CN106940274B - 一种全自动流变直剪仪及其实验操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全自动流变直剪仪及其操作方法，它包括流变直剪仪(1)和计算机(2)。流变直剪仪(1)采用伺服闭环控制，利用垂直伺服加载系统中的竖向荷重传感器(1‑19)对施加在试样(1‑30)上的轴向应力进行调整控制，同时通过水平剪切驱动系统中与水平剪切驱动装置相连接的第一水平荷重传感器(1‑3)，对试样(1‑30)施加恒定的水平剪切力，实现土体的直接剪切蠕变试验；并通过水平位移传感器(1‑16)实现试样(1‑30)水平剪切量的精确控制，进行土体的直接剪切应变松弛试验。本发明不仅可以进行常规直剪试验，还可以进行土体流变直剪试验，稳定性能高，可实现试验精确控制和采集的全过程自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种全自动流变直剪仪，尤其涉及一种能够进行饱和/非饱和土体材料蠕变特性和应力松弛特性的直接剪切设备及其实验操作方法。
背景技术
在岩土工程中，除受到土体本身的颗粒组成、矿物成分、含水情况等物理因素的影响，土体材料的物理力学性质还受到温度、初始应力状态和时间等外界因素的影响。针对时间因素，土体的应力-应变关系主要表现出复杂的流变特性，而土体的流变特性主要包括土体的蠕变、应力松弛和长期荷载作用下强度的降低等等。
在室内试验研究中，土体的流变特性的研究一般采用能够直接施加剪力的流变直剪试验方法和间接进行剪切试验的流变三轴试验方法。其中，针对直接流变试验方法，土体蠕变特性多采用直接剪切蠕变仪进行试验研究，传统的直接剪切蠕变仪通常包括剪切盒、加压系统、剪切系统和测量系统，加压系统为杠杆+砝码的结构形式，由于考虑到试验中对剪切应力的控制，剪切系统多采用定向滑轮+砝码的结构形式，通过施加砝码对试样进行竖向应力和水平向应力的控制，但是由于砝码重量的限制，应力控制过程中很难对试样实现连续应力控制，且在试验过程中，杠杆+砝码的结构形式易产生杠杆偏心的问题，影响试验控制的精度；在剪切过程中，定向滑轮+砝码的结构形式虽然能够有效地对试样施加恒定的剪切应力，但是试样易受到该结构形式所产生的扭矩影响，降低剪切应力的控制精度，且砝码是通过与定向滑轮配套的绳索进行施加的，在放置砝码的过程中绳索易产生晃动，易影响剪切应力施加的稳定性，易产生偏心影响。
其次，针对测量系统中对剪切位移量的测量，谷任国(2006年)等人对剪切位移的测量精度进行了改进，利用百分表+1mm千分表相结合的形式对试验中的剪切位移进行量测，即利用百分表达到试验测量范围的要求、千分表达到试验测量精度的要求，在一定程度上提高了蠕变测量的精度，但是在直接剪切蠕变过程中土样的蠕变位移量往往会超过1mm千分表的量程，利用百分表和1mm千分表相配合的形式来测量蠕变位移量，很难避免其操作繁琐、百分表和千分表的配合误差、测量读数偏差、计算复杂、累积误差等等人为问题影响，在一定程度上较难满足试验测量的精度要求。
而在直接流变试验方法中，土体的应力松弛特性的研究多采用直接剪切应力松弛仪进行试验研究。相对直接剪切蠕变仪，传统直接剪切应力松弛仪的剪切系统则是采用蜗轮杆的结构形式对试样施加恒定的剪切变形。由于作用机理的不同，两种传统试验仪器功能过于单一，难以合二为一，大大降低了试验设备的利用率，提高了试验成本。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：针对现有流变直剪仪存在的问题，提出一种全自动流变直剪仪，不仅可进行直接剪切蠕变试验，又可以进行直接剪切应力松弛试验，有效地提高了试验控制和测量的精度，并可对试验全过程进行自动化控制。
一种全自动流变直剪仪，它包括流变直剪仪和计算机，所述的流变直剪仪通过通讯协议与计算机相连接，可通过计算机或者流变直剪仪上的控制面板实现对试验过程的控制。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的流变直剪仪包括控制面板、水平驱动装置、第一水平荷重传感器、剪切容器、轨道、竖向位移传感器、上部加载横梁、水平位移传感器、竖向荷重传感器、第二水平荷重传感器、下剪切盒、上剪切盒、承压盖、直线轴承、挡板、轴向加载装置、下部加载横梁、拉杆；
其中，所述的水平驱动装置固定在流变直剪仪的顶面，可采用伺服电机或者气缸作为驱动装置；所述的第一水平荷重传感器固定在水平驱动装置和连接杆之间，连接杆的一端通过固定螺母和固定在下剪切盒上的剪切推板安装在下剪切盒的侧壁上；
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的上剪切盒的侧壁设置有弓字型受力结构，所述的第二水平荷重传感器位于弓字型受力结构和调节旋杆之间；
所述的调节旋杆固定在基座上，通过调节调节旋杆可使第二水平荷重传感器处于水平状态，并与第一水平荷重传感器位于同一水平轴线上；
所述的轨道安装在流变直剪仪上，轨道上依次放置若干钢珠钢珠和剪切容器，所述的下剪切盒安装在剪切容器的内部，且下剪切盒的底部圆孔与剪切容器内的排水通道相契合，所述的上剪切盒位于下剪切盒的上部，可通过定位销钉将两者相固定；
