CN106092773B - 一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟浸泡‑风干循环作用的土体直剪试验装置及方法，本装置包括试验台、气水交换器和支座三部分，气水交换器通过管道与储水箱连接，储水箱又通过进水管与试验台上的储水槽连通，试验台安装在支座上。在试验台上的剪切装置中，位于非剪切位移方向的两个侧面的储水槽中安装有加热片，通过设定温度传感控制仪的加热温度和时间来控制加热片对土样的加热烘干过程；与储水箱连通的气水交换器，通过将气压转化为水压来实现对水槽内水压的监控与量测。本试验装置可以在剪切盒内直接进行土样的干湿循环操作和相关直剪试验，避免手工操作的繁琐，提高试验效率，减小由于人工操作而带来的误差。

Description

一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种土体试验装置，特别涉及一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置及方法。

背景技术

近年来，干湿循环对特定地区的膨胀土的土体强度的影响研究已取得一些进展，但是相关库岸边坡消落带土体的干湿循环作用下研究目前仍然很少。典型的三峡工程竣工后，三峡库区的库水位大幅提升并且在145~175m之间循环变化，库区的水文地质环境也随之发生了巨大的变化，这必然会影响岸坡的稳定性。三峡库区蓄水后，库岸边坡消落带岩土体在水库周期性升降作用下处于一种“风干—浸泡”交替状态。现有土体干湿循环作用模拟试验中，一般是将所取的土样用纯水浸泡24h后，然后将土样放置入烘箱中，在温度105~110℃下烘干到恒量，该过程作为一次干湿循环。此过程不能真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡风干循环过程，在试验过程中各环节需要人工操作，过程繁琐，耗时长，试验精度低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置及方法，该装置不仅可以准确完成试验，而且能够实现以下两种实验过程：第一，试样安装好之后，可以按照设定要求先进行无外荷载的浸泡-风干循环作用，结束之后进行直剪试验，研究浸泡-风干循环作用对土样抗剪强度参数的影响；第二，试样安装好之后，先施加设定的法向荷载和水平荷载，再进行浸泡-风干循环作用，探究土样在浸泡-风干循环作用下的流变特性。此二种过程均实现了自动化，简化了试验流程，控制了人为因素对实验结果的影响。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置，它包括试验台、气水交换器和支座，气水交换器与试验台的储水槽连通，支座安装在试验台底部，所述试验台上设置有剪切装置，所述剪切装置包括法向位移传感器，所述法向位移传感器固定在竖向加载装置的传压杆上，多孔传压板的密封盖与储水槽通过密封橡胶圈和固定螺栓进行密封连接，在储水槽的下部设置进水通道，进水通道将储水槽中的水通过透水石输送给土样；所述进水通道通过进水管与储水箱相连，所述进水管上靠近进水通道一端安装有进水管阀门，靠近储水箱的一端安装有储水箱出口阀门，所述储水箱同时与气水交换器相连；所述储水槽内部位于非剪切位移方向的两个侧面竖直安装有加热片，所述加热片通过发热片控制线路与温度传感控制仪相连；所述储水槽内部安装有下剪切盒，所述下剪切盒上安装有上剪切盒，所述上剪切盒的侧面安装有剪切力加载装置，所述剪切力加载装置包括剪切力加压推头，剪切力加压推头与推动座相接触，推动座的底部设置有推动座，所述推动座的另一侧面通过推杆与上剪切盒相接触，所述推杆上安装有切向位移传感器；所述竖向加载装置的末端安装有联动装置。

所述气水交换器的底部安装有气水交换器接头，气水交换器接头通过管道与储水箱的底部进口相连，所述管道上靠近储水箱一端设置有储水箱进口阀门，靠近气水交换器接头一端设置有气水交换器开关，所述气水交换器的顶部安装有精密调压器，所述精密调压器与精密数显压力器相连。

