（地质工程专业论文）一种新型剪切蠕变仪的研制与应用.pdf

摘要 对于黄土边坡的长期强度问题，即研究在剪切作用下，黄土体长期蠕变情况下的剪 切强度，目前研究成果较少，试验设备的局限性是限制相关研究发展的主要原因。 目前国内使用的蠕变仪剪切盒尺寸偏小，且采用的圆形盒在边缘处形成了明显的应 力集中现象，在整个剪切过程中始终存在剪应力分布不均匀的问题；同时传统蠕变仪主 要采用长杠杆机构来施加垂直和水平荷载，在加载过程中，土样变形过程中杠杆倾斜， 使得垂直压力产生了一个非竖直方向的分力，随着加载值的增大，这个分力也增大，导 致了试验数据出现了较大的偏差；同时，应用杠杆加力机构时，由于杠杆的长度不能太 长，加载值也受到很大限制。 为了解决上述问题，本文设计研制了一种新型剪切蠕变仪，该剪切蠕变仪将剪切盒 由原来面积为3 0 c m 2 的圆形改为1 0c mx l oc m = l o o c m 2 的方形，并且其垂直压力加载系 统和水平剪力加载系统均采用滑轮组机构。改进后的剪切蠕变仪有效地减少了应力集中 现象的产生，减小了加载带来的误差，并满足了实际工程高压力的加载需要。 在对新型剪切蠕变仪进行反复测试的基础上，对泾阳县泾河南岸舒塘王滑坡黄土的 蠕变特性做了一些研究，并得到了该滑坡黄土体剪切蠕变的一些特性，为该大型滑坡的 发生与发展的研究提供理论基础。同时，为了验证仪器的可用性，并行做了直剪试验和 三轴试验，研究结果充分体现了我们自主研发的新型剪切蠕变仪具有较高的实用价值。 关键词：新型剪切蠕变仪、滑轮组、方形剪切盒、黄土长期强度 a b s t r a c t f o rt h el o n g - t e r ms t r e n g t ho fl o e s ss l o p e ，t h a ti s ，t h el o e s sb o d yp r o d u c e ss h e a rc r e e p i n m ef o mo fl o n g - t e r md e f o r m a t i o nu n d e r t h e s h e a r i n g f u n c t i o n ；t h ep r e s e n ts t u d y a c h j e v e m e n t sc a nb es e e nr a r e l y al o to fr e a s o n sa c c o u n tf o rt h i so c c u r r e n c e b e c a u s eo f t h e d e f e c t so ft h et e s t i n gi n s t r u m e n ti t s e l f , n or e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t ac a n b ea st h eb a s i sw h i c h l i m i t st h er e l a t e dr e s e a r c h ，a n dt h i si sav e r yi m p o r t a n tr e a s o n t h i sp a p e r t a k e st h ed e f e c t so f t h ee x i s t i n gt e s t i n gi n s t r u m e n ta st h es t a r t i n gp o i n ta n dl a u n c h e st h es t u d y a tp r e s e n t t h es h e a rb o xo fd o m e s t i cs h e a rc r e e pt e s ti n s t r u m e n ti sr e l a t i v e l ys m a l l ，a n d f r o mt h eb e g i n n i n gs t a g et h er o u n ds h e a rb o xa p p l i e df o r m sa no b v i o u sp h e n o m e n o n o fs t r e s s c o n c e n t r a t i o na tt h ee d g e d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fs h e a f i n g ，t h e r ea l w a y se x i s t s t h e p r o b l e mt h a t t h es t r e s si sn o td i s t r i b u t e de v e n l y m e a n w h i l e ，t r a d i t i o n a lc r e e pa p p a r a t u s m a i n l va p p l i e sv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ll o a d sw i