CN103234840A - 负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，包括直剪仪、土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，土体含水量变化的测量系统由是干燥器、盛水容器和重量传感器组成，正负压力转换系统由正压力控制表、负压力控制表、压力转换器和空压机组成，加载系统包括垂直载加载系统和水平荷载加载系统，下剪切盒的底面与底座上表面之间通过移动副相对平行滑动。本发明在控制吸力时真实地再现非饱和土体的自然状态，精确测试非饱和土吸力对其抗剪强度的影响，同时使目前常用的非饱和土直剪仪结构简化，本发明非饱和土直剪试验装置仪器构造简单，操作方便，易于掌握。

Description

负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程土工试验装置，特别是一种非饱和土体的吸力变化对其强度影响的测试装置，应用于岩土工程的土工试验。

背景技术

地球表面大部分处于干旱或半干旱地带，所以岩土工程中遇到的土大多数都处于非饱和状态，如砂土、粉土、湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土等都是非饱和土，对于非饱和土性质的研究显的非常必要。尤其砂土和粉土的渗透系数较大，更容易受到降雨或大气蒸发影响。天然边坡和人工边坡表层多为非饱和性的砂土和粉土，在降雨过程中雨水渗入土体、地下水位上升，使土体的饱和度增加，土体吸力降低，其抗剪强度降低导致边坡失稳，有些边坡尽管坡度很缓但在暴雨、连续阴雨期间也会发生边坡失稳，因此考虑降雨引起土体吸力变化及其强度影响是边坡稳定性预测预报亟待解决的工程问题。非饱和土与饱和土的最大的差别在于非饱和土不仅存在固相和液相并且存在气相，非饱和土的液相与气相之间的水气交界面上存在孔隙气压力和孔隙水压力之间的压力差称为吸力。对饱和土和干燥土，抗剪强度都与饱和土中的有效应力成正比。当土体处于非饱和状态时，水、气和土颗粒三相共存，其抗剪强度规律将完全不同于饱和或干燥的情况。因此研究非饱和土吸力对其抗剪强度的影响，对边破稳定性的评估和预测具有重要的意义。

目前在室内土工试验中研究土体强度的试验方法主要有：直剪仪、三轴仪、平面应变仪和真三轴仪等。为了模拟实际边坡类似的应力条件研究边坡滑坡破坏机制，直剪试验是较为常用并且简单的试验方法。目前针对非饱和土开发的直剪仪常采用轴平移技术来控制、量测吸力，轴平移法是同时增加孔隙气压力和孔隙水压力，使试样中的净应力状态变量保持不变。轴平移技术能够避免土体出现负孔隙水压力发生气蚀，但不能真正模拟天然非饱和土体的吸力状态。Toll通过大量的试验发现：控制吸力相等时，用轴平移技术控制吸力的土体含水量大于土体自然情况下的含水量。即相同吸力条件下，轴平移技术控制吸力的试样与天然土体状态不同。同时目前常用的非饱和土直剪仪为给土样加气压，将整个直剪仪器的剪切系统用密封的压力室密封起来，不仅使其直剪仪结构变得复杂，并且增加了保持压力室气密性的难题，很难真实反映天然非饱和土体的吸力状态。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，在控制吸力时真实地再现非饱和土体的自然状态，精确测试非饱和土吸力对其抗剪强度的影响，同时使目前常用的非饱和土直剪仪结构简化，本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置仪器构造简单，操作方便，易于掌握。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，主要包括直剪仪，直剪仪包括上剪切盒、下剪切盒、透水不透气的陶土板和加载系统，陶土板固定安装下剪切盒内底部上，与陶土板直接接触的下剪切盒内底部的上表面设有螺旋槽，螺旋槽与贯穿下剪切盒的排水孔连通，将土体试样置入由上剪切盒、下剪切盒和剪切盒上盖组合形成的直剪盒内，上剪切盒和下剪切盒的内腔形状相同且尺寸相等，形成环刀试样，土体试样放在陶土板上，在剪切盒上盖下方设置透水石压在土体试样上表面上，本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：土体含水量变化的测量系统由是干燥器、盛水容器和重量传感器组成，实时量测土体试样含水量变化，在干燥器内的底部设置重量传感器，重量传感器上载有盛水容器，干燥器的上口通过两孔塞密封，穿过两孔塞的导管的一端直接伸到盛水容器内的液面以下，其另一端与排水孔连通，在导管上设有开关阀门；正负压力转换系统由正压力控制表、负压力控制表、压力转换器和空压机组成，另外一支导管也穿过两孔塞，此导管的一端与干燥器内部导气连通，其另一端与空压机的送气口连通，压力转换器控制此导管内的气体压力，负压力控制表和正压力控制表分别设于压力转换器两侧的此导管上；直剪盒直接与大气压连通，保持土体试样的孔隙气压为零，与空压机相连的导管的伸入干燥器的端部用通气不通水的滤纸密封；加载系统包括垂直载加载系统和水平荷载加载系统，垂直载加载系统包括轴压杆、底座、加载杠杆系统和竖向位移计，垂直载加载系统通过加载杠杆系统对土体试样上表面施加均匀竖向压力荷载，水平荷载加载系统包括推进器、量力环、水平位移计和固定挡板，水平荷载加载系统通过量力环对土体试样侧面施加水平荷载及量测水平荷载，固定挡板与加载系统的底座固定连接，下剪切盒的底面与底座上表面之间通过移动副相对平行滑动。

