CN105223087A - 粗粒土渗流直剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程土工测试技术领域，并公开了一种粗粒土渗流直剪试验装置及方法，装置包括上剪切盒和下剪切盒、框架、垂直荷载加载部件、水平荷载加载部件，还包括渗透系统和测压系统，渗透系统包括进水装置、出水装置、和分别位于上下剪切盒两侧的进水口、出水口，进水装置与进水口、出水装置与出水口分别通过管道连接，测试时分别施加垂直和水平方向荷载，同时开启渗透、测压系统，垂直方向荷载P保持恒定，水平方向荷载施加方式采用应力式，渗透水压在剪切过程中为常水头。本发明可实现不同渗流大小和方向、管涌渗透破坏作用下粗粒土的直剪试验，获得天然地下水渗流或管涌渗透破坏状况下粗粒土抗剪性能。

Description

粗粒土渗流直剪试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程土工测试技术领域，尤其涉及一种粗粒土直剪试验装置及方法。

背景技术

剪切破坏是边坡、地基、洞室等岩土工程主要的破坏形式之一，岩土体以及岩土体与构筑物接触面的抗剪强度对岩土工程抗剪切破坏设计有重要影响。岩土体的剪切强度是指岩土体承受最大剪切力的能力，常用剪切强度参数描述。在岩土工程领域，粗粒土作为一种常见的天然地质体，并作为建筑物及工程材料的应用也相当广泛，主要担负抗剪抗滑等工程作用。粗粒土普遍具有颗粒粒径不均匀、颗粒间粘接力小、单个颗粒强度大、抗剪强度高、承载力大、压缩性小等特点。研究表明，无论是天然的还是人工的粗粒土边坡破坏、地基失稳甚至滑坡的形成，都与土的抗剪性能密切相关。粗粒土抗剪性能指标的获取可采用三轴压缩试验、环剪试验、直剪试验等土工试验方法。鉴于直剪试验测试简单、经济、快速，学术界和工程界仍广泛采用该方法。

如申请号为201310169011.8的中国发明专利就公开了一种岩土直剪试验装置及方法，该岩土直剪试验装置包括用于盛放岩土试样且上下叠放的上剪切盒和下剪切盒、用于承载上剪切盒和下剪切盒的基座、与上剪切盒内侧相配合的加载件、用于数据采集并提供控制信号的控制与数据采集部件、设置于加载件上以提供竖向加载量的竖向加载部件以及设置于下剪切盒侧边以提供横向加载量的横向加载部件，竖向加载部件和横向加载部件分别与控制与数据采集部件信号连接。该发明还提供了一种岩土直剪试验方法，将岩土放置于上剪切盒和下剪切盒内，调整竖向加载部件和横向加载部件至加载位置，利用控制与数据采集部件获取的试验数据分析得到岩土剪切强度。

但是原位粗粒土往往处于复杂的应力状态，并受渗流等环境因素影响，抗剪性能也会发生相应变化。在降雨下渗、库水涨落等存在地下水渗流作用下，土质类边坡经常发生滑坡、崩塌等自然灾害，进而引起交通堵塞、库区涌浪等次生灾害。其原因主要是：在地下水渗流作用下，边坡体内部的抗剪性能指标降低，或产生管涌等渗透破坏而导致整体失稳和破坏。目前的研究中并未有涉及粗粒土在不同渗流方向下甚至发生渗透破坏时的抗剪性能测试技术或试验装置。因此，开发出一种可以更准确的获取天然渗流或渗透破坏状态下粗粒土的抗剪性能指标的直剪试验装置，为岩土工程中的结构设计、地质灾害预测等提供更加准确可靠的参数建议，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粗粒土渗流直剪试验装置，测量粗粒土在不同渗流方向下甚至发生渗透破坏时的抗剪性能，为工程结构设计、地质灾害预测等提供更加准确可靠的参数建议。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：粗粒土渗流直剪试验装置，包括上下叠放的上剪切盒和下剪切盒、框架、垂直荷载加载部件、水平荷载加载部件；所述框架包括反力柱，所述垂直荷载加载部件固连在框架上壁内侧，所述水平荷载加载部件固连在框架的一侧壁上；所述下剪切盒与框架底部之间设置有可沿剪切方向水平自由滑动的限位钢球，所述下剪切盒底部外侧和框架底部内侧沿剪切方向设置有对应的用于容纳限位钢球的钢珠槽，起到形成剪切开缝并限制剪切方向的作用，还包括渗透系统和测压系统，所述渗透系统包括进水装置、位于上下剪切盒一侧的进水口、出水装置、位于上下剪切盒另一侧的出水口，所述进水装置与进水口、出水装置与出水口分别通过管道连接；所述测压系统包括位于进、出水口的进水口流量计、进水口测压计、出水口流量计、出水口测压计及上剪切盒一侧下部和下剪切盒一侧上部的微型测压计；所述上、下剪切盒内部粗粒土试样用超弹材料整体密封；进行渗流作用下直剪试验时，在进、出水口和微型测压计管口加滤网及滤纸；进行管涌渗透破坏下直剪试验时，在进、出水口加滤网。

