CN108225945A - 一种叠环式环剪仪及叠式环剪试验 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土测试技术和变形模拟领域，特别用于土体连续大位移剪切变形特征研究和复杂结构土体变形模拟，具体为一种叠环式环剪仪及叠式环剪试验，包括竖向加压机构、扭转机构、竖向辅助施压机构以及叠环剪切盒机构；叠环剪切盒机构设于扭转机构上，能在扭转机构的带动下转动；竖向加压机构能通过竖向辅助施压机构向叠环剪切盒机构施加竖向压力；可进行不同高度岩土试样的无限变形环形剪切，并能使试样在变形过程中具有一定的自由性和连续性；也可用于研究不同材料接触面变形规律、模拟复杂结构土层滑坡长距离变形以及软弱层搜索。
Description
技术领域
本发明属于岩土测试技术和变形模拟领域，特别用于土体连续大位移剪切变形特征研究和复杂结构土体变形模拟，具体为一种叠环式环剪仪及叠式环剪试验。
背景技术
自然界土体结构复杂，在同样复杂的应力的作用下存在多种剪切变形过程，如可以形成带状的塑性变形，也可以以某一软弱面形成近似面状的刚性滑移，更有碎石在剪切带附近形成的滚动变形。另外，如果考虑时间和空间维度，剪切带的形态和强度特征则更为复杂。土体的这种复杂性质使一般的力学模型都无法对其进行有效的解释，因此，人们更希望通过剪切试验模拟其变形过程，从而出现了诸如直剪试验、三轴试验、单剪试验、环剪试验和空心扭剪试验等多种试验手段来获得土体的抗剪强度参数和变形特征。
对于土体或者类土体的强度参数应用最广的是直剪试验和三轴试验。直剪试验是通过上下剪切盒相对移动，使土体沿预设剪切面剪切变形，并通过获取剪切过程中的竖向压力和水平力关系得出抗剪强度参数。虽然，直剪试验操作简单，但也存在明显的缺点：1、直剪试验采用固定剪切面，但多数物体在破坏前后均存在弹性变形和塑性变形阶段，剪应变集中区和变形破坏区应呈带状而非面状，采用固定剪切面得出的强度参数与实际情况存在差距；2、采用固定剪切面容错率低，对试样均匀性较为敏感，其成果易受剪切面附近的坚硬块体、缺陷等不均匀物质影响；3、剪切过程由于上下试样的错动，使剪切面积发生变化，影响实验结果；4、直剪试验剪切距离较小，无法完成大位移剪切。三轴试验虽然对于剪切面的宽度和位置提供一定的自由度，但是其同样具有易受剪切面附近的坚硬块体、缺陷等不均匀物质影响以及剪切距离小的问题。另外，三轴试验对制样要求较高，容易因为样品的缺陷产生附加的拉张和鼓胀现象。而空心扭剪试验是在三轴试验的基础上施加水平向的扭力，其主要目的在于控制主应力轴方向的变化，因此存在的问题与三轴试验相同。
目前也有通过单剪试验获取土体试样剪切特性，单剪仪实际是通过增加剪切面使试样剪切变形过程趋于连续。但受叠环约束作用，其本质仍为直剪试验，一定程度上仍存在直剪试验的问题。另外，单轴试验同样无法完成大位移的剪切过程。
对于土体大位移剪切一般则采用环剪仪。环剪试验是获取土体残余强度的较好方法。其采用环形扭转剪切，剪切面积不变且具有无限的剪切位移，有效的解决了直剪试验中的部分问题。但由于其仍采用单一剪切面，得出成果仍为单一界面的滑动摩擦力，无法考虑剪切变形过程中产生的其他变形状态和其他潜在剪切面的位移，且对试样均匀性仍较为敏感。如中国专利CN106644765A公开的一种用于室内试验桩土界面的环剪仪，包括扭剪装置、竖向压力伺服装置、支架、位移计及样本剪切盒，所述扭剪装置处于环剪仪的底部，所述样本剪切盒安装在下底板上，所述下底板与扭剪装置转动连接，所述竖向压力伺服装置压在所述样本剪切盒上方，所述位移计安装在竖向压力伺服装置上并用于检测样本剪切盒位移的数据，所述样本剪切盒中设置有被检测土样及桩体样本。以及中专利CN105067453公开了一种圆环形土样的环剪仪，包括工作架、驱动装置和加压装置，它还包括旋转盘、固定套筒、加压饼、扭矩传感器和扭矩传感器固定架，旋转盘的圆盘中心固定圆柱形的转台，旋转盘与驱动装置传动连接；固定套筒在旋转盘上方，固定套筒与工作台固定，静台可转动固定在转台上，加压饼中心具有通孔、二侧设有加压连接块，连有加压装置，加压饼下端具有环状凸起；工作台上固定支撑杆，扭矩传感器固定架固定在支撑杆上，扭矩传感器固定在扭矩传感器固定架上，扭矩传感器下端设有定位梢，静台上端连有连接柱，连接柱的上端面设有定位孔，所述定位梢落入定位孔中。它可测定圆环形土样环形方向抗剪强度，以便更加全面了解土、砂石等力学性能。
