CN107389473A - 非饱和土抗剪切强度参数的测定方法及专用直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，包括：水平承台，设置在水平承台上的水平加载装置、垂直加载装置、数据测控装置、剪切盒、基质吸力测定装置；所述剪切盒内放置待测试样；所述基质吸力测定装置设置于待测试样中；所述垂直加载装置设置于剪切盒上方，为剪切盒提供垂直加载；所述水平加载装置与剪切盒连接，为剪切盒提供水平加载。本发明设置了基质吸力测定装置，将吸力计放入土样插孔中，直接进行竖直压力加载，完成非饱和土直剪参数测定的试验，采用全自动数据控制装置，优化了传统的人工读取数据采集方法，使试样检测结果具有更高的准确性。

Description

非饱和土抗剪切强度参数的测定方法及专用直剪仪

技术领域

本发明属于土木工程仪器测试领域，具体涉及一种非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪。

背景技术

自然界浅埋土层中非饱和土的分布十分广泛，岩土工程活动中遇到的绝大多数土体均为非饱和土。目前，建筑基础设计普遍将非饱和土假设为饱和土进行简化处理。非饱和土中气相的存在使得其性质变得异常复杂，工程人员发现基于饱和土的假设结构设计不一定是安全的，而且非饱和土的强度通常高于饱和土强度，这样保守的设计往往会造成巨大的浪费。因此，测定非饱和土的抗剪强度参数对非饱和土层上的道路、建筑物、大坝等结构设计起着重要的作用。

目前，为确定非饱和土的抗剪强度参数，国内外大多采用双压力室非饱和土三轴试验仪。然而，采用双压力室非饱和土三轴试验仪测定非饱和土的抗剪强度，需要耗费大量成本购买专用仪器，并且试验周期很长，对于时间紧张或者经济资源有限的实际工程项目来说，非饱和土的抗剪强度参数测定非常困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定准确度高、成本低、试验效率高的非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，实现非饱和土体试样抗剪强度的直接测定。

为了实现上述目的，本发明提出一种非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，包括：

水平承台，设置在水平承台上的水平加载装置、垂直加载装置、数据测控装置、剪切盒、基质吸力测定装置；所述剪切盒内放置待测试样；所述基质吸力测定装置设置于待测试样中；所述垂直加载装置设置于剪切盒上方，为剪切盒提供垂直加载；所述水平加载装置与剪切盒连接，为剪切盒提供水平加载。

优选地，所述剪切盒包括上剪切盒、下剪切盒和剪切盒顶盖；所述下剪切盒可移动地设置在水平承台上；所述上剪切盒设置于下剪切盒的上方，固定于水平承台上；所述剪切盒顶盖设置于上剪切盒的上方，并与上剪切盒的盒口嵌合连接。

优选地，所述水平承台上设有滚珠导轨，所述下剪切盒设置在滚珠导轨上。

优选地，所述基质吸力测定装置包括吸力计和弹簧，所述吸力计设置在待测试样剪切面的中心位置，所述弹簧设置于吸力计上部。

优选地，所述垂直加载装置包括：载荷气缸；压力传感器，设置于所述载荷气缸的端部；竖直位移传感器，与所述剪切盒顶盖连接。

优选地，所述水平推进装置包括水平推进器；所述水平推进器上设有水平位移传感器。

优选地，所述下剪切盒与所述水平推进器连接。

优选地，所述数据测控装置包括数据控制器和数据采集器。

优选地，所述数据采集器包括第一采集器、第二采集器、第三采集器和第四采集器，所述第一采集器通过数据线与水平位移传感器连接，所述第二采集器通过数据线与吸力计连接，所述第三采集器通过数据线与竖直位移传感器连接，所述第四传感器通过数据线与压力传感器连接。