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，在水平剪切方向，所述的下剪切盒的侧壁上安装有上剪切盒导向板，并在上剪切盒导向板的侧壁上安装有牛眼；
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，在水平剪切方向，所述的下剪切盒的顶面安装有两排牛眼，与此相对应的位置，上剪切盒的底部设置有两排滑槽；
所述的下剪切盒和上剪切盒的内部从下至上依次放置有透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石和承压盖；
所述的拉杆通过直线轴承穿过流变直剪仪的顶面，并在拉杆的两端分别固定上部加载横梁和下部加载横梁，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心，所述的传力接头固定在竖向荷重传感器的下方，并与承压盖相接触；
所述的第二加载接头安装在下部加载横梁的中心，所述的轴向加载装置(可采用伺服电机和气缸)安装在挡板和第二加载接头之间，所述的挡板固定在流变直剪仪的顶面上；
所述的竖向位移传感器通过安装在流变直剪仪顶面的数显表夹具进行固定，所述的竖向位移传感器探头位于第一加载接头的顶部。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的竖向位移传感器和水平位移传感器采用高精度光栅传感器。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的上部加载横梁的端部设有U型开口，可通过旋转上部加载横梁、旋动上部固结螺母、固定下部固定螺母的方式进行试样的安装与拆除。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，在试验过程中，所述的轴向加载装置启动工作，推动与轴向加载装置相连接的下部加载横梁向下移动，拉杆将带动上部加载横梁向下对试样施加竖向荷重F；完成试验后，同上，轴向加载装置将反向进行工作，并使下部加载横梁、拉杆和上部加载横梁向上移动，卸除对试样的竖向荷重F。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的上剪切盒和下剪切盒分别可更换为方形试样上剪切盒和方形试样下剪切盒进行方形试样的剪切试验，所述的方形试样下剪切盒底部的环形排水通道与剪切容器底部的排水通道相配合，形成一个完整的排水通道。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的下剪切盒可更换为非饱和土下剪切盒进行非饱和土直剪试验；当进行非饱和土试验时，所述的上剪切盒、非饱和土下剪切盒、剪切容器和轨道依次安装在密封腔中，所述的连接杆和弓字型受力结构分别通过第一水平直线轴承和第二水平直线轴承穿过密封腔的侧壁，所述的传力接头通过竖向直线轴承穿过密封腔的顶部与承压盖相接触。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的流变直剪仪可扩展为四联流变直剪仪或者多联流变直剪仪，所述的四联流变直剪仪包括独立工作的第一流变直剪仪、第二流变直剪仪、第三流变直剪仪和第四流变直剪仪。
作为优选方案，以上所述的全自动流变直剪仪，所述的流变直剪仪可扩展为四联非饱和流变直剪仪或者多联非饱和流变直剪仪。
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流变直剪仪可以采用计算机控制，能够实现试验过程的自动化控制和采集，并采用伺服闭环控制，可克服传统设备开环控制对试验控制精度的影响。
2、本发明所述的全自动流变直剪仪的上部加载横梁采用一端U型开口的形式，可通过固定下部固定螺母、旋动上部固定螺母和上部加载横梁的方式进行安装、拆除试样操作，可有效地避免安装和拆卸试样的过程中上部加载横梁倾斜的影响，可大大提高试验的控制精度。
3、本发明所述的全自动流变直剪仪采用上剪切盒和下剪切盒位于上剪切盒内部的结构，可通过向剪切容器内注水没过试样的方式，保证试验过程中试样的饱和程度，可有效地避免蒸发对试样饱和度的影响，克服现有技术的不足。
4、本发明所述的全自动流变直剪仪不仅适用于剪切试验的应力控制，还适用于剪切试验的应变控制，功能全面，可有效地提高试验设备的利用率，降低试验成本。
5、本发明所述的全自动流变直剪仪采用直线轴承作为各部件间的贯通、连接方式，可有效地保证试验过程中设备部件运行的垂直度和水平度，并大大降低部件间摩擦力的影响，从而相比现有技术提高实验测量结果的精度。
6、本发明所述的全自动流变直剪仪采用高精度光栅传感器作为竖向位移传感器和水平位移传感器，在满足试验测量范围要求的同时，可有效地提高土体流变位移测量的精度。
7、本发明所述的全自动流变直剪仪可更换为不同规格、形式的剪切盒，能够进行不同尺寸的圆形、方向试样的试验研究，并可在现有基础上升级为非饱和试验设备、以及多联试验设备，实用性强，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明所述的全自动流变直剪仪的结构示意图。
