CN104713791B - 一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体提供了一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，整体结构包括主体部分、三维成像扫描机构、围压加载及测量机构、扭矩加载与测量机构、扭矩传感器上端头固定机构、试样固定安装机构、润滑机构。三维成像扫描仪能够记录并采集试验过程中试样的三维图像；气压传递压力的围压施加方法和新的体变测量方法简化了试验步骤和在土体试样体变测量方面有了显著的改变；依靠连接扭矩输出轴与上传动轴的传动链条传递扭矩，并在上传动轴上同时采用了扭矩传感器、扭矩显示仪和绝对式角位移传感器、角位移显示仪；配套的试样固定夹持结构，在试样的固定安装方面有了显著的改变。本发明结构简单、造价低廉、操作方便，准确率和成功率较高。

Description

一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，具体涉及一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，用于土工室内土体扭剪强度的测定与观测细微观结构变形的试验。

背景技术

土是地质作用演变过程的产物，是多相分散系，具有类型的多样性、性质的复杂性和变化性等特点。同一类土，不同类型的仪器可测出不同的结果，同类仪器，试验方法和技巧不同也会产生较大的差异。在土工试验中由于力学参数的测试差误,往往比计算方法不同引起的差误更大，这就是人们之所以坚持不懈，从事土工仪器设备的研制，试验方法的探索和改进的原因。

研究表明，土的破坏形式主要是剪切破坏，即土的强度不足以抵抗某一面上的剪应力作用而造成，抗剪强度一直是岩土力学中最重要的研究课题之一。扭转是材料变形的基本形式之一，通过扭转试验可以研究材料在纯剪应力状态下的力学性质，并为工程设计提供必要的力学参数。迄今为止，对土体抗剪强度的研究多集中在土体的直剪和三轴剪切特性上，而对土体的扭剪特性却很少研究。

土体在长期定量荷载作用下，土体结构强度是决定其变形量大小的主要因素，而土体结构强度受细微观结构所制约，土体宏观变形破坏是细微观变形累积扩展的结果。土体细微观结构的变形性能对其工程力学性质起着非常重要的作用，因此，对土体细微观结构的研究是探讨其变形与强度时效本质的基础。土体细微观层次上主要研究土体颗粒的排列方式，土体细微观结构是对载荷及环境因素的响应、演化和实效机制，以及土体细微观结构与宏观力学性能的定量关系的研究。

随着人类社会和国家经济发展，对能源需求的不断扩大，人类的活动区域从陆地扩大到近海、深海。跨海大桥、海上石油平台、跨海输电塔、测风塔等近海大型基础建设规模不断扩大。江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下，其桩基础不仅会受到水平荷载作用，而且还会受到扭转荷载。桶形基础是近年发展起来的一种经济适用的新型基础，作为海洋平台基础得到了广泛的应用，其在土作中不仅承受上部结构及其自身所引起的竖向荷载的长期作用和受到波浪、海流等所引起的水平荷载、力矩荷载，而且往往还受到风机叶片等结构传来的扭剪荷载的作用，因此认识和测量土的扭剪强度具有十分重要的意义。

现有对土体研究技术的缺陷主要是只能观测到加载后的岩土体变化情况，不能观测到岩土体加载的整个变形过程，也就是说只能单方面的研究强度特性和变形机理。而目前用于土体扭剪强度测试的装置主要有空心圆柱扭剪仪、大型扭剪仪、扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等。其中，空心圆柱扭剪仪虽然能够测出土体的扭剪强度，但是空心圆柱样制备过程复杂且成功率低，固定形式一般多取上端加荷，下端固定方式，导致仪器高大笨重，而且加荷装置的自重对试样有干扰；大型扭剪仪只适用于粗粒材料；扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等三轴仪既能完成纯扭剪试验，还能实现多种复杂应力路径试验，但仪器设备复杂、操作繁琐、成本较高，难以在土工试验中推广。另外，现有岩土体加载破坏后的变形观测一般都是通过CT扫描机。