优选的，所述的进水口与出水口位置互换，进水口作为出水口，出水口作为进水口。

优选的，所述的进水口和出水口在上、下剪切盒侧面分别为竖直排列的两排，可以实现渗流方向的改变。

优选的，所述上剪切盒和下剪切盒的横截面为内边长400mm×400mm的正方形，满足最大粗粒土粒径为40mm的试样进行试验。

本发明还提供了一种粗粒土直剪试验方法，包括以下步骤：

提供上述的粗粒土直剪试验装置，将粗粒土试样放置于上剪切盒和下剪切盒内；

将渗透系统和测压系统与上、下剪切盒连接，通过垂直荷载加载部件和水平荷载加载部件分别施加垂直和水平方向荷载，同时开启渗透、测压系统；

垂直方向荷载P保持恒定不变，水平方向荷载施加方式采用应力式，每一个加载周期水平剪切力F增加额定荷载，保持渗透水压在剪切过程中为常水头；

测得试验数据轴向荷载P、水平剪切力F、剪切位移v、进水口渗流水压u_w1、出水口渗流水压u_w2、侧向的微型测压计读数u_w。

优选的，所述的水平方向荷载加载周期为20s，额定荷载为1/10P。

进一步的，由以下公式可以得到渗流梯度i、渗流梯度水平分量i_x、渗流梯度垂直分量i_y，

$i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_{w}l},$

$i_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_x},$

$i_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_y},$

由以下公式可以得到渗透力j、渗透力水平分量j_x、渗透力垂直分量j_y，

$j=r_{w}i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l},$

$j_x=r_w{i}_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_x},$

$j_y=r_w{i}_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_y},$

其中，u_w1通过进水口测压计测得，u_w2通过出水口测压计测得，u_w1、u_w2和u_w的量纲为Pa，1Pa＝10^-6N/mm²；r_w为水的容重，取值9.81×10^-6N/mm³；

l_x为进出水口间水平距离，l_y为进出水口间垂直距离；l为进出水口间直线距离；其中，l_x、l_y、l的量纲为mm；

由以下公式可得有效正应力σ'、有效剪应力τ'，

${\mathrm{\σ}}^{\′}=\frac{P}{A}+({\mathrm{\γ}}^{\′}+j_y)l_y,$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{F}{A}+j_x{l}_x\\ =\frac{F}{A}+(u_{w1}-u_{w2})\end{array},$

其中，P和F的量纲为N；γ'为粗粒土试样的浮容重、A为剪切面面积，γ'的量纲为N/mm³，A的量纲为mm²；由计算所得到的数据渗流梯度i、有效正应力σ'、有效剪应力τ'；通过上述步骤获得所述粗粒土渗流直剪试验的抗剪性能。

本发明的有益效果是：本发明在上、下剪切盒两侧面沿水平方向开孔，可以实现改变渗流方向的试验目的；只进行不同方向渗流下粗粒土直剪试验测试时，在进、出水口和微型测压计管口处加滤网以及滤纸保证粗粒土中的细颗粒不会随水流被冲入管中；考虑管涌渗透破坏作用时，仅在进、出水口处加滤网，滤网的孔径根据粗粒土颗粒尺寸确定，保证粗粒土中的细颗粒能够随水流被冲入管中，进而达到渗透破坏，从而实现研究管涌渗透破坏作用下粗粒土的抗剪性能。在粗粒土渗流直接剪切试验中应用本发明，可以实现不同渗流大小和方向、或管涌渗透破坏作用下粗粒土的直剪试验，获得更能反映天然地下水渗流或管涌渗透破坏状况下粗粒土抗剪性能。

