CN113155639A - 一种根土复合体剪切测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种根土复合体剪切测试方法及其装置，包括如下步骤：在选定的测定地点放置剪切盒，将所述剪切盒向下按入土壤中；修整所述剪切盒周围的地面与所述剪切面齐平；将夹具与所述剪切盒固定连接，并将所述剪切测试装置锚固在所述地面上；对所述剪切盒施加推力，使所述剪切盒第一次沿导轨移动预设距离，同时采集推力F₁和位移数据信号，得到推力F₁‑位移关系曲线；将所述剪切盒拉回原位后；使所述剪切盒第二次沿导轨移动，得到推力F₂‑位移关系曲线；得到剪切力‑位移关系曲线；根据公式计算得到根土复合体抗剪强度：

本发明的根土复合体剪切测试方法和装置通过测量前后两次移动剪切盒时的推力，获得精确的根土复合体抗剪强度。

Description

一种根土复合体剪切测试方法及其装置

技术领域

本发明涉及土体力学技术领域。更具体地，涉及一种根土复合体剪切测试方法及其装置。

背景技术

随着生态治理的深入，生物工程措施越来越受到重视。在固土护坡及防治土壤侵蚀方面，植物根系发挥了十分重要的作用，它们错综复杂地穿插于土壤之间，通过浅层根系的加筋效应和深层根系的锚固作用，起到加固土壤、提高土壤抗冲、抗蚀的作用。

目前国内外对于植物根系增强土体稳定性效果的评价方法和手段主要有室内直剪试验、三轴压缩试验、原位剪切试验等。其中，原位剪切试验是在对根土复合体中的根系不做任何扰动及破坏的条件下进行试验，能够排除取样或重塑样对根土之间的粘结力和摩擦力造成的影响,从而使得其试验结果更加符合实际。

传统的测定根土复合体抗剪强度的原位剪切仪在使用过程中存在一定的局限性,其装置大而笨重，多采用手摇螺杆进给的方式控制剪切盒前进，无法精确控制剪切速度；数据采集费时费力，且难以同步采集推力和位移数据。目前常见的剪切测试装置多采用上、下PVC管作为剪切盒，实验前需将根土复合体植于两根空的PVC管内，并竖直埋在土壤中培育，此种结构的装置前期样品制备复杂，且PVC管难免会约束植物根系的自然生长，不适宜野外测试工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够获得准确的根土复合体抗剪强度的测试方法及其装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种根土复合体剪切测试方法，包括如下步骤：

在选定的测定地点放置剪切盒，将所述剪切盒向下按入土壤中，所述剪切盒底面为剪切面；

修整所述剪切盒周围的地面与所述剪切面齐平；

放入剪切测试装置，将夹具与所述剪切盒固定连接，并将所述剪切测试装置锚固在所述地面上；

对所述剪切盒施加推力，使所述剪切盒第一次沿导轨移动预设距离，同时采集推力F₁和位移数据信号，得到推力F₁-位移关系曲线；

所述剪切盒移动到所述预设距离后，将所述剪切盒拉回原位后；

再次对所述剪切盒施加推力，使所述剪切盒第二次沿导轨移动所述预设距离，同时采集推力F₂和位移数据信号，得到推力F₂-位移关系曲线；

根据所述推力F₁-位移关系曲线和推力F₂-位移关系曲线得到剪切力-位移关系曲线；

根据公式(1)计算得到根土复合体抗剪强度：

式中：E_p为根土复合体抗剪强度(J/m²)，F(x)为剪切力-位移关系曲线， x为剪切位移(mm)，X_P为峰值剪切力对应的位移(mm)。

优选地，所述剪切盒第一沿轨道移动的速度与第二次沿轨道移动的速度相等。

优选地，所述预设距离为20cm。

优选地，在将所述剪切盒拉回原位时，将所述剪切盒与剪切面分离。

优选地，在将所述剪切盒向下按入土壤前，先修整出大于所述剪切盒面积的土体，然后采用边切割所述剪切盒四周的土壤，边同时下按所述剪切盒的方式，将所述剪切盒按入待测土壤中。