对比以上土体扭剪强度试验装置，主要存在如下4个问题：

(1)样品制备比较麻烦；空心圆柱样必须有专用模具，操作较为复杂，技术要求较高，比常规三轴样来说，难度较大，特别是试样的安装，里外橡皮膜的筱盖与密封等。

(2)以上试验装置大多数只能是针对重塑土进行，虽然重塑土制样过程方便，但这与天然原状土还是有本质的区别，尤其针对具有明显结构性的土体。

(3)以上试验装置大多数是多功能试验机，适用于多种应力路径的试验，通常以拉压耦合应力路径为主，这样可能造成侧压、轴力和扭矩不能独立施加和控制，由于它们的功能比较多，制备试样不方便，试验操作繁杂且不规范，导致其从制样到试验操作整个过程中受人为因素的影响较大。

(4)CT扫描机操作复杂、造价较高、不方便与强度特性试验装置组合一起。

综上所述，目前这些土体扭剪强度试验装置存在仪器复杂、试验操作繁杂且不规范、造价昂贵，受人为因素的影响较大，并且不能观测到土体加载的整个变形过程的问题。同时，在土体的扭转试验研究方面，取得的成果相对较少，而土的扭剪特性对于研究土的强度理论有着重要的意义，目前对于土体拉压耦合应力路径下的土体的强度研究较为充分，而对研究土体在扭转荷载作用下纯剪切应力状态的抗剪强度及整个加载过程的细微观结构变形还没相应的研究。

发明内容

本发明的目的是克服现有试验装置不能很好地适用于纯扭剪应力路径的原状或重塑土扭剪强度的测定与整个加载过程的细微观结构变形，并且试验中控制和测量等人为因素影响较大的问题。

为此，本发明提供了一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，包括底座和安装在底座上的箱体，所述箱体上表面为工作平台，所述工作平台上表面边缘安装有中部支撑立柱，工作平台上表面中间固定有底座升降调节器,贯穿箱体上端工作平台和底座升降调节器设置有下传动轴,所述下传动轴上端连接围压室底座,所述围压室底座上通过围压室固定螺栓固定有围压罩，围压罩上端设置围压室盖，该围压室底座、围压罩和围压室盖构成围压室，所述围压室底座上部轴心位置安装有试样底座,所述试样底座通过埋头螺栓二固定连接下连接座,所述下连接座上放置试样，所述试样上端安装上连接座，试样与上连接座、下连接座之间通过有机玻璃对开膜及对开固定夹环、固定螺栓二固定为一个整体,所述围压室底座内设有围压测量通道和围压气体给排通道,该围压测量通道和围压气体给排通道一端均与围压室相连通，所述中部支撑立柱下部固定安装有围压测量仪和围压加载控制仪,围压测量通道和围压气体给排通道另一端分别与围压测量仪和围压加载控制仪对应连接，所述中部支撑立柱上安装有三维成像扫描仪,三维成像扫描仪安装高度与试样高度一致，所述围压室盖上端轴心位置固定安装有轴心开孔的定位夹持器,贯穿定位夹持器和围压室盖设置有连接轴，所述连接轴下端与上连接座连接，连接轴上端通过固定螺栓三连接上传动轴，所述围压室盖上端面上设有排气螺栓。

所述中部支撑立柱顶端固定安装有中部平台,所述中部平台上表面边缘设置有上部支撑立柱，中部平台中部安装有轴承，所述上传动轴穿过中部平台，上传动轴下端套装有绝对式角位移传感器，上传动轴中部安装传动链条，上传动轴顶端焊接有扭矩传感器底座,所述扭矩传感器底座上端面通过固定螺栓一固定连接扭矩传感器，所述扭矩传感器上部端头通过插销固定连接可升降套筒，所述上部支撑立柱上固定安装有扭矩显示仪和角位移显示仪,所述扭矩传感器信号输出端与扭矩显示仪连接，所述绝对式角位移传感器信号输出端与角位移显示仪连接，所述上部支撑立柱顶端固定安装有上部平台，所述可升降套筒上端通过埋头螺栓一固定在上部平台的下端面，所述上部平台上端面一侧通过角钢固定安装有扭矩电动机,上部平台上端面另一侧安装有扭矩电动机控制器，所述扭矩电动机与扭矩电动机控制器电连接，所述扭矩电动机的扭矩输出轴穿过上部平台同轴连接扭矩传动轴，所述扭矩传动轴通过传动链条与上传动轴连接。

