CN105954118A

CN105954118A - 三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器和试验方法

Info

Publication number: CN105954118A
Application number: CN201610374553.2A
Authority: CN
Inventors: 刘健; 李昱莹; 李红涛; 李选正; 岳秀丽; 解全; 解全一; 胡南琦; 吴智敏; 齐泊良
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: CN105954118B

Abstract

本发明公开了一种三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器和试验方法，包括为待测土体提供围压的供水装置，所述供水装置与为待测土体试样施加轴压的加压装置连接，所述加压装置包括压力室，压力室内盛放待测土体试样，所述压力室与温度控制装置连接，温度控制装置调节待测土体试样的环境温度以在不同温度下对待测土体试样进行试验。通过排水管的阀门控制排水和固结条件，温度控制装置可以调节土体温度环境。试验可以模拟在不同温度下的多级荷载的不排水不固结、不排水固结、排水固结条件下的土体的抗剪强度。

Description

三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器和试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程土的力学特性测试技术领域，具体涉及测定土体在不同排水条件固结条件下、不同温度条件下的三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器和试验方法。

背景技术

土的力学性质在建筑工程、道路桥梁工程、地下空间工程、水利工程等领域都具有非常重要的意义，是许多工程中必须掌握的基础特征。土体的抗剪强度是其力学性质中非常重要的一项指标，土的抗剪强度包括粘聚力c和内摩擦角Φ，抗剪强度在计算地基承载力、边坡稳定性等方面都是非常重要的。

土的抗剪强度指标是评价土的工程性质必不可少的，因此确定土的抗剪强度指标极为重要，抗剪强度指标的值可以通过室内试验或现场测试获得，常用的方法有直接剪切试验、三轴剪切试验、单轴压缩试验、十字板剪切试验等。其中三轴剪切试验具有试样应力条件明确、排水条件可以控制的优点，得到的土体抗剪强度指标较为准确。

传统三轴剪切试验的过程为：将被测土体试样放入压力室内，先对试样施加围压，再对试样施加垂直压力，使垂直压力不断增大，使土样剪坏。根据试样的固结和排水情况，三轴试验可以分为不固结不排水剪切试验，固结不排水剪切试验，固结排水剪切试验。

随季节变化，温度改变很大，土体的抗剪强度随温度变化也会有一定变化，而现在的三轴试验的环境温度一般都是室温，测得的土体的抗剪强度指标也只是在室温条件下的指标，不考虑在不同温度下土体抗剪强度的差异，不能体现土体抗剪强度随温度的变化引起的变化以及土体在某温度下的抗剪强度最小值。同时，大多现有的三轴试验仪器采用气泵或者水泵供围压，这种方式虽然简便易操作，但泵送的压力非常不稳定，本发明中所述装置为了改善这一不足，供水系统通过缓慢稳定地向导水管供水，多余的水流到溢流瓶中，水头稳定准确，因此能够提供稳定准确的围压，相对于用气泵、水泵等供压装置能够较好的控制变量。

发明内容

本发明的目的在于针对传统三轴剪切试验只考虑室温环境下的土体抗剪强度而不能在多种环境温度下进行试验的不足，提供一种简单易行、价格低廉、便于推广的可以模拟在多种环境温度下进行不顾街不排水剪切试验、固结不排水剪切试验、固结排水剪切试验的三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器和试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器，包括为待测土体提供围压的供水装置，所述供水装置与为待测土体试样施加轴压的加压装置连接，所述加压装置包括压力室，压力室内盛放待测土体试样，所述压力室与温度控制装置连接，温度控制装置调节待测土体试样的环境温度以在不同温度下对待测土体试样进行试验。

所述供水装置包括围压供水容器，所述围压供水容器通过导水管与压力室连通；通过围压供水容器给压力室提供持续供水，为待测土体提供围压。

所述围压供水容器内壁设有竖向导轨，所述竖向导轨上带有刻度；竖向导轨上设置刻度，可以精确设置导水管的高度，以给压力室提供稳定的设定围压。

所述竖向导轨与导水管连接，导水管上方对应设置有水箱；水箱为导水管提供水源，由竖向导轨带动导水管上下移动，无需其他动力即可为导水管供水，同时能够持续稳定为导水管供水，为压力室提供稳定的围压。

所述竖向导轨将围压供水容器分为上下两部分，围压供水容器下部分为溢流箱，导水管顶部开口为溢流口；围压供水容器经导水管给压力室提供持续供水，导水管中多余的水经由溢流口流入溢流箱内存储，保证给压力室提供稳定的围压。

