非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用
非饱和土直剪仪使用说明书
微机控制非饱和土直剪仪使用说明书南京泰克奥科技有限公司2010年6月南京一概述TKA-2U型非饱和土直剪仪主要通过控制土样内的孔隙水压力与孔隙气压力从而对不同饱和度的土样进行直剪试验。
该系统可在计算机控制下进行标准直剪试验、循环剪切试验以及高级非饱和剪切试验。
适用于高等院校进行土力学试验研究。
该仪器采用步进电机作为驱动源，剪切速率无级调速，具有快速退回、快速前进的功能。
二技术参数● 标准试间尺寸：直径61.8mm×20mm或者75mm×75mm（可根据要求提供可选尺寸）；● 位移范围：轴向±25mm 剪切±50mm；● 位移精度：0.1%F.S；● 荷重传感器：0-5kN，0.3%F.S；●微机控制吸力：0-1Ma，精度1-2kPa；● 剪切速率：0.001-4.8mm/min；● 全自动控制与采集处理，提高效率。
三使用条件工作环境：交流电源，电压２２０Ｖ±２０Ｖ；频率５０Ｈz±５Ｈz。
专用接地线，无强电磁干扰。
工作温度：０℃～４５℃，相对湿度小于８５％条件下可以使用。
四仪器操作1、试验准备工作1.1 试样准备工作使用制样器，制作一块方形土样，然后放到真空缸中抽气饱和。
将饱和后土样放入剪切盒中。
1.2 非饱和土直剪仪准备工作连接直剪仪所有控制线路和管路，将荷重传感器和位移传感器连接到直剪仪。
1.3 制备无气水制备无气水，讲所有管路充满无气水。
2 气压力控制器通电后，等待几秒钟后，将进入系统界面；按“Run”，压力值将闪烁，按数字键，输入相应值（kPa），并按“Enter”，气压力控制器输出相应气压力。
“Unloading”-快速卸载压力注意事项：2.1 空压机必须提供洁净的气压源，气压力控制器安装油雾分离器。
2.2 控制器输出值小于气压接入值100kPa。
3 剪切控制器控制器液晶显示剪切速率（mm/min）,荷重传感器值（kN）以及竖向位移量（mm）“Fast Moving”—快速前进“Speed”—控制剪切速率4 竖向加载系统通过加载杆以及砝码加载。
非饱和原状黄土的固结特性及试验方法研究的开题报告
非饱和原状黄土的固结特性及试验方法研究的开题报告一、研究背景非饱和原状黄土是一种常见的土工材料，在水利、交通、建筑等领域广泛应用。
然而，由于黄土普遍具有较强的非线性、渗透性和膨胀性等特点，其固结特性研究较为复杂，且难以准确预测。
因此，对非饱和原状黄土固结特性的深入研究具有重要的实际意义。
二、研究目的本研究旨在通过对非饱和原状黄土固结特性的试验研究，揭示其固结机理和规律，建立非饱和原状黄土固结特性的试验方法，为深入开展非饱和土体工程问题研究提供支持。
三、研究内容和步骤1. 文献综述：对非饱和土体的固结特性相关理论研究进行全面梳理，包括非饱和黄土的力学性质、渗透性质、膨胀性特征、固结规律等方面。
2. 试验方案设计：制定非饱和原状黄土固结试验的详细方案，包括试验样品制备方法、试验装置设计、试验参数选择等方面。
3. 试验数据分析：开展非饱和原状黄土固结试验，获取试验数据，对试验结果进行分析和处理。
4. 参数拟合及模型建立：根据试验结果，采用适当的数学模型对非饱和原状黄土固结特性进行拟合和建模，预测非饱和土体固结规律和特性。
5. 结果分析和讨论：对试验结果和模型拟合结果进行深入分析和讨论，验证所建立的非饱和原状黄土固结特性试验方法的可靠性和实用性。
