凍土直剪儀多功能改進(jìn)與試驗(yàn)研究

石泉彬,楊 平,孫厚超,3

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037; 2. 泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300;3. 鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

凍土直剪儀多功能改進(jìn)與試驗(yàn)研究

石泉彬1,2,楊 平1,孫厚超1,3

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210037; 2. 泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 泰州 225300;3. 鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

為從更多角度、更準(zhǔn)確進(jìn)行凍土接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)研究,對(duì)原凍土直剪儀進(jìn)行多功能改進(jìn)完善:對(duì)溫度采集、位移測(cè)量、凍土盒裝卸等裝置進(jìn)行改進(jìn),使凍土直剪儀能更好地滿足凍土接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)要求;在原凍土直剪儀基礎(chǔ)平臺(tái)上集成凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)、凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)?zāi)K,滿足多功能試驗(yàn)要求;新功能開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì),注重各功能模塊的兼容性和功能切換的方便性。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的凍土直剪儀能滿足凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度、接觸界面層力學(xué)特性等多功能試驗(yàn)要求,試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

凍土直剪儀;接觸面;界面層;多功能改進(jìn);功能合成

天然凍土與基礎(chǔ)接觸面力學(xué)特性和受力變形規(guī)律是確定凍土區(qū)基礎(chǔ)工程承載力、抗拔性能和分析構(gòu)筑物與凍土相互作用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1];各類地鐵隧道、快速路下穿隧道、過江隧道、地下綜合管廊隧道施工中廣泛采用人工凍結(jié)加固法,但人工凍土與結(jié)構(gòu)接觸面間凍結(jié)力會(huì)引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布,引發(fā)結(jié)構(gòu)損傷[2],甚至可能影響地下工程掘進(jìn)設(shè)備正常推進(jìn)施工。因此,凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性研究已成為天然凍土和人工凍結(jié)加固工程中凍土與構(gòu)筑物相互作用核心問題之一。

試驗(yàn)儀器研制和開發(fā)是進(jìn)行科學(xué)研究的前提和保障。凍土接觸面試驗(yàn)儀器研制通常借鑒常溫土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)[3-4]及常溫土接觸面試驗(yàn)儀器研究成果。Desai[5]研制出多自由度循環(huán)直剪儀。Uesugi等[6]利用矩形截面單剪儀進(jìn)行接觸面試驗(yàn)研究。Fakharian[7]研制出具有直剪和單剪功能的三維循環(huán)接觸面剪切儀(C3DSSI)。張建民等[8]研制出能實(shí)現(xiàn)單向往返、十字、圓形、橢圓等任意加載路徑大型三維接觸面試驗(yàn)儀。張嘎等[9]研制出能通過視窗進(jìn)行接觸面形態(tài)細(xì)觀觀測(cè)的大型循環(huán)直剪儀。胡黎明等[10]研制出能通過數(shù)字照相技術(shù)記錄土體顆粒位移情況的直剪儀。王偉等[11]改進(jìn)單剪儀反向剪力加載系統(tǒng)進(jìn)行正反向單剪試驗(yàn)對(duì)比研究。在凍土接觸面試驗(yàn)儀器研制方面, Lee等[12]將常溫土直剪儀置于步入式環(huán)境箱用于凍土與結(jié)構(gòu)凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究。崔穎輝等[13]、Liu等[14]將傳統(tǒng)直剪儀改造為凍土動(dòng)荷載直剪儀,測(cè)量出凍土在動(dòng)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、動(dòng)彈性模量、動(dòng)阻尼比等,但未考慮接觸面粗糙度的影響,無凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)功能。國內(nèi)外有關(guān)常溫土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)儀器研究成果較多,但有關(guān)凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)儀器研究成果較少,尤其是有關(guān)專門用于凍土接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)研究的多功能凍土直剪儀鮮有報(bào)道。

本課題組趙聯(lián)楨等[15]研制大型多功能凍土直剪儀,可模擬多種粗糙度接觸面實(shí)現(xiàn)循環(huán)和單調(diào)2種剪切形式。通過已有試驗(yàn)研究[16-17]發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有試驗(yàn)裝置功能仍不夠完善,性能有待優(yōu)化拓展,因此有必要進(jìn)行裝置優(yōu)化和多功能改進(jìn)以滿足凍土接觸面多角度試驗(yàn)研究需求。