所述加压装置还包括在压力室外部设置的反力架，所述反力架连接液压装置，液压装置对待测土体试样施加轴压。

优选的，所述液压装置与压力室配合处设有阻水塞；对液压装置和压力室的配合处形成密封，防止水由压力室内流出。

所述待测土体试样上部设有上透水石，待测土体下部设有下透水石，待测土体试样外侧包覆有乳胶膜，所述上透水石与排水管连接，所述排水管上设有阀门；设置阀门，可以方便控制试验过程中排水和固结条件。

所述反力架与液压装置之间设有压力传感器，压力传感器与数据处理装置连接；压力传感器检测液压装置的力数据，并将力数据传输给数据处理装置进行存储处理。

所述下透水石处设有光纤光栅，光纤光栅与数据处理装置连接；光纤光栅可以感知传递压力室内的温度和压力的数据，并将这些数据传输给数据处理装置进行存储处理。

所述温度控制装置包括设置于压力室内的冷浴液循环管，所述冷浴液循环管与低温恒温冷浴连通；通过设置冷浴液循环管和低温恒温冷浴，为压力室提供冷源，给压力室降温。

所述温度控制装置还包括设置于压力室内的电阻丝和温度传感器，所述电阻丝、低温恒温冷浴和温度传感器均与温度控制器连接，温度控制器控制压力室内的温度保持在设定温度；通过在压力室内设置电阻丝，可以在压力室内水温低于设定温度时，对压力室内的水进行加热，同时通过温度控制装置控制压力室内水温保持在设定温度。

优选的，所述冷浴液循环管沿压力室内壁设置，所述电阻丝设置于压力室内壁上；使冷浴液循环管和电阻丝稳固设置在压力室内，冷浴液循环管和电阻丝布设在压力室的整个范围内，可以使压力室内的水温均匀调整，不会因水流在压力室内的流动而对冷浴液循环管和电阻丝造成影响，妨碍对压力室水温的调整控制。

所述温度控制器还与数据处理装置连接；温度控制器将检测的温度信号传输给数据处理装置。

三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：将包覆乳胶膜的待测土体试样放置于压力室中；

步骤2：移动导水管至设定高度，由供水装置为压力室提供稳定的围压；

步骤3：温度控制装置调节控制压力室内的水温达到设定温度并恒定在该温度；

步骤4：分别对待测土体试样进行不固结不排水试验、固结不排水试验、固结排水试验；

步骤5：数据处理装置收集试验过程中的数据，并进行分析处理，得出土体的抗剪强度指标。

所述步骤2的具体步骤为：

将导水管移动至设定高度处，向供水装置的导水管中注水，水通过导水管进入压力室，逐渐充满压力室和导管，然后向导管提供缓慢、稳定的持续供水，使导水管中的水位始终保持在设定高度处以为压力室提供稳定围压，导水管中多余的水会溢出流入供水装置中。

所述步骤3的具体步骤为：

温度控制装置监测压力室中水的温度，当温度低于设定温度时，温度控制器使电阻丝工作给压力室中水加热，达到设定温度后压力室外罩对其保温使水温恒定；当压力室中水的温度高于设定温度时，温度控制器使低温恒温冷浴工作，给压力室中水降温，达到设定温度后压力室外罩对其保温并使水温恒定。

所述步骤4中进行不固结不排水试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门始终处于关闭状态，整个试验过程中待测土体试样含水率不变，使土体试样不排水不固结，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。

所述步骤4中进行固结不排水试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门始终处于关闭状态，整个试验过程中待测土体试样含水率不变，使待测土体试样在此压力下充分固结，使土体试样不排水固结，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。

所述步骤4中进行排水固结试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门打开，待测土体试样排水，使待测土体试样在此压力下充分固结，然后关闭阀门，使土体试样固结不排水，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，施加轴向压力的过程中待测土体试样不再排水，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。

本发明的有益效果为：

1.本发明中试验装置的供水系统通过缓慢稳定地向导水管供水，多余的水流到溢流瓶中，水头稳定准确，因此能够提供稳定准确的围压，相对于用气泵、水泵等供压装置能够较好的控制变量。

2.本发明中试验装置的温度控制系统能较为准确的控制试验温度，能提供低温、常温、高温的温度环境，试验可得出土体在不同温度环境下的抗剪强度，弥补现行三轴试验仪器不能控制温度变量的缺陷。