四、研究预期结果1. 获得非饱和原状黄土固结特性的详细数据；2. 研究非饱和原状黄土固结的规律和机理，提高对非饱和土体工程问题的认识；3. 建立非饱和原状黄土固结的试验方法，为深入实践提供技术支持。
五、研究意义1. 深入掌握非饱和原状黄土固结特性的规律和机理；2. 提高对非饱和土体工程问题的认识和理解；3. 建立非饱和原状黄土固结特性的试验方法，为工程实践提供技术支持。
非饱和黄土三轴剪切试验研究综述
些研 究局 限于 毛细管 的水 流量 ，Ｏｓｔａｓｈｅｖ（１９３６）７Ｉ用上 述 国际会 和 土三 轴 仪 ，对试 样 进 行 了不 同控 制 围 压 的 三轴 试 验 ，试 验 中
议论文 的毛细水流量的因素很多 ，包括孔隙水压力和毛细管 对试 样 既不 固结 也 不排 气 ，试 验 结果 得 出 了试样 发 生 剪胀 的现
应力公 式 ，Ｃｒｏｎｅｙ等 人 （１９５８）提 出一 个公式 ＝ 一 Ｕ ； 显 的影 响效 果 ，且对 本
Ｂｉｓｈｏｐ（１９５９）提出非饱和土的有效应力公式 ＝（ ）＋）（ 一 ）， 次 试验 中作 者 对试 验 所 用 的非饱 和填 土 的强 度 表 达 式进 行 了 发现 与 土壤性 质 和饱 和度有 关 的参数 是不 确定 的 ，随条件 而 确定 ，并确 定 了其 中的强度 参数 。
文献标 识码 ：Ａ
文章编 号 ：２０９６—４３９０（２０１８）０９—００３８—０２
１概 述
的 ，且 土样 的剪 切 强度 在 基质 吸力 不 同但其 他 条件 相 同的情 况
黄土 作为 填充材 料 ，在 施工 中 、渠道 和 固定 的道路 上 随处 可 下 ，试 验 中采用 了轴平 移 技术 并 在 控制 基 质 吸力 的条 件 下进 行
２．２国内研究 状况 国内 的学 者 从二 十世 纪 开始 了对非 饱 和 土 的研 究 Ｈ＿圳，卢 肇
甚 至带来 了巨大 的损失 。
钧 （１９９７）对 钙土 和 广西 的红土 进行 了研 究 ，运 用应 变 控 制式 的
自２０世纪 ８０年代以来 ，土壤的非饱和特性越来越受到人 直 剪 仪 ，对 其 进行 了 固结 且 慢 剪 的试 验 ，采 用 增 加荷 载来 保 持
土工大直剪仪的开发及应用研究的开题报告
土工大直剪仪的开发及应用研究的开题报告一、课题背景及意义土工布在土工工程中起到了十分重要的作用，其受力和破坏特性的研究一直是土工领域研究的热点之一。
土工大直剪仪是一种用于评价土工布在剪切过程中的受力性能的重要仪器。
它可以通过对土工布在剪切过程中的变形、应变、强度等性能进行实验研究，从而为土工布在土工工程中的应用提供重要参考依据。
目前，国内的土工大直剪仪研究和开发相对滞后，相关研究成果还比较薄弱。
因此，开发和完善土工大直剪仪，能够满足土工工程领域对土工布剪切性能测试的需求，对提高我国土工工程的实用性和安全性具有重要意义。
二、研究内容和方法本研究将基于前期的文献调研和对已有土工大直剪仪的分析，开发一种新型的土工大直剪仪，其主要设计和改进内容包括：1. 采用先进的传感器技术，增强测试数据准确性和稳定性；2. 优化剪切力传递系统，提高土工大直剪仪的可靠性和工作效率；3. 改善土工大直剪仪的操作界面，简化操作流程，提高用户体验。
研究方法主要包括理论分析和实验验证。
理论分析主要针对土工布的剪切特性和土工大直剪仪的工作原理进行分析和计算，实验验证则通过对不同类型、不同规格的土工布进行剪切实验，获得其受力和破坏特性，以此来验证土工大直剪仪的测试准确性和稳定性。
