疊環式斜面剪切儀的製作方法
2023-06-06 23:56:01 1
專利名稱：疊環式斜面剪切儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測試衛生填埋場複合襯墊系統界面特性的斜面剪切儀，屬於環境巖土技術領域。
背景技術：
隨著經濟發展和都市規模的擴大，城市固體廢棄物的產出量逐年增加，在我國現階段最有效的垃圾處理方法是深度填埋。填埋場的襯墊系統主要包括土工膜、土工布、土工網、GCL襯墊等土工材料以及砂土，粘土。研究不同土工材料之間的力學特性，就必需對不同土工材料的組合進行直剪和單剪試驗。直剪是指兩層不同土工材料間的界面剪切試驗， 單剪是指三層及以上不同土工材料進行界面剪切試驗，即按照填埋場實際襯墊鋪設的上下順序，在試驗儀器中取同樣的土工材料疊放順序進行試驗。目前常見的土工材料力學特性測試儀器主要有(1)斜板儀。斜板儀能進行斜面剪切試驗，使用較為簡單，能得到較大的相對位移，進而有利於殘餘強度值的取得，製造和使用費用低廉，但是其只適用於法向應力較小的情況，無法適用於高法向應力的情況。(2) 改進直剪儀，改進了常規剪切儀的試樣尺寸小、剪切位移小、存在尺寸效應等缺點，但是依然存在以下缺點無法模擬多層土工材料界面剪切、更不能進行斜面剪切試驗。(3)扭轉剪切儀，扭轉剪切儀可以在一個方向上產生無限大的位移，且剪切面積保持不變，能測得不同接觸界面之間的殘餘剪切強度。其缺點有試樣尺寸一般較小，存在著明顯的尺寸效應；扭剪儀是環向剪切，適合於各向均勻的土工材料之間的剪切，而對於土工布和土工網等材料， 由於試樣的生產和製備方向都不是環向的，因此存在剪切方向上的差異，必然導致試驗結果存在較大誤差，另外該扭轉剪切儀無法適用斜面剪切。(4)浸水式大型直剪儀，兩個剪切盒之間有鋼珠可以減小摩擦力，主要用來測量大面積矩形試樣的抗剪強度，由於浸水式大型直剪儀下部有一個水化試樣的水池，試驗基本都在水中進行，因此主要適用於飽和條件下土與土工合成材料之間的接觸強度研究，但是其無法模擬多層土工材料的界面剪切。上述試驗儀器僅能進行單一界面的剪切試驗，無法同時做多界面的剪切試驗。試驗界面單一固定，只能進行直剪試驗，存在尺寸效應、不適於對多種土工材料進行測試、法向應力較小、 無法模擬斜面剪切。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種不僅可以進行直剪試驗， 還可以進行單剪試驗，避免尺寸效應且能對多種土工材料組成的複合襯墊系統進行斜面剪切的疊環式斜面剪切儀。為實現以上的目的，本發明採用以下的技術方案
疊環式斜面剪切儀，包括水平底座和設置在底座上的支架、支架上固定垂直液壓油缸和水平液壓油缸，水平液壓油缸與垂直液壓油缸均連接至液壓控制系統；
其中垂直液壓油缸的液壓杆垂直朝下且連接上剪切盒的蓋板，下剪切盒底部固定剛性底板，剛性底板與水平底座之間設置滾軸；
水平液壓油缸的液壓杆與傳力鐵塊連接，傳力鐵塊通過連杆連接至下剪切盒的導向
板；
支架上安裝支撐鐵塊，支撐鐵塊抵住上剪切盒沿著與下剪切盒的接觸面下滑方向的外側壁；
在下剪切盒與上剪切盒之間設置疊環組，疊環組各疊環的側壁與水平位移傳感器組的工作端連接；
水平位移傳感器組、垂直液壓油缸、水平液壓油缸並聯至數據採集分析系統；液壓控制系統與數據採集分析系統均連接至主控臺；
其特徵在於，所述的上、下剪切盒的剪切面為非水平面。上下剪切盒剪切面的坡度為 1:2-1:4。上、下剪切盒均為外方內圓的結構，上、下剪切盒合併時，外部呈立方體，內部呈圓柱結構，疊環中心設置的圓與上下剪切盒內徑相等，且上下剪切盒的側壁、疊環組設置定位孔。疊環組每個疊環的側面垂直地焊接薄金屬片。疊環式斜面剪切儀對複合襯墊系統界面特性測試的方法，包括以下的步驟基於權利要求1的疊環式斜面剪切儀對複合襯墊系統界面特性測試的方法，包括以下的步驟
