可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的製作方法

2023-05-21 00:06:26

本發明涉及一種可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置，屬於巖土工程測量儀器製造技術及測試領域。

背景技術：

非飽和土中水流速度很慢，為使土樣變形、孔壓均勻化，剪切試驗中加載速率比飽和土要小得多，試驗歷時也長得多。與三軸試驗相比，非飽和土直剪儀結構簡單，操作方便，特別是試樣厚度小，試驗歷時大大縮短，因而可提高試驗效率。

在吸力的變化過程中，土體體積變化會非常大，比如膨潤土、紅黏土等特殊性質的黏土土。以膨潤土為類，膨潤土具有非常明顯的溼脹幹縮特性。在進行不同吸力控制下膨潤土試樣的直剪試驗時，土體的幹化收縮會與現有的常規剪切盒內壁脫離，影響直剪試驗結果的準確性。如果在非飽和大塊試樣上切成環刀樣，如果吸力很高，也即試樣含水率較低，強度高，土樣易碎、不易切塊成型，導致制樣失敗，試驗費時費力。所以非常有必要設計一種可根據土樣尺寸方便調節剪切環直徑的新式構造剪切盒來解決非飽和土在吸力變化情況下體積變化的問題，從而更加精確的測量非飽和土剪切強度。

另外，目前常規的非飽和土直剪儀的吸力控制範圍有限，其吸力控制主要應用軸平移技術，吸力範圍取決於陶土板的量程，通常為40kPa-2MPa，所以土樣無法在2MPa以上的吸力下進行剪切試驗。因此，現有的通過軸平移技術控制吸力的非飽和土直剪儀，已經無法解決高吸力控制的實際工程問題。為了解決這一問題，需要研製新的非飽和土直剪儀。水汽平衡法吸力控制技術是實現高吸力控制的有效途徑之一，其基本方法是在乾燥器中放置一定濃度的某種化學溶液，則容器內的蒸氣壓將與之處於平衡，這樣容器內的相對溼度將保持不變。土樣放置在同一溼度環境中，也將與容器內的蒸氣壓達到平衡，從而達到吸力控制的目的，吸力量測範圍為40kPa-262MPa。

本發明所提出的可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀，可以用來進行常規飽和土、非飽和土的直剪試驗研究，可以進行吸力控制下的非飽和土直剪試驗，尤其是對於吸力平衡後體積收縮的試樣，可根據試樣的直徑調節剪切環尺寸，進行高吸力下強度測試。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對已有技術存在的不足，提供一種可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置，可在實時條件下量測土體的直徑，得到土體在不同狀態下的體積變化，解決土體幹縮與剪切盒內壁不能貼合的問題，得到不同吸力下土體的直剪強度。該儀器設計簡便、輕巧，操作方便，一體性好，應用範圍廣。

為達到上述發明目的，解決現有技術問題，本發明的構思是：

本裝置包括上剪切盒與下剪切盒，上下剪切盒基本相同，分別包括可伸縮鋼片、鋼片抵板以及剪切外殼三部分。伸縮鋼片為彈性強的鋼材製作，具有較大的回彈性。鋼片抵板成T字形，由長方形鋼板，伸縮鋼棒，彈簧，螺絲和螺絲卡扣組成。剪切外殼為等邊三角形結構，為剪切盒的外壁，其中三個腳點分別為固定螺孔，用來固定上下剪切盒。

根據上述發明構思，本發明採用下述技術方案：

一種可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置，包括上、下剪切盒，所述上、下剪切盒包括圓形伸縮鋼片、鋼片抵板以及剪切外殼；所述剪切外殼為等邊三角形，三角形的每個邊中部連接鋼片抵板，所述鋼片抵板分別在三個方向固定圓形伸縮鋼片，上、下剪切盒通過螺栓固定連接。

所述鋼片抵板成T字形，由長方形鋼板，伸縮鋼棒，彈簧，螺母和螺絲卡扣組成；所述長方形鋼板外測中間焊接伸縮鋼棒的一端，伸縮鋼棒的另一端伸出剪切外殼，通過螺母固定，所述螺絲卡扣安裝在螺母的外側，螺母與剪切外殼之間設有橡膠圈以減小摩擦，所述彈簧套裝在伸縮鋼棒上，位於剪切外殼和長方形鋼板之間。

