粗粒土渗流直剪试验装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩土工程土工测试技术领域，尤其涉及一种粗粒土直剪试验装置及方 法。
【背景技术】
[0002] 剪切破坏是边坡、地基、洞室等岩土工程主要的破坏形式之一，岩土体以及岩土体 与构筑物接触面的抗剪强度对岩土工程抗剪切破坏设计有重要影响。岩土体的剪切强度是 指岩土体承受最大剪切力的能力，常用剪切强度参数描述。在岩土工程领域，粗粒土作为一 种常见的天然地质体，并作为建筑物及工程材料的应用也相当广泛，主要担负抗剪抗滑等 工程作用。粗粒土普遍具有颗粒粒径不均匀、颗粒间粘接力小、单个颗粒强度大、抗剪强度 高、承载力大、压缩性小等特点。研究表明，无论是天然的还是人工的粗粒土边坡破坏、地基 失稳甚至滑坡的形成，都与土的抗剪性能密切相关。粗粒土抗剪性能指标的获取可采用三 轴压缩试验、环剪试验、直剪试验等土工试验方法。鉴于直剪试验测试简单、经济、快速，学 术界和工程界仍广泛采用该方法。
[0003] 如申请号为201310169011. 8的中国发明专利就公开了一种岩土直剪试验装置及 方法，该岩土直剪试验装置包括用于盛放岩土试样且上下叠放的上剪切盒和下剪切盒、用 于承载上剪切盒和下剪切盒的基座、与上剪切盒内侧相配合的加载件、用于数据采集并提 供控制信号的控制与数据采集部件、设置于加载件上以提供竖向加载量的竖向加载部件以 及设置于下剪切盒侧边以提供横向加载量的横向加载部件，竖向加载部件和横向加载部件 分别与控制与数据采集部件信号连接。该发明还提供了一种岩土直剪试验方法，将岩土放 置于上剪切盒和下剪切盒内，调整竖向加载部件和横向加载部件至加载位置，利用控制与 数据采集部件获取的试验数据分析得到岩土剪切强度。
[0004] 但是原位粗粒土往往处于复杂的应力状态，并受渗流等环境因素影响，抗剪性能 也会发生相应变化。在降雨下渗、库水涨落等存在地下水渗流作用下，土质类边坡经常发生 滑坡、崩塌等自然灾害，进而引起交通堵塞、库区涌浪等次生灾害。其原因主要是：在地下水 渗流作用下，边坡体内部的抗剪性能指标降低，或产生管涌等渗透破坏而导致整体失稳和 破坏。目前的研究中并未有涉及粗粒土在不同渗流方向下甚至发生渗透破坏时的抗剪性能 测试技术或试验装置。因此，开发出一种可以更准确的获取天然渗流或渗透破坏状态下粗 粒土的抗剪性能指标的直剪试验装置，为岩土工程中的结构设计、地质灾害预测等提供更 加准确可靠的参数建议，是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种粗粒土渗流直剪试验装置，测量粗粒土在不同渗流方 向下甚至发生渗透破坏时的抗剪性能，为工程结构设计、地质灾害预测等提供更加准确可 靠的参数建议。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：粗粒土渗流直剪试验装置，包括 上下叠放的上剪切盒和下剪切盒、框架、垂直荷载加载部件、水平荷载加载部件；所述框架 包括反力柱，所述垂直荷载加载部件固连在框架上壁内侧，所述水平荷载加载部件固连在 框架的一侧壁上；所述下剪切盒与框架底部之间设置有可沿剪切方向水平自由滑动的限位 钢球，所述下剪切盒底部外侧和框架底部内侧沿剪切方向设置有对应的用于容纳限位钢球 的钢珠槽，起到形成剪切开缝并限制剪切方向的作用，还包括渗透系统和测压系统，所述渗 透系统包括进水装置、位于上下剪切盒一侧的进水口、出水装置、位于上下剪切盒另一侧的 出水口，所述进水装置与进水口、出水装置与出水口分别通过管道连接；所述测压系统包括 位于进、出水口的进水口流量计、进水口测压计、出水口流量计、出水口测压计及上剪切盒 一侧下部和下剪切盒一侧上部的微型测压计；所述上、下剪切盒内部粗粒土试样用超弹材 料整体密封；进行渗流作用下直剪试验时，在进、出水口和微型测压计管口加滤网及滤纸； 进行管涌渗透破坏下直剪试验时，在进、出水口加滤网。
[0007] 优选的，所述的进水口与出水口位置互换，进水口作为出水口，出水口作为进水 □〇
[0008] 优选的，所述的进水口和出水口在上、下剪切盒侧面分别为竖直排列的两排，可以 实现渗流方向的改变。
[0009] 优选的，所述上剪切盒和下剪切盒的横截面为内边长400mmX400mm的正方形，满 足最大粗粒土粒径为40mm的试样进行试验。
[0010] 本发明还提供了一种粗粒土直剪试验方法，包括以下步骤：