(1)、將不同的建築材料分別填充至上、下剪切盒內並壓實，將待測試的不同襯墊材料分別放置在不同的疊環上，將疊環組置於上、下剪切盒之間；
(2)、在上剪切盒加蓋蓋板，將支撐鐵塊與上剪切盒沿著與下剪切盒的剪切面下移方向的外側壁接觸；依次連接導向板、連杆、傳力鐵塊；水平位移傳感器組的傳感器連接疊環組的每個疊環和下剪切盒；接通並檢查數據採集分析系統和液壓控制系統；
(3)、開啟採集分析系統和液壓控制系統，垂直液壓油缸對上下剪切盒施加垂直壓力， 水平液壓油缸通過傳力鐵塊、連杆、導向板向下剪切盒施加水平拉力，下剪切盒在水平液壓油缸作用下水平移動，上剪切盒在下剪切盒、支撐鐵塊的作用下豎直向上移動，疊環組保持自由移動狀態，垂直壓力、水平拉力由數據採集分析系統測出，位移由水平位移傳感器測出，經換算得到剪切斜面上的正應力、剪切應力及剪切位移，繪製強度包線，進而獲得斜面上多層複合襯墊的抗剪強度參數。前述的疊環式斜面剪切儀對複合襯墊系統界面特性測試的方法，其特徵在於所述襯墊材料為土工布、土工膜、土工網、複合排水網、GCL襯墊，所述的建築材料是砂土和粘土。本發明的優點和效果在於
(1)試樣尺寸大，避免尺寸效應；
(2)通過垂直液壓油缸施加最高達200KN的垂直壓力，通過水平液壓油缸施加最高達 150KN的水平拉力，滿足高應力的要求；
(3)通過多層疊環，可以進行多種剪切試驗直剪、單剪，真實模擬實際工程中的衛生填埋場多層界面情況；
(4)採用水平位移傳感器組，通過數據採集分析系統，獲得每個接觸面的位移，從而找到最薄弱滑動面的變化規律；
(5)通過施加不同的垂直壓力，模擬衛生填埋場不同的垃圾填埋厚度，結合每個接觸面
4的位移與剪應力情況，獲得應力應變關係，再根據破壞標準，得到一條反映界面抗剪能力的強度包線；
(6)上剪切盒、下剪切盒、疊環組之間剪切面有多種坡度，可以進行斜面剪切，真實模擬實際中的衛生填埋場多種坡度的邊坡。本發明的試驗結果與運用疊環式水平剪切儀試驗結果的對比可見，強度包線有著明顯差異，本發明更適用於斜坡上複合襯裡的剪切試驗。
圖1為本發明的疊環式斜面剪切儀的結構示意圖。圖2為圖1的左視圖。圖3為各系統的連接示意框圖。圖4為上、下剪切盒連接關係示意圖。圖5為利用本發明進行單剪試驗得到的正應力-位移關係圖。圖6為利用本發明進行單剪試驗的剪切應力-位移關係圖。圖7為利用本發明進行單剪試驗的剪切應力與正應力之比-位移關係圖。圖8為利用本發明進行單剪試驗的剪切應力-正應力關係圖。圖9為利用本發明進行單剪試驗的界面強度包線圖。圖10為利用本發明進行砂土直剪試驗的正應力-位移關係圖。圖11為利用本發明進行砂土直剪試驗的剪切應力-位移關係圖。圖12為利用本發明進行砂土直剪試驗的剪切應力與正應力之比-位移關係圖。圖13為利用本發明進行砂土直剪試驗的剪切應力-正應力關係圖。圖14為利用本發明以及疊環式水平剪切儀進行砂土剪切試驗的強度包線比較圖。圖15為利用本發明以及疊環式水平剪切儀進行單剪試驗的強度包線比較圖。圖中1、機架；2、數據採集分析系統；3、液壓控制系統；4、滾軸；5、剛性底板；6、 下剪切盒；7、疊環組；8、上剪切盒；9、蓋板；10、垂直液壓油缸；11、水平液壓油缸；12、連杆、13、水平位移傳感器；14、支撐鐵塊；15、導向板；16、傳力鐵塊。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的說明。圖1為本發明的疊環式斜面剪切儀的結構示意圖。圖2為圖1的左視圖。如圖1、 圖2所示，本發明的疊環式斜面剪切儀，包括水平底座和設置在底座上的門形支架1、門形支架1上固定垂直液壓油缸10、垂直液壓油缸10的液壓杆垂直朝下且連接上剪切盒的蓋板 9，上下剪切盒接觸，下剪切盒6底部固定剛性底板5，剛性底板5與水平底座之間設置滾軸 4，以減少儀器誤差。下剪切盒6朝前、朝後的兩側面分別固定導向板15，導向板15通過連杆12與傳力鐵塊16連接。