图2是本发明所述的流变直剪装置的结构示意图。
图3是本发明所述的流变直剪装置的竖向剖面图。
图4是本发明所述的剪切盒结构俯视图。
图5是本发明所述的下剪切盒俯视图。
图6是本发明所述的上剪切盒仰视图。
图7是本发明所述的方形试样剪切盒结构示意图。
图8是本发明所述的四联流变直剪仪的剖面图。
图9是本发明所述的非饱和土下剪切盒的结构示意图。
图10是本发明所述的非饱和流变直剪仪压力室结构剖面图。
图11是本发明所述的四联非饱和流变直剪仪的结构示意图。
图12是本发明所述的直接剪切蠕变试验的工作原理图。
图13是本发明所述的直接剪切应力松弛试验的工作原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1-13所示，一种全自动流变直剪仪，它包括流变直剪仪1和计算机2，所述的流变直剪仪1通过通讯协议与计算机2相连接，可通过计算机2或者流变直剪仪1上的控制面板1-1实现对试验过程的控制。
所述的流变直剪仪1包括控制面板1-1、水平驱动装置1-2、第一水平荷重传感器1-3、剪切容器1-4、轨道1-5、竖向位移传感器1-7、上部加载横梁1-8、水平位移传感器1-16、竖向荷重传感器1-19、第二水平荷重传感器1-21、下剪切盒1-23、上剪切盒1-24、承压盖1-28、直线轴承1-31、挡板1-32、轴向加载装置1-34、下部加载横梁1-35和拉杆1-45；
所述的水平驱动装置1-2固定在流变直剪仪1的顶面，可采用伺服电机或者气缸作为驱动装置；所述的第一水平荷重传感器1-3固定在水平驱动装置1-2和连接杆1-40之间，连接杆1-40的一端通过固定螺母1-17和固定在下剪切盒1-23上的剪切推板1-18安装在下剪切盒1-23侧壁；
所述的上剪切盒1-24的侧壁设置有弓字型受力结构1-10，所述的第二水平荷重传感器1-21位于弓字型受力结构1-10和调节旋杆1-22之间；
所述的调节旋杆1-22固定在基座1-13上，通过调节调节旋杆1-22可使第二水平荷重传感器1-21处于水平状态，并与第一水平荷重传感器1-3位于同一水平轴线上；
所述的轨道1-5安装在流变直剪仪1上，轨道1-5上依次放置若干钢珠钢珠1-6、剪切容器1-4，所述的下剪切盒1-23安装在剪切容器1-4的内部，且下剪切盒1-23的底部圆孔与剪切容器1-4内的排水通道1-48相契合，所述的上剪切盒1-24位于下剪切盒1-23的上部，可通过定位销钉1-12将两者相固定；
在水平剪切方向，所述的下剪切盒1-23的侧壁安装有上剪切盒导向板1-11，并在上剪切盒导向板1-11的侧壁安装有牛眼1-15；
在水平剪切方向，所述的下剪切盒1-23的顶面安装有两排牛眼1-15，与此相对应的，上剪切盒1-24的底部设置有两排滑槽1-25；
所述的上剪切盒1-24和下剪切盒1-23的内部依次放置透水石1-29、滤纸、试样1-30、滤纸、透水石1-29和承压盖1-28；
所述的拉杆1-45通过直线轴承1-31穿过流变直剪仪1的顶面，并在拉杆1-45的两端分别固定上部加载横梁1-8和下部加载横梁1-35，所述的竖向荷重传感器1-19通过第一加载接头1-27固定在上部加载横梁1-8的中心，所述的传力接头1-20固定在竖向荷重传感器1-19的下方，并与承压盖1-28相接触；
所述的第二加载接头1-36安装在下部加载横梁1-35的中心，所述的轴向加载装置1-34(可采用伺服电机和气缸)安装在挡板1-32和第二加载接头1-36之间，所述的挡板1-32固定在流变直剪仪1的顶面上；
所述的竖向位移传感器1-7通过安装在流变直剪仪1顶面的数显表夹具1-14进行固定，所述的竖向位移传感器1-7探头位于第一加载接头1-27的顶部。
所述的竖向位移传感器1-7和水平位移传感器1-16采用高精度光栅传感器。
所述的上部加载横梁1-8的端部设有U型开口1-9，可通过旋转上部加载横梁1-8、旋动上部固结螺母1-46、固定下部固定螺母1-47的方式进行试样1-30的安装与拆除。
在试验过程中，所述的轴向加载装置1-34启动工作，推动与轴向加载装置1-34相连接的下部加载横梁1-35向下移动，拉杆1-45将带动上部加载横梁1-8向下对试样1-30施加竖向荷重F；完成试验后，同上，轴向加载装置1-34将反向进行工作，并使下部加载横梁1-35、拉杆1-45和上部加载横梁1-8向上移动，卸除对试样1-30的竖向荷重F。
所述的上剪切盒1-24和下剪切盒1-23分别可更换为方形试样上剪切盒1-38和方形试样下剪切盒1-37进行方形试样的剪切试验，所述的方形试样下剪切盒1-37底部的环形排水通道1-39与剪切容器1-4底部的排水通道1-48相配合，形成一个完整的排水通道。
所述的下剪切盒1-23可更换为非饱和土下剪切盒1-49进行非饱和土直剪试验；当进行非饱和土试验时，所述的上剪切盒1-24、非饱和土下剪切盒1-49、剪切容器1-4和轨道1-5依次安装在密封腔1-41中，所述的连接杆1-40和弓字型受力结构1-10分别通过第一水平直线轴承1-42和第二水平直线轴承1-43穿过密封腔1-41的侧壁，所述的传力接头1-20通过竖向直线轴承1-44穿过密封腔1-41的顶部与承压盖1-28相接触。