[0011] 提供上述的粗粒土直剪试验装置，将粗粒土试样放置于上剪切盒和下剪切盒内；
[0012] 将渗透系统和测压系统与上、下剪切盒连接，通过垂直荷载加载部件和水平荷载 加载部件分别施加垂直和水平方向荷载，同时开启渗透、测压系统；
[0013] 垂直方向荷载P保持恒定不变，水平方向荷载施加方式采用应力式，每一个加载 周期水平剪切力F增加额定荷载，保持渗透水压在剪切过程中为常水头；
[0014] 测得试验数据轴向荷载P、水平剪切力F、剪切位移V、进水口渗流水压Uwl、出水口 渗流水压Uw2、侧向的微型测压计读数uw。
[0015] 优选的，所述的水平方向荷载加载周期为20s，额定荷载为1/10P。
[0016] 进一步的，由以下公式可以得到渗流梯度i、渗流梯度水平分量ix、渗流梯度垂直 分量iy，
[0020] 由以下公式可以得到渗透力j、渗透力水平分量jx、渗透力垂直分量jy，
[0024] 其中，Uwl通过进水口测压计测得，uw2通过出水口测压计测得，uwl、uwjPuw的量纲 为Pa，IPa= 10 6N/mm2;rw为水的容重，取值 9. 81X10 6NAim3;
[0025] Ix为进出水口间水平距离，Iy为进出水口间垂直距离；1为进出水口间直线距离； 其中，lx、ly、1的量纲为mm;
[0026] 由以下公式可得有效正应力〇 '、有效剪应力T'，
[0029] 其中，P和F的量纲为N; 丫 '为粗粒土试样的浮容重、A为剪切面面积，丫 '的量 纲为N/mm3,A的量纲为mm2;由计算所得到的数据渗流梯度i、有效正应力〇 '、有效剪应力T 通过上述步骤获得所述粗粒土渗流直剪试验的抗剪性能。
[0030] 本发明的有益效果是：本发明在上、下剪切盒两侧面沿水平方向开孔，可以实现改 变渗流方向的试验目的；只进行不同方向渗流下粗粒土直剪试验测试时，在进、出水口和微 型测压计管口处加滤网以及滤纸保证粗粒土中的细颗粒不会随水流被冲入管中；考虑管涌 渗透破坏作用时，仅在进、出水口处加滤网，滤网的孔径根据粗粒土颗粒尺寸确定，保证粗 粒土中的细颗粒能够随水流被冲入管中，进而达到渗透破坏，从而实现研究管涌渗透破坏 作用下粗粒土的抗剪性能。在粗粒土渗流直接剪切试验中应用本发明，可以实现不同渗流 大小和方向、或管涌渗透破坏作用下粗粒土的直剪试验，获得更能反映天然地下水渗流或 管涌渗透破坏状况下粗粒土抗剪性能。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明粗粒土直剪试验装置示意图；
[0032] 图2是本发明剪切盒盒体平面示意图；
[0033] 图3是图1中B处局部放大图；
[0034] 图4是本发明的试验过程流程图；
[0035] 图5是本发明中粗粒土试样受力分析图。
[0036] 图中标记为：1-上剪切盒，2-下剪切盒，3-框架，4-垂直荷载加载部件，5-水平荷 载加载部件，6-进水装置，61-进水口，62-进水口流量计，63-进水口测压计，7-出水装置， 71-出水口，72-出水口流量计，73-出水口测压计，8-管道，81-滤纸，82-滤网，83-管身外 螺纹，9-微型测压计，10-反力柱，11-限位钢球，12-钢珠槽，13-垂直方向荷载P，14-水平 剪切力F，15-剪切面，16-渗流梯度i，17-渗流梯度水平分量ix，18-渗流梯度垂直分量iy， 19-抗剪强度T。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0038] 如图1、图2、图3所示的本发明的粗粒土渗流直剪试验装置包括用于盛放粗粒土 试样的上下叠放的上剪切盒1和下剪切盒2、用于承载上剪切盒1和下剪切盒2的框架3、 提供竖向加载量的垂直荷载加载部件4以及提供横向加载量的水平荷载加载部件5 ;所述 框架包括反力柱10,该垂直荷载加载部件4固连在框架3上壁内侧，水平荷载加载部件5固 连在框架3的一侧壁上；下剪切盒2下部与框架3下部接触。该粗粒土直剪试验装置还包 括渗透系统和测压系统，渗透系统包括进水装置6、位于上、下剪切盒一侧的进水口 61、出 水装置7、位于上、下剪切盒另一侧的出水口 71，所述进水装置6与进水口 61、出水装置7与 出水口 71分别通过管道8连接，管道8弯道处设置有软管，用来补偿管道的位置移动；所述 的进水口 61与出水口 71位置可以互换，即进水口 61作为出水口 71，出水口 71作为进水口 61。进、出水口设置内螺纹，管道8管身设置与其配套的管身外螺纹83,进行试验时使