上述底座下安装有多个滚轮。

上述围压室盖和连接轴之间设置有密封橡胶圈一，围压室底座与下传动轴之间设置有密封橡胶圈二。

上述定位夹持器侧壁上设置有螺杆。

上述扭矩电动机侧壁上设置有手轮一。

上述底座升降调节器侧壁设置有手轮二。

上述可升降套筒的支架上安装有调节螺栓。

上述连接轴下端设有磁性柱形凸起，上连接座上表面设置有与磁性柱形凸起相咬合的柱形凹槽。

上述上部平台的下表面固定安装有润滑机构，该润滑机构位于扭矩输出轴的一侧且与扭矩电动机相连通。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置通过三维成像扫描设备来记录并采集试验中试样在整个加载过程中每一时刻的三维图像，研究在扭转荷载作用下纯扭剪应力路径下土体的细微观结构变形、裂缝的发展和破坏机制，采用分析试样在每一时刻的三维图像来计算得到试验过程中试样体积的变化，减少了传统测量方法造成的误差。

(2)本发明提供的这种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置采用在上传动轴上施加扭矩，固定试样下连接座，通过调节连接试样下连接做的围压室底座高度来安装试样，除了减小试样安装过程中对试样的扰动外，还实现了施加扭矩的传动轴与调节轴向高度的传动轴的分离，避免了传动轴上的干扰问题。

(3)本发明采用通过有机玻璃对开膜和对开固定夹环将土体试样与上下连接座连接成一个整体，解决了传统化学粘结剂胶结法造成对试样含水率的改变和端头胶体分布不均匀导致的偏心问题，另外，采用润滑机构的设计，有效地减小了机械摩阻力，有效地保证并提高了试验的精度。

(4)本发明采用可调速电机对试样施加扭矩作用，实现了扭矩施加控制性能稳定的技术措施，有效地减小由于人为因素导致而产生的试验误差，并在上传动轴上安装了扭矩传感器、扭矩显示仪和绝对式角位移传感器、角位移显示仪，实现了扭矩和扭转角测量数据采集，使得数据采集方便且可靠。

(5)本发明中部平台采用轴承分割成三部分，且中间部分只能转动，不能轴向移动，在传递扭矩的同时并解决了上部机械部件的自重对试样上端施加压力的问题，避免了试验开始前对试样的扰动。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明装置的整体的正面结构示意图。

图2是本发明装置的竖向剖面结构示意图。

图3是本发明装置的扭矩传感器正面图。

图4是本发明装置的扭矩传感器侧面图。

图5是本发明装置的扭矩传感器俯视图。

图6是本发明装置可升降套筒结构示意图。

图7是本发明装置中的装样装置在试样安装完毕后的轴向结构示意图。

图8是本发明装置中的有机玻璃对开膜的组合俯视结构示意图。

图9是本发明装置中的对开固定夹环俯视结构示意图。

图10是本发明装置中的扭矩电动机侧视图。

附图标记说明：1、底座；2、箱体；3、工作平台；4、下传动轴；5、中部支撑立柱；6、三维成像扫描仪；7、上部支撑立柱；8、中部平台；9、扭矩显示仪；10、上部平台；11、扭矩电动机；12、手轮一；13、角位移显示仪；14、扭矩输出轴；15、扭矩传动轴；16、传动链条；17、可升降套筒；18、插销；19、扭矩传感器；20、上传动轴；21、绝对式角位移传感器；22、轴承；23、上连接座；24、试样；25、对开固定夹环；26、下连接座；27、试样底座；28、手轮二；29、底座升降调节器；30、有机玻璃对开膜；31、滚轮；32、润滑机构；33、埋头螺栓一；34、固定螺栓一；35、磁性柱形凸起；36、埋头螺栓二；37、扭矩电动机控制器；38、角钢；39、调节螺栓；40、固定螺栓二；41、定位夹持器；42、螺杆；43、扭矩传感器底座；44、排气螺栓；45、固定螺栓三；46、围压室盖；47、围压罩；48、连接轴；49、围压测量通道；50、围压测量仪；51、围压气体给排通道；52、围压室固定螺栓；53、围压室底座；54、密封橡胶圈一；55、密封橡胶圈二；56、围压加载控制仪。

