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技术方案

本发明专利技术公开了一种温度‑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。本发明专利技术适用于温度‑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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种温度-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。
技术介绍
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，AireyDW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。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是：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，本专利技术采用如下技术方案：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；所述的水平向剪切系统和压力室均安装在支架上，所述的水平向剪切系统通过第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆与压力室相连通；所述的轴向加载系统固定在压力室的顶部，通过轴向加载系统对压力室内的试样施加轴向压力，使试样处于应力状态，所述的水平向剪切系统对压力室内部的试样进行水平向的剪切控制。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，所述的轴向加载系统包括中心杆、竖向荷重传感器、气缸活塞、气缸、高精度数显表、数显表夹具和气缸架；所述的气缸固定于气缸架的顶部，气缸内部安装有气缸活塞，所述的气缸活塞、竖向荷重传感器和中心杆依次相连接；所述的高精度数显表固定于数显表夹具上，所述的数显表夹具安装在压力室的顶部。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，所述的水平向剪切系统包括涡轮蜗杆减速机、第一传递杆、第二传递杆、第一水平荷重传感器、底座、第一调节螺杆、第三传递杆、第二水平荷重传感器和第二调节螺杆；所述的涡轮蜗杆减速机通过第一传递杆与下剪切盒的侧壁相连接；所述的底座安装在支架上，底座的上部和下部分别设置有第一调节螺杆和第二调节螺杆，所述的第一水平荷重传感器安装在第一调节螺杆与第二传递杆之间，所述的第二水平荷重传感器安装在第二调节螺杆与第三传递杆之间；所述的第三传递杆、第二水平荷重传感器和第二调节螺杆与第一传递杆处于同一轴线上；所述的第二传递杆和第三传递杆分别通过L型连接头与上剪切盒相连接。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，所述的压力室包括压力室上盖、密封侧筒和压力室底座，所述的密封侧筒位于压力室上盖和压力室底座之间；所述的压力室底座上设置有轨道；所述的压力室上盖中心位置设置有第一密封座，所述的密封侧筒上分别安装有第二密封座、第三密封座和第四密封座；所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆(的中部均设有凸起，所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆分别穿过第一密封座、第二密封座、第三密封座和第四密封座；所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆中部的凸起分别与第一密封座、第二密封座、第三密封座和第四密封座之间形成密封空腔，所述的密封空腔通过气管与压力室的内部相连通；中心杆下方的凸起部分与承压盖的凹陷部分相接触。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，所述的第二密封座、第三密封座和第四密封座的工作原理为：所述的密封空腔内部压力P1与压力室内部压力P2相等，由于密封空腔内部压力P1的作用，可抵消压力室内部压力P2对中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆的作用力，实现试验过程中竖直方向竖向净正应力的控制和水平方向净剪切应力的测量。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，所述的剪切盒包括上剪切盒、下剪切盒和单剪叠环组，所述的下剪切盒放置在轨道的上方，单剪叠环组位于下剪切盒和上剪切盒之间；在水平剪切方向，下剪切盒、上剪切盒和单剪叠环组三者相互接触的位置设置有滑道，并在滑道内放置若干钢珠；在水平剪切方向，下剪切盒的上部固定有定向球，定向球的球面分别与单剪叠环组和上剪切盒的侧面相接触；所述的下剪切盒内部从中心到边界依次安装有发射弯曲元、矩形陶土板和矩形带孔透水石，所述的矩形带孔透水石的上方固定有压片，所述的矩形陶土板和矩形带孔透水石的下方分别设置有螺旋形过水通道和容水空腔；所述的螺旋形过水通道与第一通道和第二通道相联通，所述的容水空腔与第三通道相联通，所述的第一通道、第二通道和第三通道的端部分别设置有第一高压球阀、第二高压球阀和第三高压球阀。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，所述的试样位于下剪切盒、上剪切盒和单剪叠环组的内部，试样的上部依次放置透水石和承压盖，所述的试样表面包裹一层乳胶膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度‑吸力‑应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，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)，所述的控制柜(1)与直剪单剪仪(2)、温控装置(4)和计算机(5)相连，直剪单剪仪(2)与扩散气泡冲刷装置(3)和温控装置(4)相连。

