一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置及使用方法与流程

本发明涉及岩土工程土工测试技术领域，具体地说是一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置及使用方法。

背景技术：

土体的抗剪强度是岩土工程设计环节中的一个重要参数，在计算地基承载力、评价地基稳定性等工程实际问题中都需用到土体的抗剪强度指标，所以，准确测定土体的抗剪强度对于岩土工程具有重要意义。

地表浅层土体是岩土工程建设中的主要对象，由于受到气候和其自重或其它附加荷载的影响，膨胀土中的应力场、水分场和温度场是不断变化的，而且相互影响，即所谓的水热力耦合作用。因此，准确测定土体的抗剪强度需要考虑水热力耦合的影响。

目前，有很多测试土体抗剪强度的方法，其中，直接剪切试验是测定土体抗剪强度的最简便和最常用的方法。但是，现用于测定土体抗剪强度的直剪仪还无法满足水热力耦合作用下土体抗剪强度测试的试验需求。

因此，如何提供一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置及使用方法，以实现在水热力耦合作用下，测试土体的抗剪强度，提高测试结果的准确性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置及使用方法，以实现在水热力耦合作用下，测试土体的抗剪强度，提高测试结果的准确性。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置，包括模型箱、直剪仪、供水系统、温度控制系统及数据采集系统；

所述直剪仪包括位移控制器、传力杆、推力座、剪切盒、传压板及量力环；所述传力杆、推力座、剪切盒、传压板、量力环均设置在所述模型箱内。

优选地，所述传力杆一端连接所述位移控制器，另一端连接所述推力座；所述剪切盒位于所述推力座上；所述量力环与剪切盒连接。

优选地，所述剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒与所述下剪切盒之间通过固定销连接固定；

所述上剪切盒连接有应力块，所述应力块在位于与上剪切盒连接的相反方向连接有钢珠，所述钢珠与所述量力环接触。

优选地，所述推力座底部设置有若干个滚珠，用于使推力座在模型箱内移动。

优选地，所述剪切盒底部四周设置有凸起，所述推力座上设置有内限位块和外限位块，所述内限位块和外限位块用于固定所述凸起，进而固定所述剪切盒；

所述推力座上设置有凹形通道，所述剪切盒底部设有呈十字形排列的若干小圆孔，用于形成向剪切盒内进排水的通道。

优选地，所述供水系统包括水阀、排水管及水箱；

所述排水管与所述水箱连接，所述排水管穿过所述模型箱和推力座。

优选地，所述水阀包括进水阀和排水阀，所述进水阀设置在与所述水箱相邻的排水管上，所述排水阀设置在低于剪切盒底部的排水管上。

优选地，所述温度控制系统包括冷气传输软管、制热板及制冷装置；

所述制热板设置在所述模型箱的内侧壁上，所述制冷装置与所述模型箱之间通过冷气传输软管连接；

所述冷气传输软管包括进气传输软管和出气传输软管；

所述进气传输软管和出气传输软管分别固定在所述模型箱顶端设置的与其相适配的圆孔上。

优选地，所述数据采集系统包括含水率传感器、含水率信息采集单元、温度信息采集单元及温度传感器；

所述含水率传感器与含水率信息采集单元连接，所述温度传感器与温度信息采集单元连接；

所述含水率传感器和温度传感器均设置在所述剪切盒内，所述含水率信息采集单元和温度信息采集单元均设置在所述模型箱内的底板上。

一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置的使用方法，包括以下步骤：

101、根据工程需要，按干密度和含水率需要制备4个用于四种不同竖向压力下剪切试验的试样；

102、步骤101后，在下剪切盒内依次放置下透水石、试样、上透水石，然后对准上剪切盒和下剪切盒，最后插入固定销将其固定；

103、步骤102后，通过位移控制器，使上剪切盒前端应力块连接的钢珠刚好与量力环接触，将砝码放到传压板上；

104、步骤103后，待试样固结至稳定状态，通过温度控制系统对试样进行制冷、制热处理，即通过制冷装置对试样进行制冷，或通过制热板对试样进行制热，实现冻融循环；

105、步骤104后，通过供水系统向剪切盒内供水、排水，即通过打开进水阀，关闭排水阀，向剪切盒里供水，浸泡试样，达到“湿”的状态；关闭进水阀，打开排水阀，将剪切盒里的水排出，模拟土样自然干燥状态；