上述上剪切盒和下剪切盒优选对应设有插销孔，当将插销插入插销孔时，将上剪切盒和下剪切盒进行安装连接，使上剪切盒和下剪切盒的内腔表面竖向平齐形成环刀内表面；当将插销从插销孔中拔出后，使直剪盒内的土体试样处于剪切初始状态，即上剪切盒和下剪切盒处于相对移动的初始状态。

作为本发明的改进，上述下剪切盒与底座之间的移动副是由一系列滚珠形成的滚珠导路，滚珠被约束在轴向导槽中进行滚动，轴向导槽的延伸方向与水平荷载加载系统的加载方向平行。

上述滤纸优选采用聚氟乙烯滤纸。

上述正负压力转换系统提供的真空度为0～89.6kPa，最大供应压力为137.9kPa。

上述空压机提供气压为0～1MPa，上述正压力控制表控制量程为0～1Mpa，上述负压力控制表控制量程为-120～0kPa。

上述重量传感器优选采用电子天平。

上述电子天平的精度0.001g，其量程200g。

上述陶土板的进气值接近3bar。

上述水平位移计的量程为0～10mm。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置保持土体孔隙气压与大气压相等，其吸力值等于孔隙水压力的绝对值，能够真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，即试验时土体吸力状态与边坡地表附近非饱和土体的状态相同。

2. 本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置克服了采用轴平移技术时土体的吸力状态与天然土体不一样的缺点，且吸力平衡过程中土体含水量的变化通过电子天平行实时进行量测。

3. 本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置同时用负孔隙水压力控制吸力，避免将整个直剪仪的剪切系统用密封的压力室密封起来，不仅使其直剪仪结构变得简单，并且避开保持压力室气密性的难题。

