低溫控制條件下大型土工直剪強度測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種土工測試儀器，屬于土木工程儀器測試領域。
【背景技術】
[0002]粗粒土(碎石土、土石混合體)是一種由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的粘土和砂組成的地質體。粗粒土作為一種填料被廣泛應用于土石壩、公路、鐵路、機場、房屋地基等建筑工程，應用范圍相當廣泛。由于粗粒土由塊石和土組成，且兩者在力學性質上呈現“極強”(塊石)和“極弱”(土體)兩個極端的差異性。這種差異性使粗粒土在物理力學性質上呈現極端的不均勻性與極端的非線性特征，其宏觀物理力學性質不能由塊石或土簡單疊加而成。西南地區存在大量粗粒土邊坡，且較高海拔處常年處于低溫環境，對于低溫條件下粗粒土強度的測試不能由傳統的土力學剪切裝置或者巖石試驗機來完成，需要研制適合粗粒土自身特點的新型儀器，量測其力學強度，尤其是要考慮尺寸效應和低溫對粗粒土強度的影響。本發明就是一種用于量測低溫控制條件下粗粒土抗剪強度的新型試驗裝置。
【發明內容】
[0003]本發明目的是提供一種低溫控制條件下大型土工直剪強度測試裝置，用于解決粗粒土等各種巖土體在不同固結應力狀態和低溫條件下的強度試驗測試，為工程實踐提供技術參數。
[0004]本發明的技術解決方案，其特征是一種低溫控制條件下大型土工直剪強度測試裝置，包括反力架I，加載框架2，第一伺服電機3，第二伺服電機4，載樣臺5，上剪切盒6，下剪切盒7，軌道車8，垂直位移計9，第一垂直滑軌10，上盒試樣11，滾珠軸排12，下盒擴展板13，下盒試樣14，第一千斤頂15，第一支撐底座16，水平滑軌17，第二支撐底座18，第二千斤頂19，傳力桿20，連接端頭21，水平加載軸22，水平位移計23，第一側限柱24，垂直加載軸25，加壓板26，第二側限柱27，伸縮臂28，第三側限柱29，第二垂直滑軌30，上盒冷凍液入口31，上盒冷凍液出口 32，下盒冷凍液入口 33，下盒冷凍液出口 34，冷凍液管路35，測溫環36。第一伺服電機3連接垂直加載軸25，垂直加載軸25提供垂直壓力，位于加壓板26上面，加壓板26連接垂直位移計9，加壓板26位于上盒試樣11的頂面，上剪切盒6由第一側限柱24和第二側限柱27固定，第一側限柱24連接第一垂直滑軌10，第二側限柱27通過伸縮臂28與第三側限柱29相連，第三側限柱29連接第二垂直滑軌30，上剪切盒6通過滾珠軸排12對準下剪切盒7，上剪切盒6內安裝上盒試樣11，下剪切盒7內安裝下盒試樣14，下剪切盒7連接下盒擴展板13，下剪切盒7連接軌道車8，軌道車8可沿水平滑軌17移動到載樣臺5之上，水平滑軌17與加載框架2連接，第一千斤頂15連接第一支撐底座16，第二千斤頂19連接第二支撐底座18，下剪切盒7連接傳力桿20和水平位移計23，連接端頭21與水平加載軸22對準，水平加載軸22連接第二伺服電機4 ;上盒冷凍液入口 31、上盒冷凍液出口 32、下盒冷凍液入口 33、下盒冷凍液出口 34分別和制冷機連接，用于提供上盒試樣11和下盒試樣14冷凍，上剪切盒6和下剪切盒7內均設有冷凍液管路35，用于冷凍液在上剪切盒6和下剪切盒7內部流通，冷凍液采用酒精；下剪切盒7內部預埋測溫環36，用于量測下盒試樣14的溫度。上剪切盒6尺寸為長500mm寬500mm，連接第一側限柱24 —側的上剪切盒6的盒壁高為445mm，連接第二側限柱27 —側的上剪切盒6的盒壁高為155mm，下剪切盒7尺寸為長500mm寬500mm，連接下盒擴展板13 —側的下剪切盒7的盒壁高為155mm，連接傳力桿20 —側的下剪切盒7的盒壁高為445mm，滾珠軸排12傾角為30°，上剪切盒6和下剪切盒7均采用質量輕強度高的合金材料，且進行陽極電鍍防腐處理，上剪切盒6和下剪切盒7的內壁四個角為圓形設計，圓角半徑為30mm?60mm，上剪切盒6可以沿下盒擴展板13滑動，第一側限柱24可以沿第一垂直滑軌10垂直滑動，第三側限柱29可以沿第二垂直滑軌30垂直滑動，第一伺服電機3和第二伺服電機4通過反力架I施加力，反力架I和加載框架2以及加壓板26均采用高強度不銹鋼材料，加壓板26與上剪切盒6間的縫隙間隔為2mm?4mm，滾珠軸排12、下盒擴展板13和水平滑軌17均為高強度不銹鋼材料，且表面均涂有特富龍材料。第一伺服電機3和第二伺服電機4均可以進行快進快退操作，也可以進行勻速應變加載和應力加載，應變剪切速率為0.02?5.00mm/min，最大出力可達1000kN，出力測量精度可達0.5% FS,應力剪切速率為100?600kN/min。垂直位移計9的最大量程為150mm，測量精度可達1mm，水平位移計23的最大量程為170mm，測量精度可達1mm。
[0005]量測低溫條件下粗粒土抗剪強度的試驗方法如下:
[0006](I)按照一定含水量、含石量與密度要求，稱取相應質量的土體、碎石和水，將土體、碎石、水三者混合均勻，成為混合料，分成均勻的三份備用；
