CN106896021A - 一种全自动残余直剪剪切仪及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动残余直剪剪切仪，它包括直剪剪切仪(1)和计算机(2)，直剪剪切仪(1)通过航空插头(1‑28)分别与竖向荷重传感器(1‑19)、竖向位移传感器(1‑7)、水平荷重传感器(1‑21)和水平位移传感器(1‑12)相连接，所述的计算机(2)通过通讯协议与直剪剪切仪(1)相连接，通过计算机(2)或者控制面板(1‑14)向直剪剪切仪(1)发送命令，并将竖向荷重传感器(1‑19)和水平位移传感器(1‑12)反馈得到的竖向荷重F1和水平剪切量s2与目标值相对比，进行伺服闭环控制。本发明全自动残余直剪剪切仪可实现竖向加载和水平剪切的伺服闭环控制，稳定性能高，试验的控制和测量精度高。

Description

一种全自动残余直剪剪切仪及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种全自动残余直剪剪切仪，尤其涉及一种土工试验中能够测试土体的抗剪强度、摩擦角、粘聚力、残余强度、残余内摩擦角和残余粘聚力等物理力学参数的试验设备。
背景技术
在岩土工程中，土体及其合成材料的抗剪强度可通过三轴试验系统和直剪试验系统进行测试得到，通常采用的直剪测试系统主要为残余直剪剪切仪，残余直剪剪切仪主要包括三种形式，即传统的手动或者半自动杠杆式直剪剪切仪、手动气压阀半自动式直剪剪切仪和全自动形式的直剪剪切仪。
通常传统的杠杆式的手动或者半自动形式的直剪剪切仪由于砝码重量、杠杆比以及结构形式等的影响，在直剪试验中，轴向加载压力将受到限制，可控压力范围有限，且容易产生杠杆比和杠杆中心偏差，影响试验的精确度等等；相比杠杆式直剪剪切仪，手动气压阀半自动式直剪剪切仪将受到手动气压阀和压力表的影响，在剪切试验过程中，随着试样的压缩变形，气缸活塞将发生移动，施加在试样上的压力值将呈现下降的趋势，手动气压阀难以维持目标压力值，影响压力控制的稳定性，且采用压力表实现对压力的控制和读取，测量精度低，且易破损，维护成本高；而现有的全自动形式的直剪剪切仪在设计中多考虑试验功能的实现上，而忽略了仪器加工精度、工人装配误差以及试验操作中人为因素的影响，这将大大降低了试验的效率以及试验精确度。
经过专利文献检索，现有技术在试验加载方式和试验自动化方面对直剪剪切仪做了一些有益的探索和改进，例如：一种全自动应变控制式直剪测试仪器及其用途(中国专利201210064583.5)，改进了仪器的控制方式，实现了直剪试验的全过程自动化控制，但是该测试仪器为开环式控制系统，不能对仪器控制进行自动修正、调整，不能有效地避免加工误差和装配差别等不可抗因素的影响。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种全自动残余直剪剪切仪，通过水平位移传感器测量水平剪切量，可有效地避免部件加工、装配等不可抗因素造成的部件配合误差，提高试验控制、测量的精度，并通过对仪器部件的改造，提高试验操作的便易性和准确性，进而可大大的提高试验效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全自动残余直剪剪切仪，它包括直剪剪切仪和计算机，所述的直剪剪切仪通过航空插头分别与竖向荷重传感器、竖向位移传感器、水平荷重传感器和水平位移传感器相连接，所述的计算机通过通讯协议与直剪剪切仪相连接，通过计算机或者控制面板向直剪剪切仪发送命令，并将竖向荷重传感器和水平位移传感器反馈得到的竖向荷重F1和水平剪切量s2与目标值相对比，进行伺服闭环控制。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的直剪剪切仪包括垂直伺服加载系统和水平剪切驱动系统，所述的垂直伺服加载系统包括上部加载横梁，下部加载横梁，连接在上部加载横梁和下部加载横梁之间的拉杆，安装在上部加载横梁上的竖向荷重传感器，和安装在下部加载横梁上的气动加载装置或者电机加载装置；所述的竖向荷重传感器通过第一加载接头固定在上部加载横梁的中间位置，所述的竖向荷重传感器通过安装在底部的子弹型传力接头与承压盖顶部的凹槽相接触；
所述的气动加载装置或者电机加载装置的下部通过第二加载接头连接在下部加载横梁的中间位置，所述的气动加载装置或者电机加载装置的上部固定在固定挡板的中心位置；
所述的上部加载横梁一端设有U型开口，开设有U型开口便于以上部加载横梁的固定端为中心，旋转上部加载横梁，方便试样的安装与拆卸，并保证在试验操作过程中上部加载横梁的水平度；