所述圓形伸縮鋼片的起始端有伸出段伸出長方形鋼板，伸出段上面設有測量土樣直徑的刻度；所述圓形伸縮鋼片的末端通過固定銷與長方形鋼板相連，在長方形鋼板內測中間安裝圓形導輪，在圓形伸縮鋼片外側設有凹槽，圓形導輪與凹槽相配合，使得圓形伸縮鋼片伸縮時不偏離。

所述上剪切盒的剪切外殼的三個頂點分別設有貫穿的上螺孔，下剪切盒的剪切外殼的三個頂點分別設有貫穿的下螺孔，用來插進螺栓，固定上、下剪切盒；剪切外殼三個頂點分別進行圓形倒角，以免尖端剪切時破壞儀器。

本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出的實質性特點和顯著優點：

本發明在外觀上是三角形而不是傳統直剪盒的正方形，結構簡單，所以大大減少用材。採用可伸縮內徑裝置，現有的非飽和土的直剪盒均由飽和土直剪盒改造，未考慮試樣收縮帶來的剪切誤差，本試驗裝置在試樣的周圍設置收縮內徑的鋼環，將試樣放入鋼環內，可調節鋼環內徑，保證剪切試樣完全接觸剪切盒。收縮內徑的鋼環上有測量試樣內徑的刻度，在裝樣時可以測量土樣的內徑。該試驗裝置可以測量飽和土、非飽和土的直剪強度，同時，可以在飽和土直剪架上使用，也可以在非飽和土的吸力控制壓力室內使用。

這種測試方法所依託的試驗裝置，構造簡單，設計輕巧，操作方便，一體化性能好，作用廣泛。

附圖說明

圖1是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的上剪切盒俯視圖。

圖2是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的下剪切盒俯視圖。

圖3是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的上剪切盒側視圖。

圖4是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的下剪切盒側視圖。

圖5是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的剪切盒剖視圖。

圖6是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的非飽和土剪切壓力室剖視圖。

圖7是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的三維圖。

圖8是本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置的拼裝圖。

具體實施方式

本發明的優選的實施例結合附圖詳述如下：

參見圖1-5，一種可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置，包括上、下剪切盒，所述上、下剪切盒包括圓形伸縮鋼片1、鋼片抵板8以及剪切外殼6；所述剪切外殼6為等邊三角形，三角形的每個邊中部連接鋼片抵板8，所述鋼片抵板8分別在三個方向固定圓形伸縮鋼片1，上、下剪切盒通過螺栓15固定連接。

所述鋼片抵板8成T字形，由長方形鋼板7，伸縮鋼棒9，彈簧10，螺母3和螺絲卡扣4組成；所述長方形鋼板7外測中間焊接伸縮鋼棒9的一端，伸縮鋼棒9的另一端伸出剪切外殼6，通過螺母3固定，所述螺絲卡扣4安裝在螺母3的外側，螺母3與剪切外殼6之間設有橡膠圈14以減小摩擦，所述彈簧10套裝在伸縮鋼棒9上，位於剪切外殼6和長方形鋼板7之間。長方形鋼板7長為125mm±0.1mm，寬為5mm±0.1mm，高為30mm±0.1mm。伸縮鋼棒9長45mm±0.1mm，半徑5mm±0.1mm。螺母3半徑10mm±0.1mm。

所述圓形伸縮鋼片1的起始端有伸出段12伸出長方形鋼板7，伸出段12上面設有測量土樣直徑的刻度；所述圓形伸縮鋼片1的末端通過固定銷11與長方形鋼板7相連，在長方形鋼板7內測中間安裝圓形導輪2，在圓形伸縮鋼片1外側設有凹槽13，圓形導輪2與凹槽13相配合，使得圓形伸縮鋼片1伸縮時不偏離。圓形伸縮鋼片1在鬆弛狀態下內徑為61.8mm±0.1mm，外徑為64.8mm±0.1mm，高度為20mm±0.1mm，壁厚為4mm±0.2mm；在外壁距上距下端面8mm±0.1mm處有一環形凹槽13，凹槽13的深度為1mm±0.1mm，凹槽13環繞整個圓形伸縮鋼片1；圓形導輪2長為125mm±0.1mm，寬1mm±0.1mm，高1mm±0.1mm。

