CN107942031A - 土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法 - Google Patents

土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法 Download PDF

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Abstract

土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，包括以下步骤：(1)设定土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统，土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统包括晴雨交替试验装置和直剪装置，晴雨交替试验装置包括箍环和大尺寸环刀，大尺寸环刀在竖向方向依次排列，相邻两个大尺寸环刀之间用箍环固定；(2)制取土体试样，将土体试样安装在晴雨交替试验装置内，土体试样上施加竖向荷载；(3)晴雨交替试验，对土体试样实行模拟降雨过程和模拟晴天蒸发过程；(4)直剪试验，对土体试样进行分层剪切，测量并记录每两层被剪切时的剪切强度。本发明能模拟真实荷载下的晴雨交替作用并同时进行直剪，还具有操作简便、模拟试验的结果更为精准等优点，属于岩土工程试验及工程运用技术领域。

Description

土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程试验及工程运用技术领域，具体涉及到一种土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法。
背景技术
自然界的降雨和蒸发交替作用(晴雨交替作用)对土体物理力学性能存在巨大影响，其中晴雨交替作用对土体抗剪强度的影响一直是岩土工程界广泛关注的问题之一。当前对晴雨交替作用对土体抗剪强度的影响的相关试验方法主要分为两类：一类是对环刀试样进行晴雨交替作用之后，再放到直剪仪上进行直剪试验；另一类是制作大体积模型试样，对大体积模型试样完成晴雨交替作用后，再从大体积模型试样切取环刀试样进行直剪试验。但是，这些研究仍存在一定局限性：(1)对于第一类，环刀试样尺寸小，对工程实际情况模拟的代表性略显不足，环刀试样之间容易出现较大的差异性，易导致试验结果偏差，且环刀试样晴雨交替过程中容易出现加载或卸载现象，也与工程实际不符；(2)对于第二类，由于大体积模型试样在晴雨交替过程中土体不能与外界温度充分接触，容易出现不同部位含水率变化幅度不同，且试验过程特别缓慢，不仅耗费了大量的时间和人力，而且对完成晴雨交替作用后的试样切取环刀试样对土体扰动较大，加之取样点的差异也会导致试验结果的偏差；(3)当前未有能模拟真实荷载下的晴雨交替作用并同时可进行直剪试验的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种模拟试验结果更精准的土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，它能同时模拟土体试样在真实荷载下的晴雨交替作用并进行直剪试验。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，包括以下步骤：
(1)设定土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统，土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统包括晴雨交替试验装置和直剪装置，晴雨交替试验装置包括箍环和大尺寸环刀，相邻大尺寸环刀在竖向方向依次排列，两个大尺寸环刀之间用箍环固定；
(2)制取土体试样，并将土体试样安装在晴雨交替试验装置内，并在土体试样上施加竖向荷载；
(3)晴雨交替试验，对土体试样实行模拟降雨过程和模拟晴天蒸发过程；
(4)直剪试验，用直剪装置对土体试样进行分层剪切，测量并记录每土体试样两层被剪切时的剪切强度。采用此方法，能模拟真实荷载下的晴雨交替作用并同时可进行直剪试验，设计合理的晴雨交替试验装置，采用合理的土体试样，因此不但操作简便，而且模拟试验的结果更为精准。
大尺寸环刀的直径为50厘米，高度为10厘米；大尺寸环刀的侧壁上开设有排水孔。大尺寸环刀的数量为五个。采用此方法，采用直径为50厘米，高度为10厘米的大尺寸环刀，因此可以利用多个大尺寸环刀竖向叠加就能模拟不同深度处的晴雨交替作用；能轻易制取和安装土体试样，而且用于模拟试验结果也较为精准；排水孔方便安装传感器等零部件。采用五个大尺寸环刀在竖向方向叠加，制取合适高度和尺寸的土体试样，不但制作较为简便，而且也能保证模拟试验结果。