具体实施方式

实施例1：

为了克服现有试验装置不能很好地适用于纯扭剪应力路径的原状或重塑土扭剪强度的测定与整个加载过程的细微观结构变形，并且试验中控制和测量等人为因素影响较大的问题，本实施例提供了一种如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示的土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，包括底座1和安装在底座1上的箱体2，所述箱体2上表面为工作平台3，所述工作平台3上表面边缘安装有中部支撑立柱5，工作平台3上表面中间固定有底座升降调节器29,贯穿箱体2上端工作平台3和底座升降调节器29设置有下传动轴4,所述下传动轴4上端连接围压室底座53,所述围压室底座53上通过围压室固定螺栓52固定有围压罩47，围压罩47上端设置围压室盖46，该围压室底座53、围压罩47和围压室盖46构成围压室，所述围压室底座53上部轴心位置安装有试样底座27,所述试样底座27通过埋头螺栓二36固定连接下连接座26,所述下连接座26上放置试样24，所述试样24上端安装上连接座23，试样24与上连接座23、下连接座26之间通过有机玻璃对开膜30及对开固定夹环25、固定螺栓二40固定为一个整体,所述围压室底座53内设有围压测量通道49和围压气体给排通道51,该围压测量通道49和围压气体给排通道51的一端与围压室相连通，所述中部支撑立柱5下部固定安装有围压测量仪50和围压加载控制仪56,围压测量通道49和围压气体给排通道51另一端分别与围压测量仪50和围压加载控制仪56对应连接，所述中部支撑立柱5上安装有三维成像扫描仪6,三维成像扫描仪6安装高度与试样24高度一致，所述围压室盖46上端轴心位置固定安装有轴心开孔的定位夹持器41,贯穿定位夹持器41和围压室盖46设置有连接轴48，所述连接轴48下端与上连接座23连接，连接轴48上端通过固定螺栓三45连接上传动轴20，所述围压室盖46上端面上设有排气螺栓44。

所述中部支撑立柱5顶端固定安装有中部平台8,所述中部平台8上表面边缘设置有上部支撑立柱7，中部平台8中部安装有轴承22，中部平台8中部被轴承22分割成三部分，中间部分只能转动，不能轴向移动，所述上传动轴20穿过中部平台8，上传动轴20下端套装有绝对式角位移传感器21，上传动轴20中部安装传动链条16，上传动轴20顶端焊接有扭矩传感器底座43,所述扭矩传感器底座43上端面通过固定螺栓一34固定连接扭矩传感器19，所述扭矩传感器19上部端头通过插销18固定连接可升降套筒17，所述上部支撑立柱7上固定安装有扭矩显示仪9和角位移显示仪13,所述扭矩传感器19信号输出端与扭矩显示仪9连接，所述绝对式角位移传感器21信号输出端与角位移显示仪13连接，所述上部支撑立柱7顶端固定安装有上部平台10，所述可升降套筒17上端通过埋头螺栓一33固定在上部平台10的下端面，所述上部平台10上端面一侧通过角钢38固定安装有扭矩电动机11,上部平台10上端面另一侧安装有扭矩电动机控制器37，所述扭矩电动机11与扭矩电动机控制器37电连接，所述扭矩电动机11的扭矩输出轴14穿过上部平台10同轴连接扭矩传动轴15，所述扭矩传动轴15通过传动链条16与上传动轴20连接。

本发明提供的这种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，各个组成部分的工作原理是：整体结构包括主体部分、三维成像扫描机构、围压加载及测量机构、扭矩加载与测量机构、扭矩传感器上端头固定机构、试样固定安装机构；其中，三维成像扫描机构、围压加载及测量机构是本发明的核心，扭矩加载与测量机构、扭矩传感器上端头固定机构是本发明的关键，试样安装定位机构是本发明的重点，主体部分是本发明使用的基础。

所述的主体部分主要包括底座1、中部支撑立柱5、上部支撑立柱7、工作平台3、中部平台8、上部平台10等固定装置，为其它部件提供支撑。

所述的三维成像扫描机构主要包括三维成像扫描仪6，通过安装在中部支撑立柱5上的多个三维成像扫描仪6，全方位的记录试样在试验过程中的变化与变形，并通过与之相连的电脑存储。

所述的围压加载与测量机构主要包括围压气体给排通道51、围压测量通道49、围压加载控制仪56、围压测量仪50和围压室。通过围压气体给排通道51给围压室的内部充入围压气体的方式给试样24施加围压，由围压加载控制仪56控制和围压测量仪50调节施加在包裹薄膜的试样24上的围压。当不加入围压气体时，能够测试土体试样处于无围压条件下的纯扭剪应力路径下的强度特性。