根据本发明的另一个方面，提供了一种根土复合体剪切测试装置，包括：

剪切盒，其设置为矩形框形状，用于按入待测土壤内形成剪切面；

框架，其包括两根平行设置的导轨，以及与所述导轨固定连接的底板；

电动推杆，设置于所述框架上，用于驱动所述剪切盒沿所述导轨往复移动；

夹具，用于连接所述剪切盒和所述电动推杆；

数据采集系统，其包括用于生成所述电动推杆作用于所述剪切盒推力信号的压力传感器、用于生成所述剪切盒位移信号的位移传感器和数据采集卡；

地锚杆，用于将所述框架固定于地面。

优选地，所述夹具包括夹持所述剪切盒的前夹具和后夹具。

优选地，所述前夹具和后夹具上分别设有至少两个与所述导轨配合的滑块。

优选地，所述电动推杆的一端固定于所述框架上，另一端通过所述压力传感器与所述前夹具固定连接。

优选地，所述位移传感器为拉杆式位移传感器，所述拉杆式位移传感器通过支架固定于所述导轨上，且所述拉杆式位移传感器的一端与所述前夹具连接。

本发明的有益效果如下：

由于本发明的根土复合体剪切测试方法和装置测量前后两次移动剪切盒时的推力，能够将推力减去剪切面的摩擦力，从而获得准确的剪切力-位移曲线，进而得到精确的根土复合体抗剪强度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明根土复合体剪切测试装置的结构示意图。

图2示出本发明根土复合体剪切测试装置的夹具的结构示意图。

图3示出本发明电动推杆作用于剪切盒的作用力-位移关系曲线。

图4示出本发明剪切力-位移关系曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出本发明根土复合体剪切测试装置的一种实施方式，该装置包括：剪切盒10、框架20、电动推杆30、夹具40、数据采集系统50和地锚杆60。剪切盒10进入土壤中，其底面形成待测试的剪切面，夹具40能够夹持剪切盒10并与电动推杆30的一端连接，电动推杆30的另一端固定于框架20上，电动推杆30能够对剪切盒10施加作用力，从而带动剪切盒10沿导轨21移动，数据采集系统50包括压力传感器51和位移传感器52以及数据采集卡，图中未示出数据采集卡，压力传感器51生成电动推杆30作用于剪切盒10的推力信号、位移传感器52生成剪切盒10的位移信号，所述数据采集卡采集推力信号和位移信号，并能够将推力信号和位移信号发送至计算机中，从而生成推力-位移曲线。

本发明的测试装置通过电动推杆30提供推力，避免了传统手摇丝杠的弊端，提高了推力的稳定性；采用压力传感器51和位移传感器52可同时生成剪切盒10所受推力和位移的数据信号，数据采集系统50实时采集推力和位移的数据信号，并可通过计算机实时显示剪切盒10所受推力随位移的变化过程。

在本实施例中，剪切盒10设置为250mm×250mm×150mm的矩形框型，优选地，可以采用厚度为5mm的304不锈钢板弯折焊接制成。使用一个矩形剪切盒野外制备原状土样，节约前期制样的时间，利用本发明的测试装置能够对根土复合体中的根系不做任何扰动及破坏的条件下进行试验，能够排除取样或重塑样对根土之间的粘结力和摩擦力造成的影响,从而使得其试验结果更加符合实际。

如图1和图2所示，夹具40包括均为半矩形框型的前夹具41和后夹具 42，前夹具41和后夹具42之间通过螺栓固定连接，并夹持在剪切盒10的外侧。所述前夹具41和后夹具42使用规格330mm×50mm×10mm的低合金结构钢板折弯焊接而成，所述前夹具41的中间部分突出一块规格为100mm× 50mm×10mm的钢板，用于焊接法兰盘44。

