[发明专利]负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种土木工程土工试验装置，特别是一种非饱和土体的吸力变化对其强度影响的测试装置，应用于岩土工程的土工试验。

背景技术

地球表面大部分处于干旱或半干旱地带，所以岩土工程中遇到的土大多数都处于非饱和状态，如砂土、粉土、湿陷性黄土、膨胀土、热带残积土等都是非饱和土，对于非饱和土性质的研究显的非常必要。尤其砂土和粉土的渗透系数较大，更容易受到降雨或大气蒸发影响。天然边坡和人工边坡表层多为非饱和性的砂土和粉土，在降雨过程中雨水渗入土体、地下水位上升，使土体的饱和度增加，土体吸力降低，其抗剪强度降低导致边坡失稳，有些边坡尽管坡度很缓但在暴雨、连续阴雨期间也会发生边坡失稳，因此考虑降雨引起土体吸力变化及其强度影响是边坡稳定性预测预报亟待解决的工程问题。非饱和土与饱和土的最大的差别在于非饱和土不仅存在固相和液相并且存在气相，非饱和土的液相与气相之间的水气交界面上存在孔隙气压力和孔隙水压力之间的压力差称为吸力。对饱和土和干燥土，抗剪强度都与饱和土中的有效应力成正比。当土体处于非饱和状态时，水、气和土颗粒三相共存，其抗剪强度规律将完全不同于饱和或干燥的情况。因此研究非饱和土吸力对其抗剪强度的影响，对边破稳定性的评估和预测具有重要的意义。

目前在室内土工试验中研究土体强度的试验方法主要有：直剪仪、三轴仪、平面应变仪和真三轴仪等。为了模拟实际边坡类似的应力条件研究边坡滑坡破坏机制，直剪试验是较为常用并且简单的试验方法。目前针对非饱和土开发的直剪仪常采用轴平移技术来控制、量测吸力，轴平移法是同时增加孔隙气压力和孔隙水压力，使试样中的净应力状态变量保持不变。轴平移技术能够避免土体出现负孔隙水压力发生气蚀，但不能真正模拟天然非饱和土体的吸力状态。Toll通过大量的试验发现：控制吸力相等时，用轴平移技术控制吸力的土体含水量大于土体自然情况下的含水量。即相同吸力条件下，轴平移技术控制吸力的试样与天然土体状态不同。同时目前常用的非饱和土直剪仪为给土样加气压，将整个直剪仪器的剪切系统用密封的压力室密封起来，不仅使其直剪仪结构变得复杂，并且增加了保持压力室气密性的难题，很难真实反映天然非饱和土体的吸力状态。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，在控制吸力时真实地再现非饱和土体的自然状态，精确测试非饱和土吸力对其抗剪强度的影响，同时使目前常用的非饱和土直剪仪结构简化，本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置仪器构造简单，操作方便，易于掌握。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置，主要包括直剪仪，直剪仪包括上剪切盒、下剪切盒、透水不透气的陶土板和加载系统，陶土板固定安装下剪切盒内底部上，与陶土板直接接触的下剪切盒内底部的上表面设有螺旋槽，螺旋槽与贯穿下剪切盒的排水孔连通，将土体试样置入由上剪切盒、下剪切盒和剪切盒上盖组合形成的直剪盒内，上剪切盒和下剪切盒的内腔形状相同且尺寸相等，形成环刀试样，土体试样放在陶土板上，在剪切盒上盖下方设置透水石压在土体试样上表面上，本发明负孔隙水压控制吸力的非饱和土直剪试验装置还包括土体含水量变化的测量系统和正负压力转换系统，具体为：土体含水量变化的测量系统由是干燥器、盛水容器和重量传感器组成，实时量测土体试样含水量变化，在干燥器内的底部设置重量传感器，重量传感器上载有盛水容器，干燥器的上口通过两孔塞密封，穿过两孔塞的导管的一端直接伸到盛水容器内的液面以下，其另一端与排水孔连通，在导管上设有开关阀门；正负压力转换系统由正压力控制表、负压力控制表、压力转换器和空压机组成，另外一支导管也穿过两孔塞，此导管的一端与干燥器内部导气连通，其另一端与空压机的送气口连通，压力转换器控制此导管内的气体压力，负压力控制表和正压力控制表分别设于压力转换器两侧的此导管上；直剪盒直接与大气压连通，保持土体试样的孔隙气压为零，与空压机相连的导管的伸入干燥器的端部用通气不通水的滤纸密封；加载系统包括垂直载加载系统和水平荷载加载系统，垂直载加载系统包括轴压杆、底座、加载杠杆系统和竖向位移计，垂直载加载系统通过加载杠杆系统对土体试样上表面施加均匀竖向压力荷载，水平荷载加载系统包括推进器、量力环、水平位移计和固定挡板，水平荷载加载系统通过量力环对土体试样侧面施加水平荷载及量测水平荷载，固定挡板与加载系统的底座固定连接，下剪切盒的底面与底座上表面之间通过移动副相对平行滑动。