帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置及方法，涉及巖土力學試驗技術。本發(fā)明通過對巖土體試樣施加法向荷載，并通過施加水平剪切力，使試樣在擬定的剪切面上發(fā)生剪切破壞，并通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗過程中的剪應力、位移等相關數(shù)據(jù)。本試驗裝置包括試樣（00）、剪切盒（10）、反力系統(tǒng)（20）、垂向壓力系統(tǒng)（30）、傳力系統(tǒng)（40）、切向壓力系統(tǒng)（50）、滾軸排（60）和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（70）。本發(fā)明采用應變控制，測量精度高，穩(wěn)定性好；具有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；使用應力控制使用輪輻傳感器，使應力的測量更加精確；所有部件可拆卸，方便運輸，便于安裝。
【專利說明】帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土力學試驗技術，尤其涉及一種帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置及方法。
[0002]具體地說，本發(fā)明涉及一種巖土體原位直剪儀，同時還涉及一套自動采集、記錄試樣位移和應力數(shù)據(jù)的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本試驗裝置屬于應變控制式，即通過對試樣施加剪切位移而完成剪切試驗過程。其最大優(yōu)點在于采用了自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輪輻壓力傳感器，而使測得的巖土體抗剪強度數(shù)據(jù)更加準確，同時本裝置結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝、操作簡便，一般巖土技術人員可短時間掌握。
【背景技術】
[0003]巖土工程的失穩(wěn)絕大多數(shù)是由于巖土體的剪切破壞引起的，因此準確測定巖土體的抗剪強度參數(shù)在巖土工程建設中具有重要意義。在巖土力學研究過程中，通過施加剪切力(或剪切位移)對巖土體進行試驗的方法一直受到重視，直剪試驗為其中一種方法。
[0004]由于巖土體直剪試驗原理方法簡單，并積累了大量的工程實踐經(jīng)驗，特別是室內(nèi)直剪，在工程實踐中得到了廣泛應用；但對于大顆粒、現(xiàn)場大尺寸樣品的測試工作一直很難較好開展。目前國內(nèi)進行現(xiàn)場剪切試驗時多數(shù)采用簡單的應力控制式加載試驗方法，不能反映巖土體完整的變形過程，也不能得到其殘余抗剪強度。況且，目前使用的巖土直剪設備的數(shù)據(jù)采集工作主要是人工手動讀數(shù)和記錄，加上普通傳感器和儀表式位移計自身精度的不足，很難做到準確測定巖土體的抗剪強度參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的主要在于解決了現(xiàn)有原位巖土直剪設備存在的無法自動采集數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果精度差的問題，提供一種帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置及方法；本發(fā)明精度高，應用、操作簡便。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
通過對巖土體試樣施加法向荷載,并通過施加水平剪切力，使試樣在擬定的剪切面上發(fā)生剪切破壞，并通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗過程中的剪應力、位移等相關數(shù)據(jù)，繪制破壞剪應力與法向荷載的關系曲線，從而求得相應粘聚力c和內(nèi)摩擦角Φ等抗剪強度參數(shù)。本裝置由于采用了自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輪輻傳感器而使得試驗結(jié)果更加準確，同時本裝置結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝、操作簡便，一般巖土技術人員可短時間掌握。
[0007]1、帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置(簡稱試驗裝置)
本試驗裝置包括試樣、剪切盒、反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、切向壓力系統(tǒng)、滾軸排和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
其連接關系是:
試樣置于剪切盒內(nèi)；