优选地，利用非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪测定抗剪强度参数方法，包括如下步骤：

将上剪切盒放置在下剪切盒上，上剪切盒下口与下剪切盒上口吻合连接；

用环刀制取待测试样，在待测试样中心钻孔，钻孔深度为待测试样剪切面之上，钻孔直径为吸力计直径；

将待测试样压入到剪切盒内，将吸力计放入待测试样中，吸力计底端位于剪切面上；

通过垂直加载装置对剪切盒顶盖施加垂直压力，使压力传感器达至预定的垂直压力；

通过水平加载装置推动下剪切盒移动；

采集时间、压力、水平剪切位移、竖直位移和基质吸力，并计算待测试样的抗剪切强度参数。

本发明提供的非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，设置了基质吸力测定装置，将吸力计放入土样插孔中，直接进行竖直压力加载，完成非饱和土直剪参数测定的试验；采用全自动数据控制装置，优化了传统的人工读取数据采集方法，使待测试样检测结果具有更高的准确性。在短时间内较为准确的测定非饱和土的直剪参数，解决了常规非饱和土抗剪强度参数获取费时的难题。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本发明一种实施方式的非饱和土专用直剪仪的结构示意图。

图2为本发明一种实施方式的剪切盒剖视结构放大图。

图3为本发明一种实施方式的剪切盒俯视结构放大图。

附图标记说明：

1、速率控制器；2、水平推进器；3、伺服电机；4、水平承台；5、空气压缩机；6、横梁；7、推进杆；8、水平位移传感器；9、滚珠；10、滚珠导轨；11、下剪切盒；12、上剪切盒；13、待测试样；14、吸力计；15、弹簧；16、剪切盒顶盖；17、传载杆；18、荷载气缸；19、压力传感器；20、竖直位移传感器；21、调压阀；22、第一数据线；23、第二数据线；24、第三数据线；25、第四数据线；26、第一采集器；27、第二采集器；28、第三采集器；29、第四采集器；30、数据控制器；31、插孔；32、待测试样孔。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1为本发明一种实施方式的非饱和土专用直剪仪的结构示意图，图2为本发明一种实施方式的剪切盒剖视结构放大图，图3为本发明一种实施方式的剪切盒俯视结构放大图。

如图1、图2、图3所示，本发明提供一种非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，包括：

水平承台4，设置在水平承台4上的水平加载装置、垂直加载装置、数据测控装置、剪切盒、基质吸力测定装置；剪切盒内放置待测试样13，基质吸力测定装置设置于待测试样13中，垂直加载装置设置于剪切盒上方，用于对剪切盒提供垂直加载，水平加载装置与剪切盒连接，用于对剪切盒提供水平加载。

更优选地，水平承台4中间上部设有横梁6，垂直加载装置固定在横梁6上，水平加载装置设置在横梁6的支架一侧。

作为优选方案，剪切盒包括上剪切盒12、下剪切盒11和剪切盒顶盖16；下剪切盒11可移动地设置在水平承台4上；上剪切盒12设置于下剪切盒11的上方，固定于横梁6的支架上；剪切盒顶盖16设置于上剪切盒12的上方，并与上剪切盒12的盒口嵌合连接。上剪切盒12与下剪切盒11结构尺寸一致，剪切盒顶盖16尺寸刚好嵌入上剪切盒12。上剪切盒12固定，可以防止下剪切盒11水平移动时，上剪切盒12内的待测试样水平移动。

更优选地，剪切盒顶盖16中心设有插孔。用于将第二数据线23穿过弹簧15中部与吸力计14顶部连接。

作为优选方案，在水平承台4上设有滚珠导轨10，滚珠导轨10内设有滚珠9。将下剪切盒11设置在水平承台4的滚珠导轨10上，下剪切盒11可以在滚珠导轨10上无阻力水平移动。

作为优选方案，基质吸力测定装置包括吸力计14和弹簧15，吸力计14设置在待测试样13剪切面的中心位置，弹簧15设置于吸力计14上部。吸力计14在弹簧15作用下与待测试样13紧密接触。