所述的水平剪切驱动系统包括蜗轮蜗杆减速机、与蜗轮蜗杆减速机相连的电机、弓字型受力结构、水平荷重传感器和调节旋杆。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的拉杆穿过直线轴承固定于控制盒的顶部，在轴向加载过程中，通过直线轴承保证拉杆的垂直度和光滑度，提高试验控制和测量的精确度。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的气动加载装置通过活塞将气缸划分为两个密封区域，即下部密封区域E1和上部密封区域E2，通过向下部密封区域E1或上部密封区域E2施加气压力，依次带动下部加载横梁、拉杆和上部加载横梁进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的电机加载装置包括竖向电机和竖向蜗轮蜗杆减速机，所述的竖向电机安装在竖向蜗轮蜗杆减速机上，所述的竖向蜗轮蜗杆减速机的顶部和底部分别固定在固定挡板和下部加载横梁上，通过竖向电机运行带动竖向蜗轮蜗杆减速机进行上下移动，并依次带动下部加载横梁、拉杆和上部加载横梁进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，蜗轮蜗杆减速机的一端与电机相连接、蜗轮蜗杆减速机的另一端与连接杆的一端固定连接，连接杆的另一端通过固定螺母与剪切容器上的剪切推板相固定连接；
所述的弓字型受力结构的两端分别固定在上剪切盒的侧壁和水平荷重传感器上，所述的水平荷重传感器的另一端固定有调节旋杆，所述的调节旋杆通过底座固定在控制盒的顶面，可通过调节旋杆调整水平荷重传感器的水平度，使水平荷重传感器和连接杆处于同一轴线上。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，直剪剪切仪的控制盒的顶面安装有轨道，所述的轨道的中心位置与上部加载横梁、下部加载横梁的中心位置处于同一竖向轴线上；
所述的轨道凹槽内放置有钢珠，并与剪切容器底部的轨道相对应，下剪切盒固定于剪切容器的中心位置，上剪切盒通过定位销钉固定于下剪切盒上，并与下剪切盒保持竖向一致；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒两侧壁上分别通过固定螺丝固定有上剪切盒导向片，上剪切盒导向片带有牛眼；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒的上表面分别安装有两排牛眼，并与上剪切盒下表面的滑槽相对应。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的上剪切盒和下剪切盒可选择为方形试样上剪切盒和方形试样下剪切盒，用于进行方形试样的剪切固结试验，所述的方形试样下剪切盒的底部设置有环形排水通道，所述的环形排水通道与剪切容器底部的排水通道相契合形成一个排水通路。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的下剪切盒可更换为非饱和土下剪切盒，所述的非饱和土下剪切盒的底部安装有陶土板，并通过陶土板压片进行固定；
所述的非饱和土下剪切盒位于剪切容器和上剪切盒之间，上剪切盒、非饱和土下剪切盒、剪切容器、轨道和固定座、水平位移传感器位于封闭腔的内部，所述的传力接头通过竖向直线轴承穿过封闭腔顶部中心与承压盖顶部凹槽相接触，所述的连接杆通过第一水平直线轴承穿过封闭腔侧壁与剪切容器相连接，所述的弓字型受力结构通过第二水平直线轴承穿过封闭腔侧壁与上剪切盒相连接；
所述的封闭腔固定于控制盒顶面的中心位置。
作为优选方案，以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的竖向位移传感器通过传感器固定杆和传感器夹具固定于控制盒的顶面，竖向位移传感器的探头位于第一加载接头上，测量竖向荷重作用下试样的竖向变形量s1；
所述的水平位移传感器通过固定座固定于控制盒的顶面，水平位移传感器的探头与剪切容器的侧壁相接触，测量剪切过程中试样的实时水平剪切量s2。
本发明所述的全自动残余直剪剪切仪的工作方法为：
将工作运行指令，包括竖向加载、水平剪切速率、剪切量通过计算机或者控制面板按键发送给嵌入式微机控制系统(MCU系统)，嵌入式微机控制系统将命令分配给垂直伺服加载系统和水平剪切驱动系统：
垂直伺服加载系统：嵌入式微机控制系统向垂直电机/气压阀驱动装置发送目标轴向应力σt加载命令，垂直电机/气压阀驱动装置驱动竖向电机/电气控制阀进行工作，随之竖向蜗轮蜗杆减速机进行旋转/活塞移动，通过第二加载接头推动下部加载横梁使拉杆整体向下移动，第一加载接头随同上部加载横梁向下移动，对试样施加轴向应力σ，并通过竖向荷重传感器测量实时竖向荷重F1，换算得到实时轴向应力σ1，并将其反馈给嵌入式微机控制系统，嵌入式微机控制系统将对实时轴向应力σ1和目标轴向应力σt进行对比分析，使实时轴向应力σ1不断向目标轴向应力σt靠近，最终稳定于目标轴向应力σt，同时，通过竖向位移传感器测量试样的竖向变形量s1，并将其竖向变形量s1反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的竖向变形量s1发送给计算机；
水平剪切驱动系统：嵌入式微机控制系统(MCU系统)向水平电机驱动装置发送目标水平剪切速率vt和目标剪切量st命令，水平电机驱动装置驱动电机进行工作，随之蜗轮蜗杆减速机进行旋转，通过连接杆推动剪切容器进行水平移动，水平位移传感器测得试验过程中的实时水平剪切量s2，实时水平剪切量s2反馈进入嵌入式微机控制系统，根据系统内部的试验时间t和实时水平剪切量s2计算得到实时水平剪切速率v1，并与目标水平剪切速率vt进行对比分析，当实时水平剪切速率v1与目标水平剪切速率vt发生偏离时，系统内部将自动对试验的水平剪切速率v进行调整，当实时水平剪切量s2达到目标剪切量st时，自动停止试验，同时，试验过程中水平荷重传感器将测得的水平剪切力Fh反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的水平剪切力Fh发送给上位机计算机。
