專利名稱：巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖土工程力學中現(xiàn)場測定巖土體抗剪強度的一種試驗方法，特別涉及一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法及其裝置。
背景技術：
巖土體的抗剪強度是巖土工程力學中最重要的力學參數(shù)之一，是天然土石混合體、人工填筑的河堤、土石壩以及路基等土石方工程穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。目前，廣泛應用的巖土體的抗剪強度的現(xiàn)場測定方法主要有直接剪切試驗和三軸剪切試驗，本發(fā)明所涉及的巖土體現(xiàn)場水平推剪試驗屬直接剪切試驗，現(xiàn)有巖土體現(xiàn)場水平推剪試驗方法，如中國建筑工業(yè)出版社1994年版的《巖土工程手冊》一書中所述，該試驗方法在試坑預定深度處將試體加工成三面垂直臨空的半島狀，如

圖1、圖2所示，該試驗方法所用的主要設備有裝有壓力表或測力計并經(jīng)標定的臥式千斤頂，該千斤頂在試坑內(nèi)以后枕木為依托通過前枕木對試體施加壓力，所述千斤頂和前枕木、后枕木之間還設置有鋼板，鋼板的厚度以加力后不變形為限；試體的尺寸的要求為高度大于最大粒徑的5倍，高度和寬度之比為1/3～1/4，長度為寬度的0.8～1.0倍，并在試體兩側各挖約20cm寬的空隙19，槽中放置塑料布，其上用挖出的土回填并稍加夯實；然后，將千斤頂?shù)闹c對準矩形試體面的1/3高度及1/2寬度處，以每15～20分鐘內(nèi)水平位移約4mm的緩慢速度施加水平推力，當壓力表讀數(shù)開始下降時試體被剪壞，此時的壓力值即為最大推力Pmax；最后，測定最小推力值Pmin，即土的摩擦力，其測定方法有三(1)千斤頂加壓到Pmax值后即停止加壓，壓力表讀數(shù)后退所保持的穩(wěn)定值即為最小推力值Pmin；(2)以試體剛開始出現(xiàn)裂縫時的壓力表讀數(shù)為最小推力值Pmin；(3)當千斤頂加壓到Pmax后，松開油閥，然后關上油閥重新加壓，以其峰值作為最小推力值Pmin。根據(jù)下列公式即可計算出所測巖土體的抗剪強度的相關參數(shù)
式中Pmax為最大推力(KN)，Pmin為最小推力(KN)，gi為第i條塊土重(KN)，G為滑體的總重(KN)，αi為第i條塊滑面與水平面夾角(°)，1i為第i條塊滑弧長度(m)。由此確定出滑弧位置，量測滑弧上各點的距離和高度，繪制滑弧剖面圖，當滑弧位置難以確定時，可將剪壞后的試體反復加壓、減壓，以使剪壞與未剪壞的土體界線明顯。
從現(xiàn)有的巖土體現(xiàn)場水平推剪試驗方法很容易看出其不足之處，就是試驗中試體兩側的槽中放置的是塑料布包裹的稍加夯實后回填的土，這就使得加在試體兩側側面上的力具有很大的隨意性，從而導致試驗結果不穩(wěn)定，試驗數(shù)據(jù)有較大的分散性；同時，由于試體兩側回填土的存在，還使得試體兩側不但受到正應力，而且還受到剪應力，導致試體的受力具有三維效應，這樣，在試驗過程中試體兩側回填土的擠壓變形使得作用在試體兩側面上的力發(fā)生變化，增加了對試體的受力分析和試驗結果處理的復雜性。通常在試驗結果分析中，一般不考慮試體兩側的受力情況進而把問題簡化為平面問題，因此，現(xiàn)有的試驗方法得到的試驗結果以及分析處理結果很難反映實際，并有較大的分散性，在實際應用上存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的巖土體現(xiàn)場水平推剪試驗方法中試體兩側面上所受的正應力無法確定的不足，試體兩側面受有回填土體的摩擦阻力而導致試驗結果分析時只能近似地按平面問題處理的缺陷，以及該試驗方法在使用范圍上的局限性，從而提供一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法及其裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的為實現(xiàn)上述目的，如圖3所示，本發(fā)明一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法包括以下步驟(1)在試坑預定深度處將試體加工成三面垂直臨空的半島狀，所述試體的高度為最大粒徑的5～6倍，且試體的高度和寬度之比為1/3～1/4，試體的長度為寬度的0.8～1.0倍；