综上所述，目前需要一种试验仪器和试验方法能够获取复杂结构岩土体的变形特征、应力分布状态、主要控制界面和变形发展趋势等对于土力学研究具有重要意义的信息。上述内容要求剪切试样在剪切变形过程中受到较少的限制、应力分布和剪切带状态能够更为接近实际、受杂质干扰小且能够完成一定空间维度或时间维度的剪切变形研究。
发明内容
本发明提供一种叠环式环剪仪及叠式环剪试验，其可进行不同高度岩土试样的无限变形环形剪切，并能使试样在变形过程中具有一定的自由性和连续性；也可用于研究不同材料接触面变形规律、模拟复杂结构土层滑坡长距离变形以及软弱层搜索。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为，一种叠环式环剪仪，包括竖向加压机构、扭转机构、竖向辅助施压机构以及叠环剪切盒机构；叠环剪切盒机构设于扭转机构上，能在扭转机构的带动下转动；竖向加压机构能通过竖向辅助施压机构向叠环剪切盒机构施加竖向压力；具体的：
扭转机构包括设于工作台中的扭转电机以及设于扭转电机上的驱动盘，驱动盘能在扭转电机的带动下绕自身轴线转动；
叠环剪切盒机构包括长度能调的中心轴、下部底柱、下剪切盒、叠片组、活动壁环组以及套环；
中心轴设于驱动盘上；
下部底柱设于驱动盘上，同时套装于中心轴上；
叠片组包括若干个叠片，若干个叠片叠加式安装于下部底柱上，若干个叠片间能独立转动，并均能发生相对于中心轴的转动；同时叠片组与下部底柱等外径；
下剪切盒安装于驱动盘上，并位于下部底柱的外围，下剪切盒能随驱动盘的转动而转动，并且下剪切盒与下部底柱之间形成有环形槽；下剪切盒在位于环形槽的槽壁处设有第一通孔；同时，下剪切盒的上表面与下部底柱的上表面处于同一水平面上；
活动壁环组安装于下剪切盒上，并位于环形槽的槽壁上，活动壁环组的内径与环形槽的外径一致；活动壁环组包括若干个活动壁环，若干个活动壁环间能独立转动；同时，每个活动壁环与每个叠片具有相同的高度；
套环设于活动壁环组的上端面，套环具有与活动壁环组相同的内径，套环上设有与第一通孔位置相对应的第二通孔，通过固定第一通孔与第二通孔的间距能实现活动壁环组的固定和高度调节；
竖向辅助施压机构包括托盘与安装于托盘下端面的刀盘；托盘安装于竖向加压机构上，并设于叠片组的上方，托盘的位置能保证刀盘正对应着环形槽的上方；刀盘的内径与环形槽的内径一致，刀盘的外径与环形槽的外径一致；刀盘的下端面、叠片组以及活动壁环组能与环形槽一起形成试样室；
竖向加压机构能产生作用于托盘上的竖向向下的作用力；托盘能在竖向加压机构的作用下发生向环形槽方向的位移。
作为本发明改进的技术方案，还包括水浴机构，水浴机构包括水浴盒、第一环状透水板以及第二环状透水板；水浴盒安装于驱动盘上，并能随驱动盘的转动而转动；中心轴、下部底柱以及下剪切盒均设于水浴盒中，并能与水浴盒一起随驱动盘的转动而转动；第一环状透水板设于环形槽中，环形槽的底部设有泄水孔，泄水孔的出口与水浴盒连通；第二环状透水板设于刀盘的下端面；刀盘上设有进水孔，该进水孔贯穿刀盘与托盘，并且该进水孔的出口能与环形槽连通。
作为本发明改进的技术方案，竖向加压机构包括竖向加压电机、立柱、固定横梁以及活动横梁；立柱安装于工作台上，竖向加压电机设于立柱的下端，并能带动立柱发生竖向向下的位移；固定横梁设于立柱的上端；活动横梁设于立柱的上端并平行设置于固定横梁的下方，活动横梁能相对于立柱发生竖向方向的位移，活动横梁发生竖向向下的位移时能对托盘产生竖向向下的作用力；托盘安装于活动横梁的下表面。
作为本发明改进的技术方案，竖向加压机构还包括安装于工作台上的柱托，柱托包括一体化设计的套筒以及位于套筒两侧的肋梁；套筒的内径与立柱的外径一致，立柱贯穿套筒并能沿套筒进行竖向方向的移动；肋梁的下端固定于工作台上。
作为本发明改进的技术方案，还包括测量装置，测量装置包括若干个滚轮式位移测量机构、百分表、应力计及剪切应力测量机构；若干个滚轮式位移测量机构与若干个活动璧环一一对应，滚轮式位移测量机构包括滚轮、滚轮安装架以及角位移传感器；滚轮安装架安装于剪切盒支架上，滚轮以能转动的方式安装于滚轮安装架上，滚轮能与活动壁环同步转动；角位移传感器用于检测滚轮的转动角度；
