CN107063893B - 温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法 - Google Patents
温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种温度‑吸力‑应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法，它包括控制柜(1)、直剪单剪仪(2)、扩散气泡冲刷装置(3)、温控装置(4)和计算机(5)五个部分，所述的五部分通过通讯协议进行连接，利用计算机(5)对试验过程及数据采集进行控制，也可采用控制柜(1)对直剪单剪仪(2)、扩散气泡冲刷装置(3)和温控装置(4)进行手动试验控制。本发明适用于温度‑吸力‑应力耦合作用下的土体抗剪强度试验研究，不仅能有效地进行土体的常规固结、直剪、单剪试验，且可实现温度、吸力、应力以及剪切波多场耦合作用下的固结、直剪、单剪试验，可研究不同环境条件下的土体抗剪强度、固结沉降特性和土‑水特征曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统及其操作方法，尤其涉及一种测试温度-吸力-应力多场耦合条件下土体抗剪强度和固结沉降特性的岩土试验仪器。
背景技术
在岩土工程中，土工材料的抗剪性能体现着土工材料抵抗剪切破坏的能力，对工程设计、研究存在着重要的意义。通常，土工材料抗剪性能的研究方法可分为两类：原位测试和室内试验研究，前者主要包括静力触探、动力触探、标准贯入试验和十字板剪切试验等，能够较准确地测定工程原位土体的工程力学性能，代表性强，但是原位测试较简单，多建立在统计经验和地区性的关系之上，且得到的强度参数值多为平均值，难以表明材料在工程应用中的力学性能变化。
在室内试验研究中，对土工材料抗剪性能的研究多采用三轴试验法和直剪试验法，通过三轴仪和直剪仪等室内试验设备尽可能地模拟土工材料在实际工程中的应力状态和破坏模式，确定其应力-应变特性和抗剪性能，三轴试验法多以压缩破坏为主，破坏面与最大剪应力相关，为一倾斜面，在一定程度上反映了工程土体的实际破坏形式；直剪试验法中，由于剪切盒的限制，不能严格控制排水条件，试样内部的应力和应变分布不均匀，且试样的破坏面限定为上下剪切盒之间的平面，对研究土体的抗剪性能具有较大的局限性。
在实际工程中，路堤、边坡、地基等土体多处于单剪状态，而三轴试验法和直剪试验法由于试验设备本身的限制，在试验过程中难以体现出土体的单剪特性。Wroth等人(1991年)指出单剪试验法是唯一能够恰当模拟实际工程破坏的试验，Airey D W等人(1987年)通过对比三轴试验法等到的抗剪强度参数，发现单剪试验法得到的试验结果更加接近十字板剪切试验和反分析结果，其中单剪试验法主要是采用单剪仪进行试验研究。
单剪仪主要是通过上、下剪切盒和位于上、下剪切盒之间的单剪叠环组组成，通过在剪切过程中单剪叠环组之间的相互错动，模拟土工材料所处的单剪环境。通常国内很少有人应用单剪仪进行土工材料力学性能的研究，主要原因：一是单剪机制不够完善，二是现有的单剪设备难以满足一些特殊土工材料的试验要求，三是不能满足多场耦合试验研究的需要，四是不能实现单剪试验过程中剪切波的有效接收，五是试验效率较低。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，可满足多场耦合试验的需要进行土体的抗剪强度和固结沉降特性的试验研究，能够有效地降低长期试验过程中过水管道内部气容量对试验测量产生的误差，通过设置不同的过水通道有效地控制试验过程中的排水和吸力条件，并可扩展为多联结构，有效地提高了试验研究的效率，同时可有效地降低剪切盒和单剪叠环间摩擦力的影响，以及试样偏离对试验准确性的影响。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，它包括：控制柜、直剪单剪仪、扩散气泡冲刷装置、温控装置和计算机，所述的控制柜与直剪单剪仪、温控装置和计算机相连，直剪单剪仪与扩散气泡冲刷装置和温控装置相连。利用计算机可对试验过程及数据采集进行控制，也可采用控制柜对直剪单剪仪、扩散气泡冲刷装置温控装置进行手动试验控制。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的直剪单剪仪包括轴向加载系统、水平向剪切系统、压力室和支架；
所述的水平向剪切系统和压力室均安装在支架上，所述的水平向剪切系统通过第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆与压力室相连通；
所述的轴向加载系统固定在压力室的顶部，通过轴向加载系统对压力室内的试样施加轴向压力，使试样处于应力状态，所述的水平向剪切系统对压力室内部的试样进行水平向的剪切控制。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的轴向加载系统包括中心杆、竖向荷重传感器、气缸活塞、气缸、高精度数显表、数显表夹具和气缸架；
