一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统

摘要

本发明公开了一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统，针对目前暂无现场软弱夹层现场环剪试验设备及方法的情况，提供了在实际工程中开展现场环剪试验的系统；通过竖向压力检测单元、土体荷载单元和旋转扭力检测单元实现现场环剪试验，通过本方案的岩土软弱夹层现场环剪试验系统可以实现在隧洞内及高边坡等现场开展试验，能够满足室内试验精度无法实现的情形；由旋转扭力检测单元通过土体荷载槽向试验土体提供扭力并带动试验土体转动，并由土体荷载板上滑动槽使试验土体转动时竖向压力检测单元保持静止，通过相互传动的力向土体荷载单元提供传动的驱动，简化了现场环剪试验系统的结构。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土试验测试领域技术领域，具体涉及一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统。

背景技术

近年来，我国公路、铁路交通行业发展迅速，不可避免的面临长隧洞及高边坡稳定性分析问题。其中，山体内部及高边坡内部软弱夹层的存在，往往是造成其失稳及滑动的重要因素。岩体中软弱夹层的存在破坏了岩体的整体性，其颗粒组成不均匀、岩土成分不一、填充物物理力学性质差异较大，软弱夹层对山体隧洞变形及高边坡变形具有很大影响，也是岩土界重点研究对象之一。而洞内软弱夹层变形及高边坡软弱夹层变形往往是大变形条件下，目前，国内外研究指出，环剪试验可以满意的测定土的残余强度。残余强度反映的是岩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，也就是研究大应变条件下强度降低的问题。由此可见，残余强度体现了大变形下土的工程性质。证明环剪试验是分析量测接触界面残余强度的有效试验方法之一。

对于岩土试验来说，现场原位试验可以测定不扰动情况下工程性质，也可避免取样过程中应力释放的影响，同时影响范围大，代表性较强。遗憾的是，目前现有的环剪试验设备均为室内试验设备，最大研究粒径往往为小于5mm进行，与现场软弱夹层存在一定的差异，不能准确的代表现场情况。

在稳定性计算中，往往采用现场直剪试验强度参数进行，但直剪试验无法模拟隧洞内及高边坡这种大变形情况，同时也无法准确测得其残余抗剪强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前现有的环剪试验设备均针对室内试验，且实验环境有限局限了研究粒径的范围；试验土体的试验环境与实际环境存在一定的差异，室内试验不能准确的代表现场情况；本发明目的在于提供一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统，以解决上述技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统，包括：竖向压力检测单元、旋转扭力检测单元和用于对土体制样的土体荷载单元；所述土体荷载单元包括用于承载试验土体的土体荷载槽；

所述旋转扭力检测单元向试验土体提供扭力并带动土体荷载槽和试验土体绕同一轴心旋转，该轴心为轴线O；

所述竖向压力检测单元接触试验土体并向试验土体提供竖向压力。

本方案工作原理：目前现有的环剪试验设备均针对室内试验，且实验环境有限局限了研究粒径的范围；试验土体的试验环境与实际环境存在一定的差异，室内试验不能准确的代表现场情况；在试验土体采集、运输到实验室的过程中，由于环境温度湿度变化、运输抖动碰撞等原因导致试验土体与现场采集时的软弱夹层存在一定差异；因此本方案针对目前暂无现场软弱夹层现场环剪试验设备及方法的情况，提供了在实际工程中开展现场环剪试验的系统；通过竖向压力检测单元、土体荷载单元和旋转扭力检测单元实现现场环剪试验，由于传统的室内试验通常是在荷载板底部专门装配驱动设备来驱动荷载板转动，进而带动其他结构转动以完成试验，但是由于现场环境的局限，如偏远山区、隧道等场景，携带各个试验设备和驱动用电设备并不现实，且现场的环境条件也无法满足试验设备；鉴于此，本方案提供的岩土软弱夹层现场环剪试验系统，由旋转扭力检测单元通过土体荷载槽向试验土体提供扭力并带动试验土体和土体荷载槽转动，并由试验土体带动竖向压力检测单元转动，避免每个需要驱动的设备都配备驱动装置，通过相互传动的力简化了现场环剪试验系统的结构。

