一种双向柔性加卸环剪装置及其试验方法与流程

1.本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种双向柔性加卸环剪装置及其试验方法。


背景技术：

2.在基坑开挖、路堑边坡的开挖的施工过程中，卸荷过程是十分常见的。在开挖完成后，暴露的岩土体因为降雨和蒸发的作用将经历干湿过程。在开挖卸荷和干湿过程的共同作用下，基坑和路堑边坡等工程出现大变形、发生破坏等工程问题时有发生。
3.岩土工程问题常规的试验手段主要有直接试验、无侧限压缩试验和三轴试验等。直剪试验用于测量岩土材料强度参数，具有设备简单，操作方便的优点。但是直接试验存在着土样中剪切面面积随着剪应变的发展而不断变化，正应力不均匀等问题。无侧限压缩试验只施加垂直的轴向压力，试验时侧向不受限制，主要用于测量粘性土粘聚力的测量。三轴试验实现了竖向和围压的控制，但是受到试验方法的限制，其剪切位移具有一定的限制。已有常规手段在研究大剪切变形和破坏问题中，均具有一定的局限性。而环剪试验具有连续剪切变形条件下剪切面恒定不变的特点，可以观测岩土材料整个变形破坏过程，在大剪切变形和强度问题的研究中具有较好的应用前景。
4.鉴于实际工程的需要，国内外学者一直致力于环剪设备的研发工作，并研发出不同类型的环剪设备，解决了土体渗水、上下剪切盒间摩擦较大、试验控制不便等技术问题，目前的环剪设备不断向高精度、自动化的方向发展。目前大多数的环剪设备中剪切盒采用的是刚性结构，环剪试验是在侧限条件下的一维固结后开展。2016年中国科学院武汉岩土力学研究所的朱泽奇等(专利号：cn 106092756 a)采用弹性膜围合成的油腔在内侧向土体施加围压，通过刚性顶盖施加竖向压力，研发了一种可施加围压的空心环剪设备。2018年中国地质大学(武汉)宁奕冰等则采用了内外剪切盒的结构，仍采用弹性膜围合成的油腔和刚性顶盖加压的方式加载(专利号：cn 108801804 a)。设备中弹力膜发生侧向变形时与刚性顶盖间存在较大相互影响，对测量结果存在一定影响。对于膨胀土基坑开挖卸荷和干湿过程路径下，土体将出现较大的应力变化和胀缩体变，刚性顶盖和弹性膜间相互影响的影响更为显著。此外，这两个设备无法实现卸荷和干湿耦合的作用路径。2016年西安长庆科技工程有限责任公司研发了一种湿度可测的土体干湿循环环剪仪(专利号：cn 106018126 a)，该设备通过在土样顶部和底部的通气管对土体内注入蒸汽或干燥的空气改变土体内的含水量，通过顶盘的湿度计探头测量土体内部的湿度。顶部和底部通气管的设置，对环向剪切变形有一定的约束和限制作用，影响和限制了环剪试验的操作。
5.综上所述，现有技术中的环剪设备在进行环剪试验过程中，会出现因采用弹性膜围合成的油腔和刚性顶盖加压的方式加载而导致测量结果不准确、无法实现卸荷和干湿耦合的作用路径和因对环向剪切变形有约束和限制而导致不便于操作等问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种双向柔性加卸环剪装置及其试验方法，其目的是解决现有的环剪设备测量结果不准确、无法实现双向卸荷、无法模拟干湿耦合的作用路径以及不便于操作的问题。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了一种双向柔性加卸环剪装置，包括工作平台、竖向加压系统、环向加压系统、剪切加载系统、干湿循环系统和测量系统；
8.工作平台上设置有顶部具有开口的上剪切盒和底部具有开口的下剪切盒，上剪切盒顶部设置有可拆卸的顶盖，下剪切盒设置有可拆卸的底盖；上剪切盒内部设置有一个钢护筒，钢护筒的顶部与顶盖固定连接，钢护筒的底部与底盖转动密封连接；上剪切盒、下剪切盒、顶盖、底盖和钢护筒围合成一个用于容纳被测土样的剪切盒体；
