【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于土木试验，尤其涉及一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置及方法。
技术介绍
1、十字板剪切试验是将十字板头插入地基土中，进行扭转剪切，以测试地基土不排水抗剪强度的一种试验方法，多应用于软黏性土不排水抗剪强度的测试。测试地基土不排水抗剪强度的方法有多种，例如野外的标准贯入试验、动力触探试验、现场直剪试验、十字板剪切试验，以及室内的直接剪切试验、三轴压缩试验等。
2、对于软黏性土来说，由于其多具有含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性大、触变性大等特点，可以选用并常用室内抗剪强度试验的测试方法，但是考虑到软黏性土的易触变性，在土样采取、运输过程中，尤其是在制样过程中会产生扰动，所以现有技术中，测试软黏性土不排水抗剪强度最适合且最常用的还是野外测试方法，即原位测试方法，其中以原位十字板剪切试验最为适用且常用。
3、软黏性土多存在于江、河、湖、海等水域环境中，其强度测试对于港口、航道、桥梁、疏浚、边坡等工程项目的稳定性评价具有重要意义。受限于场地环境，特别是水域场地环境中，软黏性土的勘察及强度测试多借助于勘探平台，在勘探平台上进行。出于成本考虑，其中以采用船舶作为载具的浮动勘探平台应用最为普遍，从而导致如下无法规避的问题：勘察及测试过程中，周边环境对测试结果会产生很大影响；水域作业环境中，风、浪、水流等是每日、时刻都接触的问题，过大的风、浪、水流等会引起船舶和勘探平台的摇晃、起伏；测试仪器安置在钻孔套管上，测试人员在勘探平台上；勘探平台的摇晃、起伏一方面会影响测试人员的试验操作，另一方面会
4、考虑到水域勘察中原位十字板剪切试验易受环境影响、数值易失真，存在效率低、成本高的缺点，现有技术提供了一种室内十字板剪切试验，其通过采取土样、在土样中再进行十字板剪切试验。由于采取土样的作业环境要求相对于原位测试要求较低，室内试验又是在环境可控的条件下进行，且该方法直接在土样盛筒中进行剪切，相较于直剪、三轴等试验方法，其无需再制作试样，减少了对土样的二次扰动，故该方法基本克服了原位十字板剪切试验和传统的室内直剪、三轴试验的缺点。但多年的实践表明，现有技术的上述室内十字板剪切试验方法仍然存在测试数据离散性大、与原位十字板剪切偏差大的缺点。
5、原位十字板剪切试验是在地基土原位应力状态下进行，地基土的原位应力状态主要取决于其埋深、地下水位等，即上覆压力的大小。土样从地基土中采取并运送至试验室后，其上覆总压力变为零，相对于其原位应力状态处于卸压状态，所以现有技术的室内十字板剪切可认为是在土样卸荷状态下的剪切。而从应力路径角度，土样从地基土中采取并送至试验室后，其大主应力σ1由于卸压变为0，小主应力σ3由于土样盛筒的约束作用，可认为无变化或变化很小，故此时对于土样盛筒内的土样，其水平方向(围压)的σ3变为大主应力，垂直方向(上下)的σ1变为小主应力，且为0，其应力状态相对于原位应力状态发生了偏转，故在此状态下进行的剪切试验相较于原位状态，数据自然会出现偏差，有时偏差甚至很大。
6、可见，传统的原位十字板剪切试验易受环境影响、数据易失真、效率低且成本高；而现有技术的室内十字板剪切试验为土样卸荷状态下剪切，导致数据离散性大，与原位十字板剪切偏差大，无法满足生产实践的需要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提供一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置及方法，使其能够对土样施加设定的竖向荷载，使得土样的应力状态恢复至其原位应力状态，然后再对土样进行十字板剪切，剪切过程中可以对土样的竖向荷载保持不变，从而获得土样原位应力状态下的不排水抗剪强度；其试验过程不易受环境影响，试验数据不易失真；其通过采取土样、恢复土样原位应力状态、再进行十字板剪切，能够较接近实际的模拟土样原位受力状态，使得试验过程可控，试验数据可靠，提高试验效率和效果，有利于提高试验精度和质量；且操作方便，降低成本，推广应用性强，适用于地基土抗剪强度测试。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，包括立柱、土样盛筒、加荷电机、上承压盘、十字板头、升降电机和剪切电机，所述土样盛筒升降安装在所述立柱上；所述加荷电机与所述土样盛筒相连接，用于带动所述土样盛筒升降移动；所述上承压盘活动设置在所述土样盛筒中，并与所述立柱固定连接；所述上承压盘开设有第一十字板孔；所述上承压盘上安装有力传感器；所述十字板头活动穿过所述第一十字板孔，并伸入到所述上承压盘下方的所述土样盛筒中；所述十字板头上安装有扭矩传感器；所述升降电机与所述十字板头相连接，用于驱动所述十字板头升降移动；所述剪切电机与所述十字板头相连接，用于驱动所述十字板头转动。
4、第二方面，本专利技术提供一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验方法，采用本专利技术第一方面提供的试验装置实现，包括以下步骤：
5、取土样至土样盛筒：将土样取至所述土样盛筒中；