所述储水槽的侧面根部连通有玻璃刻度管。

所述多孔传压板上加工有出气、水孔。

所述储水槽底部的进水通道上连接有出水管，出水管的另一端设置在废水箱内部，所述出水管上安装有出水管阀门。

所述密封盖的顶部安装有密封盖出气孔，所述密封盖出气孔上安装有出气管，所述出气管上安装有出气管阀门。

所述下剪切盒和上剪切盒的顶面都设置有插销孔。

采用上述试验装置进行浸泡-风干循环试验方法，其特征在于，它包括以下几个步骤，

步骤1：试验者首先将上剪切盒和下剪切盒对准，插入插销固定，再将透水石、滤纸依次放入下剪切盒中，接着将制备好的土样装入剪切盒中，最后在土样上放置滤纸、透水石，盖上多孔传压板，并安装法向位移传感器；

步骤2：首先在储水槽和多孔传压板外围的密封盖之间垫一个密封橡胶圈，然后用固定螺栓将两者连接，以此来保证储水槽和多孔传压板外围的密封盖形成的内部空间气密性良好。

步骤3：将气水交换器与储水槽通过连接管连接起来，保证连接管两端的气水交换器接头和加压盒接头连接效果良好，便于后续对储水槽内水进行加压操作；

步骤4：土样的饱水处理，为了更加真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡饱水过程，在本装置中采用自由浸水法饱和试样，先通过储水箱向水槽注水至试样高度1/4处，水槽下部设置的进水通道将水槽中的水通过透水石输送给土样，土样中的气体通过传压板出气孔排出土样，然后每隔2h分别注水至试样高度的1/2处和3/4处，6h后全部浸泡试样，然后浸泡48h，土样达到自由饱水状态；

步骤5：水压力的施加，通过储水箱向水槽注满水，直到盖板上传压板出气、水孔孔不再冒出气泡为止，关上传压板出气、水孔和密封盖出气孔阀门。打开气水交换器开关，通过精密调压器设定相应的压力值，然后通过控制气水交换器的气压并将气压转化为水压，可按照设计要求施加相应的水压力；

步骤6：土样的干燥处理，打开加压盒接头和储水槽底部的出水管阀门，通过出水管将储水槽和进水通道中的水排出，当水排完之后，设定温度传感控制仪的加热温度和时间，对土样进行加热烘干；

步骤7：重复上述步骤4~5，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。

本发明有如下有益效果：

1、本装置在浸泡-风干循环过程中，可以方便测试土样在侧限条件下的竖向变形。

2、本装置可先施加一定的法向荷载和剪切荷载，在有荷作用下进行浸泡-风干循环作用，试验模拟过程更接近真实的消落带土体干湿循环作用过程。

3、本装置将土样的干燥和浸湿过程均简化为在剪切盒内进行，实现了土样浸泡-风干循环作用的全自动化控制，包括水压力的大小和施加的过程、时间，同时可以控制风干的时间和温度，避免将土样移出剪切盒再进行干燥和饱和的操作，避免手工操作的繁琐，加快了试验进程，有效控制了由于人工操作而带来的误差。

4、储水槽的根部连通一个玻璃刻度管，用于对储水槽中的水位进行观测。

5、所述的竖向加载装置通过添加砝码实现竖向力的加载。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是浸泡-风干循环直剪仪示意图。