本发明所述的全自动残余直剪剪切仪的操作方法，包括以下步骤：
步骤一：制作试样，根据《土工试验方法标准》GBT50123-1999和试验方案制作相应的试样1-40；
步骤二：安装试样，利用定位销钉1-33将上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的内部依次放入透水石1-41和滤纸，并将装有试样1-40的环刀平口向下，试样1-40上部依次放置滤纸、透水石1-41和承压盖1-39，然后将试样1-40平稳推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的内部，移去环刀，旋转上部加载横梁1-8使传力接头1-20与承压盖1-39顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母1-23，使上部加载横梁1-8固定于拉杆1-9；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34内部的定位销钉1-33，通过控制面板1-14按键对试样1-40施加3～5kPa的预压，并在计算机2上设置试验所需的目标轴向应力σt、目标水平剪切速率vt和目标剪切量st参数，计算机2将自动对仪器进行控制和采集；
步骤四：完成试验，拆除试样1-40，清理仪器。
作为优选方案，本发明所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的直剪剪切仪可根据实际需要，替换为四联直剪剪切仪或者四联非饱和土直剪仪，所述的四联直剪剪切仪包括第一直剪剪切仪、第二直剪剪切仪、第三直剪剪切仪和第四直剪剪切仪，所述的第一直剪剪切仪、第二直剪剪切仪、第三直剪剪切仪和第四直剪剪切仪相互之间均通过第一蜗杆、联轴器和第二蜗杆连接。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪的上部加载横梁采用可旋转式结构，在拆装试样的过程中，通过固定下部两个螺母不动，能够有效地保证上部加载横梁的水平，从而可大大提高试验控制和测量的精确度，并可方便拆卸试样，可克服现有技术的不足。
2、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪采用独特的剪切盒结构设计，在试验过程中能够使试样完全浸没在水中，可有效地保证试验中对试样的饱和程度的要求，并能够在不更换剪切容器的条件下，更换不同规格的剪切盒，可进行圆形和方形等试样试验，满足国内外各类土工试验规范、英国BS1377和美国ASTM等规范的试验要求，通用性更好。
3、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪为配合独特的剪切盒结构设计，水平测力系统采用弓字型受力杆，在保证正常受力的情况下，能够满足各类试验的需要，通用性更好，实用性更强。
4、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪采用带有牛眼的上剪切盒导向片和带有牛眼的下剪切盒，可有效地降低剪切过程中导向片对上剪切盒的摩擦影响以及上下剪切盒间的摩擦影响，从而能大大提高试验的测量精度；
5、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪采用位移传感器测量水平剪切量，可有效地避免部件加工、装配等不可抗因素造成的部件配合误差，提高试验控制和测量的精度；由于配套高精度水平位移传感器(量程高达50.4mm，精度0.003mm、分辨率0.001mm)可实现直接剪切应力松弛试验；
6、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪采用直线轴承对拉杆进行固定，可避免拉杆移动过程所产生的摩擦影响，从而可有效地保证试验过程中拉杆的垂直度；
7、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪配套竖向位移传感器，可进行各类固结试验，实现不同固结稳定标准；同时可通过更换非饱和土剪切刀实现非饱和土固结和直剪试验；
8、本发明所述的全自动残余直剪剪切仪采用伺服闭环系统设计，能够有效地控制试验中对应力、剪切速率和剪切量的稳定性要求，保证试验控制的精确度要求。
附图说明
图1是本发明所述的全自动残余直剪剪切仪的结构示意图。
图2是本发明所述的直剪剪切仪的结构示意图。
图3是本发明所述的直剪剪切仪的正视图。
图4是本发明图3所述的直剪剪切仪A-A剖面图。
图5是本发明图3所述的直剪剪切仪-机械式B-B剖面图。
图6是本发明图3所述的直剪剪切仪-气压式B-B剖面图。
图7是本发明所述的剪切盒俯视图。
图8是本发明所述的剪切容器结构示意图。
图9是本发明图7中II-II的放大结构示意图。
图10是本发明图9所述的C-C剖面图。
图11是本发明所述的下剪切盒俯视图。
图12是本发明所述的上剪切盒仰视图。
