CN112378742B - 低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法，包括剪切室、干湿循环系统、应力加载系统、变形量测量系统和土样含水率监测系统；所述剪切室由上剪切室和下剪切室上下对应组成，剪切室内设置有圆柱形岩土体试样；所述干湿循环系统与剪切室内部连通，向剪切室内充入干湿循环液体或排出剪切室内的干湿循环液体；所述应力加载系统与上剪切室固定连接，向上剪切室施加剪应力；所述变形量测量系统的测量端固定在上剪切室一侧，测量应力加载系统施加的剪应力剪切后圆柱形岩土体试样的位移量；所述土样含水率监测系统的测量端固定在圆柱形岩土体试样上，测量圆柱形岩土体试样的实时含水率。满足残余抗剪强度试验需求且成本低。

Description

低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法

技术领域

本发明属于土力学试验领域，涉及一种低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法。

背景技术

岩土体发生剪切破坏是岩土工程灾害的重要原因之一，因此准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。目前，常用的抗剪强度参数测定方法有三轴和直剪试验。三轴和直剪试验只能进行简单的剪力试验，测定土体的抗剪强度。同样，土体的残余抗剪强度也是一个重要参数。残余抗剪强度是指岩土体的抗剪强度随形变量增大达到峰值后，逐渐稳定而达到的最低值，此时对应的摩擦角为最小摩擦角，研究影响残余抗剪强度的自变量，在工程中至关重要。

直剪仪和单剪仪是较早应用于抗剪特性研究的土工试验仪器，但这两种仪器的局限性在于既不能实现较大位移的土体剪切试验，也不能在试验过程中保持剪切面积不变，以至于不能有效的进行残余抗剪强度的测量。直到环剪仪的出现，才保证了试样可在相同的剪切面积下进行剪切。环剪仪的优点在于试样在试验过程中连续剪切的面积保持不变，且能保持接触面上应力均匀，从而能够精确测量残余抗剪强度，但其也存在以下缺点：

1、只能对某一个固定含水率的环形试样进行研究，且不能精准把控土样的实时含水率，测量多组含水率试样残余抗剪强度的成本过高、操作复杂。

2、不能模拟和研究实际工程中土样经过干湿循环过程的变形性质及规律。

3、不能对不同围压下的环形试样进行研究，不能探究不同围压下的土样性质和规律。

4、环剪试验不能获得低压力状态下的含水状态与残余抗剪强度之间的关系。

5、现有的干湿循环试验中，需对试样不断地拆装，难以避免人为因素对试样的结构性造成影响。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法，以解决现有的环剪仪不能满足残余抗剪强度试验需求的问题，以及、成本高、操作复杂的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是：低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，包括剪切室、干湿循环系统、应力加载系统、变形量测量系统和土样含水率监测系统；所述剪切室由上剪切室和下剪切室上下对应组成，剪切室内设置有圆柱形岩土体试样；所述干湿循环系统与剪切室内部连通，向剪切室内充入干湿循环液体或排出剪切室内的干湿循环液体；所述应力加载系统与上剪切室固定连接，向上剪切室施加剪应力；所述变形量测量系统的测量端固定在上剪切室一侧，测量应力加载系统施加的剪应力剪切后圆柱形岩土体试样的位移量；所述土样含水率监测系统的测量端固定在圆柱形岩土体试样上，测量圆柱形岩土体试样的实时含水率。

本发明实施例所采用的另一技术方案是：低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验方法，采用如上所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，按照以下步骤进行：

步骤S1、试样制备：原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样，圆柱形岩土体试样的内径尺寸需符合与直剪仪的剪切室内径尺寸；

步骤S2、组装测试系统：在圆柱形岩土体试样侧面涂刷一层防水胶，待防水胶彻底干透后，从圆柱形岩土体试样上部套入贴附有土样含水率监测系统的含水率测试片的第1层弹性橡胶圈以完全包裹圆柱形岩土体试样侧面；在圆柱形岩土体试样上表面、第1层弹性橡胶圈内放置上层透水石，在圆柱形岩土体试样下表面、第1层弹性橡胶圈内放置下层透水石后将第1层弹性橡胶圈包裹的整体放入剪切室内，最后在上层透水石上放置上层圆形不透水钢板，并调整变形量测量系统的激光测距仪的位置，使其激光头对准上剪切室；