t hl o n gl e v e rm e c h a n i s m ，a n dd u r i n gt h e p r o c e s so fl o a d i n g ，o n c et h es o i ls a m p l ed e f o r m e d ，t h el e v e rw o u l ds l a n t ，w h i c hw o u l dm a k e t h ev e r t i c a lp r e s s u r ep r o d u c ean o n v e r t i c a ld i r e c t i o nc o m p o n e n tf o r c e w i t ht h ei n c r e a s ei n l o a dv a l u e t h ef o r c ea l s oi n c r e a s e s ，r e s u l t i n gi nar e l a t i v e l yb i gd e v i a t i o n o fe x p e r i m e n td a t a w h i l ea p p l y i n gt h el e v e r a g e ，t h el o a d i n gv a l u ei sa l s or e s t r i c t e dg r e a t l yd u et ot h el e v e rc a n n o t b e t o ol o n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e ，an e ws h e a rc r e e p t e s ti n s t r u m e n ti sd e v i s e d ，w h o s e s h e a rb o xi sc h a l l g e df r o mt h eo r i g i n a lr o u n do n ew i t ht h e a r e ao f3 0 e r a zi n t ot h ep r e s e n t s a u a r eo n ew i t h1 0 1 0 = 1 0 0 c m 2 ，a n di t sv e r t i c a ls t r e s sl o a d i n gs y s t e ma n dh o r i z o n t a ls h e a r l o a d i n gs y s t e ma l la p p l yt h ep u l l e yb l o c ks t r u c t u r e a f t e rt h ei m p r o v e m e n t ，t h i sn e w s h e a r c r e e pt e s ti n s t r u m e n tc o u l dr e d u c et h ee m e r g e n c eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n a n dt h ee r r o rc a u s e d b yl o a d i n ge f f e c t i v e l y ，a n di ta l s oc o u l ds a t i s f yt h el o a d i n g n e e do fp r a c t i c a lp r o j e c t b a s e do nt h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h i sn e ws h e a rc r e e pt e s ti n s t r u m e n t ，s o m e i e s e a r c ho nt h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so fl o e s sh a sb e e nd o n e a n d ，t h er e l a t e dd a t ao fs h e a r c r e e po f1 0 e s sb o d yw h i c ho c c u ri nt h ef o r mo fl o n g t e r md e f o r m a t i o na r eo b t a i n e d ，w h i c h s h o w sm a r tt h en e ws h e a rc r e e pt e s ti n s t r u m e n td e v e l o p e db yo u r s e l v e sh a sah i g h e rp r a c t i c a l v a l u e k e y w o r d s ：n e ws h e a rc r e e pt e s ti n s t r u m e n t ；p u l l e yb l o c k ；s q u a r es h e a rb o x ；l o n g t e r m s t r e n g t ho fl o e s s i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 加0 1 年b 月之e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：俑蛹 别雅轹窃八缸 ，yi ，1 k 1 7 月2 - - e t 月。