[发明专利]一种土壤承压和剪切试验测试仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试仪，更具体说是涉及一种基于贝氏仪测试原理的土壤力学特性测试仪器—一种土壤承压和剪切特性试验测试仪。属于测试设备技术领域。

背景技术

土壤的物理力学特性对车辆的牵引控制性能有着很大的影响，对土壤物理力学特性的研究，有助于评估车辆的路面通过性，优化其驱动性能并进行安全的路径规划。为了深入分析土壤的物理力学特性，需要对土壤的物理、力学参数进行测量，土壤的物理参数主要包括粒级配、颗粒比重、容重和孔隙比等，这些参数可通过土力学的方法较为直观地测量并计算出来。土壤的力学特性参数主要包括内聚力c、内摩擦角剪切变形模量K、沉陷指数n、内聚力变形模量kc以及摩擦变形模量等，其中c、和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、和n主要用于表征土壤的承压特性，但是以上这些参数都无法利用土力学工具直接测出，必须通过对土壤进行力学特性试验后间接计算获得。而在对土壤的特性分析中，我们直接观测到的是土壤的物理特性，土壤物理参数的变化又会影响到土壤的力学特性，比如土壤孔隙比e的变化就可直接影响土壤内聚力c和内摩擦角的数值，因此，土壤的物理和力学特性参数之间存在着关联，相互关系也比较复杂。土壤的力学参数对车辆的牵引特性产生直接的影响，而土壤的物理参数则通过改变土壤的力学特性间接影响车辆的牵引特性。采用室内土工试验的方法测量土壤的物理力学特性不仅可以避免一些外界因素的影响（如雨、雪等），而且还可以重复快速地获得试验结果，成本也相对低廉，因此常采用或设计相应的土力学测试工具来进行土壤特性的测试。

其中，应用最广泛的设备是贝氏仪（Bevameter），除了贝氏仪之外，通常还采用其它的土壤测试方法，如直剪试验和三轴试验，除此之外，美国陆军水道试验站采用圆锥贯入试验来分析土壤的可行驶性。以下分别介绍这几种试验所用的仪器及测量方法。在各种土力学测试仪器中，贝氏仪（Bevameter）是一种通过模拟车辆行走机构与土壤表面之间的的垂直载荷与剪切力来获取土壤承压、剪切应力-应变关系的工具。相对于其他各种土壤力学特性测试工具，贝氏仪最为突出的特点是简单高效，它以经典土力学公式为基础，借助简单的加载机构与测量系统即可快整获得土壤的承压剪切特性曲线。除了典型的贝氏仪，国内外各研究机构也设计完成了不同类型的贝氏仪。

直剪试验是一种简单，实用的平动剪切试验。在目前存在的各种剪切测试方法中，直剪试验是最早开始使用的土壤特性测试方法之一。直剪试验是属于“线性二维”测试方法，在试验过程中需选用4~5个试样，在直剪仪预定剪切面上施加不同法向应力和剪切力，直至破坏来测定土体本身、土体软弱面和地基土的抗剪强度参数（内聚力c、内摩擦角）的技术操作。直剪试验在类干沙土壤中的测试结果较为准确。直剪试验一般采用应力控制和应变控制两种方式进行；剪切方式分为慢剪、固结快剪和快剪三种；试验需要的仪器有直剪仪、测力计、环刀、切土刀等；其中剪切仪主要由垂直加载装置、水平推力（拉力）装置、剪切盒、水平及垂直位移计等组成。

三轴试验通常用于确定排水控制条件下土壤的应力-应变特性，虽然试验系统相对复杂，但相对直剪试验来讲，三轴试验可在试验室内以一种更为逼真的方式再现就位土壤的初始有效应力及其变化。三轴试验是一种精确预测土壤最大剪切阻力，获取土壤剪切失效时应力-应变关系的测量方法。三轴试验一般采用3~4个圆柱形试样，分别在不同的围压σ3下，对试样施加轴向压力（即主应力差σ1－σ3）直至试样破坏，计算抗剪强度参数（内聚力c，内摩擦角）的技术操作。三轴压缩试验通常利用三轴压缩仪来进行测试。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

圆锥贯入试验是一种经验性的测试方法，该方法是由美国陆军水道试验站（WaterwaysExperiment Station）由纯经验建立的，又称WES法。由于WES法主要是把影响土壤支承能力和土壤推进力的力学性质结合在一起（不计承载面积的影响）组成一个度量值，称为“圆锥指数（CI）”，因此这种测试方法又叫做圆锥指数法。WES法测试简单，实用方便，是一种判断土壤可行驶性和车辆可通过性的快速测定法，已为世界上许多国家所采用。圆锥贯入试验的另一个特点就是解决由传统剪切试验所带来得典型问题，利用传统的剪切特性试验（如贝氏仪）数据预测土壤可通过性时，对承压条件下土壤的应力状态缺乏一定的认识，而出现在上世纪40年代的精确应力理论由于过于复杂而极少被应用于土壤特性的测试及通过性研究中，因此圆锥贯入试验得到了较好的发展，圆锥贯入仪也得到不断的改进。