不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法

摘要

不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法，其特征是采用一种试验装置进行不同水力梯度作用下粗粒土的抗剪强度测试，该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，第一垂直滑轨(10)，水平滑轨(17)，传力杆(20)，水平加载轴(22)，垂直加载轴(25)等。该方法所用设备制造简单，测量精度高，满足不同垂直应力加载和水力梯度条件下的固结与直剪试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可用于土木工程中遇到的各种岩土体包括粗粒土、碎石土、土石混合体及土体在不同水力梯度渗流作用下的抗剪强度指标测试。

说明书

技术领域

本发明是一种土工测试方法，属于土木工程或地质工程测试领域。

背景技术

粗粒土(碎石土、土石混合体)是一种由作为骨料的砾石或块石与作为充填料的粘土和砂 组成的地质体。粗粒土作为一种填料被广泛应用于土石坝、公路、铁路、机场、房屋地基等 建筑工程，应用范围相当广泛。由于粗粒土由块石和土组成，且两者在力学性质上呈现“极 强”(块石)和“极弱”(土体)两个极端的差异性。这种差异性使粗粒土在物理力学性质上 呈现极端的不均匀性与极端的非线性特征，其宏观物理力学性质不能由块石或土简单叠加而 成。受降雨影响，粗粒土斜坡可能会发生滑坡风险，因此考虑降雨渗流对边坡稳定性的影响 至关重要，目前考虑渗流影响下的粗粒土强度的测试不能由传统的土力学剪切装置或者岩石 试验机来完成，需要研制适合粗粒土自身特点的新型仪器，量测其力学强度，尤其是要考虑 渗流和尺寸效应对粗粒土强度的影响。本发明就是一种量测不同水力梯度作用下粗粒土抗剪 强度的测试方法。

发明内容

本发明目的是提供一种不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法，用于解决粗粒土 在不同固结应力状态和渗流作用下的强度指标获取难题，为工程实践提供技术参数。

本发明的技术解决方案，其特征是采用一种试验装置进行不同水力梯度作用下粗粒土的 抗剪强度测试，该试验装置包括反力架1，加载框架2，第一伺服电机3，第二伺服电机4，载 样台5，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11， 滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14，第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17， 第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23， 第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第 二垂直滑轨30，排水孔31，进水孔32，透水板33。第一伺服电机3连接垂直加载轴25，垂 直加载轴25提供垂直压力，位于加压板26上面，加压板26连接垂直位移计9，加压板26 内部有排水孔31，加压板26位于上盒试样11的顶面，上剪切盒6由第一侧限柱24和第二 侧限柱27固定，第一侧限柱24连接第一垂直滑轨10，第二侧限柱27通过伸缩臂28与第三 侧限柱29相连，第三侧限柱29连接第二垂直滑轨30，上剪切盒6通过滚珠轴排12对准下 剪切盒7，上剪切盒6内安装上盒试样11，下剪切盒7内安装下盒试样14，下盒试样14下 部安装透水板33，透水板33下部连接进水孔32，下剪切盒7连接下盒扩展板13，下剪切盒 7连接轨道车8，轨道车8可沿水平滑轨17移动到载样台5之上，水平滑轨17与加载框架2 连接，第一千斤顶15连接第一支撑底座16，第二千斤顶19连接第二支撑底座18，下剪切盒 7连接传力杆20和水平位移计23，连接端头21与水平加载轴22对准，水平加载轴22连接 第二伺服电机4。上剪切盒6尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱24一侧的上剪切盒 6的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱27一侧的上剪切盒6的盒壁高为155mm，下剪切盒7 尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板13一侧的下剪切盒7的盒壁高为155mm，连接传 力杆20一侧的下剪切盒7的盒壁高为445mm，滚珠轴排12倾角为30°，上剪切盒6和下剪 切盒7均采用质量轻强度高的合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒6和下剪切盒 7的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm，上剪切盒6可以沿下盒扩展板13滑 动，第一侧限柱24可以沿第一垂直滑轨10垂直滑动，第三侧限柱29可以沿第二垂直滑轨 30垂直滑动，第一伺服电机3和第二伺服电机4通过反力架1施加力，反力架1和加载框架 2以及加压板26均采用高强度不锈钢材料，加压板26与上剪切盒6间采用橡胶囊密封处理， 上剪切盒6与下剪切盒7采用橡胶囊密封处理，滚珠轴排12、下盒扩展板13和水平滑轨17 均为高强度不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料。第一伺服电机3和第二伺服电机4均可 以进行快进快退操作，也可以进行应变加载和应力加载，应变剪切速率为0.02～5.00mm/min， 最大出力可达1000kN，出力测量精度可达0.5％FS，应力剪切速率为100～600kN/min。垂 直位移计9的最大量程为150mm，测量精度可达1mm，水平位移计23的最大量程为170mm， 测量精度可达1mm。

