一种利用三轴压缩试验机加载的直剪试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用三轴压缩试验机加载的直剪试验装置及方法。其装置包括剪切环、试样、限位环、剪切台和热缩管等。利用该装置的试验方法中，包括试样加工、装置组装、荷载施加、强度计算等步骤。试验中试样加工完成后，将试样对中放置于剪切环和限位环之间，安装剪切台，采用热缩管包裹装置后放置于三轴试验机上施加围压至设定法向应力，然后施加竖向荷载直到试样破坏。在试验机竖向荷载作用下，剪切台沿限位环内壁上下移动对试样产生剪切作用。利用本发明中直剪试验装置和方法，能够在普通三轴试验机上进行直接剪切试验。本发明装置简单，操作方便，测试结果准确，能大幅节约试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土力学领域，尤其涉及一种用于进行室内直剪试验的装置和方法。

背景技术

工程实践和室内试验均证明，剪切破坏是岩土体破坏的重要形式，岩土体的抗剪强度关系着边坡工程、基础工程、挡土墙工程等岩土体工程的稳定性。目前确定岩土体抗剪强度的方法主要有直接剪切试验、三轴压缩试验、楔形剪切试验等方法。由于操作方便，受力简单，直接剪切试验仍然是确定岩土体抗剪强度时应用最广泛的方法。

现有技术中，单面直剪试验仪的三种类型为：①传力板和上剪切盒独立发挥作用，且传力板可自由转动；②传力板与上剪切盒固定连接；③上剪切盒固定，传力板和上剪切盒单独作用，且传力板不可转动。在直剪仪的基础上，有人进行了改进，将剪切力的测试点置于上剪盒的水平中心位置，这样更利于试样的自由胀缩；后来，又出现了多尺度岩体结构面直剪试验仪，大接触面直剪仪，既能够在现场测试原位土体强度又能在室内测试原状土样、重塑土样的便携式现场和室内两用直剪仪，等等。

然而，目前用于单面直接剪切试验的直剪仪虽然样式繁多，但现有直剪仪均为一台独立的试验仪器，增加了试验成本，且试样加工和操作要求较为严格。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种构造简单、节约成本、测试结果准确且能够在普通三轴压缩试验机上进行直剪试验的装置及方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种利用三轴压缩试验机加载的直剪试验装置，其特征在于:包括剪切环、剪切台和热缩管。

所述剪切环上表面平整，其中央具有中心孔。所述中心孔为一盲孔。所述剪切环的下表面与试验机压头I接触。

所述剪切台位于剪切环上方。所述剪切台为变径圆柱体，从上到下依次为：剪切台上圆柱、剪切台本体圆柱和剪切台下圆柱。

所述限位环为上下两端均敞口的中空圆柱体。所述剪切台本体圆柱位于限位环中。剪切台本体圆柱的侧壁与限位环内壁接触。

试验时，试样为圆形板状。所述试样放置在所述剪切环的上表面。所述试样位于剪切台和剪切环之间。所述剪切台上圆柱上端与试验机压头II接触。所述限位环和剪切台下圆柱的下端与试样上表面接触。

所述热缩管包裹试样和限位环，以及剪切台本体圆柱上表面的一部分，以及剪切环侧壁的一部分。

进一步，所述剪切环外径、试样直径和限位环外径相同。所述剪切台上圆柱直径约为试样直径的1/5。所述中心孔内径比剪切台上圆柱直径d大1-3mm。

进一步，直剪试验在普通三轴试验机上进行，采用三轴压缩试验方法进行直接剪切试验。所述试验机压头I、试验机压头II为试验机竖向加载系统的一部分。

进一步，剪切装置置于液体环境下，剪切面法向力由三轴试验系统围压加载系统提供，剪切力由试验机竖向加载系统提供，试样剪切面为圆形曲面。

本发明还公开一种基于上述装置的室内直剪试验方法，包括以下步骤：

加工制作试样，高度为h，直径为D，试样直径与剪切环、限位环外径相同。

试样加工完成后，组装剪切环、试样、剪切台和限位环，将热缩管套在组装体外，采用热风机加热热缩管使其紧紧贴附于装置表面。将整个装置放置于三轴试验机平台上，施加围压至设定值σ，试样水平方向处于静水压力状态。

围压达到设定值后，施加竖向压力F，直到试样破坏。试验过程中竖向荷载和剪切位移由三轴试验系统自动采集。

计算抗剪强度：

试样破裂面为圆形剪切面，剪切面面积A＝πdh，剪切面法向应力为σ，剪切面剪应力τ＝F/A。竖向峰值荷载若为P，则法向应力σ作用下试样的抗剪强度τ_f＝P/πdh。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：采用本发明能进行室内直剪试验，其装置简单，方法可靠，操作方便，测试结果准确，能够在现有普通三轴试验机上进行，不需加工独立试验系统，大幅节约了试验成本。