更优选地，吸力计为EPXO压力传感器。

作为优选方案，垂直加载装置包括：载荷气缸18、压力传感器19和竖直位移传感器20。载荷气缸18和竖直位移传感器20固定在横梁上，压力传感器19设置于载荷气缸18端部的传载杆17上，竖直位移传感器20与剪切盒顶盖16连接。载荷气缸18与空气压缩机5通过调压阀21连接，使载荷气缸18对剪切盒顶盖16施加预定的垂直压力。剪切盒顶盖16在载荷气缸18的压力作用下向下运动，竖直位移传感20检测待测试样13向下的位移距离。

作为优选方案，水平推进装置包括水平推进器2和水平位移传感器8。水平推进器2与伺服电机3通过速度控制器1连接，水平位移传感器8设置在支架横梁6的支架地脚上，靠近水平推进器2一侧，用于测量水平推进器2的水平位移距离。

作为优选方案，下剪切盒11与水平推进器2通过推进杆7连接，推动下剪切盒11移动，对待测试样13施加水平剪切力。

作为优选方案，数据测控装置包括数据控制器30和数据采集器。用于计入和采集待测试样在试验过程中的记录，包括：时间、压力、水平剪切位移、竖直位移和基质吸力，计算待测试样13的抗剪强度参数。

作为优选方案，数据采集器包括第一采集器26、第二采集器27、第三采集器28和第四采集器29，第一采集器26通过第一数据线22与水平位移传感器8连接，第二采集器27通过第二数据线23与吸力计14连接，第三采集器28通过第三数据线28与竖直位移传感器20连接，第四传感器29通过第四数据线25与压力传感器19连接。

更优选地，数据测控装置30可以采用现有的Datataker等数据采集仪，为了方便性、准确性，也可以采用由数据控制器与第一采集器26、第二采集器27、第三采集器28和第四采集器29相连，共同组成的数据测控装置。

作为优选方案，利用本实施方式的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪测定抗剪强度参数方法，包括：

将上剪切盒12放置在下剪切盒上11，上剪切盒12下口与下剪切盒11上口吻合连接；用环刀制取待测试样13，在待测试样13中心钻孔，钻孔深度为待测试样13剪切面之上，钻孔直径为吸力计14直径；将待测试样13压入到剪切盒内，将吸力计14放入待测试样13中，吸力计14底端位于剪切面上；通过垂直加载装置对剪切盒顶盖16施加垂直压力，使压力传感器19达到预定的垂直压力；通过水平加载装置推动下剪切盒11移动；数据控制装置采集时间、压力、水平剪切位移、竖直位移和基质吸力，并计算试样的抗剪切强度参数。

实施例

如图1、图2所示，本发明提供一种非饱和土抗剪强度参数的测定方法及专用直剪仪，包括具体如下步骤：

1、在下剪切盒11和上剪切盒12的内侧面涂抹凡士林后，将下剪切盒11放置在滚珠导轨10上，下剪切盒11一侧与水平推进器2的推进杆7连接。上剪切盒12叠加放置在下剪切盒11上，将上剪切盒12固定在横梁6的支架上。

2、用与剪切盒界面尺寸相同的环刀制取待测试样13，并在待测试样13中心小心钻取待测试样孔32，钻孔深度为1/2待测试样13高度，钻孔直径为吸力计14直径。

3、将环刀内的待测试样13置于上剪切盒12上，用脱模器将待测试样13压入到上剪切盒12和下剪切盒11内，使待测试样13底部与下剪切盒11底部无缝隙接触，将吸力计14放入试样孔32中，使吸力计14顶端与待测试样13上表面位于同一平面，同时吸力计14底端位于剪切面，将剪切盒顶盖16放置在待测试样13顶部，使剪切盒顶盖16与上剪切盒12盒口契合。