所述的流变直剪仪可扩展为四联流变直剪仪3或者多联流变直剪仪，所述的四联流变直剪仪3包括独立工作的第一流变直剪仪3-1、第二流变直剪仪3-2、第三流变直剪仪3-3和第四流变直剪仪3-4。
所述的流变直剪仪可扩展为四联非饱和流变直剪仪4或者多联非饱和流变直剪仪。
实施例2
如图12所示，所述的全自动流变直剪仪，所述的全自动流变直剪仪进行直接剪切流变试验的工作原理为：
工作运行指令(竖向加载、水平剪切速率、剪切量、剪切力等)通过计算机2或者控制面板1-1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本发明的相应系统：
垂直伺服加载系统：嵌入式微机控制系统向垂直伺服加载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，随之竖向涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过第二加载接头1-36推动下部加载横梁1-35使拉杆1-45整体向下移动，第一加载接头1-27随同上部加载横梁1-8向下移动，对试样1-30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1-30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剪切驱动装置发送目标水平剪切力Fh_c命令，水平剪切驱动装置驱动水平电机/电气控制阀进行工作，随之涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过连接杆1-40对上剪切盒1-24和下剪切盒1-23施加水平剪切力Fh，第一水平荷重传感器1-3测得试验过程中的实时水平剪切力Fh_c1，实时水平剪切力Fh_c1反馈进入嵌入式微机控制系统，并将实时水平剪切力Fh_c1与目标水平剪切力Fh_c进行对比，使实时水平剪切力Fh_c1不断趋近于目标水平剪切力Fh_c，最终稳定于目标水平剪切力Fh_c；同时，通过水平位移传感器1-16测量试样1-30的水平剪切量s2，并将其水平剪切量s2反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的水平剪切量s2发送给计算机2。
实施例3
如图13所示，全自动流变直剪仪，所述的全自动流变直剪仪进行直接剪切应力松弛试验的工作原理为：
工作运行指令(竖向加载、水平剪切速率、剪切量、剪切力等)通过计算机2或者控制面1-1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本发明的相应系统：
垂直伺服加载系统：嵌入式微机控制系统向垂直伺服加载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，随之竖向涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过第二加载接头1-36推动下部加载横梁1-35使拉杆1-45整体向下移动，第一加载接头1-27随同上部加载横梁1-8向下移动，对试样1-30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1-30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剪切驱动装置发送目标水平剪切量st3命令，水平剪切驱动装置驱动水平电机/电气控制阀进行工作，随之涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过连接杆1-40推动下剪切盒1-23进行水平移动，水平位移传感器1-16测得试验过程中的实时水平剪切量s3，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水平剪切量s3和目标水平剪切量st3进行对比分析，使实时水平剪切量s3不断向目标水平剪切量st3靠近，最终稳定于目标水平剪切量st3，同时，通过第二水平荷重传感器1-21测量在目标水平剪切量st3作用下试样1-30的水平剪切力Fh_2，并将其水平剪切力Fh_2反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集得到的水平剪切力Fh_2发送过计算机2。
实施例4
所述的全自动流变直剪仪，所述的全自动流变直剪仪可进行以下试验操作：
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1-30；
