饱和土体原位大型剪切装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种饱和土体原位大型剪切装置，用来测试饱和土体的原位抗剪强度。该装置包括浸水装置和剪切系统。浸水装置包括浸水圆环、剪切盒和中细砂：捋试样尺寸控制在小于剪切盒约10mm，安装剪切盒，使试样居中，用过筛后的中细砂密实地填充剪切盒与试样之间的间隙，构成试样侧壁的透水材料和浸水通道，再捋浸水圆环套在剪切盒外部，加水使试样饱和。剪切系统包括垂向加载系统和水平剪切系统：垂向加载系统包括千斤顶、反力架、测力计和位移计：水平剪切系统包括千斤顶、测力计和位移计。该饱和土体原位大型剪切装置对传统原位大型剪切试验仪器进行改进，结构简单，价格低廉，可方便测试饱和土体的原位强度指标。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种在原位浸泡饱和土体，并开展饱和土体原位大型剪切的装 置。 饱和土体原位大型剪切装置
【背景技术】
[0002] C.A. Coulomb于1776年建立了土的抗剪强度理论，引入了粘聚力和内摩擦角两个 抗剪强度参数，为经典土力学奠定了理论基础。K.Terzaghi于上世纪初建立了土力学学科 后，许多学者在抗剪强度参数的获取方面进行了大量的试验研究，也发展了一些间接的求 取方法。
[0003] 室内试验是最常用的测试手段。其优点是边界条件易于控制，可以采取直剪试验、 三轴试验、环剪试验、扭剪试验等多种手段获取不同状态下的抗剪强度参数。其缺点主要表 现在以下3个方面：一是在钻探（或坑探、井探）一取样一包装一运输一保管一制样一试验 的过程中，试样结构性常受到扰动或遭到破坏；二是室内试样尺寸较小，在一定程度上影响 了试验结果的客观代表性；三是土体除了土材料之外，还包括了节理、裂隙等软弱结构面， 而室内试验试样难以包含这些软弱结构面。因此，在斜坡稳定性分析和岩土工程设计中，室 内试验所获得的强度参数难以直接应用。
[0004] 直接测定抗剪强度的原位测试方法主要有十字板剪切试验、钻孔剪切试验和原位 大型剪切试验（以下简称原位大剪试验）。三者之中，原位大剪试验因其适应于各种岩土体 而被广泛应用。与室内试验相比，原位试验方法具有试样尺寸大、对结构性扰动小、代表性 强的优点。但是目前的土体原位大剪试验条件都是天然状态，针对饱和土体的原位大剪试 验方面的经验和数据积累还不多。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 为了克服室内抗剪强度试验对试样结构的扰动、客观代表性差、尺寸效应，以及传 统原位剪切试验都是天然状态的不足，本实用新型实用新型提供一种饱和土体原位大型剪 切装置。
[0007] (二）技术方案
[0008] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种饱和土体原位大型剪 切装置，其包括浸水装置和剪切系统；浸水装置包括浸水圆环、剪切盒和中细砂，试样置于 剪切盒内，中细砂密实地填充在剪切盒与试样之间，浸水圆环套在剪切盒外部；剪切系统包 括垂向加载系统和水平剪切系统；垂向加载系统包括第一千斤顶、反力架、第一测力计和第 一位移计，反力架、第一测力计、第一千斤顶由上至下依次连接，第一千斤顶与试样顶部接 触，第一位移计的活动头与试样顶部传力盖板的四角接触；水平剪切系统包括第二千斤顶、 第二测力计和第二位移计，第二千斤顶一侧与试样侧面接触，另一侧与第二测力计连接，第 二测力计与坑壁接触，第二位移计的活动头与剪切盒的侧壁接触。
[0009] 其中，试样的尺寸小于剪切盒的内径。
[0010] 其中，浸水圆环采用轻型加厚铝合金材料，形状为圆筒形，下边缘加工成刃口状。
