CN108645722B - 大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法，属于岩土工程技术领域。该仪器包括油源系统、控制系统、剪切系统；剪切系统为开展剪切试验的主体装置，包括：主机框架、竖向和水平作动器、上下剪切盒、试验辅具，竖向和水平作动器分别连接上下剪切盒，试验辅具包括抓齿板、侧限框、抓土器传感器等；油源系统为动力装置，用于向两台作动器提供动力；控制系统为仪器的控制及传感器信号收集装置，用于精确控制、监测仪器的运行状态。本发明通过精确控制两台作动器的运动状态，可以实现不同界面类型、试验材料以及不同动力剪切模式等多种试验功能，填补了目前界面动力剪切试验技术手段的不足。

Description

大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法

技术领域

本发明属岩土工程和地震工程技术领域，具体涉及一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法。

背景技术

土工合成材料是以人工合成的聚合物(如塑料、化纤、合成橡胶等)为原料的工业制成品，包括：土工织物、土工膜、GCL(Geosynthetic Clay Liner)、土工复合材料、土工网、玻纤网、土工垫等。土工合成材料被广泛应用于垃圾填埋场及低矮建筑物基础底部，作为衬垫系统，起到隔离污染物泄漏或防止液体渗漏的作用。然而，土工合成材料接触界面的剪切强度普遍较低，在地震荷载等作用下会沿着复合衬垫的界面发生复杂的相对运动，目前在对界面动力剪切特性的理论研究尚不充分，尤其是实验技术手段方面。目前可以采取循环直接剪切法来测试一般土体(黏土、粉土、砂土等)的动力剪切特性，直接照搬这种测试技术方法测试土工合成材料界面的剪切特性并不合适，而且传统剪切测试方法一般采用较小的剪切面尺寸，大尺寸的土工合成材料界面剪切试验能够更为全面准确地揭示界面的动力剪切特性；土工合成材料界面因其接触材料类型的差异可分为多种类型，包括：土工膜-GCL界面、土工膜-黏土界面、土工膜-土工布界面、土工布-土工复合排水网界面等，传统的测试方法不能全面开展各种类型的界面剪切测试；此外，目前的动力剪切试验仪器普遍不能模拟地震作用下地震波的不规则性，无法开展复杂动力荷载作用下的土工合成材料界面动力剪切试验。总而言之，目前尚没有成熟的技术方案与仪器产品用于开展土工合成材料界面的动力剪切试验。缺少试验仪器等硬件设备的支撑，围绕土工合成材料界面剪切特性的各项研究工作难以展开进行，亟需研制能够实现大尺寸界面剪切、多种类型界面剪切、具备多种动力剪切试验模式的土工合成材料界面动力剪切试验仪装置。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法，实现了在复杂动力剪切模式下，能够开展多种大尺寸界面(包括：土工合成材料界面、黏土-土工合成材料界面等)和土体材料的动剪应力-应变特性的动力剪切试验，对界面力学、土工合成材料剪切特性、环境岩土工程、地震工程的研究工作的开展奠定了极好的研究基础。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，包括油源系统、控制系统、剪切系统；

