CN112945754B - 一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***及方法，其技术方案为：包括压力固结装置、调压装置、水体积测量装置，所述调压装置、水体积测量装置分别与压力固结装置相连；其中，压力固结装置包括试样室、安装于试样室顶部的盖板、设于试样室的加载部件，在试样室内完成干湿循环后，所述加载部件及盖板更换为剪切强度测量装置，通过剪切强度测量装置进行剪切强度测试试验。本发明能够将压力固结装置替换为剪切强度测量装置，实现对土样干湿循环作用下常吸力剪切强度的测定，精确测量出干湿循环作用下土体剪切强度的大小，补充膨胀土重要的强度指标。

Description

一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***及方法
技术领域
本发明涉及室内土工试验技术领域，尤其涉及一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***及方法。
背景技术
膨胀土中吸水体积显著膨胀，脱水发生明显体积收缩。反复干湿循环作用下，膨胀土裂隙进一步增多，整体性遭到破坏，进而土体严重破碎化，强度急剧降低。工程中很多膨胀土路基垮塌、边坡失稳等均是由干湿循环引起的，研究干湿循环作用下膨胀土剪切强度的变化，关系到膨胀土对构筑物的危害以及人民生命财产安全，所以我们迫切需要能测量干湿循环作用下膨胀土剪切强度变化的方法与装置。
目前，通过实验室土工三轴测试***测定膨胀土干湿循环过程的剪切强度是难以实现的，主要是由于土工三轴测试***要求土壤试件为细高型圆柱试样，但该试样在干湿循环过程是较难达到吸力平衡的，而实际的工况是土壤通常经历多次干湿循环，因此土样在干湿循环作用下的剪切强度测试一般不宜采用实验室土工三轴测试***。
膨胀土在干湿循环作用下的体变曲线与土水特征参数通常采用压力板法，适用于基质吸力小于1500kPa的扁平型圆柱试样。其原理是利用饱和的高进气值陶土板，采用轴平移技术控制土样的基质吸力，即通过施加一定的气压控制孔隙气压力，使孔隙水压力保持为零，该气压即为当前所施加的基质吸力值，通过位移传感器和排水量可测试土样在干湿循环下的体变曲线与土水特征参数。但该方法和设备是不能够测量膨胀土干湿循环过程中的剪切强度，于是反映干湿循环过程膨胀土剪切强度的重要指标是缺失的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***及方法，拆卸压力固结装置中的加载部件以及盖板，替换为剪切强度测量装置，实现对土样干湿循环作用下常吸力剪切强度的测定，精确测量出干湿循环作用下土体剪切强度的大小，补充膨胀土重要的强度指标。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，包括压力固结装置、调压装置、水体积测量装置，所述调压装置、水体积测量装置分别与压力固结装置相连；
其中，压力固结装置包括试样室、安装于试样室顶部的盖板、设于试样室的加载部件，在试样室内完成干湿循环后，所述加载部件及盖板更换为剪切强度测量装置，通过剪切强度测量装置进行剪切强度测试试验。
作为进一步的实现方式，所述剪切强度测量装置包括套筒，套筒一端安装固定卡盘，套筒内设有扭矩传递轴，所述扭矩传递轴一端连接加力器，另一端连接十字板头；套筒外侧滑动连接有密封盖，所述密封盖连接提拉杆。
作为进一步的实现方式，所述密封盖下方安装有探针式湿度传感器，套筒侧面设有用于固定密封盖的弹簧卡片。
作为进一步的实现方式，所述固定卡盘安装有柱形针，所述套筒侧面设置凹槽，密封盖与凹槽滑动连接。
作为进一步的实现方式，所述加力器上方设置有测力仪表。
作为进一步的实现方式，所述加载部件包括第一加载轴、第二加载轴，第一加载轴一端连接增压气缸，另一端连接第二加载轴；第一加载轴连接压力传感器，第二加载轴连接位移传感器。
作为进一步的实现方式，所述试样室包括第一底座、第二底座，第一底座上方设置陶土板，二者之间形成底座储水腔；第二底座设置于陶土板上方，第二底座上方设有用于固定试样的固结环。
作为进一步的实现方式，所述调压装置包括工况机箱、空气压缩机，工况机箱安装有调压阀，调压阀一端通过管路连接试样室，另一端连接三通接头；所述三通接头连接增压气缸和空气压缩机。
作为进一步的实现方式，所述水体积测量装置包括分别与试样室的进水口、出水口连通的量筒，出水口与量筒之间连接的管路中连接集气瓶，所述集气瓶通过管路连接水平量管。