晴雨交替试验装置还包括TDR传感器和变形测量丝线，TDR传感器安装在尺寸环刀竖向的中部，变形测量丝线设于大尺寸环刀内。采用此方法，TDR传感器能实时准确地测量土体试样的含水率，变形测量丝线能准确地测量土体试样的变形。
土体试样为重塑土试样；制取重塑土试样时，先将晴雨交替试验装置组装，再分层装入重塑土并击实。采用此方法，能将重塑土稳定地置入晴雨交替试验装置，完成重塑土试样的制取和安装，后续模拟试验中，土体试样稳定，土体试样能较好地保持整体性，因此模拟试验结果较为精准。
土体试样为原状土试样；先制取预先设定的高度和直径的柱状体原状土，再将大尺寸环刀在竖向方向依次套装在柱状体原状土上，并用箍环将相邻的大尺寸环刀固定相连。采用此方法，制作土体试样较为简单，且土体试样安装可靠，在后续模拟试验中，土体试样稳定，因此模拟试验结果较为精准。
晴雨交替试验装置还包括控流喷头、浴霸灯；调节控流喷头的流速和时间以调节模拟雨天时的降水量；调节浴霸灯的照射强度以调节模拟晴天时的光照强度。采用此方法，能通过对控流喷头和浴霸灯的控制，顺利地模拟完成晴雨交替试验。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统还包括直剪装置和测力环，直剪装置包括上剪切盒、下剪切盒、千斤顶，下剪切盒包括完全相同的下剪切盒A和下剪切盒B，上剪切盒和下剪切盒B依次安装在晴雨交替试验装置相邻的两层土体试样上，下剪切盒A安装在下剪切盒B的一侧，千斤顶安装在下剪切盒A的一侧，千斤顶推动下剪切盒A移动进而推动下剪切盒B移动，相邻的两层土体试样完成切割；安装在晴雨交替试验装置外侧的测力环测量出土体试样直剪时的剪切强度，且测力环和上剪切盒相接触。采用此方法，能轻易、快速地完成土体试样的直剪试验。
晴雨交替试验装置还包括螺杆和托盘，螺杆安装在下剪切盒内，螺杆的顶端安装有托盘，拧紧或旋松螺杆以升降托盘。采用此方法，完成一次直剪土体试样后，能通过降低托盘将未剪切的上层土体试样置入下剪切盒中，从而能更快速地完成后续的土体试样的剪切。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统安装在安装平台上，并在安装平台和下剪切盒之间设有滚珠。采用此方法，滚珠能减小安装平台和下剪切盒之间的摩擦力，因而剪切土体试样时更省力，同时滚珠减小了安装平台和下剪切盒之间的磨损，使得下剪切盒能使用更长久。
晴雨交替试验装置、下剪切盒、安装平台三者依次相接，且相接之处锁紧。采用此方法，将晴雨交替试验装置、下剪切盒安装在安装平台上并限制他们在竖向方向的自由度，从而在土体晴雨交替试验中，装置不能竖向移动，防止土体试样吸水膨胀后将晴雨交替试验装置顶起。
本发明的优点：(1)制取合理尺寸的土体试样，并设计出和该土体试样相配合的晴雨交替试验装置，土体试样安装在该晴雨交替试验装置内，因此模拟试验结果较为精准；(2)晴雨交替试验装置安装在直剪装置上，并在直剪装置一侧设置测力环，因此能在模拟荷载下进行晴雨交替试验的同时还能对土体试样进行直剪试验；(3)重塑土试样采用先组装晴雨交替试验装置再装入重塑土击实的方法来制取安装，安装后的重塑土试样较为稳定，能满足在后续模拟试验的要求，因此能保证试验结果的精准性；(4)原状土试样采用先制取柱状体原状土，再将大尺寸环刀和箍环套装在原状土试样上，安装后的原状土试样较为稳定，能满足在后续模拟试验的要求，因此能保证试验结果的精准性，同时还具有操作简单的优点；(5)直剪装置采用上剪切盒和下剪切盒及千斤顶，并将上剪切盒和下剪切盒由上至下依次安装土体试样上，通过推动千斤顶就能推动下剪切盒，从而轻易实现将土体试样剪切，同时，完成一次直剪土体试样后，由于下剪切盒内安装有可升降的螺杆，螺杆的顶部固定有托盘，因此能通过降低托盘将未剪切的上层土体试样置入下剪切盒中，从而能更快速地完成后续的土体试样的剪切；(6)本发明在安装平台和下剪切盒之间设有滚珠，滚珠能减小安装平台和下剪切盒之间的摩擦力，因而剪切土体试样时更省力，同时滚珠减小了安装平台和下剪切盒之间的磨损，使得下剪切盒能使用更长久；(7)本发明将晴雨交替试验装置、下剪切盒安装在安装平台上并限制他们在竖向方向的自由度，从而在土体晴雨交替试验中，装置不能竖向移动，防止土体试样吸水膨胀后将晴雨交替试验装置顶起。
附图说明
图1为本发明中土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统放入整体构造示意图。
图2为本发明中晴雨交替试验装置及上剪切盒组装后的俯视图。