所述的气缸固定于气缸架的顶部，气缸内部安装有气缸活塞，所述的气缸活塞、竖向荷重传感器和中心杆依次相连接；
所述的高精度数显表固定于数显表夹具上，所述的数显表夹具安装在压力室的顶部。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的水平向剪切系统包括涡轮蜗杆减速机、第一传递杆、第二传递杆、第一水平荷重传感器、底座、第一调节螺杆、第三传递杆、第二水平荷重传感器和第二调节螺杆；
所述的涡轮蜗杆减速机通过第一传递杆与下剪切盒的侧壁相连接；
所述的底座安装在支架上，底座的上部和下部分别设置有第一调节螺杆和第二调节螺杆，所述的第一水平荷重传感器安装在第一调节螺杆与第二传递杆之间，所述的第二水平荷重传感器安装在第二调节螺杆与第三传递杆之间；
所述的第三传递杆、第二水平荷重传感器和第二调节螺杆与第一传递杆处于同一轴线上；
所述的第二传递杆和第三传递杆分别通过L型连接头与上剪切盒相连接。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的压力室包括压力室上盖、密封侧筒和压力室底座，所述的密封侧筒位于压力室上盖和压力室底座之间；
所述的压力室底座上设置有轨道；
所述的压力室上盖中心位置设置有第一密封座，所述的密封侧筒上分别安装有第二密封座、第三密封座和第四密封座；
所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆(的中部均设有凸起，所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆分别穿过第一密封座、第二密封座、第三密封座和第四密封座；所述的中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆中部的凸起分别与第一密封座、第二密封座、第三密封座和第四密封座之间形成密封空腔，所述的密封空腔通过气管与压力室的内部相连通；
中心杆下方的凸起部分与承压盖的凹陷部分相接触。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的第二密封座、第三密封座和第四密封座的工作原理为：所述的密封空腔内部压力P1与压力室内部压力P2相等，由于密封空腔内部压力P1的作用，可抵消压力室内部压力P2对中心杆、第一传递杆、第二传递杆和第三传递杆的作用力，实现试验过程中竖直方向竖向净正应力的控制和水平方向净剪切应力的测量。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的剪切盒包括上剪切盒、下剪切盒和单剪叠环组，所述的下剪切盒放置在轨道的上方，单剪叠环组位于下剪切盒和上剪切盒之间；
在水平剪切方向，下剪切盒、上剪切盒和单剪叠环组三者相互接触的位置设置有滑道，并在滑道内放置若干钢珠；
在水平剪切方向，下剪切盒的上部固定有定向球，定向球的球面分别与单剪叠环组和上剪切盒的侧面相接触；
所述的下剪切盒内部从中心到边界依次安装有发射弯曲元、矩形陶土板和矩形带孔透水石，所述的矩形带孔透水石的上方固定有压片，所述的矩形陶土板和矩形带孔透水石的下方分别设置有螺旋形过水通道和容水空腔；所述的螺旋形过水通道与第一通道和第二通道相联通，所述的容水空腔与第三通道相联通，所述的第一通道、第二通道和第三通道的端部分别设置有第一高压球阀、第二高压球阀和第三高压球阀。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的试样位于下剪切盒、上剪切盒和单剪叠环组的内部，试样的上部依次放置透水石和承压盖，所述的试样表面包裹一层乳胶膜，所述的乳胶膜上端、下端分别固定在上剪切盒、下剪切盒上；
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，沿着下剪切盒的运动方向，所述的透水石底部设置有接收弯曲元。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的温控装置包括水浴箱、第一温度传感器、第二温度传感器、水浴循环铜管和保温隔热材料。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的直剪单剪仪可替换为四联直剪单剪仪或者多联直剪单剪仪，所述的四联直剪单剪仪包括第一直剪单剪仪、第二直剪单剪仪、第三直剪单剪仪和第四直剪单剪仪，所述的第一直剪单剪仪、第二直剪单剪仪、第三直剪单剪仪和第四直剪单剪仪相互之间均通过第一蜗杆，联轴器和第二蜗杆连接。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够进行饱和土试验和非饱和土试验，主要操作为：
当进行饱和土直剪单剪试验时，关闭第一高压球阀和第二高压球阀即可；