反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、滾軸排和試樣依次連接，將垂向壓力施加于試樣；
切向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)和試樣O依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣；
自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四個垂向位移計、兩個切向位移計和數(shù)據(jù)采集箱組成；
四個垂向位移計位于垂向壓力板的四個角點，用于量測試驗過程中試樣的垂向位移； 兩個切向位移計位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗過程中試樣的切向位移； 垂向位移計和切向位移計分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測垂向位移和切向位移；
垂向壓力系統(tǒng)的垂向壓力傳感器和切向壓力系統(tǒng)的切向壓力傳感器分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測垂向壓力和切向壓力。
[0008]2、帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗方法(簡稱試驗方法)
本試驗方法包括下列步驟:
①試樣的制備
在開挖的探坑或試驗平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動且具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，浸水時間視試樣的透水性而定；試樣削切完成后安放剪切盒內(nèi)，并按圖示組裝好儀器，開啟數(shù)據(jù)采集流程；
②試驗工作開始時，首先對試樣分級施加垂向荷載，4個試樣的垂向壓力分別為100kPa、200kPa、400kPa和600kPa，一般可分4?5級達到試驗要求的荷載，施加荷載后每5min觀測變形一次,至每分鐘的變形不超過0.05mm時,加下一級荷載；最后一級荷載施加后當Ih內(nèi)的垂向變形不超過0.05mm時，可認為穩(wěn)定，即可施加切向剪切荷載；
③對試樣施加切向剪應力，剪應力的施加可采用分級的方法，即每Imin加一級，開始按垂向總荷載的10%施加，當某級切向剪力下的變形超過前一級變形的1.5?2.0倍時，改為按垂向總荷載的5%施加；每施加一級，觀測水平位移一次，當切向剪切達到峰值或穩(wěn)定值時，即認為試樣剪損；若無上述情況出現(xiàn)，剪切變形達到10%試樣邊長(即32mm)時，即可停止試驗；在施加切向剪應力過程中，保持垂向荷載不變；剪切時間控制在10?20min內(nèi)；
④在不同垂向荷載條件下，對同一土層以同樣方式進行4個試樣的剪切試驗；
⑤在數(shù)據(jù)自動采集中，繪制不同壓力條件下的剪切位移一剪應力曲線，回歸分析采用峰值時或10%剪切位移對應的剪應力(無峰值)，計算抗剪強度及C、Φ值。
[0009]本發(fā)明工作原理
在開挖的探坑或試驗平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，在試樣上套入剪切盒，將剪切盒與試樣之間的縫隙填滿細砂，通過垂向壓力系統(tǒng)對試樣施加垂向壓力，待試樣在垂向壓力作用下固結(jié)穩(wěn)定后,通過切向壓力系統(tǒng)推動剪切盒而對原位試樣施加水平剪力直至試樣破壞。試驗過程中水平剪力與垂向壓力由切向壓力傳感器、垂向壓力傳感器測量，試樣的水平位移和垂向位移由切向位移計、垂向位移計測量，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并存儲。
[0010]本發(fā)明主要功能:
可用于原位巖土體本身、土體沿軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體與其他材料接觸面的剪切試驗，能夠通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗過程中的剪應力、位移等相關數(shù)據(jù)，繪制破壞剪應力與法向荷載的關系曲線，從而求得相應粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ等抗剪強度參數(shù)。
[0011]本發(fā)明具體操作步驟:
①將原位巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體并套入剪切盒；②安裝垂向壓力系統(tǒng)和反力系統(tǒng)；
③安裝切向壓力系統(tǒng)和傳力系統(tǒng)；
④安裝位移計和壓力傳感器，并將位移計、壓力傳感器和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，啟動數(shù)據(jù)采集程序即可開始試驗；
⑤將垂向荷載加至預定值，穩(wěn)壓；
⑥分級施加水平剪力，控制剪切速率直至試樣破壞；
