[发明专利]气囊加载便携式软弱夹层直剪仪

说明书

技术领域  土力学试验技术领域

背景技术  软弱夹层属于土体，现有的土力学剪切试验分为室内试验与原位试验。室内剪切试验主要有两种：直剪试验和三轴压缩试验。直剪试验通过杠杆使用砝码对土样施加法向压力，然后施加水平推力，使试样沿预定的剪切面破坏。通过多组直剪试验计算获得试样抗剪强度参数C、φ值。对于软弱夹层，直剪试验的优点是试验操作简便，样品量少，耗时少；缺点是软弱夹层易扰动，仪器笨重，不能在现场试验。

三轴压缩试验是对试样施加围压，然后施加轴向荷载，直至土样破坏。进行多组试验后计算获得试样抗剪强度参数C、值。三轴压缩试验优点是能够获得试样真实应力状态下的抗剪参数，缺点是仪器精密复杂，样品量大，耗时长，不能在现场试验。两种室内试验有共同的缺点是：原状样不易获得，样品易在包装运输中发生扰动；不能在现场进行试验，快速的获得试验结果。

原位剪切试验主要有两种：十字板剪切试验和现场土体大型推剪试验。十字板剪切试验用矩形十字板或倒角十字板压进粘土中进行转动，计算完全饱和粘土的不排水抗剪强度τ_f，但是不能测出土体粘聚力C、摩擦角值。现场土体大型推剪试验没有固定标准的设备，一般使用液压泵、千斤顶、木板、钢板、反力架、试坑反力梁等。该方法能够得出土体粘聚力C、摩擦角值，但缺点是经费、时间和人工耗费较多，设备笨重，操作性不强。

总之，目前两类土力学剪切试验的四种方法，前两种室内试验方法样品容易在包装运输中受扰动，不易进行原状样试验；且不能在现场进行试验快速获得试验结果。后两种原位试验，一种只能测试饱和软粘土的不排水抗剪强度，一种测试设备笨重，费时费力，操作性较差。现存的土力学剪切试验方法均不能满足软弱夹层快速方便的获取原状土样剪切参数的要求。

发明内容  本发明提供一种简便且精确的现场气囊加载便携式软弱夹层直剪仪。采用气囊加载施加法向力，置于反力架上部的活塞系统能在试样发生剪切位移时保证法向力的垂直，且法向力施加均匀；采用滚珠丝杠系统施加切向力，在试样座下的直线导轨能保证剪切力施加方向水平，且切向力连续平稳。法向加力系统无需荷重，气囊加压采用便携式加压装置，精度高且简便易行。切向加力系统用丝杠手柄加力，加力平稳，操作性强。法向加力系统和切向加力系统均为固定式，体积小可靠性高，便于现场试验。这种试验装置能够进行现场软弱夹层的快剪，排水固结快剪与慢剪试验，且简便精确、操作性强。

气囊加载便携式软弱夹层直剪仪，其由如下几部分组成：软弱夹层试样装置部分，由定位锥12，钢压垫13，上盒14，下盒15，固定销16，试样座17，透水石23，排水孔30和试样22组成，试验时首先将试样22置于上盒14与下盒15中；气囊式法向加压系统，由充气加压阀5，气囊6，活塞7，活塞壁8，限位栓9，传力柱10和定位孔11组成；法向加压反力框架系统，由刚性立柱1，上横梁2，下底座3和支脚4组成；滚珠丝杠切向加压系统，由试样座17，直线导轨18，刚性传力杆19，传动装置20和丝杠手柄21组成；力和位移测量系统，由压力传感器24，水平位移传感器25，固定滑轮26，钢线27，垂直位移传感器28和气压表29组成。

基本原理与技术：根据土力学剪切试验原理，试样法向压力必须恒定且始终垂直，切向力连续平稳且要保持水平。采用气囊式法向加压系统和滚珠丝杠切向加压系统可以保证以上要求。

气囊式法向加压系统，将气囊6置于活塞7中，充气加压阀5对气囊6加压，通过传力柱10和钢压垫13，对试样22施加法向荷载，且荷载方向始终为垂向；刚性立柱1，上横梁2和下底座3组成反力框架系统，保证法向加压的施加；活塞7内径设计为123.6mm，试样22内径为61.8mm，气囊最大加载气压为0.3MPa，传到试样上的最大法向应力为1.2MPa，满足土体直剪试验对法向应力的需求。气囊加载通过活塞7保证法向力的垂直，软弱夹层在剪切时下盒水平运动，上盒固定，剪切过程中法向力一直是恒定且垂直的。

滚珠丝杠切向加压系统，通过滚珠丝杠施加切向力，试样座17置于直线导轨18上，丝杠传动装置20通过刚性传力杆19与试样座17相连，转动丝杠手柄21即可施加水平力，直线导轨18可保证水平力的连续和方向。

法向力可由气囊气压表29读数乘4即可，固结沉降由垂直位移传感28读出，切向力由压力传感器24读出，水平位移由水平位移传感器25读出。

附图说明

图1：气囊加载便携式软弱夹层直剪仪剖面图

图2：气囊加载便携式软弱夹层直剪仪A-A剖面图