[科普中國]-循環(huán)動(dòng)單剪儀

土動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試方面的儀器主要有動(dòng)三軸儀、動(dòng)扭剪儀和動(dòng)單剪儀等儀器。循環(huán)動(dòng)單剪儀是指在循環(huán)荷載下，用以對(duì)土試樣進(jìn)行直接單剪試驗(yàn)的儀器。循環(huán)動(dòng)單剪儀包括壓力室結(jié)構(gòu)、加荷系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。主要用來模擬實(shí)際土體受水平剪切情況。

簡介地震、交通和波浪等動(dòng)荷作用下，工程地基中的土體通常會(huì)受到純剪狀態(tài)的附加應(yīng)力和主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)作用。通過土工測(cè)試儀器模擬土體的天然應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而研究土體在實(shí)際荷載條件下的強(qiáng)度及變形特性，是指導(dǎo)并解決實(shí)際工程問題的重要依據(jù)。循環(huán)動(dòng)單剪儀是指在循環(huán)荷載作用下，對(duì)土試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)。對(duì)試樣同時(shí)施加豎向與水平向剪切荷載，其加載條件與實(shí)際工程場(chǎng)地所受到的地震作用更為接近，剪應(yīng)力可以直接施加，且所產(chǎn)生的剪應(yīng)變可以直接量測(cè)。循環(huán)動(dòng)單剪儀在模擬地震作用方面具有其他儀器所不具備的顯著優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)動(dòng)單剪儀特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，可做動(dòng)態(tài)、靜態(tài)試驗(yàn)；兼容性好：可升級(jí)為直剪/靜三軸（含應(yīng)力路徑）/動(dòng)三軸/非飽和土三軸，高速控制系統(tǒng)為伺服驅(qū)動(dòng)，更加精確的控制軸向力及剪力或位移。

單剪儀單剪儀是用以對(duì)土試樣進(jìn)行直接單剪試驗(yàn)的儀器。按剪切容器的構(gòu)造特點(diǎn)可分為疊環(huán)式、繞有鋼絲的加筋膜式和剛性板式。均由有側(cè)限并可在受剪時(shí)能轉(zhuǎn)動(dòng)的護(hù)環(huán)組成，且都借助上下透水石與試樣間的摩擦力直接對(duì)試樣施加剪應(yīng)力。與直剪儀相比屬改進(jìn)型，具有剪切過程中試樣變形均勻、可控制排水條件、可測(cè)定排水量和孔隙水壓力等優(yōu)點(diǎn)。最早的單剪儀是 1936 年由瑞典皇家?guī)r土所研制的疊環(huán)式單剪儀。其后，挪威巖土所的 Bjerrum等于 1966 年在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一種采用螺旋加筋橡皮膜邊界代替疊環(huán)加箍膜邊界的單剪儀。相較于直剪儀，這兩種單剪儀在保證剪應(yīng)變的均勻性和避免出現(xiàn)預(yù)定的剪損面等方面都取得了很大的改進(jìn)，但仍存在剪應(yīng)力和剪應(yīng)變不均勻、疊環(huán)間試樣側(cè)向變形、疊環(huán)位置存在潛在剪切面等缺點(diǎn)。另一種具有代表性的單剪儀是由劍橋大學(xué)的Roscoe 于 1953 年提出的方框式單剪儀，隨后Bufhu、Pickering和Noel 等對(duì)該儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。這種單剪儀的加載機(jī)構(gòu)可以更好地保證試樣剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的均勻性，但其 4 塊剛性板之間的接觸關(guān)系和邊界條件卻難以保持穩(wěn)定，同時(shí)側(cè)面板與土樣之間也存在摩擦力的影響1。

直剪試驗(yàn)所謂直剪試驗(yàn)，是指在某一特定面上剪切土的試件，直接測(cè)定該面上的剪應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)是室內(nèi)測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度的一種常用方法，可方便地為土木工程治理、加固及破壞分析提供所需的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù):粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。該方法因其快捷方便， 結(jié)果處理簡單，被廣泛采用， 也是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度最簡單的和最原始的試驗(yàn)方法。直剪儀分應(yīng)變式直剪儀、應(yīng)力式直剪儀兩種。應(yīng)變式直剪儀能夠較準(zhǔn)確地測(cè)定剪切變形曲線的峰值和最后值，室內(nèi)較多采用應(yīng)變式。試驗(yàn)時(shí)用環(huán)刀切出厚為20mm的圓形試樣，將試樣推入剪切盒內(nèi)，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，使試樣在上下盒之間的水平面上發(fā)生剪切至破壞。求得破壞值的剪切應(yīng)力τ，然后根據(jù)庫倫定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。按剪切前土的固結(jié)程度，剪切時(shí)排水條件以及剪切速率快慢，把直剪試驗(yàn)分為快剪、固結(jié)快剪、慢剪。快剪(不排水剪)：試樣在垂直壓力施加后立即進(jìn)行快速剪切，試驗(yàn)全過程都不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生。這時(shí)垂直壓力大部分由孔隙水來承擔(dān)。適用于施工進(jìn)度快，排水條件差的情況下，如厚度很大的飽和黏土地基。固結(jié)快剪(固結(jié)不排水剪)試樣在垂直壓力下， 給予充分時(shí)間，使土樣孔隙中的水全部排出而達(dá)到完全固結(jié)，之后，每加一級(jí)水平剪力后，均留足夠時(shí)間，使土樣充分排水，這時(shí)垂直壓力全部由土粒承擔(dān)，再進(jìn)行快速剪切。適用于一般建筑物的地基穩(wěn)定性分析，施工期間有一定的固結(jié)作用。慢剪(排水剪)：試樣在垂直壓力下，排水固結(jié)后慢慢地進(jìn)行剪切， 剪切過程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工進(jìn)度都不符合這樣的條件，所以，工程試驗(yàn)中較少直接采用2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

何星 - 副教授 - 上海交通大學(xué)