当进行非饱和土直剪单剪试验时，关闭第二高压球阀和第三高压球阀即可。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够利用水浴循环铜管内的循环液体对试样进行温度控制，保温隔热材料作为压力室与外界的隔热保温材料，第一温度传感器和第二温度传感器分别对压力室和试样内的温度进行监测并反馈，通过反馈得到的温度值与试验所需温度进行对比，控制仪器运行。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系能够有效地进行剪切波的发射和接收，主要操作步骤为：
单剪试验过程中，计算机或者控制柜将通过对试验的剪切速率和下剪切盒的移动位移自行判断发射弯曲元的位置，当发射弯曲元与第一接收弯曲元在同一条轴线上时，将自动开启第一接收弯曲元进行剪切波的接收，当发射弯曲元与第二接收弯曲元在同一条轴线上时，将自动开启第二接收弯曲元进行剪切波的接收，其它依次类推，可根据试验的需要设定接收弯曲元的个数。
作为优选方案，以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够进行以下试验操作：
a、常规饱和土体单剪、直剪、循环剪切试验；
b、常规非饱和土体单剪、直剪、循环剪切试验；
b、温度-应力(吸力s＝0)耦合条件下，饱和土的单剪、直剪、循环剪切试验；
c、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和土的单剪、直剪、循环剪切试验；
d、在剪切波的作用下，饱和土温度-应力(吸力s＝0)耦合单剪、直剪、循环剪切试验；
e、在剪切波的作用下，非饱和土温度-吸力-应力耦合单剪、直剪、循环剪切试验；
f、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和固结吸湿脱湿试验，测量土体在不同应力状态下的土-水特征曲线；
g、温度-应力(吸力s＝0)耦合条件下，饱和土固结试验：分级加载试验、应变速率不变CRS固结试验、加载速率不变CRL固结试验。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统采用特殊结构的轴向加压中心杆和水平向剪切传递杆，有效地抵消了压力室内部压力对中心杆和传递杆的作用，使得试验测量得到竖向净正应力和水平向的净抗剪强度，提高了法向应力加载和水平向剪切力测量的精确度，同时考虑到试验测量的精确度问题，可将竖向荷重传感器和水平荷重传感器更换为内置荷重传感器；
2、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统设置扩散气泡冲刷装置，有效地降低了长期试验过程中通水管道内部气容量对试验测量产生的误差；
3、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的上剪切盒和下剪切盒内分别安装有接收弯曲元和发射弯曲元，在单剪试验中能够有效地进行剪切波的发射和接收；
4、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的下剪切盒内设置采用陶土板和透水石相结合的方式，并设置不同的过水通道，能够有效地控制试验过程中的排水和吸力条件；
5、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统在剪切盒和单剪叠环之间采用滑道和钢珠相组合的方式来降低单剪或者直剪过程中摩擦力对试验精度的影响，并在剪切盒和单剪叠环的侧壁设置定向球，避免了单剪和直剪过程中试样的侧向偏移，提高了试验测量的准确性；
6、本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够扩展为四联直剪单剪结构或者是多联结构，并可作为固结试验设备，能够在不更换试验容器的条件下，仅仅通过更换上剪切盒和下剪切盒进行不同规格试样的直剪试验和固结试验，有效地提高试验研究的效率和试验设备的利用率，降低了试验成本。
附图说明
图1是本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的结构示意图。
图2是本发明所述的直剪单剪测试系统的结构示意图。
图3是本发明所述的直剪单剪测试系统单剪部分的结构剖面图。
图4是本发明所述的直剪单剪测试系统直剪部分的结构剖面图。
图5是本发明所述的压力室的正视图。
图6是本发明所述的压力室的俯视图。
图7是图5中所述的压力室的A-A剖面图。
图8是图6中所述的压力室的B-B剖面图。
图9是图8中所述的III-III剖面图。
图10是本发明所述的试样下剪切盒的结构示意图。
图11是本发明所述的单剪钢环结构示意图。
图12是本发明所述的扩散气泡冲刷装置的结构示意图。
图13是本发明所述的四联直剪单剪测试系统的俯视图。
具体实施方式
实施例1