扫 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 土具有应力、应变随时间的发展而不断变化的特殊工程特性流变性【l 】，包括蠕 变和应力松弛，其中蠕变特性是岩土工程中较为关键的问题之一。实际工程中，已知很 多由于地基粘土蠕变所引起的挡土墙的位移、斜坡和边坡失稳后发生滑动的现象【2 l ，由 于土的蠕变引起的滑坡灾害给国民经济造成了巨大的损失。 滑坡的发展过程是一个蠕变过程，这样的蠕变经历的时间过程或长或短，短时仅几 天，长时可延续几年甚至几十年。也就是说，滑坡蠕变过程可能以不同的强度进行很长 时间，现在稳定的滑坡经过一段时间后可能会变得不稳定。因此，为了定量评价和预测 滑坡的长期稳定性，必须研究滑坡的蠕变规律，通过建立相应的蠕变方程确定蠕变参数， 定量计算和预测滑坡的长期变形和长期稳定性。蠕变试验是认识土的蠕变规律、建立蠕 变模型和确定蠕变参数的基础，通过蠕变试验可测定土的长期强度和建立蠕变本构模 型，这些参数和模型可用于滑坡稳定性分析和预测预报【3 】，具有非常重要的实用价值。 因此，蠕变参数的测定是研究其蠕变规律的基础，改进测定蠕变参数的设备是本文的主 要目的。 1 2 相关研究概述 在工程实践中，现场蠕变试验结果能较好地反映岩土材料的节理、裂隙等结构特征 的影响，但现场监测具有费用大、数据处理不方便、受外界干扰大等缺点，因而为了建 立蠕变模型，必须进行室内蠕变试验来获得相应的蠕变模型及相应的参数。蠕变试验是 在一定垂直载荷作用下给土体施加一个不变的水平剪力，土体在水平剪力作用下随时间 的积累变形不断增长，直至破坏的试验。研究土体蠕变特性的室内蠕变试验，按所施加 外荷载的方式不同，分为直接法和间接法两大类 4 1 。前者是直接施加剪力的试验方法， 包括直接剪切和扭剪试验；后者则是利用单轴或三轴压缩或拉伸荷载进行蠕变试验，包 括一维固结( 渗透) 试验和三轴剪切试验。针对不同的研究目的、对象和内容，蠕变试验 的方法及其仪器设备也是多样的，其中运用直剪仪对土体进行直接剪切蠕变试验是较常 用的一种试验方法。 直剪仪是以c o u l o m b 理论为理论基础发展而来的、最早且最直接测定土体抗剪强 度的试验仪器，其具有结构简单、消耗试件少、固结快、省时、仪器刚度大、传力明确、 第一章绪论 操作简单等诸多优点。直剪试验中，在理想状况下，土体试件是在竖向作用力即正应力 r 和水平作用力即剪应力冗的共同作用下破坏，其中r 必须是竖向作用力，试件的理 想破坏形式应为一侧相对于另一侧的平行错动。由于直剪试验经济、简便，有关国家标 准及行业规范、规程都将其作为测定土体抗剪强度指标的主要技术手段之一，但传统的 试验方法及直剪仪本身存在诸多缺陷。现有各种涉及该试验方法的教材都对该试验方法 存在的缺陷作了简单介绍，而且近年来也曾有诸多学者做过该方面的研究，并发表过相 关文章。曾有学者在探讨直剪试验中参数误差产生的原因时【5 】，针对偏轴压力、复杂应 力条件以及实际剪切面积的变化等对抗剪强度参数的影响分别进行了详细分析和研究， 介绍了以上各种条件对抗剪强度参数大小变化趋势的影响。此外，其他学者在探讨如何 提高直剪试验的质量 6 】和对基坑支护工程c 、材值测定方法探讨【7 】中，再次提到了直剪试 验仪器存在的诸多缺陷。 当前国内外有很多关于剪切蠕变仪的研制与改进，如华南理工大学建筑学院谷任 国、房营光【8 】在常用土体直剪蠕变仪的基础上进行了适当改进，增加了试样保湿装置， 并联合利用百分表和千分表测剪切位移，把剪切位移的测量精度从l o g m 提高到l g m ； 成都理工大学胥建华、张品萃、谢智斌【9 】研制了一种土流变测定仪，由土剪切试验仪改 制而成，主要由剪切仪机架、剪切盒、垂直荷载杠杆加压系统、水平剪力施加系统等部 件组成，其垂直压力施加系统采用杠杆加压，水平剪力采用两级变矩传动，传动系统中 配置了滚动轴承，安装了测力计。以上这些研究虽然在各个方面都有所突破，但上述这 些仪器以及目前国内使用的仪器普遍采用长杠杆机构来施加荷载，所采用的杠杆机制施 加荷载有以下方面缺陷：( 1 ) 加载误差大。加载过程中，杠杆易倾斜，垂直力的方向会 因杠杆的倾斜而改变，实验中所施加的力r 越大，杠杆与水平方向的夹角也随之增大， 导致了r 并不是始终垂直于剪切面，而是与竖直方向有一夹角，随着对实验精度要求 的提高，从而导致了加载误差也越来越大，试验数据也产生较大的偏差。( 2 ) 加载值受 限，荷载量达不到实际需要。国内所使用仪器双向都采用杠杆加力，由于杠杆的长度不 能太长，加载值有限，目前能提供的最大水平剪应力为3 0 0 k p a ，垂直正应力为4 0 0 k p a 。 