一种现场原位大型三轴试验装置

1.本发明涉及现场试验装置技术领域，尤其涉及一种现场原位大型三轴试验装置。


背景技术：

2.随着城市的扩张，机场、高铁和高速公路等交通道路设施逐渐从地貌简单的平原地区往地形复杂的山林地区发展，随之而来的是高填方边坡的大量出现。高填方边坡工程的主要填筑材料是堆石料或土石混合料。土石混合料的抗剪强度参数对填方边坡稳定性及其支护结构设计产生关键影响。然而，由于土石混合料物质成分复杂、结构分布不规律及原位采样困难，其抗剪强度指标的准确测定十分困难，通常可采用原位大型直剪和推剪试验、室内大型直剪和三轴试验进行测定。
3.原位大型剪切试验操作较为复杂，试验结果精度相对较低，容易出现离散，但能反映施工现场试验点的实际强度；室内大型剪切试验操作相对简便，边界条件易于控制，试验结果精度相对较高，但以重塑土代表原状土可能使试验结果出现重大误差。对于土石混合料填方工程，土石混合料通过一定的压实能或击实能进行分层压实而形成人工填筑边坡，经由压实的土石填土料，其力学特性与现场原状土料和室内重塑土料均不相同且受压实能和压实方式影响，因此，采用天然土石混合料原位试验测定的抗剪强度指标和采用重塑土石混合料室内试验测定的抗剪强度指标，均无法合理反映压实土石混合料在工程原位状态下的抗剪强度特性。目前，土石混合料抗剪强度特性的研究因会受限于试样和块石的尺寸，通常采用缩尺后的室内重塑试样试验，为测试土石混合料工程状态(人工压实后的服役状态)下，已有土石混合料的现场大型直剪试验装置。但现场大型直剪试验难以控制试样的固结和排水过程，较难准确测试土石混合料的抗剪强度特性。而三轴试验可较好地控制试样的固结和排水过程，且目前的三轴试验装置均为室内装置。
4.2016年大连理工大学成功研制出了国内第一台超大型静动两用三轴仪，但超大三轴仪不是普通三轴仪尺寸的简单放大，涉及到的问题非常复杂，如试样装样、橡皮膜、测量方法、加载设备等，因此迄今试验研究报道甚少。此装置为室内试验装置，与本专利提出的现场大型三轴试验装置有所不同，本文试验装置可移动和拆卸，可简单有效地在工程现场直接进行试验。
5.目前现场原位三轴试验仍没有被提出或使用，类似的装置如大连理工大学研制的室内的超大型三轴仪，存在一下问题：1、制样困难，是在装置中制作重塑试样，不能保证堆石料得到充分的夯实，也无法制备出现场工程原位状态下的试样；2、装置精细复杂，对操作有较高要求；3、若要进行不同条件下的试验，耗时较长，效率较低；4、仅适用于室内，无法在工程现场使用。
6.因此，现有技术需要进一步改进和完善。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种现场原位大型三轴试验装置。
8.本发明的目的通过下述技术方案实现：
9.一种现场原位大型三轴试验装置，主要包括土堤、对试样周向施加压力的围压模块、以及可沿土堤纵向移动的竖向载荷模块。所述围压模块安装在土堤内，其内设有试样。所述竖向载荷模块设置在土堤上，其载荷的加载端穿过围压模块后压住试样。
10.具体的，所述围压模块包括压力室、第一底板、空气压缩机、橡皮膜、第一顶板、第二底板、钢套圈、以及传感器组。所述第一底板设置在土堤内。所述压力室安装在第一底板上，与第一底板密封连接。所述空气压缩机的输出端通过软管与压力室连通。所述第二底板设置在试样底部，第一顶板设置在试样顶部。所述橡皮膜将试样的侧面包裹，且橡皮膜的顶部和底部均通过钢套圈分别与第一顶板和底板密封连接。所述传感器组分别设置在压力室内、试样内、第一顶板上、以及第一底板上，用于测量压力室的压力和试样的孔压以及试样被压缩变形的情况。
