专利名称：一种现场直剪流变试验方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种现场直剪流变试验方法，特别适用于隧道内硬土 (或软岩)等地层，本还涉及实现该方法的装置。
背景技术：
硬土和软岩作为土和岩石之间的过渡性介质，具有复杂岩土力学特性，它们往往表现出流变特性。随着基础设置的发展，涌现出大量的建在硬土或软岩上的隧道、桥基和路基。为了确保基础设施的安全使用，必须对硬土和软岩的流变特性进行研究，为设计和施工提供指导。现场试验的优点在于岩土受到扰动较小，容易保持其原有微观结构。目前，国内现场流变试验主要是在荷载板试验基础上进行的，美国ASTM规范里倡导在洞室内进行径向加载流变试验。然而，为大家所知的是，岩土多为受剪破坏，直剪试验更能直观反映岩土破坏机理，流变试验的难题在于如何提供稳定的压力。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种操作简单、因地制宜、充分利用现场资源、节省试验成本的现场直剪流变试验方法。本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种实现该现场直剪流变试验方法的
>J-U ρ α装直。为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的现场直剪流变试验方法，在现场选定一位置，切割制成尺寸大于50cmX50cm、小于150cmX150cm的土方柱,所述的土方柱的高度为边长的一半，至少在所述的土方柱的水平剪力加载侧面装上侧面刚性板，分别在所述的土方柱的水平剪力加载侧部和顶部预埋压力盒，并用细砂填平顶面和填塞侧面，在所述的土方柱的顶部盖上顶部焊有第一三角架的顶部刚性板，将水平杠杆搁在三角架上，所述的水平杠杆的一端作为旋转点，搁置在第一固定支架下，在所述的水平杠杆另一端吊挂第一钢筋笼，往所述的第一钢筋笼内逐级添加第一批砂袋，通过所述的水平杠杆将所述的第一批砂袋死载传至所述的土方柱上，采用第一百分表记录竖向压力作用下所述的土方柱的顶面的竖向位移，直到位移在所需压力作用下趋于稳定，开始施加水平剪力；立一个竖向杠杆在水平剪力加载的所述的侧面刚性板旁，竖向杠杆的旋转点在第二固定支架处，所述的竖向杠杆下端抵在所述的侧面刚性板的第二三角架上，在所述的竖向杠杆上端栓一钢索，所述的钢索穿过一滑轮，在所述的钢索上吊有第二钢筋笼，调整所述的钢索，使与所述的竖向杠杆上端相连的所述的钢索呈水平方向，保持竖向压力，在所述的第二钢筋笼内逐级添加第二批砂袋以施加水平剪力增加水平剪力直到剪断试样，通过第二百分表记录各级水平剪力下水平位移，直到趋于稳定；逐级添加水平剪力，直到土方柱被剪断，通过百分表测试每级水平剪力作用下的水平位移。若所述的土方柱因为弱面存在不规则，则在所述的土方柱的四周扣上所述的侧面刚性板。
分别在所述的土方柱的水平剪力加载侧部和顶部预埋压力盒。为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的实现现场直剪流变试验方法的装置，包括能安装在土方柱四周的侧面刚性板，包括盖在土方柱的顶部且顶部焊有第一三角架的顶部刚性板，将水平杠杆搁在所述的第一三角架上，所述的水平杠杆的一端作为旋转点搁置在第一固定支架下，在所述的水平杠杆另一端吊挂有第一钢筋笼，所述的第一钢筋笼内添加有第一批砂袋，采用第一百分表记录竖向压力作用下所述的土方柱的顶面的竖向位移；一个竖向杠杆设在水平剪力加载的所述的侧面刚性板旁，所述的竖向杠杆的旋转点在第二固定支架处，所述的竖向杠杆下端抵在所述的侧面刚性板的第二三角架上，在所述的竖向杠杆上端栓一钢索，所述的钢索穿过一滑轮，在所述的钢索上吊有第二钢筋笼，在所述的第二钢筋笼内添加有第二批砂袋，设有第二百分表记录各级水平剪力下水平位移。