3.本发明通过排水管的阀门控制排水和固结条件，温度控制装置可以调节土体温度环境。试验可以模拟在不同温度下的多级荷载的不排水不固结、不排水固结、排水固结条件下的土体的抗剪强度。

附图说明

图1为本发明试验装置侧视图；

图2为剪应力与法向应力的关系图；

图中，1—围压供水瓶，1.1—带刻度的竖向导轨，1.2—溢流箱，1.3—溢流箱底座，1.4—溢流口，2—导水管，3—反力架，4—压力室，5—下透水石，6—光纤光栅，7—压力传感器，8—加压千斤顶，9—阻水塞，10—上透水石，11—透明乳胶膜，12—排水管，13—排水管开关，14—冷浴液循环铜管，15—电阻丝，16—温度控制器，17—低温恒温冷浴，18—数据处理装置，19—水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器，从左到右包括供水装置，加压装置和温度控制装置、数据处理装置。其中，供水装置提供围压，加压装置用于盛放被测土体以及施加轴压，温度控制装置可以调节试验中土体的环境温度，数据处理装置用于收集数据以及分析数据。

供水装置包括围压供水瓶1和导水管2，围压供水瓶1包括带刻度的竖向导轨1.1、溢流箱1.2、溢流箱底座1.3和溢流口1.4。溢流口1.4用以保持供水瓶1的水位保持在同一水平，溢流口1.4上方对应设置水箱19，水箱19向导水管2内注水，竖向导轨1.1和围压供水瓶1之间并不密封，具有缝隙，多余的水由溢流口1.4流入溢流箱1.2，溢流箱1.2用以盛装供水瓶中1的溢流水。加压装置从上到下包括反力架3、压力室4、上透水石10、光纤光栅6、压力传感器7、加压千斤顶8、阻水塞9、下透水石5、透明乳胶膜11、排水管12和排水管开关13。千斤顶8提供轴向压力，反力架3给千斤顶8提供反力，使千斤顶8的力能施加到土体上，反力架3与千斤顶8之间有压力传感器7，千斤顶8上方的压力传感器7可以测到千斤顶8的力，压力传感器7连接信息处理装置，可将轴力的数据传送到数据处理装置18。土体试样中埋有光纤光栅6，光纤光栅6连接信息处理装置18，在上透水石10处连接排水管12，排水管上带有排水管开关13以控制试验的排水固结条件。排水管开关13可以控制排水、固结条件。

温度控制装置包括冷浴液循环铜管14、电阻丝15、温度控制器16和低温恒温冷浴17。温度控制器16可以控制电阻丝15和低温恒温冷浴17，使土体试样周围水的温度恒定在设定温度。数据处理装置18可接收数据，并进行数据分析。通过温度控制装置调节温度,进行不同温度下的三轴试验。电阻丝15和冷浴循环铜管14放置于压力室4外罩的内壁。温度控制器收集到土体试验过程中的压力室中水的温度，当温度低于设定温度时，温度控制器使电阻丝工作给压力室中水加热，达到设定温度后保温使温度恒定；当压力室中水的温度高于设定温度时，温度控制器使低温恒温冷浴工作，给水降温，并使水温恒定于设定水温。温度控制器与数据处理装置相连，数据处理装置可以接收温度信息并对其进行分析处理。试验过程中将被测土体放入压力室4中，供水装置提供围压，在周围压力施加过程中通过控制排水口开关决定是否排水固结，设置试验中土体的环境温度，使温度控制装置将压力室中的水温维持在设定温度，然后用千斤顶对被测土体施加轴向压力，逐渐增大轴向压力，使土样破坏。

土体试样放置于下透水石5和上透水石10之间并用透明乳胶膜11紧密包裹，能将土体试样、透水石紧密的包裹起来。

围压供水瓶1外壁和压力室4外壁为双层真空有机玻璃，具有保温功能，围压供水瓶1瓶壁上带有刻度。

连接供水装置与压力室4的导水管2为软胶皮管，上下移动导水管2至设定高度处并固定，并向导水管中加水至压力室与导管充满，然后向导管提供持续缓慢稳定的供水，多余的水会溢出至围压供水瓶中，以维持围压始终稳定在设定值。