(2)在試體兩側各挖一與試體深度相同、寬度為20～30cm的空隙，其中分別填充一個密封的金屬箱體，該金屬箱體接觸試體的一面為乳膠膜，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體的內(nèi)部空間充裝液體或/和氣體，并通過一連通軟管連通；所述金屬箱體與低壓軟管的一端連通，該低壓軟管的另一端與氣壓表、降壓閥和高壓氣瓶相連；(3)利用氣瓶通過低壓軟管和氣壓表對金屬箱體的內(nèi)部空間加壓，當施加在試體兩側的壓力達到試驗要求值時，關閉氣瓶；(4)在試坑內(nèi)設置一裝有壓力表并經(jīng)標定的千斤頂，該千斤頂以后枕木為依托通過前枕木對試體施加壓力，所述千斤頂?shù)闹c對準矩形試體頂端的1/3高度及1/2寬度處，以每15～20分鐘內(nèi)水平位移4mm的速度施加水平推力推動試體移動；同時，調(diào)節(jié)降壓閥以保證金屬箱體對試體的壓力不變；(5)記錄壓力表讀數(shù)開始下降時的壓力值，即試體被剪壞時的最大推力Pmax；同時，在千斤頂加壓到Pmax值后即停止加壓，測定壓力表后退所保持的穩(wěn)定值的讀數(shù)即最小推力值Pmin；最后，根據(jù)最大推力Pmax和最小推力Pmin通過計算公式確定出所測的巖土體抗剪強度的相關參數(shù)。
所述步驟(5)測定出最大推力值Pmax的方法為以試體剛開始出現(xiàn)裂縫時的壓力表讀數(shù)為最大推力值Pmax。
所述步驟(5)測定出最小推力值Pmin的方法為當千斤頂加壓到Pmax后，松開油閥，然后關上油閥重新加壓，以其峰值作為最小推力值Pmin。
本發(fā)明的一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，包括一放置在試體的頂端的前枕木和一固定在試坑內(nèi)側壁上的后枕木，前枕木和后枕木之間放置一安裝有壓力表的千斤頂，其特征在于，試體兩側的空隙中分別填充一個密封的金屬箱體，該金屬箱體接觸試體的一面為乳膠膜，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體的內(nèi)部空間充裝液體或/和氣體，并通過一連通軟管連通；所述金屬箱體與低壓軟管的一端連通，該低壓軟管的另一端與氣壓表、降壓閥和高壓氣瓶相連。
所述的金屬箱體由五個側面均為金屬板的金屬框架中放置一密封有液體或氣體的乳膠膜制成的加載膠囊組成。
所述的金屬箱體由內(nèi)金屬框架和外金屬框架組成，內(nèi)外金屬框架之間的上下側各放置兩排鋼珠。
所述千斤頂為臥式千斤頂。
所述千斤頂和前枕木、后枕木之間還設置有鋼板。
所述的乳膠膜的外壁與試體的側壁之間涂抹一層黃油。
本發(fā)明所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置，利用高壓氣瓶通過乳膠膜對試體的側面施加壓力，壓力值的大小是通過與其相連的壓力表顯示的，由于試驗過程中試體兩側的膨脹變形會導致金屬箱體內(nèi)的壓力增加，因此需要用減壓閥對其進行調(diào)節(jié)，以使試體上的側壓保持恒定；另外低壓軟管還把試體兩側的金屬箱體連接起來，以使它們相互連通，保證兩側壓力相等。所述的內(nèi)外金屬框架之間在試驗過程中根據(jù)試體兩側發(fā)生的變形可以作相對運動，從而保證對試體兩側可以施加恒定的壓力。所述的乳膠膜的外壁涂抹一層黃油，進一步保證乳膠膜的外壁與試體側壁之間只有正應力，沒有剪應力，使三維問題真正變?yōu)槠矫鎲栴}。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法及其裝置，采用了兩個加載膠囊對試體兩側施加壓力，并通過壓力表和降壓閥控制其壓力的大小，從而保證了所施加的側向壓力的大小是可控制的，同時，由于加載膠囊的柔性加載，還保證了在試驗過程中施加在側壁上的每一點的壓力都是相等的，并且，由于加載膠囊的可變形特性，使得加載膠囊可以和試體的側壁一起變形，在加載膠囊和試體之間的摩擦力極大地減小，這樣在試驗過程中由于試體受力變形而引起的乳膠套與試體間的摩擦可以忽略不計，從而可以真正簡化為平面問題。因此，本發(fā)明方法及其裝置，可以實現(xiàn)控制施加到試體側壁上的力的大小，保證試體兩側面所受的正應力在每一點上大小相等，且消除了試體兩側面上所受的剪應力，簡化了試驗結果的分析，克服了現(xiàn)有的巖土體現(xiàn)場水平推剪試驗方法中存在的缺點，使得試驗結果更加真實、穩(wěn)定。