图13是本发明所述的方形试样剪切盒结构示意图。
图14是本发明所述的非饱和土试验剪切盒结构示意图。
图15是本发明所述的四联直剪剪切仪俯视图。
图16是本发明所述的四联非饱和直剪仪俯视图。
图17是本发明所述的全自动残余直剪剪切仪的工作原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1至14所示，一种全自动残余直剪剪切仪，它包括直剪剪切仪1和计算机2，所述的直剪剪切仪1通过航空插头1-28分别与竖向荷重传感器1-19、竖向位移传感器1-7、水平荷重传感器1-21和水平位移传感器1-12相连接，所述的计算机2通过通讯协议与直剪剪切仪1相连接，通过计算机2或者控制面板1-14向直剪剪切仪1发送命令，并将竖向荷重传感器1-19和水平位移传感器1-12反馈得到的竖向荷重F1和水平剪切量s2与目标值相对比，进行伺服闭环控制。
以上所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的直剪剪切仪1包括垂直伺服加载系统和水平剪切驱动系统，所述的垂直伺服加载系统包括上部加载横梁1-8，下部加载横梁1-44，连接在上部加载横梁1-8和下部加载横梁1-44之间的拉杆1-9，安装在上部加载横梁1-8上的竖向荷重传感器1-19，和安装在下部加载横梁1-44上的气动加载装置E或者电机加载装置F；所述的竖向荷重传感器1-19通过第一加载接头1-38固定在上部加载横梁1-8的中间位置，所述的竖向荷重传感器1-19通过安装在底部的子弹型传力接头1-20与承压盖1-39顶部的凹槽相接触；
所述的气动加载装置E或者电机加载装置F的下部通过第二加载接头1-45连接在下部加载横梁1-44的中间位置，所述的气动加载装置E或者电机加载装置F的上部固定在固定挡板1-25的中心位置；
所述的上部加载横梁1-8一端设有U型开口；
所述的水平剪切驱动系统包括蜗轮蜗杆减速机1-2、与蜗轮蜗杆减速机1-2相连的电机1-16、弓字型受力结构1-10、水平荷重传感器1-21和调节旋杆1-22。
所述的拉杆1-9穿过直线轴承1-43固定于控制盒1-1的顶部，在轴向加载过程中，通过直线轴承1-43保证拉杆1-9的垂直度和光滑度，提高试验控制和测量的精确度。
所述的气动加载装置E通过活塞1-46将气缸1-36划分为两个密封区域，即下部密封区域E1和上部密封区域E2，通过向下部密封区域E1或上部密封区域E2施加气压力，依次带动下部加载横梁1-44、拉杆1-9和上部加载横梁1-8进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
所述的电机加载装置F包括竖向电机1-42和竖向蜗轮蜗杆减速机1-47，所述的竖向电机1-42安装在竖向蜗轮蜗杆减速机1-47上，所述的竖向蜗轮蜗杆减速机1-47的顶部和底部分别固定在固定挡板1-25和下部加载横梁1-44上，通过竖向电机1-42运行带动竖向蜗轮蜗杆减速机1-47进行上下移动，并依次带动下部加载横梁1-44、拉杆1-9和上部加载横梁1-8进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
蜗轮蜗杆减速机1-2的一端与电机1-16相连接、蜗轮蜗杆减速机1-2的另一端与连接杆1-3的一端固定连接，连接杆1-3的另一端通过固定螺母1-17与剪切容器1-4上的剪切推板1-18相固定连接；
所述的弓字型受力结构1-10的两端分别固定在上剪切盒1-26的侧壁和水平荷重传感器1-21上，所述的水平荷重传感器1-21的另一端固定有调节旋杆1-22，所述的调节旋杆1-22通过底座1-13固定在控制盒1-1的顶面，可通过调节旋杆1-22调整水平荷重传感器1-21的水平度，使水平荷重传感器1-21和连接杆1-3处于同一轴线上。
直剪剪切仪1的控制盒1-1的顶面安装有轨道1-27，所述的轨道1-27的中心位置与上部加载横梁1-8、下部加载横梁1-44的中心位置处于同一竖向轴线上；
所述的轨道1-27凹槽内放置有钢珠1-29，并与剪切容器1-4底部的轨道相对应，下剪切盒1-34固定于剪切容器1-4的中心位置，上剪切盒1-26通过定位销钉1-33固定于下剪切盒1-34上，并与下剪切盒1-34保持竖向一致；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒1-34两侧壁上分别通过固定螺丝1-32固定有上剪切盒导向片1-30，上剪切盒导向片1-30带有牛眼1-31；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒1-34的上表面分别安装有两排牛眼1-31，并与上剪切盒1-26下表面的滑槽1-37相对应。
所述的上剪切盒1-26和下剪切盒1-34为方形试样上剪切盒1-49和方形试样下剪切盒1-48，用于进行方形试样的剪切固结试验，所述的方形试样下剪切盒1-48的底部设置有环形排水通道1-54，所述的环形排水通道1-54与剪切容器1-4底部的排水通道1-35相契合形成一个排水通路。
所述的下剪切盒1-34可更换为非饱和土下剪切盒1-50，所述的非饱和土下剪切盒1-50的底部安装有陶土板1-52，并通过陶土板压片1-51进行固定；