所述百分表上端固定于立柱上，肋梁上设有平板，百分表的下端与肋梁上平板接触，用于测量立柱的竖向位移；
应力计设于固定横梁与活动横梁之间，并安装于固定横梁的中间位置；
所述剪应力测量装置集成于扭转机构内部，主要根据扭转电机输出功率换算出剪切应力。
作为本发明改进的技术方案，活动壁环的侧壁上设有一组对称设置的通孔。
作为本发明改进的技术方案，还包括两组环刀组；环刀组包括呈环状均匀分布的若干个刀片；其中一环刀组设于刀盘的下端面；另一组设于环形槽中。
本发明的另一目的是提供一种基于叠环式环剪仪的叠式环剪实验，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制样，保证所制备的试样的高度与活动壁环组、叠片组、中心轴的高度一致；
步骤二、根据试样高度调整固定横梁，同时将活动横梁、托盘、刀盘整体抬高到下部空间满足剪切盒高度要求，然后将叠环剪切盒、土样和水浴盒整体放置在驱动盘上；
步骤三、开启竖向加压电机，竖向加压电机带动立柱向下运行，立柱同时带动固定横梁向下运行，固定横梁向下运行时能对活动横梁施加向下的作用力，活动横梁带动托盘以及刀盘的下行对土样施压，直至对土体样品的竖向压力达到设定值；保持加压直至土体样品固结；
步骤四、环剪，在各个活动壁环的通孔中插上钢钉；在保持竖向压力的情况下开启扭转电机，扭转电机带动下剪切盒转动，使土体样品在下剪切盒的带动下发生连续的整体扭转变形；
步骤五、分别测量记录每个活动壁环的环向位移、试样整体的竖向位移和应力状态。
作为本发明改进的技术方案，还包括在步骤三中，在土体试样固结时，在水浴盒中加水，以达到土体样品在饱和状态或部分饱和状态的剪切；也能通过进水孔加水，通过调节剪切盒内水压达到不同地表水入渗状态下的土体叠式环剪试验。
作为本发明改进的技术方案，制样过程中，采用原位取样器进行土体样品的采集与装样，或者分层制样法的方式进行装样；其中分层制样法制样：采用分层制样法，即分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴与环形槽共同形成底层试样室，向底层试样室内填入土体并压实；再分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴再次形成一试样室，向该试样室内填入土体并压实，重复该步骤直至达到试样预设高度。
通过以上技术方案本发明具有以下有益效果：
1.本发明充分考虑机械结构的合理性，在不需要任何外部反力支撑的情况下能够开展试验过程并能保持结构整体稳定。本发明的应力加载采用电伺服，测量系统可采用电信号传输与记录（如角位移传感器电信号记录与传输检测的信息），试验全程可几乎实现自动化操作，试验过程简单简单，整体尺寸较一般单剪仪、叠剪仪占地面积小。
2、本发明采用竖向加压电机驱动立柱和固定横梁可调两种调节试样空间的手段，保证在任何试样高度下均能完成叠式环剪试验。当固定横梁调到最低处时可完成传统单剪切面环剪试验，当固定横梁调到最高处时可完成300mm高度试样的叠式环剪试验，该试验高度是目前文献记载环剪试验试样所能达到最大高度。
3、本发明采用的叠式环剪方式不仅具有背景技术所述的传统单剪试验和环剪试验所具有的有点。另一方面，与传统的剪切过程由剪切框带动或限制试样位移的方式不同，由于叠式环剪剪切过程中叠环组仅产生侧向约束作用，活动壁环是跟随试样做相对运动，本发明还通过叠环开槽、侧向钢钉等手段尽可能减少仪器装置运行阻力，将土体试样所受的无关约束影响降到最低，更能表现出试样的原始运动状态。
4、本发明在刀盘和下剪切盒处分别留有进水孔和泄水孔，可开展不同含水率或入渗状态下的试样叠式环剪试验。本发明还留有水浴盒，可开展饱和状态或考虑水位线的试样叠式环剪试验。
5、本发明的刀盘和刀托可分离，可根据试验需要选择不同刀盘样式，目前主要提供短刀片刀盘、长短复合型刀盘和无透水板刀盘3种刀盘样式。分别用于硬土、软土和不排水试验。