所述剪切系统为整个仪器开展剪切试验的装置，其中设置有竖向和水平两台作动器；

所述油源系统为整个仪器的动力装置，其与剪切系统连接，用于向剪切系统中的两台作动器提供动力；

所述控制系统为整个仪器的控制及传感器信号收集装置，其分别与剪切系统及油源系统连接，用于精确控制和监测仪器的运行状态。

具体的，所述剪切系统包括主机框架，竖向和水平作动器，上、下剪切盒，试验辅具；其中，主机框架包括底座平台、底座支脚、底座裙板、水平作动器支座、竖向框架、竖向导轨、顶部平台、水平导轨、水平导轨垫块；竖向和水平作动器包括竖向作动器、竖向作动器伸缩杆、竖向连接扣、竖向位移传感器、竖向轴力传感器、竖向固定盘、水平作动器、水平作动器伸缩杆、水平连接扣、水平位移传感器、水平轴力传感器、水平固定盘、平衡支架；上、下剪切盒包括上剪切盒、上剪切盒竖向滑块、竖向作动器固定螺孔、竖向加速度传感器、竖向加速度传感器支架、试验辅具固定孔、下剪切盒底座、下剪切盒水平滑块、下剪切盒盒底平台、下剪切盒后支架、水平作动器固定螺孔、作动器固定螺丝、下剪切盒前支架、下剪切盒竖向导轨、下剪切盒侧限框、下剪切盒侧限框竖向滑块、预留槽、下抓齿板固定螺丝、弹簧、弹簧支杆、弹簧盖帽、弹簧固定螺母、水平加速度传感器、水平加速度传感器支架；试验辅具包括上抓齿板、上抓齿板固定螺孔、上侧限框、上侧限框固定螺孔、上固定螺栓、下抓齿板、抓土器支架、抓土勺、抓土器位移传递杆、位移传递杆套筒、套筒支架、位移传递接头、位移传感器；

若干底座支脚共同焊接在底座平台下部，若干底座裙板围绕并固定在各个底座支脚上；水平作动器支座固定在底座平台上，水平作动器支座沿其竖向中间位置开有一个圆形孔洞，以供水平作动器伸缩杆穿过；两个竖向框架分别固定在底座平台正中侧的前后两边部位，两个竖向框架的内侧浅槽均固定有两条竖向导轨，用于连接上剪切盒竖向滑块，为上剪切盒提供竖向运动的自由度；顶部平台位于两个竖向框架的上方并与两个竖向框架固定在一起，顶部平台正中位置开有一个圆孔，用于穿过竖向作动器伸缩杆；两个水平导轨固定在底座平台上并穿过两个竖向框架之间，用于连接下剪切盒水平滑块，为下剪切盒提供水平运动的自由度；水平导轨垫块固定在水平导轨末端位置上，以防下剪切盒滑落；

竖向作动器的上端连接竖向位移传感器，竖向作动器的下端连接竖向作动器伸缩杆，竖向作动器伸缩杆和竖向轴力传感器之间通过竖向连接扣连接，竖向轴力传感器固定在竖向固定盘上，竖向固定盘固定在上剪切盒上，上剪切盒为“艹”字形箱型构件，四个上剪切盒竖向滑块分别固定在上剪切盒的前后两侧翼缘上，四个上剪切盒竖向滑块各自位于一个竖向导轨中，使上剪切盒具有竖直自由度，并通过竖向作动器伸缩杆的伸缩运行带动上剪切盒竖向运动；竖向加速度传感器支架固定在上剪切盒的右端，竖向加速度传感器固定在竖向加速度传感器支架上；

同时上剪切盒的每个翼缘上均开设有两个试验辅具固定孔，用以固定上抓齿板或者上侧限框；上抓齿板下表面刻有尖锐抓齿，用于咬合固定试验材料，抓齿的齿角为90°，齿高为1mm，齿间距为2mm，在上抓齿板的翼板上分别开设有上抓齿板固定孔，上抓齿板固定孔与上剪切盒上的试验辅具固定孔位置吻合，通过上固定螺栓可将上抓齿板与上剪切盒固定；上侧限框尺寸与下剪切盒侧限框一致，上侧限框的前后翼板上开侧限框固定孔，通过上固定螺栓可将上侧限框与上剪切盒固定，形成容积不变的上剪切盒空间；