9.竖向加压系统包括充盈时向剪切盒体内土样施加竖向压力的竖向压力囊；环向加压系统包括充盈时向剪切盒体内土样施加环向压力的环向压力囊；剪切加载系统用于向剪切盒体内土样施加扭矩；干湿循环系统用于向剪切盒体内土样注入水或干燥空气的；
10.测量系统用于测量土样的竖向压力、土样的围压、土样剪切面上的剪应力、土样剪切位移、竖向压力囊体积变化量、环向压力囊体积变化量。
11.进一步地，作为顶盖与工作台固定连接的一种具体设置方式，工作台上对称设置有两根竖直的固定支架，两根固定支架的顶部之间设置有固定横梁，固定横梁上设置有固定件，剪切盒体设置在两根固定支架之间，固定件与顶盖固定连接。
12.进一步地，作为竖向加压系统的一种具体实施方式，竖向加压系统还包括液压动力源装置，竖向压力囊的横截面呈圆环结构且其上设置有外圈刚性环，竖向压力囊通过外圈刚性环与顶盖的下表面固定连接，液压动力源装置和竖向压力囊之间设置有竖向进液管，竖向进液管一端与液压动力源装置连通，另一端穿过顶盖与竖向压力囊连通。
13.进一步地，作为环向加压系统的一种具体实施方式，环向加压系统还包括环向进液管，环向进液管一端与液压动力源装置连通，另一端穿过顶盖与环向压力囊连通；
14.环向压力囊的横截面呈圆环结构，环向压力囊的内壁与钢护筒外壁固定连接，环向压力囊的两端分别与顶盖下端面和底盖的上端面接触。
15.进一步地，作为竖向压力囊的具体连接方式，竖向压力囊的内侧壁上设置有内圈弹力环，竖向压力囊的内壁通过内圈弹力环与环向压力囊外壁接触。
16.进一步地，剪切加载系统包括设置在剪切盒体底部的旋转动力驱动装置，旋转动力驱动装置上设置有两根扭矩传力杆，两根扭矩传力杆一端与旋转动力驱动装置固定连接，另一端与底盖的下端面固定连接。
17.进一步地，底盖中部设置有一根引流管，引流管一端与钢护筒内部连通，另一端与外界连通，引流管上设置有三通阀，三通阀中的两个端口分别与引流管的两端连通；底盖内部设置有土样干湿管道，土样干湿管道的一端与剪切盒体内部连通，另一端通过三通阀剩下端口与钢护筒内部连通；
18.干湿循环系统包括设置在工作台上的加湿风干装置和与加湿风干装置连通的注水通气管道，注水通气管道穿过顶盖与钢护筒内部连通；注水通气管道上设置有通水通气开关。
19.进一步地，测量系统包括设置在竖向进液管上的第一流量计、竖向压力表和竖向压力变送器、设置在环向进液管上的第二流量计、环向压力表和环向压力变送器、设置在剪切盒体内壁的湿度传感器和设置在工作台上用于与湿度传感器电性连接的信号采集器、设置在旋转动力驱动装置内的旋转角度和扭矩测量元件。
20.本发明还提供一种双向柔性加卸环剪装置的试验方法，其包括：
21.步骤1、获取待测土样，并将待测土样放置于剪切盒体内；
22.步骤2、对待测土样进行固结，并进入步骤3；
23.步骤3、模拟待测土样在基坑开挖前的受压状态，并记录待测土样受压后的物理参数，之后进入步骤4～步骤6任一步骤；
24.步骤4、对待测土样进行卸荷试验，并记录卸荷待测土样的物理参数；
25.步骤5、采用待测土样模拟降雨试验，并记录待测土样渗水后的物理参数；
26.步骤6、对待测土样进行环剪试验，并记录待测土样环剪试验后的物理参数；
27.步骤7、根据步骤3和步骤4的物理参数，得到卸荷导致的待测土样变形量；
28.步骤8、根据步骤3和步骤5的物理参数，得到含水量增加导致的待测土样的变形量；
29.步骤9、根据步骤3、步骤4、步骤5和步骤6的物理参数，得到待测土样在固结后、卸荷试验后或模拟降雨试验后的剪切位移和剪应力关系。
30.具体地，所述步骤3进一步包括：
