一种非饱和土单剪试验装置及试验方法

1.本发明属于土木工程技术领域，涉及一种非饱和土单剪试验装置及试验方法。


背景技术：

2.土的抗剪强度表征土体抵抗剪切破坏的能力，是岩土工程设计、施工、运行维护过 程中最重要的力学行为指标。
3.地基、路堤和边坡等岩土工程中一般存在3种应力状态：三轴压缩、三轴拉伸、直 接简单剪切应力状态。三轴压缩试验与三轴拉伸试验在三轴仪上开展。直剪试验通常在直剪 仪上开展，但直剪仪存在以下问题：剪切面固定在上下剪切盒之间；试验过程中，试样剪切 面积不能保持恒定；试样剪切面上剪应力分布不均匀，由试样边缘往中心发生渐进破坏，不 适合用于测定土体刚度。单剪试验(direct simple shear testing)能够克服直剪仪的上述缺 点：试验过程中试样均匀变形，不形成单一剪切面，且试样剪切面积保持恒定。单剪试验比 直剪试验能更准确获得直接简单剪切应力状态下土体的抗剪强度与剪切刚度指标。
4.另外，浅表层土体大多是非饱和的，非饱和土体直接简单剪切应力状态下抗剪强度 与刚度特性的试验研究和参数确定，对地基、路堤和边坡等浅层非饱和土体的设计、施工、 运行维护至关重要。
5.然而，目前现有的设备尚不能准确模拟非饱和土体的直接简单剪切应力状态。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种非饱和土单剪试验装置及其试验方法，保证剪切过程中试 样剪应力和剪应变均匀，避免出现固定的剪切面，为获得非饱和土抗剪强度与刚度特性参数 提供试验基础，可在土木工程技术领域推广。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供一种非饱和土单剪试验装置，包括水平加载单元、垂直加载单元、水平加载气压 平衡单元、垂直加载气压平衡单元、压力室、剪切单元、压力调节单元和数据采集单元；所 述剪切单元设置在压力室内，所述剪切单元包括滑块、加压上盖、支撑座、橡胶膜、刚性叠 环和剪切盒底盒，所述加压上盖、刚性叠环和剪切盒底盒组成试样的安置空间；所述加压上 盖包括透气板和气压入口；所述剪切盒底盒包括陶土板、排水槽和排水管接口；所述透气板 和陶土板分别位于试样的上侧和下侧；所述剪切盒底盒一侧通过水平传力杆连接水平加载气压平衡单元，水平加载气压平衡单元通 过水平传压杆连接水平加载单元；所述加压上盖上部通过垂直传力杆连接垂直加载气压平衡 单元，垂直加载气压平衡单元通过垂直传压杆连接垂直加载单元；所述排水管接口通过排水 管连接第一体变管和第二体变管；所述水平加载单元设置于压力室一侧，为剪切单元提供水平方向加载；所述垂直加载单元设 置于压力室上方，为剪切单元提供垂直方向加载；
所述水平加载气压平衡单元设置于水平加载单元与压力室之间，用于平衡压力室内气压对水 平传力杆的外推作用力；所述垂直加载气压平衡单元设置于垂直加载单元与压力室之间，用 于平衡压力室内气压对垂直传力杆的外推作用力；所述压力调节单元用于调节压力室内气压，用于控制试样的不同吸力状态；所述数据采集单元用于采集水平剪切力、垂直压力、水平位移和垂直位移的数据。
8.在一个技术方案中，所述水平加载单元包括水平作动器、水平加压框架和液压控制 单元；所述垂直加载单元包括垂直作动器、垂直加压框架和液压控制单元。
9.在一个技术方案中，所述数据采集单元包括水平位移计、水平力传感器、垂直位移 计、垂直压力传感器和孔隙水压力传感器；所述水平位移计通过水平位移计架固定在水平传 压杆上，所述垂直位移计通过垂直位移计架固定在垂直传压杆上，所述水平力传感器固定在 水平传力杆上，所述垂直压力传感器固定在垂直传力杆上。
10.在一个技术方案中，所述剪切单元还包括扎带和锁紧箍环，所述扎带固定橡胶膜上 部，所述锁紧箍环固定橡胶膜下部。
11.在一个技术方案中，所述压力室通过管道分别与水平加载气压平衡单元、垂直加载气 压平衡单元连通，水平传压杆穿过水平加载气压平衡单元，垂直传压杆穿过垂直加载气压平 衡单元。
