專利名稱：負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土木工程土工試驗(yàn)裝置，特別是一種非飽和土體的吸力變化對其強(qiáng)度影響的測試裝置，應(yīng)用于巖土工程的土工試驗(yàn)。
背景技術(shù)：
地球表面大部分處于干旱或半干旱地帶，所以巖土工程中遇到的土大多數(shù)都處于非飽和狀態(tài)，如砂土、粉土、濕陷性黃土、膨脹土、熱帶殘積土等都是非飽和土，對于非飽和土性質(zhì)的研究顯的非常必要。尤其砂土和粉土的滲透系數(shù)較大，更容易受到降雨或大氣蒸發(fā)影響。天然邊坡和人工邊坡表層多為非飽和性的砂土和粉土，在降雨過程中雨水滲入土體、地下水位上升，使土體的飽和度增加，土體吸力降低，其抗剪強(qiáng)度降低導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，有些邊坡盡管坡度很緩但在暴雨、連續(xù)陰雨期間也會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)，因此考慮降雨引起土體吸力變化及其強(qiáng)度影響是邊坡穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報(bào)亟待解決的工程問題。非飽和土與飽和土的最大的差別在于非飽和土不僅存在固相和液相并且存在氣相，非飽和土的液相與氣相之間的水氣交界面上存在孔隙氣壓力和孔隙水壓力之間的壓力差稱為吸力。對飽和土和干燥土，抗剪強(qiáng)度都與飽和土中的有效應(yīng)力成正比。當(dāng)土體處于非飽和狀態(tài)時(shí)，水、氣和土顆粒三相共存，其抗剪強(qiáng)度規(guī)律將完全不同于飽和或干燥的情況。因此研究非飽和土吸力對其抗剪強(qiáng)度的影響，對邊破穩(wěn)定性的評(píng)估和預(yù)測具有重要的意義。目前在室內(nèi)土工試驗(yàn)中研究土體強(qiáng)度的試驗(yàn)方法主要有:直剪儀、三軸儀、平面應(yīng)變儀和真三軸儀等。為了模擬實(shí)際邊坡類似的應(yīng)力條件研究邊坡滑坡破壞機(jī)制，直剪試驗(yàn)是較為常用并且簡單的試驗(yàn)方法。目前針對非飽和土開發(fā)的直剪儀常采用軸平移技術(shù)來控制、量測吸力，軸平移法是同時(shí)增加孔隙氣壓力和孔隙水壓力，使試樣中的凈應(yīng)力狀態(tài)變量保持不變。軸平移技術(shù)能夠避免土體出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力發(fā)生氣蝕，但不能真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態(tài)。Toll通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):控制吸力相等時(shí)，用軸平移技術(shù)控制吸力的土體含水量大于土體自然情況下的含水量。即相同吸力條件下，軸平移技術(shù)控制吸力的試樣與天然土體狀態(tài)不同。同時(shí)目前 常用的非飽和土直剪儀為給土樣加氣壓，將整個(gè)直剪儀器的剪切系統(tǒng)用密封的壓力室密封起來，不僅使其直剪儀結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，并且增加了保持壓力室氣密性的難題，很難真實(shí)反映天然非飽和土體的吸力狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，在控制吸力時(shí)真實(shí)地再現(xiàn)非飽和土體的自然狀態(tài)，精確測試非飽和土吸力對其抗剪強(qiáng)度的影響，同時(shí)使目前常用的非飽和土直剪儀結(jié)構(gòu)簡化，本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置儀器構(gòu)造簡單，操作方便，易于掌握。為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，主要包括直剪儀，直剪儀包括上剪切盒、下剪切盒、透水不透氣的陶土板和加載系統(tǒng)，陶土板固定安裝下剪切盒內(nèi)底部上，與陶土板直接接觸的下剪切盒內(nèi)底部的上表面設(shè)有螺旋槽，螺旋槽與貫穿下剪切盒的排水孔連通,將土體試樣置入由上剪切盒、下剪切盒和剪切盒上蓋組合形成的直剪盒內(nèi)，上剪切盒和下剪切盒的內(nèi)腔形狀相同且尺寸相等，形成環(huán)刀試樣，土體試樣放在陶土板上，在剪切盒上蓋下方設(shè)置透水石壓在土體試樣上表面上，本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