一種用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于巖土介質(zhì)動力特性參數(shù)測試的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)剪切箱，涉及到巖土測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土在動力循環(huán)荷載(地震、波浪、交通)作用下，表現(xiàn)出滯回性、非線性的特點(diǎn)，通常用動剪模量和阻尼比來表示這種動力特性，動剪模量和阻尼比是進(jìn)行巖土體動力反應(yīng)分析的必需參數(shù)。測試土體動力特性的試驗(yàn)方法有共振柱試驗(yàn)、動三軸試驗(yàn)和循環(huán)單剪試驗(yàn)。共振柱試驗(yàn)適用于測試10 6~10 4應(yīng)變范圍內(nèi)的動力特性，動三軸和循環(huán)單剪試驗(yàn)適用于測試10 3~10 1應(yīng)變范圍內(nèi)的動力特性。
[0003]循環(huán)單剪設(shè)備是為了在試驗(yàn)室模擬地震時剪切波豎向傳播所引起的反復(fù)剪應(yīng)力而發(fā)展起來的。大多數(shù)多研究者都同意認(rèn)為，循環(huán)單剪試驗(yàn)是在試驗(yàn)室內(nèi)模擬土單元承受(圖1)所示理想地震應(yīng)力的適宜途徑。因此，循環(huán)單剪試驗(yàn)是測試土體動剪模量和阻尼比參數(shù)的最合適試驗(yàn)方法，它能夠真實(shí)地模擬土體在場地中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果更為可靠。
[0004]循環(huán)單剪試驗(yàn)常用的單剪儀有兩種，一種是挪威-瑞典巖土工程研究所研制的柔性式單剪儀，另一種是英國劍橋大學(xué)研制的剛性式單剪儀。瑞典土工研究所采用的單剪設(shè)備(簡稱SGI型)利用疊迭的薄環(huán)來限止試件的側(cè)向變形，挪威土工研究所采用的單剪設(shè)備(簡稱NGI型)則采用加筋橡皮膜。而劍橋型單剪儀則采用了剛性豎向邊界和矩形橫截面。挪威巖土所研制的單剪儀如(圖2)所示。試樣側(cè)向用繞有琴弦的橡皮膜包裹著，琴弦直徑
0.2_，螺距0.5_。使試樣受到壓力作用后能防止側(cè)向膨脹，達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，在受到剪切后剪力能夠均勻的分布在試樣上。英國劍橋大學(xué)研制的剛性式單剪儀如(圖3)所示，試樣為方形，剪切時剪切方向的側(cè)板可以轉(zhuǎn)動，但互相平行，保持試樣長度不變。用這種方法使試樣的剪應(yīng)變均勻，而且不發(fā)生側(cè)向膨脹。
[0005]常規(guī)循環(huán)單剪試驗(yàn)的尺寸較小(一般為直徑70mm、高度20mm)，對于粗顆粒土、加筋土、礫石、礦渣等工程中實(shí)際需要研究的土類無法直接進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此在某些工程領(lǐng)域需要應(yīng)用大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置。
[0006]設(shè)計(jì)大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的核心與難點(diǎn)在于采用怎樣的剪切箱，即如何給土樣提供符合場地中土體真實(shí)情況的邊界條件。
[0007]如
[0004]條所述，循環(huán)單剪試驗(yàn)常用的邊界條件有兩類，一類是剛性的剪切盒，第二類是柔性的剪切箱，但當(dāng)尺寸比較大時，如土樣直徑達(dá)到700mm及以上時，剛性剪切盒這種邊界條件的實(shí)現(xiàn)很困難:剛性剪切盒的自重非常大，在試驗(yàn)時轉(zhuǎn)動鉸所承受的摩擦力很大，對試驗(yàn)造成較大誤差，經(jīng)常采用的是第二類邊界條件，即柔性剪切箱。
[0008]柔性剪切箱主要有兩種，一種是采用加筋橡皮膜的NGI型剪切箱，另一種是采用層疊的剛性環(huán)的SGI型。NGI型剪切箱在剪切過程中難以避免土樣上下表面的剪力偶產(chǎn)生的扭矩所引起的彎曲變形，尤其是在大型剪切試驗(yàn)中，這種彎曲變形的影響更為明顯，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。試驗(yàn)和研究表明，在大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置中采用層疊剛性環(huán)的SGI型剪切箱更為合理。