图3为本发明中晴雨交替试验装置的结构示意图。
图4为本发明实施例中的下剪切盒的结构示意图。
图5为本发明实施例中的大尺寸环刀的结构示意图。
其中：1-控流喷头；2-土体试样；3-排水孔；4-TDR传感器；5-箍环；6-变形测量丝线；7-大尺寸环刀；8-上剪切盒；9-托盘；10-下剪切盒A；11-螺杆；12-滚珠；13-千斤顶；14-测力环；15-固定螺丝；16下剪切盒B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，主要包括以下步骤：
(1)设定土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统；
(2)制取土体试样，并将土体试样安装在晴雨交替试验装置内，并在土体试样上施加竖向荷载；
(3)晴雨交替试验，对土体试样实行模拟降雨过程和模拟晴天蒸发过程；
(4)直剪试验，用剪切装置对土体试样进行分层剪切，测量并记录土体试样每两层被剪切时的剪切强度。
在本实施例中，将结合更具体的操作步骤和内容对土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法做更详细的说明。
本实施例中，制取土体试样为柱状体试样，柱状体试样的直径取定为50cm，高度取定为50cm。
对于原状土试样；先制取预先设定的高度和直径的原状土的柱状体试样。拧开大尺寸环状刀的固定螺丝，再从柱状体圆状土的底端开始依次用5个大尺寸环刀将柱体状原状土包裹住，并将每一节的大尺寸环刀的固定螺丝拧紧。在相邻两节的大尺寸环刀用箍环连接、固定。大尺寸环刀的直径为50厘米，高度为10厘米；大尺寸环刀的侧壁上开设有若干排水孔。可以通过排水孔在任一节大尺寸环刀的竖向的中部位置安装TDR传感器和变形测量丝线，至此完成本实施例中高度为50cm的原状土试样的制取和安装。如需制取更大高度的试样，参照上述方法依次安装大尺寸环刀和固定箍环，并安装对应的TDR传感器和变形测量丝线即可。
对于重塑土试样；制取重塑土试样时，先拧紧每个大尺寸环刀的固定螺丝，以将每个大尺寸环刀固定、锁紧；再按需要将5个大尺寸环刀在纵向等距离排列，再用箍环将相邻两个大尺寸环刀连接、固定。再将重塑土放入安装好的大尺寸环刀内，分层击实重塑土样，击实到相应高度时通过排水孔在各层大尺寸环刀的竖向的中间位置安装一个TDR传感器和变形测量丝线，依次完成整个试样的击实。再分层装入重塑土并击实。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统包括晴雨交替试验装置，晴雨交替试验装置包括箍环和大尺寸环刀，大尺寸环刀在竖向等距排列，两个大尺寸环刀之间用箍环固定。
本实施例中，晴雨交替试验装置还包括控流喷头、浴霸灯；调节控流喷头的流速和时间以调节模拟雨天时的降水量；调节浴霸灯的照射强度以调节模拟晴天时的光照强度。
本实施例中，土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统还包括直剪装置和测力环，直剪装置包括上剪切盒、下剪切盒、千斤顶，下剪切盒包括完全相同的下剪切盒A和下剪切盒B，上剪切盒和下剪切盒B依次安装在晴雨交替试验装置相邻的两层土体试样上，下剪切盒A安装在下剪切盒B的一侧，千斤顶安装在下剪切盒A的一侧，千斤顶推动下剪切盒A移动进而推动下剪切盒B移动，相邻的两层土体试样完成切割；安装在晴雨交替试验装置外侧的测力环测量出土体试样直剪时的剪切强度，且测力环和上剪切盒相接触且接触良好。
晴雨交替试验装置还包括螺杆和托盘，螺杆安装在下剪切盒内，螺杆的顶端安装有托盘，拧紧或旋松螺杆以升降托盘。
土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统安装在安装平台上，并在安装平台和下剪切盒之间设有滚珠。
土体试样制取好后，并安装在晴雨交替试验装置里，再将晴雨交替试验装置安装在下剪切盒B里并将晴雨交替试验装置与下剪切盒B在竖向方向锁紧固定。
模拟晴雨交替试验时，调节控流喷头以控制流速和流量，土体试样从上往下逐渐湿润，实现对降雨过程的模拟。降雨过程中每隔相同时间对TDR传感器和变形测量丝线进行测量，获取不同深度层含水率值和变形值，便于后期数据分析。模拟晴天蒸发过程时，将整个试验装置置于温度可控制的房间内即可，必要时增加浴霸灯照射加速蒸发；也可直接使用浴霸灯加速蒸发来模拟晴天蒸发过程。蒸发过程中每隔相同时间对TDR传感器和变形测量丝线进行测量，获取不同深度层含水率值和变形值。晴雨交替过程中的控制节点根据具体试验方案确定。
