盘、50-扭矩加载装置、52-扭矩加载盘、53-扭矩传感器、60-过渡缸驱动装置、61-过渡缸、62-上盒驱动缸、63-压力传感器、70-温控器、71-隔热管、80-控制箱。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
23.本发明的一种土体环剪试验装置，如图1所示，包括操作台10，操作台10上设有控温盘31，控温盘31经隔热管71与温控器70连接；控温盘31顶面与下剪切盒30固定连接；下剪切盒30的剪切室35内设有待试验土体00，待试验土体00顶部设有上剪切盒20；上剪切盒20经连接盘41与加载杆40顶端固定连接；加载杆40底端与操作台10底部的上盒驱动缸62内的活塞连接；在上盒驱动缸62顶部的加载杆40上设有扭矩加载盘52，扭矩加载盘52与扭矩加载装置50连接；上盒驱动缸62经液压管与过渡缸61连接，过渡缸61内的活塞与过渡缸驱动装置60连接；扭矩加载装置50、过渡缸驱动装置60和温控器70与控制箱80电气连接。
24.如图2所示，上剪切盒20形状为上口封闭的圆筒状；上剪切盒20上口的封板与加载杆40连接；上剪切盒20下口设有锥状收口；上剪切盒20下口设有沿圆周均布的一组铜片21；上剪切盒20下口外圆和内圆面均设有一组沿圆周均布的径向伸缩弹性柱22。上剪切盒20下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱22均沿圆周紧密排列。
25.如图3所示，径向伸缩弹性柱22包括筒状壳体23，筒状壳体23的筒口设有收口，筒状壳体23的收口内设有钢球24，钢球24与筒状壳体23的筒底之间设有弹簧25。
26.如图2所示，下剪切盒30包括底板32；底板32底面与操作台10上的控温盘31固定连接；底板32顶面设有外筒33，外筒33内设有内筒34；外筒33与内筒34之间形成剪切室35；剪切室35底面设有沿圆周均布的一组铜片21；上剪切盒20下口位于下剪切盒30的剪切室35内；上剪切盒20下口外圆的一组径向伸缩弹性柱22与外筒33内壁滚动连接，上剪切盒20下口内圆的一组径向伸缩弹性柱22与内筒34外壁滚动连接。
27.本发明采用上述土体环剪试验装置对土体的试验方法为，如图1所示，该方法是将待试验土体00放入下剪切盒30的剪切室35内，通过上盒驱动缸62带动上剪切盒20向下移动将待试验土体00压实至预定密度使待试验土体00固结；然后启动扭矩加载装置50，通过扭矩加载盘52使上剪切盒20与下剪切盒30之间产生相对转动，使待试验土体00两端产生剪切位移，并根据施加在待试验土体00两端的剪切速率和剪切位移测得待试验土体00的抗剪切参数。
28.下剪切盒30底部设有控温盘31，控温盘31设有调温液道，通过调温液道和温控器70对待试验土体00进行温度控制。下剪切盒30和上剪切盒20与待试验土体00的接触面均设有铜片21，通过铜片21镶嵌在待试验土体00内以增加剪切盒与待试验土体00的摩擦力，防止剪切盒与待试验土体00之间打滑；同时通过铜片21良好的导热性，将控温盘31的温度导入待试验土体00内，以缩短控温时间，使待试验土体00内部温度均匀。上剪切盒20下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱22均沿圆周紧密排列以防止在对待试验土体00施加压力时，待试验土体00从上剪切盒20下口两侧挤出。扭矩加载装置50上设有扭矩传感器53，过渡缸驱
动装置60上设有压力传感器63。
29.下面对本发明的工作过程及原理作进一步的说明：
30.本发明的一种土体环剪试验装置如图1至图3所示，该装置包括安装剪切盒的操作台10、剪切盒组件、加载杆40、扭矩加载装置50、过渡缸驱动装置60、温控器70和控制箱80。