置還包括土體含水量變化的測量系統(tǒng)和正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體為:土體含水量變化的測量系統(tǒng)由是干燥器、盛水容器和重量傳感器組成，實(shí)時(shí)量測土體試樣含水量變化，在干燥器內(nèi)的底部設(shè)置重量傳感器，重量傳感器上載有盛水容器，干燥器的上口通過兩孔塞密封，穿過兩孔塞的導(dǎo)管的一端直接伸到盛水容器內(nèi)的液面以下，其另一端與排水孔連通，在導(dǎo)管上設(shè)有開關(guān)閥門；正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由正壓力控制表、負(fù)壓力控制表、壓力轉(zhuǎn)換器和空壓機(jī)組成，另外一支導(dǎo)管也穿過兩孔塞，此導(dǎo)管的一端與干燥器內(nèi)部導(dǎo)氣連通，其另一端與空壓機(jī)的送氣口連通，壓力轉(zhuǎn)換器控制此導(dǎo)管內(nèi)的氣體壓力，負(fù)壓力控制表和正壓力控制表分別設(shè)于壓力轉(zhuǎn)換器兩側(cè)的此導(dǎo)管上；直剪盒直接與大氣壓連通，保持土體試樣的孔隙氣壓為零，與空壓機(jī)相連的導(dǎo)管的伸入干燥器的端部用通氣不通水的濾紙密封；力口載系統(tǒng)包括垂直載加載系統(tǒng)和水平荷載加載系統(tǒng)，垂直載加載系統(tǒng)包括軸壓桿、底座、加載杠桿系統(tǒng)和豎向位移計(jì)，垂直載加載系統(tǒng)通過加載杠桿系統(tǒng)對土體試樣上表面施加均勻豎向壓力荷載，水平荷載加載系統(tǒng)包括推進(jìn)器、量力環(huán)、水平位移計(jì)和固定擋板，水平荷載加載系統(tǒng)通過量力環(huán)對土體試樣側(cè)面施加水平荷載及量測水平荷載，固定擋板與加載系統(tǒng)的底座固定連接，下剪切盒的底面與底座上表面之間通過移動(dòng)副相對平行滑動(dòng)。上述上剪切盒和下剪切盒優(yōu)選對應(yīng)設(shè)有插銷孔，當(dāng)將插銷插入插銷孔時(shí)，將上剪切盒和下剪切盒進(jìn)行安裝連接，使上剪切盒和下剪切盒的內(nèi)腔表面豎向平齊形成環(huán)刀內(nèi)表面；當(dāng)將插銷從插銷孔中拔出后,使直剪盒內(nèi)的土體試樣處于剪切初始狀態(tài),即上剪切盒和下剪切盒處于相對移動(dòng)的初始狀態(tài)。作為本發(fā)明的改進(jìn)，上述下剪切盒與底座之間的移動(dòng)副是由一系列滾珠形成的滾珠導(dǎo)路，滾珠被約束在軸向?qū)Р壑羞M(jìn)行滾動(dòng)，軸向?qū)Р鄣难由旆较蚺c水平荷載加載系統(tǒng)的加載方向平行。上述濾紙優(yōu)選采用聚氟乙烯濾紙。上述正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供的真空度為O 89.6kPa，最大供應(yīng)壓力為137.9kPa。上述空壓機(jī)提供氣壓為O IMPa，上述正壓力控制表控制量程為O IMpa，上述負(fù)壓力控制表控制量程為-120 OkPa。上述重量傳感器優(yōu)選采用電子天平。上述電子天平的精度0.0Olg，其量程200g。上述陶土板的進(jìn)氣值接近3bar。上述水平位移計(jì)的量程為O 10mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置保持土體孔隙氣壓與大氣壓相等，其吸力值等于孔隙水壓力的絕對值，能夠真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態(tài)，即試驗(yàn)時(shí)土體吸力狀態(tài)與邊坡地表附近非飽和土體的狀態(tài)相同。2.本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置克服了采用軸平移技術(shù)時(shí)土體的吸力狀態(tài)與 天然土體不一樣的缺點(diǎn)，且吸力平衡過程中土體含水量的變化通過電子天平行實(shí)時(shí)進(jìn)行量測。3.本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置同時(shí)用負(fù)孔隙水壓力控制吸力，避免將整個(gè)直剪儀的剪切系統(tǒng)用密封的壓力室密封起來，不僅使其直剪儀結(jié)構(gòu)變得簡單，并且避開保持壓力室氣密性的難題。4.本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置操作方便，涉及的儀器構(gòu)造簡單，易于掌握。