所述上剪切盒的剪切外殼6的三個頂點分別設有貫穿的上螺孔5，下剪切盒的剪切外殼6的三個頂點分別設有貫穿的下螺孔17，用來插進螺栓15，固定上、下剪切盒；剪切外殼6三個頂點分別進行圓形倒角16，以免尖端剪切時破壞儀器。剪切外殼6的外壁長度為205mm±0.1mm，高度為30mm±0.1mm，厚度為15mm±0.1mm。螺孔半徑為3.5mm±0.01mm。圓形倒角半徑為7.5mm±0.01mm。

參見圖1-6，本發明可調節剪切環直徑的非飽和土直剪儀試驗裝置上下剪切盒合併後可以放入非飽和土實驗直剪儀中，這樣在控制吸力的同時控制直徑。在圖2的下剪切盒中，底部有螺旋鑽孔18，方便陶土板飽和與衝刷氣泡。將剪切盒壁上的調節螺母3擰松，使圓形伸縮鋼片1達到鬆弛狀態，此狀態的圓形伸縮鋼片1直徑為61.8mm。將剪切盒放上非飽和直剪儀壓力室上，其下剪切盒底部有兩個導軌19，將導軌放上直剪儀支架上的兩個Teflon圓珠滑輪20上，材質為聚四氟乙烯，以減小摩擦。固定上剪切盒於固定棒23上，固定下剪切盒於推進棒21上。將壓力棒24對準壓蓋版中心，蓋上壓力室蓋板29，擰緊蓋板螺絲26。水壓管27連接水壓，氣壓管28連接氣壓。

本實施例依託上述實驗裝置用於高吸力下土體變形及變形後直剪強度測定及換算方法，實驗步驟如下：

1.安裝步驟：將上下剪切盒合上，擰上3個螺栓15，將剪切盒壁上的螺母3擰松，使圓形伸縮鋼片1達到鬆弛狀態，此狀態的直徑為61.8mm。將剪切盒放上直剪儀上，其下剪切盒底部有兩個導軌19，將導軌放上直剪儀支架上的兩個Teflon圓珠滑輪上20，以減小摩擦。上剪切盒抵住應力鋼環23，測量應力，下剪切盒抵住推進裝置22，進行剪切時推進。在剪切盒底部放上透水石30，透水石上放上一層濾紙31，將控制好吸力的土樣32放入剪切盒中，將剪切盒壁上的調節螺母3擰緊，調整伸縮鋼片1緊貼試驗土樣32，記下伸縮鋼片刻度13，可以得到土樣直徑。在試樣上再放上一層濾紙33，濾紙上放上透水石34，再放上受壓蓋板35，在受壓蓋板上加上受壓裝置24。至此，完成測試裝置的安裝

2.試驗方法：移動傳動裝置使上盒前端鋼珠20剛好與測力計接觸依次放上傳壓板加壓框架24，安裝垂直位移和水平位移量測裝置23，並調至零位或測記初讀數。根據工程實際和土的軟硬程度施加各級垂直壓力，對鬆軟試樣垂直壓力應分級施加，以防土樣擠出。拔去固定銷15，以一定的剪切速度進行剪切，試樣每產生剪切位移，測記測力計和位移讀數，直至測力計讀數出現峰值，應繼續剪切至破壞時停機，記下破壞值當剪切過程中測力計讀數無峰值時，應剪切至剪切位移為6mm時停機，剪切結束，退去剪切力和垂直壓力，移動加壓框架24，取出試樣32。以剪應力為縱坐標，剪切位移為橫坐標，繪製剪應力與剪切位移關係曲線。取曲線上剪應力的峰值為抗剪強度，無峰值時取剪切位移所對應的剪應力為抗剪強度。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪製抗剪強度與垂直壓力關係曲線，直線的傾角為摩擦角，直線在縱坐標上的截距為粘聚力。對不同直徑的試樣的剪切強度進行數據處理，並與相同物理指標的試樣在常規直剪儀的剪切強度數據進行對比，得到對於這一類土的該儀器的尺寸換算係數，得到精準的非飽和土的強度指標。