11.作为本发明的优选方案，所述传感器组主要包括第一压力传感器、第二压力传感器、第一位移传感器、以及第二位移传感器。所述第一压力传感器设置在压力室内，用于测量压力室内的空气压强。所述第二压力传感器设置在试样内，用于测量试样的孔压。所述第一位移传感器设置在第一顶板上，用于测量第一顶板在竖直方向上的位移量。所述第二位移传感器设置在第一底板上，用于测量第一底板在竖直方向上的位移量。
12.作为本发明的优选方案，为了定位试样的位置及更好地还原施工现场，本发明所述第一底板和第二底板预埋在土堤内。
13.具体的，所述竖向载荷模块主要包括横梁、配重块、锚筋、配重板、滚轮、第一千斤顶、用于测量竖向载荷的第三压力传感器、以及用于减少横梁与第一千斤顶相互移动的阻力的滑动单元。
14.具体的，所述第一千斤顶安放在第一顶板顶部，其驱动端与滑动单元的底部连接。所述横梁的中部设置在滑动单元上。所述配重块分别位于横梁的两端。所述配重板设置在配重块的底部，所述配重块放置在配重板上。所述滚轮安装在配重板底部，其滚动方向垂直于横梁的长度方向。所述滚轮压在土堤上，并可在土堤上纵向滚动。所述锚筋竖直设置，其上端与横梁连接，下端与配重板连接，将配重板及配重块配重到横梁上。所述第三压力传感器设置在千斤顶上，位于千斤顶与试样之间。
15.进一步的，所述横梁主要包括第二顶板、第三底板、隔板、第一加强板、以及第二加强板。所述第二顶板与第三底板水平且相互平行设置。所述隔板竖直设置在第二顶板与第三底板之间。所述隔板间隔、均匀分布在第二顶板与第三底板之间。所述第一加强板和第二加强板均设置在相邻隔板之间。所述第一加强板与第二加强板倾斜设置，连接成x形结构。所述第一加强板和第二加强板分别与第二顶板和隔板连接处、第三底板和隔板连接处连接。
16.作为本发明的优选方案，在实际试验中，因场地的实施条件的不同需要对横梁的顶推高度进行调节，本发明所述竖向载荷装置还包括紧固螺母。所述锚筋的上下两端均设有螺纹。所述紧固螺母分别设置在锚筋与第二顶板顶部、锚筋与配重板底部的连接处。调节时，只需调节锚筋上下两端的紧固螺母即可调节横梁的最大高度。
17.进一步的，所述滑动模块主要包括第一钢板、轴承座、转动轴、以及轴承。所述转动轴的两端通过轴承座安装在第一钢板上。所述轴承并排设置在转动轴上，其滚动方向与横
梁的长度方向一致。所述钢板底部与第一千斤顶的驱动端固定连接。
18.优选的，为了方便调节横梁高度，同时使横梁与配重的一体性更好，本发明所述竖向载荷装置还包括第二千斤顶。所述第二千斤顶设置在配重上，其顶部与横梁抵接。所述第二千斤顶的数量至少为两个，且并排设置。
19.进一步的，为了使第二千斤顶对横梁施加的顶推力更均匀地传递到横梁上，本发明所述竖向载荷装置还包括第四钢板。所述第四钢板设置在第二千斤顶与横梁之间。
20.作为本发明的优选方案，在试验时，为了避免配重及横梁摇晃或移动，本发明所述竖向载荷装置还包括用于锁紧滚轮的锁紧块、第一弹簧、第二弹簧、以及锁止块。所述锁紧块成对设置在滚轮的前后位置，其顶端通过第一弹簧与配重板的底部连接，实现锁紧块可以绕连接处转动。所述锁止块设置在锁紧块的背面，锁止块的一端通过第二弹簧与锁紧块连接，锁止块的另一端可以绕连接处转动并顶在配重板底部上实现锁紧块的锁止。使用时，若要锁紧滚轮，可将锁紧块向下转动并与滚轮接触，与此同时向上翻动锁止块，使锁止块顶住配重板的底部，从而形成相对稳定的支撑结构，使锁紧块牢牢压住滚轮，而前后两个锁紧块同时作用于滚轮时，对滚轮形成环抱姿态，使滚轮进一步被锁紧。若要释放滚轮时，可推动锁止块往回翻转，此时锁止块和锁紧块分别在第二弹簧和第一弹簧的作用下同时复位，滚轮解锁，此时可推动整个竖向载荷装置向前滚动，直到到达下一个试样上。