6、本发明可根据试样当前应力、应变状态对剪切过程进行调节，在剪切模式上提供了常应力、常位移2种剪切模式。两种剪切模式下均提供了动态环剪模式，可模拟多次启停作用下土体变形性质。
附图说明
图1为本发明叠环式环剪仪的正视剖面图；
图2为本发明叠环式环剪仪的俯视图；
图3为竖向加压机构的部分三维效果图；
图4为刀盘三维剖切图；
图5为叠环剪切盒三维效果图；
图中：1—立柱；2—锁套螺帽；3-1—插销孔；3-2—插销；4—固定横梁；5—活动横梁；6—托盘；7—刀盘插销；8—刀盘；9—进水孔；10—第二环状透水板；11—刀片；12—柱托；13—工作台；14—竖向加压机构；15—应力计；16—百分表；17—套环；18—活动壁环组：19—中心轴：20—剪切盒支架；21—试样室；22—叠片组；23—下剪切盒；24—泄水孔；25—水浴盒；26—叠环剪切盒机构；27—驱动盘；28—扭转电机；29—竖向加压电机；30—驱动装置；31—滚轮式位移测量机构；32-测量装置。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的技术方案做完整的说明。
本文中“上”、“下”是相对设备本身而言的，离工作台近的方向为下，远离工作台的方向为上。
本文中的“安装”是部件间的直接安装也可以是部件间通过其他部件辅助连接。
如图1-2所示，一种叠环式环剪仪，包括竖向加压机构14、扭转机构、竖向辅助施压机构以及叠环剪切盒机构26；竖向加压机构14、扭转机构构成驱动装置30；叠环剪切盒机构26设于扭转机构上，能在扭转机构的带动下转动；竖向加压机构14能通过竖向辅助施压机构向叠环剪切盒机构26施加竖向压力；具体的：
扭转机构包括设于工作台13中的扭转电机28、以及设于扭转电机28上的驱动盘27，扭转电机28传动连接于驱动盘27；驱动盘27能在扭转电机28的带动下绕自身轴线转动；
叠环剪切盒机构26包括长度能调的中心轴19、下部底柱、下剪切盒23、叠片组22、活动壁环组18以及套环17；
中心轴19设于驱动盘27上，即驱动盘27上设有与中心轴19横截面一致的槽，中心轴19的下端置于槽中；当放置有水浴盒25时，水浴盒25安装于驱动盘27上，中心轴19安装于水浴盒25中，中心轴19与水浴盒25之间可以采用槽的方式安装；
本申请中，所述长度能调的中心轴19可采用伸缩轴；或者采用若干节与叠片等高的轴节，每个轴节的一端设有凹槽，另一端设有与凹槽相匹配的凸起，通过选用不同数量的轴节并将各个轴节采用凹槽与凸起匹配的方式安装实现中心轴19的长度可调，优选的每个轴节的凹槽中设有滚珠，轴节与轴节之间通过凹槽、滚珠以及凸起配合实现相对转动。
为实现后续叠片能相对于中心轴19发生转动，中心轴19的外围在竖向方向设有若干个滚动轴承，若干个滚动轴承的外径一致；或者将中心轴19设置为包括固定轴与能调的中心轴承，固定轴能固定于驱动盘27上（或者水浴盒25中），中心轴承安装于固定轴上；
下部底柱设于驱动盘27上，同时套装于中心轴19上，并能随中心轴19的转动而转动；
叠片组22包括若干个叠片，若干个叠片叠加式安装于下部底柱上，若干个叠片间能独立转动，并均能发生相对于中心轴19的转动；同时叠片组22与下部底柱等外径；具体的叠片的上表面与下表面间涂覆有光滑层；或者叠片的上表面设有第一环状槽（开第一环状槽能有效降低叠片的重量），第一环状槽中放置有滚珠，叠片的下表面设有第二环状槽；叠片通过第二环状槽与滚珠实现相对转动，当然，为了方便润滑，第一环状槽中放置有固态润滑油；
如图1所示，下剪切盒23安装于驱动盘27上，并位于下部底柱的外围，下剪切盒23能随驱动盘27的转动而转动，下剪切盒23与下部底柱之间形成有环形槽；下剪切盒23在位于环形槽的槽壁处设有第一通孔；同时，下剪切盒23的上表面与下部底柱的上表面处于同一水平面上；
如图5所示，活动壁环组18安装于下剪切盒23上，并位于环形槽的槽壁上，活动壁环组18的内径与环形槽的外径一致；活动壁环组18包括若干个活动壁环，若干个活动壁环间能独立转动；为了实现活动壁环间能相对转动，方案一、每个活动壁环一端面设有第三凹槽，第三凹槽中置有滚珠，另一端面设有第四凹槽，活动壁环叠加安装时通过滚珠与第四凹槽间配合实现在径向方向的相对固定；方案二、者活动壁环的一端开设有第三凹槽，另一端具有较小的宽度，具有较小宽度的一端通过轴承安装于第三凹槽中；方案三、活动壁环的一端面设有环形凹槽、环形凹槽中设有滚珠，另一端设有凸起，活动壁环间通过凸起与滚珠以及环形凹槽的配合实现相对转动；为了方便后续的使用，每个活动壁环与每个叠片具有相同的高度；