如图1-13所示，一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，它包括控制柜1、直剪单剪仪2、扩散气泡冲刷装置3、温控装置4和计算机5，所述的控制柜1与直剪单剪仪2、温控装置4和计算机5相连，直剪单剪仪2与扩散气泡冲刷装置3和温控装置4相连。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的直剪单剪仪2包括轴向加载系统2-1、水平向剪切系统2-2、压力室2-3和支架2-4；
所述的水平向剪切系统2-2和压力室2-3均安装在支架2-4上，所述的水平向剪切系统2-2通过第一传递杆2-6、第二传递杆2-17和第三传递杆2-22与压力室2-3相连通；
所述的轴向加载系统2-1固定在压力室2-3的顶部，通过轴向加载系统2-1对压力室2-3内的试样2-25施加轴向压力，使试样2-25处于应力状态，所述的水平向剪切系统2-2对压力室2-3内部的试样2-25进行水平向的剪切控制。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的轴向加载系统2-1包括中心杆2-9、竖向荷重传感器2-10、气缸活塞2-11、气缸2-12、高精度数显表2-13、数显表夹具2-14和气缸架2-15；
所述的气缸2-12固定于气缸架2-15的顶部，气缸2-12内部安装有气缸活塞2-11，所述的气缸活塞2-11、竖向荷重传感器2-10和中心杆2-9依次相连接；
所述的高精度数显表2-13固定于数显表夹具2-14上，所述的数显表夹具2-14安装在压力室2-3的顶部。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的水平向剪切系统2-2包括涡轮蜗杆减速机2-5、第一传递杆2-6、第二传递杆2-17、第一水平荷重传感器2-18、底座2-19、第一调节螺杆2-20、第三传递杆2-22、第二水平荷重传感器2-23和第二调节螺杆2-24；
所述的涡轮蜗杆减速机2-5通过第一传递杆2-6与下剪切盒2-30的侧壁相连接；
所述的底座2-19安装在支架2-4上，底座2-19的上部和下部分别设置有第一调节螺杆2-20和第二调节螺杆2-24，所述的第一水平荷重传感器2-18安装在第一调节螺杆2-20与第二传递杆2-17之间，所述的第二水平荷重传感器2-23安装在第二调节螺杆2-24与第三传递杆2-22之间；
所述的第三传递杆2-22、第二水平荷重传感器2-23和第二调节螺杆2-24与第一传递杆2-6处于同一轴线上；
所述的第二传递杆2-17和第三传递杆2-22分别通过L型连接头2-47与上剪切盒2-33相连接。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的压力室2-3包括压力室上盖2-26、密封侧筒2-27和压力室底座2-28，所述的密封侧筒2-27位于压力室上盖2-26和压力室底座2-28之间；
所述的压力室底座2-28上设置有轨道2-29；
所述的压力室上盖2-26中心位置设置有第一密封座2-8，所述的密封侧筒2-27上分别安装有第二密封座2-7、第三密封座2-16和第四密封座2-21；
所述的中心杆2-9、第一传递杆2-6、第二传递杆2-17和第三传递杆2-22的中部均设有凸起2-51，所述的中心杆2-9、第一传递杆2-6、第二传递杆2-17和第三传递杆2-22分别穿过第一密封座2-8、第二密封座2-7、第三密封座2-16和第四密封座2-21；所述的中心杆2-9、第一传递杆2-6、第二传递杆2-17和第三传递杆2-22中部的凸起2-51分别与第一密封座2-8、第二密封座2-7、第三密封座2-16和第四密封座2-21之间形成密封空腔2-52，所述的密封空腔2-52通过气管2-53与压力室2-3的内部相连通；
中心杆2-9下方的凸起部分与承压盖2-35的凹陷部分相接触。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的第二密封座2-7、第三密封座2-16和第四密封座2-21的工作原理为：所述的密封空腔2-52内部压力P1与压力室2-3内部压力P2相等，由于密封空腔2-52内部压力P1的作用，可抵消压力室2-3内部压力P2对中心杆2-9、第一传递杆2-6、第二传递杆2-17和第三传递杆2-22的作用力，实现试验过程中竖直方向竖向净正应力的控制和水平方向净剪切应力的测量。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的剪切盒包括上剪切盒2-33、下剪切盒2-30和单剪叠环组2-32，所述的下剪切盒2-30放置在轨道2-29的上方，单剪叠环组2-32位于下剪切盒2-30和上剪切盒2-33之间；
在水平剪切方向，下剪切盒2-30、上剪切盒2-33和单剪叠环组2-32三者相互接触的位置设置有滑道2-54，并在滑道2-54内放置若干钢珠2-31；
在水平剪切方向，下剪切盒2-30的上部固定有定向球2-61，定向球2-61的球面分别与单剪叠环组2-32和上剪切盒2-33的侧面相接触；
