一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪和方法与流程

本发明属于土木工程或地质工程的参数测试设备及方法，特别是一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪和方法。

背景技术：

伴随经济的发展，交通路线在不断延长、城市在迅速扩张，对各种建筑物和交通设施的构筑物的安全要求也越来越高。为了满足建筑物基础的安全稳定性要求，深水码头广泛采用了架空直立的高承台桩基形式，而桩基础采用大尺寸钢护筒嵌岩桩，深水桥梁则广泛采用大型沉井基础。桩基承载力由桩侧土体摩阻力及桩端土体支撑力提供，沉井下沉时的阻力由土的抗剪强度和刃脚土支撑力组成。为此，土体抗剪强度和极限状态时剪切带发展趋势的测定显得尤为重要。

土体破坏有自身的特点：(1)土体的本构模型在主流观点中是弹塑性模型，但是土体的破坏比弹塑性模型材料的破坏更加复杂；(2)土体的三相性，包括固相、液相、和气相，在土体变形时因压缩或剪切会产生应力重分布。(3)土体还具有散碎性、不均匀性，在不同应力方向下产生不同的破坏变形，表现的抗剪强度也不同。因此，正确分析土体剪切带发展确定土体抗剪强度和内摩擦角是土木工程的一个关键问题。

现有技术的传统直接剪切试验装置进行土体直剪试验的剪切特性测定，具有以下缺点：(1)现有的直剪仪人为的将剪切面设置成一个固定平面，而不是沿土样最薄弱面剪切破坏；(2)假定了剪切破坏面为一个无厚度的平面，实际上界面剪切是一个剪切带，具有一定的厚度；(3)试验装置的剪切盒之间存在着不可避免的摩擦，影响试验的精度；(4)剪切面上剪应力分布不均匀，在土样边缘部分应力集中严重。因此，现有的普通直剪仪难以准确测定土体的剪切特性。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪和方法，本发明的剪切盒采用有机玻璃制作，可通过CCD相机进行跟踪观测土体在剪切过程中剪切微观位移的发展趋势；通过在土样内植入穿样条，在剪切试验完成后取出穿样条进行测量剪切带的宏观趋势；解决当前直剪仪在无法观测土体试样剪切带发展状况和剪切过程中边缘应力过于集中、测出的内摩擦角不准确的缺点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪，包括电子位移计、加压框、剪切盒、穿样条、固定板、滚轴、土样帽、电动机传动轴、位移传感器、固定轴、应力传感器、平衡锤、砝码、底座、数据采集器、固定台；

所述剪切盒为透明材料制成的矩形空腔结构，包括从上向下依次叠放的上剪切环和下剪切环；所述上剪切环和下剪切环的数量均为两到三个；

所述剪切盒的上端设有土样帽，土样帽上端和剪切盒下端之间通过加压框的上下两个边框固定，加压框在固定台的垂直方向上移动，加压框上端设有螺杆；所述加压框螺杆上端固定有电子位移计；所述剪切盒内底部中间设有固定板，所述固定板上端均匀的固定安装有穿样条；所述剪切盒和固定板一起固定在底座上，底座下端设有滚轴，滚轴在固定台上滚动；位于底座的水平方向上，底座的一端与电动机传动轴相连，电动机传动轴对剪切盒施力方向与滚轴滚动方向一致；电动机传动轴上安装有位移传感器，位移传感器与数据采集器相连；在电动机传动轴的180°相反的方向上，上剪切环上端与固定轴相连，固定轴的另一端固定在安装座上；固定轴上安装有应力传感器，应力传感器与数据采集器相连；加压框下端通过杠杆系统分别与平衡锤和砝码相连，平衡锤和砝码位于杠杆系统的两端且均位于固定台的下端。

一种测定土体剪切带发展趋势的方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测土试样放入剪切盒内，根据需要对待测试样进行穿孔；

步骤2、将穿样条穿过待测土试样；

步骤3、用限位套将上剪切环和下剪切环固定；

步骤4、将固定后的上剪切环和下剪切环固定在底座上；上剪切环和下剪切环分别与固定轴和电动机传动轴接触，卸去限位套，施加垂直载荷；

步骤5、对下剪切环施加水平方向力，使下剪切环匀速运动，使得被测土样发生剪切破坏，测定位移和应力数据；

步骤6、重复步骤步骤1-4共2-3次，进行平行试验，取平均值从而降低误差；

步骤7、根据测定的位移和应力数据的平均值，绘制剪切应力与剪切位移的曲线图、剪切强度与垂直压力的曲线图；

步骤8、剪切试验结束后，取出土样观测剪切盒内穿样条的变化形态，通过观察穿样条的弯折状况进行土样剪切带发展的宏观判断。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明直剪仪的测试设备，剪切破坏过程中，不再假定剪切破坏面是一个无厚度的平面，而是有一个具有一定厚度的剪切带，符合现实中土体剪切破坏逐步发展至剪切破坏的真实情况。(2)本发明的直剪仪的剪切盒之间无摩擦，提高了试验的精度。(3)利用CCD相机跟踪拍摄土体的微观位移，利用数字图像技术得出土体位移发展趋势和土颗粒的力链发展情况判断土体的抗剪切性状。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