1—移動(dòng)支架A;2—上翼板;3—伺服電機(jī);4—減速機(jī);5—豎導(dǎo)軌;6—傳力棒;7—拉壓力傳感器;8—升降機(jī);9—手輪;10—稱重傳感器;11—滾動(dòng)膜片氣缸;12—法向荷載傳感器;13—法向位移計(jì);14—彈簧;15—移動(dòng)支架B;16—擋土板;17—剪切板;18—凍土盒;19—保溫層;20—溫度傳感器;21—冷液循環(huán)銅管;22—水平導(dǎo)軌;23—水平位移計(jì);24—機(jī)架圖1 DDJ-1型大型凍土直剪儀示意圖Fig.1 Diagram for the DDJ-1 large direct shear apparatus for frozen soil

1 試驗(yàn)裝置優(yōu)化與功能合成

從凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)和凍土界面層力學(xué)性能試驗(yàn)兩大主要功能要求出發(fā),在原大型凍土直剪儀[15](圖1)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)和多功能合成,使其為凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性能相關(guān)試驗(yàn)研究提供更為精確可靠、多功能、模塊化的軟硬件平臺(tái)。

1.1試驗(yàn)裝置優(yōu)化

1.1.1 凍土制冷控溫裝置優(yōu)化

原凍土直剪儀PT-100熱電阻溫度傳感器測(cè)量端為中空管,直徑較大,不適于采集凍土接觸面溫度,且在剪切時(shí)易損壞。鑒于T型熱電偶具有線性度好、熱電動(dòng)勢(shì)較大、靈敏度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、均勻性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),尤其在-200～0 ℃使用穩(wěn)定性好(年穩(wěn)定性可小于±3 μV),故將凍土盒控溫傳感器和接觸面溫度測(cè)量傳感器均更換為T型熱電偶溫度傳感器。同步研制與T型熱電偶溫度傳感器相配套的溫度采集盒,由凍土直剪儀試驗(yàn)軟件系統(tǒng)根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)低溫恒溫冷浴進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和接觸面溫度數(shù)據(jù)全程記錄。

1.1.2 位移測(cè)量裝置優(yōu)化

為更精確可靠記錄凍土接觸面、界面層在剪切過程中剪應(yīng)力隨位移變化規(guī)律,位移傳感器精度是試驗(yàn)成敗關(guān)鍵因素之一。主要優(yōu)化途徑是改進(jìn)位移傳感器固定支座和更換高精位移傳感器:改進(jìn)原有位移傳感器固定方式(一端用可調(diào)表座固定,另一端用擋塊支撐),使位移傳感器位置固定更穩(wěn)固、拆卸更方便;更換型號(hào)為novotechnik TR高精位移傳感器(位移測(cè)量精度±0.01 mm),使位移測(cè)量精度更高、穩(wěn)定性更好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快,從而大幅提高凍土直剪儀剪切過程位移測(cè)量精準(zhǔn)度。

1.1.3 凍土盒裝卸裝置優(yōu)化

凍土盒采用雙層銅板制成,內(nèi)置冷液循環(huán)銅管,其裝土后質(zhì)量達(dá)60 kg。凍土盒過重使得人工裝卸凍土盒十分吃力、難以精準(zhǔn)就位、易破壞土樣表面。為克服現(xiàn)有不足,專門研制一種凍土盒裝卸裝置(圖2(a)),它整體固定于凍土直剪儀機(jī)架上,可根據(jù)試驗(yàn)需要方便整體拆卸,不影響凍土直剪儀原使用功能,通過軌道、薄壁千斤頂、手動(dòng)液壓油泵、托舉支架等裝置(圖2(b))使凍土盒提升、移動(dòng)、就位更易掌控。

圖2 凍土盒裝卸裝置及其結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Loading and unloading device of frozen soil box and schematic diagram of its structure