所述的非饱和土下剪切盒1-50位于剪切容器1-4和上剪切盒1-26之间，上剪切盒1-26、非饱和土下剪切盒1-50、剪切容器1-4、轨道1-27和固定座1-11、水平位移传感器1-12位于封闭腔1-53的内部，所述的传力接头1-20通过竖向直线轴承1-55穿过封闭腔1-53顶部中心与承压盖1-39顶部凹槽相接触，所述的连接杆1-3通过第一水平直线轴承1-56穿过封闭腔1-53侧壁与剪切容器1-4相连接，所述的弓字型受力结构1-10通过第二水平直线轴承1-57穿过封闭腔1-53侧壁与上剪切盒1-26相连接；
所述的封闭腔1-53固定于控制盒1-1顶面的中心位置。
所述的竖向位移传感器1-7通过传感器固定杆1-5和传感器夹具1-6固定于控制盒1-1的顶面，竖向位移传感器1-7的探头位于第一加载接头1-38上，测量竖向荷重作用下试样的竖向变形量s1；
所述的水平位移传感器1-12通过固定座1-11固定于控制盒1-1的顶面，水平位移传感器1-12的探头与剪切容器1-4的侧壁相接触，测量剪切过程中试样的实时水平剪切量s2。
如图15和图16所示，所述的直剪剪切仪1可替换为四联直剪剪切仪3或者四联非饱和土直剪仪4，所述的四联直剪剪切仪3包括第一直剪剪切仪3-1、第二直剪剪切仪3-2、第三直剪剪切仪3-3和第四直剪剪切仪3-4，所述的第一直剪剪切仪3-1、第二直剪剪切仪3-2、第三直剪剪切仪3-3和第四直剪剪切仪3-4相互之间均通过第一蜗杆3-5、联轴器3-6和第二蜗杆3-7连接。
实施例2
所述的全自动残余直剪剪切仪，所述的全自动残余直剪剪切仪的工作方法为：
如图17所示，工作运行指令(竖向加载、水平剪切速率、剪切量等)通过计算机2或者控制面板1-14按键发送给MCU系统(嵌入式微机控制系统)，MCU系统(嵌入式微机控制系统)将命令分配给本发明的相应系统：
垂直伺服加载系统：MCU系统向垂直电机/气压阀驱动装置发送目标轴向应力σt加载命令，垂直电机/气压阀驱动装置驱动竖向电机1-42/电气控制阀进行工作，随之竖向蜗轮蜗杆减速机1-47进行旋转/活塞1-46移动，通过第二加载接头1-45推动下部加载横梁1-44使拉杆1-9整体向下移动，第一加载接头1-38随同上部加载横梁1-8向下移动，对试样1-40施加轴向应力σ，并通过竖向荷重传感器1-19测量实时竖向荷重F1，换算得到实时轴向应力σ1，并将其反馈给MCU系统，MCU系统将对实时轴向应力σ1和目标轴向应力σt进行对比分析，使实时轴向应力σ1不断向目标轴向应力σt靠近，最终稳定于目标轴向应力σt，同时，通过竖向位移传感器1-7测量试样1-40的竖向变形量s1，并将其竖向变形量s1反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的竖向变形量s1发送给计算机2；
水平剪切驱动系统：MCU系统向水平电机驱动装置发送目标水平剪切速率vt和目标剪切量st命令，水平电机驱动装置驱动电机1-16进行工作，随之蜗轮蜗杆减速机1-2进行旋转，通过连接杆1-3推动剪切容器1-34进行水平移动，水平位移传感器1-12测得试验过程中的实时水平剪切量s2，实时水平剪切量s2反馈进入MCU系统，根据系统内部的试验时间t和实时水平剪切量s2计算得到实时水平剪切速率v1，并与目标水平剪切速率vt进行对比分析，当实时水平剪切速率v1与目标水平剪切速率vt发生偏离时，系统内部将自动对试验的水平剪切速率v进行调整，当实时水平剪切量s2达到目标剪切量st时，本发明将自动停止试验，同时，试验过程中水平荷重传感器1-21将测得的水平剪切力Fh反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的水平剪切力Fh发送给上位机计算机2。
实施例3
所述的全自动残余直剪剪切仪的操作步骤为：
步骤一：制作试样，根据《土工试验方法标准》GBT50123-1999和试验方案制作相应的试样1-40；
步骤二：安装试样，利用定位销钉1-33将上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的内部依次放入透水石1-41和滤纸，并将装有试样1-40的环刀平口向下，试样1-40上部依次方式滤纸、透水石1-41和承压盖1-39，然后将试样1-40平稳推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的内部，移去环刀，旋转上部加载横梁1-8使传力接头1-20与承压盖1-39顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母1-23，使上部加载横梁1-8固定于拉杆1-9；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34内部的定位销钉1-33，通过控制面板1-14按键对试样1-40施加5kPa的预压，并在计算机2上设置试验所需的目标轴向应力σt、目标水平剪切速率vt和目标剪切量st等参数，计算机2将自动对仪器进行控制和采集；
可实现以下常规固结直剪试验：
①逐级加载试验：通过垂直伺服加载系统对试样1-40施加试验所需要的目标轴向应力σt1，当试样1-40的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，对试样1-40施加下一级目标轴向应力σt2，重复以上操作直至完成该试验方案；