附图说明

图1是本发明粗粒土直剪试验装置示意图；

图2是本发明剪切盒盒体平面示意图；

图3是图1中B处局部放大图；

图4是本发明的试验过程流程图；

图5是本发明中粗粒土试样受力分析图。

图中标记为：1-上剪切盒，2-下剪切盒，3-框架，4-垂直荷载加载部件，5-水平荷载加载部件，6-进水装置，61-进水口，62-进水口流量计，63-进水口测压计，7-出水装置，71-出水口，72-出水口流量计，73-出水口测压计，8-管道，81-滤纸，82-滤网，83-管身外螺纹，9-微型测压计，10-反力柱，11-限位钢球，12-钢珠槽，13-垂直方向荷载P，14-水平剪切力F，15-剪切面，16-渗流梯度i，17-渗流梯度水平分量i_x，18-渗流梯度垂直分量i_y，19-抗剪强度T。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示的本发明的粗粒土渗流直剪试验装置包括用于盛放粗粒土试样的上下叠放的上剪切盒1和下剪切盒2、用于承载上剪切盒1和下剪切盒2的框架3、提供竖向加载量的垂直荷载加载部件4以及提供横向加载量的水平荷载加载部件5；所述框架包括反力柱10，该垂直荷载加载部件4固连在框架3上壁内侧，水平荷载加载部件5固连在框架3的一侧壁上；下剪切盒2下部与框架3下部接触。该粗粒土直剪试验装置还包括渗透系统和测压系统，渗透系统包括进水装置6、位于上、下剪切盒一侧的进水口61、出水装置7、位于上、下剪切盒另一侧的出水口71，所述进水装置6与进水口61、出水装置7与出水口71分别通过管道8连接，管道8弯道处设置有软管，用来补偿管道的位置移动；所述的进水口61与出水口71位置可以互换，即进水口61作为出水口71，出水口71作为进水口61。进、出水口设置内螺纹，管道8管身设置与其配套的管身外螺纹83，进行试验时使用止水胶布缠绕管身，确保螺纹连接处密封。测压系统包括位于进、出水口的进水口流量计62、进水口测压计63、出水口流量计72、出水口测压计73及上剪切盒1一侧下部、下剪切盒2一侧上部的微型测压计9；上、下剪切盒由密封材料整体密封粗粒土试样，密封材料选用土工膜、特殊有机材料等超弹材料，超弹材料可以承受十分大的可恢复变形，因此既可以实现粗粒土直剪试验，又可以防止水从其他方向渗流而影响试验效果。进行渗流作用下直剪试验时，在进、出水口和微型测压计9管口加滤网82及滤纸81，保证粗粒土中的细颗粒不会随水流被冲入管中；进行管涌渗透破坏下直剪试验时，在进、出水口加滤网82，滤网82的孔径根据粗粒土颗粒尺寸确定，保证粗粒土中的细颗粒能够随水流被冲入管中，进而发生管涌渗透破坏。

下剪切盒2与框架3底部之间设置有可沿剪切方向水平自由滑动的限位钢球11，下剪切盒2底部外侧和框架3底部内侧沿剪切方向设置有对应的用于容纳限位钢球11的钢珠槽12，在钢珠槽12内放置适宜数目的限位钢珠11起到形成剪切开缝并限制剪切方向的作用。进水口和出水口在上、下剪切盒侧面分别为竖直排列的两排，可以实现渗流方向的改变。上剪切盒1和下剪切盒2的横截面为内边长400mm×400mm的正方形，满足最大粗粒土粒径为40mm的试样进行试验。