完成预定的晴雨交替次数之后，即可直接进行直剪试验。布置好千斤顶、下剪切盒、测力环。将下剪切盒A的螺杆向上旋转拧起至托盘与底座上边缘齐平。解开最底层和倒数第二层大尺寸环刀之间的箍环，在倒数第二层大尺寸环刀的外侧安装上剪切盒，调节测力环与上剪切盒水平接触良好。开动千斤顶推动下剪切盒A和下剪切盒B沿滚珠缓慢向右移动，实施土体试样剪切。实时记录测力环的数值，根据相关规程计算土体试样抗剪强度。
当下剪切盒B完全脱离倒数第二层环刀时，下剪切盒A正好移动到第二层环刀正下方。缓慢向下拧动螺杆，使晴雨交替装置整体下滑，倒数第二层大尺寸环刀刚好完全进入下剪切盒A的底座中。将下剪切盒B转移到左侧，按照上述方式完成后续各层大尺寸环刀之间的直剪试验。试样剪切从下往上依次进行，实现了保持荷载作用下各层土体晴雨交替到直剪破坏全过程，不出现加载或卸载现象。
对于剪切破坏后的土体试样，可取样进行比表面积、孔径分布等细观参数测量。
晴雨交替试验装置和下剪切盒在竖向方向固定，下剪切盒和安装平台固定连接，从而防止土体试样吸水膨胀后将晴雨交替试验装置顶起。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)设定土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统，土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统包括晴雨交替试验装置和直剪装置，晴雨交替试验装置包括箍环和大尺寸环刀，相邻大尺寸环刀在竖向方向依次排列，两个大尺寸环刀之间用箍环固定；
(2)制取土体试样，并将土体试样安装在晴雨交替试验装置内，并在土体试样上施加竖向荷载；
(3)晴雨交替试验，对土体试样实行模拟降雨过程和模拟晴天蒸发过程；
(4)直剪试验，用直剪装置对土体试样进行分层剪切，测量并记录土体试样每两层被剪切时的剪切强度。
2.根据权利要求1所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：大尺寸环刀的直径为50厘米，高度为10厘米；大尺寸环刀的侧壁上开设有排水孔。
3.根据权利要求1或2所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：晴雨交替试验装置还包括TDR传感器和变形测量丝线，TDR传感器安装在大尺寸环刀竖向的中部，变形测量丝线设于大尺寸环刀内。
4.根据权利要求1所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：土体试样为重塑土试样；制取重塑土试样时，先将晴雨交替试验装置组装，再分层装入重塑土并击实。
5.根据权利要求1所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：土体试样为原状土试样；先制取预先设定的高度和直径的柱状体原状土，再将大尺寸环刀依次在竖向方向套装在柱状体原状土上，并用箍环将相邻的大尺寸环刀固定相连。
6.根据权利要求1所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：晴雨交替试验装置还包括控流喷头、浴霸灯；调节控流喷头的流速和时间以调节模拟雨天时的降水量；调节浴霸灯的照射强度以调节模拟晴天时的光照强度。
7.根据权利要求1所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统还包括测力环，直剪装置包括上剪切盒、下剪切盒、千斤顶，下剪切盒包括完全相同的下剪切盒A和下剪切盒B，上剪切盒和下剪切盒B依次安装在晴雨交替试验装置相邻的两层土体试样上，下剪切盒A安装在下剪切盒B的一侧，千斤顶安装在下剪切盒A的一侧，千斤顶推动下剪切盒A移动进而推动下剪切盒B移动，相邻的两层土体试样完成切割；安装在晴雨交替试验装置外侧的测力环测量出土体试样直剪时的剪切强度，且测力环和上剪切盒相接触。
8.根据权利要求7所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：晴雨交替试验装置还包括螺杆和托盘，螺杆安装在下剪切盒内，螺杆的顶端安装有托盘，拧紧或旋松螺杆以升降托盘。
9.根据权利要求7所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：土体晴雨交替及直剪的模拟试验系统安装在安装平台上，并在安装平台和下剪切盒之间设有滚珠。
10.根据权利要求9所述土体晴雨交替及直剪的模拟试验方法，其特征在于：晴雨交替试验装置、下剪切盒、安装平台三者依次相接，且相接之处锁紧。
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