[0007](2)將軌道車8移至載樣臺5上，將上剪切盒6經由滾珠軸排12對齊下剪切盒7，將第一份混合料裝入下剪切盒7中，將加壓板26置于混合料上，將軌道車8移至垂直加載軸25正下方，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2接觸，使軌道車8懸空，開動第一伺服電機3，使垂直加載軸25接觸加壓板26頂帽，按要求施加垂直壓力F，待垂直位移計9顯示達到要求的密度時對應的位移值，停止加載；
[0008](3)開動第一伺服電機3，卸載使垂直加載軸25離開加壓板26頂帽，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2脫離，使軌道車8與水平滑軌17接觸，將軌道車8移至載樣臺5上，取出加壓板26，將混合料拉毛，裝入第二份混合料，將加壓板26置于混合料上，將軌道車8移至垂直加載軸25正下方，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2接觸，使軌道車8懸空，開動第一伺服電機3，使垂直加載軸25接觸加壓板26頂帽，按要求施加垂直壓力F，待垂直位移計9顯示達到要求的密度時對應的位移值，停止加載；
[0009](4)開動第一伺服電機3，卸載使垂直加載軸25離開加壓板26頂帽，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2脫離，使軌道車8與水平滑軌17接觸，將軌道車8移至載樣臺5上，取出加壓板26，將混合料拉毛，裝入第三份混合料，將加壓板26置于混合料上，將軌道車8移至垂直加載軸25正下方，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2接觸，使軌道車8懸空，開動第一伺服電機3，使垂直加載軸25接觸加壓板26頂帽，按要求施加垂直壓力F，待垂直位移計9顯示達到要求的密度時對應的位移值，保持垂直壓力F不變；
[0010](5)將第一側限柱24和第二側限柱27分別與上剪切盒6連接，將第二側限柱27通過伸縮臂28與第三側限柱29連接，使上剪切盒6固定，啟動第二伺服電機4，使水平加載軸22與連接端頭21相連；打開制冷機，通過上盒冷凍液入口 31和下盒冷凍液入口 33分別為上盒試樣11和下盒試樣14提供低溫冷凍，待測溫環36指示溫度達到要求的試驗溫度時，按要求的等應變速率通過傳力桿20施加拉力T，使下剪切盒7向第二伺服電機4方向移動，同時采用水平位移計23測量水平位移S，保持上剪切盒6水平方向固定，上剪切盒6通過第一垂直滑軌10和第二垂直滑軌30向下滑動，使垂直加載軸25輸出壓力按照F'=F-Ttg30°變化，并采用垂直位移計9測量加壓板26的垂直位移S'，滾珠軸排12沿下盒擴展板13滑動，以避免上剪切盒6內部的上盒試樣11漏出；
[0011](6)待水平位移S增大到75mm時停止試驗，獲得上盒試樣11與下盒試樣14接觸面處正壓力f = P cos30° +Tsin30°，取f的最大值fmaxl，獲得接觸面處剪切力Iw =Tcos30° -F' sin30°，取 T'的最大值 T' maxl；
[0012](7)關閉制冷機，通過垂直加載軸25使第一伺服電機3卸載，第二伺服電機4通過水平加載軸22施加推力推動下剪切盒7移動，使得上剪切盒6與下剪切盒7重合，卸除上剪切盒6與第一側限柱24及第二側限柱27的連接，啟動第一千斤頂15和第二千斤頂19，將第一支撐底座16和第二支撐底座18分別與加載框架2脫離，使軌道車8與水平滑軌17接觸，將軌道車8通過水平滑軌17移動至載樣臺5上，卸除全部混合料；
[0013](8)改變垂直壓力F的值，重復步驟⑵-(7)，獲得fmax# T' max2;
[0014](9)再次改變垂直壓力F的值，重復步驟(2)-(7)，獲得fmax3與T' max3;
[0015](10)將 fmax^ Tr maxl、fmax# Iw max2、fmax3與 Iw max3通過上盒試樣 11 與下盒試樣14的接觸面積換算成應力，繪制摩爾庫倫線，獲取低溫條件下粗粒土混合料抗剪強度指標。
[0016]本發明優點:
[0017]該裝置制造簡單，測量精度高，滿足不同垂直應力加載條件下和低溫控制條件下的固結與斜剪試驗要求，可以進行應變控制式或應力控制式加載，可以量測大尺度粗粒土(包括碎石土、土石混合體及土體)在不同低溫條件下的結構性強度及粗粒土與土工織物間的摩擦強度。
[0018]本發明適用范圍:
[0019]適用于土木工程中遇到的各種堆積體、粗粒土、碎石土、土石混合體、粘性土等多種巖土體室內低溫控制條件下的固結特性、強度特性試驗。
【附圖說明】
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[0020]圖1是一種大型土工抗剪強度試驗裝置結構示意圖。其中有:反力架1，加載框架2，第一伺服電機3，第二伺服電機4，上剪切盒6，下剪切盒7，軌道車8，垂直位移計9，第一垂直滑軌10，上盒試樣11，滾珠軸排12，下盒擴展板13，下盒試樣14，第一千斤頂15，第一支撐底座16，水平滑軌17，第二支撐底座18，第二千斤頂19，傳力桿20，連接端頭21，水平加載軸22，水平位移計23，第一側限柱24，垂直加載軸25，加壓板26，第二側限柱27，伸縮臂28，第三側限柱