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的土直剪儀正面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的土直剪儀側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例一的土體含水量變化測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例一的正負(fù)壓力裝換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例一的下剪切盒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本 發(fā)明實(shí)施例一的下剪切盒的俯視示意圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例一的上剪切盒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例一的上剪切盒的俯視示意圖。圖10是本發(fā)明實(shí)施例一的銷釘示意圖。圖11是本發(fā)明實(shí)施例一的干燥器結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明實(shí)施例一的兩孔塞子及管道示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見圖1 圖12，一種負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，主要包括直剪儀，直剪儀包括上剪切盒1、下剪切盒2、透水不透氣的陶土板7和加載系統(tǒng)，陶土板7固定安裝下剪切盒2內(nèi)底部上，與陶土板7直接接觸的下剪切盒2內(nèi)底部的上表面設(shè)有螺旋槽13，螺旋槽13與貫穿下剪切盒2的排水孔11連通，將土體試樣6置入由上剪切盒1、下剪切盒2和剪切盒上蓋4組合形成的直剪盒內(nèi)，上剪切盒I和下剪切盒2的內(nèi)腔形狀相同且尺寸相等，形成環(huán)刀試樣，土體試樣6放在陶土板7上，在剪切盒上蓋4下方設(shè)置透水石5壓在土體試樣6上表面上，其特征在于，還包括土體含水量變化的測量系統(tǒng)和正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體為:土體含水量變化的測量系統(tǒng)由是干燥器21、盛水容器24和重量傳感器25組成，實(shí)時(shí)量測土體試樣6含水量變化，在干燥器21內(nèi)的底部設(shè)置重量傳感器25，重量傳感器25上載有盛水容器24，盛水容器24為燒杯，干燥器21的上口通過兩孔塞22密封，穿過兩孔塞22的導(dǎo)管26的一端直接伸到燒杯內(nèi)的液面以下，其另一端與排水孔11連通，在導(dǎo)管26上設(shè)有開關(guān)閥門10 ;正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由負(fù)壓力控制表28、正壓力控制表27、壓力轉(zhuǎn)換器29和空壓機(jī)30組成，另外一支導(dǎo)管26也穿過兩孔塞22，此導(dǎo)管26的一端與干燥器21內(nèi)部導(dǎo)氣連通，其另一端與空壓機(jī)30的送氣口連通，壓力轉(zhuǎn)換器29控制此導(dǎo)管26內(nèi)的氣體壓力，壓力轉(zhuǎn)換器29利用文氏管原理壓縮空氣轉(zhuǎn)換成低流量的真空，正壓力控制表27和負(fù)壓力控制表28分別設(shè)于壓力轉(zhuǎn)換器29兩側(cè)的此導(dǎo)管26上，本實(shí)施例正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過控制不同負(fù)孔隙水壓力控制土體試樣6的吸力；直剪盒直接與大氣壓連通，保持土體試樣6的孔隙氣壓為零，與空壓機(jī)30相連的導(dǎo)管26的伸入干燥器21的端部用通氣不通水的濾紙23密封；加載系統(tǒng)包括垂直載加載系統(tǒng)和水平荷載加載系統(tǒng)，垂直載加載系統(tǒng)包括軸壓桿3、底座9、加載杠桿系統(tǒng)20和豎向位移計(jì)，垂直載加載系統(tǒng)通過加載杠桿系統(tǒng)20對土體試樣6上表面施加均勻豎向壓力荷載,水平荷載加載系統(tǒng)包括推進(jìn)器16、量力環(huán)17、水平位移計(jì)18和固定擋板19，水平荷載加載系統(tǒng)通過量力環(huán)17對土體試樣6側(cè)面施加水平荷載及量測水平荷載，固定擋板19與加載系統(tǒng)的底座9固定連接，下剪切盒2的底面與底座9上表面之間通過移動(dòng)副相對平行滑動(dòng)。