直剪試驗一般取三至四個相同的試樣，在直剪儀中施加不同豎向壓力，再分別對它們施加剪下力直至破壞，以直接測定固定剪下面上土的抗剪強度的方法。直接剪力試驗儀，又稱直剪儀，用以對土試樣進行直接剪下試驗的儀器。按施加水平推力的控制方式可分為應變控制式和應力控制式兩類。
基本介紹
- 中文名：直接剪力試驗儀
- 外文名：Direct shear apparatus
- 學科：土力學
- 類別：應變控制式和應力控制式
- 定義：對土試樣進行直接剪下試驗的儀器
- 有關術語：直剪試驗
簡介,原位直剪儀,大型直剪儀,
簡介
岩土工程的失穩絕大多數是由於剪下破壞引起的，準確測定岩土體的抗剪強度參數在岩土工程建設中具有重要意義。岩土工程的失穩破壞都伴隨著剪下位移的發展，因此，通過施加剪下力（或剪下位移）對岩土體進行試驗的方法一直受到重視，其中，直剪試驗由於其操作簡便、適用範圍廣而套用最為普遍。直剪儀主要套用於測量土壤的抗剪下強度參數內摩擦角和凝聚力的值。直剪儀分為應變控制式直剪儀和等應變直剪儀均由固定的上盒和滑動的下盒組成剪下容器，靠直接施加水平推力推動下盒，使試樣沿上下盒的接觸面發生剪下破壞。前者靠等速推動下盒使試樣產生等速剪下位移，後者則對試樣分級施加水平推力。國內外廣為採用的是前者，有構造簡單、操作方便等顯著優點，因而雖有剪下面固定、剪下面上剪應力分布不均勻、不能嚴格控制排水條件及不能量測孔隙水壓力等缺點。
原位直剪儀
直剪儀主要有兩大類：第一類是室內用直剪儀試驗樣品土壤主要用環形刀從野外獲取，這就導致了土壤樣品的擾動，不足以代表野外土壤的實際狀態，對於靈敏度較高的軟粘土，擾動所導致的測量值影響更加明顯，室內用直剪儀的改進型，主要集中在應變控制和參數獲取的機電化，採用電機實現應變控制和感測器的參數測取，但仍無法排除土壤樣品所受擾動的影響；第二類是攜帶型直剪儀，比如十字板剪力儀或扭翼式剪下測量儀， 雖然可以直接用於野外測試，但由於其結構的限制無法獲取準確的參數，不宜用於理論的研究， 更適合實際的套用判斷。與此同時，無論是室內直剪儀還是野外攜帶型直剪儀，主要套用於土力學領域，所測值代表靜態土壤參數，套用於地面力學時有一定的局限性，不足以代表真實情況。原位直剪儀整體尺寸為 750 mm×280 mm×200 mm。雖然圓環形的土壤取樣器對土壤的擾動較小，但是由於圓形土壤樣本在剪下面應力分布不均勻，為減小這種不均勻性，將取樣器設計成方形，上下方形盒對合在一起構成土壤取樣容器，對合面即為剪下試驗的剪下平面。方形盒內尺寸為 100 mm×100 mm，尺寸的確定主要出於以下原因考慮：相對較大尺寸的土壤樣本剪下面在數據的測量方面更加可靠，外界的干擾以及測量的誤差對其影響有限；考慮到土壤取樣的方便性，尺寸不宜過大；考慮到整個儀器的便攜性；在做動態剪下試驗時，為了更接近實際裝甲車輛對地面的壓強大小，以達到相近的壓強數值，配重的大小尺寸限制。權衡各方面原因，在確定的尺寸範圍內選取了 100 mm×100 mm 作為土壤樣本的界面尺寸大小。底板上開有同樣 100 mm×100 mm 的方形孔，用於穿過方形盒，並固定下方形盒位置。在底板周圍處設計有 6 個水平調節桿，用於支撐並調節地板的位置狀態。直流電機安裝在底板一端，通過傳動齒輪使連線有鋼絲繩的牽引軸轉動，產生剪下力。鋼絲導向桿用於使鋼絲繩所產生的力與剪下面處於同一水平面內，保證測量的準確性。鋼絲繩另一端與固連在拉力架上的拉力感測器連線。位移感測器安置在底板邊側，位移桿與拉力架相接觸，用於測量剪下位移的大小。
大型直剪儀
大型直剪儀屬於拼裝式結構， 主要由整體可拆卸式外框架、水平載入系統、垂直載入系統、剪下盒、量測系統組成。
（1）整體可拆卸式外框架
整體框架長2759 mm，高1649 mm，主要橫樑和立柱通過鋼螺栓連線在一起形成整體框架，水平載入系統、垂直載入系統、下剪盒等均通過鋼螺栓和一些輔助連線措施連線到該框架上。
（2）水平載入系統
包括變頻減速系統、螺桿、水平荷載感測器組幾個主要部分。整個感測器組與螺桿相連線,水平載入系統的軸線通過剪下面。由於感測器座的支撐，剪下盒在豎向平面內的自由度被約束，而只能在水平面內運動。大型直剪儀屬於應變控制式，通過對試樣施加剪下位移而完成剪下試驗過程。水平力的施加主要是通過變頻減速系統完成的，最大設計水平剪力可達200kN；可以實現對試樣的勻速剪下，剪下速率可以根據需要進行調整。
（3）垂直載入系統
該系統包括液壓千斤頂、感測器連線座、垂直荷載感測器和垂直傳力蓋板部分。法向壓力通過液壓千斤頂施加，最大設計法向壓力為 200kN；法向加壓系統軸線與剪下盒中心位於一條直線上。
（4）剪下盒
剪下盒為方形，包括上剪下盒與下剪下盒，剪下盒之間通過滾珠進行接觸。它是可拆卸式結構，其底面與外框架連線。 垂直壓力可轉化為框架內力，而不需要額外的反力裝置。剪下盒的淨空幾何尺寸為：長×寬×高=500 mm×500 mm×410 mm。下剪下盒與整體框架連線在一起，上與下剪下盒之間的最大開縫寬度為10 mm，為了滿足不同試驗對象的要求，應該在保證剪下中心線不變的前提下設定不同的剪下縫寬度。上剪盒底面的金屬壓條與下剪盒頂面的金屬壓條相對應，剪下縫的大小可以通過金屬條厚度進行調整，同時又對剪下中心線沒有影響。
（5）量測系統
該部分主要由數據自動採集儀、水平與垂向荷載感測器、水平與垂向位移感測器組成。數據採集儀對所有數據進行自動採集，採集的頻率可以任意設定。荷載感測器的測量精度為0.02kN；試樣的水平位移和法向位移由位移感測器測定，其測量精度為0.0002 mm。