106、重复步骤104和105；

107、步骤106后，通过含水率传感器信息采集单元和温度信息采集单元进行数据采集，全程记录试验过程中试样的水分和温度变化；

108、当试样含水率变为初始状态含水率时，拔除固定销，进行剪切试验，测定试样的抗剪强度。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有装置无法满足测试土体在水热力耦合作用下抗剪强度的缺陷，本发明实现了在水热力耦合作用下，测量土体的抗剪强度，更加准确测定土体的抗剪强度，为土体的水热力耦合研究提供基础；

2)本发明通过设置温度控制系统及供水系统，并且定制用于施加垂直压力的砝码，实现水热力的真正耦合，同时各系统调节简便、易于控制，可满足不同程度的水热力耦合要求；

3)本发明设置数据采集系统，即通过含水率信息采集单元、温度信息采集单元采集试样中的含水率和温度，实现实时监测记录，提高测量结果的精度。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明测水热力耦合作用下土体直剪试验装置的正剖面图；

图2是本发明测水热力耦合作用下土体直剪试验装置的右剖面图；

图3是本发明中直剪仪的平面图；

图4是本发明中推力座的平面图；

图5是本发明中制热板的平面布置图。

在以上附图中：1、位移控制器；2、传力杆；3、冷气传输软管；4、模型箱；5、制热板；6、制冷装置；7、推力座；8、滚珠；9、固定销；10、剪切盒；101、上剪切盒；102、下剪切盒；11、传压板；121、上透水石；122、下透水石；13、量力环；14、含水率信息采集单元；15、含水率传感器；16、试样；17、温度传感器；18、温度信息采集单元；19、水箱；201、进水阀；202、排水阀；21、排水管；22、钢珠；23、应力块；24、内限位块；25、外限位块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

如附图1-2所示，一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置，包括模型箱4、直剪仪、供水系统、温度控制系统及数据采集系统；所述供水系统用于对试样16进行干湿循环；所述温度控制系统用于控制试样16的温度；所述直剪仪用于对试样16进行剪切试验；所述数据采集系统用于试样16的含水率和温度采集。

如附图3所示，所述直剪仪包括位移控制器1、传力杆2、推力座7、剪切盒10、传压板11及量力环13；所述传力杆2、推力座7、剪切盒10、传压板11、量力环13均设置在所述模型箱4内，所述位移控制器1设置在所述模型箱4外侧；试验时，将试样16放置在剪切盒10上，且试样16上、下方分别放置上透水石121和下透水石122。

所述传压板11设置在所述剪切盒10顶端，用于放置砝码，向试样16施加垂直压力，砝码需满足试样16竖向附加应力为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa。

所述传力杆2一端连接所述位移控制器1，另一端连接所述推力座7；所述传力杆2穿过模型箱4，所述位移控制器1通过传力杆2带动推力座7左右移动；所述剪切盒10位于所述推力座7上；所述量力环13与剪切盒10连接。

所述剪切盒10包括上剪切盒101和下剪切盒102，所述上剪切盒101与所述下剪切盒102之间通过固定销9连接固定，所述上剪切盒101连接有应力块23，所述应力块23在位于与上剪切盒101连接的相反方向连接有钢珠22，所述钢珠22与所述量力环13一端接触，所述量力环13的另一端固定在所述模型箱4上。

所述推力座7底部设置有若干个滚珠8使推力座7在模型箱4内移动。

优选地，所述模型箱4在与所述推力座7的接触面上设置有导轨，所述滚珠8与所述导轨相配合，用于使推力座7在模型箱4内移动。

优选地，所述推力座7的底部设置有凹槽，所述凹槽用于固定滚珠8，防止滚珠8向四周任意滚动。

所述剪切盒10底部四周设置有凸起，所述推力座7上设置有内限位块24和外限位块25，如附图4所示，所述内限位块24和外限位块25用于固定所述凸起，进而使剪切盒10固定在推力座7上。