倘若增大杠杆的加载量，则会带来一系列的问题，如设备体积庞大，进一步的增大加载 误差，增加成本等。因此，目前所使用的直剪仪还不能很好地满足实际需要。 1 3 本文研究的主要内容 基于目前剪切蠕变仪存在的缺陷，本文主要从以下几个方面进行研究： 2 长安大学硕士学位论文 1 针对现有仪器存在的缺陷以及工程需要，改进研制一种新型剪切蠕变仪，并阐述 其工作原理以及改进后的优点。 2 应用直剪仪、三轴仪、新型剪切蠕变仪针对泾河黄土进行平行试验，将三种试验 的试验数据进行对比，从而检测新型剪切蠕变仪的试验效果。 3 第一章新堑卿切蠕变仪前改址与研翩 第二章新型剪切蠕变仪的研制 21 目前国内仪器存在的主要缺陷 2 1 l 剪切盒问题 目前国内普遍采用的仪器其使用的剪切盒主要是圆形剪切盒，而目尺寸偏小，面积 散) j 3 0 c m 2 如图2i 为传统仪器的剪切盒。 ! 柙 壹 图2 , 1 档统的翦切盒 圆形自g 切盒模型效果图如j 皇| 2 2 所不其中绿色表示约束面，蓝色衷小土体，紫缸 代表土样盒铁质外壁，模型材料参数见表2l 。 圈2 2 目形剪切盘模跫田 平视图：f o ) 俯视图 长安人学蚀+ 学位论史 表2 1 模型材料参数一览丧 材料名称j 弹麓甘l 泊松比l 容重桔聚女胁l 厚擦自，i 拉麓度 十 2 6 0 0 1o3 0 1 9 7 9 2 0 6 0 0 铁5 0 0 0 0 0o o 附注l ：本表中铁作为刚体研究。 在试验资料的分析中，假定试样所受剪应力均匀分布，但实际上并非如此。如图2 3 所示为圆形剪切盒模型网格划分图。 圈2 3 圆蓐剪切盒模型网格划分豳 ( 砷平视图；( 啪视图 土样剪切时先从试样边缘，r 始，而圆形剪切盒从一开始就在边缘处形成了明显的应 力集中现象，靠近剪切盒的作用点处剪应力最大在整个剪切过程中，始终存在剪应 力分布不均匀的问题，如图2 4 所示为圆形剪切盒剪切过程中的应力分布情况。 伊孓 垒遂 ( - ) ( b ) 田2 圈形剪切盒剪切过程中的应力分布情况 ( 8 ) 剪切面分色圈；彻剪切面等值线圈 通过圆形剪切盒的剪切面分色图和等值线可以看出，传统圆柱形剪切盒存在较为明 显的应力集中现象，整个剪切面上仅古中- t m , 部位应力集中不明显。边缘大部分均有不 同程度的应力集中现象。与此同时，席变也存在明显的分布不均匀，应变的不均匀分布 一r l 第= 帝新型剪切蠕变仪的改进与研制 是由于试样在剪力的作用下，剪切面附近的土体有剪丌的趋势，而这种趋势又使沿剪力 方向的剪切盒边界处的土体逐渐向中心土体压密，因此，靠近剪力盒边缘的应变要大于 中心的应变。 2 1 2 加载误差问题 在试验过程中，土样一旦变形，杠杆会倾斜，垂直力的方向会因杠杆倾斜而改变， 实验中所旌加的力 越来越大，杠杆与水平方向的央角也越来越大，凡并不是始终垂直 于剪切面，而是与竖直方向有一夹角。见图25 。 在直剪试验中，土样所受正应力是由作用于试样形心顶部的竖向荷载凡通过剐性 传压装置产生的，剪切开始前，剪切盒内的试 样上表而受大小均等的正应力凡。当剪切开始 后，由于杆杠发生了倾斜，随着上下剪切盒发 生相对位移，作用于上剪切盒项部的集中力r 的作用线偏离了剪切盒内试样的形心位置，从 而导致剪切盒内试样所受正应力的大小随剪切 位移的增加不断发生变化，使各点正应力的大 小发生了重新分布，而不再是剪切前各点大小 均等的正应力。 - 图2 5 杠杆加蓑 2 1 3 位移带来误差的问题 由于上下剪切盒内的土样产生相对位移，此时，上剪切盒内土样相对于下剪切盒内 士样移出的部分相当于悬臂梁。由力学平衡可知，当剪切位移产生后，作用于剪切盒内 土样有效剪切面上的正应力大于剪切开始时的正应力i ，并随剪切位移的增加和有效剪 切面积的减小不断增大。同时，由于剪切盒内土样偏心受力导致有效剪切面上正应力的 非均匀分布。试验开始，施加于试样的压力为轴向正压力p ，当剪切开始时，上下盒发 生相对位移，试样上下被剪两部分随之发生相对位移。这样的位移，使原来轴向的正压 力变为偏轴压力，从而使试样发生斜剪，如图2 6 。 臣j 曩自、螂训【f 魁蝴切1 圈2 6 实际剪切面与理想剪切面对比 6 i o 一- 0 【 q 长安大学硕士学位论文 当剪切盒移动时，盒壁给试样水平压力，在上下盒之间形成9 0 a f 和a 确度相交的两 个滑动面，即次剪切面。从两边开始逐渐向中心移动而形成剪切区，使剪应力在测量过 程中偏大。剪切区的大小和宽窄依赖于土的类别、含水量及垂直压力的大小等因素，在 同一组试验中，其主要影响因素是垂直压力的大小。理想的剪切形式是最初产生均匀的 剪切变形，然后沿着剪切面破坏如图2 7 ( a ) 所示，由于应力复杂，最后形成如图2 7 ( c ) 所 示的剪切区。 t ( | ) ( b )( c ) 图2 7 理想和实际剪切变形对比 ( a ) 理想剪切变形；( b ) 理想剪切破坏；( c ) 实际剪切变形 压应力越小所形成的剪切区越大，则试验所推求的垆实际值偏差越大：反之，压 应力愈大，啦接近真值，其导致垆值偏小，c 值偏大，如图2 8 所示。 