分别在所述的土方柱的水平剪力加载有侧部和顶部预埋压力盒。采用上述技术方案的现场直剪流变试验方法及其装置，避开采用昂贵的稳压千斤 顶，根据杠杆和滑轮原理，利用死载为直剪流变试验提供稳定的竖向压力和水平剪力。通过水平杠杆将砂袋死载传至土方柱上，提供稳定的竖向压力，由于杠杆原理，钢筋笼内砂袋重量(包括钢筋笼)只需为土方柱竖向荷载的1/1J令水平杠杆力臂比为li)。采用百分表记录竖向压力作用下方柱顶面的竖向位移，直到位移在所需压力作用下趋于稳定，开始施加水平剪力。竖向杠杆保持竖向压力，在钢筋笼内逐级添加砂袋以施加水平剪力增加水平剪力直到剪断试样，通过百分表记录各级水平剪力下水平位移，直到趋于稳定。同样地，钢筋笼内砂袋重量(包括钢筋笼)只需水平剪力的1/12(假设竖向杠杆力臂比为12)。本试验方案技术可行，操作简单，因地制宜，充分利用现场资源，节省试验成本。综上所述，本发明是一种操作简单、因地制宜、充分利用现场资源、节省试验成本的现场直剪流变试验方法。其装置结构简单，性能可靠。
图I是竖向压力加载系统剖面图。图2是水平剪力加载系统剖面图。图3是水平百分表布置俯视图。附图1-3中1_ 土方柱，2-侧面刚性板，3-侧面压力盒、4-顶部压力盒，5-塑料薄膜，6-顶部刚性板，7-第一三角架，8-第一百分表，9-水平杠杆，10-第一固定支架，11-第一钢筋笼，12-第一批砂袋，13-竖向杠杆，14-第二固定支架，15-第二三角架，16-钢索，17-滑轮，18-第二百分表，19-第二钢筋笼，20-第二批砂袋，21-竖向压力(通过竖向压力加载系统来提供)
具体实施例方式下面结合附图，来详细说明本发明中现场直剪流变试验装置的具体实施方式
。参见图I、图2和图3，土方柱I的尺寸为大于50cmX50cm、小于150cmX150cm，土方柱I的高度为边长的一半，在土方柱I的四周装有侧面刚性板2，在土方柱I的顶部盖上顶部焊有第一三角架7的顶部刚性板6，并在水平剪切加载一侧预埋侧面压力盒3以备测试水平压应力，在土方柱I顶部预埋一个顶部压力盒4以备测试竖向压力，将水平杠杆9搁在第一三角架7上，水平杠杆9的一端作为旋转点搁置在第一固定支架10下，在水平杠杆9另一端吊挂有第一钢筋笼11，第一钢筋笼11内添加有第一批砂袋12,米用第一百分表8记录竖向压力作用下土方柱I的顶面的竖向位移；一个竖向杠杆13设在水平剪力加载的侧面刚性板2旁，竖向杠杆13的旋转点在第二固定支架14处，竖向杠杆13下端抵在侧面刚性板2的第二三角架15上，在竖向杠杆13上端栓一钢索16，钢索16穿过一滑轮17，在钢索16上吊有第二钢筋笼19，在第二钢筋笼19内添加有第二批砂袋20，设有第二百分表18记录各级水平剪力下水平位移。参见图I、图2和图3，本发明的使用过程如下(a)在地层上切割一个尺寸大于50cmX50cm、小于150cmX150cm的土方柱1，土方柱I的高度为土方柱I边长的一半。如果制备土方柱I时间长，在间隔时间里，用塑料纸盖好土方柱1，防止土方柱I内水分挥发，引起土方柱I开裂。(b)在土方柱I周边四个面立设侧面刚性板2 (如果土方柱I完好，不存在破损，三个非水平剪力加载面可不立设侧面刚性板2)。