图2是剪切盒正剖面图。

图3是剪切盒侧剖面图。

图4是储水槽盒壁剖面图。

图5是上剪切盒俯视图。

图6是下剪切盒俯视图。

图7是多孔传压板俯视图。

图8是试样受剪示意图。

图9是透水石结构示意图。

图中：1-剪切传动机构，2-推动座，3-下剪切盒，4-上剪切盒，5-法向位移传感器，6-多孔传压板，7-透水石，8-储水槽，9-温度传感控制仪，10-切向位移传感器，11-联动装置，12-传压板出气、水孔，13-发热片控制线路，14-固定螺栓，15-密封盖，16-进水通道，17-密封橡胶圈，18-发热片，19-精密数显压力器，20-精密调压器，21-气水交换器，22-气水交换器接头，23-气水交换器开关，24-支座，25-剪切力加压推头，26-试验台，27-竖向加载装置，28-土样，29-密封盖出气孔，30-出气管，31-出气管阀门，32-储水箱，33-储水箱进口阀门，34-储水箱出口阀门，35-进水管，36-进水管阀门，37-出水管阀门，38-出水管，39-废水箱，40-玻璃刻度管，41-插销孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-9，一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置，它包括试验台26、气水交换器21和支座24，气水交换器21与试验台26的储水槽8连通，支座24安装在试验台26底部，所述试验台26上设置有剪切装置，所述剪切装置包括法向位移传感器5，所述法向位移传感器5固定在竖向加载装置27的传压杆上，多孔传压板6的密封盖15与储水槽8通过密封橡胶圈17和固定螺栓14进行密封连接，在储水槽8的下部设置进水通道16，进水通道16将储水槽8中的水通过透水石7输送给土样28，进而使土样28吸水饱和。

进一步的，所述进水通道16通过进水管35与储水箱32相连，所述进水管35上靠近进水通道16一端安装有进水管阀门36，靠近储水箱32的一端安装有储水箱出口阀门34，所述储水箱32同时与气水交换器21相连；所述储水槽8内部位于非剪切位移方向的两个侧面竖直安装有加热片18，所述加热片18通过发热片控制线路13与温度传感控制仪9相连；所述储水槽8内部安装有下剪切盒3，所述下剪切盒3上安装有上剪切盒4，所述上剪切盒4的侧面安装有剪切力加载装置，所述剪切力加载装置包括剪切力加压推头25，剪切力加压推头25与推动座2相接触，推动座2的底部设置有推动座2，所述推动座2的另一侧面通过推杆与上剪切盒4相接触，所述推杆上安装有切向位移传感器10；所述竖向加载装置27的末端安装有联动装置11。工作过程中通过竖向加载装置27对土样进行竖向载荷的加载，通过剪切力加载装置对土样提供剪切力。

进一步的，所述加热片18可以加热槽内空气，并且剪切盒也可通过热传递将热量传递给土样，进而对土样进行加热烘干。与加热片控制线路相连的有温度传感控制仪。温度传感控制仪可以设定加热温度和控制加热时间，以此来控制土样的加热烘干过程。

进一步的，水槽底部设有进水通道。通过控制水压将储水槽中的水输送到土样中去，对土样进行加水浸泡。

进一步的，水槽外接气水交换器。气水交换器可以将气压转换为水压，以此来控制储水槽内的水压。

进一步的，所述储水槽8的侧面根部连通有玻璃刻度管40。用于对储水槽8中的水位进行观测。

进一步的，所述多孔传压板6上加工有出气、水孔12。在试验过程中用来让土样中的气体和水排出土样外。

进一步的，所述气水交换器21的底部安装有气水交换器接头22，气水交换器接头22通过管道与储水箱32的底部进口相连，所述管道上靠近储水箱32一端设置有储水箱进口阀门33，靠近气水交换器接头22一端设置有气水交换器开关23，所述气水交换器21的顶部安装有精密调压器20，所述精密调压器20与精密数显压力器19相连。通过紧密调压器20能够调节供水压力。

进一步的，所述储水槽8底部的进水通道16上连接有出水管38，出水管38的另一端设置在废水箱39内部，所述出水管38上安装有出水管阀门37。

进一步的，所述密封盖15的顶部安装有密封盖出气孔29，所述密封盖出气孔29上安装有出气管30，所述出气管30上安装有出气管阀门31。

进一步的，所述下剪切盒3和上剪切盒4的顶面都设置有插销孔41。通过插销孔41能够起到快速定位的目的。

实施例2：

采用上述试验装置进行浸泡-风干循环试验方法，其特征在于，它包括以下几个步骤，

步骤1：试验者首先将上剪切盒4和下剪切盒3对准，插入插销固定，再将透水石7、滤纸依次放入下剪切盒3中，接着将制备好的土样28装入剪切盒中，最后在土样上放置滤纸、透水石7，盖上多孔传压板6，并安装法向位移传感器5；

