一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置及安装方法与流程

本发明属于岩土原位剪切实验装置，更加具体来说是一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置及安装方法。

背景技术：

对于含超径颗粒的粗粒土而言，现场原位剪切试验无疑是最具针对性的力学参数取证手段，直接在工程现场选取一定数量的典型场地，就地进行试验。避免试样获取、搬运过程中对的土样搅动影响。

但是目前的岩土体现场原位剪切试验采用单剪切环，在试验过程中存在以下问题：

(1)法向压力不足，直接采用重物堆砌在试样表面，可堆放重量有限，在剪切过程中易失稳，易导致试验失败。

(2)为了解决(1)中问题，研究者们采用堆载反压结合千斤顶传力提供法向压力，在试样顶部与千斤顶之间加装滚轴排，在高法向压力作用下，滚轴排的滚动阻力会对剪切荷载数据造成较大影响。

(3)目前现场原位剪切试验均采用后缘开挖面作为水平荷载的反力支撑，当高法向压力作用时，后缘支撑体容易发生提前破坏导致试验失败。

(4)单剪切环不易设置剪切缝，即使预留了剪切缝，在法向加荷的过程中剪切缝会因土体压缩带动剪切环下移而变窄。

(5)单剪切环受力易偏心，剪切时推力位置接近剪切面，剪切环受力不平衡易发生偏心，在受力面上产生过大的力矩。

采用现有原位剪切装置所得会对试验数据产生一定的影响，为了真实有效获取粗粒土的剪切力学强度参数，亟待对现有原位剪切装置进行改善。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置。

本发明一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置及安装方法，其特征在于：呈圆形的上环、中环和下环之间放置有缝衬瓦，在所述的上环和下环的两侧安装有侧导轨，在所述的上环的上端安装有环上垫枕，在所述的环上垫枕上安装有球头，在所述的球头的上安装有垂向千斤顶，在所述的垂向千斤顶顶部安装有小梁；在所述的中环正前方设置有水平向千斤顶，所述的水平向千斤顶与传力支座配套安装。

在上述技术方案中：所述的侧导轨包括位于上部的四个水平布置的上环导轨固定螺栓、位于中间且贯穿侧导轨的滚轴和位于下部的四个水平布置的下环导轨固定螺栓；四个所述的上环导轨固定螺栓和下环导轨固定螺栓分别穿过与上环的下端的上环固定螺孔和下环上端的下环导轨固定螺孔；

所述的滚轴卡住位于中环上的侧滑板，所述的滚轴上的轴承设置有挡圈，所述的挡圈位于所述的滚轴和侧导轨背面之间。

在上述技术方案中：所述的上环包括位于两侧的上环导轨固定螺孔和伸出上环的两个上环拉耳，在所述的上环钻有四个等间距设置的上环缝衬瓦定位孔；

每侧的上环上设置有四个上环导轨固定螺孔，四个所述的上环导轨固定螺孔分为两组，分别位于上环的左、右两端；所述的上环拉耳位于上环的两侧。

在上述技术方案中：所述的中环包括位于两侧的侧滑板、位于中环正前方的承力板；所述的承力板与所述的水平向千斤顶相对设置；在所述的中环上设置环向等间距设置有四个中环缝衬瓦定位孔。

在上述技术方案中：所述的下环包括位于两侧的下环导轨固定螺孔和伸出下环的两个下环拉耳，在所述的下环钻有四个等间距设置的下环缝衬瓦定位孔；

每侧的下环上设置有四个下环导轨固定螺孔，四个所述的下环导轨固定螺孔分为两组，分别位于下环的左、右两端；所述的下环拉耳位于下环的两侧。

在上述技术方案中：所述的传力支座包括钎杆、拉杆插销、下环拉杆、水平千斤顶底座、上环拉杆、底座板、座垫和平衡轴；所述的上环拉杆和下环拉杆位于所述的传力支座的一侧，所述的水平千斤顶底座位于所述的上环拉杆和下环拉杆之间，且安装在所述的传力支座的中间；在所述的上环拉杆和下环拉杆的一端均设置有两个拉杆插销，在所述的上环拉杆和下环拉杆的另一端设置有通孔供所述的平衡轴穿过；所述的平衡轴为轴向空心结构，在所述的平衡轴内插有钎杆，所述的钎杆头部夯实，尾部插入到土中；在所述的传力支座的下部设置有座垫，在所述的水平千斤顶底座上安装有水平向千斤顶。