活动壁环的侧壁上设有一组对称设置的通孔；使用时，在通孔中插入钢钉能实现试样与活动壁环间的相对固定；
如图5所示，套环17设于活动壁环组18的上端面，套环17具有与活动壁环组18相同的内径，套环17上设有与第一通孔位置相对应的第二通孔，通过固定第一通孔与第二通孔的间距能实现活动壁环组18的固定；具体的采用剪切盒支架20贯穿第一通孔与第二通孔，并采用螺母固定剪切盒支架20的两端，实现对活动壁环组18的固定；
竖向辅助施压机构包括托盘6与安装于托盘6下端面的刀盘8，具体的是托盘6上设有销孔，如图4所示，刀盘8的上端面设有带孔的刀盘插销7，通过螺栓固定销孔与带孔的刀盘插销7实现刀盘8与托盘6的相对固定；托盘6设于叠片组22的上方，托盘6的位置能保证刀盘8位于环形槽的上方；刀盘8的内径与环形槽的内径一致，刀盘8的外径与环形槽的外径一致；刀盘8的下端面、叠片组22以及活动壁环组18能共同形成上剪切盒的试样室；在竖向加压机构14的施力时，力首先作用于托盘6，托盘6带动刀盘8向下运行，实现对放置于试样室中试样施加作用力；为了方便试样扭转，还包括两组环刀组；环刀组包括呈环状均匀分布的若干个刀片11；其中一环刀组11设于刀盘8的下端面；另一组设于环形槽中。并且每个刀片11的长度方向与环形槽的径向方向一致。
如图3所示，竖向加压机构14能产生作用于托盘6上的竖向向下的作用力；托盘6能在竖向加压机构14的作用下发生向环形槽方向的位移；竖向加压机构14包括竖向加压电机29、立柱1、固定横梁4以及活动横梁5；立柱1安装于工作台13上，竖向加压电机29设于立柱1的下端，并能带动立柱1发生竖向向下的位移；固定横梁4设于立柱1的上端，具体的固定横梁4通过插销3-2与锁套螺帽2固定于立柱1上，立柱1上在竖向方向设有若干个插销孔；活动横梁5设于立柱1的上端并平行设置于固定横梁4的下方，活动横梁5能相对于立柱1发生竖向方向的位移，活动横梁5发生竖向向下的位移时带动托盘6下行，刀盘与环刀组对试样产生竖向向下的作用力，由于试验时试样室需要进行高度调节，因此，本申请中采用竖向加压电机29驱动立柱1下行以及变换固定横梁4在立柱上的位置两种方式实现竖向试验空间的调节。
为了实现加压过程中立柱1能稳定的向上后向下运行，竖向加压机构14还包括安装于工作台13上的柱托12，柱托12包括一体化设计的套筒以及位于套筒两侧的肋梁；套筒的内径与立柱1的外径一致，立柱1贯穿套筒并能沿套筒进行竖向方向的移动；肋梁的下端固定于工作台13上。使用时，由柱托12和工作台13提供侧向反力，由竖向加压电机29提供竖向动力，使立柱1向上或向下移动。
还包括水浴机构，水浴机构包括水浴盒25、第一环状透水板以及第二环状透水板10；水浴盒25安装于驱动盘27上，并能随驱动盘27的转动而转动，具体的水浴盒25与驱动盘27之间采用突钮与凹槽连接；水浴盒包括缸与环，缸的下表面采用突钮与凹槽的配合安装于驱动盘上；环设于缸中，并能发生相对于缸的上下位移，缸的内部设于螺纹孔，环下表面设有螺纹柱，环通过螺纹柱安装于缸中，调节螺纹柱实现调剂环的高度；环的上表面设有突钮和/凹槽；中心轴19、下部底柱以及下剪切盒23均设于水浴盒25中；第一环状透水板设于环形槽中，环形槽的底部设有泄水孔24，泄水孔24的出口与水浴盒25连通；第二环状透水板10设于刀盘8的下端面；刀盘8上设有进水孔9，该进水孔9贯穿刀盘8与托盘6，并且该进水孔9的出口能与环形槽连通；试验时，进水孔9可进水，通过调整水量或水压达到控制试样含水率的目的；而环刀组中的若干个刀片11分别安装于第一环状透水板上端面与第二环状透水板10的下端面；试验时，刀片11插入试样上表面与下表面，实现固定试样。