三、预期成果及应用价值本研究通过开发和应用土工大直剪仪，能够获得土工布在剪切过程中的重要性质，如变形、应变和强度等，为土工工程提供可靠的实验依据和测试手段，具有以下预期成果和应用价值：1. 增强土工工程的可行性和可靠性，为土工工程提供重要基础数据；2. 提高土工布在土工工程中的应用效率和安全性；3. 推动土工工程领域技术进步和创新。
四、研究进度安排1. 第一阶段：文献调研和土工大直剪仪现有市场情况调查（完成时间：4周）；2. 第二阶段：土工大直剪仪的设计与制造（完成时间：12周）；3. 第三阶段：对不同类型、不同规格的土工布进行剪切实验，验证土工大直剪仪的测试准确性和稳定性（完成时间：16周）；4. 第四阶段：数据分析和应用价值研究（完成时间：8周）。
非饱和土固结试验
石家庄铁道大学研究生课程论文培养单位土木工程学院学科专业建筑与土木工程课程名称非饱和土力学任课教师考试日期 2015.1.15学生姓名学号研究生学院非饱和土固结实验报告一、非饱和土固结试验工程意义土体的压缩变形特性决定了地基沉降量的大小和固结时间的长短, 尤其是非饱和土体的压缩变形特性是目前工程界关注的焦点。
在荷载作用下，土体中产生超孔隙水压力，在排水条件下，随着时间发展，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散，土体中有效应力逐渐增大，直至超孔隙水压力完全消散，这一过程称为固结。
饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。
非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。
这些使非饱和土的固结过程非常复杂。
由于土体内部结构复杂, 使得非饱和土体在固结变形特性上与饱和土体存在巨大差异, 同时也导致非饱和土地基在设计和施工中存在大量不确定因素。
因此掌握非饱和土体的固结变形机理, 并且有针对性的对地基沉降加以控制是目前极待解决的问题。
二、实验方案通过一维固结试验，利用实验数据整理出在分级施加垂直压力p下试件的竖向变形s与时间t的s-t曲线、试件排水v与时间t的v-t曲线以及e-p曲线，研究非饱和重塑粉质粘土在饱和度Sr=0.569下的压缩变形特性。
1.土样本实验使用重塑非饱和粉质粘土，土的压实度DC=0.9 、含水率w=12%、土粒比重Gs=2.72、最大干密度pdmax=1.92g/com，实验中的试件尺寸为Ф61.8mm×H20mm，总质量m=116.04g，其中固体颗粒质量ms=103.6g2. 实验设备本实验采用的非饱和土固结仪（如图1-1所示）由中国人民解放军后勤工程学院、电力部电力自动化院大坝所、江苏省溧阳市永昌工程实验仪器有限公司联合研制生产。
其主要结构有:2.1 压缩部件：由压缩容器、压力室座、导环、陶土板、透水板、加压帽表杆支座等组成，承放土样用。
非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用
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研制过程简介
在国家自然科学基金的资助下， 本 !’’# G !’’$ 年，
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主要技术要求
国家自然科学基金资助项目 （!&#)"!!*） ； 上海市重点 # 基金项目： 学科建设基金资助项目； 西安理工大学黄土力学与工程省级重 点实验室基金资助项目 收稿日期： "&&# . &$ . "!