所述的下剪切盒2-30内部从中心到边界依次安装有发射弯曲元2-55、矩形陶土板2-38和矩形带孔透水石2-37，所述的矩形带孔透水石2-37的上方固定有压片2-62，所述的矩形陶土板2-38和矩形带孔透水石2-37的下方分别设置有螺旋形过水通道2-39和容水空腔2-40；所述的螺旋形过水通道2-39与第一通道2-42和第二通道2-43相联通，所述的容水空腔2-40与第三通道2-41相联通，所述的第一通道2-42、第二通道2-43和第三通道2-41的端部分别设置有第一高压球阀2-45、第二高压球阀2-46和第三高压球阀2-44。
所述的试样2-25位于下剪切盒2-30、上剪切盒2-33和单剪叠环组2-32的内部，试样2-25的上部依次放置透水石2-34和承压盖2-35，所述的试样2-25表面包裹一层乳胶膜2-50，所述的乳胶膜2-50上端、下端分别固定在上剪切盒2-33、下剪切盒2-30上；
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，沿着下剪切盒2-30的运动方向，所述的透水石2-34底部设置有接收弯曲元2-56。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的温控装置4包括水浴箱、第一温度传感器4-1、第二温度传感器4-2、水浴循环铜管4-3和保温隔热材料4-4。
以上所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，所述的直剪单剪仪2可替换为四联直剪单剪仪6或者多联直剪单剪仪，所述的四联直剪单剪仪6包括第一直剪单剪仪6-1、第二直剪单剪仪6-2、第三直剪单剪仪6-3和第四直剪单剪仪6-4，所述的第一直剪单剪仪6-1、第二直剪单剪仪6-2、第三直剪单剪仪6-3和第四直剪单剪仪6-4相互之间均通过第一蜗杆6-5，联轴器6-6和第二蜗杆6-7连接。
所述的扩散气泡冲刷装置3可采用南京泰克奥科技有限公司生产的型号为TKA-DAF-1F的扩散气泡冲刷装置，所述的扩散气泡冲刷装置3包括底座3-5，安装在底座3-5上的气泡收集器3-2和常闭电子阀3-4，气泡收集器3-2内开设有漏斗空腔3-1和与漏斗空腔3-1底部相连的漏斗细管3-3；所述的气泡收集器3-2底部设有气泡收集器进排水口3-6和传感器接口3-7，传感器接口3-7连接有精密水压传感器3-9；所述的气泡收集器进排水口3-6与常闭电子阀3-4一端相连，常闭电子阀3-4另一端与压力室底座2-28的进排水口相连；所述的传感器接口3-7与排气泡阀门3-8连接。
实施例2
所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够兼顾进行饱和土试验和非饱和土试验，主要操作为：
当进行饱和土直剪单剪试验时，关闭第一高压球阀2-45和第二高压球阀2-46即可；
当进行非饱和土直剪单剪试验时，关闭第二高压球阀2-46和第三高压球阀2-44即可。
实施例3
在试验过程中，所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够有效地对温度进行控制，主要操作为：
利用水浴循环铜管4-3内的循环液体对试样2-25进行温度控制，所述的保温隔热材料4-4作为压力室2-3与外界的隔热保温材料，所述的第一温度传感器4-1和第二温度传感器4-2分别对压力室2-3和试样2-25内的温度进行监测并反馈，通过反馈得到的温度值与试验所需温度值进行对比，控制试验过程中的温度变化。
实施例4
在单剪试验过程中，所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够有效地进行剪切波的发射和接收，主要操作步骤为：
单剪试验过程中，计算机5或者控制柜1将通过对试验的剪切速率和下剪切盒的移动位移自行判断发射弯曲元2-55的位置，当发射弯曲元2-55与第一接收弯曲元2-56在同一条轴线上时，仪器将自动开启第一接收弯曲元2-56进行剪切波的接收，当发射弯曲元2-55与第二接收弯曲元2-57在同一条轴线上时，仪器将自动开启第二接收弯曲元2-57进行剪切波的接收，依次类推，可根据试验的需要设定接收弯曲元的个数。
实施例5
所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够能够进行以下试验：
a、常规饱和土体单剪、直剪试验；
b、常规非饱和土体单剪、直剪试验；
b、温度-应力(吸力s＝0)耦合条件下，饱和土的单剪、直剪试验；
c、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和土的单剪、直剪试验；
d、在剪切波的作用下，饱和土温度-应力(吸力s＝0)耦合单剪、直剪试验；
e、在剪切波的作用下，非饱和土温度-吸力-应力耦合单剪、直剪试验；