本發(fā)明的目的、特征及優(yōu)點將通過優(yōu)選的實施例結合附圖加以說明。
圖面說明圖1、現(xiàn)有原位水平推剪法試驗主視2、現(xiàn)有原位水平推剪試驗的俯視3、本發(fā)明巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置的一實施例的俯視4、本發(fā)明巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置的另一實施例的俯視圖附圖標示前枕木1 后枕木2 鋼板3千斤頂4 壓力表5 試體6金屬框7 乳膠膜8 破壞滑面9氣壓表10氣瓶11降壓閥12低壓軟管13 連通軟管14外金屬框架15內(nèi)金屬框架16加載膠囊17試坑18空隙19具體實施方式
參照附圖，將詳細敘述本發(fā)明的具體實施方案。
實施例1制作一巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置，如圖3所示，前枕木1放置在試體6的頂端，后枕木2固定在試坑18內(nèi)側壁上，千斤頂4位于前枕木1和后枕木2之間；千斤頂和前枕木1、后枕木2之間還設置有鋼板3；試體6兩側的空隙19中還分別填充一個密封的金屬箱體7，該金屬箱體7接觸試體6的一面為乳膠膜8，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體7的內(nèi)部空間充裝液體，并通過一連通軟管14連通；所述金屬箱體7與低壓軟管13的一端連通，該低壓軟管13的另一端與氣壓表10、降壓閥12和高壓氣瓶11相連。本例中，千斤頂4為帶有壓力表5的臥式千斤頂，枕木尺寸為8cm×32cm，厚約5cm，千斤頂4的底座處的尺寸可稍大一些，鋼板尺寸與枕木相同；所述的乳膠膜8的外壁與試體6側壁之間涂抹一層黃油，涂抹一層黃油，進一步保證乳膠膜8的外壁與試體6側壁之間只有正應力，沒有剪應力，使三維問題真正變?yōu)槠矫鎲栴}。
實施例2制作另一巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置，如圖3、圖4所示，后枕木2固定在試坑18內(nèi)側壁上，前枕木1放置在試體6的頂端，千斤頂4位于前枕木1和后枕木2之間，試體6兩側的空隙19中還分別填充一個金屬箱體7，本例中的金屬箱體7由五個側面均為金屬板的金屬框架中放置一密封有液體或氣體的乳膠膜制成的加載膠囊17組成，加載膠囊17與試體6直接接觸，所述兩個加載膠囊17的內(nèi)部空間充裝氣體，并通過一連通軟管14連通；所述加載膠囊17與低壓軟管13的一端連通，該低壓軟管13的另一端與氣壓表10、降壓閥12和高壓氣瓶11相連，其它同實施例1；所述的加載膠囊17的外壁與試體6側壁之間涂抹一層黃油。
實施例3制作另一巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置，如圖4所示，本例中，填充在試體6兩側的空隙19中的金屬箱體7由一金屬框架中放置一密封有液體的乳膠膜制成的加載膠囊17組成，加載膠囊17與試體6直接接觸，所述的金屬框架由內(nèi)金屬框架16和外金屬框架15組成，內(nèi)外金屬框架之間的上下側各放置兩排鋼珠，金屬內(nèi)框16可以和加載膠囊17一起自由移動。其它同實施例2。
實施例4利用上述實施例3制作的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試裝置進行現(xiàn)場測試，具體步驟如下(1)在試坑18預定深度處將試體6加工成三面垂直臨空的半島狀，所述試體6的高度為最大粒徑的5倍～6倍，且試體6的高度和寬度之比為1/3～1/4，試體6的長度為寬度的0.8～1.0倍；(2)在試體6兩側各挖一與試體6深度相同、寬度為20～30cm的空隙19，空隙19中分別填充一個金屬箱體7；(3)調(diào)節(jié)閥門通過加載膠囊17對試體6兩側施加壓力，先用氣瓶11通過低壓軟管13和氣壓表10對加載膠囊17加壓，由于加載膠囊17通過金屬內(nèi)框16上的大窗口與試體6兩側表面直接接觸，這樣，施加到加載膠囊17內(nèi)的壓力就等于作用在試體6兩側的壓力，其值大小由氣壓表10來顯示，所施加壓力的大小由試驗要求而定。當施加在試體6兩側的壓力達到試驗要求值時，關閉氣瓶11。