31.采用竖向压力囊对待测土样施加竖向压力，直至剪切盒体内的待测土样受到的竖向压力与待测土样在基坑开挖前受到的竖向压力相同后，环向压力囊停止，并记录向竖向压力囊内的液体体积vh；
32.环向压力囊对待测土样施加环向压力，直至剪切盒体内的待测土样受到的环向压力与待测土样在基坑开挖前受到的环向压力相同后，环向压力囊停止，并记录向环向压力囊内的液体体积vr；
33.计算待测土样受压后的内径r
0l
和受压后的高度h
l
：
[0034][0035]
其中，h0、r
0 r1分别为待测土样的初始高度、内径、外径；
[0036]
所述步骤4进一步包括：保持待测土样的环向压力不变，降低竖向压力囊的液压，直至竖向压力囊对待测土样的竖向压力降低至预设压力；
[0037]
模拟基坑开挖的卸荷作用，记录竖向压力囊的液体排出体积δv
h1
，环向压力囊的液体排出体积δv
r1
；
[0038]
计算待测土样卸荷试验后待测土样的内径r
0u
和高度hu：
[0039][0040]
所述步骤5进一步包括：开启三通阀，水流经钢护筒土和土样干湿管道进入剪切盒体内，调整待测土样的含水量至预设含水量，在此过程中保持环向压力囊和竖向压力囊的压力等于预设压力；
[0041]
每预设时间记录待测土样的湿度值，直至湿度值不变，记录竖向压力囊的液体排出体积δv
h2
，环向压力囊的液体排出体积δv
r2
；
[0042]
计算待测土样渗水后的内径r
0w
和高度hw：
[0043][0044]
所述步骤6进一步包括：保持待测土样的水含量不变，保持竖向压力囊和环形压力囊的体积不变，旋转动力驱动装置并通过扭矩传力杆向待测土样施加环向剪切力，直至待测土样发生破坏且保持旋转动力驱动装置及测量装置测定的扭矩值不变时，记录旋转角度θ和扭矩t；
[0045]
所述步骤7进一步包括：根据步骤3和步骤4中的待测土样尺寸的变化量，计算卸荷导致土样的环向变形ε
ru
、竖向变形ε
hu
、体积变形ε
vu
：
[0046]
ε
vu
＝2ε
ru
ε
hu
；
[0047]
所述步骤8进一步包括：根据步骤3和步骤6中的待测土样尺寸的变化量，计算含水量增加后的待测的环向变形ε
rw
、竖向变形ε
hw
及体积变形ε
vw
：
[0048]
ε
vw
＝2ε
rw
ε
hw
；
[0049]
根据环向变形ε
rw
、竖向变形ε
hw
及体积变形ε
vw
，评估基坑开挖后出现雨水入渗基坑的变形情况；
[0050]
所述步骤9进一步包括：根据步骤3～步骤5中任一的待测土样尺寸的变化量和步骤6中的旋转角度θ和扭矩t，计算土样的剪切位移s和剪应力τ：
[0051][0052]
其中，r
0f
为环剪剪切开始前的土样内径值，r
0f
可以根据不同试验为r0、r0u、r
0w
中的任一一个；绘制剪应力τ和剪切位移s间的关系曲线，用于评估基坑发生的滑移变形。
[0053]
本发明的有益效果为：1、本方案中设置有竖向加压系统和环向加压系统，实现对土样的竖向和环向压力的加载和卸载路径，可以实现土样内含水量的变化，且剪切变形不受约束，因此可以实现复杂的应力路径和干湿过程以满足实际工程的需求。
[0054]
2、本方案中设置有干湿循环系统，可以模拟降雨渗入待测土样后，土样物理力学参数的变化，进而可用于研究复杂应力路径条件和多次干湿过程作用下土体剪切大变形破坏规律，为进一步的理论研究提供试验支撑。
[0055]
3、环向压力囊外侧与土样发生接触，试验中只能发生环向变形，向土样内侧施加环向压力。竖向压力囊下部与土样接触，在试验中向土样顶部施加竖向压力，其内环随着环向压力囊的变形而发生相应地环向变形，可以随着土样的变形而调整接触面积，保证了两个方向压力施加过程中不发生相互影响。竖向压力囊和环向压力囊在内部压力的作用下和外部土样变形的情况下而发生相应的变形，这种柔性加载方式保证了作用于土样压应力具有较好的均匀性。