【技术特征摘要】
1.一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，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)，所述的控制柜(1)与直剪单剪仪(2)、温控装置(4)和计算机(5)相连，直剪单剪仪(2)与扩散气泡冲刷装置(3)和温控装置(4)相连。2.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的直剪单剪仪(2)包括轴向加载系统(2-1)、水平向剪切系统(2-2)、压力室(2-3)和支架(2-4)；所述的水平向剪切系统(2-2)和压力室(2-3)均安装在支架(2-4)上，所述的水平向剪切系统(2-2)通过第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)与压力室(2-3)相连通；所述的轴向加载系统(2-1)固定在压力室(2-3)的顶部，通过轴向加载系统(2-1)对压力室(2-3)内的试样(2-25)施加轴向压力，使试样(2-25)处于应力状态，所述的水平向剪切系统(2-2)对压力室(2-3)内部的试样(2-25)进行水平向的剪切控制。3.根据权利要求2所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的轴向加载系统(2-1)包括中心杆(2-9)、竖向荷重传感器(2-10)、气缸活塞(2-11)、气缸(2-12)、高精度数显表(2-13)、数显表夹具(2-14)和气缸架(2-15)；所述的气缸(2-12)固定于气缸架(2-15)的顶部，气缸(2-12)内部安装有气缸活塞(2-11)，所述的气缸活塞(2-11)、竖向荷重传感器(2-10)和中心杆(2-9)依次相连接；所述的高精度数显表(2-13)固定于数显表夹具(2-14)上，所述的数显表夹具(2-14)安装在压力室(2-3)的顶部。4.根据权利要求2所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的水平向剪切系统(2-2)包括涡轮蜗杆减速机(2-5)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)、第一水平荷重传感器(2-18)、底座(2-19)、第一调节螺杆(2-20)、第三传递杆(2-22)、第二水平荷重传感器(2-23)和第二调节螺杆(2-24)；所述的涡轮蜗杆减速机(2-5)通过第一传递杆(2-6)与下剪切盒(2-30)的侧壁相连接；所述的底座(2-19)安装在支架(2-4)上，底座(2-19)的上部和下部分别设置有第一调节螺杆(2-20)和第二调节螺杆(2-24)，所述的第一水平荷重传感器(2-18)安装在第一调节螺杆(2-20)与第二传递杆(2-17)之间，所述的第二水平荷重传感器(2-23)安装在第二调节螺杆(2-24)与第三传递杆(2-22)之间；所述的第三传递杆(2-22)、第二水平荷重传感器(2-23)和第二调节螺杆(2-24)与第一传递杆(2-6)处于同一轴线上；所述的第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)分别通过L型连接头(2-47)与上剪切盒(2-33)相连接。5.根据权利要求2所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的压力室(2-3)包括压力室上盖(2-26)、密封侧筒(2-27)和压力室底座(2-28)，所述的密封侧筒(2-27)位于压力室上盖(2-26)和压力室底座(2-28)之间；所述的压力室底座(2-28)上设置有轨道(2-29)；所述的压力室上盖(2-26)中心位置设置有第一密封座(2-8)，所述的密封侧筒(2-27)上分别安装有第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)；所述的中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的中部均设有凸起(2-51)，所述的中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)分别穿过第一密封座(2-8)、第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)；所述的中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)中部的凸起(2-51)分别与第一密封座(2-8)、第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)之间形成密封空腔(2-52)，所述的密封空腔(2-52)通过气管(2-53)与压力室(2-3)的内部相连通；中心杆(2-9)下方的凸起部分与承压盖(2-35)的凹陷部分相接触。6.根据权利要求5所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)的工作原理为：所述的密封空腔(2-52)内部压力P1与压力室(2-3)内部压力P2相等，密封空腔(2-52)内部压力P1对中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的作用力，可抵消压力室(2-3)内部压力P2对中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的作用力，实现试验过程中竖直方向竖向净正应力的控制和水平方向净剪切应力的测量。7.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的剪切盒包括上剪切盒(2-33)、下剪切盒(2-30)和单剪叠环组(2-32)，所述的下剪切盒(2-30)放置在轨道(2-29)的上方，单剪叠环组(2-32)位于下剪切盒(2-30)和上剪切盒(2-33)之间；在水平剪切方向，下剪切盒(2-30)、上剪切盒(2-33)和单剪叠环组(2-32)三者相互接触的位置设置有滑道(2-54)，并在滑道(2-54)内放置若干钢珠(2-31)；在水平剪切方向，下剪切盒(2-30)的上部固定有定向球(2-61)，定向球(2-61)的球面分别与单剪叠环组(2-32)和上剪切盒(2-33)的侧面相接触；所述的下剪切盒(2-30)内部从中心到边界依次安装有发射弯曲元(2-55)、矩形陶土板(2-38)和矩形带孔透水石(2-37)，所述的矩形带孔透水石(2-37)的上方固定有压片(2-62)，所述的矩形陶土板(2-38)和矩形带孔透水石(2-37)的下方分别设置有螺旋形过水通道(2-39)和容水空腔(2-40)；所述的螺旋形过水通道(2-39)与第一通道(2-42)和第二通道(2-43)相联通，所述的容水空腔(2-40)与第三通道(2-41)相联通，所述的第一通道(2-42)、第二通道(2-43)和第三通道(2-41)的端...

【专利技术属性】
技术研发人员：季李通，韦昌富，
申请(专利权)人：南京泰克奥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32