l5 0 生1 0 0 卜5 0 0 0 l0 02 0 03 0 0 4 0 0 p k p a 图2 8 复杂应力条件对实验结果的影响 由以上分析可知，剪切开始后的正应力的非均匀分布以及剪切面发生斜剪均是由试 样偏心受力引起的。偏心受力越大，正应力的非均匀分布和剪切面的斜剪现象就越严重。 随着对实验精度要求的提高，从而导致了加载误差也越来越大，导致试验数据的较大偏 差，实验证明，r 不垂直时所得的内摩擦角和粘聚力均大于凡垂直时的值。因此，只要 能解决试样的偏心受力现象，便能从根本上解决这个问题。 2 1 4 加载值受限问题 国内所使用的仪器双向都采用杠杆加力，由于杠杆的长度不能太长，加载值有限【1 2 1 ， 目前能提供的最大水平剪应力为3 0 0 k a ，垂直正应力为4 0 0 k p a 。如果考虑到第一项缺陷， 增大试样面积为l o c m x l o c m = l o o e m 2 ，则如上加力机制提供的最大水平剪应力和垂直正 7 筢= 幸新型剪切蠕空投的改进与研制 应力分别为9 0 k p a 和1 2 0 k p a ，相当于深度不足6 m 处的土样所受的天然应力，荷载量远远 达不到实际需要。倘若增大杠 t 的加载量，则会带柬一系列的问题，如设备体积庞大， 进一步的增大加载误差，增加成本等。而且，目前国内仪器的体积较大，如图2 9 所示。 e 图2 9 传统的直翦仪 2 2 剪切蠕变仪的改进方案及工作原理 针对现何仪器存往的卜述缺陷，本文特改进研发了种剪切蠕变仪，i - 要改进了翦 切盒和加载系统两部分。 2 2 i 剪切盒的改进 剪应力的非均匀分布。剪切盒的形状具有搬大影响，因此，只要能选择台适形状的 剪切盒，对缓解剪应力集中是打可能的。本文产品将圆形剪切盒改为方形剪切盒，这样 做不仅避免产尘应力集中现象，减小了因应力集中而产生的误差，i 司时也有利于按实际 翦切面积计算剪应力，日计算简单。改进后方形剪切盒模型效果图如剀2 1 0 所示。 妊宜人学顿i i 学位论z ( _ )f b l 图2 1 2 方形剪切盘剪切过程中的麻力分布情况 ( a ) 封切血分乜喇；( b ) 蝴切面等值线圈 9 日一图嘧纛圃日一一嚣罴霾 = 一 淼慧蒹 屋娜鬈|一霾。薰嬉 图 形 切 第二牵新型势切蠕变仪的e t 进j 研制 从图21 2 可以看出，虽然方形剪切盒也有应力集中现象的产生，但与圆形剪切盒的 整个剪切面上仅有中心小部位应力集中不明显，边缘太部分均有不同程度应力集中的现 象相比( 如罔2 4 ) ，方形大截面剪切盒仅仅在边缘出现，剪切面中心的大部分地方并无 明显的应力集中现象产生，由此可见方形盒有效地减小了因应力集中而产生的误差。 与此同时，根据实际试验需要增大剪切盒的面积，由传统的3 0 c m 2 增大到i o o c m 2 ， 通过增大试验面积，一定程度上缓解了偏心受力的影响，使所测得的试验数据更接近真 实情况。两种剪切盒的对比，如图21 3 。 i一 n 瓶1 i 1 i 矗i 毛 l b ) 圈l ”传统仪器与新式剪切蠕变仪的剪切盒对比 ( a ) 传统仪器的剪切盒；( 坼新珊剪切螨变仪的剪切盒 2 22 加载系统的改进 垂直压力加载系统和水平剪力加载系统均采用滑轮组机构来取代原有的杠杆加力 机构，改进后加载系统结构如图2 1 4 、图2 1 5 所示。 、一 长安大学日t 学位论史 图2 1 4 垂直压力加载系圈2 1 5 水平剪力加载系统 统的滑轮组机构示意图 的滑轮组机构示意圈 工程中，一股人型滑坡的厚度可选到3 0 m ，由此什算上受到的最大水平剪应力有 3 0 0 k p a ，最大垂直压应力为6 0 0 k p a 。新型剪切蠕变仪的垂直压力加找系统采用矗个动滑 轮、明个定滑轮并排，分卜f 两排 j 钢绳串联的装置，此装置可将力扩大1 0 倍( 不计摩 擦) ，即要给面积为1 0 0 c m 2 的上样施加6 0 0 k p a 正麻力时，所需荷载为6 k n ，砝码只需加 到o 6 k n 。水平酊力加载系统则采用两个动滑轮、两个定滑轮们滑轮组机构，此装胃可 将力扩大5 倍( 小计摩擦) ，叩要给卜样施加3 0 0 k p a 的剪应力，所需加载为3 k n 砝码也 只需加到o6 k n ，因此水平和垂向荷栽达到最大值只需加6 0 k g 的砝码即可。叮见，采片 滑轮组机构施加荷载可以有效地减小加载误差，并且较容易地满足上程实际需要的加载 值，i 了且加载时所需的砝码数明显减少，这也减轻了操作者的t 作量。如图2 1 6 所示为 两种加找系统的对比。 鸸 ( a ) ( b ) 图21 6 传统仪罂与新式剪切蠕变仪的加载系统对比 a ) 传统仪器的杠_ | 1 _ 加载；( b ) 新h 剪切蠕变仪的滑轮龃加载 第一二章新型剪切蠕变仪的改进与研制 2 2 3 新型剪切蠕变仪的工作原理 新型剪切蠕变仪主要由垂直压力加载系统、水平剪力加载系统、测量计及传感器等 组成。新型剪切蠕变仪的垂直压力加载系统和水平剪力加载系统均采用滑轮组机构，其 结构原理如图2 1 7 所示。 