步骤S3、干湿循环：从上剪切室顶部向从上剪切室的顶部向下贯穿剪切盒的侧壁并延伸至下剪切室的侧壁内的注胶孔中注入塑料快干胶，待塑料快干胶干透后，打开干湿循环液供给装置，向干燥盒内注入干湿循环液体，干湿循环液体透过圆柱形岩土体试样底部的下层透水石流入圆柱形岩土体试样中，并通过干湿循环液供给装置的压力表的读数控制进液速度和注液量，待圆柱形岩土体试样完全被渗透后，关闭干湿循环液供给装置并打开干湿循环液抽出装置，干燥盒内的干湿循环液体被抽出；然后从干燥盒的侧面抽出其抽拉部，向干燥盒内部填满硅胶干燥剂后将干燥盒的抽拉部复位，并通过土样含水率监测系统实时监控圆柱形岩土体试样含水率，当圆柱形岩土体试样含水率达到试验要求时再次从干燥盒的侧面抽出其抽拉部，取出干燥盒内的硅胶干燥剂后再次将干燥盒的抽拉部复位，即完成一次干湿循环；最后重复打开干湿循环液供给装置至取出干燥盒内的硅胶干燥剂的步骤，进行多次干湿循环直至达到试验所需干湿循环次数；

步骤S4、试样切割释放：待达到试验所需干湿循环次数后，对切割释放系统的镍丝进行通电加热，并向靠近剪切室方向推进固定镍丝的第二固定杆至已加热的镍丝与剪切室内径贴合，然后通过可旋转底座带动剪切盒旋转，加热的镍丝对上剪切室与下剪切室之间的塑料快干胶以及第1层弹性橡胶圈进行完全环切；

步骤S5、试样加载：待切割释放完成后，调整好激光测距仪的位置并将其归零，然后在上层圆形不透水钢板的顶部正中间加载第一加载砝码以提供正应力，再在经通过定滑轮的钢绳与上剪切室固定连接的托盘上加载第二加载砝码，提供试验所需即测定残余抗剪强度所需的剪应力，进行圆柱形岩土体试样的残余抗剪强度试验，待激光测距仪的数据稳定后，卸除第一加载砝码与第二加载砝码。

本发明实施例的有益效果是：

（1）本发明实施例采用环剪仪作为工作台，保证了试样在试验过程中，连续剪切的面积都保持不变，从而能精确地测量其残余抗剪强度。

（2）本发明实施例的干湿循环系统中，对试样进行先湿润后干燥的干湿循环，能对所研究土体进行多次实际的干湿循环过程模拟，成本低、操作简单，可探究土体经过干湿循环过程的变形性质及规律，解决了以往只能对某一个固定含水量的环形试样进行研究的缺陷以及以往测量多组含水率试样残余抗剪强度的成本高、操作复杂的缺陷。

（3）本发明实施例的干湿循环系统中所使用的液体可依据实际试验所需确定，通过进、出水管不断循环可将试样充分浸透，可模拟多种不同液体对试样的影响；干湿循环系统中所用到的液体全部经出水管回收，在避免对环境造成污染的同时，也能对试样的含水状态进行准确把控。

（4）本发明实施例的干湿循环系统中通过注胶孔注入塑料快干胶，可快速形成密封系统，既能保证试样的完全浸透，也保证了试样不受外界其他因素的干扰，减少试验误差。

（5）本发明实施例的应力加载系统，通过改变加载砝码重量，可与试样顶部的砝码一起设置多组不同的应力比，从而测定土体在多组不同应力比之下的残余抗剪强度。

（6）本发明实施例的土样含水率监测系统，将含水率测试片贴附于第1层弹性橡胶圈内部与土体紧密贴合，可通过外部显示器实时监测试样含水量的变化，精确控制试验变量。

综上所述，本发明实施例提供的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置及方法，有效解决了现有的环剪仪不能满足残余抗剪强度试验需求、成本高、操作复杂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置的正面剖视结构示意图。