所述的扭矩加载与测量机构主要包括扭矩电动机控制器37、扭矩电动机11、传动链条16、扭矩输出轴14、扭矩传动轴15、上传动轴20、绝对式角位移传感器21、角位移显示仪13、扭矩传感器底座43、扭矩传感器19、扭矩显示仪9。在扭矩电动机控制器37的控制下，扭矩电动机11能够提供适当大小的扭矩，通过传动链条16传动，驱动上传动轴20，上传动轴20带动连接轴48，从而给试样24施加一定的扭矩，固定在上传动轴20下端的绝对式角位移传感器21能够直接测量转角，并通过与之相连的角位移显示仪13读取转角并自动存储，固定在扭矩传感器底座43上的扭矩传感器19能够直接测量施加给试样24的扭矩，并通过与之相连的角位移显示仪13读取转角并自动存储。

所述的试样固定安装机构主要包括上连接座23、下连接座26、有机玻璃对开膜30、对开固定夹环25。先通过上连接座23、下连接座26、有机玻璃对开膜30夹持试样24的上下两端，有机玻璃对开膜30置于试样24与上连接座23、下连接座26之间，然后通过对开固定夹环25夹紧、固定螺栓二40固定试样24和上连接座23、下连接座26，使上连接座23、下连接座26、有机玻璃对开膜30和试样24固定成整体。

所述的扭矩传感器上端头固定机构主要包括可升降套筒17、插销18、调节螺栓39。将可升降套筒17套进扭矩传感器19上端头，并通过插销18使它们成为一个整体，通过调节调节螺栓39，调整可升降套筒17的支架高度，使之与上部平10下端面接触，并通过埋头螺栓一33固定在上部平台10下端面。

当试样24与上连接座23、下连接座26固定为整体后，通过埋头螺栓二36把下连接座26固定在试样底座，通过调节底座升降调节器29来调整试样底座27的高度，使上连接座23刚好与连接轴48下端面接触；轴承22将中部平台分割成三部分，使中间部分只能转动，不能轴向移动，上传动轴20穿过被轴承22分割的中间部分，并与之成为一体，保证了在传递扭矩的同时解决了上部机械部件的自重对试样上端施加压力的问题，避免了试验开始前对试样的扰动。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述底座1下安装有多个滚轮31，该滚轮31带有自锁防滑功能，做试验时把试验装置推到方便试验人员操作的地方，不做实验时把试验装置推到适合的地方放置，这样可以合理利用实验室空间并避免对试验装置造成损坏。

为了使围压室的密封性更好，测量精度高，所述围压室盖46和连接轴48之间设置有密封橡胶圈一54，所述围压室底座53与下传动轴4之间设置有密封橡胶圈二55。

所述定位夹持器41侧壁上设置有螺杆42，拧紧螺杆42可以锁定连接轴48，松开螺杆42可以使得连接轴48自由运动。

为了方便工作人员操作，所述扭矩电动机11侧壁上设置有手轮一12，所述底座升降调节器29侧壁设置有手轮二28。

所述可升降套筒17的支架上安装有调节螺栓39，调节螺栓39便于可升降套筒17的安装固定。

所述连接轴48下端设有磁性柱形凸起35，上连接座23上表面设置有与磁性柱形凸起35相咬合的柱形凹槽，连接轴48下端磁性柱形凸起35嵌入试样上连接座23的柱形凹槽中，工作时能更好的带动连接轴48转动。

另外，所述上部平台10的下表面固定安装有润滑机构32，润滑机构32位于扭矩输出轴14的一侧且与扭矩电动机11相连通，润滑机构32内部有一个油泵，当扭矩电动机11开机运转时，润滑机构32通过油泵将润滑油运转到扭矩电动机11内部，以确保有效地减小仪器设备构件之间的机械摩阻力，对于试验的精度有显著的提高，试验结束后，关闭电机，润滑油因重力作用自动回流到润滑机构32中，可将剩余的润滑剂自动收集存储。