6、恢复土样原位应力状态：启动所述加荷电机，所述加荷电机带动所述加荷杆轴的顶端向上移动，并向上推动所述下承压盘和土样盛筒向上移动，且所述上承压盘在所述土样盛筒中向下相对运动，以对所述土样施加荷载；通过所述力传感器反馈荷载数据，对所述土样施加设定荷载后，关停所述加荷电机，实现对所述土样的原位应力状态恢复；
7、放置十字板头：启动所述升降电机，将所述十字板头伸入到所述土样中预设深度位置，然后关停所述升降电机；
8、扭转剪切土样：启动所述剪切电机，带动所述十字板头对所述土样进行扭转剪切，通过所述扭矩传感器反馈扭矩数据。
9、优选地，在取土样至土样盛筒的步骤之前，先进行以下步骤：
10、测量摩擦力矩：启动所述剪切电机，带动所述十字板头转动，所述上承压盘保持静止，并通过扭矩传感器反馈摩擦力矩数据；
11、在扭转剪切土样的步骤之后，进行以下步骤：
12、计算土样在原位应力状态的不排水抗剪强度：将所述扭矩数据的数值减去所述摩擦力矩数据的数值，得到所述土样在原位应力状态下的不排水抗剪强度。
13、优选地，在扭转剪切土样的步骤之后，重复放置十字板头的步骤，使得所述十字板头伸入到所述土样中的预设深度位置改变，然后再重复扭转剪切土样的步骤。
14、优选地，在取土样至土样盛筒的步骤之前，先进行以下步骤：
15、调平试验装置：将所述试验装置进行调平。
16、本专利技术第一方面提供的试验装置，作为优选，所述立柱固定连接在底座上，所述立柱设置有至少两个，多个所述立柱布置在同一圆周上，且均匀分布；所述土样盛筒设置在所述底座的上方，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述立柱固定连接在底座上，所述立柱设置有至少两个，多个所述立柱布置在同一圆周上，且均匀分布；所述土样盛筒设置在所述底座的上方，并设置在多个所述立柱所分布的圆周内；
3.根据权利要求2所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述土样盛筒通过盛筒夹具升降安装在所述立柱上；
4.根据权利要求3所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述上承压盘通过固定横梁与所述立柱固定连接，所述固定横梁设置在所述上承压盘的上方；所述固定横梁开设有第二立柱孔和第二十字板孔，所述立柱固定连接在所述第二立柱孔中；所述十字板头设置有十字板杆轴，所述十字板杆轴的底端依次穿过所述第二十字板孔和所述第一十字板孔，并与所述十字板头的顶面中心位置相连接；
5.根据权利要求4所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述固定横梁的上方设置有移动横梁，所
6.根据权利要求1-5中任一项所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述立柱分布的圆周、所述土样盛筒、所述上承压盘和所述十字板头的竖向中心轴线重合。
7.一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验方法，其特征在于，通过如权利要求1-6中任一项所述的试验装置实现，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验方法，其特征在于，在取土样至土样盛筒的步骤之前，先进行以下步骤：
9.根据权利要求7所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验方法，其特征在于，在扭转剪切土样的步骤之后，重复放置十字板头的步骤，使得所述十字板头伸入到所述土样中的预设深度位置改变，然后再重复扭转剪切土样的步骤。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验方法，其特征在于，在取土样至土样盛筒的步骤之前，先进行以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述立柱固定连接在底座上，所述立柱设置有至少两个，多个所述立柱布置在同一圆周上，且均匀分布；所述土样盛筒设置在所述底座的上方，并设置在多个所述立柱所分布的圆周内；
3.根据权利要求2所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述土样盛筒通过盛筒夹具升降安装在所述立柱上；
4.根据权利要求3所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，所述上承压盘通过固定横梁与所述立柱固定连接，所述固定横梁设置在所述上承压盘的上方；所述固定横梁开设有第二立柱孔和第二十字板孔，所述立柱固定连接在所述第二立柱孔中；所述十字板头设置有十字板杆轴，所述十字板杆轴的底端依次穿过所述第二十字板孔和所述第一十字板孔，并与所述十字板头的顶面中心位置相连接；
5.根据权利要求4所述的恢复土样原位应力状态的室内十字板剪切试验装置，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵居代，周宝江，
申请(专利权)人：中交第一航务工程勘察设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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