[0009]在常規(guī)SGI型剪切中，輕質(zhì)薄環(huán)直接上下疊放對土樣構(gòu)成約束邊界，因?yàn)楸…h(huán)質(zhì)量輕、相對變形小，上下層薄環(huán)之間的摩擦力可忽略不計(jì)；但在大型循環(huán)單剪試驗(yàn)中，如何既保證環(huán)的剛度，又盡量減小上下層環(huán)之間在發(fā)生相對位移時的摩擦力，一直是本領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，據(jù)資料調(diào)查顯示，該問題目前仍然沒有得到較好的解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出一種適用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的柔性剪切箱，在本領(lǐng)域?qū)W術(shù)分類上屬于SGI型剪切箱。
[0011]本發(fā)明的適用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的柔性剪切箱由若干數(shù)量的單個約束鋼環(huán)(I)層疊組成，在層疊后形成的箱腔內(nèi)壁附有橡膠膜內(nèi)襯(2)。
[0012]約束鋼環(huán)(I)由鋼環(huán)本體(3)，鋼環(huán)托耳(4)，橡膠墊片(5)，橡膠膜套箍(6)組成。
[0013]本發(fā)明的用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱的詳細(xì)構(gòu)造特征為:
I)所述鋼環(huán)本體(3)由高強(qiáng)度圓鋼絲制成，圓鋼絲直徑6~10mm，一般取6mm ；
2)所述鋼環(huán)托耳(4)由薄鋼片制成，通過焊接或鍛造與鋼環(huán)本體(3)相連，每個鋼環(huán)上均勻分布4個托耳，托耳平面尺寸約為100 X 50mm ；
3)所述橡膠墊片(5 )平面尺寸與托耳相同，厚度約2mm，分布貼于托耳上下表面；
4)所述橡膠膜套箍(6 )為由合適尺寸的薄橡膠管(如廢舊自行車輪胎)剪裁得到的，進(jìn)一步將橡膠墊片(5 )固定在鋼環(huán)托耳(4 )上，使之成為一個整體。
[0014]本發(fā)明的剪切箱的主要功能是:對承受水平循環(huán)剪切的大尺寸試驗(yàn)土樣提供側(cè)向約束，同時不影響土樣水平剪切變形的自由發(fā)生。
[0015]本發(fā)明的用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱工作原理如下:
1)由約束鋼環(huán)(I)層疊組成的盛土箱為土樣提供側(cè)向約束，模擬實(shí)際場地中土單元的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；
2)約束鋼環(huán)除承受其自重外，不承擔(dān)豎向外力，因而各層鋼環(huán)不會被緊壓在一起，托耳處的層間橡膠墊(5)也不會發(fā)生豎向壓縮；
3)箱內(nèi)土樣在由上下底面?zhèn)鱽淼募羟辛ε甲饔孟掳l(fā)生剪切變形時，相鄰層鋼環(huán)僅需克服層間橡膠墊的彈性回復(fù)力即可發(fā)生相對錯動，實(shí)現(xiàn)土體的自由剪切變形；
4)由于層間橡膠墊的面積相對于土樣尺寸而言很小，層間橡膠墊所產(chǎn)生的回復(fù)力相對于土體內(nèi)的剪切力而言非常微小，因此本發(fā)明剪切箱對實(shí)際測得的土樣剪切力所產(chǎn)生的誤差很小。
[0016]本發(fā)明的用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱的主要創(chuàng)新特征是:
1)用高強(qiáng)鋼絲作為提供側(cè)向約束的鋼環(huán)，相比于現(xiàn)有報道的滑軌框架組成的土箱，鋼環(huán)自重大幅減輕，減小了在動力剪切過程中約束鋼環(huán)自身慣性力對土體自由剪切變形的影響；
2)通過在鋼環(huán)外均勻設(shè)置對稱的4個托耳，解決了鋼環(huán)疊放不穩(wěn)、在剪切過程中上下層鋼環(huán)容易發(fā)生嵌套的問題(圖)，而且托耳面積小，對鋼環(huán)的質(zhì)量增加影響很??；