图2是本发明实施例的干湿循环系统的俯视结构示意图（未画出下层圆形不透水钢板以及可旋转底座）。

图3是本发明实施例的剪切室内结构示意图。

图4是本发明实施例的注胶孔结构示意图。

图5是本发明实施例的干燥盒俯视结构示意图。

图中，1.第一固定杆，2.上层圆形不透水钢板，3.激光测距仪，4.第二固定杆，5.上剪切室，6.下剪切室，7.注胶孔，8.干燥盒，9.下层圆形不透水钢板，10.可旋转底座，11.工作台，12.压力表，13.进水管，14.进水压力泵，15.进液储液盒，16.第一加载砝码，17.含水率测试片，18.上层透水石，19.定滑轮，20.下层透水石，21.出水管，22.第二加载砝码，23.托盘，24.出水阀门，25.出水储水盒，26.固定杆导轨，27.镍丝，28.抽拉部，29.螺丝，30.第1层弹性橡胶圈，31.第2层弹性橡胶圈，32.第n+1层弹性橡胶圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，如图1所示，包括剪切室、干湿循环系统、应力加载系统、变形量测量系统和土样含水率监测系统；所述剪切室采用剪切仪的剪切室，由上剪切室5和下剪切室6上下对应组成，剪切室内设置有试样，本实施例的试样采用圆柱形岩土体试样；所述干湿循环系统与剪切室内部连通，向剪切室内充入干湿循环液体或排出剪切室内的干湿循环液体；所述应力加载系统与上剪切室5固定连接，向上剪切室5施加剪应力；所述变形量测量系统的测量端固定在上剪切室5一侧，测量应力加载系统施加的剪应力剪切后圆柱形岩土体试样的位移量；所述土样含水率监测系统的测量端固定在圆柱形岩土体试样上，测量圆柱形岩土体试样的实时含水率。

所述圆柱形岩土体试样的外围套设有第1层弹性橡胶圈30；所述干湿循环系统包括上层圆形不透水钢板2、干燥盒8、下层圆形不透水钢板9、上层透水石18、下层透水石20、干湿循环液供给装置和干湿循环液抽出装置；上层透水石18位于圆柱形岩土体试样上方、第1层弹性橡胶圈30内部，下层透水石20位于圆柱形岩土体试样下方、第1层弹性橡胶圈30内部；上层圆形不透水钢板2位于上层透水石18以及第1层弹性橡胶圈30上方，并位于剪切室内部；干燥盒8位于剪切室以及下层透水石20下方并与剪切室固定连接形成剪切盒；下层圆形不透水钢板9固定于干燥盒8底部；所述干湿循环液供给装置经端部穿过下层圆形不透水钢板9的进水管13与干燥盒8底部内侧连通，所述干湿循环液抽出装置经端部穿过下层圆形不透水钢板9的出水管21与干燥盒8底部内侧连通。

如图1和图4所示，所述上剪切室5和下剪切室6上均设置有环形的注胶孔7，注胶孔7从上剪切室5的侧壁顶部向下贯穿上剪切室5并延伸至下剪切室6的侧壁内部，通过在注胶孔7中注入塑料快干胶将上剪切室5和下剪切室6连接为一体。具体的，可通过注射器将塑料快干胶缓慢且均匀地注入上剪切室5和下剪切室6内的注胶孔7中。所述干燥盒8的侧面设置有能够从干燥盒8内抽出、推入的抽拉部28，如图5所示，通过抽拉部28向干燥盒8内放入干燥剂，本实施例的抽拉部28可采用抽屉的结构，干燥剂优选硅胶干燥剂。

所述干湿循环液供给装置包括进水压力泵14、进液储液盒15和压力表12，进水压力泵14一端与进液储液盒15内部连通，其另一端经进水管13与干燥盒8内部连通，压力表12设置在进水管13上。通过进水压力泵14将进液储液盒15中的干湿循环液泵入剪切盒，并压入圆柱形岩土体试样中，压力表12用于控制干湿循环液的流量也即压力。

所述干湿循环液抽出装置的位置高度尽可能低于剪切盒，当干湿循环液抽出装置的位置高度低于剪切盒的位置高度时，所述干湿循环液抽出装置包括出水阀门24和出水储水盒25，出水储水盒25经出水管21与干燥盒8内部连通，出水阀门24设置在出水管21上，出水阀门24用于打开或关闭干湿循环液抽出装置。当干湿循环液抽出装置的位置高度不低于剪切盒的位置高度时，所述干湿循环液抽出装置包括出水压力泵和出水储水盒25，出水压力泵一端与出水储水盒25内部连通，其另一端经出水管21与干燥盒8底端内部连通，启动出水压力泵即可打开干湿循环液抽出装置，出水压力泵工作即可将干燥盒8内的干湿循环液抽出。