即总净 !考虑到非饱和土有两个应力状态变量， 应力和基质吸力， 新仪器必须能独立控制 （或量测） 总 万方数据 应力、 孔隙水压力和孔隙气压力。 " 新仪器必须能完
饱和土固结仪和直剪仪结构简单， 操作方便； 特别是试 样厚度小， 试验历时大大缩短， 这一点对非饱和土试验 很重要。因为非饱和土中水流速度很慢， 为使土样变 形、 孔压均匀化， 加载速率比饱和土要小得多， 试验历 时也长得多。后勤工程学院与江苏省溧阳工程实验设 备厂合作， 经多年努力， 于 "&&! 年 * 月研制成国内第 一台非饱和土固结仪与第一台直剪仪。使用结果表 明， 两台仪器的性能都比较好， 可供实用。
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仪器结构与功能
非饱和土固结仪的结构与功能 图 ! 万方数据 和图 # 分别是非饱和土固结仪的实体照片和
第(期
陈正汉， 等 B 非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用
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传感器置于气压室内可提高荷载量测精度。加载活塞 与气压罩顶盖之 间 采 用 滚 动 隔 膜 密 封 （此 处 吸 收 了 。气压罩下端与气压 !"#$%& 应力路径三轴仪的优点） 室下半部分采用粗螺纹联结， 并用 ’ 型圈密封 （此处 吸收了土动三轴仪的优点） ， 装卸方便。试样盒置于气 压室内， 利用气压室可对试样施加气压， 控制试样基质 吸力。 （(） 试样容器 由底座、 定位环等组成， 内放试样。 在试样下边有一高进气值陶土板。饱和的陶土板透水 不透气， 试样中的水可通过陶土板排出， 气体则不能直 接通过。但溶解在水中的气体可随水一起透过陶土板 而积聚在陶土板下面。为了及时排走这些气体， 在试
先进的非饱和土试验系统介绍
先进的非饱和土试验系统介绍张希巍(欧美大地，广东 广州 510030)摘要：非饱和土力学研究受仪器制造水平的影响,目前国内外研究的成果远不如饱和土研究成果丰富。
本文介绍了目前国内外非饱和土试验系统的研制和应用现状，着重介绍GDS先进的非饱和土试验系统，包括非饱和土应力路径三轴系统和非饱和土直剪系统。
该系统是目前商业化程度最高的先进的非饱和土试验系统，在吸力控制、体变测量、自动化程度等方面都是绝对领先其它仪器厂商的。
在全球拥有400多个客户，在中国拥有40多个不同系统的客户，其中非饱和土系统有接近25个。
关键词：GDS系统；非饱和土系统；吸力；体变Advanced unsaturated soil test system introductionZHANG Xi-wei,(EPC, Guangzhou 510030, China)Abstract:The developed test apparatus for unsaturated soil was influenced by fabrication technology, the test result is not rich as the theory aspect at home and abroad. The research and application were introducted at current in this paper, especially the GDS the advanced unsaturated soil system, include unsaturated soil triaxial stress path system and direct shear system. It is the highest level of commercialized in the world, whilst the suction control, measuring for volume change, automatization are also representational and one-up other manufactures. There are more than forty clients use all kinds of GDS system, nearly twenty five unsaturated soil test system in China.Key words:GDS system; unsaturated soil; suction; volume change0 引 言究竟什么是非饱和土试验？有人认为只要试样是非饱和的，在三轴仪上进行的试验就是非饱和土试验；也有人认为非饱和的试样在剪切的时候控制水气不排出试样，就是非饱和土试验。
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成其主要功能， 即非饱和土固结仪应能测定土的压缩
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引
言
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国外在上世纪 )& 年代和 (& 年代就分别研制出了 非饱和土固结仪和直剪仪， 并用于研究非饱和土的体