3)在托耳上下貼置橡膠墊，利用橡膠的易變形特性，保證鋼環(huán)疊放后能自由發(fā)生相對錯動；
4)通過橡膠膜套箍進(jìn)一步保證了托耳上下層的橡膠墊與托耳連接的穩(wěn)固性，在往復(fù)循環(huán)剪切過程中不會脫落；
5)由于層間橡膠墊的面積相對于土樣尺寸而言很小，層間橡膠墊所產(chǎn)生的回復(fù)力相對于土體內(nèi)的剪切力而言非常微小，因此本發(fā)明剪切箱對實(shí)際測得的土樣剪切力所產(chǎn)生的誤差很小。
[0017]本發(fā)明的用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱其應(yīng)用安裝步驟為:
1)根據(jù)試樣高度，確定所需約束鋼環(huán)(I)的數(shù)量；
2)在鋼環(huán)托耳(3)上下表面上粘貼層間橡膠墊片(5)，并套入橡膠膜套箍(6)進(jìn)行加固；
3)將貼好橡膠墊片的約束鋼環(huán)(I)對齊疊放，保證上下層鋼環(huán)托耳(4)相互對齊，形成剪切箱；
4)在剪切箱內(nèi)襯附一層橡膠膜(2);
5)進(jìn)行試樣裝樣，按照循環(huán)單剪試驗(yàn)流程和后續(xù)試驗(yàn)操作方法進(jìn)行試驗(yàn)。
[0018]【附圖說明】:
圖1是場地土在地震中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)示意圖；
圖2是常規(guī)尺寸的NGI型單剪儀原理示意圖；
圖3是常規(guī)尺寸的劍橋型單剪儀原理示意圖；
圖4是本發(fā)明的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的組成盛土箱的單個約束鋼環(huán)；
圖5是本發(fā)明的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的盛土箱；
圖6是本發(fā)明的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的組成盛土箱的約束鋼環(huán)的托耳構(gòu)造圖；
圖7是托耳處橡膠墊層和橡膠膜套的示意圖；
圖8是在沒有托耳的情況下鋼環(huán)在剪切過程中發(fā)生相互嵌套的示意圖；
圖9本發(fā)明的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的盛土箱發(fā)生剪切變形的示意圖(左剪)；
圖10是本發(fā)明的大型循環(huán)單剪試驗(yàn)裝置的盛土箱發(fā)生剪切變形的示意圖(右剪)。
[0019]附圖標(biāo)注號說明:
1.約束鋼環(huán)；
2.橡膠膜內(nèi)襯；
3.鋼環(huán)本體；
4.鋼環(huán)托耳；
5.層間橡膠墊片；
6.橡膠膜套箍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱，具有以下特征:用高強(qiáng)鋼絲作為提供側(cè)向約束的鋼環(huán)，在鋼環(huán)平面內(nèi)與鋼環(huán)外沿相切均勻設(shè)置4個托耳，在托耳上下貼置橡膠墊，通過橡膠膜套箍將橡膠墊與托耳套緊加固，利用橡膠墊片的彈性保證了剪切箱可發(fā)生層間相對錯動位移。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種用于大型循環(huán)單剪試驗(yàn)的剪切箱，具有以下特征：用高強(qiáng)鋼絲制作提供側(cè)向約束的鋼環(huán)，在鋼環(huán)平面內(nèi)與鋼環(huán)外沿相切均勻設(shè)置4個由鋼片制作的托耳，在托耳上下貼置面積與托耳相同、厚度2mm的橡膠墊，通過橡膠膜套箍將橡膠墊與托耳套緊加固，形成單個的約束鋼環(huán)；將一定數(shù)量的約束鋼環(huán)對齊疊放，并在內(nèi)部襯墊一層橡膠膜，形成可為土樣提供側(cè)向剛性約束、同時可隨土樣水平剪切變形自由發(fā)生形變的剪切箱。
【IPC分類】G01N3/24
【公開號】CN105203408
【申請?zhí)枴緾N201510583065
【發(fā)明人】劉方成, 陳巨龍, 任東濱
【申請人】湖南工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月15日