对于室内试验精度无法实现的情形，如在隧洞内及高边坡这种大变形情景的下，而通过本方案的岩土软弱夹层现场环剪试验系统可以实现在隧洞内及高边坡现场开展试验。

进一步优化方案为，所述竖向压力检测单元包括竖向压力装置、旋转应力装置和垂直应力千斤顶；

所述竖向压力装置提供的竖向压力通过垂直应力千斤顶传送至旋转应力装置，旋转应力装置直接接触试验土体；旋转的试验土体带动旋转应力装置绕轴线O旋转。

进一步优化方案为，还包括压力传感器，所述竖向压力装置包括支撑架和上负荷载，所述上负荷载装设在支撑架顶，垂直应力千斤顶通过压力传感器连接在支撑架上，上负荷载和支撑架向垂直应力千斤顶提供竖向压力。

进一步优化方案为，所述旋转应力装置包括应力支架和支架滑动槽，由支架滑动槽直接接触试验土体，试验土体带动支架滑动槽转动，应力支架静止不动。

作为优选，应力支架为偶数个，每两个支架为一组，一组支架分别以轴线O为对称中心均匀布设连接至支架滑动槽，保证试验土体受到的竖向压力均匀。同时所述支架滑动槽为环形槽保证试验土体受力均衡，当试验土体带动支架滑动槽转动时，应力支架保持静止。

进一步优化方案为，所述旋转扭力检测单元包括：扭力千斤顶、扭力齿轮轴组、扭力传感器、角位移传感器和旋转支架；

所述扭力千斤顶提供扭力，扭力通过扭力齿轮轴组传输至旋转支架，旋转支架连接至土体荷载槽内带动试验土体和土体荷载槽绕所述轴线O旋转；扭力传感器测量旋转支架的转动扭力，角位移传感器测量旋转支架的旋转角度。

由于千斤顶只能发出竖直方向的力，因此通过扭力齿轮轴组将扭力千斤顶竖直方向的力转化为旋转扭力以在现场以简单的结构实现扭力。

作为优选，旋转支架也为偶数个，每两个支架为一组，一组支架分别以轴线O为对称中心均匀布设接触试验土体，保证试验土体受到的竖向压力均匀。

作为一种优选旋转支架与应力支架的数量相同，由于旋转支架是将扭力通过土体荷载槽传输给试验土体，而应力支架是向试验土体传输竖向压力，数量相同的旋转支架与应力支架保证试验土体受力均衡，避免影响试验精度。

作为一种优选，旋转支架与应力支架交错布设，各组应力支架布置在旋转支架外侧，确保旋转支架转动时不影响外侧应力支架。同时各组支架避免重叠布设在试验土体同一位置，使得试验土体受力不均衡影响试验精度。

进一步优化方案为，所述土体荷载槽包括：土体荷载板、内环板和外环板；

所述内环板和外环板为等高的管状结构，且外环板的直径大于内环板的直径；

所述土体荷载板呈圆环状，内环板的直径与土体荷载板的内径相匹配，外环板的直径与土体荷载板的外径相匹配；

土体荷载板可拆卸装设在内环板与外环板之间，且土体荷载板分别与内环板和外环板垂直，试验土体装设在由土体荷载板、内环板和外环板构成的槽内。

进一步优化方案为，所述轴线O为土体荷载板的中心轴。

进一步优化方案为，所述土体荷载槽包括外环肋条，沿外环板内壁至少装设一根外环肋条，外环肋条与土体荷载板垂直用于紧固土体荷载板的安装。

外环肋条一方面可以使得土体荷载板更稳固的安装在内环板与外环板之间，另一方面当试验土体装设在土体荷载槽内后，外环肋条直接与试验土体接触，可以增大试验土体与外环板和内环板之间的摩擦力，使得整个土体荷载槽不仅是土体荷载板，连同内环板和外环板与试验土体之间都有摩擦力；进而能够保证土体荷载槽转动过程中，试验土体也一起转动。

进一步优化方案为，所述土体荷载单元还包括内环剪盒和外环剪盒；

所述内环剪盒通过轴承连接在内环板外侧，外环剪盒通过轴承连接在外环板外侧。

在旋转支架带动土体荷载槽转动过程中，试验土体通过其与土体荷载槽之间的摩擦力带动而一起转动，由于内环剪盒和外环剪盒通过轴承与土体荷载槽连接，因此其之间的摩擦力可以忽略不计，

进一步优化方案为，所述土体荷载板用于承载试验土体的表面排布多个凸起结构。土体荷载板与试验土体接触的表面通过多个凸起结构来增大摩擦力，使得土体荷载板更好的带动试验土体一起转动。