量测粗粒土在不同水力梯度作用下的抗剪强度测试的方法如下：

(1)按照一定含水量、含石量与密度要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、 碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；

(2)将轨道车8移至载样台5上，将上剪切盒6经由滚珠轴排12对齐下剪切盒7，将 第一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴 25正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分 别与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板 26顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停 止加载；

(3)开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶 15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道 车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装 入第二份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动 第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2 接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要 求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；

(4)开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶 15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道 车8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装 入第三份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动 第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2 接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要 求施加垂直压力F，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F 不变；

(5)将第一侧限柱24和第二侧限柱27分别与上剪切盒6连接，将第二侧限柱27通过 伸缩臂28与第三侧限柱29连接，使上剪切盒6固定，启动第二伺服电机4，使水平加载轴 22与连接端头21相连，通过进水孔32施加水力梯度，待排水孔31形成稳定水流，按要求 的等应变速率通过传力杆20施加拉力T，使下剪切盒7向第二伺服电机4方向移动，同时采 用水平位移计23测量水平位移S，保持上剪切盒6水平方向固定，上剪切盒6通过第一垂直 滑轨10和第二垂直滑轨30向下滑动，使垂直加载轴25输出压力按照F′＝F-Ttg30°变化， 并采用垂直位移计9测量加压板26的垂直位移S′，滚珠轴排12沿下盒扩展板13滑动，以 避免上剪切盒6内部的上盒试样11漏出；

(6)待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样11与下盒试样14接触面处 正压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值f_max1，获得接触面处剪切力T′＝Tcos30°-F′ sin30°，取T′的最大值T′_max1；

(7)关闭进水孔32，通过垂直加载轴25使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过 水平加载轴22施加推力推动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6与下剪切盒7重合，卸除上剪 切盒6与第一侧限柱24及第二侧限柱27的连接，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将 第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触， 将轨道车8通过水平滑轨17移动至载样台5上，卸除全部混合料；

(8)改变垂直压力F的值，重复步骤(2)-(7)，获得f_max2与T′_max2；

(9)再次改变垂直压力F的值，重复步骤(2)-(7)，获得f_max3与T′_max3；

(10)将f_max1与T′_max1、f_max2与T′_max2、f_max3与T′_max3通过上盒试样11与下盒试样14的接 触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取粗粒土混合料在不同水力梯度渗流作用下的抗剪 强度指标。

本发明优点：

该方法所用仪器制造简单，测量精度高，满足不同垂直应力加载和不同水力梯度条件下 的固结与抗剪试验要求，可以进行应变控制式或应力控制式加载，可以量测大尺度粗粒土(包 括碎石土、土石混合体及土体)在不同水力梯度条件下的直剪强度指标。

本发明适用范围：

适用于土木工程中遇到的各种堆积体、粗粒土、土石混合体等多种岩土体室内固结特性、 渗流特性、强度特性等试验。

附图说明：

图1是量测不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度的试验装置的结构示意图。其中有：反 力架1，加载框架2，第一伺服电机3，第二伺服电机4，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8， 垂直位移计9，第一垂直滑轨10，上盒试样11，滚珠轴排12，下盒扩展板13，下盒试样14， 第一千斤顶15，第一支撑底座16，水平滑轨17，第二支撑底座18，第二千斤顶19，传力杆 20，连接端头21，水平加载轴22，水平位移计23，第一侧限柱24，垂直加载轴25，加压板 26，第二侧限柱27，伸缩臂28，第三侧限柱29，第二垂直滑轨30，排水孔31，进水孔32， 透水板33。