具体的，进水管13和出水管21与干燥盒8内部相连的一端与下层圆形不透水钢板9贴合，保证注水时水流能够均匀且平缓的上升直至完全淹没圆柱形岩土体试样而不产生过大的扰动，以免对试验产生不必要的影响。

所述剪切室一侧设置有切割释放系统，切割释放系统用于在干湿循环完成后从上剪切室5和下剪切室6之间环切塑料快干胶，释放上剪切室5和下剪切室6之间的固定连接，以便进行圆柱形岩土体试样的残余抗剪强度试验。

所述切割释放系统包括可旋转底座10、镍丝固定杆和通电加热的镍丝27，可旋转底座10经位于其中心的螺丝29铰接在工作台11上，所述剪切盒经下层圆形不透水钢板9固定于可旋转底座10上，在外力作用下可旋转底座10能够绕螺丝29转动，带动剪切盒转动；所述镍丝固定杆与工作台11滑动连接，所述镍丝27经镍丝固定杆水平设置在剪切室一侧，且镍丝27与上剪切室5和下剪切室6之间的缝隙齐平，镍丝固定杆可在工作台11上向靠近剪切室或远离剪切室的方向移动，在可旋转底座10带动剪切盒以及下层圆形不透水钢板9转动时，经通电加热的镍丝27可在镍丝固定杆的带动下贴近剪切室并从上剪切室5和下剪切室6之间的缝隙处对两者之间的塑料快干胶进行环切。可设置镍丝27的长度大于等于剪切室的外径，这是因为镍丝27的长度小于剪切室的外径时，切割时将镍丝27推到剪切室内侧时可能会出现不能顺利向前推进的情况，使得试验无法进行。

更具体的，如图1~2所示，工作台11上设置有固定杆导轨26；所述镍丝固定杆可由第一固定杆1和第二固定杆4组成，第二固定杆4的顶端设置有横杆，第二固定杆4底端与工作台11上的固定杆导轨26滑动连接，第二固定杆4在外力作用下可沿固定杆导轨26向靠近剪切室或远离剪切室的方向移动；所述第一固定杆1位于第二固定杆4与剪切室之间，且第一固定杆1与第二固定杆4的横杆螺纹连接，镍丝27固定在第一固定杆1的底端，扭转第一固定杆1可调节镍丝27的高低。

所述的围压加载系统包括依次套设在第1层弹性橡胶圈30外的n层弹性橡胶圈，第1层弹性橡胶圈30包裹在圆柱形岩土体试样的侧表面，并且两者之间涂刷一层防水胶用于防水和粘贴，第2层弹性橡胶圈31套设在第1层弹性橡胶圈30外，第n+1层弹性橡胶圈32套设在最外部，在第1层弹性橡胶圈30外加载的n层弹性橡胶圈上表面与圆柱形岩土体试样上表面相平，下表面与圆柱形岩土体试样下表面相平，且每一层弹性橡胶圈的厚度为1~3mm，其内径与圆柱形岩土体试样的直径大小一致。加载的弹性橡胶圈的层数由具体试验所决定，本发明实施例预计设置四组围压变量，分别为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa。

所述应力加载系统包括第一加载砝码16、定滑轮19、第二加载砝码22和托盘23，第一加载砝码16放置在上层圆形不透水钢板2的顶部中心位置，第一加载砝码16用于在测试残余抗剪强度时提供正应力，通过放置的第一加载砝码16可控制正应力不变。定滑轮19固定在上剪切室5的侧面，托盘23设置于定滑轮19远离剪切室一侧下方，第二加载砝码22加载于托盘23内，托盘23经通过定滑轮19的钢绳与上剪切室5固定连接，且位于上剪切室5与定滑轮19之间的钢绳水平设置。