f、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和固结吸湿脱湿试验，测量土-水特征曲线；
g、温度-应力(吸力s＝0)耦合条件下，饱和土固结试验：分级加载、应变速率不变CRS固结试验、加载速率不变CRL固结试验。
实施例6
本发明所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够兼顾进行固结试验，主要操作步骤为：
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环刀样；
步骤二：安装试样2-25，在不更换压力室2-3的条件下，根据环刀样的尺寸更换相应高度的下剪切盒2-30作为固结试验用固结容器，将带有环刀的环刀样放入相应的下剪切盒2-30，环刀样的上方依次放置透水石2-34、承压盖2-35，并使承压盖2-35的凹陷部分与中心杆2-9下方的凸起部分相接触；
步骤三：仪器设置及试验控制
(1)当进行温度-吸力-应力耦合条件下非饱和固结吸湿、脱湿试验时，关闭第二高压球阀2-46和第三高压球阀2-44，仪器其他方面保持正常工作，并对矩形陶土板2-38进行饱和处理；通过计算机5或者控制柜1对仪器进行试验控制：
温度控制：通过第一温度传感器4-1、第二温度传感器4-2、水浴循环铜管4-3、保温隔热材料4-4等温控结构，根据实施例3对试验过程中的温度进行控制；
竖向净正应力控制：通过轴向加载系统2-1对环刀样施加试验所需要的竖向净正应力；
土-水特征曲线测试：一定的竖向应力作用下，根据轴平移技术对环刀样施加基质吸力s1，即压力室2-3内部施加孔隙气压力Ua，矩形陶土板2-38下方的螺旋形过水通道2-39内部施加孔隙气压力Uw，当在该基质吸力s1作用下环刀样的排水量恒定时，施加下一级基质吸力s2，重复上述操作，直至得出环刀样的土-水特征曲线；试验过程中基质吸力s逐级增大，为环刀样的脱湿试验，基质吸力s逐级减小，为环刀样的吸湿试验，连续进行吸湿和脱湿试验，可得到环刀样的土水特征曲线的滞回曲线；
(2)当进行温度-应力(吸力s＝0)耦合条件下，饱和土固结试验，关闭第一高压球阀2-45和第二高压球阀2-46，仪器其他方面保持正常工作；通过计算机5或者控制柜1对仪器进行试验控制，根据实施例3对试验过程中的温度进行控制；
逐级加载试验：通过轴向加载系统2-1对环刀样施加试验所需要的竖向净正应力F1，当环刀样的竖向变形量或者排水量达到试验要求时，对环刀样施加下一级竖向净正应力F2，重复以上操作直至完成该试验方案；
应变速率不变CRS固结试验：通过轴向加载系统2-1对环刀样进行连续加载，使得环刀样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；
加载速率不变CRL固结试验：通过轴向加载系统2-1对环刀样进行加载，保持单位时间内环刀样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。
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 (10)
1.一种温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，它包括控制柜(1)、直剪单剪仪(2)、扩散气泡冲刷装置(3)、温控装置(4)和计算机(5)，所述的控制柜(1)与直剪单剪仪(2)、温控装置(4)和计算机(5)相连，直剪单剪仪(2)与扩散气泡冲刷装置(3)和温控装置(4)相连；
所述的直剪单剪仪(2)包括轴向加载系统(2-1)、水平向剪切系统(2-2)、压力室(2-3)和支架(2-4)；
所述的水平向剪切系统(2-2)和压力室(2-3)均安装在支架(2-4)上，所述的水平向剪切系统(2-2)通过第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)与压力室(2-3)相连通；
所述的轴向加载系统(2-1)固定在压力室(2-3)的顶部，通过轴向加载系统(2-1)对压力室(2-3)内的试样(2-25)施加轴向压力，使试样(2-25)处于应力状态，所述的水平向剪切系统(2-2)对压力室(2-3)内部的试样(2-25)进行水平向的剪切控制；
所述的轴向加载系统(2-1)包括中心杆(2-9)、竖向荷重传感器(2-10)、气缸活塞(2-11)、气缸(2-12)、高精度数显表(2-13)、数显表夹具(2-14)和气缸架(2-15)；
所述的气缸(2-12)固定于气缸架(2-15)的顶部，气缸(2-12)内部安装有气缸活塞(2-11)，所述的气缸活塞(2-11)、竖向荷重传感器(2-10)和中心杆(2-9)依次相连接；
所述的高精度数显表(2-13)固定于数显表夹具(2-14)上，所述的数显表夹具(2-14)安装在压力室(2-3)的顶部；