在上述技术方案中：所述的拉杆插销分别插入到所述的下环拉耳和上环拉耳中；所述的下环缝衬瓦定位孔、中环缝衬瓦定位孔上环缝衬瓦定位孔和位于所述的缝衬瓦上环向布置的缝衬瓦定位孔用定位插销插入固定。

在上述技术方案中：所述的底座板位于传力支座的底部的前端，放置在地面上，所述的底座板位于所述的下环下方。

在上述技术方案中：所述的缝衬瓦由两个半圆形环板组成，单片所述的缝衬瓦的厚度为10毫米，所述的缝衬瓦可多片重叠放置，厚度为10毫米-60毫米之间；所述的平衡轴的直径为100毫米。

本发明的第二目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置的安装方法，其特征在于：它包括如下步骤；

A、整底板安装：在工程现场选取场地进行试验开挖，将传力支座中的底座板对齐试样平稳安放，并摆正剪切方向。

B、下环安装：将下环两边同时平稳按下，在下按时采取“边修土、边下按”的动作要领，避免过分扰动试样；

C、缝衬瓦安装：将半圆形的缝衬瓦对称放置于下环上面，注意放置朝向与剪切方向垂直，按照试样中最大颗粒粒径的1/3-1/4选择缝衬瓦厚度；

D、中环安装：采用与下环安装的“边修土、边下按”的方法将中环下按到缝衬瓦的位置，注意保持中环中的承压板方向与下环拉杆方向的一致性；经过方位调整将下环缝衬瓦定位孔、缝衬瓦定位孔和中环缝衬瓦定位孔对齐，并用四根插销放入精确定位，防止相互间错位；

E、缝衬瓦安装：将半圆形缝衬瓦对称放置于中环上面，注意放置方法与剪切方向垂直；

F、上环安装：采用“边修土、边下按”的方法将上环下按到缝衬瓦的位置，经过方位调整将中环缝衬瓦定位孔、缝衬瓦定位孔和上环缝衬瓦定位孔对齐，并用4根插销放入精确定位，防止相互间错位；

G、侧导轨安装：将下环、中环和上环的方位保持一致后，分别将左右两块侧导轨安放在下环与上环上，在进行方位调整保证三个剪切环安全平行后，采用四根下环导轨连接螺栓与四个下环螺孔连接，并预留1-2丝的位置以供最终调位。并将中环上的侧滑板精确定位于侧导轴的四个滚轴之间，采用四根上环导轨连接螺栓与四个上环螺孔连接，并预留1-2丝的位置以供最终调位，待两侧的侧导轨都安装上以后，依次将预留1-2丝旋紧；

H、试样顶部整平：为了保证法向压力垂直均匀的作用于剪切面上，须将试样顶部多余土样剔除；并平铺1cm左右的中粗砂找平；

I、环刀上垫枕安装：将环刀上垫枕平稳放置于试样顶部；

J、下环拉杆安装：先根据下环拉杆的位置放上座垫，再放下环拉杆，采用两根拉杆插销将下环拉耳与下环拉轩1.3连接；

K、水平千斤顶和底座安装：将水平千斤顶对准承力板的中心后，将千斤顶底座安放在下环拉杆上固定，当加大剪切缝宽度，下环、中环和上环之间相对距离变大，此时水平千斤顶顶座与下环拉杆之间要提前安放相应厚度的垫块；