⑦實驗完畢后將自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)導出，進行抗剪強度參數(shù)計算。
[0012]本發(fā)明主要特色:
①屬于應變控制式原位直剪試驗系統(tǒng)，即通過對試樣施加剪切位移而完成剪切試驗過程。最大設計水平剪力可達300kN，可以實現(xiàn)對試樣的勻速剪切。與應力控制直剪儀相比，本發(fā)明最大剪切位移可達50_，能夠反映原位巖土體變形的全過程；本發(fā)明實現(xiàn)了對水平位移的嚴格控制，可以根據(jù)需要調(diào)整剪切速率。
[0013]②反力提供采用地錨器，提供的反力足夠大，解決了以往反力不足的缺點。
[0014]③剪切變形更加均勻，剪切過程中水平向荷載均勻施加在剪切盒側(cè)面上，室內(nèi)試驗時反力架底座有剪切軌道，剪切盒只能沿直線平動而不能轉(zhuǎn)動。因此，剪切縫不會由于試樣的剪脹作用而發(fā)生改變，從而使試樣的變形較傳統(tǒng)的直剪儀更加均勻。
[0015]④測量數(shù)據(jù)更加準確。由于采用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗中的全部測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動采集，而且輪輻傳感器和數(shù)字位移計的測量精度高。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點`和積極效果:
①采用應變控制，測量精度高，穩(wěn)定性好；
②具有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所有試驗數(shù)據(jù)自動采集，避免了人工讀數(shù)的繁瑣和誤差，能夠準確地得到試樣的抗剪強度指標，同時能夠得出試樣的剪切殘余強度；
③使用應力控制使用輪輻傳感器，使應力的測量更加精確；
④所有部件可拆卸，方便運輸，便于安裝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本試驗裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是本試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是數(shù)據(jù)自動采集軟件的工作流程圖；
圖4是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)得出的試驗結(jié)果圖；
圖5是回歸分析得出的試樣抗剪強度曲線圖。
[0018]其中:
00—試樣；
10—剪切盒；
20 一反力系統(tǒng)，
21—反力梁，22—連接桿，23—地錨器；
30 一垂向壓力系統(tǒng)，
31—垂向壓力千斤頂，32—垂向壓力傳感器，
33 一垂向壓力板， 331—上垂向壓力板，332—下垂向壓力板；
40—傳力系統(tǒng)，
41一傳力筒，42一垂向傳力板,43一切向傳力筒,44一切向傳力板；
50—切向壓力系統(tǒng)；
51—切向壓力千斤頂，52—切向壓力傳感器，53—切向壓力板；
60—滾軸排；
70—自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，
71一垂向位移計，72一切向位移計，73一數(shù)據(jù)米集箱。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明:
一、試驗裝置
1、總體
如圖1、2，本試驗裝置包括試樣00、剪切盒10、反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、切向壓力系統(tǒng)50、滾軸排60和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70 ；
其連接關系是:
試樣00置于剪切盒10內(nèi)；
反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、滾軸排60和試樣00依次連接，將垂向壓力施加于試樣00 ；
切向壓力系統(tǒng)50、傳力系統(tǒng)40和試樣00依次連接，將側(cè)向壓力施加于試樣00 ；
自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由四個垂向位移計71、兩個切向位移計72和數(shù)據(jù)采集箱73組
成；
四個垂向位移計71位于垂向壓力板33的四個角點，用于量測試驗過程中試樣00的垂向位移；
兩個切向位移計72位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗過程中試樣00的切向位
移；
垂向位移計71和切向位移計72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測垂向位移和切向位
移；
垂向壓力系統(tǒng)30的垂向壓力傳感器32和切向壓力系統(tǒng)50的切向壓力傳感器52分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測垂向壓力和切向壓力。