如图4所示的，本发明还提供了一种粗粒土渗流直剪试验方法，包括以下步骤：提供上述的粗粒土渗流直剪试验装置，将粗粒土试样放置于上剪切盒1和下剪切盒2内；将渗透系统和测压系统与上、下剪切盒连接，通过垂直荷载加载部件4和水平荷载加载部件5分别施加垂直和水平方向荷载，同时开启渗透、测压系统；进行渗流下直剪试验时，在进、出水口和微型测压计9管口加滤网82及滤纸81，保证粗粒土中的细颗粒不会随水流被冲入管中；进行渗透破坏下直剪试验时，在进、出水口加滤网82，滤网82的孔径根据粗粒土颗粒尺寸确定，保证粗粒土中的细颗粒能够随水流被冲入管中，进而发生渗透破坏。垂直方向荷载P保持恒定不变，水平方向荷载施加方式采用应力式，水平方向荷载即水平剪切力F每一个加载周期增加额定荷载，一个加载周期可为20s，额定荷载为1/10P，即初始状态水平剪切力F为0，每隔20s增加1/10P；加载周期也可以是10s、15s、25、30s，额定荷载可以是1/5P、1/6P、1/8P、1/9P。保持渗透水压在剪切过程中为常水头；直接获得的试验数据垂直方向荷载P、水平剪切力F、剪切位移v、进水口渗流水压u_w1、出水口渗流水压u_w2、侧向的微型测压计9读数u_w。

如图5所示的粗粒土试样受力分析，根据土力学中一维渗流理论，对直剪试验中粗粒土在稳定渗流作用下的应力状态进行分析。

渗流梯度i、渗流梯度水平分量i_x、渗流梯度垂直分量i_y：

$i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_{w}l}---\left(1\right)$

$i_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_x}---\left(2\right)$

$i_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_y}---\left(3\right)$

当进水口和出水口位置互相交换时，以上装置和方法也同样适用，所述的i、i_x和i_y需在计算公式前加上负号，即，

$i=-\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_{w}l},$

$i_x=-\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_x},$

$i_y=-\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_y},$

渗透力j、渗透力水平分量j_x、渗透力垂直分量j_y：

$j=r_{w}i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l}---\left(4\right)$

$j_x=r_w{i}_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_x}---\left(5\right)$

$j_y=r_w{i}_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_y}---\left(6\right)$

公式(1)-(6)中，u_w1可以通过进水口测压计直接获得，u_w2可以通过出水口测压计直接获得；r_w为水的容重，取值9.81×10^-6N/mm³；l_x为进出水口间水平距离，其值等于进、出水口剪切盒内侧的水平距离与剪切位移之和；l_y为进出水口间垂直距离，其值等于进、出水口初始垂直距离与测试的相对变形之和；l为进出水口间直线距离，其值为其中，l_x、l_y、l的量纲为mm；

在整个试验过程中，粗粒土试样的剪切面15上的有效正应力σ'，根据整个试样受力平衡条件得到：

剪切面15上的有效正应力：

${\mathrm{\σ}}^{\′}=\frac{P}{A}+({\mathrm{\γ}}^{\′}+j_y)l_y---\left(7\right)$

剪切面15上的有效剪应力：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{F}{A}+j_x{l}_x\\ =\frac{F}{A}+(u_{w1}-u_{w2})\end{array}---\left(8\right)$

公式(7)-(8)中，γ'为粗粒土试样的浮容重，A为剪切面面积。其中，P和F的量纲为N；v的量纲为mm；u_w1、u_w2和u_w的量纲Pa，1Pa＝10^-6N/mm²。

通过试验获得的P、F、v、u_w1、u_w2、A，可以分析得到渗流作用下的σ'-τ'数据序列，根据序列特征可以分别选取库仑定律、莫尔-库伦强度理论或其他强度准则进行抗剪性能分析，利用相应的数学模型拟合公式对数据序列进行线性、非线性拟合，得到渗流作用下粗粒土的抗剪强度19。

通过实施进一步的试验，可以研究渗透破坏作用下粗粒土抗剪性能变化规律，最终试图寻求渗流梯度i、σ'、τ'、粗粒土颗粒尺寸d_max之间的函数关系：f(i，σ'，τ'，d_max)，建立一套能够客观反应天然地下水渗流或管涌渗透破坏状态下粗粒土抗剪性能的评价体系。

Claims (7)