L、上环拉杆安装：采用两根拉杆插销将上环拉耳与上环拉杆连接；

M、平衡轴座安装：上环拉杆和下环拉杆、水平千斤顶底座、底座板都有一个直径为105mm的轴套，将直径为100mm的平衡轴竖直穿过轴套，平衡轴中间预留了同心圆孔，将钎杆采用重锤轻击的方法入土中固定；

N、法向千斤顶和小梁安装：将法向千斤顶放置于环刀上垫枕顶部中心处，采用水平尺调整后放置小梁，缓慢加压使小梁接触到堆载体；

O、取出缝衬瓦：缝衬瓦为预留的剪切缝位置，在此仅仅起定位作用，在剪切之前要将缝衬瓦取出；

P、法向加压和剪切试验：依据试验规范和规程进行试验。

本发明具有如下技术优点：1、本发明设有上、中、下三个剪切环，中环为主剪切环，上环和下环在剪切过程提供水平向反力，解决了水平向反力不足的问题。

2、通过上环顶部依次安放垫枕、竖向千斤顶进行法向加压，剪切时上环、垫枕、竖向千斤顶均不发生位移，因此无需加装滚轴排。

3、为了严格限定剪切缝宽度，在安装设备时，根据试样最大颗粒粒径分别在上环与中环之间、中环与下环之间安放相应厚度的缝衬瓦，待法向加压稳定后剪切之前将缝衬瓦从两侧撤出。

4、剪切过程中为了消除受力面的力矩，专门设置侧导轨，中环在侧导轨中发生滑移，侧导轨通过螺钉与上环和下环固定，水平加载在中环上下两个刃口处产生两对力偶，分别在上环和中环之间、中环与下环之间形成两个剪切面，与现有大型原位剪切试验装置形成的单剪切面相比，本发明的工作效率更高。

5、在构造上解决了原有试验装置对试验结果造成的不利影响，使试验条件更加符合岩土体的实际受力情况，且各部分都是可组装式的，组装和拆卸都非常方便，特别适用于野外作业。

附图说明

图1为本发明的自反力双剪面现场大型剪切仪的正视图。

图2为传力支座的正视图。

图3为下环的正视图。

图4为下环的俯视图。

图5为中环的正视图。

图6为中环的俯视图

图7为中环的俯视图。

图8为上环的侧视图。

图9为上环的俯视图

图10为缝衬瓦的正视图。

图11为侧导轨的侧视图。

图12为侧导轨的正视图。

图中：传力支座1、钎杆1.1、拉杆插销1.2、为下环拉杆1.3、水平千斤顶底座1.4、上环拉杆1.5、底座板1.6、座垫1.7、为平衡轴1.8、下环2、下环导轨固定螺孔2.1、下环拉耳2.2、下环缝衬瓦定位孔2.3、中环3、承力板3.1、侧滑板3.2、中环缝衬瓦定位孔3.3、上环4、上环导轨固定螺孔4.1、上环拉耳4.2、上环缝衬瓦定位孔4.3、缝衬瓦5、缝衬瓦定位孔5.1、环刀上垫枕6、垂向千斤顶7、水平向千斤顶8、小梁9、球头10、侧导轨11、上环导轨固定螺栓11.1、下环导轨固定螺栓11.2、滚轴11.3、轴承11.4、挡圈11.5。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

参照图1-12所述：本发明一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置及安装方法，其特征在于：呈圆形的上环4、中环3和下环2之间放置有缝衬瓦5，在所述的上环4和下环2的两侧安装有侧导轨11，在所述的上环4的上端安装有环上垫枕6，在所述的环上垫枕6上安装有球头10，在所述的球头10的上安装有垂向千斤顶7，在所述的垂向千斤顶7顶部安装有小梁9；在所述的中环3正前方设置有水平向千斤顶8，所述的水平向千斤顶8与传力支座1配套安装。

