[发明专利]一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，具体涉及一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，用于土工室内土体扭剪强度的测定与观测细微观结构变形的试验。

背景技术

土是地质作用演变过程的产物，是多相分散系，具有类型的多样性、性质的复杂性和变化性等特点。同一类土，不同类型的仪器可测出不同的结果，同类仪器，试验方法和技巧不同也会产生较大的差异。在土工试验中由于力学参数的测试差误,往往比计算方法不同引起的差误更大，这就是人们之所以坚持不懈，从事土工仪器设备的研制，试验方法的探索和改进的原因。

研究表明，土的破坏形式主要是剪切破坏，即土的强度不足以抵抗某一面上的剪应力作用而造成，抗剪强度一直是岩土力学中最重要的研究课题之一。扭转是材料变形的基本形式之一，通过扭转试验可以研究材料在纯剪应力状态下的力学性质，并为工程设计提供必要的力学参数。迄今为止，对土体抗剪强度的研究多集中在土体的直剪和三轴剪切特性上，而对土体的扭剪特性却很少研究。

土体在长期定量荷载作用下，土体结构强度是决定其变形量大小的主要因素，而土体结构强度受细微观结构所制约，土体宏观变形破坏是细微观变形累积扩展的结果。土体细微观结构的变形性能对其工程力学性质起着非常重要的作用，因此，对土体细微观结构的研究是探讨其变形与强度时效本质的基础。土体细微观层次上主要研究土体颗粒的排列方式，土体细微观结构是对载荷及环境因素的响应、演化和实效机制，以及土体细微观结构与宏观力学性能的定量关系的研究。

随着人类社会和国家经济发展，对能源需求的不断扩大，人类的活动区域从陆地扩大到近海、深海。跨海大桥、海上石油平台、跨海输电塔、测风塔等近海大型基础建设规模不断扩大。江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下，其桩基础不仅会受到水平荷载作用，而且还会受到扭转荷载。桶形基础是近年发展起来的一种经济适用的新型基础，作为海洋平台基础得到了广泛的应用，其在土作中不仅承受上部结构及其自身所引起的竖向荷载的长期作用和受到波浪、海流等所引起的水平荷载、力矩荷载，而且往往还受到风机叶片等结构传来的扭剪荷载的作用，因此认识和测量土的扭剪强度具有十分重要的意义。

现有对土体研究技术的缺陷主要是只能观测到加载后的岩土体变化情况，不能观测到岩土体加载的整个变形过程，也就是说只能单方面的研究强度特性和变形机理。而目前用于土体扭剪强度测试的装置主要有空心圆柱扭剪仪、大型扭剪仪、扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等。其中，空心圆柱扭剪仪虽然能够测出土体的扭剪强度，但是空心圆柱样制备过程复杂且成功率低，固定形式一般多取上端加荷，下端固定方式，导致仪器高大笨重，而且加荷装置的自重对试样有干扰；大型扭剪仪只适用于粗粒材料；扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等三轴仪既能完成纯扭剪试验，还能实现多种复杂应力路径试验，但仪器设备复杂、操作繁琐、成本较高，难以在土工试验中推广。另外，现有岩土体加载破坏后的变形观测一般都是通过CT扫描机。

对比以上土体扭剪强度试验装置，主要存在如下4个问题：

(1)样品制备比较麻烦；空心圆柱样必须有专用模具，操作较为复杂，技术要求较高，比常规三轴样来说，难度较大，特别是试样的安装，里外橡皮膜的筱盖与密封等。

(2)以上试验装置大多数只能是针对重塑土进行，虽然重塑土制样过程方便，但这与天然原状土还是有本质的区别，尤其针对具有明显结构性的土体。

(3)以上试验装置大多数是多功能试验机，适用于多种应力路径的试验，通常以拉压耦合应力路径为主，这样可能造成侧压、轴力和扭矩不能独立施加和控制，由于它们的功能比较多，制备试样不方便，试验操作繁杂且不规范，导致其从制样到试验操作整个过程中受人为因素的影响较大。

(4)CT扫描机操作复杂、造价较高、不方便与强度特性试验装置组合一起。

综上所述，目前这些土体扭剪强度试验装置存在仪器复杂、试验操作繁杂且不规范、造价昂贵，受人为因素的影响较大，并且不能观测到土体加载的整个变形过程的问题。同时，在土体的扭转试验研究方面，取得的成果相对较少，而土的扭剪特性对于研究土的强度理论有着重要的意义，目前对于土体拉压耦合应力路径下的土体的强度研究较为充分，而对研究土体在扭转荷载作用下纯剪切应力状态的抗剪强度及整个加载过程的细微观结构变形还没相应的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有试验装置不能很好地适用于纯扭剪应力路径的原状或重塑土扭剪强度的测定与整个加载过程的细微观结构变形，并且试验中控制和测量等人为因素影响较大的问题。