②应变速率不变CRS固结试验：通过垂直伺服加载系统对试样1-40进行连续加载，使得试样1-40在单位时间内的变形量为常数，直至达到试验所需的最大应变为止；
③加载速率不变CRL固结试验：通过垂直伺服加载系统对试样1-40进行加载，保持单位时间内试样1-40的固结应力增长为常数，直至达到试验所需的最大固结应力为止；
④直剪试验：通过垂直伺服加载系统对试样1-40施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-40的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，对试样1-40施加目标水平剪切速率vt，水平剪切驱动系统将自动对试样1-40进行剪切，当剪切量达到试验设置目标剪切量st试验将自动终止。
⑤循环剪切试验：通过垂直伺服加载系统对试样1-40施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-40的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，对试样1-40施加目标水平剪切速率vt，水平剪切驱动系统将自动对试样1-40进行剪切，当剪切量达到试验设置目标剪切量st时仪器将自动退回初始状态进入下一次剪切过程，重复以上试验操作直至试验方案完成。
步骤四：完成试验，拆除试样1-40，清理仪器。
实施例4
所述的全自动残余直剪剪切仪进行直接剪切应力松弛试验的操作步骤为：
步骤一：制作试样，根据《土工试验方法标准》GBT50123-1999和试验方案制作相应的试样1-40；
步骤二：安装试样，利用定位销钉1-33将上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的内部依次放入透水石1-41和滤纸，并将装有试样1-40的环刀平口向下，试样1-40上部依次方式滤纸、透水石1-41和承压盖1-39，然后将试样1-40平稳推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的内部，移去环刀，旋转上部加载横梁1-8使传力接头1-20与承压盖1-39顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母1-23，使上部加载横梁1-8固定于拉杆1-9；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34内部的定位销钉1-33，通过控制面板1-14按键对试样1-40施加5kPa的预压，并在计算机2上设置试验所需的目标轴向应力σt和目标剪切量st等参数，计算机2将自动对仪器进行控制和采集：通过垂直伺服加载系统对试样1-40施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-40的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，计算机2对仪器发送下一阶段命令，蜗轮蜗杆推动下剪切盒1-34，试样1-40达到目标剪切量st，并维持该目标剪切量st，通过竖向荷重传感器1-19测量实时竖向荷重F2；
步骤四：完成试验，拆除试样1-40，清理仪器。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，它包括直剪剪切仪(1)和计算机(2)，所述的直剪剪切仪(1)通过航空插头(1-28)分别与竖向荷重传感器(1-19)、竖向位移传感器(1-7)、水平荷重传感器(1-21)和水平位移传感器(1-12)相连接，所述的计算机(2)通过通讯协议与直剪剪切仪(1)相连接，通过计算机(2)或者控制面板(1-14)向直剪剪切仪(1)发送命令，并将竖向荷重传感器(1-19)和水平位移传感器(1-12)反馈得到的竖向荷重F1和水平剪切量s2与目标值相对比，进行伺服闭环控制。
2.根据权利要求1所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的直剪剪切仪(1)包括垂直伺服加载系统和水平剪切驱动系统，所述的垂直伺服加载系统包括上部加载横梁(1-8)、下部加载横梁(1-44)，连接在上部加载横梁(1-8)和下部加载横梁(1-44)之间的拉杆(1-9)，安装在上部加载横梁(1-8)上的竖向荷重传感器(1-19)，和安装在下部加载横梁(1-44)上的气动加载装置(E)或者电机加载装置(F)；所述的竖向荷重传感器(1-19)通过第一加载接头(1-38)固定在上部加载横梁(1-8)的中间位置，所述的竖向荷重传感器(1-19)通过安装在底部的子弹型传力接头(1-20)与承压盖(1-39)顶部的凹槽相接触；
所述的气动加载装置(E)或者电机加载装置(F)的下部通过第二加载接头(1-45)连接在下部加载横梁(1-44)的中间位置，所述的气动加载装置(E)或者电机加载装置(F)的上部固定在固定挡板(1-25)的中心位置；
所述的上部加载横梁(1-8)一端设有U型开口；