所述的水平向剪切系统(2-2)包括涡轮蜗杆减速机(2-5)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)、第一水平荷重传感器(2-18)、底座(2-19)、第一调节螺杆(2-20)、第三传递杆(2-22)、第二水平荷重传感器(2-23)和第二调节螺杆(2-24)；
所述的涡轮蜗杆减速机(2-5)通过第一传递杆(2-6)与下剪切盒(2-30)的侧壁相连接；
所述的底座(2-19)安装在支架(2-4)上，底座(2-19)的上部和下部分别设置有第一调节螺杆(2-20)和第二调节螺杆(2-24)，所述的第一水平荷重传感器(2-18)安装在第一调节螺杆(2-20)与第二传递杆(2-17)之间，所述的第二水平荷重传感器(2-23)安装在第二调节螺杆(2-24)与第三传递杆(2-22)之间；
所述的第三传递杆(2-22)、第二水平荷重传感器(2-23)和第二调节螺杆(2-24)与第一传递杆(2-6)处于同一轴线上；
所述的第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)分别通过L型连接头(2-47)与上剪切盒(2-33)相连接；
所述的压力室(2-3)包括压力室上盖(2-26)、密封侧筒(2-27)和压力室底座(2-28)，所述的密封侧筒(2-27)位于压力室上盖(2-26)和压力室底座(2-28)之间；
所述的压力室底座(2-28)上设置有轨道(2-29)；
所述的压力室上盖(2-26)中心位置设置有第一密封座(2-8)，所述的密封侧筒(2-27)上分别安装有第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)；
中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的中部均设有凸起(2-51)，所述的中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)分别穿过第一密封座(2-8)、第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)；所述的中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)中部的凸起(2-51)分别与第一密封座(2-8)、第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)之间形成密封空腔(2-52)，所述的密封空腔(2-52)通过气管(2-53)与压力室(2-3)的内部相连通；
中心杆(2-9)下方的凸起部分与承压盖(2-35)的凹陷部分相接触。
2.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的第二密封座(2-7)、第三密封座(2-16)和第四密封座(2-21)的工作原理为：所述的密封空腔(2-52)内部压力P1与压力室(2-3)内部压力P2相等，密封空腔(2-52)内部压力P1对中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的作用力，可抵消压力室(2-3)内部压力P2对中心杆(2-9)、第一传递杆(2-6)、第二传递杆(2-17)和第三传递杆(2-22)的作用力，实现试验过程中竖直方向竖向净正应力的控制和水平方向净剪切应力的测量。
3.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，剪切盒包括上剪切盒(2-33)、下剪切盒(2-30)和单剪叠环组(2-32)，所述的下剪切盒(2-30)放置在轨道(2-29)的上方，单剪叠环组(2-32)位于下剪切盒(2-30)和上剪切盒(2-33)之间；
在水平剪切方向，下剪切盒(2-30)、上剪切盒(2-33)和单剪叠环组(2-32)三者相互接触的位置设置有滑道(2-54)，并在滑道(2-54)内放置若干钢珠(2-31)；
在水平剪切方向，下剪切盒(2-30)的上部固定有定向球(2-61)，定向球(2-61)的球面分别与单剪叠环组(2-32)和上剪切盒(2-33)的侧面相接触；
所述的下剪切盒(2-30)内部从中心到边界依次安装有发射弯曲元(2-55)、矩形陶土板(2-38)和矩形带孔透水石(2-37)，所述的矩形带孔透水石(2-37)的上方固定有压片(2-62)，所述的矩形陶土板(2-38)和矩形带孔透水石(2-37)的下方分别设置有螺旋形过水通道(2-39)和容水空腔(2-40)；所述的螺旋形过水通道(2-39)与第一通道(2-42)和第二通道(2-43)相联通，所述的容水空腔(2-40)与第三通道(2-41)相联通，所述的第一通道(2-42)、第二通道(2-43)和第三通道(2-41)的端部分别设置有第一高压球阀(2-45)、第二高压球阀(2-46)和第三高压球阀(2-44)。
4.根据权利要求3所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，沿着下剪切盒(2-30)的运动方向，所述的透水石(2-34)底部设置有接收弯曲元(2-56)。