1.2試驗(yàn)裝置模塊化設(shè)計(jì)與功能合成

為提高試驗(yàn)設(shè)備使用效率和模塊兼容性,凍土直剪儀不同功能試驗(yàn)裝置均采用模塊化設(shè)計(jì)。接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)K由標(biāo)準(zhǔn)凍土盒、冷液循環(huán)剪切板、溫度傳感器、溫度采集盒、水平及豎直位移計(jì)等成套裝置組成。界面層力學(xué)特性試驗(yàn)?zāi)K由專用凍土盒、制樣器、數(shù)碼攝像頭、剪切板、水平及豎直位移計(jì)等裝置組成。各試驗(yàn)?zāi)K均以原凍土直剪儀機(jī)架、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、軟件操作系統(tǒng)等為公共平臺(tái)開發(fā),在不同試驗(yàn)功能合成的同時(shí)還注重不同功能試驗(yàn)?zāi)K切換的方便性,注重不同試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類同步顯示、后臺(tái)自動(dòng)記錄、及時(shí)動(dòng)態(tài)反饋,提高人機(jī)交流友好性。

2 凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)功能研發(fā)

圖3 內(nèi)置冷液循環(huán)管剪切板Fig.3 Shear plate with internal cooling liquid circulation tube

2.1凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)裝置研制

2.1.1 凍土接觸面制冷裝置研制

原凍土直剪儀凍土盒內(nèi)部盤管循環(huán)冷液的冷凍效率低,且無法確保凍土接觸面處溫度與凍土體內(nèi)部溫度一致。為使試驗(yàn)更為精準(zhǔn)有效,有必要對(duì)原凍土直剪儀制冷方式進(jìn)行改進(jìn):在剪切板內(nèi)布置多排冷液循環(huán)銅管,將剪切板冷液循環(huán)銅管和凍土盒冷液循環(huán)銅管串聯(lián)并與低溫恒溫冷浴冷液輸出端和輸入端相連接(圖3),通過低溫恒溫冷浴對(duì)凍土盒和剪切板同時(shí)循環(huán)制冷,大幅度提高凍土接觸面凍結(jié)效率和凍結(jié)效果。

2.1.2 凍土接觸面溫度采集裝置研制

為精確采集凍土接觸面溫度,當(dāng)土樣制作完畢后將3根T型熱電偶溫度傳感器分別從凍土盒上表面固定位置插入距凍土表面約2～3 mm不同位置,以實(shí)時(shí)觀測(cè)并全程記錄凍土接觸面在凍結(jié)、加載、剪切全過程溫度變化情況,以更準(zhǔn)確探究溫度對(duì)凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度影響及剪切過程中凍土接觸面溫度變化規(guī)律。

2.1.3 凍土接觸面剪切加載方式改進(jìn)

縮小剪切板(圖3)短邊尺寸,使其比凍土盒短邊內(nèi)部尺寸小2 mm。土樣制作完成后將凍土盒準(zhǔn)確推入至剪切位置,旋轉(zhuǎn)手輪使剪切板在自重作用下緩降,直至與土樣上表面接觸。通過凍土盒和剪切板內(nèi)部銅管冷液循環(huán)對(duì)土樣凍結(jié),待凍結(jié)至試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度后再施加法向荷載。改進(jìn)后加載方式能夠克服原凍土直剪儀試驗(yàn)時(shí)凍土樣上表面與剪切板不完全接觸缺陷,從而有利于更為準(zhǔn)確測(cè)定凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度。

2.2凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度相關(guān)測(cè)試研究

圖4 凍土盒及剪切板結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)Fig.4 Schematic diagram of frozen soil box and shear plate(units: mm)

為檢驗(yàn)改進(jìn)后凍土直剪儀凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)效果,選用南京地區(qū)地鐵施工區(qū)域典型粉細(xì)砂進(jìn)行試驗(yàn),其密度為1.98 g/cm3,孔隙比為0.721,壓縮系數(shù)為0.145 MPa-1,壓縮模量為12.98 MPa,內(nèi)摩擦角為30.2°。試驗(yàn)時(shí)按26%原狀土含水量重塑,土樣分3層定量裝入凍土盒,每層裝樣后均勻振搗,控制土樣平均密度為1.96 g/cm3。凍土盒內(nèi)空腔為長方體(長200 mm×寬100 mm×高87 mm),長邊兩側(cè)對(duì)稱布置溫度傳感器(圖4)。進(jìn)行單程(11 mm)剪切,剪切速率7 mm/min。剪切板粗糙度R定義為剪切板表面凹痕的垂直深度,以 mm計(jì),其凹痕各齒邊沿剪切板水平向等間距均勻分布,各齒邊的邊長關(guān)系如圖4所示。