［! G #］ 积变形、 土 . 水特征曲线和抗剪强度问题 。国内 ［$］ ［*］ 和李章泌 （!’’$） 在研制非饱和土 学者李雷 （!’(/） 固结仪方面曾做过有益的尝试。与三轴试验相比， 非
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" 陈正汉!， ， 扈胜霞# ， 孙树国! ， 方祥位! ， 文
控制竖向压力， 又可控制基质吸力。非饱和土直剪仪备有 !* 档剪切速率。做了三组直剪试验和两组固结试验， 对原状黄土的变 形、 强度和水量变化特性取得了一些初步认识。 关键词： 非饱和土固结仪； 非饱和土直剪仪； 原状黄土 中图分类号： +, $! 文献标识码： 文章编号： （"&&$） !&&& . $*$( &" . &!/! . &/ 作者简介： 陈正汉 （!’$) . ） ， 男， 工学博士。现任后勤工程学院教授， 博士生导师。主要从事岩土工程的教学与研究。研究领域有 非饱和土、 湿陷性黄土、 膨胀土、 软土动力特性、 边坡工程等。
饱和土固结仪和直剪仪结构简单， 操作方便； 特别是试 样厚度小， 试验历时大大缩短， 这一点对非饱和土试验 很重要。因为非饱和土中水流速度很慢， 为使土样变 形、 孔压均匀化， 加载速率比饱和土要小得多， 试验历 时也长得多。后勤工程学院与江苏省溧阳工程实验设 备厂合作， 经多年努力， 于 "&&! 年 * 月研制成国内第 一台非饱和土固结仪与第一台直剪仪。使用结果表 明， 两台仪器的性能都比较好， 可供实用。
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［)］ 样盒底专门刻设螺旋槽 （见图 *） 。水从底座中心进
［>］ 义土 = 水特征曲线 ， 将其用于非饱和土问题的分析
计算能反映上覆压力的影响， 更符合实际情况。应当 注意， 气压的增加将减小荷载引起的正压力， 为此， 专 门配置了若干小砝码进行补偿。 （*） 控制气压力的不排水压缩试验。试验中要量 测水压力和竖向变形， 含水率保持不变， 饱和度则发生 变化。 （;） 排气不排水压缩试验。试验中让气压室与大 气连通， 除量测竖向变形和竖向正压力外， 还要量测孔 隙水压力。 在前两种试验中， 每隔 <? @ <( $ 应对底座螺旋槽 通水一次， 以冲走陶土板下的气泡， 一般历时 *? # 即 可。在冲放水期间， 应先关闭排水量测管的阀门。 !"# 非饱和土直剪仪的结构与功能 图 ; 和图 A 分别是非饱和土直剪仪的实体照片和 结构示意图。该仪器主要由台架、 气压室、 剪切盒、 竖 向加载装置、 水平剪力加载系统、 排水系统、 应力和位 移量测系统等部件组成。竖向加载也采用杠杆式加载 装置。与常规直剪仪相比， 非饱和土直剪仪有以下特 点： （<） 剪切盒 由上、 下两半盒组成， 下半盒底部刻 有螺旋槽 （与图 * 相似） ， 螺旋槽上置高进气值陶板， 其 功能和非饱和土固结仪的相应部件相同。剪切盒由圆 铜棒车削而成， 材料密实而无孔隙， 不透气， 试验中水、 气互不干扰。
-./0 # 图$ 非饱和土固结仪结构示意图 ?69:$6:93 57 623 5385%3639 759 :;<=6:9=638 <5.>< -./0 ! 图# 非饱和土固结仪照片 123 42565 57 623 5385%3639 759 :;<=6:9=638 <5.><
结构示意图。该仪器主要由台架、 试样盒、 气压室、 加 载系统、 排水系统、 位移量测系统、 孔压与荷载量测系 统等部件组成。其中， 加载系统与常规固结仪相同， 采 用杠杆式加载装置。与常规固结仪相比， 非饱和土固 结仪有以下特点。 （!） 气压室 类似于三轴仪的压力室。气压室下 半部分是筒形金属底座， 借以安装试样盒。其上半部 分是可整体装卸的气压罩。气压罩的下端和顶盖是不 锈钢材料， 侧壁是有机玻璃筒， 可以随时观察试验情况 （此处吸收了常规三轴仪的优点） 。竖向压力活塞杆穿 过罩顶盖中央， 活塞杆下端与荷载传感器相连。荷载
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（! % 后勤工程学院， 重庆 $&&&$!； 上海 " % 同济大学 地下建筑与工程系， 江苏 南京 "!&&’(； 陕西 西安 )!&&&#） $ % 西北综合勘察院，
"&&&’"； # % 河海大学 土木工程学院，
要： 研制出国内第一台非饱和土固结仪和第一台非饱和土直剪仪。这两种仪器都采用内置荷载传感器和数据自动采集， 既可
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Hale Waihona Puke 研制过程简介在国家自然科学基金的资助下， 本 !’’# G !’’$ 年，
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主要技术要求
国家自然科学基金资助项目 （!&#)"!!*） ； 上海市重点 # 基金项目： 学科建设基金资助项目； 西安理工大学黄土力学与工程省级重 点实验室基金资助项目 收稿日期： "&&# . &$ . "!
