一種土體圓柱試樣的扭剪強(qiáng)度與形變觀測(cè)試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土體圓柱試樣的扭剪強(qiáng)度與形變觀測(cè)試驗(yàn)裝置，用于土工室內(nèi)土體扭剪強(qiáng)度的測(cè)定與觀測(cè)細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變形的試驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]土是地質(zhì)作用演變過(guò)程的產(chǎn)物，是多相分散系，具有類型的多樣性、性質(zhì)的復(fù)雜性和變化性等特點(diǎn)。同一類土，不同類型的儀器可測(cè)出不同的結(jié)果，同類儀器，試驗(yàn)方法和技巧不同也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。在土工試驗(yàn)中由于力學(xué)參數(shù)的測(cè)試差誤，往往比計(jì)算方法不同引起的差誤更大，這就是人們之所以堅(jiān)持不懈，從事土工儀器設(shè)備的研制，試驗(yàn)方法的探索和改進(jìn)的原因。
[0003]研宄表明，土的破壞形式主要是剪切破壞，即土的強(qiáng)度不足以抵抗某一面上的剪應(yīng)力作用而造成，抗剪強(qiáng)度一直是巖土力學(xué)中最重要的研宄課題之一。扭轉(zhuǎn)是材料變形的基本形式之一，通過(guò)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以研宄材料在純剪應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，并為工程設(shè)計(jì)提供必要的力學(xué)參數(shù)。迄今為止，對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的研宄多集中在土體的直剪和三軸剪切特性上，而對(duì)土體的扭剪特性卻很少研宄。
[0004]土體在長(zhǎng)期定量荷載作用下，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是決定其變形量大小的主要因素，而土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受細(xì)微觀結(jié)構(gòu)所制約，土體宏觀變形破壞是細(xì)微觀變形累積擴(kuò)展的結(jié)果。土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的變形性能對(duì)其工程力學(xué)性質(zhì)起著非常重要的作用，因此，對(duì)土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的研宄是探討其變形與強(qiáng)度時(shí)效本質(zhì)的基礎(chǔ)。土體細(xì)微觀層次上主要研宄土體顆粒的排列方式，土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)是對(duì)載荷及環(huán)境因素的響應(yīng)、演化和實(shí)效機(jī)制，以及土體細(xì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系的研宄。
[0005]隨著人類社會(huì)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)能源需求的不斷擴(kuò)大，人類的活動(dòng)區(qū)域從陸地?cái)U(kuò)大到近海、深海。跨海大橋、海上石油平臺(tái)、跨海輸電塔、測(cè)風(fēng)塔等近海大型基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。江河與海上的大型結(jié)構(gòu)在船舶撞擊、風(fēng)浪等作用下，其粧基礎(chǔ)不僅會(huì)受到水平荷載作用，而且還會(huì)受到扭轉(zhuǎn)荷載。桶形基礎(chǔ)是近年發(fā)展起來(lái)的一種經(jīng)濟(jì)適用的新型基礎(chǔ)，作為海洋平臺(tái)基礎(chǔ)得到了廣泛的應(yīng)用，其在土作中不僅承受上部結(jié)構(gòu)及其自身所引起的豎向荷載的長(zhǎng)期作用和受到波浪、海流等所引起的水平荷載、力矩荷載，而且往往還受到風(fēng)機(jī)葉片等結(jié)構(gòu)傳來(lái)的扭剪荷載的作用，因此認(rèn)識(shí)和測(cè)量土的扭剪強(qiáng)度具有十分重要的意義。