圖5為接觸面溫度T=-2 ℃、R=1.4 mm、法向應(yīng)力σ=300 kPa時(shí)部分凍結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由圖5可知：剪應(yīng)力隨剪切位移增加先快速增長并達(dá)到峰值即極限凍結(jié)強(qiáng)度,隨后剪應(yīng)力顯著下降并隨剪切位移增加而呈循環(huán)波動(dòng)變化;接觸面溫度隨剪切位移增加呈分段遞增趨勢(shì)。其原因?yàn)榇植诩羟邪逖赜邪己蹆鐾两佑|面滑動(dòng)摩擦生熱使接觸面溫度升高,剪切過程中接觸面處凍土體處于剪壓狀態(tài),凍土壓融也使接觸面溫度升高;因溫度升高接觸面處凍土體凍結(jié)強(qiáng)度隨之降低,同時(shí)由于接觸面處凍土體沿粗糙剪切板錯(cuò)動(dòng)滑移,故剪應(yīng)力在峰值后波動(dòng)變化,并呈逐漸減小趨勢(shì)。

圖5 剪應(yīng)力及接觸面溫度隨剪切位移變化曲線Fig.5 Curve of shear stress and interface temperature varying with shear displacement

圖6為T=-10 ℃、R=0.3 mm、σ=300 kPa時(shí)部分凍結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果,由圖6可發(fā)現(xiàn):剪應(yīng)力在達(dá)到極限凍結(jié)強(qiáng)度后隨剪切位移繼續(xù)增加而循環(huán)波動(dòng)變化;法向位移變化趨勢(shì)與剪應(yīng)力變化趨勢(shì)相似;由于剪切破壞瞬間剪切板脫離凍土接觸面凹痕顯著抬升,故法向位移隨剪切位移遞增先增大至0.18 mm,后顯著減小至-0.25 mm;后因粗糙剪切板沿有凹痕凍土接觸面滑動(dòng),故法向位移隨剪切位移繼續(xù)增加也呈循環(huán)波動(dòng)變化。

圖6 剪應(yīng)力及法向位移隨剪切位移變化曲線Fig.6 Curve of shear stress and normal displacement varying with shear displacement

圖7 不同粗糙度條件下剪應(yīng)力隨剪切位移變化曲線[18]Fig.7 Curve of shear stress changing with the shear displacement under different roughness [18]

通過比較前述2組測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)R=1.4 mm(圖5),剪應(yīng)力在峰值后的波峰間距較大,當(dāng)R減小為0.3 mm(圖6),剪應(yīng)力在峰值后的波峰間距相應(yīng)減小。其他組測(cè)試結(jié)果也呈相似現(xiàn)象,且當(dāng)剪切板光滑時(shí)剪應(yīng)力在峰值后下降并保持恒定(圖7,T=-14 ℃,σ=500 kPa)。據(jù)此推斷剪應(yīng)力在峰值后呈現(xiàn)波動(dòng)變化與剪切板表面凹痕有關(guān),且其波峰間距隨剪切板粗糙度減小而減小。

測(cè)試結(jié)果表明改進(jìn)后的凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)裝置能滿足凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)要求,且其試驗(yàn)結(jié)果與前期研究發(fā)現(xiàn)的剪應(yīng)力在峰值后波動(dòng)變化、其變化趨勢(shì)與剪切板粗糙度相關(guān)的結(jié)論(圖7)相吻合。裝置改進(jìn)后,能更有效地凍結(jié)土樣，更精準(zhǔn)地測(cè)量、控制溫度，更精確地測(cè)量水平和豎向位移,因此試驗(yàn)精準(zhǔn)度大幅度提高。

3 凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)功能研發(fā)

凍土與結(jié)構(gòu)相互作用問題不僅指接觸面問題,還包括受接觸面約束影響的那部分凍土薄層,即接觸界面層,因此有必要研制專門進(jìn)行凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)的裝置。

3.1凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)裝置研制

3.1.1 改進(jìn)凍土盒

保持原土樣尺寸(200 mm×100 mm×87 mm)不變前提下,降低凍土盒高度,以使土樣能凸出凍土盒頂面10 mm,以滿足對(duì)凍土接觸界面層側(cè)表面圖像采集要求。