(1)图1为本发明剪切仪的结构示意图。

(2)图2为剪切盒结构示意图。

(3)图3为剪切盒剪切方向俯视图。

(4)图4为穿样条固定在固定板上的结构示意图。

(5)图5为固定板俯视图。

(6)图6为限位套结构示意图。

(7)图7为固定环组合结构俯视图。

(8)图8(a-b)分别加压框侧视图、加压框正视图。

(9)图9(a-b)分别为穿孔器正视图、穿孔器俯视图。

(10)图10为剪切应力与剪切位移的关系曲线图。

(11)图11为剪切强度与垂直压力的关系曲线图。

(12)图12为穿样条的弯折图。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明的一种测定土体剪切带发展趋势的改进直剪仪，包括电子位移计1、加压框2、剪切盒、穿样条7、固定板8、滚轴9、土样帽10、电动机传动轴11、位移传感器12、固定轴13、应力传感器14、平衡锤15、砝码16、底座17、数据采集器18、固定台22。

所述剪切盒为透明材料制成的矩形空腔结构，包括从上向下依次叠放的上剪切环4和下剪切环5；所述上剪切环4和下剪切环5的数量均为两到三个。

所述剪切盒的上端设有土样帽12，土样帽12上端和剪切盒下端之间通过加压框2的上下两个边框固定，加压框2的上下两个边框通过螺杆固定，加压框上端设有螺杆，在加压框2的上端施加垂直方向的载荷；加压框2螺杆上端固定有电子位移计1，用于测定剪切盒的垂直位移量；剪切盒内底部中间设有固定板8，固定板8上端均匀的固定安装有穿样条7，所述穿样条7用于测量土样剪切带的宏观趋势；剪切盒和固定板8一起固定在底座17上，底座17下端设有滚轴9，滚轴9可在固定台22上滚动；位于底座22的水平方向上，底座22的一端与电动机传动轴11相连，电动机传动轴11对剪切盒施力方向与滚轴9滚动方向一致；电动机传动轴11上安装有位移传感器12，位移传感器13与数据采集器18相连；电动机传动轴11对底座22上的剪切盒产生水平方向的位移，通过位移传感器12将剪切盒的位移量传送给数据采集器18；在电动机传动轴11的180°相反的方向上，上剪切环4上端与固定轴13相连，固定轴13的另一端固定在安装座22上；固定轴13上安装有应力传感器14，应力传感器14与数据采集器18相连；当下剪切环5受第二传动轴7施力产生位移时，固定轴13对上剪切环4产生一个反向于电动机传动轴11的力，产生的力由应力传感器14收集传送到数据采集器18。加压框2下端通过杠杆系统分别与平衡锤15和砝码16相连，平衡锤9和砝码11位于杠杆系统的两端且均位于固定台10的下端，在平衡锤9和砝码11的共同作用下，对加压框2施加垂直压力时，可对剪切盒竖向产生杠杆比倍数的成倍压力。

结合图8(a-b)，进一步的，所述加压框2为矩形框结构，竖直方向的两个框架设有矩形槽，固定台10上设有两个安装孔，使得加压框2只能在固定台10的垂直方向上移动。

进一步的，所述底座17为两端设有凸台的U型平板结构，剪切盒位于底座17上端中部，电动机传动轴11与底座17一端的凸台相连。

作为优选的实施方式，所述上剪切环4和下剪切环5的数量均为三个；

进一步的，所述上剪切环4和下剪切环5均由四个相同的矩形板围成，长、宽、高均为150mm；矩形板由8mm钢化玻璃板制作，通过外部CCD相机跟踪拍摄土体的微观位移。

进一步的，所述剪切环之间外部通过铰接连接，且剪切环之间设有密封条密封，防止细粒土或土壤团结时水分的溢出；剪切环之间的铰接处涂有抹润滑剂(如凡士林)，防止摩擦造成的误差。