21.作为本发明的优选方案，为了最大限度还原施工现场真实状况，本发明所述土堤的横截面为梯形，其坡度比为1∶1，采用修筑高填方边坡的堆石料进行层层碾压，按层高300mm的厚度铺设并进行碾压。所述土堤中部还开挖试验槽。所述试验槽内挖出若干圆柱体状的试样。所述试样在试验槽内并排设置。
22.进一步的，所述土堤上还设有便于竖向载荷模块移动的轨道。所述轨道铺设在土堤的顶部位置。
23.作为本发明的优选方案，为了提高围压模块的整体刚度，本发明所述压力室、第一底板、第一顶板、第二底板均采用钢板结构。
24.本发明还公开了一种基于现场原位大型三轴试验装置的施工方法，该施工方法主要包括如下步骤：
25.步骤s1：在施工现场修筑一个高2m，宽为18m，长约40m，坡度比为1：1的土堤，土堤采用修筑高填方边坡的堆石料进行层层碾压，同时预埋一系列构件，大概按一层300mm的厚度铺设并进行碾压；
26.步骤s2：在土堤里预埋一块能嵌合压力室的矩形钢板(第一底板)，在这块矩形钢板正中央上设置一块和试样底部面积一样的圆形钢板(第二底板)，两块钢板设置的位置为将要开挖出来的试样底部；
27.步骤s3：在修筑好的土堤中挖出4个一定大小的圆柱形试样，试样间隔布置；
28.步骤s4：在修筑好的试验土堤顶部布置轨道，设置竖向载荷模块；
29.步骤s5：在第一个进行三轴试验的试样上套上橡皮膜，在试样上方和下方的圆形钢板(即第一顶板和第二底板，其中第一顶板为开挖后放置，而第二底板是预埋的)处把橡皮膜固定，套上钢套圈并上锁，随后罩上压力室，压力室可与底部预埋的矩形钢板(第一底板)嵌合，同时在预埋的钢板上安装第二位移传感器，并把竖向载荷模块安装到试样正上方；
30.步骤s6：压力室和试样上方的钢板都有着许多预制的孔，通过预制的孔，穿插安装一系列用于监测的传感器及部件，其中传感器包括压力传感器、位移传感器，而部件则包括第一千斤顶和空气压缩机的软管等；
31.步骤s7：启动空气压缩机，为试样提供一定的压力，随后第一千斤顶开始运作，直至试样破坏，运作同时记录下所有数据(包括传感器组的数据)；
32.步骤s8：通过配重承托板下的滑轮和土堤顶部的轨道，将整个竖向载荷模块移动到第二个进行试验的试样的正上方，重复步骤5-7的操作，运作同时记录下所有数据，第三第四个试样也是重复上述操作。
33.本发明的工作过程和原理是：本方案的横梁采用带肋板和缀板的h型钢，在左右两边下端配重所对应的位置，横梁的上、下各设置4个孔，便于锚筋(可为车丝口的钢筋)穿过从而起到固定的作用。在横梁中间底部焊接加载钢板用于提供千斤顶反力，整个横梁架构形状类似扁担状，横梁的两端通过锚筋连接梁下的配重承托板，承托板上放置配重(大型长方体钢材)，中间用于提供试样加载第一千斤顶的反力，因此第一千斤顶对试样所能提供的最大轴向力约为横梁加上梁两端配重的总重力。另外试样为土堤开挖形成的圆柱状土体，类似常规三轴仪中的试样，需要套上橡皮膜，并通过钢套箍的锁定，实现试样密封。试样装好后，装上压力室，利用第二压力传感器对试样施加压力。压力稳定后，启动第一千斤顶对试样进行剪切试验，并利用传感器采集相应的试验数据。
34.与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
35.(1)本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置能够减少堆石料在室内常规三轴受缩尺效应的影响，使三轴试验所得到的土体特性往往会更为准确。