所述的侧导轨11包括位于上部的四个水平布置的上环导轨固定螺栓11.1、位于中间且贯穿侧导轨11的滚轴11.4和位于下部的四个水平布置的下环导轨固定螺栓11.2；四个所述的上环导轨固定螺栓11.1和下环导轨固定螺栓11.2分别穿过与上环4的下端的上环固定螺孔4.1和下环2上端的下环导轨固定螺孔2.1；

所述的滚轴11.4卡住位于中环3上的侧滑板3.2，所述的滚轴11.4上的轴承11.3设置有挡圈11.5，所述的挡圈11.5位于所述的滚轴11.4和侧导轨11背面之间。

所述的上环4包括位于两侧的上环导轨固定螺孔4.1和伸出上环4的两个上环拉耳4.2，在所述的上环4钻有四个等间距设置的上环缝衬瓦定位孔4.3；

每侧的上环4上设置有四个上环导轨固定螺孔4.1，4个所述的上环导轨固定螺孔4.1分为两组，分别位于上环4的左、右两端；所述的上环拉耳4.2位于上环4的两侧。

所述的中环3包括位于两侧的侧滑板3.2、位于中环3正前方的承力板3.1；所述的承力板3.1与所述的水平向千斤顶8相对设置；在所述的中环3上设置环向等间距设置有四个中环缝衬瓦定位孔3.3。

所述的下环2包括位于两侧的下环导轨固定螺孔2.1和伸出下环2的两个下环拉耳2.2，在所述的下环2钻有四个等间距设置的下环缝衬瓦定位孔2.3；

每侧的下环2上设置有四个下环导轨固定螺孔2.1，4个所述的下环导轨固定螺孔2.1分为两组，分别位于下环2的左、右两端；所述的下环拉耳2.2位于下环2的两侧。

所述的传力支座1包括钎杆1.1、拉杆插销1.2、下环拉杆1.3、水平千斤顶底座1.4、上环拉杆1.5、底座板1.6、座垫1.7和平衡轴1.8；所述的上环拉杆1.5和下环拉杆1.3位于所述的传力支座1的一侧，所述的水平千斤顶底座1.4位于所述的上环拉杆1.5和下环拉杆1.3之间，且安装在所述的传力支座1的中间；在所述的上环拉杆1.5和下环拉杆1.3的一端均设置有两个拉杆插销1.2，在所述的上环拉杆1.5和下环拉杆1.3的另一端设置有通孔供所述的平衡轴1.8穿过；所述的平衡轴1.8为轴向空心结构，在所述的平衡轴1.8内插有钎杆1.1，所述的钎杆1.1头部夯实，尾部插入到土中；在所述的传力支座1的下部设置有座垫1.7，在所述的水平千斤顶底座1.4上安装有水平向千斤顶8。

所述的拉杆插销1.2分别插入到所述的下环拉耳2.2和上环拉耳4.2中；所述的下环缝衬瓦定位孔2.3、中环缝衬瓦定位孔3.3、上环缝衬瓦定位孔4.3和位于所述的缝衬瓦5上环向布置的缝衬瓦定位孔5.1用定位插销插入固定；所述的底座板1.6位于传力支座1的底部的前端，放置在地面上，所述的底座板1.6位于所述的下环2下方；所述的缝衬瓦5由两个半圆形环板组成，单片所述的缝衬瓦5的厚度为10毫米，所述的缝衬瓦5可多片重叠放置，厚度为10毫米-60毫米之间；所述的平衡轴1.8的直径为100毫米。