在本實(shí)施例中，上剪切盒I，其長、寬度均83.78mm，高度32.00mm，內(nèi)徑61.82mm;下剪切盒2,其長、寬度IlOmm,高度50.62mm,內(nèi)徑61.82mm ;軸壓桿3,直徑11.82mm,高度99.12mm ;剪切盒上蓋4,直徑61.78mm,高度32.0Omm ;透水石5,直徑61.78mm,厚度9.98mm ；土體試樣6,直徑61.8mm,高度20.0mm ;陶土板7,直徑61.85mm,高度IOmm,其進(jìn)氣值5bar ；底座9的長度560mm,寬度121mm,高度39mm ;排水孔11，孔徑6mm ;鋼珠12,直徑6mm ;插銷孔14，孔徑6.4mm ;插銷15 ;直徑6.3mm,長度58.88mm ;量力環(huán)17,量力環(huán)系數(shù)311kN/cm ；/jC平位移計(jì)18，量程為O-1Omm ;加載杠桿系統(tǒng)20，杠桿比1:10 ;干燥器21，下直徑250mm，上直徑300mm，高度300mm ;兩孔塞22，塞子直徑47 65mm，孔徑6mm ;燒杯容量200cc ;重量傳感器25,精度0.0Olg ;導(dǎo)管26,外徑6mm,內(nèi)徑4mm。在本實(shí)施例中，直剪盒未用密閉壓力室封閉，直剪盒直接與大氣壓連通，保持土體試樣6的孔隙氣壓為零；直剪盒內(nèi)底部用透水不透氣的陶土板7來代替透水石，陶土板7底部接出來導(dǎo)管26與土體含水量變化的測量系統(tǒng)相連接，土體含水量變化的測量系統(tǒng)與正負(fù)壓力裝換系統(tǒng)通過另一支導(dǎo)管26相連。在本實(shí)施例中，參 見圖7、圖9和圖10，上剪切盒I和下剪切盒2對應(yīng)設(shè)有插銷孔14，當(dāng)將插銷15插入插銷孔14時(shí)，將上剪切盒I和下剪切盒2進(jìn)行安裝連接，使上剪切盒I和下剪切盒2的內(nèi)腔表面豎向平齊形成環(huán)刀內(nèi)表面，以便于制作環(huán)刀試樣，通過改變剪切盒的直徑和高度能滿足各種尺寸的土體試樣6的試驗(yàn)需要；當(dāng)將插銷15從插銷孔14中拔出后，使直剪盒內(nèi)的土體試樣6處于剪切初始狀態(tài)，即上剪切盒I和下剪切盒2處于相對移動(dòng)的初始狀態(tài)。在本實(shí)施例中，參見圖1 圖3和圖6，下剪切盒2與底座9之間的移動(dòng)副是由一系列滾珠12形成的滾珠導(dǎo)路，滾珠12被約束在軸向?qū)Р?中進(jìn)行滾動(dòng)，軸向?qū)Р?的延伸方向與水平荷載加載系統(tǒng)的加載方向平行，使土體試樣6在剪切測試中位移穩(wěn)定,提高測試精度。使用本實(shí)施例負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其直剪試驗(yàn)方法具體如下:
a.先用脫氣水把下剪切盒2的陶土板7進(jìn)行完全飽和；
b.用插銷15把上剪切盒I和下剪切盒2安裝連接好；
c.把預(yù)先制作好的土體試樣6推入下剪切盒2的陶土板7上，調(diào)整安裝好直剪儀的推進(jìn)器16、量力環(huán)17、水平位移計(jì)18和加載杠桿系統(tǒng)20 ；d.安裝配置好質(zhì)量測量系統(tǒng)，把排水孔11到燒杯的導(dǎo)管26充滿脫氣水，關(guān)閉排水閥門10，把重量傳感器25打開、調(diào)試好，把兩孔塞22的導(dǎo)管26端部用濾紙23貼上，把干燥器21用兩孔塞22塞緊保證具有良好的密封性；
e.把正壓力控制表27、負(fù)壓力控制表28、壓力轉(zhuǎn)換器29和空壓機(jī)30用導(dǎo)管26連通，打開正壓力控制表27、負(fù)壓力控制表28和空壓機(jī)30，撥動(dòng)正壓力控制表27和負(fù)壓力控制表28，設(shè)定目標(biāo)負(fù)孔隙水壓力值；
f.打開排水閥門10，實(shí)時(shí)記錄土體試樣6含水量變化；
g.實(shí)時(shí)觀測土體試樣6含水量變化數(shù)據(jù)來判斷吸力是否平衡，吸力平衡后通過加載杠桿系統(tǒng)20對土體試樣6加載目標(biāo)的豎向力；
h.通過豎向位移計(jì)觀測土體試樣6的豎向變形情況，等豎向位移和吸力同時(shí)平衡后，拔出銷釘15，設(shè)定目標(biāo)剪切速度，開動(dòng)推進(jìn)器16的電機(jī)開始剪切，通過量力環(huán)17和水平位移計(jì)18分別量測土體試樣6的剪切力和剪切水平位移；
1.剪切完成后，關(guān)閉排水閥門10，用正壓力控制表27和負(fù)壓力控制表28把負(fù)孔隙水壓回到0，拆除土體試樣6，測量土體試樣6質(zhì)量和含水量；