3.1.2 改進(jìn)制樣方法

采用厚度為10 mm、內(nèi)方孔尺寸為100 mm×200 mm制樣模板(圖8)疊合在凍土盒上表面輔助進(jìn)行凍土試樣制作,實(shí)現(xiàn)土樣凸出凍土盒頂面10 mm。

1—凍土盒；2—土樣；3—土樣界面層；4—制樣模板；5—防翹棒；6—防翹軸承；7—工業(yè)相機(jī)；8—圖像處理裝置(筆記本電腦)；9—?jiǎng)傂灾Ъ埽?0—底座；11—定焦鏡頭；12—LED照明燈圖8 凍土接觸界面層力學(xué)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.8 Schematics of the mechanical test apparatus for interface layer of frozen soil

3.1.3 研制接觸界面層圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)和鏡頭、LED光源、剛性支架和圖像處理裝置等組成(圖8)。該系統(tǒng)采用的工業(yè)相機(jī)為針對(duì)高清晰度、高分辨率視覺檢測(cè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一款1 400 W像素CMOS彩色相機(jī),采用7.2 mm高清無畸變工業(yè)定焦鏡頭,鏡頭與測(cè)量物體距離約20 cm,視野大小約13 cm×17 cm,該鏡頭能克服透視相差(成像時(shí)由于距離不同而造成放大倍數(shù)不一致現(xiàn)象)的影響,使檢測(cè)目標(biāo)在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的尺寸數(shù)據(jù)幾乎不變,滿足接觸界面層試驗(yàn)對(duì)土顆粒位移測(cè)量高精度要求。

3.1.4 研發(fā)接觸界面層圖像測(cè)量軟件

針對(duì)凍土接觸界面層力學(xué)特性試驗(yàn)自主研發(fā)圖像測(cè)量1400軟件,實(shí)現(xiàn)界面層數(shù)字圖像處理,位移測(cè)量精度達(dá)±1 μm。具體程序如下:將相機(jī)安裝于剪切盒支架上,在被測(cè)界面層位置安置標(biāo)定板,連接相機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng);采集標(biāo)定板圖像并進(jìn)行灰度變換、濾波、二值化、開始運(yùn)算和區(qū)域標(biāo)識(shí)等圖像處理操作,得到各標(biāo)定點(diǎn)重心像平面坐標(biāo)(單位:像素);把各標(biāo)定點(diǎn)像平面坐標(biāo)和已知物平面坐標(biāo)(單位: mm)一一對(duì)應(yīng),形成標(biāo)定樣本并進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定(圖9(a)),得到兩坐標(biāo)間映射關(guān)系;采集測(cè)量點(diǎn)圖像并利用軟件進(jìn)行圖像處理(圖9(b)),得到各測(cè)量點(diǎn)重心像平面坐標(biāo),利用已有映射關(guān)系得出測(cè)量點(diǎn)物平面坐標(biāo),各點(diǎn)物平面坐標(biāo)減去各自初始值即為各測(cè)量點(diǎn)物平面位移。由此精確測(cè)量剪切過程中凍土接觸界面層各點(diǎn)水平位移。

圖9 標(biāo)定板標(biāo)定及圖像測(cè)量軟件操作界面Fig.9 Operation interface of calibration board and image measurement software

3.2凍土界面層力學(xué)特性相關(guān)測(cè)試研究

為驗(yàn)證接觸面界面層力學(xué)特性試驗(yàn)裝置性能,選用南京地鐵穿越地區(qū)典型粉質(zhì)黏土進(jìn)行2組單程剪切試驗(yàn),其含水率為30%,密度為1.84 g/cm3,孔隙比為0.946,液限為32.4%,塑限為19.9%,內(nèi)摩擦角為11.9°,黏聚力為17 kPa。第1組T=-10 ℃,R分別為100 kPa、300 kPa、500 kPa、700 kPa;第2組σ=500 kPa,T分別為-2 ℃、-6 ℃、-10 ℃、-14 ℃,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同法向荷載及溫度條件下接觸界面剪應(yīng)力隨剪切位移變化關(guān)系曲線Fig.10 Curve of interface shear stress varying with shear displacement under different normal loadings and temperatures

圖11 不同法向荷載條件下凍土深度～凍土體平均剪切位移關(guān)系曲線Fig.11 Curve of frozen soil depth and average shear displacements under different normal loadings