1.粗粒土渗流直剪试验装置，包括上下叠放的上剪切盒和下剪切盒、框架、垂直荷载加载部件、水平荷载加载部件；所述框架包括反力柱，所述垂直荷载加载部件固连在框架上壁内侧，所述水平荷载加载部件固连在框架的一侧壁上；所述下剪切盒与框架底部之间设置有可沿剪切方向水平自由滑动的限位钢球，所述下剪切盒底部外侧和框架底部内侧沿剪切方向设置有对应的用于容纳限位钢球的钢珠槽，其特征在于：还包括渗透系统和测压系统，所述渗透系统包括进水装置、位于上下剪切盒一侧的进水口、出水装置、位于上下剪切盒另一侧的出水口，所述进水装置与进水口、出水装置与出水口分别通过管道连接；所述测压系统包括位于进、出水口的进水口流量计、进水口测压计、出水口流量计、出水口测压计及上剪切盒一侧下部和下剪切盒一侧上部的微型测压计；所述上、下剪切盒内部粗粒土试样用超弹材料整体密封；进行渗流作用下直剪试验时，在进、出水口和微型测压计管口加滤网及滤纸；进行管涌渗透破坏下直剪试验时，在进、出水口加滤网。

2.根据权利要求1所述的粗粒土渗流直剪试验装置，其特征在于：所述的进水口与出水口位置互换，进水口作为出水口，出水口作为进水口。

3.根据权利要求1所述的粗粒土渗流直剪试验装置，其特征在于：所述的进水口和出水口在上、下剪切盒侧面分别为竖直排列的两排。

4.根据权利要求3所述的粗粒土渗流直剪试验装置，其特征在于：所述上剪切盒和下剪切盒的横截面为内边长400mm×400mm的正方形。

5.粗粒土渗流直剪试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

提供如权利要求1至4任意一项所述的粗粒土渗流直剪试验装置，将粗粒土试样放置于上剪切盒和下剪切盒内；

将渗透系统和测压系统与上、下剪切盒连接，通过垂直荷载加载部件和水平荷载加载部件分别施加垂直和水平方向荷载，同时开启渗透、测压系统；

垂直方向荷载P保持恒定不变，水平方向荷载施加方式采用应力式，每一个加载周期水平剪切力F增加额定荷载，保持渗透水压在剪切过程中为常水头；

测得试验数据轴向荷载P、水平剪切力F、剪切位移v、进水口渗流水压u_w1、出水口渗流水压u_w2、侧向的微型测压计读数u_w。

6.根据权利要求5所述的粗粒土渗流直剪试验方法，其特征在于：所述的水平方向荷载加载周期为20s，额定荷载为1/10P。

7.根据权利要求5所述的粗粒土渗流直剪试验方法，其特征在于：由以下公式可以得到渗流梯度i、渗流梯度水平分量i_x、渗流梯度垂直分量i_y，

$i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_{w}l},$

$i_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_x},$

$i_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{r_w{l}_y},$

由以下公式可以得到渗透力j、渗透力水平分量j_x、渗透力垂直分量j_y，

$j=r_{w}i=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l},$

$j_x=r_w{i}_x=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_x},$

$j_y=r_w{i}_y=\frac{u_{w1}-u_{w2}}{l_y},$

其中，u_w1通过进水口测压计测得，u_w2通过出水口测压计测得，u_w1、u_w2和u_w的量纲为Pa，1Pa＝10^-6N/mm²；r_w为水的容重，取值9.81×10^-6N/mm³；

l_x为进出水口间水平距离，l_y为进出水口间垂直距离；l为进出水口间直线距离；其中，l_x、l_y、l的量纲为mm；

由以下公式可得有效正应力σ'、有效剪应力τ'，

${\mathrm{\σ}}^{\′}=\frac{P}{A}+({\mathrm{\γ}}^{\′}+j_y)l_y,$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{F}{A}+j_x{l}_x,\\ =\frac{F}{A}+(u_{w1}-u_{w2})\end{array},$

其中，P和F的量纲为N；γ'为粗粒土试样的浮容重、A为剪切面面积，γ'的量纲为N/mm³，A的量纲为mm²；由计算所得到的数据渗流梯度i、有效正应力σ'、有效剪应力τ'；通过上述步骤获得所述粗粒土渗流直剪试验的抗剪性能。