框架20包括两根平行设置的导轨21和底板22，底板22分别固定在导轨 21的两端。优选地，电动推杆30的推力为1600N，行程0-200mm，其推进速度可调节，电动推杆30的一端与底板22铰接，另一端与压力传感器51连接，从而能够对剪切盒10施加推力，从而带动剪切盒10移动。底板22上开设有固定孔，地锚杆60穿过所述固定孔插入土壤中，从而将框架20固定于地面，保证在电动推杆30推动剪切盒10移动时，框架20能够保持稳定不动。

前夹具41和后夹具42的两侧均设有两个滑块43，两个滑块43分别与左右导轨21配合，并沿导轨21移动，从而夹具40能够通过滑块43沿导轨21 往复移动，进而剪切盒10能够在电动推杆30的驱动下通过滑块43沿导轨21 往复移动。

进一步地，压力传感器51采用轮辐式压力传感器，法兰盘44依据轮辐式压力传感器尺寸定制，直径为74mm，厚度为10mm，在距离其边缘5.5mm 处，均匀布设8个直径为6mm的螺纹通孔，使用M6螺杆将轮辐式压力传感器固定在法兰盘44上。所述轮辐式压力传感器量程0-3000N，使用24V电压供电，输出0-10V电压信号。

位移传感器52为拉杆式位移传感器，所述拉杆式位移传感器量程为 0-200mm，精度±0.1mm，输入电压10V，输出电压信号范围0-10V，拉杆式位移传感器通过支架设置在导轨21上，且拉杆式位移传感器的端部与前夹具 41上的固定部45连接，从而能够生成剪切盒10的位移信号。

优选地，所述数据采集卡使用USB6005八路100K高速工业采集卡，电压信号接收范围-10V～+10V，可同时采集推力和位移信号至笔记本电脑。

本发明测试装置的体积小，重量轻(25KG)，便于拆卸和搬运；使用数据采集卡同步采集压力传感器51和位移传感器52的电压信号，将剪切盒10 所受推力和位移实时显示在电脑屏幕上；在对根-土复合体中的根系不做任何扰动及破坏的条件下进行试验,从而使得其试验结果更符合实际和准确。

本发明还公开了一种根土复合体剪切测试方法，包括如下步骤：

S1、在选定的实验样地确定好具体的测定地点，将剪切盒10向下按入土壤中，剪切盒10的底面为剪切面。

为了减小剪切盒10安装过程对土壤可能产生的扰动，在将剪切盒10向下按入土壤前，先修整出略大于剪切盒10面积的土体，然后采用边切割剪切盒10四周的土壤、边同时下按剪切盒10的方式，将剪切盒10按入待测土壤中，使得土壤表面与剪切盒10内的10cm刻度线齐平，此时，剪切盒10底面的土壤为抗剪测试的剪切面。可以理解的是，本实施方式的剪切盒10的高度为15cm，在其它实施例中，土壤表面可以与剪切盒10的顶面齐平，即剪切盒10内的土壤高度为15cm，本领域技术人员可根据实际需要测试的深度，在0-15cm范围内选择剪切盒10内的土壤高度。

为了确保测试结果的准确性，每个实验样地选取3个测定地点，即每个实验样地进行3次测试，测试土壤的深度可分别为0-10cm、10-20cm、20-30cm、 30-40cm或40-50cm。

S2、完成剪切盒10的安装后，进行清理现场，使得剪切盒10周围的土壤与剪切盒10的底面齐平，即剪切盒10四周的地面与剪切面齐平，留出放置测试装置的场地。

S3、将测试装置放置场地内，将夹具40与剪切盒10固定连接，并将测试装置锚固在底面上。

具体地，将前夹具41和后夹具42利用螺栓连接，使得前夹具41和后夹具42夹持住剪切盒10，然后利用地锚杆60插入土壤中将测试装置固定于地面。

S4、对剪切盒10施加推力，使剪切盒10第一次沿导轨移动预设距离，同时采集推力F₁和位移数据信号，得到推力F₁-位移关系曲线。

在本实施方式中，通过固定在底板22上的电动推杆30对剪切盒10施加推力，由于夹具40上的滑块43与导轨21滑动连接，夹具40能够沿导轨21 滑动，从而确保剪切盒10沿导轨21滑动20cm的距离，剪切盒10的移动速度约为0.7mm/s。

