技術領域

本發明屬于土木工程技術領域，具體涉及一種用于測定顆粒材料不同剪切面上抗剪強度特性的試驗裝置和試驗方法。

背景技術

工程實踐中砂、礫等顆粒材料可用作材料、地基及周圍介質。由于重力沉積或人工碾壓等原因，自然界中的這些砂、礫等顆粒材料普遍具有各向異性特性。即：沿不同方向加載時，材料具有不同的物理力學特性。顆粒材料的這種各向異性特性在土木工程中具有重要的理論和工程意義。譬如：目前實際工程在地基土的承載力、邊坡穩定性及土壓力計算中，仍然主要采用極限平衡分析方法，且通常假定滑動面上的抗剪強度相等。而由于土的各向異性，與沉積面呈不同角度的滑動面(剪切面)可能具有顯著不同的抗剪強度，因此上述計算分析中滑動面上抗剪強度相等的假定將不可避免的帶來較大的誤差。為科學、合理的評價地基土的承載力、邊坡穩定性等土木工程領域中的經典問題，針對各向異性顆粒材料研究與沉積面呈不同角度的剪切面上的抗剪強度特性具有重要的理論和工程意義。

如圖1所示，在地基承載力計算所假定的破壞面上取典型單元A和B，在邊坡滑動面上取單元C，以上三單元將分別作用有正應力分量σ_n和σ_t，以及剪應力分量τ。若以沿剪切方向逆時針旋轉為正，以上三個典型單元的剪切面與沉積面的夾角ψ如圖1(a)～(c)。由圖1(a)～(c)可知，剪切面與沉積面的夾角ψ的變化范圍為0°～180°。而在常規的直剪試驗中，只能測得剪切面與沉積面平行(即ψ＝0°/180°)這一種情況下的抗剪強度，存在較嚴重的不足，不能滿足工程實際的需要。

發明內容

針對上述常規直剪試驗的不足，本發明提供了一種可用于測定顆粒材料不同剪切面上抗剪強度特性的試驗裝置和試驗方法，所述的試驗裝置為新型直剪試驗盒，試驗時可使剪切面與沉積面的夾角ψ在0°～180°之間任意變化，進行抗剪強度測量試驗。

所述的試驗裝置為直剪試驗盒，該直剪試驗盒主要由底座(A)、施力端下側壁(B)、施力端上側壁(C)、量力端下側壁(D)、量力端上側壁(E)、前側壁(F)和后側壁(G)組成，底座A具有底座前側壁和底座后側壁，施力端下側壁(B)和量力端下側壁(D)通過螺栓連接在底座(A)的底座前側壁和底座后側壁的左右兩側，并且連接后與底座前側壁和底座后側壁高度相同，這樣，底座(A)、施力端下側壁(B)和量力端下側壁(D)連接后組成下盒；所述的底座前側壁和底座后側壁的上端面分別螺栓連接前側壁(F)和后側壁(G)，同時，所述的前側壁(F)和后側壁(G)的兩側端面分別通過螺栓與施力端上側壁(C)和量力端上側壁(E)的內表面連接，這樣，所述的施力端上側壁(C)、量力端上側壁(E)、前側壁(F)和后側壁(G)就組成了直剪試驗盒的上盒，所述的下盒與上盒組裝后成為直剪試驗盒。

測定不同剪切面上抗剪強度特性的試驗方法，包括如下步驟：

第一步：根據所需的剪切面與沉積面的夾角ψ，組裝直剪試驗盒，將組裝好的直剪試驗盒傾斜放入外箱的兩塊橫隔板(K)之間，并用長螺絲(L)固定；然后將顆粒材料撒入直剪試驗盒內，直至直剪試驗盒被顆粒材料覆蓋；

第二步：將外箱逆時針旋轉ψ角度，使直剪試驗盒的底座(A)的底面水平；將直剪試驗盒頂面超出前側壁(F)和后側壁(G)的顆粒材料刮掉，安裝臨時蓋板，利用螺栓將臨時蓋板與前側壁(F)和后側壁(G)相連；

第三步：將第二步的外箱重新恢復到第一步的狀態，然后順時針旋轉90°-ψ，使直剪試驗盒的底座(A)豎直、量力端下側壁(D)、量力端上側壁(E)水平；

第四步：將直剪試驗盒從外箱中取出，將高出開口側壁的顆粒材料刮平，并用螺栓將施力端下側壁(B)、施力端上側壁(C)組裝；

第五步：將直剪試驗盒重新放回原位，使剪切盒的底面座(A)水平、臨時蓋板在頂面；

第六步：將臨時蓋板拆除，安裝加載頂帽(H)；

第七步：將第六步制樣完成的直剪盒放入常規直剪儀中，按常規直剪試驗的操作進行直剪試驗。

本發明具有如下優點及功效：

(1)利用新型直剪試驗盒和制樣方法，可以制得多種沉積角度的試樣，剪切面與沉積面可呈0°～180°之間的任意角度；

(2)利用新型直剪試驗盒和制樣方法，可以探究各向異性顆粒材料不同剪切面的抗剪強度特性；

(3)可在常規直剪試驗儀上進行，只需更換直剪試驗盒，成本較低；

(4)剪切試驗過程與常規直剪試驗過程相同，因此操作簡單，幾乎可以在所有的土工試驗室進行。

附圖說明