4、启动空气压缩机5，调节调压阀21，载荷气缸18带动传载杆17推动剪切盒顶盖16向下运动，使压力传感器19与剪切盒顶盖16接触，对待测试样13施加预定的垂直压力。竖直位移传感器20底端与剪切盒顶盖16连接，测量剪待测试样13向下运动的位移距离。

5、启动伺服电机3，调节速率控制器1，水平推进器2带动推进杆7，推动下剪切盒11水平沿滚珠轨道10水平移动，水平位移传感器8测量下剪切盒11的水平位移距离，即和待测试样13剪切面的水平剪切位移。

6、试验过程中，第一采集器26采集待测试样13的水平剪切位移，第二采集器27采集待测试样13基质吸力，第三采集器28采集待测试样13的竖直位移，第四采集器29采集待测试样13的垂直压力。

7、数据控制器30记录试验时间、竖直压力、水平剪切位移、竖直位移和基质吸力，计算待测试样13的抗剪强度参数。

本发明可在短时间内完成非饱和土的直剪参数测定，试验成本低、试验效率高；采用全自动数据测控器30，优化了传统的人工读数数据采集方法，使待测试样13测定结果具有更高的准确性。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，包括：

水平承台，设置在水平承台上的水平加载装置、垂直加载装置、数据测控装置、剪切盒、基质吸力测定装置，其特征在于，

所述剪切盒内放置待测试样；

所述基质吸力测定装置设置于待测试样中；

所述垂直加载装置设置于剪切盒上方，为剪切盒提供垂直加载；

所述水平加载装置与剪切盒连接，为剪切盒提供水平加载。

2.根据权利要求1所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述剪切盒包括：上剪切盒、下剪切盒和剪切盒顶盖；

所述下剪切盒可移动地设置在水平承台上；

所述上剪切盒设置于下剪切盒的上方，固定于水平承台上；

所述剪切盒顶盖设置于上剪切盒的上方，并与上剪切盒的盒口嵌合连接。

3.根据权利要求2所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述水平承台上设有滚珠导轨，所述下剪切盒设置在滚珠导轨上。

4.根据权利要求1所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述基质吸力测定装置包括吸力计和弹簧，所述吸力计设置在待测试样剪切面的中心位置，所述弹簧设置于吸力计上部。

5.根据权利要求1所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述垂直加载装置包括：

载荷气缸；

压力传感器，设置于所述载荷气缸的端部；

竖直位移传感器，与所述剪切盒顶盖连接。

6.根据权利要求1所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述水平推进装置包括水平推进器；所述水平推进器上设有水平位移传感器。

7.根据权利要求6所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述下剪切盒与所述水平推进器连接。

8.根据权利要求1所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述数据测控装置包括数据控制器和数据采集器。

9.根据权利要求8所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，其中，所述数据采集器包括第一采集器、第二采集器、第三采集器和第四采集器，所述第一采集器通过数据线与水平位移传感器连接，所述第二采集器通过数据线与吸力计连接，所述第三采集器通过数据线与竖直位移传感器连接，所述第四传感器通过数据线与压力传感器连接。

10.一种非饱和土抗剪强度参数测定方法，利用权利要求1-9任一所述的非饱和土抗剪强度参数测定专用直剪仪，该方法包括如下步骤：

将上剪切盒放置在下剪切盒上，上剪切盒下口与下剪切盒上口吻合连接；

用环刀制取待测试样，在待测试样中心钻孔，钻孔深度为待测试样剪切面之上，钻孔直径为吸力计直径；

将待测试样压入到剪切盒内，将吸力计放入待测试样中，吸力计底端位于剪切面上；

通过垂直加载装置对剪切盒顶盖施加垂直压力，使压力传感器达至预定的垂直压力；

通过水平加载装置推动下剪切盒移动；

采集时间、压力、水平剪切位移、竖直位移和基质吸力，并计算待测试样的抗剪切强度参数。