底座上安裝立柱，立柱上安裝支撐鐵塊14，支撐鐵塊抵住上剪切盒8沿著與下剪切盒的接觸面下滑方向的外側壁。水平液壓油缸11固定在機架1上，且水平液壓油缸11的液壓杆與傳力鐵塊16連接。圖3為各系統的連接示意框圖。參照圖3所示，水平液壓油缸11與垂直液壓油缸 10均連接至液壓控制系統3 ；水平位移傳感器組13、垂直液壓油缸10、水平液壓油缸11並聯至數據採集分析系統2 ；液壓控制系統3與數據採集分析系統2均連接至主控臺。在下剪切盒6與上剪切盒8之間設置疊環組7，疊環組7各疊環的側壁與水平位移傳感器組13的工作端連接。每個疊環的厚度約1. 5mm，為了增加疊環與傳感器的接觸面積，在每個疊環的側面垂直地焊接薄的鐵片，每個傳感器連接至每個疊環的鐵皮表面，根據剪切面坡度不同，疊環組分為五組，每組六個，外形方形，中間為橢圓形，根據剪切面的坡度不同，橢圓的規格也不同，長軸有335毫米、323毫米、316毫米、312毫米、309毫米五個型號，相應的短軸均為300毫米。圖4為上、下剪切盒連接關係示意圖。參照圖4所示，上下剪切盒均為外方內圓的結構，且內部圓的直徑內徑300毫米、圓心均匹配，上剪切盒放置在上剪切盒時，保持接觸面全部接觸，且外部呈立方體，內部呈圓柱結構。因為在下剪切盒前後兩個側面固定導向板，因此將上下剪切盒合併後，上剪切盒只能相對下剪切盒做左右方向的相對運動。上剪切盒的下表面和上剪切盒的上表面、上下剪切盒的剪切面與水平面呈現一定夾角，使坡度為 1:2、1:2. 5、1:3、1:3.5、1:4。上、下剪切盒的側壁、疊環表面，沿著對角線的設置定位孔。以單剪實驗為例，模擬真實衛生填埋場整體複合襯墊系統斜面剪切試驗，材料為 砂-土工布-土工網-土工膜-粘土，剪切盒的坡度採用1:3。具體步驟為
(1)、材料的布置將土工布、土工網、土工膜分別固定於疊環組7的3個疊環上，將這三個疊環按組裝次序放置於上剪切盒8和下剪切盒6之間，砂土置於下剪切盒6內，粘土置於上剪切盒8內並壓實，在上剪切盒的上方放置蓋板9 ；
(2)、各部件的組裝將下剪切盒的導向板15與連杆12連接、傳力鐵塊16依次連接； 並將支撐鐵塊14與上剪切盒8從下剪切盒下滑方向的外側壁接觸；安裝水平位移傳感器組 13，並使三個疊環的側壁分別與水平位移傳感器組的三個傳感器連接；接通線路並檢查數據採集分析系統2和液壓控制系統3。(3)、實驗過程在主控臺控制開啟液壓控制系統3與數據採集系統2，垂直液壓油缸10的液壓杆向下伸長，對上下剪切盒、疊環組施加垂直向下的壓力；水平液壓油缸11的液壓杆向右側伸出，向右推動傳力鐵塊16，傳力鐵塊拉動連杆12，連杆12對導向板施加水平向右的力，導向板帶動下剪切盒一起向右側移動，上剪切盒同時受到垂直液壓油缸向下的壓力和下剪切盒提供的垂直於接觸面向上的推力，但因為上剪切盒被支撐鐵塊14抵住， 因此上剪切盒向上運動，體現在視覺上是相對於下剪切盒向左移動，夾持在上、下剪切盒之間的疊環組保持自由移動的狀態，具體位移由水平位移傳感器測量並傳遞至數據採集系統 2。(4)、數據處理
當垂直液壓油缸和水平液壓油缸對上下剪切盒施加作用力時，數據採集系統獲得剪切面所受到的正應力、剪切應力以及各疊環和下剪切盒的位移，從而繪製「正應力一位移」關係圖、「剪切應力一位移」關係圖、「剪切應力與正應力之比一剪切位移」關係圖、「剪切應力一正應力」關係圖，以「剪切應力與正應力之比一剪切位移」關係圖為基礎，在圖中有峰值曲線中取峰值處的位移為破壞點位移，圖中無峰值曲線取20mm剪切位移為破壞點位移，然後根據前述獲得的破壞點位移在「正應力一位移」關係圖和「剪切應力一位移」關係圖中找到對應的破壞點的正應力和剪切應力，最後繪製出強度包線，從而獲得該襯墊系統的粘聚力和摩擦角。 另外，通過採集的數據還可獲得各界面間的位移與時間關係，如土工布一土工網間的「位移一時間」關係圖，這對於研究者分析整個剪切過程提供了試驗數據。(參照圖5-圖 14所示)