31.剪切盒组布置在操作台10上；剪切盒组件包括上剪切盒20和下剪切盒30；下剪切盒30安装在操作台10上，加载杆40穿过操作台10，加载杆40上端与上剪切盒20相连，加载杆40下端连接扭矩加载盘52和上盒驱动缸62中的活塞。上剪切盒20和下剪切盒30上下叠放形成剪切室35；上剪切盒20底面设有铜片21和径向伸缩弹性柱22；铜片21安装在与待试验土体00接触的一面，铜片21的作用是在竖向应力的作用下压入剪切室35内的待试验土体00内，增大上剪切盒20与待试验土体00之间的摩擦力，保证剪切面为土-土接触面；铜片21另一个作用是将控温盘31的温度导入土中，缩短控温时间，使待试验土体00内部温度均匀；上剪切盒20与土接触的一面内外边缘安装有径向伸缩弹性柱22，径向伸缩弹性柱22由筒状壳体23、弹簧25、钢球24组成；当上剪切盒20与下剪切盒30接触时，可径向移动的装置22的弹簧25被压缩，装置上的钢球24以滚动的方式转动；上剪切盒30在扭矩加载装置50和液压装置60的作用下对剪切室35内的待试验土体00施加竖向荷载和剪切。
32.下剪切盒30安装有控温盘31和铜片21；控温盘31位于剪切下盘30的底部，通过螺栓与下剪切盒30连接，密封圈防漏。控温盘31上刻有供冷冻液流通的通道，冷冻液流经控温盘31对待试验土体00进行控温加热或冻结；下剪切盒30与土接触的一面安装有铜片21，铜片21的嵌入待试验土体00中，增大下剪切盒30与待试验土体00的摩擦力，保证剪切面为土-土接触面；
33.加载杆40上端经连接盘41与剪切上盘20相连，加载杆40下端与扭矩加载盘52和上盒驱动缸62中的活塞相连；加载杆40在扭矩加载盘52和过渡缸驱动装置60作用下，对剪切室35内的待试验土体00施加竖向应力和剪切力。
34.所述扭矩加载装置50内设有扭矩传感器53，扭矩加载装置50与扭矩加载盘52连接，为扭矩加载盘52提供动力，扭矩加载盘52经加载杆40带动上剪切盒30转动，通过扭矩传感器53测量试验过程中剪切应力大小。
35.所述过渡缸驱动装置60内设有压力传感器63；过渡缸61与上盒驱动缸62之间经液压管相连。过渡缸61的左压力室与上盒驱动缸62的下压力室相连通，过渡缸61的右压力室与上盒驱动缸62中的上压力室相连通；在过渡缸驱动装置60的作用下，过渡缸61中的活塞左右运动，推动上盒驱动缸62中的活塞上下运动，从而带动加载杆40和上剪切盒20上下运动，向剪切室35内的待试验土体00施加相应的竖向应力；压力传感器63用于测量试验过程中施加在待试验土体00上的压力。
36.温控器70经隔热管71与下剪切盒30底部的控温盘31相连；通过隔热管71将冷冻液输送到控温盘31，对待试验土体00控温加热或冻结，做功后的冷冻液经另一隔热管71流回温控器70重复利用。
37.控制箱80与扭矩加载装置50、过渡缸驱动装置60、温控器70电性连接，用于控制各试验阶段时间和设定试验参数，譬如剪切速度、剪切位移、竖向应力和待试验土体00温度场等，并采集试验工程中各传感器所采集的试验数据。
38.上剪切盒20边缘的径向伸缩弹性柱22、下剪切盒30底部的控温盘31和剪切盒组件
上的铜片21均与待试验土体00接触。
39.环剪试验按以下步骤进行
40.步骤1、启动土体环剪试验装置；
41.步骤2、将下剪切盒安装在操作台上；
42.步骤3、将提前准备好的待试验土体装入剪切下盘，并压实到相应的密实度；
43.步骤4、调整加载杆的高度，在不扰动下盘待试验土体的情况下，将上剪切盒安装在加载杆上，并调整加载杆的位置，使得上盘底面接近剪切室内的待试验土体，将所有传感器值清零；
44.步骤5、在控制箱上设置施加在待试验土体上的竖向压力和固结时间，完成固结；
45.步骤6、在控制箱上设置施加在剪切速率和剪切位移等参数，开始剪切试验；
46.步骤7、卸下竖向应力，整理试验仪器；导出试验数据并进行处理。

技术特征：
1.一种土体环剪试验方法，其特征在于：该方法是将待试验土体(00)放入下剪切盒(30)的剪切室(35)内，通过上盒驱动缸(62)带动上剪切盒(20)向下移动将待试验土体(00)压实至预定密度使待试验土体(00)固结；然后启动扭矩加载装置(50)，通过扭矩加载盘(52)使上剪切盒(20)与下剪切盒(30)之间产生相对转动，使待试验土体(00)两端产生剪切位移，并根据施加在待试验土体(00)两端的剪切速率和剪切位移测得待试验土体(00)的抗剪切参数。2.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于：所述下剪切盒(30)底部设有控温盘(31)，控温盘(31)设有调温液道，通过调温液道和温控器(70)对待试验土体(00)进行温度控制。3.