本发明专利技术属于土木工程技术领域，公开了一种非饱和土单剪试验装置及试验方法，该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；所述加压上盖包括透气板和气压入口。本发明专利技术剪切盒底盒设置陶土板，通过轴平移技术实现非饱和土单剪试验；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，并可避免出现固定的剪切面。并可避免出现固定的剪切面。并可避免出现固定的剪切面。
【技术实现步骤摘要】
一种非饱和土单剪试验装置及试验方法
[0001]本专利技术属于土木工程
，涉及一种非饱和土单剪试验装置及试验方法。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
技术实现思路
[0006]本专利技术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
推广。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本专利技术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。
[0016]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术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)。
[0017]本专利技术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。
[0018]本专利技术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。
[0019]本专利技术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，能够为获得非本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种非饱和土单剪试验装置，其特征在于，包括水平加载单元、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（6）通过水平传压杆（4）连接水平加载单元；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；所述排水管接口（34
‑
4）通过排水管路连接第一体变管（39）和第二体变管（43）；所述水平加载单元设置于压力室（9）一侧，为剪切单元提供水平剪切力；所述垂直加载单元设置于压力室（9）上方，为剪切单元提供垂直压力；所述水平加载气压平衡单元（6）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（18）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。2.根据权利要求1所述的一种非饱和土单剪试验装置，其特征在于，所述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；所述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。3.根据权利要求1所述的一种非饱和土单剪试验装置，其特征在于，所述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）；所述水平位移计（8）通过水平位移计架（5）固定在水平传压杆（4）上，所述垂直位移计（20）通过垂直位移计架（19）固定在垂直传压杆（17）上，所述水平力传感器（22）固定在水平传力杆（23）上，所述垂直压力传感器（30）固定在垂直传力杆（31）上。4.根据权利要求1所述的一种非饱和土单剪试验装置，其特征在于，所述剪切单元还包括扎带（26）和锁紧箍环（27），所述扎带（26）固定橡胶膜（32）上部，所述锁紧箍环（27）固定橡胶膜（32）下部。5.根据权利要求1所述的一种非饱和土单剪试验装置，其特征在于，所述压力室（9）通过管道分别...
【专利技术属性】
技术研发人员：马全国，周葆春，
申请(专利权)人：信阳师范学院，
类型：发明
国别省市：
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