[0056]
4、本方案中的竖向加压系统、环向加压系统和干湿循环系统相互独立，在剪切过
程中，钢护筒、环向压力囊、上剪切盒和竖向压力囊不发生旋转，保证了环剪过程不影响工作台上环向、竖向加压和干湿循环控制的操作。
附图说明
[0057]
图1为一种双向柔性加卸环剪装置的结构示意图。
[0058]
图2为底盖的结构示意图。
[0059]
图3为环向压力囊的结构示意图。
[0060]
图4为环向压力囊竖向压力囊、钢护筒及底盖之间的连接示意图。
[0061]
其中，1、土样；2、下剪切盒；3、湿度传感器；4、上剪切盒；5、环向压力囊；6、竖向压力囊；7、竖向进液管；8、环向进液管；9、剪切盒体；10、钢护筒；11、注水通气管道；12、固定件；13、顶盖；14、底盖；15、引流管；16、土样干湿管道；17、三通阀；18、信号采集器；19、脚架；20、工作平台；21、液压动力源装置；22、环向压力表；23、竖向压力表；24、环向压力变送器；25、竖向压力变送器；26、固定横梁；27、固定支架；28、通水通气开关；29、加湿风干装置；30、扭矩传力杆；31、旋转动力驱动装置；32、外圈刚性环；33、内圈弹力环。
具体实施方式
[0062]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0063]
如图1～图4所示，本发明提供了一种双向柔性加卸环剪装置，包括工作平台20、竖向加压系统、环向加压系统、剪切加载系统、干湿循环系统和测量系统；
[0064]
工作平台20上设置有顶部具有开口的上剪切盒4和底部具有开口的下剪切盒2，上剪切盒4顶部设置有可拆卸的顶盖13，下剪切盒2设置有可拆卸的底盖14；上剪切盒4内部设置有一个钢护筒10，钢护筒10的顶部与顶盖13固定连接，钢护筒10的底部与底盖14转动密封连接；上剪切盒4、下剪切盒2、顶盖13、底盖14和钢护筒10围合成一个用于容纳被测土样1的剪切盒体9。上剪切盒4和下剪切盒2的设置，便于安装和拆卸，便于将土样1放入和取出剪切盒体9，同时剪切加载系统在向土样1施加扭矩后，土样1在上剪切盒4和下剪切盒2之间产生剪切滑裂面。
[0065]
作为顶盖13与工作台固定连接的一种具体设置方式，工作台上对称设置有两根竖直的固定支架27，两根固定支架27的顶部之间设置有固定横梁26，固定横梁26上设置有固定件12，剪切盒体9设置在两根固定支架27之间，固定件12与顶盖13固定连接。保证了整个双向柔性加卸环剪装置在试验过程中的平稳运行。
[0066]
为了便于工作平台20的固定安装，工作平台20的底面上设置有脚架19。
[0067]
竖向加压系统包括充盈时向剪切盒体9内土样1施加竖向压力的竖向压力囊6；作为竖向加压系统的一种具体实施方式，竖向加压系统还包括液压动力源装置21，竖向压力囊6的横截面呈圆环结构且其上设置有外圈刚性环32，竖向压力囊6通过外圈刚性环32与顶盖13的下表面固定连接，液压动力源装置21和竖向压力囊6之间设置有竖向进液管7，竖向进液管7一端与液压动力源装置21连通，另一端穿过顶盖13与竖向压力囊6连通。液压动力
源装置21通过竖向进液管7向竖向压力囊6充液，充液后的竖向压力囊6对土样1施加竖向压力。
[0068]
环向加压系统包括充盈时向剪切盒体9内土样1施加环向压力的环向压力囊5；作为环向加压系统的一种具体实施方式，环向加压系统还包括环向进液管8，环向进液管8一端与液压动力源装置21连通，另一端穿过顶盖13与环向压力囊5连通；环向压力囊5的横截面呈圆环结构，环向压力囊5的内壁与钢护筒10外壁固定连接，环向压力囊5的两端分别与顶盖13下端面和底盖14的上端面接触。液压动力源装置21通过环向进液管8向环向压力囊5充液，充液后的环向压力囊5对土样1施加环向压力。