[0006]現(xiàn)有對(duì)土體研宄技術(shù)的缺陷主要是只能觀測(cè)到加載后的巖土體變化情況，不能觀測(cè)到巖土體加載的整個(gè)變形過(guò)程，也就是說(shuō)只能單方面的研宄強(qiáng)度特性和變形機(jī)理。而目前用于土體扭剪強(qiáng)度測(cè)試的裝置主要有空心圓柱扭剪儀、大型扭剪儀、扭剪三軸儀、土工靜力-動(dòng)力液壓三軸-扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀等。其中，空心圓柱扭剪儀雖然能夠測(cè)出土體的扭剪強(qiáng)度，但是空心圓柱樣制備過(guò)程復(fù)雜且成功率低，固定形式一般多取上端加荷，下端固定方式，導(dǎo)致儀器高大笨重，而且加荷裝置的自重對(duì)試樣有干擾；大型扭剪儀只適用于粗粒材料；扭剪三軸儀、土工靜力-動(dòng)力液壓三軸-扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀等三軸儀既能完成純扭剪試驗(yàn)，還能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜應(yīng)力路徑試驗(yàn)，但儀器設(shè)備復(fù)雜、操作繁瑣、成本較高，難以在土工試驗(yàn)中推廣。另外，現(xiàn)有巖土體加載破壞后的變形觀測(cè)一般都是通過(guò)CT掃描機(jī)。
[0007]對(duì)比以上土體扭剪強(qiáng)度試驗(yàn)裝置，主要存在如下4個(gè)問(wèn)題:
(I)樣品制備比較麻煩；空心圓柱樣必須有專用模具，操作較為復(fù)雜，技術(shù)要求較高，比常規(guī)三軸樣來(lái)說(shuō)，難度較大，特別是試樣的安裝，里外橡皮膜的筱蓋與密封等。
[0008](2)以上試驗(yàn)裝置大多數(shù)只能是針對(duì)重塑土進(jìn)行，雖然重塑土制樣過(guò)程方便，但這與天然原狀土還是有本質(zhì)的區(qū)別，尤其針對(duì)具有明顯結(jié)構(gòu)性的土體。
[0009](3)以上試驗(yàn)裝置大多數(shù)是多功能試驗(yàn)機(jī)，適用于多種應(yīng)力路徑的試驗(yàn)，通常以拉壓耦合應(yīng)力路徑為主，這樣可能造成側(cè)壓、軸力和扭矩不能獨(dú)立施加和控制，由于它們的功能比較多，制備試樣不方便，試驗(yàn)操作繁雜且不規(guī)范，導(dǎo)致其從制樣到試驗(yàn)操作整個(gè)過(guò)程中受人為因素的影響較大。
[0010](4)CT掃描機(jī)操作復(fù)雜、造價(jià)較高、不方便與強(qiáng)度特性試驗(yàn)裝置組合一起。
[0011]綜上所述，目前這些土體扭剪強(qiáng)度試驗(yàn)裝置存在儀器復(fù)雜、試驗(yàn)操作繁雜且不規(guī)范、造價(jià)昂貴，受人為因素的影響較大，并且不能觀測(cè)到土體加載的整個(gè)變形過(guò)程的問(wèn)題。同時(shí)，在土體的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研宄方面，取得的成果相對(duì)較少，而土的扭剪特性對(duì)于研宄土的強(qiáng)度理論有著重要的意義，目前對(duì)于土體拉壓耦合應(yīng)力路徑下的土體的強(qiáng)度研宄較為充分，而對(duì)研宄土體在扭轉(zhuǎn)荷載作用下純剪切應(yīng)力狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度及整個(gè)加載過(guò)程的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變形還沒(méi)相應(yīng)的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有試驗(yàn)裝置不能很好地適用于純扭剪應(yīng)力路徑的原狀或重塑土扭剪強(qiáng)度的測(cè)定與整個(gè)加載過(guò)程的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)變形，并且試驗(yàn)中控制和測(cè)量等人為因素影響較大的問(wèn)題。