36.(2)本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置采用的制样方式能够保证试样的夯实程度，确保试验结果更为接近实际情况。
37.(3)本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置可在工程现场进行原位试验，试验装置可移动灵活性强，相对于室内的三轴仪，具有可减少堆石料的尺寸效应影响，制样容易，操作简单和试验效率高等优点，能有效的解决传统试验中遇到的缩尺效应、制样困难和效率低等问题。
附图说明
38.图1是本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置的主视图。
39.图2是本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置的俯视图。
40.图3是本发明所提供的现场原位大型三轴试验装置的侧视图。
41.图4是图3中虚线圈的局部放大示意图。
42.图5是本发明所提供的竖向载荷模块的结构示意图。
43.图6是本发明所提供的配重结构的侧视图。
44.图7是本发明所提供的滚轮处的局部放大示意图。
45.上述附图中的标号说明：
46.1-横梁，2-配重块，3-锚筋，4-配重板，5-滚轮，6-第一千斤顶，7-第二顶板，8-第三底板，9-隔板，10-第一加强板，11-第二加强板，12-紧固螺母，13-第一钢板，14-轴承，15-土堤，16-第二千斤顶，17-第四钢板，18-锁紧块，19-锁止块，20-橡皮膜，21-压力室，22-试样，
23-第二底板，24-第一底板，25-钢套圈，26-第二压力传感器，27-第一位移传感器，28-第一压力传感器，29-空气压缩机，30-软管，31-第一顶板，32-第二位移传感器。
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
48.实施例1：
49.如图1至图4所示，本实施例公开了一种现场原位大型三轴试验装置，主要包括土堤15、对试样22周向施加压力的围压模块、以及可沿土堤15纵向移动的竖向载荷模块。所述围压模块安装在土堤15内，其内设有试样22。所述竖向载荷模块设置在土堤15上，其载荷的加载端穿过围压模块后压住试样22。
50.具体的，所述围压模块包括压力室21、第一底板24、空气压缩机29、橡皮膜20、第一顶板31、第二底板23、钢套圈25、以及传感器组。所述第一底板24设置在土堤15内。所述压力室21安装在第一底板24上，与第一底板24密封连接。所述空气压缩机29的输出端通过软管30与压力室21连通。所述第二底板23设置在试样22底部，第一顶板31设置在试样22顶部。所述橡皮膜20将试样22的侧面包裹，且橡皮膜20的顶部和底部均通过钢套圈25分别与第一顶板31和底板密封连接。所述传感器组分别设置在压力室21内、试样22内、第一顶板31上、以及第一底板24上，用于测量压力室21的压力和试样22的孔压以及试样22被压缩变形的情况。
51.作为本发明的优选方案，所述传感器组主要包括第一压力传感器28、第二压力传感器26、第一位移传感器27、以及第二位移传感器32。所述第一压力传感器28设置在压力室21内，用于测量压力室21内的空气压强。所述第二压力传感器26设置在试样22内，用于测量试样22的孔压。所述第一位移传感器27设置在第一顶板31上，用于测量第一顶板31在竖直方向上的位移量。所述第二位移传感器32设置在第一底板24上，用于测量第一底板24在竖直方向上的位移量。