本发明包括传力支座1，剪切环平面尺寸和高度都完全一致的下环2、中环3和上环4，为了精确设置剪切缝宽度，分别在下环2和中环3、中环3和上环4之间安装缝衬瓦5，试样顶部直接放置环刀上垫枕6，环刀上垫枕6上放置球头1.和垂向千斤顶7，垂向千斤顶7顶部安装传力小梁9，在下环2的上缘和上环4的下缘两侧分别设计有2个下环拉耳2.2、上环拉耳4.2通过拉杆插销1.2与传力支座1上的上环拉杆1.5下环拉杆1.3连接，上下拉杆中间安放水平千斤顶8的底座1.4，在剪切环两侧设置侧导轨11，侧导轨11与下环2和上环4通过下环导轨固定螺栓11.1和上环导轨固定螺栓11.2固定，侧导轨11中间设置有4个滚轴11.3，中环两侧的侧滑板3.2被限位于滚轴11.3之间，沿着指定方向发生水平向剪切位移，垂向位移和转动都被严格限制。

缝衬瓦5的内缘尺寸和三个剪切环内缘尺寸完全一致，为了安装拆卸方便，单个环面的缝衬瓦5由2块半圆形环板组成，对于粗粒土的原位剪切试验，通常要求剪切缝宽为试样中最大颗粒粒径的1/3-1/4，为了能适应不同粒径的粗粒土的原位剪切，本装置的单块缝衬瓦厚度为10mm，可多块重叠放置，可预留宽度为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm的剪切缝，适用于最大颗粒粒径不超过180mm的粗粒土原位剪切试验，为了保证安装时缝衬瓦5与剪切环之间或者缝衬瓦之间发生错位，在每一块半圆缝衬瓦上设计有两个缝衬瓦定位孔5.1，其位置分别与下环上缘的下环缝衬瓦定位孔2.3、上环下缘的上环缝衬瓦定位孔4.3保持一致，在安装时插入定位销钉即可限位，剪切之前，拔出定位销钉，从上至下依次取出缝衬瓦5。

所述设备与现有现场直剪仪最大的区别在于水平反力系统，整个水平反力系统由下环2、上环4、传力支座1三个部分组成，传力支座1通过下环拉杆1.3和上环拉杆1.5分别将下环2和上环4连接在一起，水平加载时平衡轴1.8作为“反力梁”，将水平力传递到上下环，原有现场直剪仪水平反力为外力，本装置巧妙的将水平反力调整为内力，解决水平反力不足的问题，通过拉杆加强，本装置最大可提供40吨的水平反力，可试验的最大剪应力为800kPa。

所述的侧导轨11是为了克服原有原位剪切仪中剪切环剪切过程中发生旋转而专门设计的，本装置的侧导轨11通过上环导轨固定螺栓11.1和下环导轨固定螺栓11.2分别与上环4和下环2的导轨固定螺孔固定，中环为主要剪切环，在两侧相应位置设置侧滑板3.2，侧滑板3.2与侧导轨上的滚轴11.4滚动接触。在剪切过程中，中环不会发生翻转，沿水平方向发生定向平移，作用在剪切面上仅有法向应力和剪切应力，并无附加力矩产生，受力状态更符合实际情况，为了防止滚轴11.4与侧导轨的衬板接触发生磨擦，在滚轴11.4与侧导轨的衬板之间设置挡圈11.5。

所述的传力支座1底部设置有坐垫1.7，用于支撑上部下环拉杆、水平向千斤顶、上环拉杆的重量，另外为了适应不同最大颗粒粒径的粗粒土，上环4、中环3、下环2之间的相对位置要做相应调整，在下环拉杆1.3、水平向千斤顶底座1.4、上环拉杆1.5之间应安放相应厚度的垫块，将上部设备重量传至底部。

本装置的法向反力装置中无需安放滚轴排，直接安放顶部直接放置环刀上垫枕6，环刀上垫枕6上放置球头1.和垂向千斤顶7，垂向千斤顶7顶部安装传力小梁9，小梁上方可视现场情况采用锚拉桩、堆载压重，若在试洞中还可利用洞顶作为反力部位。

本装置的数集采集系统与原有剪切仪完全一样，在中环3前部有位移计测量点，环刀上垫枕6上有对称布置的4个垂向位移观测点，整个剪切仪的试验原理、观测时间、数据采集和数据处理均可参考原有技术。

