[科普中国]-循环动单剪仪

土动力学特性测试方面的仪器主要有动三轴仪、动扭剪仪和动单剪仪等仪器。循环动单剪仪是指在循环荷载下，用以对土试样进行直接单剪试验的仪器。循环动单剪仪包括压力室结构、加荷系统、量测系统和自动控制系统。主要用来模拟实际土体受水平剪切情况。

简介地震、交通和波浪等动荷作用下，工程地基中的土体通常会受到纯剪状态的附加应力和主应力轴的旋转作用。通过土工测试仪器模拟土体的天然应力状态，进而研究土体在实际荷载条件下的强度及变形特性，是指导并解决实际工程问题的重要依据。循环动单剪仪是指在循环荷载作用下，对土试样进行直剪试验。对试样同时施加竖向与水平向剪切荷载，其加载条件与实际工程场地所受到的地震作用更为接近，剪应力可以直接施加，且所产生的剪应变可以直接量测。循环动单剪仪在模拟地震作用方面具有其他仪器所不具备的显著优点。循环动单剪仪特点：性能稳定，可做动态、静态试验；兼容性好：可升级为直剪/静三轴（含应力路径）/动三轴/非饱和土三轴，高速控制系统为伺服驱动，更加精确的控制轴向力及剪力或位移。

单剪仪单剪仪是用以对土试样进行直接单剪试验的仪器。按剪切容器的构造特点可分为叠环式、绕有钢丝的加筋膜式和刚性板式。均由有侧限并可在受剪时能转动的护环组成，且都借助上下透水石与试样间的摩擦力直接对试样施加剪应力。与直剪仪相比属改进型，具有剪切过程中试样变形均匀、可控制排水条件、可测定排水量和孔隙水压力等优点。最早的单剪仪是 1936 年由瑞典皇家岩土所研制的叠环式单剪仪。其后，挪威岩土所的 Bjerrum等于 1966 年在此基础上研发了一种采用螺旋加筋橡皮膜边界代替叠环加箍膜边界的单剪仪。相较于直剪仪，这两种单剪仪在保证剪应变的均匀性和避免出现预定的剪损面等方面都取得了很大的改进，但仍存在剪应力和剪应变不均匀、叠环间试样侧向变形、叠环位置存在潜在剪切面等缺点。另一种具有代表性的单剪仪是由剑桥大学的Roscoe 于 1953 年提出的方框式单剪仪，随后Bufhu、Pickering和Noel 等对该仪器结构进行了改进。这种单剪仪的加载机构可以更好地保证试样剪应力和剪应变的均匀性，但其 4 块刚性板之间的接触关系和边界条件却难以保持稳定，同时侧面板与土样之间也存在摩擦力的影响1。

直剪试验所谓直剪试验，是指在某一特定面上剪切土的试件，直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的试验。直剪试验是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法，可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便， 结果处理简单，被广泛采用， 也是测定土的抗剪强度最简单的和最原始的试验方法。直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值，室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为20mm的圆形试样，将试样推入剪切盒内，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力τ，然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数。按剪切前土的固结程度，剪切时排水条件以及剪切速率快慢，把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。快剪(不排水剪)：试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切，试验全过程都不允许有排水现象产生。这时垂直压力大部分由孔隙水来承担。适用于施工进度快，排水条件差的情况下，如厚度很大的饱和黏土地基。固结快剪(固结不排水剪)试样在垂直压力下， 给予充分时间，使土样孔隙中的水全部排出而达到完全固结，之后，每加一级水平剪力后，均留足够时间，使土样充分排水，这时垂直压力全部由土粒承担，再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性分析，施工期间有一定的固结作用。慢剪(排水剪)：试样在垂直压力下，排水固结后慢慢地进行剪切， 剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件，所以，工程试验中较少直接采用2。

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何星 - 副教授 - 上海交通大学