所述变形量测量系统包括激光测距仪3，激光测距仪3固定于上剪切室5远离定滑轮19的一侧，且激光测距仪3的激光头正对上剪切室5，具体的，激光测距仪3可固定于第二固定杆4上。完成环切后，打开激光测距仪3并归零，设置好试验所需第二加载砝码22，即可开始变形量测量。

所述土样含水率监测系统包括含水率测试片17，所述含水率测试片17与圆柱形岩土体试样的侧表面紧密贴合。具体的，含水率测试片17可附于第1层弹性橡胶圈30的内侧，含水率测试片17用于实时监控圆柱形岩土体试样的含水率变化。

实施例2

低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验方法，采用实施例1所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、试样制备：原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样，圆柱形岩土体试样的尺寸需符合直剪仪的剪切室内径尺寸；

步骤S2、组装测试系统：在圆柱形岩土体试样侧面涂刷一层防水胶，待防水胶彻底干透后，从圆柱形岩土体试样上部套入贴附有含水率测试片17的第1层弹性橡胶圈30以完全包裹圆柱形岩土体试样侧面，保证干湿循环试验的液体不从侧面浸入圆柱形岩土体，保证干湿循环试验在固定路径进行，即保证干湿循环试验中水的运动路径为上、下循环；在圆柱形岩土体试样上表面、第1层弹性橡胶圈30内放置上层透水石18，在圆柱形岩土体试样下表面、第1层弹性橡胶圈30内放置下层透水石20后将第1层弹性橡胶圈30包裹的整体放入剪切室内，最后在上层透水石18与第1层弹性橡胶圈30上、上剪切室5内放置上层圆形不透水钢板2，并调整变形量测量系统的激光测距仪3的位置，使其对准上剪切室5，以便精准测量剪切后圆柱形岩土体试样的位移量。

步骤S2中的围压记为0，若需设置围压，在圆柱形岩土体试样侧面的第1层弹性橡胶圈30外套箍相应层数的弹性橡胶圈即可。

步骤S3、干湿循环：从上剪切室5顶部向从上剪切室5的顶部向下贯穿上剪切室5的侧壁并延伸至下剪切室6的侧壁内的注胶孔7中注入塑料快干胶，待塑料快干胶干透后，打开干湿循环液供给装置，向干燥盒8内注入干湿循环液体，干湿循环液体透过下层透水石20流向圆柱形岩土体试样中，并通过干湿循环液供给装置的压力表12的读数控制进液速度和注液量，待圆柱形岩土体试样完全被浸透后，关闭干湿循环液供给装置并打开干湿循环液抽出装置，干燥盒8内的干湿循环液体被抽出；然后从干燥盒8的侧面抽出其抽拉部28，向干燥盒8内部填满硅胶干燥剂后将干燥盒8的抽拉部28复位，并通过土样含水率监测系统的含水率测试片17实时监控圆柱形岩土体试样含水率，当圆柱形岩土体试样含水率达到试验要求时，再次从干燥盒8的侧面抽出其抽拉部28，取出干燥盒8内的硅胶干燥剂后再次将干燥盒8的抽拉部28复位，即完成一次干湿循环；最后重复打开干湿循环液供给装置至取出干燥盒8内的硅胶干燥剂的步骤，进行多次干湿循环直至达到试验所需干湿循环次数。本发明实施例设计开展四种不同次数的干湿循环，分别为2次、4次、8次、16次。

塑料快干胶具有固化速度快、粘结力强、渗漏性好、环保无污染的优点。硅胶干燥剂的主要成分为二氧化硅，是一种高活性吸附材料且不起化学反应，对试验中圆柱形岩土体试样的物理化学性质没有影响，干湿循环中使用的干湿循环液体根据实际试验所需确定，通常采用水。

用针头缓慢匀速刺入注胶孔7中，将针头拔出之后，针头表面未有塑料快干胶残留即认为塑料快干胶干透。

待干湿循环液体淹没圆柱形岩土体试样后，停止注入干湿循环液体，等待20min后即认为圆柱形岩土体试样被完全浸透。

步骤S4、试样切割释放：待干湿循环次数达到试验所需之后，对切割释放系统的镍丝27进行通电加热，并向靠近剪切室方向推进固定镍丝27的第二固定杆4至已加热的镍丝27与剪切室内径贴合，然后通过可旋转底座10带动剪切盒旋转，加热的镍丝27对上剪切室5与下剪切室6之间的塑料快干胶以及第1层弹性橡胶圈30进行完全环切，若圆柱形岩土体试样侧面设置有多层弹性橡胶圈，则环切时需切断所有的弹性橡胶圈。