现有室内环剪仪分为Bishop环剪仪和Bromhead环剪仪，其中Bishop环剪仪分为上下剪切环，中间需要控制好开缝尺寸，否则试样容易被挤出，同时由于上下环之间存在摩擦力，轴向荷载不等于作用在剪切面上的力；而Bromhead环剪仪采用不开缝整体式试样环，虽不存在挤出试样问题，但荷载板与试样环内壁有摩擦力，从而影响试验精度；为了保证现场试验准确性与精度，本方案在室内Bromhead环剪仪的基础上，通过土体荷载槽、内环剪盒和外环剪盒以及特殊驱动方式的配合，避免了传统的荷载板与试样环内壁之间产生摩擦力，保证了岩土软弱夹层现场环剪试验系统的试验精度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统，针对目前暂无现场软弱夹层现场环剪试验设备及方法的情况，提供了在实际工程中开展现场环剪试验的系统；通过竖向压力检测单元、土体荷载单元和旋转扭力检测单元实现现场环剪试验，通过本方案的岩土软弱夹层现场环剪试验系统可以实现在隧洞内及高边坡等现场开展试验，能够满足室内试验精度无法实现的情形；由旋转扭力检测单元向试验土体提供扭力并带动试验土体和转动，并由试验土体带动竖向压力检测单元转动，避免每个需要驱动的设备都配备驱动装置，通过相互传动的力向竖向压力检测单元和土体荷载单元提供传动的驱动，简化了现场环剪试验系统的结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为岩土软弱夹层现场环剪试验系统结构示意图；

图2为土体荷载单元底部结构示意图；

图3为土体荷载板截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上负荷载，2-支撑架，3-压力传感器，4-垂直应力千斤顶，5-应力支架，51-支架滑动槽，6-扭力千斤顶，7-扭力齿轮轴组，8-扭力传感器，9-角位移传感器，10-旋转支架，11-土体荷载单元，12-土体荷载板，13-外环板，14-内环板，15-外环剪盒，16-内环剪盒，17-内环肋条，18-外环肋条，19-凸起结构，20-试验土体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种岩土软弱夹层现场环剪试验系统，如图1所示，竖向压力检测单元、旋转扭力检测单元和用于对土体制样的土体荷载单元；所述土体荷载单元包括用于承载试验土体的土体荷载槽；

所述旋转扭力检测单元向试验土体提供扭力并带动土体荷载槽和试验土体绕同一轴心旋转，该轴心为轴线O；

所述竖向压力检测单元接触试验土体并向试验土体提供竖向压力。

所述竖向压力检测单元包括竖向压力装置、旋转应力装置和垂直应力千斤顶4；

所述竖向压力装置提供的竖向压力通过垂直应力千斤顶4传送至旋转应力装置，旋转应力装置直接接触试验土体；

所述垂直应力千斤顶4通过旋转轴承与旋转应力装置连接，旋转的试验土体带动旋转应力装置绕轴线O旋转。

还包括压力传感器3，所述竖向压力装置包括支撑架2和上负荷载1，所述上负荷载1装设在支撑架2顶，垂直应力千斤顶4通过压力传感器3连接在支撑架2上，上负荷载1和支撑架2向垂直应力千斤顶4提供竖向压力。

所述旋转应力装置包括应力支架5和支架滑动槽51，由支架滑动槽51直接接触试验土体，转动的试验土体带动支架滑动槽转动，应力支架静止不动。

所述旋转扭力检测单元包括：扭力千斤顶6、扭力齿轮轴组7、扭力传感器8、角位移传感器9和旋转支架10；

所述扭力千斤顶6提供扭力，扭力通过扭力齿轮轴组7传输至旋转支架10，旋转支架10连接至土体荷载槽内带动试验土体和土体荷载槽绕所述轴线O旋转；扭力传感器8测量旋转支架10的转动扭力，角位移传感器9测量旋转支架10的旋转角度。

本实施例中旋转支架与应力支架的数量相同，由于旋转支架是将扭力传输给土体荷载槽，而应力支架是向试验土体传输竖向压力，数量相同的旋转支架与应力支架保证试验土体受力均衡，避免影响试验精度。

