[发明专利]温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法

说明书

本发明公开了一种温度‑吸力‑应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法，它包括控制柜(1)、直剪单剪仪(2)、扩散气泡冲刷装置(3)、温控装置(4)和计算机(5)五个部分，所述的五部分通过通讯协议进行连接，利用计算机(5)对试验过程及数据采集进行控制，也可采用控制柜(1)对直剪单剪仪(2)、扩散气泡冲刷装置(3)和温控装置(4)进行手动试验控制。本发明适用于温度‑吸力‑应力耦合作用下的土体抗剪强度试验研究，不仅能有效地进行土体的常规固结、直剪、单剪试验，且可实现温度、吸力、应力以及剪切波多场耦合作用下的固结、直剪、单剪试验，可研究不同环境条件下的土体抗剪强度、固结沉降特性和土‑水特征曲线。

技术领域

本发明涉及一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法，尤其涉及一种测试温度-吸力-应力多场耦合条件下土体抗剪强度和固结沉降特性的岩土试验仪器。

背景技术

在岩土工程中，土工材料的抗剪性能体现着土工材料抵抗剪切破坏的能力，对工程设计、研究存在着重要的意义。通常，土工材料抗剪性能的研究方法可分为两类：原位测试和室内试验研究，前者主要包括静力触探、动力触探、标准贯入试验和十字板剪切试验等，能够较准确地测定工程原位土体的工程力学性能，代表性强，但是原位测试较简单，多建立在统计经验和地区性的关系之上，且得到的强度参数值多为平均值，难以表明材料在工程应用中的力学性能变化。

在室内试验研究中，对土工材料抗剪性能的研究多采用三轴试验法和直剪试验法，通过三轴仪和直剪仪等室内试验设备尽可能地模拟土工材料在实际工程中的应力状态和破坏模式，确定其应力-应变特性和抗剪性能，三轴试验法多以压缩破坏为主，破坏面与最大剪应力相关，为一倾斜面，在一定程度上反映了工程土体的实际破坏形式；直剪试验法中，由于剪切盒的限制，不能严格控制排水条件，试样内部的应力和应变分布不均匀，且试样的破坏面限定为上下剪切盒之间的平面，对研究土体的抗剪性能具有较大的局限性。

在实际工程中，路堤、边坡、地基等土体多处于单剪状态，而三轴试验法和直剪试验法由于试验设备本身的限制，在试验过程中难以体现出土体的单剪特性。Wroth等人(1991年)指出单剪试验法是唯一能够恰当模拟实际工程破坏的试验，Airey D W等人(1987年)通过对比三轴试验法等到的抗剪强度参数，发现单剪试验法得到的试验结果更加接近十字板剪切试验和反分析结果，其中单剪试验法主要是采用单剪仪进行试验研究。

单剪仪主要是通过上、下剪切盒和位于上、下剪切盒之间的单剪叠环组组成，通过在剪切过程中单剪叠环组之间的相互错动，模拟土工材料所处的单剪环境。通常国内很少有人应用单剪仪进行土工材料力学性能的研究，主要原因：一是单剪机制不够完善，二是现有的单剪设备难以满足一些特殊土工材料的试验要求，三是不能满足多场耦合试验研究的需要，四是不能实现单剪试验过程中剪切波的有效接收，五是试验效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，可满足多场耦合试验的需要进行土体的抗剪强度和固结沉降特性的试验研究，能够有效地降低长期试验过程中过水管道内部气容量对试验测量产生的误差，通过设置不同的过水通道有效地控制试验过程中的排水和吸力条件，并可扩展为多联结构，有效地提高了试验研究的效率，同时可有效地降低剪切盒和单剪叠环间摩擦力的影响，以及试样偏离对试验准确性的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，它包括：控制柜、直剪单剪仪、扩散气泡冲刷装置、温控装置和计算机，所述的控制柜与直剪单剪仪、温控装置和计算机相连，直剪单剪仪与扩散气泡冲刷装置和温控装置相连。利用计算机可对试验过程及数据采集进行控制，也可采用控制柜对直剪单剪仪、扩散气泡冲刷装置温控装置进行手动试验控制。

作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的直剪单剪仪包括轴向加载系统、水平向剪切系统、压力室和支架；