[0069]
优选但不局限地，作为竖向压力囊6的具体连接方式，如图1和图4所示，竖向压力囊6的内侧壁上设置有内圈弹力环33，竖向压力囊6的内壁通过内圈弹力环33与环向压力囊5外壁接触。环向压力囊5外侧与土样1发生接触，试验中只能发生环向变形，向土样1内侧施加环向压力。竖向压力囊6下部与土样1接触，在试验中向土样1顶部施加竖向压力，其内环随着环向压力囊5的变形而发生相应地环向变形，可以随着土样1的变形而调整接触面积，保证了两个方向压力施加过程中不发生相互影响。竖向压力囊6和环向压力囊5在内部压力的作用下和外部土样1变形的情况下而发生相应的变形，这种柔性加载方式保证了作用于土样1压应力具有较好的均匀性。
[0070]
剪切加载系统用于向剪切盒体9内土样1施加扭矩；剪切加载系统包括设置在剪切盒体9底部的旋转动力驱动装置31，旋转动力驱动装置31上设置有两根扭矩传力杆30，两根扭矩传力杆30一端与旋转动力驱动装置31固定连接，另一端与底盖14的下端面固定连接。通过扭矩传递对底盖14施加扭矩，开展环剪试验。环剪过程中底盖14、下剪切盒2发生旋转，并向下剪切盒2内的土体施加剪应力，土样1在上下剪切盒2间产生剪切滑裂面。在环剪过程中，钢护筒10、环向压力囊5、上剪切盒4和竖向压力囊6不发生旋转，保证了环剪过程不影响工作台上环向、竖向加压和干湿循环控制的操作。本方案中设置有竖向加压系统和环向加压系统，实现对土样1的竖向和环向压力的加载和卸载路径，可以实现土样1内含水量的变化，且剪切变形不受约束，因此可以实现复杂应力路径和干湿过程以满足实际工程的需求。
[0071]
如图1和图2所示，干湿循环系统用于向剪切盒体9内土样1注入水或干燥空气的；优选但不局限地，底盖14中部设置有一根引流管15，引流管15一端与钢护筒10内部连通，另一端与外界连通，引流管15上设置有三通阀17，三通阀17中的两个端口分别与引流管15的两端连通；底盖14内部设置有土样干湿管道16，土样干湿管道16的一端与剪切盒体9内部连通，另一端通过三通阀17剩下端口与钢护筒10内部连通；干湿循环系统包括设置在工作台上的加湿风干装置29和与加湿风干装置29连通的注水通气管道11，注水通气管道11穿过顶盖13与钢护筒10内部连通；注水通气管道11上设置有通水通气开关28。三通阀17有两个档位，三通阀17在一档时，引流管15与土样干湿管道16连通，实现水或干燥空气由注水通气管道11依次流经钢护筒10内部、引流管15、三通阀17和土样干湿管道16进入剪切盒体9内土样1中；三通阀17在一档时，土样1中的水或空气由土样干湿管道16依次流经引流管15、三通阀17排除在外界，通过控制三通阀17的档位，实现控制注入的水或干燥空气的迁移途径；干湿循环系统不需要在底盖14内表面布设管道，对土样1环剪过程中，避免了外部管道约束土样1的剪切变形。
[0072]
干湿循环系统可以模拟降雨渗入待测土样1后，土样1物理力学参数的变化，进而
可用于研究复杂应力路径条件和多次干湿过程作用下土体剪切大变形破坏规律，为进一步的理论研究提供试验支撑
[0073]
测量系统用于测量土样1的竖向压力、土样1的围压、土样1剪切面上的剪应力、土样1剪切位移、竖向压力囊6体积变化量、环向压力囊5体积变化量。优选地测量系统包括设置在竖向进液管7上的第一流量计、竖向压力表23和竖向压力变送器25、设置在环向进液管8上的第二流量计、环向压力表22和环向压力变送器24、设置在剪切盒体9内壁的湿度传感器3和设置在工作台上用于与湿度传感器3电性连接的信号采集器18、设置在旋转动力驱动装置31内的旋转角度和扭矩测量元件。