[0020]工作機理:
在切削完成的原位巖土體的試樣00上，扣入剪切盒10，之上安裝垂向壓力板33，在兩個垂向壓力板33之間放置有滾軸排60，在垂向壓力板33的上面安裝垂向壓力傳感器32，垂向壓力傳感器32上部依次為垂向壓力千斤頂31、垂向傳力板42和垂向傳力筒41，傳力系統(tǒng)40接收垂向壓力千斤頂31的作用力并傳遞作用于反力系統(tǒng)20以提供垂向壓力；切向壓力系統(tǒng)50利用探坑坑壁作反力底座，切向壓力千斤頂51和切向壓力傳感器52、切向壓力板53和切向傳力板44、切向傳力筒43結(jié)合作用于剪切盒10側(cè)面提供切向壓力；量測試樣00垂向變形的位移計71，安裝在垂向壓力板33的四角上；量測試樣00剪切變形的位移計72，安裝在剪力受力面的另一側(cè)；位移計70好壓力傳感器72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連；啟動自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70，施加垂向壓力，固結(jié)一定時間后，分級施加切向壓力，記錄試驗數(shù)據(jù)。
[0021]2、功能部件
I)剪切盒10
如圖2，剪切盒是一種方形容器，
內(nèi)壁的長X寬X高=31.6cmX31.6cmX32cm，采用1.5cm厚鋼板焊接而成，最大切向承載壓力為50kN。
[0022]2)反力系統(tǒng)20
如圖2，反力系統(tǒng)20由依次連接的反力梁21、連接桿22和地錨器23組成，地錨器23與灌漿水泥柱聯(lián)合使用時將提供更大反力。
[0023]3)垂向壓力系統(tǒng)30
如圖2，垂向壓力系統(tǒng)30由依次連接的垂向壓力千斤頂31、垂向壓力傳感器32和垂向壓力板33組成；
垂向壓力千斤頂31為手動油壓千斤頂，最大量程為500kN ；
垂向壓力傳感器32采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器32與數(shù)據(jù)采集箱73相連，垂向壓力傳感器32導出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機上；
垂向壓力板33包括上垂向壓力板331和下垂向壓力板332 ;在上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間安放有滾軸排50 ;垂向壓力板33的存在確保了垂向壓力均勻分布于試樣00的頂面上。
[0024]4)傳力系統(tǒng)40
傳力系統(tǒng)40由垂向傳力筒41、垂向傳力板42、切向傳力筒43和切向傳力板44組成；垂向傳力筒41、垂向傳力板42和垂向壓力千斤頂3I依次連接，切向傳力筒43、切向傳力板44和切向壓力千斤頂51依次連接；
傳力筒和傳力板用于調(diào)節(jié)反力系統(tǒng)20與壓力系統(tǒng)40之間的距離。
[0025]5)切向壓力系統(tǒng)50
切向壓力系統(tǒng)50由依次連接的切向壓力千斤頂51、切向壓力傳感器52和切向壓力板53組成；
切向壓力千斤頂51為手動油壓千斤頂，最大量程為300kN ；
切向壓力傳感器52采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器52和數(shù)據(jù)采集箱73相連，切向壓力傳感器52導出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機上；
切向壓力板53的存在使切向壓力均勻分布于剪切盒10側(cè)面上，避免由于切向壓力的集中而導致剪切盒10的破壞。
[0026]6)滾軸排 60
滾軸排60位于上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間，滾軸排60內(nèi)置滾珠，試驗時隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板33表面滾動，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
[0027]7)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70
自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由山東省濟南海威爾儀器有限責任公司生產(chǎn)。
[0028]自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由垂向位移計71、兩個切向位移計72和數(shù)據(jù)采集箱73組成； 垂向位移計71和切向位移計72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，位移計導出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機上；