结合4、5，进一步的，所述固定板18为矩形平板结构，上端均匀设有四行四列的矩阵孔，用于安装穿样条7；

所述穿样条7为柔性且能保持其塑性变形的材料制作成的圆柱形结构，如锡条、铁丝(直径小于1mm)。

结合图6、图7、图9(a-b)，进一步的，本发明的剪切仪还配有限位套19、穿孔器20、导管21和固定环23，所述限位套19为截面等边L型的框架结构，两个限位套19组合形成截面为矩形的正方体空腔结构；所述固定环23为等边L型边框，通过两个固定环23将两个限位套19锁合形成正方体空腔结构，限位套19用于上剪切环4和下剪切环5固定，将用限位套19固定好的剪切环叠放组成的剪切盒安放在底座17上与电动机传动轴11和固定轴13接触。所述穿孔器20的底部为平板结构，上端固接有4行4列的导管21，导管21中心间距与穿样条7的中心间距相同；穿孔器20用于对待测试样进行穿孔，避免穿样条7进入粘性土待测试样，使穿样条7受到扰动，导管21用于防止非粘性土装样时对穿样条7造成扰动形成误差。

基于本发明的直剪仪的测定土体剪切带发展趋势的方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测土试样放入剪切盒内，根据需要对待测试样进行穿孔；

1.1、进行砂类土(依据GB50007-2002)的剪切试验时，将砂类土试样放入剪切盒内，按照土工试验方法标准进行试验，其中在装样时为防止试样对穿样条7的扰动，穿样条7外套一个铜导管，对穿样条7进行保护；

1.2、进行黏性土的剪切试验时，根据土的坚硬程度(液性指数≤0.75，其范围为可塑、硬塑、坚硬状态的土)，将黏土试样放在剪切盒内，用穿孔器20在外力作用下对试样进行穿孔，以便为穿样条7预留空间、且不扰动试样。其中穿孔器20采用与穿样条7直径匹配的导管21，导管21直径略大于穿样条7直径。

步骤2、将穿样条7穿过待测土试样；

将穿样条7穿过待测土试样，且不扰动土试样；穿样条7略低于上剪切环4顶端，防止因待测土试样压缩后使穿样条7受到扰动，待测土试样与上剪切环4平齐；在待测土试样上端均匀的铺设透水石3；

步骤3、用限位套19将上剪切环4和下剪切环5固定；

步骤4、将固定后的上剪切环4和下剪切环5固定在底座上；上剪切环4和下剪切环5分别与固定轴13和电动机传动轴11接触，卸去限位套19，施加垂直载荷；

具体实施时，杠杆系统的施力杠杆比为1:22.95，即当加压框2施加1N垂直压力时，杠杆系统对剪切盒产生22.95N的垂直压力；当垂直压力分别为50kpa、100kpa、200kpa、300kpa、400kpa、500kpa、600kpa、700kpa、800kpa时，对应的砝码16的质量5kg、10kg、20kg、30kg、40kg、50kg、60kg、70kg、80kg，可以测量在不同应力作用下土样的应力曲线的发展是否因垂直压力的迅速变化而发生变化。

步骤5、对下剪切环5施加水平方向力，使下剪切环5匀速运动，使得被测土样发生剪切破坏，测定位移和应力数据；

剪切位移通过水平位移传感器12测定，水平位移达到6mm时停止剪切；剪切应力通过应力传感器14测量，剪切位移和剪切应力数据同时输入到数据采集器18中，试样的垂直压缩量通过电子位移计1测得。

剪切过程中通过CCD相机进行跟踪拍摄试样的位移变化情况，通过数字图像技术处理得到试样的位移变化云图和土颗粒力链的发展状况。

步骤6、重复步骤1-4共2-3次，进行平行试验，取平均值从而降低误差；

步骤7、根据测定的位移和应力数据的平均值，绘制剪切应力与剪切位移的曲线图、剪切强度与垂直压力的曲线图；

步骤8、结合图12，剪切试验结束后，取出土样观测剪切盒内穿样条7的变化形态，通过观察穿样条7的弯折状况进行土样剪切带发展的宏观判断：

穿样条7的弯折现象表明切破坏面是具有一定厚度的剪切带，穿样条7弯折的拐点距离即为剪切带的宏观宽度，穿样条7弯折处两拐点的连线与水平方向的夹角即为剪切带与水平方向的宏观夹角。

实施例1：

结合图10-11，以细砂土为例，分别测得砂土的剪切应力与剪切位移的曲线图、剪切强度与垂直压力的曲线图，可以得到砂土的理论值截距为零(即粘聚力为零)而现有技术的直剪仪得到的截距一般都比较大，使用本发明的方法得到的截距为几乎零。