一种低温条件下粗粒土抗剪强度测试方法

摘要

一种低温条件下粗粒土抗剪强度测试方法，其特征是采用一种试验装置进行抗剪强度测试，该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，滚珠轴排(12)，水平滑轨(17)，水平加载轴(22)，垂直加载轴(25)，上盒冷冻液入口(31)，上盒冷冻液出口(32)，下盒冷冻液入口(33)，下盒冷冻液出口(34)，冷冻液管路(35)等。该装置制造简单，测量精度高，满足不同温度控制下的固结与斜剪试验要求，可用于土木工程或地质工程中遇到的粗粒土、碎石土、土石混合体、粘性土等各种岩土体在低温条件下的抗剪剪切强度参数获取。

主权项

一种低温条件下粗粒土抗剪强度测试方法，其特征是采用一种测试装置进行低温条件下粗粒土的抗剪强度测试，该装置包括反力架(1)，加载框架(2)，第一伺服电机(3)，第二伺服电机(4)，载样台(5)，上剪切盒(6)，下剪切盒(7)，轨道车(8)，垂直位移计(9)，第一垂直滑轨(10)，上盒试样(11)，滚珠轴排(12)，下盒扩展板(13)，下盒试样(14)，第一千斤顶(15)，第一支撑底座(16)，水平滑轨(17)，第二支撑底座(18)，第二千斤顶(19)，传力杆(20)，连接端头(21)，水平加载轴(22)，水平位移计(23)，第一侧限柱(24)，垂直加载轴(25)，加压板(26)，第二侧限柱(27)，伸缩臂(28)，第三侧限柱(29)，第二垂直滑轨(30)，上盒冷冻液入口(31)，上盒冷冻液出口(32)，下盒冷冻液入口(33)，下盒冷冻液出口(34)，冷冻液管路(35)，测温环(36)；第一伺服电机(3)连接垂直加载轴(25)，垂直加载轴(25)提供垂直压力，位于加压板(26)上面，加压板(26)连接垂直位移计(9)，加压板(26)位于上盒试样(11)的顶面，上剪切盒(6)由第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)固定，第一侧限柱(24)连接第一垂直滑轨(10)，第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)相连，第三侧限柱(29)连接第二垂直滑轨(30)，上剪切盒(6)通过滚珠轴排(12)对准下剪切盒(7)，上剪切盒(6)内安装上盒试样(11)，下剪切盒(7)内安装下盒试样(14)，下剪切盒(7)连接下盒扩展板(13)，下剪切盒(7)连接轨道车(8)，轨道车(8)可沿水平滑轨(17)移动到载样台(5)之上，水平滑轨(17)与加载框架(2)连接，第一千斤顶(15)连接第一支撑底座(16)，第二千斤顶(19)连接第二支撑底座(18)，下剪切盒(7)连接传力杆(20)和水平位移计(23)，连接端头(21)与水平加载轴(22)对准，水平加载轴(22)连接第二伺服电机(4)；上盒冷冻液入口(31)、上盒冷冻液出口(32)、下盒冷冻液入口(33)、下盒冷冻液出口(34)分别和制冷机连接，用于提供上盒试样(11)和下盒试样(14)冷冻，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)内均设有冷冻液管路(35)，用于冷冻液在上剪切盒(6)和下剪切盒(7)内部流通，冷冻液采用酒精；下剪切盒(7)内部预埋测温环(36)，用于量测下盒试样(14)的温度；上剪切盒(6)尺寸为长500mm宽500mm，连接第一侧限柱(24)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为445mm，连接第二侧限柱(27)一侧的上剪切盒(6)的盒壁高为155mm，下剪切盒(7)尺寸为长500mm宽500mm，连接下盒扩展板(13)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为155mm，连接传力杆(20)一侧的下剪切盒(7)的盒壁高为445mm，滚珠轴排(12)倾角为30°，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)均采用质量轻强度高的合金材料，且进行阳极电镀防腐处理，上剪切盒(6)和下剪切盒(7)的内壁四个角为圆形设计，圆角半径为30mm～60mm，上剪切盒(6)可以沿下盒扩展板(13)滑动，第一侧限柱(24)可以沿第一垂直滑轨(10)垂直滑动，第三侧限柱(29)可以沿第二垂直滑轨(30)垂直滑动，第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