j.求出土體試樣6的強(qiáng)度參數(shù)，可以 重復(fù)上述步驟a 步驟i的試驗(yàn)過程，不同的是上述步驟g通過加載杠桿系統(tǒng)20所施加的豎向力是不同的。k.通過在上述步驟j中不同豎向力所得到的剪切強(qiáng)度，推求出控制設(shè)定吸力條件下土體試樣6的強(qiáng)度參數(shù)、粘聚力和內(nèi)摩擦角。1.控制不同吸力條件下，通過在上述重復(fù)步驟步驟k，可以推求出不同吸力條件下的試樣6強(qiáng)度參數(shù)、粘聚力和內(nèi)摩擦角及其變化規(guī)律。在本實(shí)施例中，保持土體試樣6的孔隙氣壓與大氣壓相等，土體試樣6的吸力值等于孔隙水壓力的絕對值，能夠真正模擬天然非飽和土體的吸力狀態(tài)，即試驗(yàn)時(shí)土體試樣6的吸力狀態(tài)與邊坡地表附近非飽和土體的狀態(tài)相同。在本實(shí)施例非飽和土直剪試驗(yàn)裝置克服了采用軸平移技術(shù)時(shí)土體的吸力狀態(tài)與天然土體不一樣的缺點(diǎn)，且吸力平衡過程中土體含水量的變化通過重量傳感器25實(shí)時(shí)地進(jìn)行量測。在本實(shí)施例用負(fù)孔隙水壓力控制吸力，避免將整個(gè)直剪儀的剪切系統(tǒng)用密封的壓力室密封起來，使其直剪儀結(jié)構(gòu)變得簡單。在本實(shí)施例非飽和土直剪試驗(yàn)裝置使用方法操作方便，儀器構(gòu)造簡單，易于掌握，適用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土體強(qiáng)度的測量。實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，濾紙23為聚氟乙烯濾紙。聚氟乙烯濾紙具有通氣不通水的功能，能更好地避免土體試樣6的含水量受到大氣蒸發(fā)的影響，并使重量傳感器25測量土體試樣6含水量更加準(zhǔn)確，聚氟乙烯濾紙成本低，粘附力強(qiáng)，便于粘附使用。實(shí)施例三:
本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，重量傳感器25為電子天平，使用方便，成本低，精度高。實(shí)施例四:
本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，陶土板7為低氣值高流量的陶土板，使其吸力平衡時(shí)間縮短，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，主要包括直剪儀，所述直剪儀包括上剪切盒(I)、下剪切盒(2)、透水不透氣的陶土板(7)和加載系統(tǒng)，所述陶土板(7)固定安裝所述下剪切盒(2)內(nèi)底部上，與所述陶土板(7)直接接觸的下剪切盒(2)內(nèi)底部的上表面設(shè)有螺旋槽(13)，所述螺旋槽(13)與貫穿所述下剪切盒(2)的排水孔(11)連通，將土體試樣(6)置入由上剪切盒(I)、下剪切盒(2)和剪切盒上蓋(4)組合形成的直剪盒內(nèi)，上剪切盒(I)和下剪切盒(2)的內(nèi)腔形狀相同且尺寸相等，形成環(huán)刀試樣，土體試樣(6)放在所述陶土板(7)上，在所述剪切盒上蓋(4)下方設(shè)置透水石(5)壓在土體試樣(6)上表面上，其特征在于，還包括土體含水量變化的測量系統(tǒng)和正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體為: 所述土體含水量變化的測量系統(tǒng)由是干燥器(21)、盛水容器(24)和重量傳感器(25)組成，實(shí)時(shí)量測土體試樣(6)含水量變化，在所述干燥器(21)內(nèi)的底部設(shè)置所述重量傳感器(25)，所述重量傳感器(25)上載有所述盛水容器(24)，所述干燥器(21)的上口通過兩孔塞(22)密封，穿過所述兩孔塞(22)的導(dǎo)管(26)的一端直接伸到盛水容器(24)內(nèi)的液面以下，其另一端與所述排水孔(11)連通，在所述導(dǎo)管(26)上設(shè)有開關(guān)閥門(10); 所述正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由負(fù)壓力控制表(28)、正壓力控制表(27)、壓力轉(zhuǎn)換器(29)和空壓機(jī)(30)組成，另外一支導(dǎo)管(26)也穿過所述兩孔塞(22)，此導(dǎo)管(26)的一端與所述干燥器(21)內(nèi)部導(dǎo)氣連通，其另一端與所述空壓機(jī)(30)的送氣口連通，所述壓力轉(zhuǎn)換器(29)控制此導(dǎo)管(26)內(nèi)的氣體壓力，所述正壓力控制表(27)和負(fù)壓力控制表(28)分別設(shè)于所述壓力轉(zhuǎn)換器(29)兩側(cè)的此導(dǎo)管(26)上； 所述直剪盒直接與大氣壓連通，保持土體試樣(6)的孔隙氣壓為零，與所述空壓機(jī)(30)相連的導(dǎo)管(26)的伸入所述干燥器(21)的端部用通氣不通水的濾紙(23)密封； 