步骤2：首先在储水槽8和多孔传压板6外围的密封盖15之间垫一个密封橡胶圈17，然后用固定螺栓14将两者连接，以此来保证储水槽8和多孔传压板6外围的密封盖15形成的内部空间气密性良好。

步骤3：将气水交换器21与储水槽8通过连接管连接起来，保证连接管两端的气水交换器接头和加压盒接头连接效果良好，便于后续对储水槽内水进行加压操作；

步骤4：土样的饱水处理，为了更加真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡饱水过程，在本装置中采用自由浸水法饱和试样，先通过储水箱向水槽注水至试样高度1/4处，水槽下部设置的进水通道将水槽中的水通过透水石输送给土样，土样中的气体通过传压板出气孔排出土样，然后每隔2h分别注水至试样高度的1/2处和3/4处，6h后全部浸泡试样，然后浸泡48h，土样达到自由饱水状态；

步骤5：水压力的施加，通过储水箱向水槽注满水，直到盖板上传压板出气、水孔12孔不再冒出气泡为止，关上传压板出气、水孔12和密封盖15出气孔阀门。打开气水交换器开关23，通过精密调压器20设定相应的压力值，然后通过控制气水交换器21的气压并将气压转化为水压，可按照设计要求施加相应的水压力；

步骤6：土样的干燥处理，打开加压盒接头和储水槽底部的出水管阀门，通过出水管将储水槽和进水通道中的水排出，当水排完之后，设定温度传感控制仪的加热温度和时间，对土样进行加热烘干；

步骤7：重复上述步骤4~5，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。

本发明的工作原理和工作过程：

土样的吸水饱和由以下过程实现：首先通过密封盖进水孔向储水槽8注水至土样高度1/4处，储水槽下部设置的进水通道将储水槽中的水通过透水石7输送给土样，土样中的气体通过传压板出气孔排出土样28，然后每隔2h分别注水至土样高度的1/2处和3/4处，6h后全部浸泡试样，然后浸泡48h，土样达到自由饱水状态。

对水槽中的水进行加压的过程通过外接的气水交换器21进行：首先根据需要通过调节精密调压器20对进入气水交换器21的气体压力进行控制，并通过精密数显压力器19对进入气水交换器21的气压进行测量，当气体进入气压交换器21后通过内部装置将产生等压力水首先通过储水箱32，然后通过进水管35将其输送到剪切装置的水槽中，达到对水槽中的水进行加压的目的。在水槽中位于非剪切位移方向的两个侧面的储水槽8中安装有加热片18，通过设定温度传感控制仪9的加热温度和时间来控制加热片18对土样28的加热烘干过程：一方面，加热片18对上剪切盒4和下剪切盒3进行加热，然后上剪切盒4和下剪切盒3通过热传递将热量传递给土样28，另一方面，加热片18可以加热槽内空气，进而对土样28进行干燥，两方面的加热作用可以加快对土样28加热烘干的进程。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置，它包括试验台（26）、气水交换器（21）和支座（24），气水交换器（21）与试验台（26）的储水槽（8）连通，支座（24）安装在试验台（26）底部，其特征在于：所述试验台（26）上设置有剪切装置，所述剪切装置包括法向位移传感器（5），所述法向位移传感器（5）固定在竖向加载装置（27）的传压杆上，所述传压杆上套装有多孔传压板（6），所述储水槽（8）的顶部通过密封橡胶圈（17）和固定螺栓（14）固定安装有密封盖（15），在储水槽（8）的下部设置进水通道（16），进水通道（16）将储水槽（8）中的水通过透水石（7）输送给土样（28）；所述进水通道（16）通过进水管（35）与储水箱（32）相连，所述进水管（35）上靠近进水通道（16）一端安装有进水管阀门（36），靠近储水箱（32）的一端安装有储水箱出口阀门（34），所述储水箱（32）同时与气水交换器（21）相连；所述储水槽（8）内部位于非剪切位移方向的两个侧面竖直安装有加热片（18），所述加热片（18）通过发热片控制线路（13）与温度传感控制仪（9）相连；所述储水槽（8）内部安装有下剪切盒（3），所述下剪切盒（3）上安装有上剪切盒（4），所述上剪切盒（4）的侧面安装有剪切力加载装置，所述剪切力加载装置包括剪切力加压推头（25），剪切力加压推头（25）与推动座（2）相接触，推动座（2）的底部设置有剪切传动机构（1），所述推动座（2）的另一侧面通过推杆与上剪切盒（4）相接触，所述推杆上安装有切向位移传感器（10）；所述竖向加载装置（27）的末端安装有联动装置（11）；