12.在一个技术方案中，所述水平加载气压平衡单元包括固定板、套管、o型密封圈压 环、气压入口和排气孔；所述套管一端与固定板固定、另一端与压力室外侧面固定，所述水 平传力杆的突出段位于套管内，所述o型密封圈压环穿过水平传力杆，所述气压入口和排 气孔分别设置在套管的两端。
13.在一个技术方案中，所述压力调节单元通过管道与压力室连通，可以控制压力室内 部气压。
14.在一个技术方案中，所述滑块包括通过轴承设置在滑块下部的滑轮，滑块通过螺栓 与剪切盒底盒固定，所述滑轮位于支撑座上的滑道内。
15.本发明还提供一种非饱和土单剪试验装置的试验方法，包括以下步骤：步骤1、陶土板及排水管路饱和；步骤2、安装试样及封闭压力室；步骤3、吸力平衡：调整压力室气压等于试验方案所需压力；记录第一体变管和第二体变管 的初始读数后打开排水管阀门，吸力平衡试验开始，记录垂直位移计、第一体变管和第二体 变管的读数变化量，当垂直位移计、第一体变管和第二体变管的读数在24h内无变化时，吸 力平衡完成；步骤4、非饱和固结：启动垂直加载单元，调整垂直传压杆位置并与垂直传力杆接触后锁紧 固定；按试验方案施加所需固结压力，记录垂直位移计、第一体变管和第二体变管的读数变 化量，当垂直位移计、第一体变管和第二体变管的读数在24h内无变化时，非饱和固结完 成；步骤5、非饱和单剪：启动水平加载单元，调整水平传压杆位置并与水平传力杆接触后锁紧 固定；以不超过0.001mm/min的剪切速率进行单剪试验，同时控制垂直传压杆位置不变以 保持试样高度不变，记录水平位移计、水平力传感器、垂直压力传感器、第一体变管和第二 体变管的读数变化量，直至剪切应变达到20％或水平剪切力下降至水平剪切力
最大值的 20％以下，单剪试验完成。
16.相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明剪切盒底盒设置陶土板，通过轴平移技术实现了非饱和土单剪试验；陶土板底部设置 排水管路，实现了对试样含水率变化的实时监测，并可方便地排除陶土板底部气泡；试样装 入橡胶膜后再用刚性叠环固定，保证了剪切过程中试样剪应力和剪应变均匀，避免出现固定 的剪切面，因而基于该试验装置的单剪试验是单元体试验，可由此获得准确的非饱和土刚度 特性参数(剪切模量g)。
17.本发明在压力室外设置水平加载气压平衡单元和垂直加载气压平衡单元，气压平衡 单元有效抵消了压力室内部气压对水平传力杆和垂直传力杆的外推作用；压力室内置水平力 传感器和垂直压力传感器，避免了传力杆轴摩擦力影响；从而能够获得准确的单剪试验过程 中的水平剪切力和垂直压力。
18.本发明剪切盒底盒连接滑块底部滑轮置于支撑座上的滑道内，滑轮定向滑动避免了 单剪试验过程中试样的侧向偏移，提高了单剪试验的精度。
19.本发明具备能够准确模拟非饱和土直接简单剪切应力状态与应变状态、设备结构简 明、试验操作简便等优点，能够为获得非饱和土抗剪强度与刚度特性参数提供试验基础，可 在土木工程技术领域推广。
附图说明
20.图1为本发明非饱和土单剪试验装置的结构示意图。
21.图2为本发明装置中水平加载气压平衡单元的剖面示意图。
22.图3为本发明装置中剪切单元的剖面示意图。
23.图4为本发明装置中剪切盒底盒的俯视示意图。
24.图5为本发明装置中滑块的侧视示意图。
25.图6为本发明装置中滑块的仰视示意图。
26.图7为本发明装置中加压上盖的剖面示意图。
27.图8为本发明装置中锁紧箍环的示意图。
28.附图中标号：1为装置台，2为水平作动器，3为水平加压框架，4为水平传压杆，5 为水平位移计架，6为水平加载气压平衡单元，6-1为o型密封圈压环，6-2为第一o型密 封圈，6-3为突出段，6-4为螺栓孔，6-5为第一螺栓，6-6为第二o型密封圈，6-7为气压入 口，6-8为第三o型密封圈，6-9为第二螺栓，6-10为排气孔，6-11为第四o型密封圈，6