平衡支架安装在底座平台上用以支撑水平作动器，水平作动器的左端连接水平位移传感器，水平作动器的右端连接水平作动器伸缩杆，水平作动器伸缩杆和水平轴力传感器之间通过水平连接扣连接，水平轴力传感器固定在水平固定盘上，在下剪切盒后支架左侧开有多个水平作动器固定螺孔，通过作动器固定螺丝将水平固定盘固定在下剪切盒后支架上，下剪切盒后支架固定在下剪切盒底座的上表面左侧，下剪切盒底座的下表面固定六个下剪切盒水平滑块，六个下剪切盒水平滑块分别位于两个水平导轨中，使下剪切盒在水平方向上具有运动自由度，并通过水平作动器伸缩杆的伸缩运动带动下剪切盒水平运动；下剪切盒盒底平台安装在下剪切盒底座上表面的中部，下剪切盒后支架右侧固定有两根下剪切盒竖向导轨，下剪切盒底座的上表面右侧固定有两个下剪切盒前支架，每个下剪切盒前支架的左侧分别固定一根下剪切盒竖向导轨，下剪切盒侧限框的外侧分别固定有四个下剪切盒侧限框竖向滑块，每个下剪切盒侧限框竖向滑块分别位于一根下剪切盒竖向导轨中，为下剪切盒侧限框提供了竖向自由度；下剪切盒侧限框的右端侧边上设置有水平加速度传感器支架，水平加速度传感器固定在水平加速度传感器支架上；

下剪切盒侧限框与下剪切盒盒底平台的尺寸相适应，且下剪切盒侧限框恰好能套在下剪切盒盒底平台上，形成体积可变的下剪切盒；下抓齿板表面有尖锐抓齿，下抓齿板的尺寸与下剪切盒侧限框相适应，且下抓齿板能恰好放入下剪切盒中，在下剪切盒侧限框左端开有三个螺孔，用于穿过下抓齿板固定螺丝，通过旋紧下抓齿板固定螺丝可将下抓齿板与下剪切盒侧限框固定；

下剪切盒侧限框前后两侧翼板与下剪切盒底座之间共设置有十二个浮置弹簧组，使得下剪切盒侧限框在不受竖向力时下剪切盒的体积能保持稳定；浮置弹簧组包括若干组配套使用的弹簧、弹簧支杆、弹簧盖帽、弹簧固定螺母；下剪切盒侧限框的两侧翼板上预留有穿过弹簧盖帽的孔洞，弹簧盖帽通过所述孔洞卡设在下剪切盒侧限框的翼板上，弹簧支杆的下端设置在下剪切盒底座上，弹簧支杆外套设有弹簧，弹簧支杆的上端刻有螺纹，弹簧支杆穿过弹簧盖帽且与弹簧盖帽不发生接触，弹簧固定螺母位于弹簧盖帽上方并旋紧在弹簧支杆上端的螺纹上，用于控制弹簧的长短，弹簧盖帽和弹簧支杆的下端共同夹持弹簧，使下剪切盒侧限框处于浮置状态；

抓土器支架、抓土勺、抓土器位移传递杆、位移传递杆套筒、套筒支架、位移传递接头、位移传感器共同组成抓土器，抓土器为伸入剪切盒内部用于测量试验土体内部变形的传感器装置，抓土器支架的一端固定在下剪切盒侧限框右端的外侧面上，其另一端为抓手结构，用于夹持位移传感器，位移传感器的左端设置有伸缩杆，所述伸缩杆通过位移传递接头与位移传递杆连接，位移传递杆套在位移传递杆套筒内，在下剪切盒侧限框右端设有预留槽，用于放置位移传递杆套筒，同时位移传递杆套筒通过套筒支架固定，在抓土器支架上；位移传递杆的左端连接抓土勺，抓土勺预先埋置于试验土体内，在剪切试验过程中跟随土体变形而移动，并将测得的土体变形传递给位移传感器；

所述油源系统包括油源、主输油管、分油器、分输油管；所述油源为动力装置，其将液压油通过主输油管输送给分油器，分油器通过两根分输油管分别和竖向作动器、水平作动器连接，将油源输送的总液压油分别输送给竖向作动器和水平作动器；