利用本发明试验仪器的试验过程为：

步骤1：将土体试样放到上下透水石之间，用透明橡胶模紧密包裹，放入压力室中。

步骤2：将导水管上下移动至设定高度处，向围压供水装置的导水管中注水，水通过导水管进入压力室，逐渐充满压力室和导管，然后向导管提供缓慢、稳定的持续供水，使水位始终保持在设定高度处，多余的水会溢出，流入供水瓶中。

步骤3：开启温度控制装置，将设定温度定为所需温度，温度控制器收集到压力室中水的温度，当温度低于设定温度时，温度控制器使电阻丝工作给压力室中水加热，达到设定温度后保温使温度恒定；当压力室中水的温度高于设定温度时，温度控制器使低温恒温冷浴工作，给水降温，并使水温恒定于设定水温。

步骤4：对于不固结不排水试验、固结不排水试验、固结排水试验分别为以下步骤。

不固结不排水试验：

在提供围压过程中，排水管的开关始终处于关闭状态,不允许试样排水，整个试验过程中含水率不变，使土体试样不排水不固结。千斤顶对土体试样施加轴向压力，逐渐增大轴向压力，至土体试样破坏。

固结不排水试验：在提供围压过程中，排水管的开关打开，允许试样排水，使试样在此压力下充分固结，然后关闭排水阀，使土体试样固结不排水。千斤顶对土体试样施加轴向压力，施加轴向压力的过程中试样不再排水，逐渐增大轴向压力，至土体试样破坏。

排水固结试验：在提供围压过程中，排水管的开关始终处于关闭状态,不允许试样排水，整个试验过程中含水率不变，使土体试样不排水不固结。千斤顶对土体试样施加轴向压力，逐渐增大轴向压力，至土体试样破坏。

步骤5：收集数据，进行分析处理，整理试验结果后得到土体的抗剪强度指标，即土体的抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角

试验过程中需要收集的数据有：

试样面积A、试样高度h₀、水头差h、轴向压力F₁、轴向压缩值Δh，破坏平面和最大主应力平面之间的夹角θ等。

根据以上收集的数据，计算出轴向应变ε＝Δh/h₀,大主应力σ₁，小主应力σ₃，主应力差σ₁-σ₃。

破坏平面内的正应力σ和剪应力τ可由力平衡求出：

σ＝σ₁cosθ+σ₃sinθ，

τ＝(σ₁-σ₃)cosθsinθ，

式中，

σ₁——最大主应力；

σ₃——最小主应力；

θ——破坏平面和最大主应力平面之间的夹角。

对土体在不同的σ₃情况下作试验，可得出发生破坏时的一系列σ₁。

以(σ₁-σ₃)的峰值为破坏点，无峰值时取15％轴向应变时的主应力差作为破坏点。如图2所示，以法向应力为横坐标，剪应力为纵坐标，在横坐标上以(σ₁+σ₃)/2为圆心，(σ₁-σ₃)/2为半径，绘制破损应力图，并绘制不同周围压力下破损应力圆的包线。

图2中的半圆为莫尔圆，图2中直线为莫尔包络线，莫尔圆和莫尔包络线相切的点表示产生破坏时的平面方位及平面上的应力状态。

莫尔包络线可用下式表示为

式中，

τ——散粒体抗剪强度；

c——散粒体粘聚力；

σ——破坏平面上的正应力；

——内摩擦角。

莫尔包络线和水平线的夹角即为土体的内摩擦角莫尔包络线即表示土体的剪切强度。

具体实施例1：30摄氏度温度环境下不固结不排水试验：

将土体试样放到上下透水石之间，用透明橡胶模紧密包裹，放入压力室中。

将导水管上下移动至设定高度处，向围压供水装置的导水管中注水，水通过导水管进入压力室，逐渐充满压力室和导管，然后向导管提供缓慢、稳定的持续供水，使水位始终保持在设定高度处，多余的水会溢出，流入供水瓶中。

开启温度控制装置，将设定温度定为30摄氏度，温度控制器收集到压力室中水的温度，当温度低于设定温度时，温度控制器使电阻丝工作给压力室中水加热，达到设定温度后保温使温度恒定；当压力室中水的温度高于设定温度时，温度控制器使低温恒温冷浴工作，给水降温，并使水温恒定于设定水温。

具体实施例2：30摄氏度温度环境下固结不排水试验：

在提供围压过程中，排水管的开关打开，允许试样排水，使试样在此压力下充分固结，然后关闭排水阀，使土体试样固结不排水。千斤顶对土体试样施加轴向压力，施加轴向压力的过程中试样不再排水，逐渐增大轴向压力，至土体试样破坏。