本发明装置中的试样的安装方法是：

如图1、图7、图8、图9所示，先将上连接座23、下连接座26、包裹薄膜的试样24固定成为一个整体，将下连接座26放置在实验室工作台上，再将一对有机玻璃对开膜30紧贴下连接座26内壁，将用彩色记号笔沿垂直方向所画的六条等分标记线的薄膜贴在表面均匀涂抹凡士林或真空脂的试样24上，薄膜面积比试样侧面面积稍大，然后将包裹薄膜的试样24置于放置好的有机玻璃对开膜30上，放置好试样24后将另一对有机玻璃对开膜30在试样24上端组合好，然后将上连接座23放置在有机玻璃对开膜30上，最后将两个对开固定夹环25分别安装在上连接座23和下连接座26，调节对开固定夹环25上的固定螺栓二40使上连接座23、下连接座26恰好夹持住包裹薄膜的试样24，当包裹薄膜的试样24与上接连座23、下连接座26固定为整体后，通过埋头螺栓二36把下连接座26固定在试样底座27上，用围压室固定螺栓52将围压罩47与围压室盖46固定安装在围压室底座53上，通过调节底座升降调节器29侧面的手轮二28来调整围压室底座53的高度，使连接轴48下端面中心位置的磁性柱形凸起35嵌入试样上连接座26柱形凹槽中，并使上连接座26刚好与连接轴48的下端面接触，在包裹薄膜的试样24安装过程中，拧紧定位夹持器41侧面的螺杆42锁定上传动轴20，以便保护包裹薄膜的试样24不受影响，安装好包裹薄膜的试样24后对仪器进行调整，即可进入试验阶段。

本发明装置用于围压施加实验的方法是：

如图1、图2所示，围压的施加主要依靠围压气体给排通道51、围压测量通道49、围压测量通仪50、围压加载控制仪56实施。本发明采用的是气压传递压力模式，通过围压气体给排通道51给围压室的内部充入围压气体的方式给包裹薄膜的试样24施加围压，由围压加载控制仪56和围压测量仪50控制与调节施加在包裹薄膜的试样24上的围压；当不施加围压时，能够测试土体试样处于无围压条件下的纯扭剪应力路径下的强度特性。

本发明装置用于扭矩施加实验的方法是：

如图1、图2所示，扭矩的施加是通过扭矩电动机11与传动链条16施加的。通过扭矩电动机控制器37控制扭矩电动机11的转动速率，扭矩输出轴14与扭矩传动轴15同轴连接，依靠连接扭矩传动轴15与上传动轴20的传动链条16，使上传动轴20转动，带动中部平台8被轴承22分割的中间部分，连接轴48也会随着转动，从而给试样的顶端施加扭矩。

本发明装置的土体试样体变测量原理，如图1所示，土体试样体变测量主要依靠三维成像扫描仪6。本发明采用更为先进且精确的测量方法取代了传统的体变测量方法，通过三维成像扫描仪6记录从试验开始到结束的所有图像，用相应的采集软件采集并存储，通过包裹试样薄膜上不同颜色的标记线可以分辨出不同扫描装置不同时刻扫描的图像，亦可从某一时刻扫描的图像中分析试样扭转的角度，并由相关计算得到试验过程中试样的体积变形。

本发明装置的数据采集原理是：如图1、图2所示，通过相应的传感器与对应的显示仪表实现的，具体的过程包括：通过扭矩电动机11的转动，带动扭矩输出轴14与扭矩传动轴15转动，依靠连接扭矩传动轴15与上传动轴20的传动链条16，使上传动轴20转动，上传动轴20的转动同时带动上端与之连接的扭矩传感器11和下端与之连接的上连接座23，通过可升降套筒17固定扭矩传感器11上端头，使之不能转动，这样施加在试样上的扭矩能够通过扭矩传感器11测得，并通过与之连接的扭矩显示仪9读取并保存，与此同时，套装在上传动轴11上的绝对式角位移传感器21能够测量扭转角，并通过与之连接的角位移显示仪13显示并记录，土体试样围压值能够由围压测量仪50测量与记录。

综上所述，本发明装置能够适用于原状土样和重塑土样，将先进的三维成像应用到本发明中，能够同时研究土体宏观力学特性与在整个加载过程中土体的细微观结构变形、裂缝发展和破坏机制，得到新的体变测量方法；改进试样的夹持方法并配套相应的夹持装置，以保护试样不受扰动；同时，本发明装置采用电动控制加载，实现了数据自动采集使得操作规范、数据采集方便且可靠；本发明造价低廉、操作简单，对试验人员无更高的技术、经验要求，而且保证了试验的成功率。