所述控制系统包括控制机、控制线缆、传感器线缆、显示器、操作键盘鼠标；控制机由一台工业计算机、控制信号传输装置以及传感器信号接收装置组成；控制机分别连接显示器和键盘鼠标；控制机通过控制线缆连接并控制油源输出液压油的压力、流量，控制机通过控制线缆连接并控制分油器分流液压油的压力、流量；控制机通过传感器线缆分别连接垂向位移传感器、垂向轴力传感器、水平位移传感器、水平轴力传感器、竖向加速度传感器、水平加速度传感器、位移传感器，并实时监测这些传感器测量的物理力学指标；其中，竖向作动器、水平作动器分别通过安装在各自末端的竖向位移传感器、水平位移传感器实时测量位移数据并传输给控制机；竖向作动器伸缩杆、水平作动器伸缩杆分别通过安装在各自前端的竖向轴力传感器、水平轴力传感器测量竖向作动器、水平作动器加载的轴力数据并传输给控制机；控制机进而对位移和轴力数据进行处理分析得到控制信号，并将控制信号传递给油源与分油器，调整液压油的压力、流量指标来精确控制竖向作动器、水平作动器。

本发明中，所有采用螺丝固定的部件，与之相对应部件的相应位置均预留有螺孔。

本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切仪，其工作过程的基本原理为：

通过操作键盘鼠标来操控控制机向油源和分油器发送指令，控制竖向作动器和水平作动器的伸缩，竖向作动器依次通过竖向作动器伸缩杆、竖向连接扣、竖向轴力传感器、竖向固定盘和上剪切盒相连接，从而带动整个上剪切盒及其附件竖向运动，水平作动器通过水平作动器伸缩杆、水平连接扣、水平轴力传感器、水平固定盘和下剪切盒相连接，从而带动整个下剪切盒及其附件水平运动。

本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪开展剪切试验的过程主要分为三个阶段：试验准备阶段、试验进行阶段、试验结束阶段。

试验准备阶段：首先，打开本装置各部分的电源，操作竖向作动器收缩，使上剪切盒脱离下剪切盒，并留有足够空间；随后，旋开固定水平固定盘和下剪切盒后支架的作动器固定螺丝，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨推至底座平台上的水平导轨垫块一侧，使下剪切盒上部形成便于人工操作的开放空间，在下剪切盒内安装开展试验需要的试验辅具与剪切试验材料；安装完成后，将下剪切盒推回，用作动器固定螺丝将水平固定盘和下剪切盒后支架牢固固定，至此试验准备阶段结束。

试验开展阶段：首先，控制竖向作动器与水平作动器的伸缩，使上、下剪切盒互相正对；继续控制竖向作动器，使上剪切盒沿竖向导轨向下运动，继而使上、下剪切盒夹持的试验材料发生接触，刚发生接触的瞬间接触面上的竖向接触力为零；随后，继续控制竖向作动器，使竖向接触力持续增大，可精确控制竖向力变化的速率，直至施加的竖向力达到试验需要的荷载水平，竖向力的大小由竖向轴力传感器测得并传递给控制机，上剪切盒的竖向位移由竖向位移传感器测得并传递给控制机；待竖向荷载达到设定水平后，改变水平作动器的伸缩状态，使下剪切盒沿着水平导轨水平运动，与上剪切盒在水平方向上产生相对位移，相对位移产生时试验材料也同时产生剪切，控制水平作动器的伸缩速率和运动模式就是控制了剪切试验材料的剪切速率和剪切模式，剪切过程中水平作动器施加的水平力等于试验材料、试验界面上发生的剪切力，水平力的大小由水平轴力传感器测得并传递给控制机，下剪切盒在水平方向的位移情况由水平位移传感器测得并传递给控制机，上剪切盒、下剪切盒在动力剪切过程的加速度数据由竖向加速度传感器和水平加速度传感器测得，并通过传感器线缆传递给控制机；事先设定下剪切盒的水平加载模式，例如但不限于：正弦波运动(设定振幅、频率)、三角波(设定振幅、频率)、文件波(设定地震位移时程数据)等，按照这些设定好的水平加载模式开展动力剪切试验，当设定的加载模式进行结束后，动力剪切试验结束。