即总净 !考虑到非饱和土有两个应力状态变量， 应力和基质吸力， 新仪器必须能独立控制 （或量测） 总 万方数据 应力、 孔隙水压力和孔隙气压力。 " 新仪器必须能完
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文第一作者与后勤工程学院实习工厂合作， 研制出一 台非饱和土直剪仪。该仪器采用了常规直剪仪的台架 及杠杆式竖向加载系统， 增加了气压室和具有 !" 档剪 切速度的变速装置。气压室是用 # $% 厚的钢板焊接 成的方形箱体， 顶盖与箱体之间衬密封垫， 每边用 " 颗 螺钉连接。箱体的前、 后两面各有一个长 & $%、 高’ 的有机玻璃观察窗口， 两窗口对称设置。箱顶有一 $% 直径为 ( $% 的圆孔， 其上安装一个三轴仪的小号压力 室盖罩， 通过该三轴压力室盖中央的活塞杆对试样施 加竖向压力。箱顶和三轴压力室盖罩之间用 ) 形圈 密封， 竖向压力用荷载传感器量测。同样地， 在箱体的 左侧亦设置一个三轴仪的小号压力室盖罩， 用其施加 水平剪力。水平剪力用量力环测得。在箱体的右侧内 壁焊一段长 ’ $%、 直径 !( $% 的钢杆， 用其阻止上半剪 切盒的运动。在箱体右侧还设有一个通气孔和阀门， 用以给气压室供气并控制气压力。在箱体的底部设置 轨道与滚珠， 其上放下半剪切盒。该仪器采用常规直 剪仪的剪切盒， 在下半剪切盒的水槽上面置一圆形高 进气陶土板， 陶土板的周边与下半剪切盒之间用环氧 树脂粘结。高进气陶土板的作用是为土样中的水提供 通道而不允许气通过， 从而实现了水、 气的独立控制。 土样上放一厚 ’ %% 的多孔铜板， 孔径 # %%， 用以对试 样传递气压力。该仪器能满足第二节所述的大部分技 术要求， 结构比较简单。但通过多次反复调试发现， 它 有 ’ 个缺点： 一是三轴压力室盖中央的活塞杆与杆套 之间对气的密封性差， 气压难以稳定； 二是常规直剪仪 的剪切盒由铸铜制成， 尽管其表面光亮无暇， 而其内部 有不少连通孔隙， 压力空气可通过这些连通孔隙进入 下盒的水槽， 从排水管中流出， 水槽中的水会被挤干， 无法控制基质吸力； 三是气压室为方形箱体， 顶盖与箱 拆装麻烦， 且方形 体之间用密封垫和 !( 颗螺钉连接， 密封垫在受到不均匀压力时易变形或被挤出。 总结研制这台仪器的优缺点和经验教训， 笔者提 出了具体改进方案， 并在重庆用铜棒加工了有螺旋槽 的非饱和土直剪仪底座。考虑到制造厂家的加工能力 和加工精度， 笔者决定去江苏省溧阳工程实验设备厂 合作研制生产非饱和土固结仪及新的非饱和土直剪 仪， 并于 !**+， !**& 年两次与南京和溧阳工程实验设 备厂的技术人员讨论实施方案。满足上述各种要求 的、 可供实际应用的、 国内第一台非饱和土固结仪与直 剪仪终于在 #,,! 年 " 月研制成功。