本发明涉及土木工程技术领域，具体涉非饱和土湿载直剪试验装置及增湿强度获取方法。
背景技术：
土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的抵抗能力，建筑物地基的破坏、人工或自然斜坡的滑动、挡土墙的移动或倾倒等，都是由于土内的剪应力超过其本身的抗剪强度而引起的。非饱和土是由固相、液相和气相组成的复合介质，非饱和土分布广泛，在干旱和半干旱地区，因为气候作用，土体通常处于非饱和状态，并且经过开挖、重塑和再压实的土体通常也是非饱和土。非饱和土的结构性强，对水电敏感性高，抗剪强度随含水率变化显著。在实际岩土环境中，非饱和土在降雨或管道渗漏造成的土体含水量变化的同时，强度也发生改变，传统直剪试验装置及试验方法无法考虑土体的含水率变化对强度的影响，导致得到的非饱和土增湿强度参数与真实情况差异较大。因此，在地基与基础工程、边坡工程、水利与水电工程中合理地提出非饱和土在不同状态下的强度参数是客观需要。
技术实现要素：
为了克服传统直剪试验装置及试验方法无法考虑土体的含水率变化对强度的影响，导致得到的非饱和土增湿强度参数与真实情况差异较大，导致施工时土体稳定性不确定的问题，本发明提供一种非饱和土湿载直剪试验装置及增湿强度获取方法，本发明通过增湿装置和抽泣装置可获取非饱和土体在不同含水率下的增湿强度参数，更准确的确保了后续施工时土体的稳定性。
本发明采用的技术方案为：
一种非饱和土湿载直剪试验装置，包括水平平台、剪切盒、剪切试样、固定装置、垂直加载组件、水平加载组件、增湿装置和抽气装置，所述的剪切盒分为上剪切盒和下剪切盒，所述的下剪切盒设在水平平台上，所述的上剪切盒一侧与固定装置连接，所述的水平加载组件设在下剪切盒远离固定装置的一侧；所述的上剪切盒顶部设有传压板，所述的垂直加载组件设在传压板上，所述的增湿装置设在上剪切盒顶部，所述的抽气装置设在下剪切盒上，所述的剪切试样设在剪切盒内；所述的上剪切盒顶部内表面上和下剪切盒的底部的内表面上均设有透水板和滤纸，所述的下剪切盒内底部设有多个排水孔。
所述的固定装置包括量力钢环和竖直平台，所述的剪切盒的上剪切盒通过量力钢环固定在竖直平台上。
所述的剪切盒的下剪切盒通过滚珠设在水平平台上。
所述的增湿装置包括四个水箱、水箱阀门和水箱水管，所述的四个水箱均匀分布在上剪切盒顶部四周，每个水箱下端均通过对应的水箱水管与上剪切盒内部连通，每个水箱水管上均设置有水箱阀门；四个水箱上均设有刻度。
所述的抽气装置包括四个气泵、气泵阀门和气泵水管，所述的四个气泵分布在下剪切盒下部的四周，每个气泵均通过对应的气泵水管与下剪切盒内部连通，每个气泵水管上均设有气泵阀门。
一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，具体步骤为：
步骤一，制备剪切试样，分别得到剪切试样质量m1的土粒质量ms；
步骤二，对准上剪切盒和下剪切盒，在下剪切盒内放入透水板和滤纸后，将剪切试样置于剪切盒中，再在剪切试样上放滤纸和透水板；调控垂直加载组件施加垂直压力，使剪切试样固结变形稳定；
步骤三，交替打开对角处的增湿装置和抽气装置，使进入剪切试样的水分均匀的分布在剪切试样内，记录进入剪切试样内水的体积，并求出水的质量m2；
步骤四，剪切试样增湿后，通过水平加载组件对下剪切盒施加剪切力，进行剪切，直至破坏或剪切位移超过剪切试样尺寸的1/10；
步骤五，重复步骤一到四，进行至少4个剪切试样的剪切试验；
步骤六，分别测量排水孔及气泵中水的体积并求出水的质量m3及m4，剪切试样增加的质量为进入剪切试样内水的总质量，以此可确定改变后的土样含水率w；
步骤七，完成直剪试验，得到非饱和土增湿强度指标，确保后续施工中土体的稳定性。
所述的步骤一中，制备的剪切试样为土样，土样质量m1为土样的天然质量，土样的土粒质量ms为土样的干质量。
所述的步骤二中，剪切试样施加垂直压力后，每1h测读一次垂直变形量值，直至每小时的变形不大于0.005mm后判定为固结稳定。