步骤二：安装试样，利用定位销钉1-12将上剪切盒1-24固定于下剪切盒1-23上，在下剪切盒1-23的内部依次放入透水石1-29和滤纸，并将装有试样1-30的环刀平口向下，试样1-30上部依次方式滤纸、透水石1-29和承压盖1-28，然后将试样1-30平稳推入上剪切盒1-24和下剪切盒1-23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1-28顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母1-46，使上部加载横梁1-8固定于拉杆1-45上；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒1-24和下剪切盒1-23内部的定位销钉1-12，通过控制面板1-1按键对试样1-30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、目标水平剪切力Fh_c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：
(1)直接剪切蠕变试验：计算机2发送命令，垂直伺服加载系统对试样1-30施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-30的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样1-30施加水平剪切力Fh_c，并记录该水平剪切力作用下试样1-30的水平位移量s2变化；
(2)直接剪切应力松弛试验：计算机2发送命令，垂直伺服加载系统对试样1-30施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-30的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样1-30施加水平剪切量st3，并记录该水平剪切量作用下试样1-30的水平位移力Fh_2变化；
(3)常规直接剪切试验：计算机2发送命令，垂直伺服加载系统对试样1-30施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样1-30的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样1-30施加水平剪切速率vt，水平剪切驱动系统将自动对试样1-30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；
(4)非饱和土直接剪切蠕变试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(1)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样(1-30)施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
(5)非饱和土直接剪切应力松弛试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(2)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样(1-30)施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
(6)非饱和土直接剪切试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(3)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样1-30施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
步骤四：完成试验，拆除试样，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 (8)
1.一种全自动流变直剪仪，其特征在于，它包括流变直剪仪(1)和计算机(2)，所述的流变直剪仪(1)通过通讯协议与计算机(2)相连接，可通过计算机(2)或者流变直剪仪(1)上的控制面板(1-1)实现对试验过程的控制；
所述的流变直剪仪(1)包括控制面板(1-1)、水平驱动装置(1-2)、第一水平荷重传感器(1-3)、剪切容器(1-4)、轨道(1-5)、竖向位移传感器(1-7)、上部加载横梁(1-8)、水平位移传感器(1-16)、竖向荷重传感器(1-19)、第二水平荷重传感器(1-21)、下剪切盒(1-23)、上剪切盒(1-24)、承压盖(1-28)、直线轴承(1-31)、挡板(1-32)、轴向加载装置(1-34)、下部加载横梁(1-35)和拉杆(1-45)；
所述的水平驱动装置(1-2)固定在流变直剪仪(1)的顶面，可采用伺服电机或者气缸作为驱动装置；所述的第一水平荷重传感器(1-3)固定在水平驱动装置(1-2)和连接杆(1-40)之间，连接杆(1-40)的一端通过固定螺母(1-17)和固定在下剪切盒(1-23)上的剪切推板(1-18)安装在下剪切盒(1-23)的侧壁上；
所述的上剪切盒(1-24)的侧壁上设置有弓字型受力结构(1-10)，所述的第二水平荷重传感器(1-21)位于弓字型受力结构(1-10)和调节旋杆(1-22)之间；
所述的调节旋杆(1-22)固定在基座(1-13)上，通过调节调节旋杆(1-22)可使第二水平荷重传感器(1-21)处于水平状态，并与第一水平荷重传感器(1-3)位于同一水平轴线上；