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12为固定板，6-13为套管，7为锁紧螺丝，8为水平位移计，9为压力室，10为固定螺栓， 11为密封圈，12为垂直压力传感器接线口，13为水平力传感器接线口，14为玻璃板，15 为垂直作动器，16为垂直加压框架，17为垂直传压杆，18为垂直加载气压平衡单元，19为 垂直位移计架，20为垂直位移计，21为压力室气压接口，22为水平力传感器，23为水平传 力杆，24为滑块，24-1为轴承，24-2为滑轮，25为加压上盖，25-1为透气板，25-2为气压 入口，26为扎带，27为锁紧箍环，28为支撑座，29为连接固定螺丝，30为垂直压力传感 器，31为垂直传力杆，32为橡胶膜，33为刚性叠环，34为剪切盒底盒，34-1为陶土板， 34-2为第三螺栓，34-3为排水槽，34-4为排水管接口，35为排水管，36为气压管路，37为 第一排水管路阀门，38为第二排水管路阀门，39为第一体变管，40为气压表，41为气压调 节阀，42为气压接入管路，43为第二体变管，44为
试样。
具体实施方式
29.以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实 施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无 特别说明，均为常规方法。
30.实施例一如图1～8所示，本发明一种非饱和土单剪试验装置，包括设置在装置台1上的水平加载单 元、垂直加载单元、水平加载气压平衡单元6、垂直加载气压平衡单元18、压力室9、剪切 单元、压力调节单元和数据采集单元；所述剪切单元设置在压力室9内，所述剪切单元包括 滑块24、加压上盖25、支撑座28、橡胶膜32、刚性叠环33和剪切盒底盒34，所述加压上 盖25、刚性叠环33和剪切盒底盒34组成试样44的安置空间；所述加压上盖25包括透气 板25-1和气压入口25-2；所述剪切盒底盒34包括陶土板34-1、排水槽34-3和排水管接口 34-4；所述透气板25-1和陶土板34-1分别位于试样44的上侧和下侧；所述剪切盒底盒34一侧通过水平传力杆23连接水平加载气压平衡单元6，水平加载气压平 衡单元通过水平传压杆4连接水平加载单元6；所述加压上盖25上部通过垂直传力杆31连 接垂直加载气压平衡单元18，垂直加载气压平衡单元18通过垂直传压杆17连接垂直加载 单元；水平传压杆4与水平传力杆23、垂直传压杆17与垂直传力杆31均通过锁紧螺丝7 固定；所述排水管接口34-4通过排水管连接第一体变管39和第二体变管43；所述水平加载单元6设置于压力室9一侧，为剪切单元提供水平方向加载；所述垂直加载单 元18设置于压力室9上方，为剪切单元提供垂直方向加载；所述水平加载气压平衡单元设置于水平加载单元与压力室9之间，用于平衡压力室9内气压 对水平传力杆23的外推作用力；所述垂直加载气压平衡单元设置于垂直加载单元与压力室 9之间，用于平衡压力室9内气压对垂直传力杆31的外推作用力；所述压力调节单元用于调节压力室9内气压，用于控制试样44的不同吸力状态；所述数据采集单元用于采集水平剪切力、垂直压力、水平位移和垂直位移的数据。
31.如图1所示，本发明中水平加载单元包括水平作动器2、水平加压框架3和液压控制 单元；垂直加载单元包括垂直作动器15、垂直加压框架16和液压控制单元。
32.如图1所示，本发明中数据采集单元包括水平位移计8、水平力传感器22、垂直位 移计20和垂直压力传感器30；水平位移计8通过水平位移计架5固定在水平传压杆4上， 垂直位移计20通过垂直位移计架19固定在垂直传压杆17上，水平力传感器22固定在水平 传力杆23上，垂直压力传感器30固定在垂直传力杆31上。垂直压力传感器30和水平力传 感器22位于压力室9内部，在压力室9外侧对应设置垂直压力传感器接线口12和水平力传 感器接线口13。在排水管上设置第一排水管路阀门37和第二排水管路阀门38。
33.如图3所示，本发明中剪切单元还包括扎带26和锁紧箍环27，扎带26固定橡胶膜 32上部，锁紧箍环27固定橡胶膜32下部。
34.如图1所示，本发明中压力室9通过管道分别与水平加载气压平衡单元6、垂直加载 气压平衡单元18连通，水平传压杆4穿过水平加载气压平衡单元6，垂直传压杆17穿过垂 直加载气压平衡单元18。