作为本发明改进的技术方案，所述测量装置32包括若干个滚轮式位移测量机构31、百分表16、应力计15以及剪切应力测量装置；所述测量装置包括若干个滚轮式位移测量机构、百分表、应力计及剪切应力测量机构；若干个滚轮式位移测量机构与若干个活动璧环一一对应，滚轮式位移测量机构包括滚轮、滚轮安装架以及角位移传感器；滚轮安装架安装于剪切盒支架上，滚轮以能转动的方式安装于滚轮安装架上，滚轮能与活动壁环同步转动；角位移传感器用于检测滚轮的转动角度；
所述百分表上端固定于立柱上，肋梁上设有平板，百分表的下端与肋梁上平板接触，用于测量立柱的竖向位移；
应力计设于固定横梁与活动横梁之间，并安装于固定横梁的中间位置；
所述剪应力测量装置集成于扭转机构内部，主要根据扭转电机输出功率换算出剪切应力。
本发明的另一目的是提供一种基于叠环式环剪仪的叠式环剪实验，包括如下步骤：
步骤一，制样，保证所制备的试样的高度与活动壁环组、叠片组、中心轴的高度一致；
步骤二、根据试样高度调整固定横梁，同时将活动横梁、托盘、刀盘整体抬高到下部空间满足剪切盒高度要求，然后将叠环剪切盒、土样和水浴盒整体放置在驱动盘上；
步骤三、开启竖向加压电机，竖向加压电机带动立柱向下运行，立柱同时带动固定横梁向下运行，固定横梁向下运行时能对活动横梁施加向下的作用力，活动横梁带动托盘以及刀盘的下行对土样施压，直至对土体样品的竖向压力达到设定值；保持加压直至土体样品固结；
步骤四、环剪，安装测量装置，将滚轮式位移测量装置31滚轮端与活动壁环18接触、百分表15与肋梁平板接触。在各个活动壁环的通孔中插上钢钉；在保持竖向压力的情况下开启扭转电机，扭转电机带动下剪切盒转动，使土体样品在下剪切盒的带动下发生连续的整体扭转变形；
步骤五、分别记录每个活动壁环的环向位移、试样整体的竖向位移和应力状态。
作为本发明改进的技术方案，还包括在步骤三中，在土体试样固结时，在水浴盒中加水，以达到土体样品在饱和状态或部分饱和状态的剪切；也能通过进水孔加水，通过调节剪切盒内水压达到不同地表水入渗状态下的土体叠式环剪试验。
作为本发明改进的技术方案，制样过程中，采用原位取样器进行土体样品的采集与装样，或者分层制样法的方式进行装样；其中分层制样法制样：采用分层制样法，即分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴与环形槽共同形成底层试样室，向底层试样室内填入土体并压实；再分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴再次形成一试样室，向该试样室内填入土体并压实，重复该步骤直至达到试样预设高度。
具体的，本发明一种叠环式环剪仪可以单不仅限于传统环剪试验、叠式环剪试验和复杂土层变形模拟试验，具体实施实例如下：
实例一：传统环剪试验
（1）制样：通过传统制样装置进行环状土体样品（试样）制备，装入下剪切盒23。保留一个活动壁环和一个叠片，采用一个叠片高度的中心轴19插入水浴盒25底部槽固定，套上套环17。选取较短的剪切盒支架20进行固定，将叠环剪切盒及水浴盒25放置于驱动盘27上，完成制样。
（2）设备调试：将固定横梁4固定在立柱1上最下部的插销孔3-1位置，锁死锁定螺帽。将活动横梁5推至下部直至与试样上表面接触。
（3）固结：开动竖向加压电机29，使固定横梁4向下运动使，使应力计15与活动横梁5接触，对试样施加竖向压力，直至达到预定竖向压力为止。保持加压状态一定时间使试样固结。
（4）环剪：开动水平扭转电机28，使下剪切盒23转动，使试样沿剪切面发生剪切变形，记录竖向和环向的位移和应力状态，完成试验。
实例二：叠式环剪试验
（1）制样：对于非原状土样，可采用逐层填充的方式进行装样，对于原状土样可采用专用原位取样器进行土样采集和装填，最终土样高度应于活动壁环组18和叠片组22高度一致。在土样装填到预设高度后，盖上上部套环17，并通过剪切盒支架20锁定，将完成装样的叠环剪切盒与水浴盒放置于驱动盘27上固定，完成装样；
（2）设备调试：根据试样高度调整固定横梁4和水浴盒25高度。一般固定横梁4高度与水浴盒25高度以试验过程中活动横梁5不与水浴盒25接触为准。本发明对水浴盒25的高度、固定横梁4锁定位置、刀盘8高度、活动壁环组18高度等尺寸参数不做规定，在可完成试验的条件下，任何参数改动均在专利保护范围之内。基于上述原因，在初期试验时需对仪器参数进行测量，根据仪器尺寸参数调整仪器。