[0011] 其中，浸水圆环直径80cm，高50cm。
[0012] 其中，剪切盒为WBJL型原位大剪仪的剪切盒，材料为合金钢，方形，边长50cm。
[0013] 其中，第一千斤顶、第二千斤顶均为手动式油压千斤顶，量程500kN。
[0014] 其中，第一测力计、第二测力计均为应变式压力传感器，量程500kN。
[0015] 其中，第一位移计、第二位移计均为表式位移计，量程50mm。
[0016] 浸水装置是本实用新型的核心，主要包括浸水圆环、剪切盒、中细砂。先制样，将试 样尺寸控制在小于剪切盒约l〇mm，安装剪切盒，使试样居中，用过筛后的中细砂密实填充剪 切盒与试样的间隙，构成试样侧壁的透水材料和浸水通道，再将浸水圆环套在剪切盒外部， 加水使试样饱和。
[0017] 浸水圆环采用轻型加厚铝合金材料，既减轻了重量，又保证了应有的强度；浸水圆 环的形状为圆筒形，直径80cm，高50cm，其下边缘（下口）加工成刃口状，利于压入土中。
[0018] 此外，饱和土体原位大型剪切仪器还包括地锚式反力架、读数仪、柴油机等部件。 [0019](三）有益效果
[0020] 本实用新型的有益效果是：在传统天然主体原位大型剪切仪器基础上，仅增加一 个浸水圆环，并辅以中细砂、水等廉价耗材，即可达到对土体浸水饱和，并开展饱和土体原 位大型剪切试验，获取饱和土体原位抗剪强度指标的要求。与天然土体原位大型剪切试验 相比，开展单个饱和土体原位大型剪切试验在增加很少成本或基本不增加成本的前提下， 能够获得饱和土体原位抗剪强度等指标，更客观地反映饱和土体的真实强度，为地质研究、 水土分析、工程建设等提供真实可靠的参考数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是根据本实用新型的制样后饱和法实施例的结构示意图。
[0022] 图2是根据本实用新型的对比方案的饱和后制样法的结构示意图。
[0023] 图3是根据本实用新型的饱和黄土原位大剪的剪应力-剪切位移曲线图。
[0024] 图4是根据本实用新型的基于饱和后制样法原位大剪试验的饱和黄土抗剪强度 包络线图。
[0025] 其中，1 :浸水圆环；2 :中细砂；3 :试样；4 :期切盒；5 :7_Κ ;6 :无纺土工布。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施案例对本实用新型作进一步说明。以下实施例仅用于说明本 实用新型，而不限制本实用新型的保护范围。
[0027] 本实用新型的饱和土体原位大型剪切装置，包括浸水装置和剪切系统；浸水装置 包括浸水圆环1、剪切盒4和中细砂2 ;剪切系统包括垂向加载系统和水平剪切系统；垂向 加载系统包括第一千斤顶、反力架、第一测力计和第一位移计；水平剪切系统包括第二千斤 顶、第二测力计和第二位移计。试样3置于剪切盒4内，试样3的尺寸小于剪切盒4的内径， 中细砂2密实地填充在剪切盒4与试样3之间，浸水圆环1套在剪切盒外部，水5位于浸水 圆环1中。
[0028] 本实用新型的饱和土体原位大型剪切试验的场地位于甘肃省永靖县黑方台，试验 对象为场区的晚更新世黄土。
[0029] (一）黄土基本物理指标测试
[0030] 开展原位剪切试验前，首先取样在室内测试黄土的基本物理性质指标（参见表 1)，以便对土性有基本的判断。
[0031 ] 表1天然状态黄土物理性质指标
[0032] 屮重 天然 滋麼 ？丨隙屮 液限 塑限 S含水量 ，?反3、 鎌比〇)L ωΡ塑性指数液性指数 _ω(%) (g Cm ) e (%) (%)_ 2.70 9.1 1.51 0.930 25.04 17.20 7.84 -1.13