所述的步骤三中，依次交替打开位于对角处的增湿装置和抽吸装置，首先打开第一个水箱对应的水箱阀门，同时打开位于第一个水箱对角处的第一个气泵上的气泵阀门，通过第一个气泵将第一个水箱中注入的水从剪切试样上方一端抽吸到剪切试样下方另一端的气泵处，然后同样的打开剩余的三个水箱和对应的气泵，使水箱中的水均匀分布在剪切试样内；完成对剪切试样的增湿，并记录进入剪切试样内水的体积，求出水的质量m2。
所述的步骤六中，分别测量排水孔及气泵中水的体积并求出质量m3及m4，剪切试样增加的质量为进入土样内水的总质量，即由四个水箱水量总和减去排水孔排除的水量，以此可确定改变后的土样含水率w；
其中：m为土的总质量；
其中：w为土的含水率；
m为土的总质量；
通过试验结果绘制剪应力与剪切位移关系曲线，得到土体的增湿强度。
本发明的有益效果为：
（1）本发明可实现在直剪试验过程中动态调控试样的含水率，解决了非饱和土增湿强度参数获取的问题，且工程运用简便、快捷。
（2）本发明适用于多种实际岩土环境中非饱和土参数取值问题，包括无压增湿、压力增湿及剪切过程增湿等，可分别应用于降雨后土体参数的获取、建筑物下土体浸水后的参数的获取、及由于水浸入导致边坡或地基破坏过程中参数的获取，适用范围广。
（3）通过本发明获得的增湿强度，可以有效反映出由于增湿产生的土体抗剪强度变化，可更真实地得到非饱和土体的抗剪强度参数，从而指导工程设计施工。
附图说明
图1是本发明实验装置立面示意图。
图2是本发明实验装置俯视示意图。
图中，附图标记为：1、增湿装置；101、水箱；102、水箱阀门；103、水箱水管；2、刻度；3、抽气装置；301、气泵；302、气泵阀门；303、气泵水管；4、水平平台；5、滚珠；6、传压板；7、透水板；8、滤纸；9、剪切盒；901、上剪切盒；902、下剪切盒；10、剪切试样；11、排水孔；12、垂直加载组件；13、水平加载组件；14、固定装置；1401、量力钢环；1402、竖直平台。
以下将结合附图进行进一步的说明。
具体实施方式
实施例1：
为了克服传统直剪试验装置及试验方法无法考虑土体的含水率变化对强度的影响，导致得到的非饱和土增湿强度参数与真实情况差异较大，导致施工时土体稳定性不确定的问题，本发明提供如图1和2所示的一种非饱和土湿载直剪试验装置及增湿强度获取方法，本发明通过增湿装置和抽泣装置可获取非饱和土体在不同含水率下的增湿强度参数，更准确的确保了后续施工时土体的稳定性。
一种非饱和土湿载直剪试验装置，包括水平平台4、剪切盒9、剪切试样10、固定装置14、垂直加载组件12、水平加载组件13、增湿装置1和抽气装置3，所述的剪切盒9分为上剪切盒901和下剪切盒902，所述的下剪切盒902设在水平平台4上，所述的上剪切盒901一侧与固定装置14连接，所述的水平加载组件13设在下剪切盒902远离固定装置14的一侧；所述的上剪切盒901顶部设有传压板6，所述的垂直加载组件12设在传压板6上，所述的增湿装置1设在上剪切盒901顶部，所述的抽气装置3设在下剪切盒902上，所述的剪切试样10设在剪切盒9内；所述的上剪切盒901顶部内表面上和下剪切盒902的底部的内表面上均设有透水板7和滤纸8，所述的下剪切盒902内底部设有多个排水孔11。
本发明中水平加载组件13，作用于下剪切盒901一侧，通过滚珠5下剪切盒901移动，提供试验所需的剪切荷载。垂直加载组件12作用于传压板6，垂直压力通过传压板6传递给剪切试样10，提供试验所需的竖向压力。本发明通过增湿装置1和抽气装置3改变剪切试样10的含水率，在此基础上进行直剪试验得到非饱和土增湿强度，试验结果更贴近工程实际。
本发明中垂直加载组件12和水平加载组件13为现有的组件，本发明中将不再进行进一步的说明。
本发明可实现在直剪试验过程中动态调控试样的含水率，解决了非饱和土增湿强度参数获取的问题，且工程运用简便、快捷。