（3）固结：开动竖向加压电机29，使固定横梁4向下运动对试样施加竖向压力，直至达到预定竖向压力为止，保持加压状态一定时间使试样固结。固结过程中可在水浴盒25内加满水，以达到试样饱和状态下的剪切。
（4）环剪：固结完成后，安装位移监测仪器，保证仪器探头分别与活动壁环和柱托12接触，在活动壁环上的通孔上插上钢钉，用以保证土体和活动壁环位移一致。在保持竖向压力情况下开启扭转电机28，使下剪切盒23转动，试样在下剪切盒23带动下发生连续的整体扭转变形。分别记录每个活动壁环的环向位移，试样整体的竖向位移和应力状态，完成试验。环剪过程中可通过进水孔9调整试样含水率。
实例三：复杂土层变形模拟试验
（1）制样：若选择原状土样可采用专用原位取样器进行土样采集和装填，也可根据实际地层情况进行缩尺后堆砌模型试验土样。在土样装填到预设高度后，盖上上部套环17，并通过剪切盒支架20锁定，完成装样；
（2）设备调试、固结：设备调剂和固结方法与实例二一致。
（3）环剪：固结完成后安装位移监测仪器，保证仪器探头分别与活动壁环和柱托12接触，在活动壁环的通孔上插上钢钉，在保持竖向压力情况下开启扭转电机28，使下剪切盒23转动，试样在下剪切盒23带动下发生连续的整体扭转变形。分别记录每个活动壁环的环向位移和应力情况，寻找位移较大的软弱层。试验过程中可通过进水孔9进水并调剂水压以模拟土体在降雨或地表水入渗情况下剪切位移和应力变化情况，也可去掉一侧钢钉并埋入微型含水率测量仪器，监测各层土体含水率变化情况，从而达到模拟天然滑坡形成过程的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域额技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种叠环式环剪仪，其特征在于，包括竖向加压机构、扭转机构、竖向辅助施压机构以及叠环剪切盒机构；叠环剪切盒机构设于扭转机构上，能在扭转机构的带动下转动；竖向加压机构能通过竖向辅助施压机构向叠环剪切盒机构施加竖向压力；具体的：
扭转机构包括设于工作台中的扭转电机以及设于扭转电机上的驱动盘，驱动盘能在扭转电机的带动下绕自身轴线转动；
叠环剪切盒机构包括长度能调的中心轴、下部底柱、下剪切盒、叠片组、活动壁环组以及套环；
中心轴设于驱动盘上；
下部底柱设于驱动盘上，同时套装于中心轴上；
叠片组包括若干个叠片，若干个叠片叠加式安装于下部底柱上，若干个叠片间能独立转动，并均能发生相对于中心轴的转动；同时叠片组与下部底柱等外径；
下剪切盒安装于驱动盘上，并位于下部底柱的外围，下剪切盒能随驱动盘的转动而转动，并且下剪切盒与下部底柱之间形成有环形槽；下剪切盒在位于环形槽的槽壁处设有第一通孔；同时，下剪切盒的上表面与下部底柱的上表面处于同一水平面上；
活动壁环组安装于下剪切盒上，并位于环形槽的槽壁上，活动壁环组的内径与环形槽的外径一致；活动壁环组包括若干个活动壁环，若干个活动壁环间能独立转动；同时，每个活动壁环与每个叠片具有相同的高度；
套环设于活动壁环组的上端面，套环具有与活动壁环组相同的内径，套环上设有与第一通孔位置相对应的第二通孔，通过固定第一通孔与第二通孔的间距能实现活动壁环组的固定和高度调节；
竖向辅助施压机构包括托盘与安装于托盘下端面的刀盘；托盘安装于竖向加压机构上，并设于叠片组的上方，托盘的位置能保证刀盘正对应着环形槽的上方；刀盘的内径与环形槽的内径一致，刀盘的外径与环形槽的外径一致；刀盘的下端面、叠片组以及活动壁环组能与环形槽一起形成试样室；
竖向加压机构能产生作用于托盘上的竖向向下的作用力；托盘能在竖向加压机构的作用下发生向环形槽方向的位移。
2.根据权利要求1所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，还包括水浴机构，水浴机构包括水浴盒、第一环状透水板以及第二环状透水板；水浴盒安装于驱动盘上，并能随驱动盘的转动而转动；中心轴、下部底柱以及下剪切盒均设于水浴盒中，并能与水浴盒一起随驱动盘的转动而转动；第一环状透水板设于环形槽中，环形槽的底部设有泄水孔，泄水孔的出口与水浴盒连通；第二环状透水板设于刀盘的下端面；刀盘上设有进水孔，该进水孔贯穿刀盘与托盘，并且该进水孔的出口能与环形槽连通。