所述的轨道(1-5)安装在流变直剪仪(1)上，轨道(1-5)上依次放置钢珠(1-6)、剪切容器(1-4)，所述的下剪切盒(1-23)安装在剪切容器(1-4)的内部，且下剪切盒(1-23)的底部圆孔与剪切容器(1-4)内的排水通道(1-48)相契合，所述的上剪切盒(1-24)位于下剪切盒(1-23)的上部，并通过定位销钉(1-12)固定；
在水平剪切方向，下剪切盒(1-23)的侧壁安装有上剪切盒导向板(1-11)，并在上剪切盒导向板(1-11)的侧壁上安装有牛眼(1-15)；
在水平剪切方向，下剪切盒(1-23)的顶面安装有两排牛眼(1-15)，上剪切盒(1-24)的底部设置有两排滑槽(1-25)，两排滑槽(1-25)与两排牛眼(1-15)位置相对应；
所述的下剪切盒(1-23)和上剪切盒(1-24)的内部从下往上依次放置有透水石(1-29)、滤纸、试样(1-30)、滤纸、透水石(1-29)和承压盖(1-28)；
所述的拉杆(1-45)通过直线轴承(1-31)穿过流变直剪仪(1)的顶面，并在拉杆(1-45)的两端分别固定上部加载横梁(1-8)和下部加载横梁(1-35)，竖向荷重传感器(1-19)通过第一加载接头(1-27)固定在上部加载横梁(1-8)的中心，传力接头(1-20)固定在竖向荷重传感器(1-19)的下方，并与承压盖(1-28)相接触；
第二加载接头(1-36)安装在下部加载横梁(1-35)的中心，轴向加载装置(1-34)安装在挡板(1-32)和第二加载接头(1-36)之间，挡板(1-32)固定在流变直剪仪(1)的顶面上；
轴向加载装置(1-34)采用伺服电机或者气缸；
竖向位移传感器(1-7)通过安装在流变直剪仪(1)顶面的数显表夹具(1-14)进行固定，所述的竖向位移传感器(1-7)探头位于第一加载接头(1-27)的顶部；
所述的竖向位移传感器(1-7)和水平位移传感器(1-16)采用高精度光栅传感器；
所述的上部加载横梁(1-8)的端部设有U型开口(1-9)。
2.根据权利要求1所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，在试验过程中，轴向加载装置(1-34)启动工作，推动与轴向加载装置(1-34)相连接的下部加载横梁(1-35)向下移动，拉杆(1-45)将带动上部加载横梁(1-8)向下对试样(1-30)施加竖向荷重F；完成试验后，同上，轴向加载装置(1-34)将反向进行工作，并使下部加载横梁(1-35)、拉杆(1-45)和上部加载横梁(1-8)向上移动，卸除对试样(1-30)的竖向荷重F。
3.根据权利要求1所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，所述的上剪切盒(1-24)和下剪切盒(1-23)分别可更换为方形试样上剪切盒(1-38)和方形试样下剪切盒(1-37)，进行方形试样的剪切试验，方形试样下剪切盒(1-37)底部的环形排水通道(1-39)与剪切容器(1-4)底部的排水通道(1-48)相配合，形成一个完整的排水通道。
4.根据权利要求1所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，所述的下剪切盒(1-23)可更换为非饱和土下剪切盒(1-49)进行非饱和土直剪试验；
当进行非饱和土试验时，上剪切盒(1-24)、非饱和土下剪切盒(1-49)、剪切容器(1-4)和轨道(1-5)依次安装在密封腔(1-41)中，连接杆(1-40)和弓字型受力结构(1-10)分别通过第一水平直线轴承(1-42)和第二水平直线轴承(1-43)穿过密封腔(1-41)的侧壁，传力接头(1-20)通过竖向直线轴承(1-44)穿过密封腔(1-41)的顶部与承压盖(1-28)相接触。
5.根据权利要求1所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，流变直剪仪可扩展为四联流变直剪仪(3)或者多联流变直剪仪，所述的四联流变直剪仪(3)包括独立工作的第一流变直剪仪(3-1)、第二流变直剪仪(3-2)、第三流变直剪仪(3-3)和第四流变直剪仪(3-4)。
6.根据权利要求1所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，所述的流变直剪仪可扩展为四联非饱和流变直剪仪(4)或者多联非饱和流变直剪仪。
7.根据权利要求1-6任一项所述的全自动流变直剪仪，其特征在于，所述的全自动流变直剪仪进行直接剪切流变试验的工作步骤为：