52.作为本发明的优选方案，为了定位试样22的位置及更好地还原施工现场，本发明所述第一底板24和第二底板23预埋在土堤15内。
53.具体的，如图5至图7所示，所述竖向载荷模块主要包括横梁1、配重块2、锚筋3、配重板4、滚轮5、第一千斤顶6、用于测量竖向载荷的第三压力传感器、以及用于减少横梁1与第一千斤顶6相互移动的阻力的滑动单元。
54.具体的，所述第一千斤顶6安放在第一顶板31顶部，其驱动端与滑动单元的底部连接。所述横梁1的中部设置在滑动单元上。所述配重块2分别位于横梁1的两端。所述配重板4设置在配重块2的底部，所述配重块2放置在配重板4上。所述滚轮5安装在配重板4底部，其滚动方向垂直于横梁1的长度方向。所述滚轮5压在土堤15上，并可在土堤15上纵向滚动。所述锚筋3竖直设置，其上端与横梁1连接，下端与配重板4连接，将配重板4及配重块2配重到横梁1上。所述第三压力传感器设置在千斤顶上，位于千斤顶与试样22之间。
55.进一步的，所述横梁1主要包括第二顶板7、第三底板8、隔板9、第一加强板10、以及第二加强板11。所述第二顶板7与第三底板8水平且相互平行设置。所述隔板9竖直设置在第二顶板7与第三底板8之间。所述隔板9间隔、均匀分布在第二顶板7与第三底板8之间。所述
第一加强板10和第二加强板11均设置在相邻隔板9之间。所述第一加强板10与第二加强板11倾斜设置，连接成x形结构。所述第一加强板10和第二加强板11分别与第二顶板7和隔板9连接处、第三底板8和隔板9连接处连接。
56.作为本发明的优选方案，在实际试验中，因场地的实施条件的不同需要对横梁1的顶推高度进行调节，本发明所述竖向载荷装置还包括紧固螺母12。所述锚筋3的上下两端均设有螺纹。所述紧固螺母12分别设置在锚筋3与第二顶板7顶部、锚筋3与配重板4底部的连接处。调节时，只需调节锚筋3上下两端的紧固螺母12即可调节横梁1的最大高度。
57.进一步的，所述滑动模块主要包括第一钢板13、轴承座、转动轴、以及轴承14。所述转动轴的两端通过轴承座安装在第一钢板13上。所述轴承14并排设置在转动轴上，其滚动方向与横梁1的长度方向一致。所述钢板底部与第一千斤顶6的驱动端固定连接。
58.优选的，为了方便调节横梁1高度，同时使横梁1与配重的一体性更好，本发明所述竖向载荷装置还包括第二千斤顶16。所述第二千斤顶16设置在配重上，其顶部与横梁1抵接。所述第二千斤顶16的数量至少为两个，且并排设置。
59.进一步的，为了使第二千斤顶16对横梁1施加的顶推力更均匀地传递到横梁1上，本发明所述竖向载荷装置还包括第四钢板17。所述第四钢板17设置在第二千斤顶16与横梁1之间。
60.作为本发明的优选方案，在试验时，为了避免配重及横梁1摇晃或移动，本发明所述竖向载荷装置还包括用于锁紧滚轮5的锁紧块18、第一弹簧、第二弹簧、以及锁止块19。所述锁紧块18成对设置在滚轮5的前后位置，其顶端通过第一弹簧与配重板4的底部连接，实现锁紧块18可以绕连接处转动。所述锁止块19设置在锁紧块18的背面，锁止块19的一端通过第二弹簧与锁紧块18连接，锁止块19的另一端可以绕连接处转动并顶在配重板4底部上实现锁紧块18的锁止。使用时，若要锁紧滚轮5，可将锁紧块18向下转动并与滚轮5接触，与此同时向上翻动锁止块19，使锁止块19顶住配重板4的底部，从而形成相对稳定的支撑结构，使锁紧块18牢牢压住滚轮5，而前后两个锁紧块18同时作用于滚轮5时，对滚轮5形成环抱姿态，使滚轮5进一步被锁紧。若要释放滚轮5时，可推动锁止块19往回翻转，此时锁止块19和锁紧块18分别在第二弹簧和第一弹簧的作用下同时复位，滚轮5解锁，此时可推动整个竖向载荷装置向前滚动，直到到达下一个试样22上。