本发明适用于多种实际岩土环境中非饱和土参数取值问题，本发明通过垂直加载组件12、水平加载组件13、增湿装置1和抽气装置3实现无压增湿、压力增湿及剪切过程增湿。本发明可分别应用于降雨后土体参数的获取、建筑物下土体浸水后的参数的获取、及由于水浸入导致边坡或地基破坏过程中参数的获取，适用范围广；通过本发明获得的增湿强度，可以有效反映出由于增湿产生的土体抗剪强度变化，可更真实地得到非饱和土体的抗剪强度参数，从而指导工程设计施工。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中，所述的固定装置14包括量力钢环1401和竖直平台1402，所述的剪切盒9的上剪切盒901通过量力钢环1401固定在竖直平台1402上。
本发明中量力钢环1401将上剪切盒901固定约束。
优选地，所述的剪切盒9的下剪切盒902通过滚珠5设在水平平台4上。
优选地，所述的增湿装置1包括四个水箱101、水箱阀门102和水箱水管103，所述的四个水箱101均匀分布在上剪切盒901顶部四周，每个水箱101下端均通过对应的水箱水管103与上剪切盒901内部连通，每个水箱水管103上均设置有水箱阀门102；四个水箱101上均设有刻度2。
本发明中通过水箱阀门102控制水箱101中的水进入剪切试样10，根据水箱101上的刻度2控制水量。
优选地，所述的抽气装置3包括四个气泵301、气泵阀门302和气泵水管303，所述的四个气泵301分布在下剪切盒902下部的四周，每个气泵301均通过对应的气泵水管303与下剪切盒902内部连通，每个气泵水管303上均设有气泵阀门302。
本发明通过气泵阀门302控制气泵301抽吸剪切试样10中的气体，使得增湿装置1增加的水快速、均匀的分布在剪切试样10中。
一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，具体步骤为：
步骤一，制备剪切试样10，分别得到剪切试样10质量m1的土粒质量ms；
步骤二，对准上剪切盒901和下剪切盒902，在下剪切902盒内放入透水板7和滤纸8后，将剪切试样10置于剪切盒9中，再在剪切试样10上放滤纸8和透水板7；调控垂直加载组件12施加垂直压力，使剪切试样10固结变形稳定；
步骤三，交替打开对角处的增湿装置1和抽气装置3，使进入剪切试样10的水分均匀的分布在剪切试样10内，记录进入剪切试样10内水的体积，并求出水的质量m2；
步骤四，剪切试样10增湿后，通过水平加载组件13对下剪切盒902施加剪切力，进行剪切，直至破坏或剪切位移超过剪切试样10尺寸的1/10；
步骤五，重复步骤一到四，进行至少4个剪切试样10的剪切试验；
步骤六，分别测量排水孔11及气泵301中水的体积并求出水的质量m3及m4，剪切试样10增加的质量为进入剪切试样10内水的总质量，以此可确定改变后的土样含水率w；
步骤七，完成直剪试验，得到非饱和土增湿强度指标，确保后续施工中土体的稳定性。
优选地，所述的步骤一中，制备的剪切试样10为土样，土样质量m1为土样的天然质量，土样的土粒质量ms为土样的干质量。
优选地，所述的步骤二中，剪切试样10施加垂直压力后，每1h测读一次垂直变形量值，直至每小时的变形不大于0.005mm后判定为固结稳定。
优选地，所述的步骤三中，依次交替打开位于对角处的增湿装置1和抽吸装置3，首先打开第一个水箱101对应的水箱阀门102，同时打开位于第一个水箱101对角处的第一个气泵301上的气泵阀门302，通过第一个气泵301将第一个水箱101中注入的水从剪切试样10上方一端抽吸到剪切试样10下方另一端的气泵301处，然后同样的打开剩余的三个水箱101和对应的气泵301，使水箱101中的水均匀分布在剪切试样10内；完成对剪切试样10的增湿，并记录进入剪切试样10内水的体积，求出水的质量m2。
优选地，所述的步骤六中，分别测量排水孔11及气泵301中水的体积并求出质量m3及m4，剪切试样10增加的质量为进入土样内水的总质量，即由四个水箱101水量总和减去排水孔11排除的水量，以此可确定改变后的土样含水率w；
其中：m为土的总质量；
其中：w为土的含水率；
m为土的总质量；
通过试验结果绘制剪应力与剪切位移关系曲线，得到土体的增湿强度。
上述实现获取非饱和土增湿强度的步骤如下：