[0074]
第一流量计可以测得竖向压力囊6体积变化量，第二流量计可以测得环向压力囊5体积变化量，第一流量计和第二流量计在附图中没有标出。
[0075]
竖向压力表23和环向压力表22可以测得土样1的竖向压力和环形压力；竖向压力变送器25和环向压力变送器24用于调节液压动力源装置21向两个压力囊输送的液压；旋转角度和扭矩测量元件附图中未标出，旋转角度和扭矩测量元件用于测量扭矩大小和土样1剪切位移。本方案中的竖向加压系统、环向加压系统和干湿循环系统相互独立，在剪切过程中，钢护筒10、环向压力囊5、上剪切盒4和竖向压力囊6不发生旋转，保证了环剪过程不影响工作台上环向、竖向加压和干湿循环控制的操作。
[0076]
本发明还提供一种双向柔性加卸环剪装置的试验方法，试验对象为某基坑工程现场原状膨胀土，原状膨胀土的初始含水量为25％和初始孔隙比0.85，基坑开挖前基坑侧壁内侧土单元的竖向应力为100kpa，水平应力为50kpa，基坑开挖导致该土单元的水平应力由50kpa降低至25kpa，竖向应力仍为100kpa。基坑下部土单元的竖向应力为200kpa，水平应力为100kpa，开挖后竖向应力由200kpa降低至150kpa，水平应力保持不变仍为100kpa。基坑开挖后发生了降雨，基坑工程场地内膨胀土的含水量由25％增加至35％。研究基坑开挖卸荷后降雨导致含水量增加导致基坑不同位置处的膨胀土土样1发生膨胀变形以及强度变化可采用如下步骤开展试验；
[0077]
步骤1、获取待测土样1，并将待测土样1放置于剪切盒体9内；具体地，将烘干的膨胀土土样1与水按1:0.25的质量比例混合并在容器内进行夯实达直至孔隙比达到0.85，通过剪切(如环刀剪切)得到空心圆柱膨胀土土样1，其中，空心圆柱膨胀土土样1的高度为h0，内径为r0，外径为r1，待测土样1总重量为w，待测土样1的干土与水的重量比为1:0.25；
[0078]
将空心圆柱膨胀土土样1安装固定至剪切盒体9中，将剪切盒体9固定至工作平台20，并按图1连接相应设备管线，无需将注水通气管道11与加湿风干装置29连接；
[0079]
步骤2、对空心圆柱膨胀土土样1进行固结；之后进入步骤3；具体地，环向压力囊5和竖向压力囊6对待测土样1施加相同大小的压力至预设压力值；在此过程中打开三通阀17，使土样干湿管道16通过引流管15与外界连通，待测土样1受压所产生的气体通过土样干湿管道16和引流管15排除至外界；
[0080]
具体地，由液压动力源装置21通过环向压力囊5和竖向压力囊6同时向空心圆柱膨胀土土样1施加相同大小的竖向压力和环向压力，对于研究基坑侧壁土单元的实验，竖向和环向压力加载至50kpa；对于研究基坑底部土单元的实验，竖向和环向压力加载至100kpa；在加载中打开三通阀17至一档位，空心圆柱膨胀土土样1中的气体可以排出，此时注水通气管道11与大气相连，由于膨胀土渗透系数较低且该步骤中加载时间较短，空心圆柱膨胀土
土样1中的水的渗出可以忽略，土体孔隙体积变化可以忽略的情况下土体的孔隙比仍可近似为0.85；
[0081]
步骤3、模拟空心圆柱膨胀土土样1在基坑开挖前的受压状态；并记录待测土样受压后的物理参数，之后根据试验目的进入步骤4～步骤6任一步骤；具体地，对于基坑侧壁的土单元，基坑开挖过程中，侧向的水平应力将出现降低，为了方便后续的模拟基坑开挖卸荷采用竖向压力囊6卸载的方式，该步骤中建议增加环向压力囊5的压力使得空心圆柱膨胀土土样1的环向应力由50kpa达到100kpa，同时保持竖向压力囊6的液压不变；
[0082]
对于基坑底部土单元，基坑开挖过程中，上部的竖向应力将出现降低，为了方便后续的模拟基坑开挖卸荷采用竖向压力囊6卸载的方式，建议增加竖向压力囊6的压力使得土样1上的竖向压力由100kpa增加至200kpa，同时，保持环向压力囊5的液压不变；在加载中保持通水通气阀位于一档位；