所述的水平剪切驱动系统包括蜗轮蜗杆减速机(1-2)、与蜗轮蜗杆减速机(1-2)相连的电机(1-16)、弓字型受力结构(1-10)、水平荷重传感器(1-21)和调节旋杆(1-22)。
3.根据权利要求2所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的拉杆(1-9)穿过直线轴承(1-43)固定于控制盒(1-1)的顶部，在轴向加载过程中，通过直线轴承(1-43)保证拉杆(1-9)的垂直度和光滑度，提高试验控制和测量的精确度。
4.根据权利要求2所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的气动加载装置(E)通过活塞(1-46)将气缸(1-36)划分为两个密封区域，即下部密封区域E1和上部密封区域E2，通过向下部密封区域E1或上部密封区域E2施加气压力，依次带动下部加载横梁(1-44)、拉杆(1-9)和上部加载横梁(1-8)进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
5.根据权利要求2所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的电机加载装置(F)包括竖向电机(1-42)和竖向蜗轮蜗杆减速机(1-47)，所述的竖向电机(1-42)安装在竖向蜗轮蜗杆减速机(1-47)上，所述的竖向蜗轮蜗杆减速机(1-47)的顶部和底部分别固定在固定挡板(1-25)和下部加载横梁(1-44)上，通过竖向电机(1-42)运行带动竖向蜗轮蜗杆减速机(1-47)进行上下移动，并依次带动下部加载横梁(1-44)、拉杆(1-9)和上部加载横梁(1-8)进行向上或者向下移动，实现对试样的竖向卸荷和竖向加压操作。
6.根据权利要求2所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，蜗轮蜗杆减速机(1-2)的一端与电机(1-16)相连接、蜗轮蜗杆减速机(1-2)的另一端与连接杆(1-3)的一端固定连接，连接杆(1-3)的另一端通过固定螺母(1-17)与剪切容器(1-4)上的剪切推板(1-18)相固定连接；
所述的弓字型受力结构(1-10)的两端分别固定在上剪切盒(1-26)的侧壁和水平荷重传感器(1-21)上，所述的水平荷重传感器(1-21)的另一端固定有调节旋杆(1-22)，所述的调节旋杆(1-22)通过底座(1-13)固定在控制盒(1-1)的顶面，可通过调节旋杆(1-22)调整水平荷重传感器(1-21)的水平度，使水平荷重传感器(1-21)和连接杆(1-3)处于同一轴线上。
7.根据权利要求1所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，直剪剪切仪(1)的控制盒(1-1)的顶面安装有轨道(1-27)，所述的轨道(1-27)的中心位置与上部加载横梁(1-8)、下部加载横梁(1-44)的中心位置处于同一竖向轴线上；
所述的轨道(1-27)凹槽内放置有钢珠(1-29)，并与剪切容器(1-4)底部的轨道相对应，下剪切盒(1-34)固定于剪切容器(1-4)的中心位置，上剪切盒(1-26)通过定位销钉(1-33)固定于下剪切盒(1-34)上，并与下剪切盒(1-34)保持竖向一致；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒(1-34)两侧壁上分别通过固定螺丝(1-32)固定有上剪切盒导向片(1-30)，上剪切盒导向片(1-30)带有牛眼(1-31)；
在水平剪切方向上，所述的下剪切盒(1-34)的上表面分别安装有两排牛眼(1-31)，并与上剪切盒(1-26)下表面的滑槽(1-37)相对应。
8.根据权利要求1所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的上剪切盒(1-26)和下剪切盒(1-34)可选择为方形试样上剪切盒(1-49)和方形试样下剪切盒(1-48)，用于进行方形试样的剪切固结试验，所述的方形试样下剪切盒(1-48)的底部设置有环形排水通道(1-54)，所述的环形排水通道(1-54)与剪切容器(1-4)底部的排水通道(1-35)相契合形成一个排水通路。
9.根据权利要求1所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的下剪切盒(1-34)可更换为非饱和土下剪切盒(1-50)，所述的非饱和土下剪切盒(1-50)的底部安装有陶土板(1-52)，并通过陶土板压片(1-51)进行固定；
所述的非饱和土下剪切盒(1-50)位于剪切容器(1-4)和上剪切盒(1-26)之间，上剪切盒(1-26)、非饱和土下剪切盒(1-50)、剪切容器(1-4)、轨道(1-27)和固定座(1-11)、水平位移传感器(1-12)位于封闭腔(1-53)的内部，所述的传力接头(1-20)通过竖向直线轴承(1-55)穿过封闭腔(1-53)顶部中心与承压盖(1-39)顶部凹槽相接触，所述的连接杆(1-3)通过第一水平直线轴承(1-56)穿过封闭腔(1-53)侧壁与剪切容器(1-4)相连接，所述的弓字型受力结构(1-10)通过第二水平直线轴承(1-57)穿过封闭腔(1-53)侧壁与上剪切盒(1-26)相连接；