[0033] (二）制样技术
[0034] 除了本实用新型的制样后饱和法（参见图1)，现场浸水实施时还采用了另一套对 比方案（饱和后制样法，参见图2)，即将浸水圆环套在圆柱形土柱之外，土柱直径小于浸水 圆环约20_，浸水饱和，再制做标准试样，开始原位饱和剪切试验。同时，开展了天然土体的 原位大型剪切试验，以综合对比本实用新型的浸水饱和及剪切效果。
[0035] (1)精细化制样
[0036] 如图1所示，本实用新型的制样后饱和法是先将土样切削成边长49cm、高27cm的 方形标准试样，再套剪切盒4,试样3与剪切盒4的空隙用过筛中细砂2填充。最后在剪切 盒4外套上浸水圆环1,注水5浸泡饱和。
[0037] 作为对比的饱和后制样法是将黄土切削成比浸水圆环内径小20mm的圆柱形土 柱，套上浸水圆环，使土柱居中，试样与浸水圆环间的空隙用过筛中细砂填充，浸水饱和，再 去除浸水圆环，将土样修整成边长49cm、高27cm的方形标准试样，套入剪切盒，使试样居 中。
[0038] (2)中细砂填充
[0039] 填充前需对中细砂过筛，将大颗粒去除，保证颗粒均匀性；在剪切盒和4试样3之 间约5mm的空隙中分5次逐层倒入中细砂3,每倒一层后用长条钢尺振捣砂体，使中细砂密 实地充满空隙。
[0040] (3)浸水方式
[0041] 本实用新型的制样后饱和法的水经过透水材料由试样侧面进入试样，饱和后制样 法的水则大部分由试样上表面坚向进入试样，少部分通过试样与浸水圆环的空隙渗入。为 此，必须控制一定的条件。
[0042] 在制样后饱和法中，控制浸水的水位在剪切盒顶面和试样顶面之间，以略高于剪 切盒顶面为宜，这样水将仅通过中细砂由试样侧壁进入试样达到浸水饱和的目的。在饱和 后制样法中，圆柱试样切好后要在试样表层铺设3-5cm厚的中细砂，再铺上一层无纺土工 布6,防止注水对试样表面的冲刷；然后注水至水面高出无纺土工布约5cm。
[0043] (三）加载条件控制
[0044] 原位大剪试验特别需要严格控制加载条件，包括控制加荷等级、加荷速率、稳定标 准以及剪切速率等。
[0045] 垂向加载系统包括第一千斤顶、反力架、第一测力计和第一位移计；水平剪切系统 包括第二千斤顶、第二测力计和第二位移计。垂向加载系统中，反力架、第一测力计、第一千 斤顶由上至下依次连接，第一千斤顶与试样顶部接触；第一位移计的活动头与试样顶部传 力盖板的四角接触。
[0046] 水平剪切系统中，第二千斤顶一侧与试样侧面接触，另一侧与第二测力计连接，第 二测力计与坑壁接触；第二位移计的活动头与剪切盒的侧壁接触。
[0047] 第一千斤顶、第二千斤顶均为手动式油压千斤顶，量程500kN。第一测力计、第二测 力计均为应变式压力传感器，量程500kN。第一位移计、第二位移计均为表式位移计，量程 50mm〇
[0048] (1)垂向加载条件控制
[0049] 为防止试样发生突然破坏，以及利于对比天然和饱和黄土状态的变形过程，两种 含水量原位大剪试验的垂向加载等级控制均为每级5kN。当第一位移计（即垂向位移计） 读数的变化速率减小至〇. 〇5mm/min并稳定时，可施加下一级垂向荷载。施加至最后一级垂 向压力时，第一位移计的变化速率不超过0.05mm/h时，可认为垂向变形达到稳定，可以开 始剪切。
[0050] (2)剪切加载条件控制
[0051] 保持预定的垂向压力不变，分级快速施加水平推力，模拟固结快剪条件。根据预估 的剪切破坏力确定每级剪切力为lkN或者2kN，读取对应的水平剪切位移。加载过程中，水 平压力表读数一直增大，到峰值时，加压若干次后压力表读数不增加甚至急剧下降，认为此 时的土体已经破坏。控制剪切时间为lOmin。
[0052] (四）结果分析
[0053] (1)试样饱和效果