竖向加载、水平剪切速率、剪切量、剪切力的工作运行指令通过计算机(2)或者控制面板(1-1)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伺服加载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，随之竖向涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过第二加载接头(1-36)推动下部加载横梁(1-35)使拉杆(1-45)整体向下移动，第一加载接头(1-27)随同上部加载横梁(1-8)向下移动，对试样(1-30)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(1-30)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剪切驱动装置发送目标水平剪切力Fh_c命令，水平剪切驱动装置驱动水平电机/电气控制阀进行工作，随之涡轮蜗杆减速机/气缸进行工作，通过连接杆(1-40)对上剪切盒(1-24)和下剪切盒(1-23)施加水平剪切力Fh，第一水平荷重传感器(1-3)测得试验过程中的实时水平剪切力Fh_c1，实时水平剪切力Fh_c1反馈进入嵌入式微机控制系统，并将实时水平剪切力Fh_c1与目标水平剪切力Fh_c进行对比，使实时水平剪切力Fh_c1不断趋近于目标水平剪切力Fh_c，最终稳定于目标水平剪切力Fh_c；同时，通过水平位移传感器(1-16)测量试样(1-30)的水平剪切量s2，并将其水平剪切量s2反馈给数据采集系统，数据采集系统将采集到的水平剪切量s2发送给计算机(2)。
8.权利要求1至6任一项所述的全自动流变直剪仪的试验操作方法，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(1-30)；
步骤二：安装试样，利用定位销钉(1-12)将上剪切盒(1-24)固定于下剪切盒(1-23)上，在下剪切盒(1-23)的内部依次放入透水石(1-29)和滤纸，并将装有试样(1-30)的环刀平口向下，试样(1-30)上部依次方式滤纸、透水石(1-29)和承压盖(1-28)，然后将试样(1-30)平稳推入上剪切盒(1-24)和下剪切盒(1-23)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(1-28)顶部的凹槽相接触，并旋转上部固定螺母(1-46)，使上部加载横梁(1-8)固定于拉杆(1-45)上；
步骤三：进行试验，取出上剪切盒(1-24)和下剪切盒(1-23)内部的定位销钉(1-12)，通过控制面板(1-1)按键对试样(1-30)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、目标水平剪切力Fh_c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：
(1)直接剪切蠕变试验：计算机(2)发送命令，垂直伺服加载系统对试样(1-30)施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样(1-30)的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样(1-30)施加水平剪切力Fh_c，并记录该水平剪切力作用下试样(1-30)的水平位移量s2变化；
(2)直接剪切应力松弛试验：计算机(2)发送命令，垂直伺服加载系统对试样(1-30)施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样(1-30)的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样(1-30)施加水平剪切量st3，并记录该水平剪切量作用下试样(1-30)的水平位移力Fh_2变化；
(3)常规直接剪切试验：计算机2发送命令，垂直伺服加载系统对试样(1-30)施加试验所需要的目标轴向应力σt，当试样(1-30)的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，本发明所述的全自动流变直剪仪将自动对试样(1-30)施加水平剪切速率vt，水平剪切驱动系统将自动对试样(1-30)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；
(4)非饱和土直接剪切蠕变试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(1)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样(1-30)施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
(5)非饱和土直接剪切应力松弛试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(2)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样(1-30)施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
(6)非饱和土直接剪切试验：将试样容器更换为非饱和试验用剪切容器，试验步骤同(3)中直接剪切蠕变试验，并在施加目标轴向应力σt之前对试样(1-30)施加孔隙气压力ua和孔隙水压力uw；
步骤四：完成试验，拆除试样，清理仪器。
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