圜 图2 1 7 剪切蠕变仪结构原理图 1 试验台2 下剪切盒3 上剪切盒4 承压盖5 压力传感器6 传力框架8 滑轮 1 2 支架1 6 拉力传感器1 7 砝码 试验时，上剪切盒通过1 6 拉力传感器施加一个恒定拉力，下剪盒置于台面，上剪 盒与下剪盒、下剪盒与桌面之间均采用滚动轴承从而减小摩擦阻力带来的影响。土样置 于上下剪切盒内，垂直压力与水平剪力均由砝码的重力产生。当给垂直压力加载系统加 砝码，即给定f ，经钢绳通过图2 1 4 所示滑轮组得到凡为1 0 f ，图2 1 7 中的动滑轮与 6 传力框架固定在一起，从而将凡施加于土样，实现垂直加载。水平剪力同理由钢绳 经图2 1 5 所示滑轮组得到f h 为5 f ，由于整个加载机构安置于试验台桌面下方，此时 f h 的方向垂直向上，所以在桌面设置了一定滑轮将垂直方向的力转换为水平方向的剪 力。钢绳与下剪盒连接将剪力传递于剪切盒，在剪力f h 的作用下，上下剪切盒之间沿 一固定剪切面产生水平方向位移，剪切盒内土样随之受剪应力作用而产生蠕变变形，实 现水平剪力加载。图2 1 8 、图2 1 9 所示为我们研制生产的剪切蠕变仪，已投入使用。 1 2 k t 大学i ： 论i 一鼎 图2 1 8 剪切蠕变仪实物图 图2 ”仪器试验中 2 3 改进后剪切蠕变仪的标定测试 由j ：滑轮与轮轴、滑轮与钢索之恻存存摩擦，必然会有能量损耗故加在挂钩上的 砝码蕈量4 i 会完伞转化为垂直正压力和水平剪力，因此，进行实验自口必须对蠕变仪进行 标定。所谓标定是指为了使仪器正常准确的使用，使州之前对仪器性能的矫j f ，以满足 实际工作的需要。实验前，应用标准测力器对不同砧码加载和卸载条件下的实际垂直压 力值和水平拉力值进行了测定。 l r 压力标定过程如r ：在i h k 力受力处设霄测力器，在挂钩处连渐如1 砝码，记采好 前= * 型剪切蠕变仅的改进，研制 砝码重量，同时记录好对廊的测力嚣读数值，直到砝码加至预计重量；然后逐渐减少砝 码重量，同时分别记录砝码和测力器读数完成之后，重复一次，最后制成图表完成 标定。其讵压力标定图表分别见表21 和图22 0 裘2 1 正压力标定教据记录统计 测力计设置处 堡里里磐一 加卸载1 t k p a加卸载2 k p a 5 l5 556 55 1 029 8 01 0 33 1 5 31 4 6 41 4 83 2 0 4 1 9 23 1 8 85 2 55 2 3 872 3 39 3 0 6 2 8 l32 7 65 3 573 2 i53 2 4 j 4 0 83 6 7 93 7 65 4 59 4 1 2 94 0 9 6 5 l4 4 9 ，84 5 2 i 5 & i4 9 9 04 9 5 2 6 1 25 2 1l5 3 73 5 6 i5 2 1l 5 3 9 2 5 i5 0 05 5 2 9 2 4 59 4 7 275 0 77 4 08 4 2 9 74 5 3 9 3 573 7 4 63 7 9 4 3 0 63 2 8 23 2 5 8 2 552 7 9 92 7 56 2 0 42 2 8 72 2 l0 1 5 31 7 031 7 i3 1 0 21 2 , 0 51 2 34 5 i7 3 07 i2 叩罚卅 ，爵，； k 安 半坝i 。学位论空 曼 r 出 删 榭 0 1 0 2 0 压力( 加卸载) 标定 3 04 05 06 07 0 砝码质量( b ) 一加卸载1 _ | 加卸载2 图2 2 0 正压力标定敬点国 剪力标定i 上述瓜力标定刊理，其剪力标定图表分别见表2 2 和图2 2 1 。 表2 2 剪力标定鼓据记录统计表 3 54 5 83 8 0 8 2 1 532 1 48 2 3 492 3 54 2 5 6 42 5 5 0 2 5 022 4 83 5 l2 3 592 3 3 o 4 592 1 622 1 4 8 4 081 9 42i 9 33 3 5 71 7 l31 7 1 7 3 0 61 4 8 31 4 6 9 2 551 2 4 41 2 1 5 9 85 7 27 4 78 2 l5 伽湖o 第一章新型剪切婿变仪的改进，研制 剪力( 加卸载) 标定 砝码质量( k g ) 1 一k。i i ”披! 圉2 2 1 剪力标定散点图 由标定数据可知，加载与卸载曲线小重合，但两次标定的结果很相近，加载与卸载 4 ：苹合可能是由于传力的制绳在加载和卸载条件下受力情况不同所致。本蠕变剪切仪中 所采取的滑轮组在工作中摩擦阻力相对较小能满足加大荷载的要求。在试验时，根据 砝码重量在标定曲线上查取垂直和水平荷载，井进步算得j 下应力和剪应力。 2 4 新型剪切蠕变仪的其它相关配件 2 4l 新型剪切蠕变仪的制样设施 新型剪切蠕变仪山于其剪切盒的形状和大小都发生了改变，实验室原有的环刀( 面 积为3 0 e r a 2 ，厚为2 0 m m ) 已经小适合使用，因此必须根据实际需要开发新的制样设施。 皋于环刀制样的船发，我们jf 发了一种方刀。与环刀一样，方川的底部具有刃【j ，主要 是便r 切削土样，打刀的尺寸与新型剪切蠕变仪的剪切盒尺寸相吻合，为 l o e m x l o e m x l o c m ，实物如罔2 2 2 所示。7 j 刃 瑚 啪 鲫 。 