4. 本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，易于掌握。

附图说明

图1是本发明实施例一负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置的总体结构示意图。

图2是本发明实施例一的土直剪仪正面的结构示意图。

图3是本发明实施例一的土直剪仪侧面的结构示意图。

图4是本发明实施例一的土体含水量变化测量系统的结构示意图。

图5是本发明实施例一的正负压力装换系统的结构示意图。

图6是本发明实施例一的下剪切盒的结构示意图。

图7是本发明实施例一的下剪切盒的俯视示意图。

图8是本发明实施例一的上剪切盒的结构示意图。

图9是本发明实施例一的上剪切盒的俯视示意图。

图10是本发明实施例一的销钉示意图。

图11是本发明实施例一的干燥器结构示意图。

图12是本发明实施例一的两孔塞子及管道示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～图12，一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，主要包括直剪仪，直剪仪包括上剪切盒1、下剪切盒2、透水不透气的陶土板7和加载系统，陶土板7固定安装下剪切盒2内底部上，与陶土板7直接接触的下剪切盒2内底部的上表面设有螺旋槽13，螺旋槽13与贯穿下剪切盒2的排水孔11连通，将土体试样6置入由上剪切盒1、下剪切盒2和剪切盒上盖4组合形成的直剪盒内，上剪切盒1和下剪切盒2的内腔形状相同且尺寸相等，形成环刀试样，土体试样6放在陶土板7上，在剪切盒上盖4下方设置透水石5压在土体试样6上表面上，其特征在于，还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：土体含水量变化的测量系统由是干燥器21、盛水容器24和重量传感器25组成，实时量测土体试样6含水量变化，在干燥器21内的底部设置重量传感器25，重量传感器25上载有盛水容器24，盛水容器24为烧杯，干燥器21的上口通过两孔塞22密封，穿过两孔塞22的导管26的一端直接伸到烧杯内的液面以下，其另一端与排水孔11连通，在导管26上设有开关阀门10；正负压力转换系统由负压力控制表28、正压力控制表27、压力转换器29和空压机30组成，另外一支导管26也穿过两孔塞22，此导管26的一端与干燥器21内部导气连通，其另一端与空压机30的送气口连通，压力转换器29控制此导管26内的气体压力，压力转换器29利用文氏管原理压缩空气转换成低流量的真空，正压力控制表27和负压力控制表28分别设于压力转换器29两侧的此导管26上，本实施例正负压力转换系统通过控制不同负孔隙水压力控制土体试样6的吸力；直剪盒直接与大气压连通，保持土体试样6的孔隙气压为零，与空压机30相连的导管26的伸入干燥器21的端部用通气不通水的滤纸23密封；加载系统包括垂直载加载系统和水平荷载加载系统，垂直载加载系统包括轴压杆3、底座9、加载杠杆系统20和竖向位移计，垂直载加载系统通过加载杠杆系统20对土体试样6上表面施加均匀竖向压力荷载，水平荷载加载系统包括推进器16、量力环17、水平位移计18和固定挡板19，水平荷载加载系统通过量力环17对土体试样6侧面施加水平荷载及量测水平荷载，固定挡板19与加载系统的底座9固定连接，下剪切盒2的底面与底座9上表面之间通过移动副相对平行滑动。

在本实施例中，上剪切盒1，其长、宽度均83.78mm，高度32.00mm，内径61.82mm；下剪切盒2，其长、宽度110mm，高度50.62mm，内径61.82mm；轴压杆3，直径11.82mm，高度99.12mm；剪切盒上盖4，直径61.78mm，高度32.00mm；透水石5，直径61.78mm，厚度9.98mm；土体试样6，直径61.8mm，高度20.0mm；陶土板7，直径61.85mm，高度10mm，其进气值5bar；底座9的长度560mm，宽度121mm，高度39mm；排水孔11，孔径6mm；钢珠12，直径6mm；插销孔14，孔径6.4mm；插销15；直径6.3mm，长度58.88mm；量力环17，量力环系数311kN/cm；水平位移计18，量程为0-10mm；加载杠杆系统20，杠杆比1:10；干燥器21，下直径250mm，上直径300mm，高度300mm；两孔塞22，塞子直径47~65mm，孔径6mm；烧杯容量200cc；重量传感器25，精度0.001g；导管26，外径6mm，内径4mm。

在本实施例中，直剪盒未用密闭压力室封闭，直剪盒直接与大气压连通，保持土体试样6的孔隙气压为零；直剪盒内底部用透水不透气的陶土板7来代替透水石，陶土板7底部接出来导管26与土体含水量变化的测量系统相连接，土体含水量变化的测量系统与正负压力装换系统通过另一支导管26相连。

在本实施例中，参见图7、图9和图10，上剪切盒1和下剪切盒2对应设有插销孔14，当将插销15插入插销孔14时，将上剪切盒1和下剪切盒2进行安装连接，使上剪切盒1和下剪切盒2的内腔表面竖向平齐形成环刀内表面，以便于制作环刀试样，通过改变剪切盒的直径和高度能满足各种尺寸的土体试样6的试验需要；当将插销15从插销孔14中拔出后，使直剪盒内的土体试样6处于剪切初始状态，即上剪切盒1和下剪切盒2处于相对移动的初始状态。