图2是量测不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度的试验装置的结构示意图的AA左视图。 其中有：第一伺服电机3，载样台5，上剪切盒6，下剪切盒7，轨道车8，上盒试样11，下 盒试样14，加压板26，进水孔32，透水板33。

图3是量测不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度的试验装置的结构示意图中的上剪切盒 6的俯视图。其中有上剪切盒6。

图4是量测不同水力梯度作用下粗粒土抗剪强度的试验装置的结构示意图中的下剪切盒 7的俯视图。其中有下剪切盒7，下盒扩展板13。

具体实施方式：

实施例：水力梯度作用下粗粒土抗剪强度测试方法如下所示，

①按照含水量15％、含石量20％与密度1.9g/cm³要求，称取相应质量的土体、碎石和水， 将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；

②将轨道车8移至载样台5上，将上剪切盒6经由滚珠轴排12对齐下剪切盒7，将第 一份混合料装入下剪切盒7中，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25 正下方，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别 与加载框架2接触，使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26 顶帽，按要求施加垂直压力F＝200kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值， 停止加载；

③开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15 和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车 8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第 二份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一 千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触， 使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加 垂直压力F＝200kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；

④开动第一伺服电机3，卸载使垂直加载轴25离开加压板26顶帽，启动第一千斤顶15 和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车 8与水平滑轨17接触，将轨道车8移至载样台5上，取出加压板26，将混合料拉毛，装入第 三份混合料，将加压板26置于混合料上，将轨道车8移至垂直加载轴25正下方，启动第一 千斤顶15和第二千斤顶19，将第一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2接触， 使轨道车8悬空，开动第一伺服电机3，使垂直加载轴25接触加压板26顶帽，按要求施加 垂直压力F＝200kN，待垂直位移计9显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力 F＝200kN不变；

⑤将第一侧限柱24和第二侧限柱27分别与上剪切盒6连接，将第二侧限柱27通过伸 缩臂28与第三侧限柱29连接，使上剪切盒6固定，启动第二伺服电机4，使水平加载轴22 与连接端头21相连，通过进水孔32施加5m高水力梯度，待排水孔31出水量随时间变化率 每分钟小于5ml，按要求的等应变速率1mm/min通过传力杆20施加拉力T，使下剪切盒7向 第二伺服电机4方向移动，同时采用水平位移计23测量水平位移S，保持上剪切盒6水平方 向固定，上剪切盒6通过第一垂直滑轨10和第二垂直滑轨30向下滑动，使垂直加载轴25输 出压力按照F′＝F-Ttg30°变化，并采用垂直位移计9测量加压板26的垂直位移S′，滚珠轴 排12沿下盒扩展板13滑动，以避免上剪切盒6内部的上盒试样11漏出；

⑥待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样11与下盒试样14接触面处正 压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值f_max1，获得接触面处剪切力T′＝Tcos30°-F′ sin30°，取T′的最大值T′_max1；

⑦关闭进水孔32，通过垂直加载轴25使第一伺服电机3卸载，第二伺服电机4通过水 平加载轴22施加推力推动下剪切盒7移动，使得上剪切盒6与下剪切盒7重合，卸除上剪切 盒6与第一侧限柱24及第二侧限柱27的连接，启动第一千斤顶15和第二千斤顶19，将第 一支撑底座16和第二支撑底座18分别与加载框架2脱离，使轨道车8与水平滑轨17接触， 将轨道车8通过水平滑轨17移动至载样台5上，卸除全部混合料；

⑧改变垂直压力F＝300kN，重复步骤②-⑦，获得f_max2与T′_max2；

⑨再次改变垂直压力F＝400kN，重复步骤②-⑦，获得f_max3与T′_max3；

⑩将f_max1与T′_max1、f_max2与T′_max2、f_max3与T′_max3通过上盒试样11与下盒试样14的接触面 积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获取粗粒土混合料在5m高水力梯度渗流作用下的抗剪强度 指标。