所述加載系統(tǒng)包括垂直載加載系統(tǒng)和水平荷載加載系統(tǒng)，所述垂直載加載系統(tǒng)包括軸壓桿(3)、底座(9)、加載杠桿系統(tǒng)(20)和豎向位移計(jì)，所述垂直載加載系統(tǒng)通過加載杠桿系統(tǒng)(20)對土體試樣(6)上表面施加均勻豎向壓力荷載,所述水平荷載加載系統(tǒng)包括推進(jìn)器(16)、量力環(huán)(17)、水平位移計(jì)(18)和固定擋板(19)，所述水平荷載加載系統(tǒng)通過量力環(huán)(17)對土體試樣(6)側(cè)面·施加水平荷載及量測水平荷載，所述固定擋板(19)與所述加載系統(tǒng)的底座(9 )固定連接，所述下剪切盒(2 )的底面與底座(9 )上表面之間通過移動(dòng)副相對平行滑動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述上剪切盒(I)和下剪切盒(2)對應(yīng)設(shè)有插銷孔(14)，當(dāng)將所述插銷(15)插入所述插銷孔(14)時(shí)，將上剪切盒(I)和下剪切盒(2)進(jìn)行安裝連接，使上剪切盒(I)和下剪切盒(2)的內(nèi)腔表面豎向平齊形成環(huán)刀內(nèi)表面；當(dāng)將所述插銷(15)從所述插銷孔(14)中拔出后，使直剪盒內(nèi)的土體試樣(6)處于剪切初始狀態(tài)，即所述上剪切盒(I)和下剪切盒(2)處于相對移動(dòng)的初始狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述下剪切盒(2)與所述底座(9)之間的移動(dòng)副是由一系列滾珠(12)形成的滾珠導(dǎo)路，所述滾珠(12 )被約束在軸向?qū)Р?8 )中進(jìn)行滾動(dòng)，所述軸向?qū)Р?8 )的延伸方向與所述水平荷載加載系統(tǒng)的加載方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述濾紙(23)為聚氟乙烯濾紙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供的真空度為O 89.6kPa，最大供應(yīng)壓力為137.9kPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述空壓機(jī)(30)提供氣壓為O IMPa，所述正壓力控制表(27)控制量程為O IMpa，所述負(fù)壓力控制表(28)控制量程為-120 OkPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述重量傳感器(25)為電子天平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述電子天平的精度0.0Olg，其量程200g。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述陶土板(7)的進(jìn)氣值Ibar或3bar。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述水平位移計(jì)(18)的 量程為O 10_。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種負(fù)孔隙水壓控制吸力的非飽和土直剪試驗(yàn)裝置，包括直剪儀、土體含水量變化的測量系統(tǒng)和正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，土體含水量變化的測量系統(tǒng)由是干燥器、盛水容器和重量傳感器組成，正負(fù)壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由正壓力控制表、負(fù)壓力控制表、壓力轉(zhuǎn)換器和空壓機(jī)組成，加載系統(tǒng)包括垂直載加載系統(tǒng)和水平荷載加載系統(tǒng)，下剪切盒的底面與底座上表面之間通過移動(dòng)副相對平行滑動(dòng)。本發(fā)明在控制吸力時(shí)真實(shí)地再現(xiàn)非飽和土體的自然狀態(tài)，精確測試非飽和土吸力對其抗剪強(qiáng)度的影響，同時(shí)使目前常用的非飽和土直剪儀結(jié)構(gòu)簡化，本發(fā)明非飽和土直剪試驗(yàn)裝置儀器構(gòu)造簡單，操作方便，易于掌握。
文檔編號(hào)G01N3/24GK103234840SQ20131015060
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者孫德安, 張俊然, 吳義高, 賈磊, 劉文捷 申請人:上海大學(xué)