步骤S5、试样加载：待切割释放完成后，调整好激光测距仪3的位置并将其归零，然后逐步在上层圆形不透水钢板2的顶部正中间加载第一加载砝码16以提供正应力，再在经通过定滑轮19的钢绳与上剪切室5固定连接的托盘23上加载第二加载砝码22，提供试验所需即测定残余抗剪强度所需的剪应力，进行圆柱形岩土体试样的残余抗剪强度试验，待激光测距仪3的数据稳定后，卸除第一加载砝码16与第二加载砝码22。

本发明实施例的正应力由第一加载砝码16提供，通过控制第一加载砝码16的质量不变，可控制正应力不变，在正应力确定的条件下，测定残余抗剪强度从圆柱形岩土体试样的70%抗剪强度加载第二加载砝码22。若在试验设定的第二加载砝码22未加载完全时，圆柱形岩土体试样发生了受剪面的错动，沿受剪面完全脱离，说明此时第二加载砝码22提供的侧向切应力远远超出了圆柱形岩土体试样的抗剪强度，则要减少第二加载砝码22的加载重量，可在上一次设定的第二加载砝码22的加载重量的基础上减少5%抗剪强度重新测试，即从圆柱形岩土体试样的65%抗剪强度加载第二加载砝码22，以此类推，直至测出圆柱形岩土体在当前正应力状态下的残余抗剪强度。若在试验设定的第二加载砝码22全部加载完之后，圆柱形岩土体试样没有产生明显的变形，即激光测距仪3测得的数据没有变动时，说明此时的侧向剪应力小于圆柱形岩土体试样的抗剪强度，则要增加第二加载砝码22的加载重量，可在上一次设定的第二加载砝码22的加载重量的基础上增加5%抗剪强度重新测试，即从圆柱形岩土体试样的75%抗剪强度加载第二加载砝码22，以此类推，直至测出圆柱形岩土体在当前正应力状态下的残余抗剪强度。抗剪强度，又称剪切强度，是材料剪断时产生的极限强度，反映材料抵抗剪切滑动的能力，在数值上等于剪切面上的切向应力值，即剪切面上形成的剪切力与破坏面积之比。在本试验中，第二加载砝码22通过定滑轮与上剪切室相连接，将第二加载砝码22的重力转变为了切向的应力。所以所测得的残余抗剪强度即为第二加载砝码22的重力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，其特征在于，包括剪切室、干湿循环系统、应力加载系统、变形量测量系统和土样含水率监测系统；所述剪切室由上剪切室(5)和下剪切室(6)上下对应组成，剪切室内设置有圆柱形岩土体试样；所述干湿循环系统与剪切室内部连通，向剪切室内充入干湿循环液体或排出剪切室内的干湿循环液体；所述应力加载系统与上剪切室(5)固定连接，向上剪切室(5)施加剪应力；所述变形量测量系统的测量端固定在上剪切室(5)一侧，测量应力加载系统施加的剪应力剪切后圆柱形岩土体试样的位移量；所述土样含水率监测系统的测量端固定在圆柱形岩土体试样上，测量圆柱形岩土体试样的实时含水率；

所述圆柱形岩土体试样的外围套设有第1层弹性橡胶圈(30)；

所述干湿循环系统包括上层圆形不透水钢板(2)、干燥盒(8)、下层圆形不透水钢板(9)、上层透水石(18)、下层透水石(20)、干湿循环液供给装置和干湿循环液抽出装置，上层透水石(18)位于圆柱形岩土体试样上方、第1层弹性橡胶圈(30)内部，下层透水石(20)位于圆柱形岩土体试样下方、第1层弹性橡胶圈(30)内部；上层圆形不透水钢板(2)位于上层透水石(18)以及第1层弹性橡胶圈(30)上方，并位于剪切室内部；干燥盒(8)位于剪切室以及下层透水石(20)下方并与剪切室固定连接形成剪切盒；下层圆形不透水钢板(9)固定于干燥盒(8)底部；所述干湿循环液供给装置经端部穿过下层圆形不透水钢板(9)的进水管(13)与干燥盒(8)底部内侧连通，所述干湿循环液抽出装置经端部穿过下层圆形不透水钢板(9)的出水管(21)与干燥盒(8)底部内侧连通；