步骤1：按《土工试验方法标准gb/t50123-2019》，制备土样，分别得到土样质量m1的土粒质量ms；
步骤2：对准上下剪切盒，在下剪切盒902内放入透水板7和滤纸8后，将土样置于剪切盒9中，再在土样上放滤纸8和透水板7。调控垂直加载组件12施加垂直压力，使试样固结变形稳定。土样施加垂直压力后，每1h测读一次垂直变形量值，直至每小时的变形不大于0.005mm后判定为固结稳定。
步骤3：依次交替打开位于对角处的增湿装置1和抽吸装置3，首先打开第一个水箱101对应的水箱阀门102，同时打开位于第一个水箱101对角处的第一个气泵301上的气泵阀门302，通过第一个气泵301将第一个水箱101中注入的水从土样上方一端抽吸到土样下方另一端的气泵301处，然后同样的打开剩余的三个水箱101和对应的气泵301，使水箱101中的水均匀分布在土样内；完成对土样的增湿，使得进入的水分均匀的分布在土体内，记录进入土体内水的体积，并求出质量m2。通过增湿装置1控制进入土样水量，进入土体的水量为四个水箱101水量之和，通过抽气装置3抽吸非饱和土体内赋存的空气，加快水在土样中运移。
步骤4：土样增湿后，通过水平加载组件13对试验施加剪切力，进行剪切，直至破坏或剪切位移超过试样尺寸的1/10。土样增湿可以在剪切过程前或剪切过程中完成，分别对应着压力增湿及剪切过程增湿。
步骤5：重复步骤1-4进行至少4个试样的剪切试验。
步骤6：分别测量排水孔及气泵中水的体积并求出质量m3及m4，土样增加的质量为进入土样内水的总质量，即由四个水箱101水量总和减去排水孔11排除的水量，以此可确定改变后的土样含水率w。
其中：m为土的总质量；
其中：w为土的含水率；
m为土的总质量。
步骤7：根据试验结果和库伦强度理论确定土的增湿强度指标。
通过试验结果绘制剪应力与剪切位移关系曲线，得到土体的增湿强度。
本发明可实现在直剪试验过程中动态调控试样的含水率，解决了非饱和土增湿强度参数获取的问题，且工程运用简便、快捷；本发明适用于多种实际岩土环境中非饱和土参数取值问题，包括无压增湿、压力增湿及剪切过程增湿等，可分别应用于降雨后土体参数的获取、建筑物下土体浸水后的参数的获取、及由于水浸入导致边坡或地基破坏过程中参数的获取，适用范围广。
通过本发明获得的增湿强度，可以有效反映出由于增湿产生的土体抗剪强度变化，可更真实地得到非饱和土体的抗剪强度参数，从而指导工程设计施工。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的装置结构及系统方法均为本行业的公知技术和常用方法，这里不再一一叙述。
1.一种非饱和土湿载直剪试验装置，其特征在于：包括水平平台（4）、剪切盒（9）、剪切试样（10）、固定装置（14）、垂直加载组件（12）、水平加载组件（13）、增湿装置（1）和抽气装置（3），所述的剪切盒（9）分为上剪切盒（901）和下剪切盒（902），所述的下剪切盒（902）设在水平平台（4）上，所述的上剪切盒（901）一侧与固定装置（14）连接，所述的水平加载组件（13）设在下剪切盒（902）远离固定装置（14）的一侧；所述的上剪切盒（901）顶部设有传压板（6），所述的垂直加载组件（12）设在传压板（6）上，所述的增湿装置（1）设在上剪切盒（901）顶部，所述的抽气装置（3）设在下剪切盒（902）上，所述的剪切试样（10）设在剪切盒（9）内；所述的上剪切盒（901）顶部内表面上和下剪切盒（902）的底部的内表面上均设有透水板（7）和滤纸（8），所述的下剪切盒（902）内底部设有多个排水孔（11）。
2.根据权利要求1所述的一种非饱和土湿载直剪试验装置，其特征在于：所述的固定装置（14）包括量力钢环（1401）和竖直平台（1402），所述的剪切盒（9）的上剪切盒（901）通过量力钢环（1401）固定在竖直平台（1402）上。
3.根据权利要求1所述的一种非饱和土湿载直剪试验装置，其特征在于：所述的剪切盒（9）的下剪切盒（902）通过滚珠（5）设在水平平台（4）上。