蛊r 敏 蔷 x k 爻 学碰学位论空 2 42 剪切蠕变仪的装样设旌 由于新型剪切蠕变仪的土样尺寸偏大这就给装样带来了一定的难度，为此，我们 引进了一种仪器一脱模器它可以有效地帮助我们完成装样过程，实物如图22 3 所示。 图2 脱模器实物图 - ih ii j 图2 2 4 装样过程 图22 4 所示为装样过程，装样时，先将剪切盒置于装样平台，然后将方刀置于剪切 盒上，此时的方刀装有已经制备好的土样，并将方刀的刃口与剪切盒对齐。待完成以上 操作后，转动脱模器的转盘，使与其相连的横板向下移动，进而推动加压丰t 件向下移动 从而将方刀中的土样压入剪切盒内，完成装样步骤整个过程省时省力。 第三章新型剪切蠕变仪的检测试验 第三章新型剪切蠕变仪的检测试验 3 1 试验情况概述 3 1 1 黄土的蠕变特性 黄土具有明显的蠕变特性，图3 1 为黄土体材料的典型蠕变曲线。 时r h j t d 图3 1 不同应力下的土蠕变曲线簇 从图3 1 中可以看出，应力水平较低时，蠕变过程以恒速进行；当应力水平较高时， 蠕变过程可能以加速进行，第一种情况称为稳定蠕变过程，如图3 1 中3 所示；第二种 情况称为非稳定蠕变过程，如图3 1 中4 所示。稳定蠕变过程中变形s ( f ) 以等速发展， 速率最后趋向于零，相应的变形值占( f ) 趋向于与荷载值有关的某个极限值。根据实验室 黄土蠕变试验获得的应力一应变变形曲线u 3 1 ，非稳定蠕变过程中蠕变曲线包括一个瞬时 弹性变形阶段和三个蠕变阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段【1 4 1 。 ( 1 ) 瞬时弹性变形阶段( 图3 1 中每级应力水平直线段) 是施加恒定荷载后短时间 内产生的瞬时弹性变形。 ( 2 ) 初始蠕变阶段( 图3 1 中水平应力1 ) 是应变随着时间增大较快，但应变率随 时间迅速递减，曲线呈上凸形，此阶段也称为蠕变第一阶段。 ( 3 ) 稳定蠕变阶段( 图3 1 中水平应力1 和2 ) 是应变随着时间近似等速增加，即 曲线呈近似直线，此阶段也称为蠕变第二阶段。 ( 4 ) 加速蠕变阶段是变形随着时间加速增加直至试样破坏，此阶段也称为蠕变第三 阶段。 1 8 长安大学硕士学位论文 3 1 2 试样的基本物理性质 本次试验所选土样为泾阳县舒塘王滑坡同一水平面的q 2 黄土，土样埋深l o m ，其 主要物理指标如表3 1 所示。 表3 1 试样的主要物理指标 试样 天然含水率天然密度比重孔隙比塑限液限 塑性指数 土性w p g c m jg p p | w l 眠i p f o o 黄土1 4 71 4 92 7 l1 0 8 42 1 73 2 71 0 9 所取土样的颗分试验结果如图3 2 所示，根据试验数据曲线分析可知，所用土样为 粉质粘土。 土样b 一1 l 的颗粒大d , f f 布曲线 _ 、 万 o 1o o lo 0 0 l 颗粒直径d m m + 样点值 _ - e e - b - 2 5 的颗粒大小分布曲线 、 踢扣- ，_ 糌 o 1o 0 1o 0 0 1 颗粒直径d ( m m ) + 样点值 图3 2 试样的颗分试验结果 1 9 96溶|求陋删嵝爿。 n随挣耀 o o o o o l 8 6 4 2 o 鸯錾暴忸嘲餐 n随塑謦f o o o o o 1 8 6 4 2 o 第= 市新掣村切烯盘仪的检测试验 3 2 新型剪切蠕变仪试验 3 2 1 试验条件及试验方案 本次试验使h j 的设备是我们自行扑发研制的试验装霄新型剪切蠕变仪，试验试 样的规格为l o e m l o e m x l o e r a 的立冉体f ：样。 本次试样嫩自同地点、1 司一深度和状态，试验采用阴缎不同的固结压力，依次为： 1 0 0 k p a ，2 0 0 k p a ，3 0 0 k p a t 3 d 4 0 0 k p a ：对于每一级同结挑力，又分5 级分别施加剪切荷我， 依次为：7 1 = 92 r e , 7 2 = o4 r l , 7 3 = 0 6 r i , r 4 = 0 8 r l , 7 产r i 。不同的含水率对上的 抗剪强度也具有根人的影响，尤其是黄上。通常情况下，随着含水率的增大，枯件上的 抗剪强度降低。为了探求小同含水率对黄十的抗剪强度的影响，我们配置四个含水率， 其中个为天然含水牢，一个_ = i i 近似饱和含水牢，介干这两个含水牢之删适量配置两个 含水率。试样配置含水率后放置5 7 天后进行试验，整个试验需完成1 6 个上样的剪切过 程。 3 22 新型剪切蠕变仪试验数据分析 按照试验方案完成n 6 个试朴的试验，如幽33 为试验后发生翦切破坏的f 样。 。f _ = ：- 曩i - ：- ! 一，二二二三 圈3 3 翦切蠕变试齄发生剪切破坏的土样 根据试验数据。绘制不同含水牢条件下弊切位移随时h j 的变化曲线，如图34 。 