(5)、對比分析通過本發明儀器測得「砂-土工布-土工網-土工膜-粘土」襯墊系統的強度包線與疊環式水平剪切儀測得同樣襯墊系統的強度包線對比(圖15)，可以明顯看出兩者抗剪能力的差別。另外，多種襯墊系統的對比試驗結果同樣反映了抗剪能力的差別， 這對於設計人員和施工人員在選擇填埋場邊坡上襯墊系統時候，提供了非常有益的試驗數據。
權利要求
1.疊環式斜面剪切儀，包括水平底座和設置在底座上的支架、支架上固定垂直液壓油缸和水平液壓油缸，水平液壓油缸與垂直液壓油缸均連接至液壓控制系統；其中垂直液壓油缸的液壓杆垂直朝下且連接上剪切盒的蓋板，下剪切盒底部固定剛性底板，剛性底板與水平底座之間設置滾軸；水平液壓油缸的液壓杆與傳力鐵塊連接，傳力鐵塊通過連杆連接至下剪切盒的導向板；支架上安裝支撐鐵塊，支撐鐵塊抵住上剪切盒沿著與下剪切盒的接觸面下滑方向的外側壁；在下剪切盒與上剪切盒之間設置疊環組，疊環組各疊環的側壁與水平位移傳感器組的工作端連接；水平位移傳感器組、垂直液壓油缸、水平液壓油缸並聯至數據採集分析系統；液壓控制系統與數據採集分析系統均連接至主控臺；其特徵在於，所述的上、下剪切盒的剪切面為非水平面。
2.根據權利要求1所述的疊環式斜面剪切儀，其特徵在於，所述的上下剪切盒剪切面的坡度為1:2-1:4。
3.根據權利要求1所述的疊環式斜面剪切儀，其特徵在於上、下剪切盒均為外方內圓的結構，上、下剪切盒合併時，外部呈立方體，內部呈圓柱結構，疊環中心設置的圓與上下剪切盒內徑相等，且上下剪切盒的側壁、疊環組設置定位孔。
4.根據權利要求1所述的疊環式斜面剪切儀，其特徵在於疊環組每個疊環的側面垂直地焊接薄金屬片。
5.基於權利要求1的疊環式斜面剪切儀對複合襯墊系統界面特性測試的方法，包括以下的步驟(1)、將不同的建築材料分別填充至上、下剪切盒內並壓實，將待測試的不同襯墊材料分別放置在不同的疊環上，將疊環組置於上、下剪切盒之間；(2)、在上剪切盒加蓋蓋板，將支撐鐵塊與上剪切盒沿著與下剪切盒的剪切面下移方向的外側壁接觸；依次連接導向板、連杆、傳力鐵塊；水平位移傳感器組的傳感器連接疊環組的每個疊環和下剪切盒；接通並檢查數據採集分析系統和液壓控制系統；(3)、開啟採集分析系統和液壓控制系統，垂直液壓油缸對上下剪切盒施加垂直壓力， 水平液壓油缸通過傳力鐵塊、連杆、導向板向下剪切盒施加水平拉力，下剪切盒在水平液壓油缸作用下水平移動，上剪切盒在下剪切盒、支撐鐵塊的作用下豎直向上移動，疊環組保持自由移動狀態，垂直壓力、水平拉力由數據採集分析系統測出，位移由水平位移傳感器測出，經換算得到剪切斜面上的正應力、剪切應力及剪切位移，繪製強度包線，進而獲得斜面上多層複合襯墊的抗剪強度參數。
6.根據權利要求5所述的疊環式斜面剪切儀對複合襯墊系統界面特性測試的方法，其特徵在於所述襯墊材料為土工布、土工膜、土工網、複合排水網、GCL襯墊，所述的建築材料是砂土和粘土。
全文摘要
本發明提供疊環式斜面剪切儀，包括垂直液壓油缸和水平液壓油缸，兩個油缸均連接至液壓控制系統；垂直液壓油缸的液壓杆連接上剪切盒的蓋板，下剪切盒底部固定剛性底板，剛性底板與水平底座之間設置滾軸；水平液壓油缸的液壓杆與傳力鐵塊連接，傳力鐵塊與連杆、下剪切盒的導向板依次連接；支架上安裝支撐鐵塊，支撐鐵塊抵住上剪切盒；在上、下剪切盒之間設置疊環組，疊環組與水平位移傳感器組連接；水平位移傳感器組、垂直液壓油缸、水平液壓油缸並聯至數據採集分析系統；液壓控制系統與數據採集分析系統均連接至主控臺；其特徵在於所述的上、下剪切盒的剪切面為非水平面。本發明更適用於斜坡上複合襯裡的剪切試驗，同時滿足高應力、多界面的要求。
文檔編號G01N3/24GK102323166SQ20111023903
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者劉曉東, 施建勇, 朱保坤, 艾英缽, 錢學德 申請人:河海大學