附图说明

图1是剪切装置示意图；

图2是剪切台示意图；

图3是大理岩试样在法向应力为5MPa时的竖向荷载-位移曲线。

图中：剪切环1、中心孔10、试样2、剪切台3、剪切台本体圆柱30、限位环4、热缩管5、试验机压头I6、试验机压头II60、液压油缸7、剪切台下圆柱8、剪切台上圆柱9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，一种利用三轴压缩试验机加载的直剪试验装置，包括剪切环1、剪切台3和热缩管5。

所述剪切环1上表面平整，其中央具有中心孔10。所述中心孔10为一盲孔。所述剪切环1的下表面与试验机压头I6接触。

所述剪切台3位于剪切环1上方。所述剪切台3为变径圆柱体，从上到下依次为：剪切台上圆柱9、剪切台本体圆柱30和剪切台上圆柱9。所述剪切台为一个刚性变径圆柱体，中间大圆柱体直径为L，两侧各有一个直径均为d的小圆柱体，上侧圆柱体与试验机压头接触并承受压力，同时给热缩膜提空包裹空间。下侧圆柱体与试样接触并在试验机竖向荷载作用下提供剪切力。

所述限位环4为上下两端均敞口的中空圆柱体。所述剪切台本体圆柱30位于限位环4中。剪切台本体圆柱30的侧壁与限位环4内壁接触。即限位环4套在剪切台本体圆柱30上，试验时，剪切台3沿着限位环4上下滑动。

试验时，所述试样2放置在所述剪切环1的上表面。所述试样2位于剪切台3和剪切环1之间。所述剪切台上圆柱9上端与试验机压头II60接触。所述限位环4和剪切台下圆柱8的下端与试样2上表面接触。含中心盲孔剪切环外径为D，内径比剪切台上圆柱直径d大1-3mm，保证剪切面基本为竖直方向。

所述剪切环1外径、试样2直径和限位环4外径相同。所述剪切台上圆柱9直径约为试样2直径的1/5。所述中心孔10内径比剪切台上圆柱9直径d大1-3mm，可保证剪切面基本沿竖直方向。所述限位环4外径为D，与试样2直径和剪切环1外径相同。所述限位环4内径为L，与剪切台3本体圆柱30直径相同，剪切台3可在其内部上下运动，实现剪切作用。所述热缩管5包裹试样2和限位环4，以及剪切台本体圆柱30上表面的一部分，以及剪切环1侧壁的一部分。

直剪试验在普通三轴试验机上进行，采用三轴压缩试验方法进行直接剪切试验。所述试验机压头I6、试验机压头II60为试验机竖向加载系统的一部分。剪切装置置于液体环境下，剪切面法向力由三轴试验系统围压加载系统提供，剪切力由试验机竖向加载系统提供，试样剪切面为圆形曲面。

实施例2

本实施例采用实施例1所述的装置，公开一种室内直剪试验方法，包括以下步骤：

1)加工制作试样2，高度为h，直径为D，试样2直径与剪切环1、限位环3外径相同。

2)试样加工完成后，组装剪切环1、试样2、剪切台3和限位环4，将热缩管5套在组装体外，采用热风机加热热缩管使其紧紧贴附于装置表面。

3)将整个装置(剪切环、剪切台、限位环、热缩管等，以及试样放置于三轴试验机平台上，施加围压至设定值σ，试样水平方向处于静水压力状态。

4)围压达到设定值σ后，施加竖向压力F，直到试样破坏。值得说明的是，试样剪切面为近似圆形曲面，试样破坏峰值荷载为P；试验过程中竖向荷载和剪切位移由三轴试验系统自动采集。

5)计算抗剪强度：

试样破裂面为圆形剪切面，剪切面面积A＝πdh，剪切面法向应力为σ，剪切面剪应力τ＝F/A。则法向应力σ作用下试样的抗剪强度τ_f＝P/πdh。

实施例3

本实施例主要步骤同实施例2，试验中，首先加工圆柱体板状大理岩试样2，试样直径D为200mm，厚度h为40mm。将剪切环1、试样2和限位环4按顺序安装放置，其中剪切环1内径为42mm，剪切环1和限位环4的外径均为200mm，限位环4的内径为180mm；将剪切台3对准安装在限位环4内，剪切台本体圆柱30直径为180mm，下圆柱8直径为40mm。把热缩管5套在装置外面，采用热风机加热使热缩管5贴附于装置表面；将装置放置在三轴试验机下压头上，设置试验机参数，施加围压至5MPa；施加竖向荷载至试样破坏，峰值荷载为75.37kN；根据公式τ_f＝P/(πdh)计算法向应力为5MPa时大理岩试样抗剪强度为14.59MPa。参见图3，图中为对大理岩试样进行室内直剪试验时，大理岩试样在法向应力为5MPa时的剪切荷载-位移曲线。