①四個垂向位移計71采用VWD-50振弦式位移計，分別置于垂向壓力板33的四角，用于量測試驗過程中試樣OO的垂向位移，位移計最大量程50mm，精度為0.1mm ；
②兩個切向位移計72采用VWD-50振弦式位移計，分別置于剪力受力面另一側(cè)的上下部，用于量測切向位移；
③數(shù)據(jù)采集箱73包括集成PXI總線和PC機
PXI總線進行數(shù)據(jù)采集，主要選用NI的PX1-6070E ;ΡΧΙ_6070Ε為多功能數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)，其內(nèi)嵌ADAM4017模塊可實現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換。多功能數(shù)據(jù)采集卡還內(nèi)嵌數(shù)據(jù)自動采集軟件，數(shù)據(jù)自動采集軟件根據(jù)約定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，可將位移、應力數(shù)據(jù)通過RS232或USB接口上傳至PC機進行存儲、顯示、控制和修正等。
[0029]數(shù)據(jù)自動采集軟件采用MaXTest-Y2H原位直剪軟件，該軟件是在通用的靜態(tài)試驗機控制分析軟件MaxTest進行二次開發(fā)而成，二次開發(fā)后的軟件具有強大的數(shù)據(jù)采集、試驗過程控制、數(shù)據(jù)分析和打印等功能，易于掌握和操作。軟件程序采用開放的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定義，標準配置為國標GB50021-94試驗標準。根據(jù)原位直剪試驗的需要，軟件配備8同道采集數(shù)據(jù)口，可進行2個力傳感器、6個變形傳感器的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合PX1-6070E多功能數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)實時記錄試驗曲線，良好的人機交互界面方便隨時切換觀察應力-時間、位移-時間和應力-位移等試驗曲線。數(shù)據(jù)保存格式采用后綴名為xtf的基于xml格式的文本文件保存格式，xtf格式保存的信息豐富，不但能保存所有試樣試驗數(shù)據(jù)，而且還能保存所有試驗曲線信息。
[0030]具體地說，如圖3，數(shù)據(jù)自動采集軟件的工作流程是:
A、啟動軟件100
在計算機中選擇“開始”一“所有程序” 一“MaxTest” 一“MaXTest-Y2H啟動程序”，軟件開啟后，調(diào)整位移計，軟件“變形”窗口中相應欄讀數(shù)有變化時說明軟件啟動正常；
B、選擇試驗類型101
在菜單欄中點擊“菜單”一“試驗類型”選項，選擇所進行操作的試驗類型，如此則可以從當前的試驗控制類型切換到另一個試驗控制類型，如不進行此操作，則執(zhí)行默認(原位直剪)類型；(軟件采用模塊化設計，通過在軟件中切換加載不同的試驗類型模塊，可以控制不同類型的試驗，一個試驗類型模塊可以包含幾個不同的數(shù)據(jù)創(chuàng)建視圖、數(shù)據(jù)打印視圖和試驗控制視圖，這些可以通過在切換試驗類型向?qū)Т翱谥羞x擇)；
C、新建試驗數(shù)據(jù)102
點擊界面右側(cè)“標準操作”按鈕中的“添加新記錄”按鈕，打開新建記錄窗口(即數(shù)據(jù)創(chuàng)建視圖)，在數(shù)據(jù)創(chuàng)建窗口中含有默認的試件信息和試驗信息，可以根據(jù)試驗實際情況修改和添加自定義的信息，試件信息修改完成后點擊“新增記錄”按鈕，新建一個試驗數(shù)據(jù)，這時，在試驗記錄窗口中會顯示新建的試驗記錄；
D、開始試驗103
確認位移計、壓力傳感器處于初始狀態(tài)(位移計、壓力傳感器剛好接觸傳力板)，點擊操作按鈕中的“開始”按鈕，開始進行試驗，試驗過程中，主程序的顯示窗口實時顯示試驗數(shù)據(jù)，曲線板同步顯示試驗曲線； E、單個試驗完成104
一個試樣試驗結(jié)束時，系統(tǒng)會自動完成試驗，在特殊情況下，可以點擊“停止”按鈕，強行中斷試驗；
F、數(shù)據(jù)保存105
單個試樣試驗完成后，系統(tǒng)會自動保存試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的文件名默認為“試驗類型+試驗日期”，文件保存在軟件安裝目錄XTF文件夾下的“Zhi jian”文件夾中，主程序的試驗記錄窗口中顯示試驗的狀態(tài)為“已完成”；
G、判斷全部試驗是否完成106，是則進入步驟H，否則跳轉(zhuǎn)到步驟C-102；
H、試驗分析107
試驗完成后系統(tǒng)會記錄試驗數(shù)據(jù)曲線，點擊“標準操作”按鈕中的“分析試驗”按鈕，打開分析試驗窗口，用鼠標拖動曲線下方的滑塊時，曲線上會顯示當前位置的坐標值，根據(jù)實際需要，點擊“添加特征點”按鈕，左側(cè)的列表中會顯示所添加的特征點對應的垂向應力和法向應力的值，選取每組試驗曲線的峰值特征點平均值，點擊“根據(jù)特征點分析試驗結(jié)果”按鈕即可計算得到抗剪強度參數(shù)；