[0054] 根据较长时间内的透水速率稳定和事后的含水量测量来判定试样是否达到饱和。 7个试样的按两种饱和法和不同饱和时间浸水饱的效果对比如表2。表2表明，1#试样米用 制样后饱和法，连续浸水3天后试样饱和度仅为69. 7%，远未达到饱和要求。2#试样的浸 水时间延长至6天，试验后的饱和度即达到93. 2%，接近于室内试验95%的饱和标准。为 了对比，对饱和后制样法的3个试样同时浸水6天，试验后的饱和度分别为96. 4%、95. 5% 和96. 1 %，均超过了 95%，并且比制样后饱和法试样的饱和度要高。最后，用饱和后制样法 分别对试样浸水5天和7天，发现浸水5天后试样饱和度为94. 4 %，比浸水6天试样饱和度 略低，而浸水7天试样饱和度为95. 5 %，与浸水6天试样饱和度基本持平。
[0055] 表2两种浸水模式的效果对比
[0056] 、士》始σ 、?士喻知措+浸水时间含水量饱和度 1 式機5 &綱獻（天）（%) (%) 1# 制样后饱和法 3 24? 69.7 2# 制样后饱和法 6 32.1 93.2 3# 饱和后制样法 6 33.2 96.4 4# 饱和后制样法 6 32.9 95.5 5# 饱和后制样法 6 33.1 96.1 .6# 饱和后制样法 5 32.5 94.4 7# 饱和后制样法 7 32.9 95.5
[0057] 根据以上饱和度的分析，表明只要浸水时间足够，两种浸水饱和模式均能使试样 达到饱和要求。由于黄土的坚向渗透性大于水平渗透性，饱和后制样法的大部分水由坚向 渗入土体，而制样后饱和法的水仅有侧向渗水通道，因此，在相同浸水时间下，饱和后制样 法的试样饱和度要高于制样后饱和法。采用饱和后制样法浸水5天以上的饱和度均接近室 内试验对饱和度的要求，可以与室内试验的相应结果做对比分析。
[0058] (2)试样结构扰动情况
[0059] 强度线的线性程度和合理的抗剪强度参数能作为评价试样结构扰动程度的一种 有效的反分析手段。黄土强度受含水量的影响很大，为此取浸水时间相同、浸水后含水量最 接近的3#、4#、5#号试样，以剪应力-剪切位移曲线（参见图3)的峰值点作为强度点，采用 图解法绘制抗剪强度线（参见图4)，线性回归后求得粘聚力c = 17. 35kPa，内摩擦角Φ = 11.95°，相关系数R2 = 0.99,具有很好的线性关系。从这个角度看，饱和后制样法对试样 结构扰动不大。
[0060] 但根据以往经验，黄土浸水后结构崩解，受外力作用后超孔隙水压力急剧上升而 液化。这也得到了现场验证：将浸水黄土放在手掌上，稍加抖动即成浆糊状；饱和后制样法 中，完成浸水饱和后，还要拔出浸水圆环，削样，稍不留神就扰动了样品边缘大块浸水土体， 导致边缘处土体缺角破坏，甚至出现液化现象。因此，饱和后制样法的制样成功率是很低 的，即使试验者极尽所能地小心制样，也不可避免大面积地扰动试样。相比而言，制样后饱 和法则避免了对饱和土体的扰动，只要延长浸水时间使试样达到饱和度的要求，用制样后 饱和法进行的试验能更客观地反映饱和土体的真实强度。
[0061] (3)不同试验条件抗剪强度参数对比
[0062] 根据饱和后制样法3#、4#、5#号试样的试验结果绘制的抗剪强度线如图4所示，可 得饱和黄土抗剪强度参数，同时将3个天然黄土原位大剪试验、1组代表性的室内饱和黄土 固结快剪试验曲线也一同表示在图4中。由图4可见，与天然黄土原位大剪相比，饱和黄土 原位大剪的c值由44. 65kPa降至17. 35kPa;而Φ值由14. 18°降至11.95°，表明浸水对 强度的影响体现在粘聚力和摩擦角都会降低。原位饱和与室内饱和制样的含水量一致，与 代表性室内饱和固结快剪相比，饱和黄土原位大剪的c值增加约4kPa，Φ值增加3°左右。 造成这种结果的原因是原位大剪试验的试样与试坑底部黄土处于原始结合状态，较室内试 验扰动更小，结果更接近实际。