第二方面，本发明实施例还提供了一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的方法，采用所述的***，包括：
干湿循环过程：通过压力固结装置进行预固结；预固结完成后，将量管、集气瓶和水平量管内的水位重新调整到设定刻度，并记录读数；调节气压，保持预固结过程的竖向应力不变，记录并调整仪器的读数和参数，至竖向位移和水体积不再显著变化为止，土样达到吸力平衡状态；重复上述过程，可测土样干湿循环作用下体变曲线与土水特征曲线；
测试剪切强度过程：
土样完成干湿循环后，拆卸压力固结装置中的加载部件及盖板，更换为剪切强度测量装置，剪切强度测量装置的固定卡盘柱形针压入试样内部，且顶盖与试样室的固定杆配合，将土样固定，保证剪切试验中土样不发生转动；将十字板头压入试样内部，启动加力器电机开展测试，土样转动时读出测力仪表最大扭矩值，测得土样干湿循环后剪切强度。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明的一个或多个实施方式在土水特征曲线的压力板仪实现土样干湿循环作用后，通过置替换压力固结装置中的加载部件及盖板，使得当前测试***实现了膨胀土样在干湿循环作用下剪切强度的测量；该装置操作过程方便，原理方法简单，代替了拆样测量土体强度的方法，减少了对试样的扰动，同时解决了土水特征曲线的压力板仪不能测量剪切强度的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的压力板仪结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的剪切强度测量装置安装示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的剪切强度测量装置结构示意图；
其中，1、支撑架，2、试样室，3、增压气缸，4、第一调压阀，5、第一加载轴，6、第一底座，7、第二底座，8、陶土板，9、固结环，10、透水石，11、刚性盖板，12、工况机箱，13、第二调压阀，14、三通接头，15、空气压缩机，16、第一进气孔，17、第二进气孔，18、第一注水口，19、第二注水口，20、第一量筒，21、第二量筒，22、进水口，23、出水口，24、集气瓶，25、水平量管，26、压力传感器，27、第二加载轴，28、位移传感器，29、气压数显模块，30、位移数显模块，31、压力数显模块，32、固定杆，33、顶盖，34、套筒，35、固定卡盘，36、十字板头，37、扭矩传递轴，38、加力器，39、测力仪表，40、凹槽，41、密封盖，42、湿度传感器，43、弹簧卡片，44、提拉杆，45、柱形针。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
实施例一：
本实施例提供了一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，如图1和图2所示，包括用于测量土水特征曲线的压力板仪和可拆卸的剪切强度测量装置，其中，压力板仪可以实现基质吸力在1500kPa内的扁平型圆柱试验干湿循环，其包括压力固结装置、调压装置、水体积测量装置、数据采集模块，所述调压装置、水体积测量装置、数据采集装置分别与压力固结装置相连；在土样完成干湿循环后，拆卸压力固结装置中的加载部件及盖板更换为剪切强度测量装置。
进一步的，所述压力固结装置包括支撑架1、试样室2、增压气缸3、第一加载轴5、第二加载轴27，增压气缸3安装于支撑架1上方，第一加载轴5设置于支撑架1内部并与增压气缸3相连，第二加载轴27与第一加载轴5之间连接压力传感器26，所述试样室2固定于支撑架1底面。
所述增压气缸3通过管路连接调压装置，增压气缸3安装有调节阀4，利用压缩空气以及第一调压阀4控制加载轴15对试样进行轴向加载。
更进一步的，所述试样室2包括第一底座6、第二底座7、陶土板8、固结环9、固定杆32和盖板，第一底座6设置用于放置陶土板8的凹槽，陶土板8与第一底座6之间形成底座储水腔,用于收集试验土样挤出的水分。
第二底座7设置于陶土板8上方并与第一底座6相连，且第二底座7与陶土板8之间设有密封橡胶垫。在本实施例中，第二底座7与第一底座6通过螺栓连接；可以理解的，在其他实施例中，第二底座7与第一底座6也可以采用其他连接方式。
所述固结环9设置于第二底座7上方，用于将试样固定于试样室2中心位置；试验过程中试样上方覆有透水石10和刚性盖板11；所述第一底座6与盖板之间通过多个固定杆32相连。