所述气水交换器（21）的底部安装有气水交换器接头（22），气水交换器接头（22）通过管道与储水箱（32）的底部进口相连，所述管道上靠近储水箱（32）一端设置有储水箱进口阀门（33），靠近气水交换器接头（22）一端设置有气水交换器开关（23），所述气水交换器（21）的顶部安装有精密调压器（20），所述精密调压器（20）与精密数显压力器（19）相连；

所述储水槽（8）的侧面根部连通有玻璃刻度管（40）；

所述储水槽（8）底部的进水通道（16）上连接有出水管（38），出水管（38）的另一端设置在废水箱（39）内部，所述出水管（38）上安装有出水管阀门（37）；

所述密封盖（15）的顶部安装有密封盖出气孔（29），所述密封盖出气孔（29）上安装有出气管（30），所述出气管（30）上安装有出气管阀门（31）；

所述多孔传压板（6）位于上剪切盒（4）内的透水石（7）的上方。

2.根据权利要求1所述一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置，其特征在于：所述多孔传压板（6）上加工有出气、水孔（12）。

3.根据权利要求1所述一种模拟浸泡-风干循环作用的土体直剪试验装置，其特征在于：所述下剪切盒（3）和上剪切盒（4）的顶面都设置有插销孔（41）。

4.采用权利要求1-3任意一项所述试验装置进行浸泡-风干循环试验方法，其特征在于，它包括以下几个步骤，

步骤1：试验者首先将上剪切盒（4）和下剪切盒（3）对准，插入插销固定，再将透水石（7）、滤纸依次放入下剪切盒（3）中，接着将制备好的土样（28）装入剪切盒中，最后在土样上放置滤纸、透水石（7），盖上多孔传压板（6），并安装法向位移传感器（5）；

步骤2：首先在储水槽（8）和多孔传压板（6）外围的密封盖（15）之间垫一个密封橡胶圈（17），然后用固定螺栓（14）将两者连接，以此来保证储水槽（8）和多孔传压板（6）外围的密封盖（15）形成的内部空间气密性良好；

步骤3：将气水交换器（21）与储水槽（8）通过连接管连接起来，保证连接管两端的气水交换器接头和加压盒接头连接效果良好，便于后续对储水槽内水进行加压操作；

步骤4：土样的饱水处理，为了更加真实模拟库岸边坡消落带土体的浸泡饱水过程，在本装置中采用自由浸水法饱和试样，先通过储水箱向水槽注水至试样高度1/4处，水槽下部设置的进水通道将水槽中的水通过透水石输送给土样，土样中的气体通过传压板出气孔排出土样，然后每隔2h分别注水至试样高度的1/2处和3/4处，6h后全部浸泡试样，然后浸泡48h，土样达到自由饱水状态；

步骤5：水压力的施加，通过储水箱向水槽注满水，直到盖板上传压板出气、水孔（12）孔不再冒出气泡为止，关上传压板出气、水孔（12）和密封盖（15）出气孔阀门；打开气水交换器开关（23），通过精密调压器（20）设定相应的压力值，然后通过控制气水交换器（21）的气压并将气压转化为水压，可按照设计要求施加相应的水压力；

步骤6：土样的干燥处理，打开加压盒接头和储水槽底部的出水管阀门，通过出水管将储水槽和进水通道中的水排出，当水排完之后，设定温度传感控制仪的加热温度和时间，对土样进行加热烘干；

步骤7：重复上述步骤4~5，按此循环规律继续循环操作，具体循环次数依据不同试验要求进行具体的设定，最后干湿循环试验结束，进行后续相关的试验操作和实验数据的测定。