一种土石混合体大型水平推剪试验装置

技术领域

本发明涉及涉及岩土力学的原位剪切试验装置技术领域，尤其涉及一种土石混合体大型水平推剪试验装置。

背景技术

岩土体的抗剪强度是岩土工程力学中最重要的力学参数之一，是天然土石混合体、人工堤坝、土石坝以及路基等土石方工程稳定性分析的重要依据。目前，广泛应用的岩土体抗剪强度的现场测定方法主要有直接剪切试验和三轴剪切试验，其中以直接剪切试验应用较为广泛。岩土体现场水平推剪试验装置是进行直接剪切试验的主要设备，大型水平推剪试验是一种在现场进行的原位剪切试验，它比大面积直剪试验更能沿着土的软弱面方向发展，是测定土石混合体强度的一种有效方法，并且对洪积坡等混砂砾碎石土层、稍胶结或风化的砂砾岩等内聚力较小或剪断后残余内聚力较小的地层，试验结果较好。

很早之前就有的的岩土体现场水平推剪试验装置，由于无需法向加压，水平推剪试验的加载设备相对简单。该推剪试验装置主要设备有：装有压力表的卧式千斤顶安装在试坑内，以后枕木为依托通过前枕木对试体施加压力；在千斤顶和前、后枕木之间设置有钢板；在试验岩土体两侧各挖约20cm宽的空隙，槽中放置塑料布，其上用挖出的土回填并稍加夯实。由于土石混合体大多由崩塌堆积体、滑坡体、残坡积物、冲洪积物、泥石流堆积体等形成，堆积体与下覆基岩均以面-面接触为主，与下覆基岩有清晰的分离界面，即为基覆面。基覆面是制约土石混合体斜坡整体稳定性的一个重要因子。土石混合体作为一种后期堆积物，与其下覆面大多拥有比较清晰的分界面即基覆面，基覆面往往具有一定的厚度，对土石混合体斜坡的稳定性有一定的控制作用。因此研究基覆面对土石混合体滑坡的变形—滑移—失稳过程的影响具有重要意义。若要研究基覆面对土石混合体滑坡的变形，使用现有的水平推剪装置无法达到目的，其中新型框架组合式岩土体水平推剪试验装置存在c型钢框架，但也无法应对基覆面的情况，所以存在一定的局限性。因此，本申请旨在提供一种能够克服上述缺陷的土石混合体大型水平推剪试验装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种土石混合体大型水平推剪试验装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种土石混合体大型水平推剪试验装置，包括：由第一钢化玻璃挡板、第二钢化玻璃挡板和千斤顶施压力钢板构成的模型箱，用于填充土石混合体，其中，模型箱的第一侧设置有平行于所述千斤顶施压力钢板的千斤顶施压反力钢板，模型箱的第二侧设置有横截面能够呈直线状或台阶状的基覆面；设置于所述千斤顶施压力钢板和所述千斤顶施压反力钢板之间的油压千斤顶，用于对所述千斤顶施压力钢板施加挤压力；耦合至所述千斤顶施压力钢板的千分表，用于对千斤顶施压力钢板的位移数据进行采集；耦合至所述油压千斤顶的油压表，用于获取油压千斤顶的实时工作压力。

优选的，所述土石混合体按照如下步骤制备：将筛分完成的石块和土样进行拌匀以得到混合原料，通过分层填筑的方式将所述混合原料堆入所述模型箱中以形成所述土石混合体，其中：土石混合体的表面铺设有用于观察所述土石混合体的变形情况的石灰线；所述石块能够被染成设定颜色。

优选的，沿土石混合体的厚度方向设置有位于所述土石混合体内的若干个土压力计和若干个渗压计。

优选的，所述基覆面能够通过混凝土浇筑而成，其中，所述基覆面能够连接至基岩体。

优选的，所述土石混合体大型水平推剪试验装置配置为：按照对所述千斤顶施压力钢板施加水平推力，使得在15～20秒内，土石混合体的水平位置能够控制在2mm内的方式持续增大所述水平推力，直至油压表的读数开始下降后，记录此时油压表的第一读数；在所述油压表的读数开始下降后，松开油压千斤顶的油阀以使得油压表的读数下降至设定的稳定值，其中，在油压表的读数下降至所述稳定值后，再次增大所述水平推力直至油压表的读数再次开始下降后，记录此时油压表的第二读数。