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部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，其特征在于：包括底座(1)和安装在底座(1)上的箱体(2)，所述箱体(2)上表面为工作平台(3)，所述工作平台(3)上表面边缘安装有中部支撑立柱(5)，工作平台(3)上表面中间固定有底座升降调节器(29)，贯穿箱体(2)上端工作平台(3)和底座升降调节器(29)设置有下传动轴(4)，所述下传动轴(4)上端连接围压室底座(53)，所述围压室底座(53)上通过围压室固定螺栓(52)固定有围压罩(47)，围压罩(47)上端设置围压室盖(46)，该围压室底座(53)、围压罩(47)和围压室盖(46)构成围压室，所述围压室底座(53)上部轴心位置安装有试样底座(27)，所述试样底座(27)通过埋头螺栓二(36)固定连接下连接座(26)，所述下连接座(26)上放置试样(24)，所述试样(24)上端安装上连接座(23)，试样(24)与上连接座(23)、下连接座(26)之间通过有机玻璃对开膜(30)及对开固定夹环(25)、固定螺栓二(40)固定为一个整体，所述围压室底座(53)内设有围压测量通道(49)和围压气体给排通道(51)，该围压测量通道(49)和围压气体给排通道(51)的一端与围压室相连通，所述中部支撑立柱(5)下部固定安装有围压测量仪(50)和围压加载控制仪(56)，围压测量通道(49)和围压气体给排通道(51)另一端分别与围压测量仪(50)和围压加载控制仪(56)对应连接，所述中部支撑立柱(5)上安装有三维成像扫描仪(6)，三维成像扫描仪(6)安装高度与试样(24)高度一致，所述围压室盖(46)上端轴心位置固定安装有轴心开孔的定位夹持器(41)，贯穿定位夹持器(41)和围压室盖(46)设置有连接轴(48)，所述连接轴(48)下端与上连接座(23)连接，连接轴(48)上端通过固定螺栓三(45)连接上传动轴(20)，所述围压室盖(46)上端面上设有排气螺栓(44)；

所述中部支撑立柱(5)顶端固定安装有中部平台(8)，所述中部平台(8)上表面边缘设置有上部支撑立柱(7)，中部平台(8)中部安装有轴承(22)，所述上传动轴(20)穿过中部平台(8)，上传动轴(20)下端套装有绝对式角位移传感器(21)，上传动轴(20)中部安装传动链条(16)，上传动轴(20)顶端焊接有扭矩传感器底座(43)，所述扭矩传感器底座(43)上端面通过固定螺栓一(34)固定连接扭矩传感器(19)，所述扭矩传感器(19)上部端头通过插销(18)固定连接可升降套筒(17)，所述上部支撑立柱(7)上固定安装有扭矩显示仪(9)和角位移显示仪(13)，所述扭矩传感器(19)信号输出端与扭矩显示仪(9)连接，所述绝对式角位移传感器(21)信号输出端与角位移显示仪(13)连接，所述上部支撑立柱(7)顶端固定安装有上部平台(10)，所述可升降套筒(17)上端通过埋头螺栓一(33)固定在上部平台(10)的下端面，所述上部平台(10)上端面一侧通过角钢(38)固定安装有扭矩电动机(11)，上部平台(10)上端面另一侧安装有扭矩电动机控制器(37)，所述扭矩电动机(11)与扭矩电动机控制器(37)电连接，所述扭矩电动机(11)的扭矩输出轴(14)穿过上部平台(10)同轴连接扭矩传动轴(15)，所述扭矩传动轴(15)通过传动链条(16)与上传动轴(20)连接；

所述底座(1)下安装有多个滚轮(31；

所述围压室盖(46)和连接轴(48)之间设置有密封橡胶圈一(54)，围压室底座(53)与下传动轴(4)之间设置有密封橡胶圈二(55)；

所述定位夹持器(41)侧壁上设置有螺杆(42)；

所述扭矩电动机(11)侧壁上设置有手轮一(12)；

所述底座升降调节器(29)侧壁设置有手轮二(28)；

所述可升降套筒(17)的支架上安装有调节螺栓(39)；

所述连接轴(48)下端设有磁性柱形凸起(35)，上连接座(23)上表面设置有与磁性柱形凸起(35)相咬合的柱形凹槽；

所述上部平台(10)的下表面固定有润滑机构(32)，该润滑机构(32)位于扭矩输出轴(14)的一侧且与扭矩电动机(11)相连通。