(4)在試坑18內(nèi)設置一裝有壓力表5并經(jīng)標定的千斤頂4，該千斤頂4以后枕木2為依托通過前枕木1對試體6施加壓力，將千斤頂4的著力點對準矩形試體6頂端面的1/3高度及1/2寬度處，以每15～20分鐘內(nèi)水平位移4mm的速度施加水平推力推動試體6移動；在試驗的過程中，由于千斤頂4推動試體6向前運動，試體6的兩側面就會向外膨脹，這樣就會推動加載膠囊17和金屬內(nèi)框16向外移動，從而使得加載膠囊17縮小，壓力增大，這時就需要通過降壓閥12降壓，以保持作用在試體6兩側的壓力維持不變。
(5)記錄壓力表5讀數(shù)開始下降時的壓力值，即試體被剪壞時的最大推力Pmax，當推力達到最大推力Pmax時，破壞滑面9即形成；同時，在千斤頂加壓到Pmax值后即停止加壓，測定壓力表5后退所保持的穩(wěn)定值的讀數(shù)即最小推力值Pmin；最后，根據(jù)最大推力Pmax和最小推力Pmin通過計算公式確定出所測的巖土體抗剪強度的相關參數(shù)。
比較本發(fā)明和現(xiàn)有試驗方法可以看出，改進后的原位水平推剪試驗方法與現(xiàn)有的原位水平推剪試驗方法相比，最本質的區(qū)別就是試體兩側面上側向壓力施加方式的不同。在現(xiàn)有的試驗方法中，側向力的施加是通過在試體兩側的槽中放置塑料布，其上用挖出的土回填并稍加夯實來實現(xiàn)的。這樣做的結果就使得施加在試體兩側側面上的力是不確定的，從而導致試驗結果不穩(wěn)定，有較大的分散性。另外，由于試體兩側回填土的存在，使得試體兩側不但受到正應力，而且還受到剪應力，從而使試體的受力具有三維效應，而且由于在試驗過程中試體兩側回填土受到擠壓變形，使得作用在試體兩側面上的力是變化的，這就造成了對試體的受力分析和處理試驗結果更加復雜。
而在本發(fā)明的改進后的試驗方法中，由于側向力的加載采用了柔性邊界加載，不僅金屬內(nèi)框可以和加載膠囊一起自由移動，而且還有側向力測量系統(tǒng)，這就保證了所施加的側向壓力的大小是可控制的，可以維持在整個試驗過程中始終保持試體兩側所施加的側向力不變；并且由于加載膠囊的柔性加載，還保證了在試驗過程中施加在側壁上的每一點的壓力都是相等的；另外，由于加載膠囊可變形的特性，使得加載膠囊可以和試體的側壁一起變形，從而不產(chǎn)生摩擦力，保證了加載膠囊的外壁與試體側壁之間只有正應力，沒有剪應力，簡化了試驗結果的分析，使得試驗結果更加穩(wěn)定。
權利要求
1.一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法，該方法包括以下步驟(1)在試坑(18)預定深度處將試體(6)加工成三面垂直臨空的半島狀，所述試體(6)的高度為試體(6)的粒徑的5～6倍，且試體(6)的高度和寬度之比為1/3～1/4，試體(6)的長度為寬度的0.8～1.0倍；(2)在試體(6)兩側各挖一與試體(6)深度相同、寬度為20～30cm的空隙(19)中分別填充一個密封的金屬箱體(7)，該金屬箱體(7)接觸試體(6)的一面為乳膠膜(8)，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體(7)的內(nèi)部空間充裝液體或/和氣體，并通過一連通軟管(14)連通；所述金屬箱體(7)與低壓軟管(13)的一端連通，該低壓軟管(13)的另一端與氣壓表(10)、降壓閥(12)和高壓氣瓶(11)相連；(3)利用氣瓶(11)通過低壓軟管(13)和氣壓表(10)對金屬箱體(7)的內(nèi)部空間加壓，當施加在試體(6)兩側的壓力達到試驗要求值時，關閉氣瓶(11)；(4)在試坑(18)內(nèi)設置一裝有壓力表并經(jīng)標定的千斤頂(4)，該千斤頂(4)以后枕木(2)為依托通過前枕木(1)對試體(6)施加壓力，所述千斤頂(4)的著力點對準矩形試體(6)頂端的1/3高度及1/2寬度處，以每15～20分鐘內(nèi)水平位移4mm的速度施加水平推力推動試體(6)移動；同時，調(diào)節(jié)降壓閥(12)保證金屬箱體(7)對試體(6)的壓力不變；(5)記錄壓力表(5)讀數(shù)開始下降時的壓力值，即試體(6)被剪壞時的最大推力Pmax；同時，在千斤頂(4)加壓到Pmax值后即停止加壓，測定壓力表后退所保持的穩(wěn)定值的讀數(shù)即最小推力值Pmin；最后，根據(jù)最大推力Pmax和最小推力Pmin通過計算公式確定出所測的巖土體抗剪強度的相關參數(shù)。