1、報告打印108
選擇想要輸出的曲線，點擊“瀏覽”按鈕在出現(xiàn)的報告模板選擇對話框中選擇合適的報告模板，點擊“標準操作”按鈕中的“打印報表”按鈕，將當前試驗結(jié)果打印輸出。
[0031]由此可見，自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70實現(xiàn)了位移和應力變化數(shù)據(jù)的自動瞬時采集記錄。
[0032]二、試驗方法
1、步驟①中:
剪切盒與試樣之間的縫隙填滿細砂，垂向壓力板的底面與試樣的頂面間墊薄層砂，并使垂向壓力板與剪切盒的底平面平行。
[0033]2、步驟②中:
施加垂向荷載時，須保證垂向壓力板中心、壓力傳感器中心、垂向壓力千斤頂?shù)鬃行暮驮嚇又行模３衷谕惠S線上。
[0034]三、試驗結(jié)果
為求得某基坑內(nèi)碎石土的抗剪強度，為基坑設計提供依據(jù)，現(xiàn)場組裝儀器，根據(jù)上述試驗方法測試具有一定含水率的碎石土堆積體的抗剪強度指標?，F(xiàn)場測定4個試樣，使用地錨器提供反力。
[0035]從試驗測試結(jié)果可見，試驗完成時，剪切面并不是一個平直的面，而是根據(jù)碎石土的結(jié)構(gòu)組成而形成的凹凸不平的不規(guī)則面。這是由于一些碎石顆粒恰好位于剪切面上，則剪切必須繞過這些顆粒，在空間上出現(xiàn)波浪式。這與碎石土剪切試驗的理論研究結(jié)果是相符的。通過各個試樣的剪應力與剪切變形關系曲線(圖3)，繪制了試樣抗剪強度曲線圖(圖4)，采用線性回歸方法，計算得到此次試驗所用碎石土的抗剪強度為:粘聚力c為190.51kPa，內(nèi)摩擦角Φ約為22。。
[0036]測試試驗求取的粘聚力值190.51kPa在碎石土有效抗剪強度指標(68.6kPa?225.4kPa)范圍內(nèi)，對應性較好；內(nèi)摩擦角相對較小，對于試樣碎石土，內(nèi)摩擦角主要體現(xiàn)為咬合力，推測測試結(jié)果與其中的粉砂質(zhì)粘土等細顆粒含量較高有關。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗裝置，其特征在于: 包括試樣(00)、剪切盒(10)、反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、切向壓力系統(tǒng)(50)、滾軸排(60)和自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70); 其連接關系是: 試樣(00)置于剪切盒(10)內(nèi)； 反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、滾軸排(60)和試樣(00)依次連接，將垂向壓力施加于試樣(00)； 切向壓力系統(tǒng)(50)、傳力系統(tǒng)(40)和試樣(00)依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣(00)； 自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由四個垂向位移計(71)、兩個切向位移計(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 四個垂向位移計(71)位于垂向壓力板(33)的四個角點，用于量測試驗過程中試樣(00)的垂向位移； 兩個切向位移計(72)位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗過程中試樣(00)的切向位移； 垂向位移計(71)和切向位移計(72)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測垂向位移和切向位移； 垂向壓力系統(tǒng)(30)的垂向壓力傳感器(32)和切向壓力系統(tǒng)(50)的切向壓力傳感器(52)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測垂向壓力和切向壓力。
2.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于: 所述的反力系統(tǒng)(20)由依次連接的反力梁(21)、連接桿(22)和地錨器(23)組成。
3.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于: 所述的垂向壓力系統(tǒng)(30)由依次連接的垂向壓力千斤頂(31)、垂向壓力傳感器(32)和垂向壓力板(33)組成； 垂向壓力千斤頂(31)為手動油壓千斤頂； 垂向壓力傳感器(32)采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器(32)與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連； 垂向壓力板(33)包括上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332);在上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間安放有滾軸排(50)。