利用侧面刚性板2将土方柱I箍�。⒃� 水平剪切加载一侧预埋侧面压力盒3以备测试水平压应力(根据承载面积，换算成水平剪应力)，用细砂填平土方柱I各侧壁和侧面刚性板2之间的孔隙。(c)在土方柱I顶部预埋一个顶部压力盒4以备测试竖向压力，用细砂填平土方柱I顶面。由于流变试验持续时间长，为了防止水分挥发导致土方柱I开裂，采用塑料薄膜(5，不便于在附图中标示)将土方柱I封�。缓笃躺隙ゲ扛招园�6，顶部刚性板6尺寸略小于土方柱I尺寸，以确保顶部刚性板6能够进入到侧面刚性板2围成的剪力盒内。在顶部刚性板6上焊有第一三角架7，以提供竖向压力加载点。(d)在土方柱I的顶部刚性板6两个相对位置处各架设一个第一百分表8以备测试竖向位移。(e)将水平杠杆9放在第一三角架7上，水平杠杆9 一端搁在第一固定支架10下，作为水平杠杆9的旋转点，在另一端吊挂一第一钢筋笼11以备放第一批砂袋12加载(在台阶法开挖隧道内，可以利用台阶高差吊挂第一钢筋笼11，否则需挖坑室)。通过第一百分表8，分别测试在水平杠杆9和第一钢筋笼11两级荷载增量下土方柱I顶面的竖向位移，直到位移趋于稳定。(f)架设竖向杠杆13，它的旋转点在第二固定支架14处，竖向杠杆13的下端抵在水平剪力加载刚性板即侧面刚性板2的第二三角架15上，在竖向杠杆13上端栓一根水平钢索16，通过滑轮17，钢索16方向变为竖直。(g)在水平加载方向的侧面刚性板2两边各装两个第二百分表18，以备量测水平位移。(h)在竖向压力加载系统的第一钢筋笼11里逐级加第一批砂袋12，根据杠杆原理，第一批砂袋12重量为土方柱I所需竖向荷载的IZl1。在每级竖向荷载作用下，通过第一百分表8记录竖向位移直到趋于稳定。直到达到目标竖向压力后，施加水平剪切荷载。(i)在水平剪力加载系统的钢索上吊一第二钢筋笼19，测试在第二钢筋笼19自重作用下土方柱I的水平位移，记录直到水平位移趋于稳定。(j)在水平剪切加载系统的第二钢筋笼19里逐级加第二批砂袋20，根据杠杆原理，第二批砂袋20重量为土方柱I所需水平剪力的1/12，记录每级荷载下水平位移，直到水平位移趋于稳定。增加第二批砂袋20直到土方柱I受剪破坏。(k)卸载，拆除加载系统，试验完毕。本发明中，竖向位移为土方柱I顶部两个第一百分表8所测位移的平均值，水平位移为土方柱I侧面四个第二百分表18所测位移的平均值。尽管利用杠杆原理可以直接计算出竖直压力和水平剪力，然而在土方柱I内埋设侧部压力盒3和顶部压力盒4，可以帮助检查下加载系统传力装置是否存在问题。·
权利要求
1.一种现场直剪流变试验方法，其特征是在现场选定一位置，切割制成尺寸大于50cmX50cm、小于150cmX 150cm的土方柱(I),所述的土方柱(I)的高度为边长的一半，至少在所述的土方柱(I)的水平剪力加载侧面装上侧面刚性板(2)，并用细砂填平顶面和填塞侧面，在所述的土方柱(I)的顶部盖上顶部焊有第一三角架(7)的顶部刚性板(6)，将水平杠杆(9)搁在三角架(7)上，所述的水平杠杆(9)的一端作为旋转点，搁置在第一固定支架(10)下，在所述的水平杠杆(9)另一端吊挂第一钢筋笼(11)，往所述的第一钢筋笼(11)内逐级添加第一批砂袋(12)，通过所述的水平杠杆(9)将所述的第一批砂袋(12)死载传至所述的土方柱(I)上，采用第一百分表(8)记录竖向压力(21)作用下所述的土方柱(I)的顶面的竖向位移，直到位移在所需压力作用下趋于稳定，开始施加水平剪力；立一个竖向杠杆(13 )在水平剪力加载的所述的侧面刚性板(2 )旁，竖向杠杆(13)的旋转点在第二固定支架(14)处，所述的竖向杠杆(13)下端抵在所述的侧面刚性板(2)的第二三角架(15)上，在所述的竖向杠杆(13)上端栓一钢索(16)，所述的钢索(16)穿过一滑轮(17)，在所述的钢索(16)上吊有第二钢筋笼(19)，调整所述的钢索(16)，使与所述的竖向杠杆(13)上端相连的所述的钢索(16)呈水平方向，保持竖向压力(21)，在所述的第二钢筋笼(19)内逐级添加第二批砂袋(20)以施加水平剪力增加水平剪力直到剪断试样，通过第二百分表(18)记录各级水平剪力下水平位移，直到趋于稳定；逐级添加水平剪力，直到土方柱(I)被剪断，通过百分表(18)测试每级水平剪力作用下的水平位移。
2.根据权利要求I所述的现场直剪流变试验方法，其特征是若所述的土方柱(I)因为弱面存在不规则，则在所述的土方柱(I)的四周扣上所述的侧面刚性板(2)。
3.根据权利要求I或2所述的现场直剪流变试验方法，其特征是分别在所述的土方柱(I)的水平剪力加载侧部和顶部预埋压力盒(3、4)。
4.实现权利要求I所述的现场直剪流变试验方法的装置，其特征是包括能安装在土方柱(I)四周的侧面刚性板(2)，包括盖在土方柱(I)的顶部且顶部焊有第一三角架(7)的顶部刚性板(6)，将水平杠杆(9)搁在所述的第一三角架(7)上，所述的水平杠杆(9)的一端作为旋转点搁置在第一固定支架(10)下，在所述的水平杠杆(9)另一端吊挂有第一钢筋笼(11)，所述的第一钢筋笼(11)内添加有第一批砂袋(12)，采用第一百分表(8)记录竖向压力作用下所述的土方柱(I)的顶面的竖向位移；一个竖向杠杆(13)设在水平剪力加载的所述的侧面刚性板(2)旁，所述的竖向杠杆(13)的旋转点在第二固定支架(14)处，所述的竖向杠杆(13)下端抵在所述的侧面刚性板(2)的第二三角架(15)上，在所述的竖向杠杆(13)上端栓一钢索(16)，所述的钢索(16)穿过一滑轮(17)，在所述的钢索(16)上吊有第二钢筋笼(19)，在所述的第二钢筋笼(19)内添加有第二批砂袋(20)，设有第二百分表(18)记录各级水平剪力下水平位移。
5.根据权利要求4所述的实现现场直剪流变试验方法的装置，其特征是分别在所述的土方柱(I)的水平剪力加载有侧部和顶部预埋压力盒(3、4)。
全文摘要
本发明公开了一种现场直剪流变试验方法及其装置，在现场切割土方柱，在土方柱四周和顶部扣上刚性板，在土方柱顶部刚性板的三角架上放一水平杠杆，另一端吊挂钢筋笼以备添加砂袋，采用百分表测试土方柱顶面在目标竖直压力作用下的竖直位移，待竖直位移稳定后，施加水平剪力，在水平剪力加载侧的刚性板旁立一个竖直杠杆，将杠杆底端抵在水平剪力加载侧刚性板的三角架上，在杠杆上端栓一水平钢索，在钢索下吊挂以钢筋笼，在钢筋笼里逐级添加砂袋来提供水平剪力，通过百分表测试每级水平剪力作用下的水平位移，直到水平位移趋于稳定，增加砂袋直到土方柱破坏。本发明提供的现场直剪流变试验方案操作简单，可利用现场资源，试验成本较低。
文档编号G01N3/08GK102890034SQ201210374780
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者王树英, 阳军生, 杨峰, 张学民, 周海英, 邹家鸿, 肖小文 申请人:中南大学
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