具体实施例3：30摄氏度温度环境下固结排水试验：

在提供围压过程中，排水管的开关打开,允许试样排水，使试样在此压力下充分固结，千斤顶对土体试样施加轴向压力，施加轴向压力的过程中排水口开关也始终处于打开状态，在整个试验过程中试样都充分排水，土样中不产生孔隙水压力，逐渐增大轴向压力，至土体试样破坏。

具体实施例4：10摄氏度环境下不固结不排水试验：

开启温度控制装置，将设定温度定为10摄氏度，温度控制器收集到压力室中水的温度，当温度低于设定温度时，温度控制器使电阻丝工作给压力室中水加热，达到设定温度后保温使温度恒定；当压力室中水的温度高于设定温度时，温度控制器使低温恒温冷浴工作，给水降温，并使水温恒定于设定水温。

具体实施例5：10摄氏度环境下固结不排水试验：

具体实施例6：10摄氏度环境下固结排水试验：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.三轴试验测试土体抗剪强度指标的试验仪器，其特征是，包括为待测土体提供围压的供水装置，所述供水装置与为待测土体试样施加轴压的加压装置连接，所述加压装置包括压力室，压力室内盛放待测土体试样，所述压力室与温度控制装置连接，温度控制装置调节待测土体试样的环境温度以在不同温度下对待测土体试样进行试验。

2.如权利要求1所述的试验仪器，其特征是，所述供水装置包括围压供水容器，所述围压供水容器通过导水管与压力室连通；所述围压供水容器内壁设有竖向导轨，所述竖向导轨上带有刻度；所述竖向导轨与导水管连接，导水管上方对应设置有水箱；所述竖向导轨将围压供水容器分为上下两部分，围压供水容器下部分为溢流箱，导水管顶部开口为溢流口。

3.如权利要求1所述的试验仪器，其特征是，所述加压装置还包括在压力室外部设置的反力架，所述反力架连接液压装置，液压装置对待测土体试样施加轴压；所述反力架与液压装置之间设有压力传感器，压力传感器与数据处理装置连接；

所述待测土体试样上部设有上透水石，待测土体下部设有下透水石，待测土体试样外侧包覆有乳胶膜，所述上透水石与排水管连接，所述排水管上设有阀门；所述下透水石处设有光纤光栅，光纤光栅与数据处理装置连接。

4.如权利要求1所述的试验仪器，其特征是，所述温度控制装置包括设置于压力室内的冷浴液循环管，所述冷浴液循环管与低温恒温冷浴连通；所述温度控制装置还包括设置于压力室内的电阻丝和温度传感器，所述电阻丝、低温恒温冷浴和温度传感器均与温度控制器连接，温度控制器控制压力室内的温度保持在设定温度；所述温度控制器还与数据处理装置连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的试验仪器的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：将包覆乳胶膜的待测土体试样放置于压力室中；

6.如权利要求5所述的试验仪器的试验方法，其特征是，所述步骤2的具体步骤为：

将导水管移动至设定高度处，向供水装置的导水管中注水，水通过导水管进入压力室，逐渐充满压力室和导水管，然后向导水管提供缓慢、稳定的持续供水，使导水管中的水位始终保持在设定高度处以为压力室提供稳定围压，导水管中多余的水会溢出流入供水装置中。

7.如权利要求5所述的试验仪器的试验方法，其特征是，所述步骤3的具体步骤为：

8.如权利要求5所述的试验仪器的试验方法，其特征是，所述步骤4中进行不固结不排水试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门始终处于关闭状态，整个试验过程中待测土体试样含水率不变，使土体试样不排水不固结，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。

9.如权利要求5所述的试验仪器的试验方法，其特征是，所述步骤4中进行固结不排水试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门始终处于关闭状态，整个试验过程中待测土体试样含水率不变，使待测土体试样在此压力下充分固结，使土体试样不排水固结，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。

10.如权利要求5所述的试验仪器的试验方法，其特征是，所述步骤4中进行排水固结试验时，在供水装置提供围压过程中，使压力室排水管的阀门打开，待测土体试样排水，使待测土体试样在此压力下充分固结，然后关闭阀门，使土体试样固结不排水，然后通过加压装置对待测土体试样施加轴向压力，施加轴向压力的过程中待测土体试样不再排水，并逐渐增大轴向压力，至待测土体试样破坏。