如图2所示，所述土体荷载槽包括：土体荷载板12、内环板14和外环板13；

所述内环板14和外环板13为等高的管状结构，且外环板13的直径大于内环板14的直径；

所述土体荷载板12呈圆环状，内环板14的直径与土体荷载板12的内径相匹配，外环板13的直径与土体荷载板12的外径相匹配；

土体荷载板12可拆卸装设在内环板14与外环板13之间，且土体荷载板12分别与内环板14和外环板13垂直，试验土体20装设在由土体荷载板12、内环板14和外环板13构成的槽内。

所述轴线O为土体荷载板12的几何中心。即为内环板14或外环板13的圆心。

所述土体荷载槽包括外环肋条18，沿外环板13内壁至少装设一根外环肋条18，外环肋条18与土体荷载板12垂直用于紧固土体荷载板的安装。

外环肋条一方面可以使得土体荷载板更稳固的安装在内环板与外环板之间，另一方面当试验土体装载在土体荷载槽内后，外环肋条直接与试验土体接触，可以增大试验土体与外环板和内环板之间的摩擦力，使得整个土体荷载槽不仅是土体荷载板，连同内环板和外环板与试验土体之间都有摩擦力；进而能够保证土体荷载槽转动过程中，试验土体也一起转动。

在内环板的内壁根据需要也可以设置内环肋条17。内环肋条与外环肋条作用一致。

所述土体荷载单元11还包括内环剪盒16和外环剪盒15；

所述内环剪盒16通过轴承连接在内环板14外侧，外环剪盒15通过轴承连接在外环板13外侧。

如图3所示，所述土体荷载板12用于承载试验土体的表面排布多个凸起结构19。

试验制备方法：首先，在需要进行试验区域挖出内环尺寸圆形区域，将内环剪盒放置其中，试验土体试样略高于内环1～2cm；其次，将外环剪盒放置于内环外，内外环为同心，在试验土体表面画出外环范围，移开外环，挖出环剪试验土样；再次，套入外环剪盒，消缺多余土体。放入土体荷载板并与令试验土体与内环板和外环板锁定。

试验方法：法向应力由垂直应力千斤4顶提供，并由压力传感器3读出法向应力值，同时连接下部应力支架5再接触到土体荷载板上向试验土体20施加竖向压力；

扭力由扭力千斤顶6经过扭力齿轮轴组7将竖向力转化为扭力，扭力齿轮轴组7下部连接有扭力传感器及角位移传感器测量旋转架的运动，旋转架接触到土体荷载板并带动试验土体20。

土体荷载板内部设置防滑凸起，并通过外环肋条与外环剪盒相连。

所述内环剪盒16通过轴承连接在内环板14外侧，外环剪盒15通过轴承连接在外环板13外侧，以消除Bromhead环剪仪荷载板与试样环内外壁的摩擦力。

本方案针对目前暂无现场软弱夹层现场环剪试验设备及方法的情况，提供了在实际工程中开展现场环剪试验的系统；通过竖向压力检测单元、土体荷载单元和旋转扭力检测单元实现现场环剪试验，由于传统的室内试验通常是在荷载板底部专门装配驱动设备来驱动荷载板转动，进而带动其他结构转动以完成试验，但是由于现场环境的局限，如偏远山区、隧道等场景，携带各个试验设备和驱动用电设备并不现实，且现场的环境条件也无法满足试验设备；鉴于此，本方案提供的岩土软弱夹层现场环剪试验系统，由旋转扭力检测单元向试验土体提供扭力并带动试验土体和转动，试验土体转动过程中竖向压力检测相对静止并提供稳定竖向压力，避免每个需要驱动的设备都配备驱动装置，通过相互传动的力简化了现场环剪试验系统的结构。

对于室内试验精度无法实现的情形，如在隧洞内及高边坡这种大变形情景的下，而通过本方案的岩土软弱夹层现场环剪试验系统可以实现在隧洞内及高边坡现场开展试验。

本发明型具有安装方便、简单易行、实用可靠等特点，解决了现有现场无大型软弱夹层环剪试验设备仪器的空缺，同时也解决了Bromhead环剪仪荷载板与试样环内外壁的摩擦力影响试验精度的问题。在实际工程中可以开展现场环剪试验，保证了工程对于质量、安全的要求，同时，也为实际工程大变形稳定性计算提供更加全面、准确的残余强度参数，保证整个工程的安全，对工程具有重要意义。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。