所述推力座7上设置有凹形通道，所述下剪切盒102底部设有呈十字形排列的若干小圆孔，用于形成向剪切盒10内进排水的通道。

所述供水系统包括水阀、排水管21及水箱19；所述排水管21与所述水箱19连接，所述排水管21穿过所述模型箱4和推力座7，所述排水管21与模型箱4、推力座7的接触处设置有密封圈，且排水管21的一端固定在所述推力座7上设置的与排水管21孔径相适配的圆孔上。

优选地，所述水箱19设置在所述模型箱4的外侧，且所述水箱19的位置略高于所述试样16，便于向剪切盒10内供水。

所述水阀包括进水阀201和排水阀202，所述进水阀201设置在与所述水箱19相邻的排水管21上，用于将水箱19中的水导入剪切盒10内；所述排水阀202设置在低于剪切盒10底部的排水管21上，用于将剪切盒10内的水导出。

所述温度控制系统包括冷气传输软管3、制热板5及制冷装置6；如附图5所示，所述制热板5设置在所述模型箱4的内侧壁上，且位于所述剪切盒10的上方。

所述制冷装置6与所述模型箱4之间通过冷气传输软管3连接，所述冷气传输软管3包括进气传输软管和出气传输软管；所述进气传输软管和出气传输软管分别固定在所述模型箱4顶端设置的与其相适配的圆孔上，且进气传输软管和出气传输软管与模型箱4顶端搭接处设置有密封结构，使模型箱4形成密闭空间，降低测试过程中的能耗浪费，提高测试效率。

所述数据采集系统包括含水率传感器15、含水率信息采集单元14、温度信息采集单元18及温度传感器17；所述含水率传感器15与含水率信息采集单元14连接，所述温度传感器17与温度信息采集单元18连接。

所述含水率传感器15和温度传感器17均设置在所述剪切盒10中的试样16内部，所述含水率信息采集单元14和温度信息采集单元18均设置在所述模型箱4内的底板上；所述推力座7和剪切盒10的相对位置上设置有两对孔径分别与温度传感器17连接线和含水率传感器15连接线相适配的圆孔，连接线通过圆孔与温度信息采集单元18、含水率信息采集单元14连接。

优选地，所述模型箱4顶端设置有顶盖，便于对装置进行维修、保养。

实施例2

基于上述实施例1，一种水热力耦合作用下土体直剪试验装置的使用方法，包括以下步骤：

101、根据工程需要，按干密度和含水率需要制备4个用于四种不同竖向压力下剪切试验的试样16；

102、步骤101后，在下剪切盒102内依次放置下透水石122、试样16、上透水石121，然后对准上剪切盒101和下剪切盒102，最后插入固定销9将其固定；

103、步骤102后，通过位移控制器1，使上剪切盒101前端应力块23连接的钢珠22刚好与量力环13接触，将砝码放到传压板11上；

104、步骤103后，待试样16固结至稳定状态，通过温度控制系统对试样16进行制冷、制热处理，即通过制冷装置6对试样16进行制冷，或通过制热板5对试样16进行制热，实现冻融循环；

105、步骤104后，通过供水系统向剪切盒10内供水、排水，即通过打开进水阀201，关闭排水阀202，向剪切盒10里供水，浸泡试样16，达到“湿”的状态；关闭进水阀201，打开排水阀202，将剪切盒10里的水排出，模拟土样自然干燥状态；

106、重复步骤104和105；

107、步骤106后，通过含水率传感器15信息采集单元和温度信息采集单元18进行数据采集，全程记录试验过程中试样16的水分和温度变化；

108、当试样16含水率变为初始状态含水率时，拔除固定销9，进行剪切试验，测定试样16的抗剪强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。