长安大学硕士学位论文 茸 桧 迥 一- 一1 5 k p a 一一3 0 k p a 一一4 5 k p a 一丫一6 0 k p a ( a ) 02 0 0 4 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 时间t m i n 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a t l o o k p a 一一1 2 5 k p a ( b ) 星 漳 趟 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a t l o o k p a一一1 2 5 k p a 一一1 5 0 k p a ( c ) 2 l 0 5 0 5 0 5 0 5 0 4 3 3 2 2 1 1 0 0 星浍趟 第三章新型剪切蠕变仪的检测试验 星 澄 趟 一一一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a 一，一l o o k p a 一一1 2 5 k p a 一一1 5 0 k p a 一卜一1 7 5 k p a 星 渣 趟 ( d ) 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a t l o o k p a 一一1 2 5 k p a 昌 昌 稔 辽 ( e ) 一- 一1 5 k p a 一一3 0 k p a 一一4 5 k p a v 一6 0 k p a 一一7 5 k p a ( d 2 2 长安大学硕士学位论文 6 0 5 5 5 0 星4 5 、 稔4 0 迥3 5 3 0 2 5 2 o 1 5 1 0 0 5 0 0 量 豁 遵 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 时间t m i n 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a 一一l o o k p a 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a 一，一l o o k p a 一一1 2 5 k p a 一1 5 0 k p a 一- - 1 7 5 k p a 善 漆 掣 ( h ) 时间t m i n 一_ 一1 5 k p a 一一3 0 k p a 一一4 5 k p a 一，一6 0 k p a 一一7 5 k p a ( i ) 第三章新型剪切蠕变仪的检测试验 9 0 7 5 星6 0 、 桧 趔4 5 3 0 1 5 0 o 唇 潞 迥 量 、 搀 堪 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 01 0 0 0 时间t m i n 一一1 5 k p a 一一3 0 k p a 一一4 5 k p a 一- 一6 0 k p a 0 ) 2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a 一，一l o o k p a ( k ) 一_ 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a t l o o k p a 一一1 2 5 k p a 一一1 5 0 k p a 一 一1 7 5 k p a 一一2 0 0 k p a ( 1 ) 长安大学硕士学位论文 量 漤 趔 一一1 5 k p a 一一3 0 k p a ( m ) 一_ 一1 5 k p a 一一3 0 k p a ( n ) - 2 5 k p a 5 0 k p a 7 5 k p a v - - l o o k p a ( o ) 2 5 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 星漤牮 5 o s o 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 o 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 髫簿牮 第三章新型剪切蠕变仪的检测试验 一- 一2 5 k p a 一一5 0 k p a 一一7 5 k p a 一，一l o o k p a 一一1 2 5 k p a ( p ) 图3 4 不同含水率条件下剪切位移随时间的变化曲线 ( a ) 天然含水率下垂直压力l o o k p a ；( b ) 天然含水率下垂直压力2 0 0 k p a ；( c ) 天然含水率下垂直压力 3 0 0 k p a ；( d ) 天然含水率下垂直压力4 0 0 k p a ：( e ) 第二含水率下垂直压力lo o k p a ；( f ) 第二含水率下垂 直压力2 0 0 k p a ；( 曲第二含水率下垂直压力3 0 0 k p a ；( ”第二含水率下垂直压力4 0 0 k p a ；( i ) 第三含水 率下垂直压力l o o k p a ；( j ) 第三含水率下垂直压力2 0 0 k p a ；第三含水率下垂直压力3 0 0 k p a ；( 1 ) 第 三含水率下垂直压力4 0 0 k p a