[科普中国]-直接剪力试验仪

直剪试验一般取三至四个相同的试样，在直剪仪中施加不同竖向压力，再分别对它们施加剪切力直至破坏，以直接测定固定剪切面上土的抗剪强度的方法。直接剪力试验仪，又称直剪仪，用以对土试样进行直接剪切试验的仪器。按施加水平推力的控制方式可分为应变控制式和应力控制式两类。

简介岩土工程的失稳绝大多数是由于剪切破坏引起的，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。岩土工程的失稳破坏都伴随着剪切位移的发展，因此，通过施加剪切力（或剪切位移）对岩土体进行试验的方法一直受到重视，其中，直剪试验由于其操作简便、适用范围广而应用最为普遍。直剪仪主要应用于测量土壤的抗剪切强度参数内摩擦角和凝聚力的值。直剪仪分为应变控制式直剪仪和等应变直剪仪均由固定的上盒和滑动的下盒组成剪切容器，靠直接施加水平推力推动下盒，使试样沿上下盒的接触面发生剪切破坏。前者靠等速推动下盒使试样产生等速剪切位移，后者则对试样分级施加水平推力。国内外广为采用的是前者，有构造简单、操作方便等显著优点，因而虽有剪切面固定、剪切面上剪应力分布不均匀、不能严格控制排水条件及不能量测孔隙水压力等缺点。

原位直剪仪直剪仪主要有两大类：第一类是室内用直剪仪试验样品土壤主要用环形刀从野外获取，这就导致了土壤样品的扰动，不足以代表野外土壤的实际状态，对于灵敏度较高的软粘土，扰动所导致的测量值影响更加明显，室内用直剪仪的改进型，主要集中在应变控制和参数获取的机电化，采用电机实现应变控制和传感器的参数测取，但仍无法排除土壤样品所受扰动的影响；第二类是便携式直剪仪，比如十字板剪力仪或扭翼式剪切测量仪， 虽然可以直接用于野外测试，但由于其结构的限制无法获取准确的参数，不宜用于理论的研究， 更适合实际的应用判断。与此同时，无论是室内直剪仪还是野外便携式直剪仪，主要应用于土力学领域，所测值代表静态土壤参数，应用于地面力学时有一定的局限性，不足以代表真实情况。原位直剪仪整体尺寸为 750 mm×280 mm×200 mm。虽然圆环形的土壤取样器对土壤的扰动较小，但是由于圆形土壤样本在剪切面应力分布不均匀，为减小这种不均匀性，将取样器设计成方形，上下方形盒对合在一起构成土壤取样容器，对合面即为剪切试验的剪切平面。方形盒内尺寸为 100 mm×100 mm，尺寸的确定主要出于以下原因考虑：相对较大尺寸的土壤样本剪切面在数据的测量方面更加可靠，外界的干扰以及测量的误差对其影响有限；考虑到土壤取样的方便性，尺寸不宜过大；考虑到整个仪器的便携性；在做动态剪切试验时，为了更接近实际装甲车辆对地面的压强大小，以达到相近的压强数值，配重的大小尺寸限制。权衡各方面原因，在确定的尺寸范围内选取了 100 mm×100 mm 作为土壤样本的界面尺寸大小。底板上开有同样 100 mm×100 mm 的方形孔，用于穿过方形盒，并固定下方形盒位置。在底板周围处设计有 6 个水平调节杆，用于支撑并调节地板的位置状态。直流电机安装在底板一端，通过传动齿轮使连接有钢丝绳的牵引轴转动，产生剪切力。钢丝导向杆用于使钢丝绳所产生的力与剪切面处于同一水平面内，保证测量的准确性。钢丝绳另一端与固连在拉力架上的拉力传感器连接。位移传感器安置在底板边侧，位移杆与拉力架相接触，用于测量剪切位移的大小1。

大型直剪仪大型直剪仪属于拼装式结构， 主要由整体可拆卸式外框架、水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒、量测系统组成。

（1）整体可拆卸式外框架

整体框架长2759 mm，高1649 mm，主要横梁和立柱通过钢螺栓连接在一起形成整体框架，水平加载系统、垂直加载系统、下剪盒等均通过钢螺栓和一些辅助连接措施连接到该框架上。

（2）水平加载系统

包括变频减速系统、螺杆、水平荷载传感器组几个主要部分。整个传感器组与螺杆相连接,水平加载系统的轴线通过剪切面。由于传感器座的支撑，剪切盒在竖向平面内的自由度被约束，而只能在水平面内运动。大型直剪仪属于应变控制式，通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验过程。水平力的施加主要是通过变频减速系统完成的，最大设计水平剪力可达200kN；可以实现对试样的匀速剪切，剪切速率可以根据需要进行调整。

（3）垂直加载系统

该系统包括液压千斤顶、传感器连接座、垂直荷载传感器和垂直传力盖板部分。法向压力通过液压千斤顶施加，最大设计法向压力为 200kN；法向加压系统轴线与剪切盒中心位于一条直线上。

（4）剪切盒

剪切盒为方形，包括上剪切盒与下剪切盒，剪切盒之间通过滚珠进行接触。它是可拆卸式结构，其底面与外框架连接。 垂直压力可转化为框架内力，而不需要额外的反力装置。剪切盒的净空几何尺寸为：长×宽×高=500 mm×500 mm×410 mm。下剪切盒与整体框架连接在一起，上与下剪切盒之间的最大开缝宽度为10 mm，为了满足不同试验对象的要求，应该在保证剪切中心线不变的前提下设置不同的剪切缝宽度。上剪盒底面的金属压条与下剪盒顶面的金属压条相对应，剪切缝的大小可以通过金属条厚度进行调整，同时又对剪切中心线没有影响。

（5）量测系统

该部分主要由数据自动采集仪、水平与垂向荷载传感器、水平与垂向位移传感器组成。数据采集仪对所有数据进行自动采集，采集的频率可以任意设置。荷载传感器的测量精度为0.02kN；试样的水平位移和法向位移由位移传感器测定，其测量精度为0.0002 mm2。

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学