4.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于: 所述的傳力系統(tǒng)(40)由垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)、切向傳力筒(43)和切向傳力板(44)組成； 垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)和垂向壓力千斤頂(31)依次連接，切向傳力筒(43)、切向傳力板(44)和切向壓力千斤頂(51)依次連接。
5.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于: 所述的切向壓力系統(tǒng)(50)由依次連接的切向壓力千斤頂(51)、切向壓力傳感器(52)和切向壓力板(53)組成； 切向壓力千斤頂(51)為手動油壓千斤頂； 切向壓力傳感器(52)采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器(52)和數(shù)據(jù)采集箱(73)相連。
6.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述的滾軸排(60)內(nèi)置滾珠，位于上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間，試驗時隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板(33)表面滾動，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
7.按權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于: 所述的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由垂向位移計(71)、兩個切向位移計(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 垂向位移計(71)和切向位移計(72 )分別與數(shù)據(jù)采集箱(73 )相連； 垂向位移計(71)采用VWD-50振弦式位移計； 切向位移計(72)采用VWD-50振弦式位移計； 數(shù)據(jù)采集箱(73)包括集成PXI總線和PC機。
8.基于權(quán)利要求1所述試驗裝置的試驗方法，其特征在于包括下列步驟: ①試樣的制備 在開挖的探坑或試驗平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動且具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，浸水時間視試樣的透水性而定；試樣削切完成后安放剪切盒內(nèi)，并按圖示組裝好儀器，開啟數(shù)據(jù)采集流程； ②試驗工作開始時，首先對試樣分級施加垂向荷載，4個試樣的垂向壓力分別為100kPa、200kPa、400kPa和600kPa，一般可分4~5級達到試驗要求的荷載，施加荷載后每5min觀測變形一次,至每分鐘的變形不超過0.05mm時,加下一級荷載；最后一級荷載施加后當Ih內(nèi)的垂向變形不超過0.05mm時，可認為穩(wěn)定，即可施加切向剪切荷載； ③對試樣施加切向剪應力，剪應力的施加可采用分級的方法，即每Imin加一級，開始按垂向總荷載的10%施加，當某級切向剪力下的變形超過前一級變形的1.5~2.0倍時，改為按垂向總荷載的5%施加；每施加一級，觀測水平位移一次，當切向剪切達到峰值或穩(wěn)定值時，即認為試樣剪損；若無上述情況出現(xiàn)，剪切變形達到10%試樣邊長時，即可停止試驗；在施加切向剪應力過程中，保持垂向荷載不變；剪切時間控制在10~20min內(nèi)； ④在不同垂向荷載條件下，對同一土層以同樣方式進行4個試樣的剪切試驗； ⑤在數(shù)據(jù)自動采集中，繪制不同壓力條件下的剪切位移一剪應力曲線，回歸分析采用峰值時或10%剪切位移對應的剪應力，計算抗剪強度及C、Φ值。
9.按權(quán)利要求8所述的試驗方法，其特征在于步驟①中: 剪切盒與試樣之間的縫隙填滿細砂，垂向壓力板的底面與試樣的頂面間墊薄層砂，并使垂向壓力板與剪切盒的底平面平行。
10.按權(quán)利要求8所述的試驗方法，其特征在于步驟②中: 施加垂向荷載時，須保證垂向壓力板中心、壓力傳感器中心、垂向壓力千斤頂?shù)鬃行暮驮嚇又行?，保持在同一軸線上。
【文檔編號】G01N3/24GK103558096SQ201310538634
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】郭長寶, 張瑞端, 張永雙, 宋海軍, 侯春堂, 付曉曉, 周能娟, 姚鑫 申請人:中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所