5.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的温控装置(4)包括水浴箱、第一温度传感器(4-1)、第二温度传感器(4-2)、水浴循环铜管(4-3)和保温隔热材料(4-4)。
6.根据权利要求1所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的直剪单剪仪(2)可替换为四联直剪单剪仪(6)或者多联直剪单剪仪，所述的四联直剪单剪仪(6)包括第一直剪单剪仪(6-1)、第二直剪单剪仪(6-2)、第三直剪单剪仪(6-3)和第四直剪单剪仪(6-4)，所述的第一直剪单剪仪(6-1)、第二直剪单剪仪(6-2)、第三直剪单剪仪(6-3)和第四直剪单剪仪(6-4)相互之间均通过第一蜗杆(6-5)、联轴器(6-6)和第二蜗杆(6-7)连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统，其特征在于，所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够进行以下试验操作：
a、常规饱和土体单剪、直剪、循环剪切试验；
b、常规非饱和土体单剪、直剪、循环剪切试验；
c、温度-应力耦合条件下，吸力s＝0，饱和土的单剪、直剪、循环剪切试验；
d、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和土的单剪、直剪、循环剪切试验；
e、在剪切波的作用下，饱和土温度-应力耦合单剪、直剪、循环剪切试验，吸力s＝0；
f、在剪切波的作用下，非饱和土温度-吸力-应力耦合单剪、直剪、循环剪切试验；
g、温度-吸力-应力耦合条件下，非饱和固结吸湿脱湿试验，测量土体在不同应力状态下的土-水特征曲线；
h、温度-应力耦合条件下,吸力s＝0，饱和土固结试验：分级加载试验、应变速率不变CRS固结试验、加载速率不变CRL固结试验。
8.权利要求6所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，其特征在于，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够进行饱和土试验和非饱和土试验，主要操作为：
当进行饱和土直剪单剪试验时，关闭第一高压球阀(2-45)和第二高压球阀(2-46)即可；
当进行非饱和土直剪单剪试验时，关闭第二高压球阀(2-46)和第三高压球阀(2-44)即可。
9.权利要求5所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，其特征在于，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统能够利用水浴循环铜管(4-3)内的循环液体对试样(2-25)进行温度控制，保温隔热材料(4-4)作为压力室(2-3)与外界的隔热保温材料，第一温度传感器(4-1)和第二温度传感器(4-2)分别对压力室(2-3)和试样(2-25)内的温度进行监测并反馈，通过反馈得到的温度值与试验所需温度值进行对比，控制仪器运行。
10.权利要求6所述的温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系统的操作方法，其特征在于，温度-吸力-应力耦合多功能直剪单剪测试系能够有效地进行剪切波的发射和接收，主要操作步骤为：
单剪试验过程中，计算机(5)或者控制柜(1)将通过对试验的剪切速率和下剪切盒的移动位移自行判断发射弯曲元(2-55)的位置，当发射弯曲元(2-55)与第一接收弯曲元(2-56)在同一条轴线上时，将自动开启第一接收弯曲元(2-56)进行剪切波的接收，当发射弯曲元(2-55)与第二接收弯曲元(2-57)在同一条轴线上时，将自动开启第二接收弯曲元(2-57)进行剪切波的接收，其它依次类推，可根据试验的需要设定接收弯曲元的个数。
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 210039 Jiangsu province Nanjing Yuhua Economic Development Zone No. 18 Feng Hua Lu Building 6 floor 1 Applicant after: NANJING TKA TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 211121 Jinyang Road, Jiangning District, Jiangsu City, Nanjing street, No. 6 Applicant before: NANJING TKA TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |