[发明专利]测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种用于测定颗粒材料不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置和试验方法。

背景技术

工程实践中砂、砾等颗粒材料可用作材料、地基及周围介质。由于重力沉积或人工碾压等原因，自然界中的这些砂、砾等颗粒材料普遍具有各向异性特性。即：沿不同方向加载时，材料具有不同的物理力学特性。颗粒材料的这种各向异性特性在土木工程中具有重要的理论和工程意义。譬如：目前实际工程在地基土的承载力、边坡稳定性及土压力计算中，仍然主要采用极限平衡分析方法，且通常假定滑动面上的抗剪强度相等。而由于土的各向异性，与沉积面呈不同角度的滑动面(剪切面)可能具有显著不同的抗剪强度，因此上述计算分析中滑动面上抗剪强度相等的假定将不可避免的带来较大的误差。为科学、合理的评价地基土的承载力、边坡稳定性等土木工程领域中的经典问题，针对各向异性颗粒材料研究与沉积面呈不同角度的剪切面上的抗剪强度特性具有重要的理论和工程意义。

如图1所示，在地基承载力计算所假定的破坏面上取典型单元A和B，在边坡滑动面上取单元C，以上三单元将分别作用有正应力分量σ_n和σ_t，以及剪应力分量τ。若以沿剪切方向逆时针旋转为正，以上三个典型单元的剪切面与沉积面的夹角ψ如图1(a)～(c)。由图1(a)～(c)可知，剪切面与沉积面的夹角ψ的变化范围为0°～180°。而在常规的直剪试验中，只能测得剪切面与沉积面平行(即ψ＝0°/180°)这一种情况下的抗剪强度，存在较严重的不足，不能满足工程实际的需要。

发明内容

针对上述常规直剪试验的不足，本发明提供了一种可用于测定颗粒材料不同剪切面上抗剪强度特性的试验装置和试验方法，所述的试验装置为新型直剪试验盒，试验时可使剪切面与沉积面的夹角ψ在0°～180°之间任意变化，进行抗剪强度测量试验。

所述的试验装置为直剪试验盒，该直剪试验盒主要由底座(A)、施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)组成，底座A具有底座前侧壁和底座后侧壁，施力端下侧壁(B)和量力端下侧壁(D)通过螺栓连接在底座(A)的底座前侧壁和底座后侧壁的左右两侧，并且连接后与底座前侧壁和底座后侧壁高度相同，这样，底座(A)、施力端下侧壁(B)和量力端下侧壁(D)连接后组成下盒；所述的底座前侧壁和底座后侧壁的上端面分别螺栓连接前侧壁(F)和后侧壁(G)，同时，所述的前侧壁(F)和后侧壁(G)的两侧端面分别通过螺栓与施力端上侧壁(C)和量力端上侧壁(E)的内表面连接，这样，所述的施力端上侧壁(C)、量力端上侧壁(E)、前侧壁(F)和后侧壁(G)就组成了直剪试验盒的上盒，所述的下盒与上盒组装后成为直剪试验盒。

测定不同剪切面上抗剪强度特性的试验方法，包括如下步骤：

第一步：根据所需的剪切面与沉积面的夹角ψ，组装直剪试验盒，将组装好的直剪试验盒倾斜放入外箱的两块横隔板(K)之间，并用长螺丝(L)固定；然后将颗粒材料撒入直剪试验盒内，直至直剪试验盒被颗粒材料覆盖；

第二步：将外箱逆时针旋转ψ角度，使直剪试验盒的底座(A)的底面水平；将直剪试验盒顶面超出前侧壁(F)和后侧壁(G)的颗粒材料刮掉，安装临时盖板，利用螺栓将临时盖板与前侧壁(F)和后侧壁(G)相连；

第三步：将第二步的外箱重新恢复到第一步的状态，然后顺时针旋转90°-ψ，使直剪试验盒的底座(A)竖直、量力端下侧壁(D)、量力端上侧壁(E)水平；

第四步：将直剪试验盒从外箱中取出，将高出开口侧壁的颗粒材料刮平，并用螺栓将施力端下侧壁(B)、施力端上侧壁(C)组装；

第五步：将直剪试验盒重新放回原位，使剪切盒的底面座(A)水平、临时盖板在顶面；

第六步：将临时盖板拆除，安装加载顶帽(H)；

第七步：将第六步制样完成的直剪盒放入常规直剪仪中，按常规直剪试验的操作进行直剪试验。

本发明具有如下优点及功效：

(1)利用新型直剪试验盒和制样方法，可以制得多种沉积角度的试样，剪切面与沉积面可呈0°～180°之间的任意角度；

(2)利用新型直剪试验盒和制样方法，可以探究各向异性颗粒材料不同剪切面的抗剪强度特性；

(3)可在常规直剪试验仪上进行，只需更换直剪试验盒，成本较低；

(4)剪切试验过程与常规直剪试验过程相同，因此操作简单，几乎可以在所有的土工试验室进行。

附图说明