4.根据权利要求1所述的一种非饱和土湿载直剪试验装置，其特征在于：所述的增湿装置（1）包括四个水箱（101）、水箱阀门（102）和水箱水管（103），所述的四个水箱（101）均匀分布在上剪切盒（901）顶部四周，每个水箱（101）下端均通过对应的水箱水管（103）与上剪切盒（901）内部连通，每个水箱水管（103）上均设置有水箱阀门（102）；四个水箱（101）上均设有刻度。
5.根据权利要求1所述的一种非饱和土湿载直剪试验装置，其特征在于：所述的抽气装置（3）包括四个气泵（301）、气泵阀门（302）和气泵水管（303），所述的四个气泵（301）分布在下剪切盒（902）下部的四周，每个气泵（301）均通过对应的气泵水管（303）与下剪切盒（902）内部连通，每个气泵水管（303）上均设有气泵阀门（302）。
6.根据权利要求1-5所述的任意一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一，制备剪切试样（10），分别得到剪切试样（10）质量m1的土粒质量ms；
步骤二，对准上剪切盒（901）和下剪切盒（902），在下剪切（902）盒内放入透水板（7）和滤纸（8）后，将剪切试样（10）置于剪切盒（9）中，再在剪切试样（10）上放滤纸（8）和透水板（7）；调控垂直加载组件（12）施加垂直压力，使剪切试样（10）固结变形稳定；
步骤三，交替打开对角处的增湿装置（1）和抽气装置（3），使进入剪切试样（10）的水分均匀的分布在剪切试样（10）内，记录进入剪切试样（10）内水的体积，并求出水的质量m2；
步骤四，剪切试样（10）增湿后，通过水平加载组件（13）对下剪切盒（902）施加剪切力，进行剪切，直至破坏或剪切位移超过剪切试样（10）尺寸的1/10；
步骤五，重复步骤一到四，进行至少4个剪切试样（10）的剪切试验；
步骤六，分别测量排水孔（11）及气泵（301）中水的体积并求出水的质量m3及m4，剪切试样（10）增加的质量为进入剪切试样（10）内水的总质量，以此可确定改变后的土样含水率w；
步骤七，完成直剪试验，得到非饱和土增湿强度指标，确保后续施工中土体的稳定性。
7.根据权利要求6所述的一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，其特征在于：所述的步骤一中，制备的剪切试样（10）为土样，土样质量m1为土样的天然质量，土样的土粒质量ms为土样的干质量。
8.根据权利要求6所述的一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，其特征在于：所述的步骤二中，剪切试样（10）施加垂直压力后，每1h测读一次垂直变形量值，直至每小时的变形不大于0.005mm后判定为固结稳定。
9.根据权利要求6所述的一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法，其特征在于：所述的步骤三中，依次交替打开位于对角处的增湿装置（1）和抽吸装置（3），首先打开第一个水箱（101）对应的水箱阀门（102），同时打开位于第一个水箱（101）对角处的第一个气泵（301）上的气泵阀门（302），通过第一个气泵（301）将第一个水箱（101）中注入的水从剪切试样（10）上方一端抽吸到剪切试样（10）下方另一端的气泵（301）处，然后同样的打开剩余的三个水箱（101）和对应的气泵（301），使水箱（101）中的水均匀分布在剪切试样（10）内；完成对剪切试样（10）的增湿，并记录进入剪切试样（10）内水的体积，求出水的质量m2。
10.根据权利要求6所述的一种非饱和土湿载直剪试验增湿强度获取的方法：所述的步骤六中，分别测量排水孔（11）及气泵（301）中水的体积并求出质量m3及m4，剪切试样（10）增加的质量为进入土样内水的总质量，即由四个水箱（101）水量总和减去排水孔（11）排除的水量，以此可确定改变后的土样含水率w；
其中：m为土的总质量；
其中：w为土的含水率；
m为土的总质量；
通过试验结果绘制剪应力与剪切位移关系曲线，得到土体的增湿强度。
技术总结