35.如图2所示，本发明中水平加载气压平衡单元6包括固定板6-12、套管6-13、o型 密封圈压环6-1、气压入口6-7、和排气孔6-10。套管6-12为中空的“工”字形，一端通过 第一螺栓6-5与固定板6-12固定、另一端通过第二螺栓6-9与压力室9外侧面固定，所述水 平传力杆23的突出段6-3位于套管6-13内，所述o型密封圈压环6-1穿过水平传力杆23， 所述气压入口6-7和排气孔6-10分别设置在套管6-13的两端。本发明水平加载气压平衡单 元6中各组件间的接触面均进行密封，具体地，水平传力杆23与固定板6-12的接触面通过 第一o型密封圈6-2密封，固定板6-12与套管6-13的接触面通过第二o型密封圈6-6密 封，突出段6-3与套管6-13的接触面通过第三o型密封圈6-8，水平传力杆23与套管6-13 末端的接触面通过第四o型密封圈6-11密封。垂直加载气压平衡单元18的结构同水平加载 气压平衡单元6。
36.如图1所示，本发明中压力调节单元通过管道与压力室9连通。具体地，气压接入 管路42分别通过压力室气压管路36连接压力室9上的压力室气压接口21，以调节压力室9 内气压。更进一步地，在压力室气压管路36上设置气压调节阀41和气压表40。
37.如图5和图6所示，本发明中滑块24包括通过轴承24-1设置在滑块24下部的滑轮 24-2，滑块24通过第三螺栓34-2与剪切盒底盒34固定，所述滑轮24-2位于支撑座28上的 滑道内。
38.作为一种实施方式，压力室9由压力室框架和透明有机玻璃板14组成，其中压力室 框架是由上下左右四块钢板焊接而成的整体框架，前后两块透明有机玻璃板14通过固定螺 栓10固定于压力室框架上，密封圈11用于保证压力室9的密封效果。
39.作为一种可实施方式，如图8所示，锁紧箍环27由两个半圆环组成，通过螺丝拧紧 箍住橡胶模32下部，锁紧箍环27内径61.9mm，高度5mm；扎带26为橡皮筋，将橡胶模 32扎紧在加压上盖25上；刚性叠环33由聚四氟乙烯制成，摩擦系数极低，叠环内径 62.0mm，厚度为1mm，共30个，加压上盖25装入橡胶模32后，安装好刚性叠环33，扎 带26固定橡胶膜32上部，锁紧箍环27固定橡胶膜32下部。
40.基于上述非饱和土单剪试验装置的试验方法，包括以下步骤：步骤1、陶土板及排水管路饱和：试验用陶土板34-1进气值为5bar；首先将剪切盒底盒34 放入真空缸内抽气饱和，真空表达到1个大气负压力后，继续抽气4h，然后注水，待陶土 板34-1完全淹没于水中后关闭进水阀，再停止抽气，然后开进气阀，静置12h，借大气压力 使陶土板34-1饱和；真空饱和完成后，再置于蒸馏水中浸泡24h后，轻轻抹干剪切盒底盒 34顶部和底部的多余水，将滑块24连接固定于剪切盒底盒34底部；将排水管35连接排水 管接口34-4，打开第一排水管阀门37和第二排水管路阀门38，用针筒向第一体变管39、第 二体变管43中注入一定量蒸馏水，排净排水管路及排水槽34-3中的空气，管路饱和完成， 关闭第一排水管阀门37和第二排水管路阀门38。
41.步骤2、安装试样44及封闭压力室9：根据《土工试验方法标准：gb/t 50123
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2019》和试验方案制作相应的环刀样(直径61.8mm，高度20mm)；将制备好的环刀样推 出环刀装入橡胶模32，将装入试样44的橡胶模32套入剪切盒底座34，使试样44底部与陶 土板34-1接触，安装好锁紧箍环27，拧紧螺丝直至橡胶模32与剪切盒底座34接触紧密； 然后将加压上盖25装入橡胶模32，安装好刚性叠环33，一共30个，用扎带26将橡胶模 32扎紧在加压上盖25上；调整好水平力传感器22的位置，拧紧锁紧螺母；调整好垂直向 力传感器18的位置，拧紧锁紧螺母29；安装压力室前后两块透明有机玻璃板14。