[0063](五）开发利用分析
[0064] (1)黄土具有水敏性，饱和后其抗剪强度锐减，这也是导致黄土斜坡和地基遇水后 破坏的最主要原因。研究和发展饱和黄土原位大型剪切装置和方法，获取饱和黄土强度参 数，对于分析和计算黄土斜坡和地基稳定性具有重大的理论意义和实用价值。
[0065] (2)饱和后制样法和制样后饱和法均能使试样饱和，表明进行原位饱和大剪试验 是可行的。但饱和后制样法在制样时常造成样品扰动，破坏了土体结构性，试验成功率低， 制样后饱和法对土样扰动小，试验成功率高，具有良好的工程可行性。
[0066] (3)采用制样后饱和法浸泡试样，并进行原位大型剪切试验，材料简易方便，实施 费用低廉，易于推广。
[〇〇67] 上述实施例为本实用新型的较佳实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、替代、组 合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种饱和土体原位大型剪切装置，包括浸水装置和剪切系统；浸水装置包括浸水 圆环、剪切盒和中细砂，试样置于剪切盒内，中细砂密实地填充在剪切盒与试样之间，浸水 圆环套在剪切盒外部；剪切系统包括垂向加载系统和水平剪切系统；垂向加载系统包括第 一千斤顶、反力架、第一测力计和第一位移计，反力架、第一测力计、第一千斤顶由上至下依 次连接，第一千斤顶与试样顶部接触，第一位移计的活动头与试样顶部传力盖板的四角接 触；水平剪切系统包括第二千斤顶、第二测力计和第二位移计，第二千斤顶一侧与试样侧面 接触，另一侧与第二测力计连接，第二测力计与坑壁接触，第二位移计的活动头与剪切盒的 侧壁接触。
2. 如权利要求1所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：试样的尺寸小于剪 切盒的内径。
3. 如权利要求1-2任一项所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：浸水圆环 采用轻型加厚铝合金材料，形状为圆筒形，下边缘加工成刃口状。
4. 如权利要求3所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：浸水圆环直径80cm， 高 50cm。
5. 如权利要求1-2任一项所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：剪切盒为 WBJL型原位大剪仪的剪切盒，材料为合金钢，方形，边长50cm。
6. 如权利要求1-2任一项所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：第一千斤 顶、第二千斤顶均为手动式油压千斤顶，量程500kN。
7. 如权利要求1-2任一项所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：第一测力 计、第二测力计均为应变式压力传感器，量程500kN。
8. 如权利要求1-2任一项所述的饱和土体原位大型剪切装置，其特征在于：第一位移 计、第二位移计均为表式位移计，量程50mm。
【文档编号】G01N1/28GK203894122SQ201420014949
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年1月1日 优先权日:2014年1月1日
【发明者】张茂省, 胡炜, 朱立峰, 裴赢, 毕俊擘 申请人:张茂省