[0013]為此，本發(fā)明提供了一種土體圓柱試樣的扭剪強(qiáng)度與形變觀測(cè)試驗(yàn)裝置，包括底座和安裝在底座上的箱體，所述箱體上表面為工作平臺(tái)，所述工作平臺(tái)上表面邊緣安裝有中部支撐立柱，工作平臺(tái)上表面中間固定有底座升降調(diào)節(jié)器，貫穿箱體上端工作平臺(tái)和底座升降調(diào)節(jié)器設(shè)置有下傳動(dòng)軸，所述下傳動(dòng)軸上端連接圍壓室底座，所述圍壓室底座上通過(guò)圍壓室固定螺檢固定有圍壓罩，圍壓罩上端設(shè)置圍壓室蓋，該圍壓室底座、圍壓罩和圍壓室蓋構(gòu)成圍壓室，所述圍壓室底座上部軸心位置安裝有試樣底座，所述試樣底座通過(guò)埋頭螺栓二固定連接下連接座，所述下連接座上放置試樣，所述試樣上端安裝上連接座，試樣與上連接座、下連接座之間通過(guò)有機(jī)玻璃對(duì)開膜及對(duì)開固定夾環(huán)、固定螺栓二固定為一個(gè)整體，所述圍壓室底座內(nèi)設(shè)有圍壓測(cè)量通道和圍壓氣體給排通道，該圍壓測(cè)量通道和圍壓氣體給排通道一端均與圍壓室相連通，所述中部支撐立柱下部固定安裝有圍壓測(cè)量?jī)x和圍壓加載控制儀，圍壓測(cè)量通道和圍壓氣體給排通道另一端分別與圍壓測(cè)量?jī)x和圍壓加載控制儀對(duì)應(yīng)連接，所述中部支撐立柱上安裝有三維成像掃描儀，三維成像掃描儀安裝高度與試樣高度一致，所述圍壓室蓋上端軸心位置固定安裝有軸心開孔的定位夾持器，貫穿定位夾持器和圍壓室蓋設(shè)置有連接軸，所述連接軸下端與上連接座連接，連接軸上端通過(guò)固定螺栓三連接上傳動(dòng)軸，所述圍壓室蓋上端面上設(shè)有排氣螺栓。
[0014]所述中部支撐立柱頂端固定安裝有中部平臺(tái)，所述中部平臺(tái)上表面邊緣設(shè)置有上部支撐立柱，中部平臺(tái)中部安裝有軸承，所述上傳動(dòng)軸穿過(guò)中部平臺(tái)，上傳動(dòng)軸下端套裝有絕對(duì)式角位移傳感器，上傳動(dòng)軸中部安裝傳動(dòng)鏈條，上傳動(dòng)軸頂端焊接有扭矩傳感器底座，所述扭矩傳感器底座上端面通過(guò)固定螺栓一固定連接扭矩傳感器，所述扭矩傳感器上部端頭通過(guò)插銷固定連接可升降套筒，所述上部支撐立柱上固定安裝有扭矩顯示儀和角位移顯示儀，所述扭矩傳感器信號(hào)輸出端與扭矩顯示儀連接，所述絕對(duì)式角位移傳感器信號(hào)輸出端與角位移顯示儀連接，所述上部支撐立柱頂端固定安裝有上部平臺(tái)，所述可升降套筒上端通過(guò)埋頭螺栓一固定在上部平臺(tái)的下端面，所述上部平臺(tái)上端面一側(cè)通過(guò)角鋼固定安裝有扭矩電動(dòng)機(jī)，上部平臺(tái)上端面另一側(cè)安裝有扭矩電動(dòng)機(jī)控制器，所述扭矩電動(dòng)機(jī)與扭矩電動(dòng)機(jī)控制器電連接，所述扭矩電動(dòng)機(jī)的扭矩輸出軸穿過(guò)上部平臺(tái)同軸連接扭矩傳動(dòng)軸，所述扭矩傳動(dòng)軸通過(guò)傳動(dòng)鏈條與上傳動(dòng)軸連接。
[0015]上述底座下安裝有多個(gè)滾輪。
[0016]上述圍壓室蓋和連接軸之間設(shè)置有密封橡膠圈一，圍壓室底座與下傳動(dòng)軸之間設(shè)置有密封橡膠圈二。
[0017]上述定位夾持器側(cè)壁上設(shè)置有螺桿。
[0018]上述扭矩電動(dòng)機(jī)側(cè)壁上設(shè)置有手輪一。
[0019]上述底座升降調(diào)節(jié)器側(cè)壁設(shè)置有手輪二。
[0020]上述可升降套筒的支架上安裝有調(diào)節(jié)螺栓。
[0021]上述連