通過界面層圖像測(cè)量軟件得到不同法向荷載下凍土深度～凍土體平均水平位移關(guān)系曲線(圖11),由圖11可知,隨凍土深度增加,界面層內(nèi)凍土體平均水平位移減小。隨法向荷載增加,界面層中同一層凍土體平均水平位移增加,而不同層凍土體平均水平位移隨深度減小,在深度5 mm范圍內(nèi)影響較明顯。究其原因?yàn)閮鐾馏w與剪切板接觸界面層水平剪切應(yīng)力與法向荷載呈正比,靠近接觸界面凍土體受剪切應(yīng)力較大,而隨著距接觸界面越遠(yuǎn)該剪切應(yīng)力逐漸衰減,直至趨向于零,而剪切應(yīng)力是引起該剪切位移的直接原因。

試驗(yàn)研究表明該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)接觸界面層力學(xué)特性試驗(yàn),且能對(duì)接觸界面層凍土體微量位移進(jìn)行量測(cè)、分析，可以比較真實(shí)地反映凍土與結(jié)構(gòu)接觸界面層應(yīng)力和變形力學(xué)特性。

4 結(jié) 論

對(duì)凍土直剪儀進(jìn)行多功能改進(jìn)與試驗(yàn)研究,為凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)性能試驗(yàn)研究提供更好軟硬件條件,并可為凍土接觸面同類試驗(yàn)研究和試驗(yàn)儀器研發(fā)提供借鑒,其主要研究結(jié)論如下:(a)對(duì)原大型凍土直剪儀進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,重點(diǎn)對(duì)溫度采集記錄裝置、位移測(cè)量裝置、凍土盒裝卸裝置等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),使其能更好滿足凍土接觸面多功能力學(xué)特性試驗(yàn)要求;(b)在原大型凍土直剪儀基礎(chǔ)平臺(tái)上進(jìn)行功能開發(fā),研制出凍土接觸面凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)、凍土界面層力學(xué)特性試驗(yàn)等多功能試驗(yàn)?zāi)K;(c)凍土直剪儀多功能改進(jìn)采用模塊化設(shè)計(jì),注重各功能模塊的合成、兼容性和切換方便性;(d)測(cè)試研究表明該試驗(yàn)儀可以滿足凍土與結(jié)構(gòu)接觸面和界面層應(yīng)力變形特性精準(zhǔn)研究的要求。

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Multi-functionimprovementandexperimentalstudyonthedirectshearapparatusforfrozensoil

SHIQuanbin1,2,YANGPing1,SUNHouchao1,3

(1.SchoolofCivilEngineering,NanjingForestryUniversity，Nanjing210037,China;2.SchoolofArchitecturalEngineering,TaizhouPolytechnicalCollege，Taizhou225300,China;3.SchoolofCivilEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

For the purpose of making a more accurate study on the interface mechanical properties of the frozen soil from more perspectives, improvements on the original multi-function direct shear apparatus for frozen soil are conducted, which involve improvements on temperature collecting and recording device, displacement measuring device, and loading and unloading device for frozen soil box. These improvements will allow the direct shear apparatus to better meet testing requirements on the interface mechanical properties of frozen soil. Based on the original direct shear apparatus, modules related to the adfreezing strength test on the interface of frozen soil and the mechanical property test on the interface layer of frozen soil are integrated, meeting the multi-function testing requirements. The new functions are developed by means of modular design, in which the compatibility and convenience of switching between different functional modules are emphasized. The experimental results have shown that the improved direct shear apparatus is able to meet the multi-function experiment requirements for the frozen soil, such as the research on the adfreezing strength and mechanical properties of interface layer, and the testing data is demonstrated to be stable and reliable.

direct shear apparatus for frozen soil; interface; interface layer; multi-function improvement; functional synthesis

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.013

2016-09-01

國家自然科學(xué)基金(51278251);江蘇省青藍(lán)工程資助項(xiàng)目(蘇教師〔2016〕15號(hào));泰州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(TS201522)

石泉彬(1978—),男,江蘇泰州人,副教授,博士研究生,主要從事環(huán)境巖土與城市地下工程研究。E-mail:sqb.tz@163.com

楊平,教授。E-mail:yangping@njfu.edu.cn

TU445

A

1000-1980(2017)05-0457-07