2.按權利要求1所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法，其特征在于，所述步驟(5)測定出最大推力值Pmax的方法為以試體(6)剛開始出現(xiàn)裂縫時的壓力表讀數(shù)為最大推力值Pmax。
3.按權利要求1所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法，其特征在于，所述步驟(5)測定出最小推力值Pmin的方法為當千斤頂(4)加壓到Pmax后，松開油閥，然后關上油閥重新加壓，以其峰值作為最小推力值Pmin。
4.一種按權利要求1所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，包括一放置在試體(6)的頂端的前枕木(1)和一固定在試坑(18)內(nèi)側壁上的后枕木(2)，前枕木(1)和后枕木(2)之間放置一安裝有壓力表的千斤頂(4)，其特征在于，試體(6)兩側的空隙(19)中分別填充一個密封的金屬箱體(7)，該金屬箱體(7)接觸試體(6)的一面為乳膠膜(8)，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體(7)的內(nèi)部空間充裝液體或/和氣體，并通過一連通軟管(14)連通；所述金屬箱體(7)與低壓軟管(13)的一端連通，該低壓軟管(13)的另一端與氣壓表(10)、降壓閥(12)和高壓氣瓶(11)相連。
5.按權利要求4所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，其特征在于，所述的金屬箱體(7)由五個側面均為金屬板的金屬框架中放置一密封有液體或氣體的乳膠膜制成的加載膠囊(17)組成。
6.按權利要求4或5所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，其特征在于，所述的金屬箱體(7)由內(nèi)金屬框架(16)和外金屬框架(15)組成，內(nèi)外金屬框架之間的上下側各放置兩排鋼珠。
7.按權利要求4所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，其特征在于，所述千斤頂(4)為臥式千斤頂。
8.按權利要求4所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，其特征在于，所述千斤頂(4)和前枕木(1)、后枕木(2)之間還設置有鋼板(3)。
9.按權利要求4所述的巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法的專用裝置，其特征在于，所述的乳膠膜(8)的外壁與試體(6)的側壁之間涂抹一層黃油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種巖土體抗剪強度的現(xiàn)場測試方法及其裝置，該裝置包括一放置在試體頂端的前枕木和一固定在試坑內(nèi)側壁上的后枕木，前、后枕木之間放置一安裝有壓力表的千斤頂，試體兩側的空隙中分別填充一個密封的金屬箱體，該金屬箱體接觸試體的一面為乳膠膜，其它五個側面均為金屬板；所述兩個金屬箱體的內(nèi)部空間充裝液體或/和氣體，并通過一連通軟管連通；所述金屬箱體與低壓軟管的一端連通，該低壓軟管的另一端與氣壓表、降壓閥和高壓氣瓶相連；本發(fā)明保證了所施加的側向壓力的可控性，使得每次的試驗結果之間具有更好的可比性，將三維問題轉化為真正的平面問題，從而簡化試驗結果的分析。
文檔編號G01N3/08GK1609586SQ200310102210
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權日2003年10月24日
發(fā)明者李世海, 孟祥躍, 張均鋒 申請人:中國科學院力學研究所