所述的封闭腔(1-53)固定于控制盒(1-1)顶面的中心位置。
10.根据权利要求1所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的竖向位移传感器(1-7)通过传感器固定杆(1-5)和传感器夹具(1-6)固定于控制盒(1-1)的顶面，竖向位移传感器(1-7)的探头位于第一加载接头(1-38)上，测量竖向荷重作用下试样的竖向变形量s1；
所述的水平位移传感器(1-12)通过固定座(1-11)固定于控制盒(1-1)的顶面，水平位移传感器(1-12)的探头与剪切容器(1-4)的侧壁相接触，测量剪切过程中试样的实时水平剪切量s2。
11.权利要求1至10任一项所述的全自动残余直剪剪切仪的工作方法为：
将工作运行指令，包括竖向加载、水平剪切速率、剪切量通过计算机(2)或者控制面板(1-14)按键发送给嵌入式微机控制系统，嵌入式微机控制系统将命令分配给垂直伺服加载系统和水平剪切驱动系统：
垂直伺服加载系统：嵌入式微机控制系统向垂直电机/气压阀驱动装置发送目标轴向应力σt加载命令，垂直电机/气压阀驱动装置驱动竖向电机(1-42)/电气控制阀进行工作，随之竖向蜗轮蜗杆减速机(1-47)进行旋转/活塞(1-46)移动，通过第二加载接头(1-45)推动下部加载横梁(1-44)使拉杆(1-9)整体向下移动，第一加载接头(1-38)随同上部加载横梁(1-8)向下移动，对试样(1-40)施加轴向应力σ，并通过竖向荷重传感器(1-19)测量实时竖向荷重F1，换算得到实时轴向应力σ1，并将其反馈给嵌入式微机控制系统，嵌入式微机控制系统将对实时轴向应力σ1和目标轴向应力σt进行对比分析，使实时轴向应力σ1不断向目标轴向应力σt靠近，最终稳定于目标轴向应力σt，同时，通过竖向位移传感器(1-7)测量试样(1-40)的竖向变形量s1，并将其竖向变形量s1反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的竖向变形量s1发送给计算机(2)；
水平剪切驱动系统：嵌入式微机控制系统向水平电机驱动装置发送目标水平剪切速率vt和目标剪切量st命令，水平电机驱动装置驱动电机(1-16)进行工作，随之蜗轮蜗杆减速机(1-2)进行旋转，通过连接杆(1-3)推动剪切容器(1-34)进行水平移动，水平位移传感器(1-12)测得试验过程中的实时水平剪切量s2，实时水平剪切量s2反馈进入嵌入式微机控制系统，根据系统内部的试验时间t和实时水平剪切量s2计算得到实时水平剪切速率v1，并与目标水平剪切速率vt进行对比分析，当实时水平剪切速率v1与目标水平剪切速率vt发生偏离时，系统内部将自动对试验的水平剪切速率v进行调整，当实时水平剪切量s2达到目标剪切量st时，自动停止试验，同时，试验过程中水平荷重传感器(1-21)将测得的水平剪切力Fh反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的水平剪切力Fh发送给上位机计算机(2)。
12.权利要求1～10任一项所述的全自动残余直剪剪切仪的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制作试样，根据《土工试验方法标准》GBT50123-1999和试验方案制作相应的试样(1-40)；
步骤二：安装试样(1-40)，利用定位销钉(1-33)将上剪切盒(1-26)固定于下剪切盒(1-34)上，在下剪切盒(1-34)的内部依次放入透水石(1-41)和滤纸，并将装有试样(1-40)的环刀平口向下，试样(1-40)上部依次放置滤纸、透水石(1-41)和承压盖(1-39)，然后将试样(1-40)平稳推入上剪切盒(1-26)和下剪切盒(1-34)的内部，移去环刀，旋转上部加载横梁(1-8)使传力接头(1-20)与承压盖(1-39)顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母(1-23)，使上部加载横梁(1-8)固定于拉杆(1-9)；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒(1-26)和下剪切盒(1-34)内部的定位销钉(1-33)，通过控制面板(1-14)按键对试样(1-40)施加3～5kPa的预压，并在计算机(2)上设置试验所需的目标轴向应力σt、目标水平剪切速率vt和目标剪切量st参数，计算机(2)将自动对仪器进行控制和采集；
步骤四：完成试验，拆除试样(1-40)，清理仪器。
13.根据权利要求1～10任一项所述的全自动残余直剪剪切仪，其特征在于，所述的直剪剪切仪(1)可替换为四联直剪剪切仪(3)或者四联非饱和土直剪仪(4)，所述的四联直剪剪切仪(3)包括第一直剪剪切仪(3-1)、第二直剪剪切仪(3-2)、第三直剪剪切仪(3-3)和第四直剪剪切仪(3-4)，所述的第一直剪剪切仪(3-1)、第二直剪剪切仪(3-2)、第三直剪剪切仪(3-3)和第四直剪剪切仪(3-4)相互之间均通过第一蜗杆(3-5)、联轴器(3-6)和第二蜗杆(3-7)连接。
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