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于：所述下剪切盒(30)和上剪切盒(20)与待试验土体(00)的接触面均设有铜片(21)，通过铜片(21)镶嵌在待试验土体(00)内以增加剪切盒与待试验土体(00)的摩擦力，防止剪切盒与待试验土体(00)之间打滑；同时通过铜片(21)良好的导热性，将控温盘(31)的温度导入待试验土体(00)内，以缩短控温时间，使待试验土体(00)内部温度均匀。4.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于：所述上剪切盒(20)下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱(22)均沿圆周紧密排列以防止在对待试验土体(00)施加压力时，待试验土体(00)从上剪切盒(20)下口两侧挤出。5.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于：所述扭矩加载装置(50)上设有扭矩传感器(53)，过渡缸驱动装置(60)上设有压力传感器(63)。6.根据权利要求1所述试验方法，其特征在于，土体环剪试验装置，包括操作台(10)，其特征在于：在操作台(10)上设有控温盘(31)，控温盘(31)经隔热管(71)与温控器(70)连接；控温盘(31)顶面与下剪切盒(30)固定连接；下剪切盒(30)的剪切室(35)内设有待试验土体(00)，待试验土体(00)顶部设有上剪切盒(20)；上剪切盒(20)经连接盘(41)与加载杆(40)顶端固定连接；加载杆(40)底端与操作台(10)底部的上盒驱动缸(62)内的活塞连接；在上盒驱动缸(62)顶部的加载杆(40)上设有扭矩加载盘(52)，扭矩加载盘(52)与扭矩加载装置(50)连接；上盒驱动缸(62)经液压管与过渡缸(61)连接，过渡缸(61)内的活塞与过渡缸驱动装置(60)连接；扭矩加载装置(50)、过渡缸驱动装置(60)和温控器(70)与控制箱(80)电气连接。7.根据权利要求6所述试验方法，其特征在于：所述上剪切盒(20)形状为上口封闭的圆筒状；上剪切盒(20)上口的封板与加载杆(40)连接；上剪切盒(20)下口设有锥状收口；上剪切盒(20)下口设有沿圆周均布的一组铜片(21)；上剪切盒(20)下口外圆和内圆面均设有一组沿圆周均布的径向伸缩弹性柱(22)。8.根据权利要求7所述试验方法，其特征在于：所述上剪切盒(20)下口外圆和内圆面的径向伸缩弹性柱(22)均沿圆周紧密排列。9.根据权利要求7所述试验方法，其特征在于：所述径向伸缩弹性柱(22)包括筒状壳体(23)，筒状壳体(23)的筒口设有收口，筒状壳体(23)的收口内设有钢球(24)，钢球(24)与筒状壳体(23)的筒底之间设有弹簧(25)。10.根据权利要求6所述试验方法，其特征在于：所述下剪切盒(30)包括底板32；底板32底面与操作台(10)上的控温盘(31)固定连接；底板32顶面设有外筒(33)，外筒(33)内设有
内筒(34)；外筒(33)与内筒(34)之间形成剪切室(35)；剪切室(35)底面设有沿圆周均布的一组铜片(21)；上剪切盒(20)下口位于下剪切盒(30)的剪切室(35)内；上剪切盒(20)下口外圆的一组径向伸缩弹性柱(22)与外筒(33)内壁滚动连接，上剪切盒(20)下口内圆的一组径向伸缩弹性柱(22)与内筒(34)外壁滚动连接。

技术总结
本发明公开了一种土体环剪试验装置及试验方法，包括操作台，操作台上设有控温盘，控温盘经隔热管与温控器连接；控温盘顶面与下剪切盒固定连接；下剪切盒的剪切室内设有待试验土体，待试验土体)顶部设有上剪切盒；上剪切盒经连接盘与加载杆顶端固定连接；加载杆底端与操作台底部的上盒驱动缸内的活塞连接；在上盒驱动缸顶部的加载杆上设有扭矩加载盘，扭矩加载盘与扭矩加载装置连接；上盒驱动缸经液压管与过渡缸连接，过渡缸内的活塞与过渡缸驱动装置连接；扭矩加载装置、过渡缸驱动装置和温控器与控制箱电气连接。本发明试验过程中，可测定土体破坏后的残余强度。土体破坏后的残余强度。


技术研发人员：张训 冉群 程阿青 冯建洲 刘飞 王辉 赵福龙
受保护的技术使用者：中国建筑第四工程局有限公司
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/19