在本实施例中，参见图1～图3和图6，下剪切盒2与底座9之间的移动副是由一系列滚珠12形成的滚珠导路，滚珠12被约束在轴向导槽8中进行滚动，轴向导槽8的延伸方向与水平荷载加载系统的加载方向平行，使土体试样6在剪切测试中位移稳定，提高测试精度。

使用本实施例负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其直剪试验方法具体如下：

a．先用脱气水把下剪切盒2的陶土板7进行完全饱和；

b．用插销15把上剪切盒1和下剪切盒2安装连接好； 

c．把预先制作好的土体试样6推入下剪切盒2的陶土板7上，调整安装好直剪仪的推进器16、量力环17、水平位移计18和加载杠杆系统20；

d．安装配置好质量测量系统，把排水孔11到烧杯的导管26充满脱气水，关闭排水阀门10，把重量传感器25打开、调试好，把两孔塞22的导管26端部用滤纸23贴上，把干燥器21用两孔塞22塞紧保证具有良好的密封性；

e．把正压力控制表27、负压力控制表28、压力转换器29和空压机30用导管26连通，打开正压力控制表27、负压力控制表28和空压机30，拨动正压力控制表27和负压力控制表28，设定目标负孔隙水压力值；

f． 打开排水阀门10，实时记录土体试样6含水量变化；

g．实时观测土体试样6含水量变化数据来判断吸力是否平衡，吸力平衡后通过加载杠杆系统20对土体试样6加载目标的竖向力；

h．通过竖向位移计观测土体试样6的竖向变形情况，等竖向位移和吸力同时平衡后，拔出销钉15，设定目标剪切速度，开动推进器16的电机开始剪切，通过量力环17和水平位移计18分别量测土体试样6的剪切力和剪切水平位移；

i．剪切完成后，关闭排水阀门10，用正压力控制表27和负压力控制表28把负孔隙水压回到0，拆除土体试样6，测量土体试样6质量和含水量；

j．求出土体试样6的强度参数，可以重复上述步骤a～步骤i的试验过程，不同的是上述步骤g通过加载杠杆系统20所施加的竖向力是不同的。

k．通过在上述步骤j中不同竖向力所得到的剪切强度，推求出控制设定吸力条件下土体试样6的强度参数、粘聚力和内摩擦角。

l．控制不同吸力条件下，通过在上述重复步骤a~步骤k，可以推求出不同吸力条件下的试样6强度参数、粘聚力和内摩擦角及其变化规律。

在本实施例中，保持土体试样6的孔隙气压与大气压相等，土体试样6的吸力值等于孔隙水压力的绝对值，能够真正模拟天然非饱和土体的吸力状态，即试验时土体试样6的吸力状态与边坡地表附近非饱和土体的状态相同。在本实施例非饱和土直剪试验装置克服了采用轴平移技术时土体的吸力状态与天然土体不一样的缺点，且吸力平衡过程中土体含水量的变化通过重量传感器25实时地进行量测。在本实施例用负孔隙水压力控制吸力，避免将整个直剪仪的剪切系统用密封的压力室密封起来，使其直剪仪结构变得简单。在本实施例非饱和土直剪试验装置使用方法操作方便，仪器构造简单，易于掌握，适用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土体强度的测量。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，滤纸23为聚氟乙烯滤纸。聚氟乙烯滤纸具有通气不通水的功能，能更好地避免土体试样6的含水量受到大气蒸发的影响，并使重量传感器25测量土体试样6含水量更加准确，聚氟乙烯滤纸成本低，粘附力强，便于粘附使用。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，重量传感器25为电子天平，使用方便，成本低，精度高。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，陶土板7为低气值高流量的陶土板，使其吸力平衡时间缩短，节约试验时间，使试验结果更加准确。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，主要包括直剪仪，所述直剪仪包括上剪切盒（1）、下剪切盒（2）、透水不透气的陶土板（7）和加载系统，所述陶土板（7）固定安装所述下剪切盒（2）内底部上，与所述陶土板（7）直接接触的下剪切盒（2）内底部的上表面设有螺旋槽（13），所述螺旋槽（13）与贯穿所述下剪切盒（2）的排水孔（11）连通，将土体试样（6）置入由上剪切盒（1）、下剪切盒（2）和剪切盒上盖（4）组合形成的直剪盒内，上剪切盒（1）和下剪切盒（2）的内腔形状相同且尺寸相等，形成环刀试样，土体试样（6）放在所述陶土板（7）上，在所述剪切盒上盖（4）下方设置透水石（5）压在土体试样（6）上表面上，其特征在于，还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：