优选的，所述石块的粒径为1～3cm，所述千斤顶施压力钢板与地面垂直，第一钢化玻璃挡板、第二钢化玻璃挡板与千斤顶施压力钢板之间均设置有润滑油。

优选的，所述千斤顶施压力钢板的厚度为8mm，第一钢化玻璃挡板和第二钢化玻璃挡板各自的厚度均为12mm。

优选的，所述模型箱的侧面设置有抵靠接触至所述千斤顶施压力钢板的第一方钢、抵靠接触至所述第一钢化玻璃的第二方钢以及抵靠接触至所述第二钢化玻璃的第三方钢。

本发明具有以下优点：

从形成的滑裂面位置分析，当基覆面的形态为平直状时，滑裂面与基覆面的距离最近，滑裂面与基覆面的夹角最小。当基覆面的形态为台阶状时，滑裂面与基覆面的距离最远，滑裂面与基覆面的夹角最大。当基覆面的形态为平直状时，最大剪应力即峰值强度最大；基覆面为台阶状时的最大剪应力即峰值强度最小。当基覆面为平直状时，孔隙水压力变化值与土压力变化值达到最大值所需要的时间最长。当基覆面为台阶状时，孔隙水压力变化值与土压力变化值达到最大值所需要的时间最短。随着时间的增加，孔隙水压力变化值和土压力变化值整体上会呈现先上升后下降的趋势。同时埋设于土石混合体下部的渗压计的孔隙水压力变化值和土压力计的土压力变化值会大于埋设于土石混合体上部的渗压计的孔隙水压力变化值和土压力计的土压力变化值。通过本发明可以通过基覆面的状态可以观察到不同形态的基覆面情况下的土石混合体变形破坏，并以此展开研究得知基覆面在不同状态时的最大剪应力和峰值强度，以及孔隙水变化值与土压力变化值的趋势。

附图说明

图1为本发明的土石混合体大型水平推剪试验装置的结构示意图。

图中，1-第一钢化玻璃挡板、2-第二钢化玻璃挡板、3-千斤顶施压力钢板、4-模型箱、5-土石混合体、6-千斤顶施压反力钢板、7-基覆面、4a-第一侧、4b-第二侧、8-油压千斤顶、9-千分表、10-土压力计、11-渗压计、12-基岩体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1

如图1所示，本申请提供一种土石混合体大型水平推剪试验装置，包括：由第一钢化玻璃挡板1、第二钢化玻璃挡板2和千斤顶施压力钢板3构成的模型箱4，用于填充土石混合体5，其中，模型箱4的第一侧4a设置有平行于千斤顶施压力钢板3的千斤顶施压反力钢板6，模型箱4的第二侧4b设置有横截面能够呈直线状或台阶状的基覆面7；设置于千斤顶施压力钢板3和千斤顶施压反力钢板6之间的油压千斤顶8，用于对千斤顶施压力钢板3施加挤压力；耦合至千斤顶施压力钢板3的千分表9，用于对千斤顶施压力钢板的位移数据进行采集；耦合至油压千斤顶8的油压表，用于获取油压千斤顶8的实时工作压力。

优选的，土石混合体5按照如下步骤制备：将筛分完成的石块和土样进行拌匀以得到混合原料，通过分层填筑的方式将混合原料堆入所述模型箱4中以形成土石混合体5，其中：土石混合体5的表面铺设有用于观察土石混合体5的变形情况的石灰线；石块能够被染成设定颜色。例如，可以将石块染成红色，并布置在第一钢化玻璃挡板和第二钢化玻璃挡板的内侧，进而便于观察推荐试验过程中石块的运移情况。

优选的，沿土石混合体5的厚度方向设置有位于土石混合体5内的若干个土压力计10和若干个渗压计11。

优选的，基覆面7能够通过混凝土浇筑而成，其中，基覆面7能够连接至基岩体12。

优选的，土石混合体大型水平推剪试验装置配置为：按照对千斤顶施压力钢板3施加水平推力，使得在15～20秒内，土石混合体的水平位置能够控制在2mm内的方式持续增大水平推力，直至油压表的读数开始下降后，记录此时油压表的第一读数；在油压表的读数开始下降后，松开油压千斤顶8的油阀以使得油压表的读数下降至设定的稳定值，其中，在油压表的读数下降至稳定值后，再次增大水平推力直至油压表的读数再次开始下降后，记录此时油压表的第二读数。第一读数为最大水平推力，第二读数为最小水平推力。