进一步的，所述调压装置包括工况机箱12、空气压缩机15，所述工况机箱12具有气压数显模块29、位移数显模块30、压力数显模块31；工况机箱12安装有第二调压阀13，第二调压阀13一端通过管路连接试样室2，且此管路连接气压数显模块29；第二调压阀13另一端连接三通接头14。三通接头14相对应的两个安装口分别连接增压气缸3和空气压缩机15。
所述试样室2侧面设有第一进气孔16，第一进气孔16通过管路连接第二调压阀13。增压气缸3设有第二进气孔17，第二进气孔17通过管路连接三通接头14。第二调压阀13用于控制试样室2内气压，气压均由外设空气压缩机15提供，通过三通接头14分别从第一进气孔16和第二进气孔17向试样室2和增压气缸3加压。
进一步的，水体积测量装置包括第一量筒20、第二量筒21、集气瓶24、水平量管25，试样室2底部一侧设置进水口22，另一侧设置出水口23；所述进水口22通过管路连接第一量筒20，第一量筒20顶部设有第一注水口18；出水口23通过管路连接第二量筒21，第二量筒21顶部设有第二注水口19。
与第一量筒20、第二量筒21、进水口22、出水口23、水平量管25连接的管路以及集气瓶上部分别安装阀门，通过调节阀门可以实现饱和陶土板、测量土样挤出的水分、排除水体积测量装置产生的气泡等功能。
进一步的，数据采集***包括固定于第一加载轴5的压力传感器26，固定于第二加载轴27的位移传感器28，所述压力传感器26与压力数显模块31相连，位移传感器28与位移数显模块30相连。
进一步的，如图2和图3所示，剪切强度测量装置包括顶盖33、套筒34、固定卡盘35、十字板头36、扭矩传递轴37、加力器38、测力仪表39、密封盖41、提拉杆44，顶盖33与试样室2的固定杆32配合，顶盖33靠近边缘位置设有用于固定杆32穿过的通孔；顶盖33的中心开设有中心孔。
套筒34从顶盖33中心孔处穿过，且套筒34上部与顶盖33焊接固定，套筒下部与固定卡盘35焊接固定，所述固定卡盘35上设有用于固定试样的柱形针45。套筒34的内腔有扭矩传递轴37穿过，扭矩传递轴37一端连接十字板头36，另一端连接加力器38，加力器38用于驱动十字板头36。
所述加力器38上方设置有测力仪表39，能够当前对试样施加的扭矩。套筒34表面设置凹槽40，凹槽40沿套筒34高度方向设置，其作为密封盖41的滑动轨道。密封盖41套设于套筒34外侧，且通过凹槽40与套筒34滑动连接；密封盖41周向连接有提拉杆44，所述提拉杆44与密封盖41垂直。
在本实施例中，所述提拉杆44呈L型，其长端与套筒34轴线方向平行，其短端与套筒34轴线方向垂直并位于顶盖33上方。所述密封盖41下方固定探针式湿度传感器42，且套筒34侧面设有弹簧卡片43，通过弹簧卡片43可在提拉密封盖41时将密封盖41与套筒34固定。
测量含水量时，固定卡盘35的柱形针45压入试样***固定试样，探针式湿度传感器42穿过密封盖41及固定卡盘35的小孔压入试样，即可读出测量数据，测量完成后，通过提拉杆44提拉密封盖41将其通过弹簧卡片43固定在套筒34上，将十字板头36压入试样内部启动加力器38即可开始测量。
实施例二：
本实施例提供了一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的方法，采用实施例一所述的***，包括干湿循环过程和测试剪切强度过程，具体的：
干湿循环过程：
采用《土工试验方法标准GBT50123—1999》制备饱和试样，通过压力固结装置开始预固结；预固结完成后，将量筒、集气瓶和水平量管内的水位重新调整到标好的刻度，记录量管的读数。
转动调压阀，将气压调整到所需的基质吸力值，所加的气压值直接显示于气压数显，需要保持预固结过程的竖向应力保持不变，记录并调整仪器的读数和参数，竖向位移和水体积不再显著变化为止，土样达到吸力平衡状态。
重复上述过程，可测土样干湿循环作用下体变曲线与土水特征曲线。
测试剪切强度过程：
土样完成干湿循环后，拆卸压力固结装置，更换为剪切强度测量装置。剪切强度测量装置的固定卡盘柱形针压入试样内部，且顶盖与试样室的固定杆配合，将土样固定，保证剪切试验中土样不发生转动。
探针式湿度传感器通过可滑动密封盖及固定卡盘的小孔压入试样，待示数稳定后读出试样含水量，采用土水特征曲线表达式，利用所测含水量即可获得出试样的当前吸力。
其中，土水特征曲线表达式为：
Figure BDA0002937084390000091