由于电动推杆30通过压力传感器51与夹具40连接，且夹具40还与位移传感器52连接，使压力传感器51生成推力F₁的数据信号，以及位移传感器52生成位移距离的数据信号，数据采集卡采集所述数据信号并保存至笔记本电脑中，采集频率为100Hz，然后使用制图软件生成推力F₁-位移关系曲线。

S5、在剪切盒10移动预设距离后，将剪切盒10拉回原位。

在实施方式中，电动推杆30推动剪切盒10移动20cm的距离后，电动推杆30拉动剪切盒10至初始位置，为了防止剪切盒10被拉回时破坏剪切面，在拉回剪切盒10时将底板22调高少许，使剪切盒10的底面与剪切面分离，避免剪切盒10与剪切面接触，待完全拉回剪切盒10后，将底板22调回原位，使剪切盒10的底面与剪切面贴合。

S6、再次对剪切盒10施加推力，使剪切盒10第二次沿导轨21移动所述预设距离，同时采集推力F₂和位移数据信号，得到推力F₂-位移关系曲线。

电动推杆30第二次对剪切盒10施加推力，使得剪切盒10沿导轨滑动 20cm的距离，移动速度也保持0.7mm/s，数据采集卡采集压力传感器51和位移传感器生成的推力F₂和位移数据信号，并将所述数据信号保存至笔记本电脑中，然后使用制图软件生成推力F₂-位移关系曲线。剪切盒10前后两次的移动距离和速度相同，便于使前后两次的推力位移关系曲线对应。

S7、如图3所示，根据推力F₁-位移关系曲线和推力F₂-位移关系曲线得到剪切力-位移关系曲线。

在根土复合体剪切破坏过程中，压力传感器51测定的推力包括剪切力和摩擦力，其中剪切力主要包括根系发生断裂时的拉力、根系被拔出时与下层土壤间的摩擦力和土壤颗粒间的黏聚力，而摩擦力主要来自土体结构破坏后上、下剪切面之间，以及导轨21与滑块43之间的摩擦力。而上、下剪切面之间的摩擦力与根土复合体抗剪强度无关，因此需要将其从总的推力-位移曲线中减去，得到实际的根土复合体剪切力-位移曲线。

电动推杆30第一次推动剪切盒10移动时生成的推力F₁-位移关系曲线中的推力F₁包括剪切力和摩擦力，其中导轨21与滑块43之间的摩擦力可以在调试装置时尽量使其减小，从而可忽略不计，即推力F₁包括根系发生断裂时的拉力、根系被拔出时与下层土壤间的摩擦力和土壤颗粒间的黏聚力，以及土体结构破坏后上、下剪切面之间的摩擦力。

由于电动推杆30第二次推动剪切盒10移动时土壤已被剪切破坏，此时生成的推力F₂-位移关系曲线中的推力F₂仅包括上、下剪切面之间的摩擦力，从而推力F₁-位移关系曲线减去推力F₂-位移关系曲线得到剪切力-位移关系曲线。

从理论上来讲，推力F₂-位移关系曲线应是一条水平的直线，但实际上并非如此，而呈缓慢上升趋势，造成这一结果的根本原因在于，虽然上下土体和主要根系经过第一次剪切后已被剪断，但土壤剪切面并不十分平整，加之根系的影响，剪切盒10运动过程中会出现松散土壤颗粒单向堆积现象，从而轻微增大了剪切力，这种影响可能与土壤质地、根系特性及土壤含水量有关，需要后期逐渐加以修正，但整体而言，因摩擦力增加的幅度较小，并不会影响本测试的结果。