优选的，石块的粒径为1～3cm，千斤顶施压力钢板3与地面垂直，第一钢化玻璃挡板1、第二钢化玻璃挡板2与千斤顶施压力钢板3之间均设置有润滑油。通过设置润滑油能够减小摩擦阻力。

优选的，千斤顶施压力钢板3的厚度为8mm，第一钢化玻璃挡板1和第二钢化玻璃挡板2各自的厚度均为12mm。

优选的，模型箱4的侧面设置有抵靠接触至千斤顶施压力钢板3的第一方钢、抵靠接触至第一钢化玻璃1的第二方钢以及抵靠接触至第二钢化玻璃2的第三方钢。通过第一方钢、第二方钢和第三方钢的支撑作用，能够提高模型箱结构稳定性。

实施例2

本申请的土石混合体大型水平推剪试验装置能够按照如下方式布置以进行试验：

步骤一：在选定的试验点，挖掉表层土，并根据要制备的试样尺寸开挖有3个临空面的试样。正面为油压千斤顶的安装坑，为观察内部其过程，在模型两侧采用12mm厚的第一钢化玻璃挡板和第二钢化玻璃挡板，同时为了对比监测土石混合体的破坏发展过程，正面采用8mm厚的千斤顶施压力钢板，采用的试样尺寸长1.0m，宽0.8m，高0.3m。

步骤二：利用混凝土制作基覆面，在试样的正面安装千斤顶施压力钢板钢板，然后在千斤顶施压力钢板外侧放置枕木和施加推力的油压千斤顶，同时安装测量用的大量程千分表和油压表等测试设备。

步骤三：准备土石混合体试验试样，利用筛分好的石块和土样进行拌匀，在模型箱内部利用分层填筑法填筑土石混合体试样，并且铺设1～2cm厚的石灰线用于观测土石混合体的变形，并对一定量的石块用红漆染成红色，并布置在玻璃内侧用于观测推剪试验的过程中石块的运移情况。

步骤四：利用直剪试验测得初始土样的有效黏聚力和内摩擦角以及其它土体参数，如表1.所用石块粒径为1～3cm。

具体的，可以利用直剪试验测得初始土样的有效黏聚力和内摩擦角以及其它土体参数，用环刀法测量初始试验土体的天然密度，采用直剪试验设备进行试验，直剪试验盒由剪切上盒和剪切下盒组成，通过油阀来控制法向应力的输出；水平控制系统由伺服电机、受力传感器、导杆、位移传感器组成，通过计算机控制剪切速率，试验数据由高精度的荷载和位移传感器及配套软件自动采集，试验结束后即可保存并导出数据。并通过摩尔库伦强度准则获得土体强度指标为黏聚力和内摩擦角，具体过程为：

表1粉质黏土的初始物理力学性质

步骤五：待试验装置安装完毕后，开始摇动千斤顶分级施加水平推力，控制加荷速率使变形速率控制在每15～20s内的水平位移在2mm左右。并记录千分表及压力表读数，将压力表的读数乘以千斤顶与钢板的接触面积再除以钢板的面积计算得到剪应力，当试验进行到压力表读数达到最大值，若再继续加压，压力表读数不但不增加反而降低时，此时的压力表最大读数为最大水平推力Pmax；松开千斤顶油阀，使油压表读数回落到某一稳定值继续加压，使压力表读数再次达到某一试验峰值，此时压力表读数为最小的水平推力Pmin。

具体的，由于模型尺寸较小，为尽量减小坡内传感器埋设对模型的影响，仪器布置采用分层不同位置埋设。坡内布设5组土压力计及5组微型渗压计，以模型箱的左下角的点为坐标原点，往右方向代表X轴，向里为Y轴，向上为Z轴。土压力盒的埋设点坐标为：1(0.70，0.25，0.06)，2(0.82，0.25，0.18)，5(0.94，0.25，0.30)，4(0.76，0.25，0.12)，3(0.88，0.25，0.24)；渗压计的埋设点坐标为：1(0.70，0.5，0.06)，2(0.82，0.5，0.18)，5(0.94，0.5，0.30)，4(0.76，0.5，0.12)，3(0.88，0.5，0.24)，坐标单位均为m。需要说明的是，由于试验过程中出现部分渗压计和土压力计损坏的情况，因此在部分试验中会出现渗压计和土压力计数量不足的现象。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。