所述干燥盒(8)的侧面设置有能够从干燥盒(8)内抽出、推入的抽拉部(28)，通过抽拉部(28)向干燥盒(8)内放入干燥剂；

所述剪切室上设置有环形的注胶孔(7)，注胶孔(7)从上剪切室(5)的侧壁顶部向下贯穿上剪切室(5)并延伸至下剪切室(6)的侧壁内部，通过在注胶孔(7)中注入塑料快干胶将上剪切室(5)和下剪切室(6)连接为一体；

所述剪切室一侧设置有用于从上剪切室(5)和下剪切室(6)之间切断塑料快干胶的切割释放系统；

所述切割释放系统包括可旋转底座(10)、镍丝固定杆和通电加热的镍丝(27)，可旋转底座(10)经位于其中心的螺丝(29)铰接在工作台(11)上，所述剪切盒经干湿循环系统的下层圆形不透水钢板(9)固定于可旋转底座(10)上，在外力作用下可旋转底座(10)能够绕螺丝(29)转动，带动剪切盒转动；所述镍丝固定杆与工作台(11)滑动连接，所述镍丝(27)经镍丝固定杆水平设置在剪切室一侧，且镍丝(27)与上剪切室(5)和下剪切室(6)之间的缝隙齐平，镍丝固定杆可在工作台(11)上向靠近剪切室或远离剪切室的方向移动，在可旋转底座(10)带动剪切盒以及下层圆形不透水钢板(9)转动时，经通电加热的镍丝(27)可在镍丝固定杆的带动下贴近剪切室并从上剪切室(5)和下剪切室(6)之间的缝隙处对两者之间的塑料快干胶进行环切；

围压加载系统包括依次套设在第1层弹性橡胶圈(30)外的n层弹性橡胶圈；

所述土样含水率监测系统包括含水率测试片(17)，所述含水率测试片(17)与圆柱形岩土体试样的侧表面紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，其特征在于，所述工作台(11)上设置有固定杆导轨(26)；

所述镍丝固定杆由第一固定杆(1)和第二固定杆(4)组成，第二固定杆(4)的顶端设置有横杆，第二固定杆(4)底端与工作台(11)上的固定杆导轨(26)滑动连接，第二固定杆(4)在外力作用下可沿固定杆导轨(26)向靠近剪切室或远离剪切室的方向移动；所述第一固定杆(1)位于第二固定杆(4)与剪切室之间，且第一固定杆(1)与第二固定杆(4)的横杆螺纹连接，镍丝(27)固定在第一固定杆(1)的底端，扭转第一固定杆(1)可调节镍丝(27)的高低；

所述镍丝(27)的长度大于等于剪切室的外径。

3.根据权利要求1或2所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，其特征在于，所述应力加载系统包括第一加载砝码(16)、定滑轮(19)、第二加载砝码(22)和托盘(23)，第一加载砝码(16)加载在上层圆形不透水钢板(2)的顶部中心位置，定滑轮(19)固定在上剪切室(5)的侧面，托盘(23)设置于定滑轮(19)远离剪切室一侧下方，第二加载砝码(22)加载于托盘(23)内，托盘(23)经通过定滑轮(19)的钢绳与上剪切室(5)固定连接，且位于上剪切室(5)与定滑轮(19)之间的钢绳水平设置。

4.根据权利要求1或2所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，其特征在于，所述变形量测量系统包括激光测距仪(3)，激光测距仪(3)固定于上剪切室(5)远离应力加载系统的定滑轮(19)的一侧，且激光测距仪(3)的激光头正对上剪切室(5)。

5.低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验装置，按照以下步骤进行：

步骤S1、试样制备：原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样，圆柱形岩土体试样的内径尺寸需符合直剪仪的剪切室内径尺寸；