42.步骤3、吸力平衡：按照试验方案施加气压力，启动空气压缩机，由气压接入管路 42输入气压；开启气压调节阀41，调整压力室9气压等于试验方案所需压力；记录第一体 变管39和第二体变管43的初始读数后打开第一排水管阀门37和第二排水管路阀门38，吸 力平衡试验开始，记录垂直位移计20、第一体变管39和第二体变管43的读数变化量，当 垂直位移计20、第一体变管39、第二体变管43的读数在24h内无变化时，吸力平衡完成； 步骤4、非饱和固结：启动垂直加载单元的液压控制系统，调整垂直传压杆17位置并与垂 直传力杆31接触后锁紧固定；按试验方案施加所需固结压力，记录垂直位移计20、第一体 变管39、第二体变管43的读数变化量，当垂直位移计20、第一体变管39和第二体变管43 的读数在24h内无变化时，非饱和固结完成；步骤5、非饱和单剪：启动水平加载单元的液压控制系统，调整水平传压杆4位置与水平传 力杆23接触后锁紧固定；以不超过0.001mm/min的剪切速率进行单剪试验，同时控制垂 直传压杆17位置不变以保持试样高度不变，记录水平位移计8、水平力传感器22、垂直压 力传感器30、第一体变管39和第二体变管43的读数变化量，直至剪切应变达到20％或水 平剪切力下降至水平剪切力最大值的20％以下，单剪试验完成。
43.关闭第一排水管阀门37和第二排水管路阀门38，卸除压力室9内压力，拆开装置， 取出试样44并称量质量，将试样44置于105℃下烘干24h，获得干土质量md，计算吸力平 衡试验过程中试样高度h、含水率w、孔隙比e，非饱和固结试验过程中竖直应力σv、高度 hg、含水率wg、孔隙比eg，以及非饱和单剪试验过程中试样的竖直应力σ
′v、剪应变γ、剪 应力τ。
44.吸力平衡试验过程中试样高度h＝h
0-(h-h0)，式中：h0为试样安装时的高度，mm；h为吸力平衡试验过程中垂直位移计读数，mm；h0为吸力平衡试验开始时垂直位移计 初始读数，mm。
45.吸力平衡试验过程中试样含水率式中：m0为试样安装时的 质量，g；v为吸力平衡试验过程中第一体变管和第二体变管读数之和，ml；v0为吸力平衡 试验开始时第一体变管和第二体变管的初始读数之和，ml；ρw为水密度，g/cm3。
46.吸力平衡试验过程中试样孔隙比式中：a为试样的面积，cm2；gs为 土粒比重。
47.非饱和固结试验过程中竖直应力式中：fv为非饱和固结试验过程中竖 向传感器读数，kn；m
tp
为加压上盖及上部杆件总重量，kg；g为重力加速度。
48.非饱和固结试验过程中试样高度hg＝h
0-(h
’‑h’0)，式中：h’为非饱和固结试验过 程中垂直位移计读数，mm；h
’0为非饱和固结试验开始时垂直位移计初始读数，mm。
49.非饱和固结试验过程中试样含水率式中：v’为非饱和固 结试验过程中第一体变管和第二体变管读数之和，ml；v
′0为非饱和固结试验开始时第一体 变管和第二体变管的初始读数之和，ml。
50.非饱和固结试验过程中试样孔隙比
51.非饱和单剪试验过程中试样垂直压力式中：f
′v为非饱和单剪试验过程 中竖向传感器的读数，kn。
52.非饱和单剪试验过程中剪切应变式中：h
g0
为非饱和固结完成时的试样高 度，mm；d0为非饱和单剪试验开始时水平位移计初始读数，m；d为非饱和单剪试验过程中 水平位移计读数，mm。
53.非饱和单剪试验过程中剪应力式中：t为水平力传感器读数，kn。
54.选取剪应力τ-剪应变γ关系曲线上的剪应力τ峰值或稳定值作为非饱和抗剪强度τf。
55.拟合剪应力τ-剪应变γ关系曲线的斜率获得非饱和状态下的土体剪切模量g，
56.以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限 制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术 内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化 和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。