S8、根据公式(1)计算得到根土复合体抗剪强度：

式中：E_p为根土复合体抗剪强度(J/m²)，F(x)为剪切力-位移关系曲线， x为剪切位移(mm)，X_P为峰值剪切力对应的位移(mm)。

对于根土复合体抗剪强度的指标，未使用土力学、材料力学中常用的单位面积最大剪切力，主要是因为根土复合体剪切破坏过程是一个消耗能量过程，需同时考虑剪切力和位移在根土复合体剪切破坏过程中的变化情况，因此，通过对根土复合体剪切力-位移关系曲线求取积分，得到消耗的能量(单位面积剪切做功)，作为评价根土复合体抗剪强度的指标。具体地，找到剪切力-位移曲线上剪切力从快速增大到明显减小的转折点(X_P，T_P)，根据公式(1) 计算得到根土复合体抗剪强度。

由于本发明的根土复合体剪切测试方法通过测量前后两次移动剪切盒10 时的推力，能够将推力减去剪切面的摩擦力，从而获得准确的剪切力-位移曲线，进而得到精确的根土复合体抗剪强度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种根土复合体剪切测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

在选定的测定地点放置剪切盒，将所述剪切盒向下按入土壤中，所述剪切盒底面为剪切面；

修整所述剪切盒周围的地面与所述剪切面齐平；

放入剪切测试装置，将夹具与所述剪切盒固定连接，并将所述剪切测试装置锚固在所述地面上；

对所述剪切盒施加推力，使所述剪切盒第一次沿导轨移动预设距离，同时采集推力F₁和位移数据信号，得到推力F₁-位移关系曲线；

所述剪切盒移动到所述预设距离后，将所述剪切盒拉回原位后；

再次对所述剪切盒施加推力，使所述剪切盒第二次沿导轨移动所述预设距离，同时采集推力F₂和位移数据信号，得到推力F₂-位移关系曲线；

根据所述推力F₁-位移关系曲线和推力F₂-位移关系曲线得到剪切力-位移关系曲线；

根据公式(1)计算得到根土复合体抗剪强度：

式中：E_p为根土复合体抗剪强度(J/m²)，F(x)为剪切力-位移关系曲线，x为剪切位移(mm)，X_P为峰值剪切力对应的位移(mm)。

2.根据权利要求1所述的根土复合体剪切测试方法，其特征在于，所述剪切盒第一沿轨道移动的速度与第二次沿轨道移动的速度相等。

3.根据权利要求1所述的根土复合体剪切测试方法，其特征在于，所述预设距离为20cm。

4.根据权利要求1所述的根土复合体剪切测试方法，其特征在于，在将所述剪切盒拉回原位时，将所述剪切盒与剪切面分离。

5.根据权利要求1所述的根土复合体剪切测试方法，其特征在于，在将所述剪切盒向下按入土壤前，先修整出大于所述剪切盒面积的土体，然后采用边切割所述剪切盒四周的土壤，边同时下按所述剪切盒的方式，将所述剪切盒按入待测土壤中。

6.一种根土复合体剪切测试装置，其特征在于，包括：

剪切盒，设置为矩形框形状，用于按入待测土壤内形成剪切面；

框架，其包括两根平行设置的导轨，以及与所述导轨固定连接的底板；

电动推杆，设置于所述框架上，用于驱动所述剪切盒沿所述导轨往复移动；

夹具，用于连接所述剪切盒和所述电动推杆；

数据采集系统，其包括用于生成所述电动推杆作用于所述剪切盒推力信号的压力传感器、用于生成所述剪切盒位移信号的位移传感器和数据采集卡；以及

地锚杆，用于将所述框架固定于地面。

7.根据权利要求6所述的根土复合体剪切测试装置，其特征在于，所述夹具包括夹持所述剪切盒的前夹具和后夹具。

8.根据权利要求7所述的根土复合体剪切测试装置，其特征在于，所述前夹具和后夹具上分别设有至少两个与所述导轨配合的滑块。

9.根据权利要求7所述的根土复合体剪切测试装置，其特征在于，所述电动推杆的一端固定于所述框架上，另一端通过所述压力传感器与所述前夹具固定连接。

10.根据权利要求7所述的根土复合体剪切测试装置，其特征在于，所述位移传感器为拉杆式位移传感器，所述拉杆式位移传感器固定于所述导轨上，且所述拉杆式位移传感器的一端与所述前夹具连接。

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