步骤S2、组装测试系统：在圆柱形岩土体试样侧面涂刷一层防水胶，待防水胶彻底干透后，从圆柱形岩土体试样上部套入贴附有土样含水率监测系统的含水率测试片(17)的第1层弹性橡胶圈(30)以完全包裹圆柱形岩土体试样侧面；在圆柱形岩土体试样上表面、第1层弹性橡胶圈(30)内放置上层透水石(18)，在圆柱形岩土体试样下表面、第1层弹性橡胶圈(30)内放置下层透水石(20)后将第1层弹性橡胶圈(30)包裹的整体放入剪切室内，最后在上层透水石(18)上放置上层圆形不透水钢板(2)，并调整变形量测量系统的激光测距仪(3)的位置，使其激光头对准上剪切室(5)；

步骤S3、干湿循环：从上剪切室(5)顶部向从上剪切室(5)的顶部向下贯穿上剪切室(5)的侧壁并延伸至下剪切室(6)的侧壁内的注胶孔(7)中注入塑料快干胶，待塑料快干胶干透后，打开干湿循环液供给装置，向干燥盒(8)内注入干湿循环液体，干湿循环液体透过圆柱形岩土体试样底部的下层透水石(20)流入圆柱形岩土体试样中，并通过干湿循环液供给装置的压力表(12)的读数控制进液速度和注液量，待圆柱形岩土体试样完全被渗透后，关闭干湿循环液供给装置并打开干湿循环液抽出装置，干燥盒(8)内的干湿循环液体被抽出；然后从干燥盒(8)的侧面抽出其抽拉部(28)，向干燥盒(8)内部填满硅胶干燥剂后将干燥盒(8)的抽拉部(28)复位，并通过土样含水率监测系统实时监控圆柱形岩土体试样含水率，当圆柱形岩土体试样含水率达到试验要求时再次从干燥盒(8)的侧面抽出其抽拉部(28)，取出干燥盒(8)内的硅胶干燥剂后再次将干燥盒(8)的抽拉部(28)复位，即完成一次干湿循环；最后重复打开干湿循环液供给装置至取出干燥盒(8)内的硅胶干燥剂的步骤，进行多次干湿循环直至达到试验所需干湿循环次数；

步骤S4、试样切割释放：待达到试验所需干湿循环次数后，对切割释放系统的镍丝(27)进行通电加热，并向靠近剪切室方向推进固定镍丝(27)的第二固定杆(4)至已加热的镍丝(27)与剪切室内径贴合，然后通过可旋转底座(10)带动剪切盒旋转，加热的镍丝(27)对上剪切室(5)与下剪切室(6)之间的塑料快干胶以及第1层弹性橡胶圈(30)进行完全环切；

步骤S5、试样加载：待切割释放完成后，调整好激光测距仪(3)的位置并将其归零，然后在上层圆形不透水钢板(2)的顶部正中间加载第一加载砝码(16)以提供正应力，再在经通过定滑轮(19)的钢绳与上剪切室(5)固定连接的托盘(23)上加载第二加载砝码(22)，提供试验所需即测定残余抗剪强度所需的剪应力，进行圆柱形岩土体试样的残余抗剪强度试验，待激光测距仪(3)的数据稳定后，卸除第一加载砝码(16)与第二加载砝码(22)。

6.根据权利要求5所述的低应力状态下圆柱形岩土体残余抗剪强度试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，用针头缓慢匀速刺入注胶孔(7)中，将针头拔出之后，针头表面未有塑料快干胶残留即认为塑料快干胶干透；

所述步骤S2中，待干湿循环液体淹没圆柱形岩土体试样后，停止注入干湿循环液体并等待20min后即认为圆柱形岩土体试样被完全浸透；

所述步骤S2中的围压记为0，若需设置围压，在圆柱形岩土体试样侧面的第1层弹性橡胶圈(30)外套箍相应层数的弹性橡胶圈即可；

所述步骤S5中，从圆柱形岩土体试样的70％抗剪强度加载第二加载砝码(22)；若在设定的第二加载砝码(22)未加载完全时，圆柱形岩土体试样发生了受剪面的错动，沿受剪面完全脱离，则在上一次设定的第二加载砝码(22)的加载重量的基础上减少5％抗剪强度重新测试；若在设定的第二加载砝码(22)全部加载完之后，圆柱形岩土体试样没有产生明显的变形即激光测距仪(3)测得的数据没有变动时，则在上一次设定的第二加载砝码(22)的加载重量的基础上增加5％抗剪强度重新测试。

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