3.根据权利要求1所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，竖向加压机构包括竖向加压电机、立柱、固定横梁以及活动横梁；立柱安装于工作台上，竖向加压电机设于立柱的下端，并能带动立柱发生竖向向下的位移；固定横梁设于立柱的上端；活动横梁设于立柱的上端并平行设置于固定横梁的下方，活动横梁能相对于立柱发生竖向方向的位移，活动横梁发生竖向向下的位移时能对托盘产生竖向向下的作用力；托盘安装于活动横梁的下表面。
4.根据权利要求3所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，竖向加压机构还包括安装于工作台上的柱托，柱托包括一体化设计的套筒以及位于套筒两侧的肋梁；套筒的内径与立柱的外径一致，立柱贯穿套筒并能沿套筒进行竖向方向的移动；肋梁的下端固定于工作台上。
5.根据权利要求1所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，还包括测量装置，测量装置包括若干个滚轮式位移测量机构、百分表、应力计及剪切应力测量机构；若干个滚轮式位移测量机构与若干个活动璧环一一对应，滚轮式位移测量机构包括滚轮、滚轮安装架以及角位移传感器；滚轮安装架安装于剪切盒支架上，滚轮以能转动的方式安装于滚轮安装架上，滚轮能与活动壁环同步转动；角位移传感器用于检测滚轮的转动角度；
所述百分表上端固定于立柱上，肋梁上设有平板，百分表的下端与肋梁上平板接触，用于测量立柱的竖向位移；
应力计设于固定横梁与活动横梁之间，并安装于固定横梁的中间位置；
所述剪应力测量装置集成于扭转机构内部，主要根据扭转电机输出功率换算出剪切应力。
6.根据权利要求1所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，活动壁环的侧壁上设有一组对称设置的通孔。
7.根据权利要求1所述的一种叠环式环剪仪，其特征在于，还包括两组环刀组；环刀组包括呈环状均匀分布的若干个刀片；其中一环刀组设于刀盘的下端面；另一组设于环形槽中。
8.一种基于叠环式环剪仪的叠式环剪实验，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，制样，保证所制备的试样的高度与活动壁环组、叠片组、中心轴的高度一致；
步骤二、根据试样高度调整固定横梁，同时将活动横梁、托盘、刀盘整体抬高到下部空间满足剪切盒高度要求，然后将叠环剪切盒、土样和水浴盒整体放置在驱动盘上；
步骤三、开启竖向加压电机，竖向加压电机带动立柱向下运行，立柱同时带动固定横梁向下运行，固定横梁向下运行时能对活动横梁施加向下的作用力，活动横梁带动托盘以及刀盘的下行对土样施压，直至对土体样品的竖向压力达到设定值；保持加压直至土体样品固结；
步骤四、环剪，在各个活动壁环的通孔中插上钢钉；在保持竖向压力的情况下开启扭转电机，扭转电机带动下剪切盒转动，使土体样品在下剪切盒的带动下发生连续的整体扭转变形；
步骤五、分别测量记录每个活动壁环的环向位移、试样整体的竖向位移和应力状态。
9.根据权利要求8所述的一种基于的叠环式环剪仪的叠式环剪实验，其特征在于，还包括在步骤三中，在土体试样固结时，在水浴盒中加水，以达到土体样品在饱和状态或部分饱和状态的剪切；也能通过进水孔加水，通过调节剪切盒内水压达到不同地表水入渗状态下的土体叠式环剪试验。
10.根据权利要求8所述的一种基于的叠环式环剪仪的叠式环剪实验，其特征在于，制样过程中，采用原位取样器进行土体样品的采集与装样，或者分层制样法的方式进行装样；其中分层制样法制样：采用分层制样法，即分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴与环形槽共同形成底层试样室，向底层试样室内填入土体并压实；再分别安装一活动壁环、一叠片和一中心轴，该活动壁环、叠片和中心轴再次形成一试样室，向该试样室内填入土体并压实，重复该步骤直至达到试样预设高度。
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