本发明还包括一种获取岩土体强度参数的原位剪切装置的安装方法，其特征在于：它包括如下步骤；

A、整底板安装：在工程现场选取场地进行试验开挖，将传力支座1中的底座板1.6对齐试样平稳安放，并摆正剪切方向。

B、下环安装：将下环2两边同时平稳按下，在下按时采取“边修土、边下按”的动作要领，避免过分扰动试样；

C、缝衬瓦安装：将半圆形的缝衬瓦5对称放置于下环2上面，注意放置朝向与剪切方向垂直，按照试样中最大颗粒粒径的1/3-1/4选择缝衬瓦5厚度；

D、中环安装：采用与下环2安装的“边修土、边下按”的方法将中环3下按到缝衬瓦5的位置，注意保持中环3中的承压板3.1方向与下环拉杆1.3方向的一致性；经过方位调整将下环缝衬瓦定位孔2.3、缝衬瓦定位孔5.1和中环缝衬瓦定位孔3.3对齐，并用四根插销放入精确定位，防止相互间错位；

E、缝衬瓦安装：将半圆形缝衬瓦5对称放置于中环3上面，注意放置方法与剪切方向垂直；

F、上环安装：采用“边修土、边下按”的方法将上环4下按到缝衬瓦5的位置，经过方位调整将中环缝衬瓦定位孔3.3、缝衬瓦定位孔5.1和上环缝衬瓦定位孔4.3对齐，并用四根插销放入精确定位，防止相互间错位；

G、侧导轨安装：将下环2、中环3和上环4的方位保持一致后，分别将左右两块侧导轨11安放在下环2与上环4上，在进行方位调整保证三个剪切环安全平行后，采用四根下环导轨连接螺栓11.2与四个下环螺孔2.1连接，并预留1-2丝的位置以供最终调位。并将中环上的侧滑板3.2精确定位于侧导轴的4个滚轴11.3之间，采用四根上环导轨连接螺栓11.1与四个上环螺孔4.1连接，并预留1-2丝的位置以供最终调位，待两侧的侧导轨11都安装上以后，依次将预留1-2丝旋紧；

H、试样顶部整平：为了保证法向压力垂直均匀的作用于剪切面上，须将试样顶部多余土样剔除；并平铺1cm左右的中粗砂找平；

I、环刀上垫枕安装：将环刀上垫枕6平稳放置于试样顶部；

J、下环拉杆安装：先根据下环拉杆1.3的位置放上座垫1.7，再放下环拉杆1.3，采用两根拉杆插销1.2将下环拉耳2.2与下环拉轩1.3连接；

K、水平千斤顶和底座安装：将水平千斤顶8对准承力板3.1的中心后，将千斤顶底座1.4安放在下环拉杆1.3上固定，当加大剪切缝宽度，下环2、中环3和上环4之间相对距离变大，此时水平千斤顶顶座1.4与下环拉杆1.3之间要提前安放相应厚度的垫块；

L、上环拉杆安装：采用两根拉杆插销1.2将上环拉耳4.2与上环拉杆1.5连接；

M、平衡轴座安装：上环拉杆1.3和下环拉杆1.5、水平千斤顶底座1.4、底座板1.6都有一个直径为105mm的轴套，将直径为100mm的平衡轴1.8竖直穿过轴套，平衡轴1.8中间预留了同心圆孔，将钎杆1.1采用重锤轻击的方法入土中固定；

N、法向千斤顶和小梁安装：将法向千斤顶7放置于环刀上垫枕6顶部中心处，采用水平尺调整后放置小梁9，缓慢加压使小梁9接触到堆载体；

O、取出缝衬瓦：缝衬瓦5为预留的剪切缝位置，在此仅仅起定位作用，在剪切之前要将缝衬瓦5取出；

P、法向加压和剪切试验：依据试验规范和规程进行试验。

上述未详细说明的部分均为现有技术。