61.作为本发明的优选方案，为了最大限度还原施工现场真实状况，本发明所述土堤15的横截面为梯形，其坡度比为1∶1，采用修筑高填方边坡的堆石料进行层层碾压，按层高300mm的厚度铺设并进行碾压。所述土堤15中部还开挖试验槽。所述试验槽内挖出若干圆柱体状的试样22。所述试样22在试验槽内并排设置。
62.进一步的，所述土堤15上还设有便于竖向载荷模块移动的轨道。所述轨道铺设在土堤15的顶部位置。
63.作为本发明的优选方案，为了提高围压模块的整体刚度，本发明所述压力室21、第一底板24、第一顶板31、第二底板23均采用钢板结构。
64.本发明还公开了一种基于现场原位大型三轴试验装置的施工方法，该施工方法主要包括如下步骤：
65.步骤s1：在施工现场修筑一个高2m，宽为18m，长约40m，坡度比为1∶1的土堤15，土堤15采用修筑高填方边坡的堆石料进行层层碾压，同时预埋一系列构件，大概按一层300mm
的厚度铺设并进行碾压；
66.步骤s2：在土堤15里预埋一块能嵌合压力室21的矩形钢板(第一底板24)，在这块矩形钢板正中央上设置一块和试样22底部面积一样的圆形钢板(第二底板23)，两块钢板设置的位置为将要开挖出来的试样22底部；
67.步骤s3：在修筑好的土堤15中挖出4个一定大小的圆柱形试样22，试样22间隔布置；
68.步骤s4：在修筑好的试验土堤15顶部布置轨道，设置竖向载荷模块；
69.步骤s5：在第一个进行三轴试验的试样22上套上橡皮膜20，在试样22上方和下方的圆形钢板(即第一顶板31和第二底板23，其中第一顶板31为开挖后放置，而第二底板23是预埋的)处把橡皮膜20固定，套上钢套圈25并上锁，随后罩上压力室21，压力室21可与底部预埋的矩形钢板(第一底板24)嵌合，同时在预埋的钢板上安装第二位移传感器32，并把竖向载荷模块安装到试样22正上方；
70.步骤s6：压力室21和试样22上方的钢板都有着许多预制的孔，通过预制的孔，穿插安装一系列用于监测的传感器及部件，其中传感器包括压力传感器、位移传感器，而部件则包括第一千斤顶6和空气压缩机29的软管30等；
71.步骤s7：启动空气压缩机29，为试样22提供一定的压力，随后第一千斤顶6开始运作，直至试样22破坏，运作同时记录下所有数据(包括传感器组的数据)；
72.步骤s8：通过配重承托板下的滑轮和土堤15顶部的轨道，将整个竖向载荷模块移动到第二个进行试验的试样22的正上方，重复步骤5-7的操作，运作同时记录下所有数据，第三第四个试样22也是重复上述操作。
73.本发明的工作过程和原理是：本方案的横梁1采用带肋板和缀板的h型钢，在左右两边下端配重所对应的位置，横梁1的上、下各设置4个孔，便于锚筋3(可为车丝口的钢筋)穿过从而起到固定的作用。在横梁1中间底部焊接加载钢板用于提供千斤顶反力，整个横梁1架构形状类似扁担状，横梁1的两端通过锚筋3连接梁下的配重承托板，承托板上放置配重(大型长方体钢材)，中间用于提供试样22加载第一千斤顶6的反力，因此第一千斤顶6对试样22所能提供的最大轴向力约为横梁1加上梁两端配重的总重力。另外试样22为土堤15开挖形成的圆柱状土体，类似常规三轴仪中的试样22，需要套上橡皮膜20，并通过钢套箍的锁定，实现试样22密封。试样22装好后，装上压力室21，利用第二压力传感器26对试样22施加压力。压力稳定后，启动第一千斤顶6对试样22进行剪切试验，并利用传感器采集相应的试验数据。
74.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。