式中：a、b、c为拟合参数，a为进气值函数的土性参数，b为当基质吸力超过土的进气值时，土中水流出率函数的土性参数，c为残余含水量函数的土性参数；Ψ为基质吸力，Ψr为残余含水量所对应的基质吸力，θw为体积含水量，θs为饱和体积含水量。
含水量完成测量后，向上提升提拉杆，带动密封盖拔出探针式湿度传感器；密封盖的提拔高度高于弹簧卡片时弹簧卡片弹出固定住密封盖。
将十字板头压入试样内部启动加力器电机即可开始测量，测力仪表读出土样转动时最大扭矩值Tmax。在本实施例中，采用土力学公式描述土的抗剪强度(τv)和最大扭转(Tmax)的关系：
Figure BDA0002937084390000101
根据ASTM D4648规范，十字板头设计采用标准尺寸，D＝H＝12.7mm。因此，根据测量的最大扭矩值Tmax，获得当前吸力下的剪切强度τv。
本实施例在土水特征曲线的压力板仪实现土样干湿循环作用后，通过剪切强度测量装置替换压力固结装置，使得当前测试***实现了膨胀土样在干湿循环作用下剪切强度的测量，操作过程方便，原理方法简单，代替了拆样测量土体强度的方法，减少了对试样的扰动，同时解决了土水特征曲线的压力板仪不能测量剪切强度的问题。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，其特征在于，包括压力固结装置、调压装置、水体积测量装置，所述调压装置、水体积测量装置分别与压力固结装置相连；
其中，压力固结装置包括试样室、安装于试样室顶部的盖板、设于试样室的加载部件，在试样室内完成干湿循环后，所述加载部件及盖板更换为剪切强度测量装置，通过剪切强度测量装置进行剪切强度测试试验；
所述试样室包括第一底座、第二底座，第一底座上方设置陶土板，二者之间形成底座储水腔；第二底座设置于陶土板上方，第二底座上方设有用于固定试样的固结环；
所述剪切强度测量装置包括套筒，套筒一端安装固定卡盘，套筒内设有扭矩传递轴，所述扭矩传递轴一端连接加力器，另一端连接十字板头；套筒外侧滑动连接有密封盖，所述密封盖连接提拉杆；所述固定卡盘安装有柱形针，所述套筒侧面设置凹槽，密封盖与凹槽滑动连接；
所述加载部件包括第一加载轴、第二加载轴，第一加载轴一端连接增压气缸，另一端连接第二加载轴；第一加载轴连接压力传感器，第二加载轴连接位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，其特征在于，所述密封盖下方安装有探针式湿度传感器，套筒侧面设有用于固定密封盖的弹簧卡片。
3.根据权利要求1所述的一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，其特征在于，所述加力器上方设置有测力仪表。
4.根据权利要求1所述的一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，其特征在于，所述调压装置包括工况机箱、空气压缩机，工况机箱安装有调压阀，调压阀一端通过管路连接试样室，另一端连接三通接头；所述三通接头连接增压气缸和空气压缩机。
5.根据权利要求1所述的一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的***，其特征在于，所述水体积测量装置包括分别与试样室的进水口、出水口连通的量筒，出水口与量筒之间连接的管路中连接集气瓶，所述集气瓶通过管路连接水平量管。
6.一种测试膨胀土干湿循环作用下剪切强度的方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的***，包括：
干湿循环过程：通过压力固结装置进行预固结；预固结完成后，将量管、集气瓶和水平量管内的水位重新调整到设定刻度，并记录读数；调节气压，保持预固结过程的竖向应力不变，记录并调整仪器的读数和参数，至竖向位移和水体积不再显著变化为止，土样达到吸力平衡状态；重复上述过程，可测土样干湿循环作用下体变曲线与土水特征曲线；
测试剪切强度过程：土样完成干湿循环后，拆卸压力固结装置中的加载部件及盖板，更换为剪切强度测量装置，剪切强度测量装置的固定卡盘柱形针压入试样内部，且顶盖与试样室的固定杆配合，将土样固定，保证剪切试验中土样不发生转动；将十字板头压入试样内部，启动加力器电机开展测试，土样转动时读出测力仪表最大扭矩值，测得土样干湿循环后剪切强度。
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