所述土体含水量变化的测量系统由是干燥器（21）、盛水容器（24）和重量传感器（25）组成，实时量测土体试样（6）含水量变化，在所述干燥器（21）内的底部设置所述重量传感器（25），所述重量传感器（25）上载有所述盛水容器（24），所述干燥器（21）的上口通过两孔塞（22）密封，穿过所述两孔塞（22）的导管（26）的一端直接伸到盛水容器（24）内的液面以下，其另一端与所述排水孔（11）连通，在所述导管（26）上设有开关阀门（10）；

所述正负压力转换系统由负压力控制表（28）、正压力控制表（27）、压力转换器（29）和空压机（30）组成，另外一支导管（26）也穿过所述两孔塞（22），此导管（26）的一端与所述干燥器（21）内部导气连通，其另一端与所述空压机（30）的送气口连通，所述压力转换器（29）控制此导管（26）内的气体压力，所述正压力控制表（27）和负压力控制表（28）分别设于所述压力转换器（29）两侧的此导管（26）上；

所述直剪盒直接与大气压连通，保持土体试样（6）的孔隙气压为零，与所述空压机（30）相连的导管（26）的伸入所述干燥器（21）的端部用通气不通水的滤纸（23）密封；

所述加载系统包括垂直载加载系统和水平荷载加载系统，所述垂直载加载系统包括轴压杆（3）、底座（9）、加载杠杆系统（20）和竖向位移计，所述垂直载加载系统通过加载杠杆系统（20）对土体试样（6）上表面施加均匀竖向压力荷载，所述水平荷载加载系统包括推进器（16）、量力环（17）、水平位移计（18）和固定挡板（19），所述水平荷载加载系统通过量力环（17）对土体试样（6）侧面施加水平荷载及量测水平荷载，所述固定挡板（19）与所述加载系统的底座（9）固定连接，所述下剪切盒（2）的底面与底座（9）上表面之间通过移动副相对平行滑动。

2.根据权利要求1所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述上剪切盒（1）和下剪切盒（2）对应设有插销孔（14），当将所述插销（15）插入所述插销孔（14）时，将上剪切盒（1）和下剪切盒（2）进行安装连接，使上剪切盒（1）和下剪切盒（2）的内腔表面竖向平齐形成环刀内表面；当将所述插销（15）从所述插销孔（14）中拔出后，使直剪盒内的土体试样（6）处于剪切初始状态，即所述上剪切盒（1）和下剪切盒（2）处于相对移动的初始状态。

3.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述下剪切盒（2）与所述底座（9）之间的移动副是由一系列滚珠（12）形成的滚珠导路，所述滚珠（12）被约束在轴向导槽（8）中进行滚动，所述轴向导槽（8）的延伸方向与所述水平荷载加载系统的加载方向平行。

4.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述滤纸（23）为聚氟乙烯滤纸。

5.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述正负压力转换系统提供的真空度为0～89.6kPa，最大供应压力为137.9kPa。

6.根据权利要求5所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述空压机（30）提供气压为0～1MPa，所述正压力控制表（27）控制量程为0～1Mpa，所述负压力控制表（28）控制量程为-120～0kPa。

7.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述重量传感器（25）为电子天平。

8.根据权利要求7所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述电子天平的精度0.001g，其量程200g。

9.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述陶土板（7）的进气值1bar 或3bar。

10.根据权利要求1或2所述的负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，其特征在于：所述水平位移计（18）的量程为0～10mm。

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