)通过反力架(1)施加力，反力架(1)和加载框架(2)以及加压板(26)均采用高强度不锈钢材料，加压板(26)与上剪切盒(6)间的缝隙间隔为2mm～4mm，滚珠轴排(12)、下盒扩展板(13)和水平滑轨(17)均为高强度不锈钢材料，且表面均涂有特富龙材料；第一伺服电机(3)和第二伺服电机(4)均可以进行快进快退操作，也可以进行匀速应变加载和应力加载，应变剪切速率为0.02～5.00mm/min，最大出力可达1000kN，出力测量精度可达0.5％FS，应力剪切速率为100～600kN/min；垂直位移计(9)的最大量程为150mm，测量精度可达1mm，水平位移计(23)的最大量程为170mm，测量精度可达1mm。量测低温条件下粗粒土抗剪强度的测试方法如下：①按照一定含水量、含石量与密度要求，称取相应质量的土体、碎石和水，将土体、碎石、水三者混合均匀，成为混合料，分成均匀的三份备用；②将轨道车(8)移至载样台(5)上，将上剪切盒(6)经由滚珠轴排(12)对齐下剪切盒(7)，将第一份混合料装入下剪切盒(7)中，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；③开动第一伺服电机(3)，卸载使垂直加载轴(25)离开加压板(26)顶帽，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)移至载样台(5)上，取出加压板(26)，将混合料拉毛，装入第二份混合料，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，停止加载；④开动第一伺服电机(3)，卸载使垂直加载轴(25)离开加压板(26)顶帽，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)移至载样台(5)上，取出加压板(26)，将混合料拉毛，装入第三份混合料，将加压板(26)置于混合料上，将轨道车(8)移至垂直加载轴(25)正下方，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)接触，使轨道车(8)悬空，开动第一伺服电机(3)，使垂直加载轴(25)接触加压板(26)顶帽，按要求施加垂直压力F，待垂直位移计(9)显示达到要求的密度时对应的位移值，保持垂直压力F不变；⑤将第一侧限柱(24)和第二侧限柱(27)分别与上剪切盒(6)连接，将第二侧限柱(27)通过伸缩臂(28)与第三侧限柱(29)连接，使上剪切盒(6)固定，启动第二伺服电机(4)，使水平加载轴(22)与连接端头(21)相连；打开制冷机，通过上盒冷冻液入口(31)和下盒冷冻液入口(33)分别为上盒试样(11)和下盒试样(14)提供低温冷冻，待测温环(36)指示温度达到要求的试验温度时，按要求的等应变速率通过传力杆(20)施加拉力T，使下剪切盒(7)向第二伺服电机(4)方向移动，同时采用水平位移计(23)测量水平位移S，保持上剪切盒(6)水平方向固定，上剪切盒(6)通过第一垂直滑轨(10)和第二垂直滑轨(30)向下滑动，使垂直加载轴(25)输出压力按照F′＝F‑Ttg30°变化，并采用垂直位移计(9)测量加压板(26)的垂直位移S′，滚珠轴排(12)沿下盒扩展板(13)滑动，以避免上剪切盒(6)内部的上盒试样(11)漏出；⑥待水平位移S增大到75mm时停止试验，获得上盒试样(11)与下盒试样(14)接触面处正压力f＝F′cos30°+Tsin30°，取f的最大值f_max1，获得接触面处剪切力T′＝Tcos30°‑F′sin30°，取T′的最大值T′_max1；⑦关闭制冷机，通过垂直加载轴(25)使第一伺服电机(3)卸载，第二伺服电机(4)通过水平加载轴(22)施加推力推动下剪切盒(7)移动，使得上剪切盒(6)与下剪切盒(7)重合，卸除上剪切盒(6)与第一侧限柱(24)及第二侧限柱(27)的连接，启动第一千斤顶(15)和第二千斤顶(19)，将第一支撑底座(16)和第二支撑底座(18)分别与加载框架(2)脱离，使轨道车(8)与水平滑轨(17)接触，将轨道车(8)通过水平滑轨(17)移动至载样台(5)上，卸除全部混合料；⑧改变垂直压力F的值，重复步骤②‑⑦，获得f_max2与T′_max2；⑨再次改变垂直压力F的值，重复步骤②‑⑦，获得f_max3与T′_max3；⑩将f_max1与T′_max1、f_max2与T′_max2、f_max3与T′_max3通过上盒试样(11)与下盒试样(14)的接触面积换算成应力，绘制摩尔库伦线，获得低温条件下粗粒土混合料抗剪强度指标。