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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摘
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非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用
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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。