[0083]
空心圆柱膨胀土土样1的外径r1不变，计算空心圆柱膨胀土土样1受压后的内径r
0l
和受压后的高度h
l
，计算公式为：
[0084][0085]
步骤4、对空心圆柱膨胀土土样1进行卸荷试验；并记录卸荷空心圆柱膨胀土土样1的物理参数；
[0086]
具体地，对研究基坑侧壁土单元的试验，竖向压力由50kpa降低至25kpa，同时保持环向压力不变；对研究基坑底部土单元的试验，竖向压力由200kpa降低至150kpa，同时保持环向压力不变；
[0087]
记录竖向压力囊6的液体排出体积为δv
h1
，环向压力囊5的液体排出体积为δv
r1
；
[0088]
空心圆柱膨胀土土样1的外径r1不变，计算卸荷试验中空心圆柱膨胀土土样1的内径r
0u
和高度hu，计算公式为：
[0089][0090]
步骤5、模拟降雨试验，并记录空心圆柱膨胀土土样1渗水后的物理参数；
[0091]
打开三通阀17，水流经钢护筒10土和样干湿管道通进入剪切盒体9内，给空心圆柱膨胀土土样11中增加水，使空心圆柱膨胀土土样1的含水量由25％增加至35％，得到空心圆柱膨胀土土样1的水增加重量为在此过程中保持环向压力囊5和竖向压力囊6的压力不变，均为预设压力；
[0092]
然后每隔1小时记录空心圆柱膨胀土土样1的湿度值直至湿度值保持不变后，测量出竖向压力囊6的液体排出体积为δv
h2
，环向压力囊5的液体排出体积为δv
r2
；
[0093]
测得空心圆柱膨胀土土样1的外径r1不变，并计算出空心圆柱膨胀土土样1的内径r
0w
和高度hw，其计算公式分别为：
[0094][0095]
步骤6、环剪试验，并记录空心圆柱膨胀土土样1环剪试验后的物理力学参数；具体
地，保持空心圆柱膨胀土土样1的水含量不变，保持竖向压力囊6和环形压力囊的体积不变，旋转动力驱动装置31并通过扭矩传力杆30向空心圆柱膨胀土土样1施加逐步增大环向剪切力，直至空心圆柱膨胀土土样1发生破坏且旋转动力驱动装置31及测量装置测定的扭矩值保持不变时停止，记录旋转角度θ和扭矩t；分析环剪试验中强度的变化规律。分析剪应力τ和剪切位移s间的关系曲线，找到剪应力τ达到稳定状态时的数值τf，τf即为土样1的残余强度，为用于评估基坑开挖卸荷和降雨入渗后膨胀土土地基是否发生破坏的强度参数。剪应力τ和剪切位移s间的关系曲线可用于评估基坑可能发生的滑移变形；
[0096]
步骤7、根据步骤3和步骤4的物理参数，得到卸荷导致的空心圆柱膨胀土土样1的变形量；计算卸荷导致空心圆柱膨胀土土样1的环向变形ε
ru
、竖向变形ε
hu
、体积变形ε
vu
，用于评估基坑开挖导致的基坑变形；
[0097]
计算公式如下：
[0098]
ε
vu
＝2ε
ru
ε
hu
。
[0099]
步骤8、根据步骤3和步骤5的物理参数，得到含水量增加导致的空心圆柱膨胀土土样1的变形量；确定水量增加导致的环向变形ε
rw
、竖向变形ε
hw
及体积变形，用于评估基坑开挖后出现雨水入渗基坑的变形情况；计算公式如下：
[0100]
ε
vw
＝2ε
rw
ε
hw
；
[0101]
步骤9、根据步骤3～步骤5中任一的待测土样尺寸的变化量和步骤6的物理参数，得到环剪后空心圆柱膨胀土土样1的剪切位移和剪应力，具体地，根据步骤3～步骤5中的空心圆柱膨胀土土样1尺寸的变化量和步骤6中的旋转角度θ和扭矩t，计算空心圆柱膨胀土土样1的剪切位移s和剪应力τ：
[0102][0103]
其中，r
0f
为环剪剪切开始前的土样内径值，r
0f
为r
0w
；绘制剪应力τ和剪切位移s间的关系曲线，用于评估基坑发生的滑移变形。