试验结束阶段：首先，通过操作控制机控制竖向作动器减小其竖向力，直至竖向力为零，此时可认为试验材料不受力、试验界面不接触，随后控制竖向作动器缩短其竖向作动器伸缩杆，使上剪切盒抬高到合适位置，旋开作动器固定螺丝，使水平固定盘和下剪切盒后支架脱开，将下剪切盒沿水平导轨推至底座平台上的水平导轨垫块一侧，将下剪切盒内安装的剪切试验材料与试验辅具逐一卸除、取出，并打扫下剪切盒的清洁；随后将下剪切盒沿水平导轨退回与上剪切盒正对的位置，调整竖向作动器的伸缩状态，使上剪切盒在竖向处于比较合适的安全位置，最后关闭电源。

本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，可以通过精确控制竖向作动器、水平作动器的运动速率及输出轴力大小，可使上、下剪切盒之间产生多种模式的相对运动，以开展多种类型、多种模式的动力剪切试验。

本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，可以通过对试验辅具的调整开展多种界面剪切试验，包括但不限于土工合成材料界面静动力剪切试验、或黏土-土工合成材料界面静动力剪切试验、或土体静动力剪切试验。

本发明的有益效果：

本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪的最大优点是实现了在复杂动力剪切模式下，能够开展多种大尺寸界面(包括：土工合成材料界面、黏土-土工合成材料界面等)和土体材料的动剪应力-应变特性的动力剪切试验，本发明仪器对界面力学、土工合成材料剪切特性、环境岩土工程、地震工程的研究工作的开展奠定了极好的研究基础。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为本发明的各组件联系示意图。

图3为本发明的剪切系统示意图。

图4为本发明的剪切系统正视图。

图5为本发明的剪切系统左视图。

图6为本发明的剪切系统右视图。

图7为本发明的剪切系统俯视图。

图8为本发明的剪切系统框架示意图。

图9为本发明的剪切系统框架的组件拆解示意图。

图10为本发明的作动器及上下剪切盒示意图。

图11为本发明的上剪切盒示意图。

图12为本发明的下剪切盒示意图。

图13为本发明的下剪切盒后视示意图。

图14为本发明的下剪切盒下视示意图。

图15为本发明的下剪切盒组件拆解示意图。

图16为本发明的浮置弹簧组示意图。

图17为本发明的加速度传感器示意图。

图18为本发明开展“土工合成材料”界面剪切测试的剪切装置示意图。

图19为本发明开展“土工合成材料”界面剪切测试的界面构成正视图。

图20为本发明上下剪切板的示意图。

图21为本发明开展“土工合成材料-土”界面剪切测试的剪切装置示意图。

图22为本发明开展“土工合成材料-土”界面剪切测试的界面构成正视图。

图23为本发明的抓土器传感器装置示意图。

图24为本发明开展土体直接剪切测试的剪切装置示意图。

图25为本发明开展土体直接剪切测试的剪切盒正视图。

图26为本发明的上侧限框示意图。

图中标号：1为油源，2为主输油管，3为分油器，4为分输油管，5为控制机，6为控制线缆，7为传感器线缆，8为显示器，9为键盘鼠标，10为底座平台，11为底座支脚，12为底座裙板，13为水平作动器支座，14为竖向框架，15为竖向导轨，16为顶部平台，17为水平导轨，18为水平导轨垫块，19为竖向作动器，20为竖向作动器伸缩杆，21为竖向连接扣，22为竖向位移传感器，23为竖向轴力传感器，24为竖向固定盘，25为水平作动器，26为水平作动器伸缩杆，27为水平连接扣，28为水平位移传感器，29为水平轴力传感器，30为水平固定盘，31为平衡支架，32为上剪切盒，33为上剪切盒竖向滑块，34为竖向作动器固定螺孔，35为竖向加速度传感器，36为竖向加速度传感器支架，37为试验辅具固定螺孔，38为下剪切盒底座，39为下剪切盒水平滑块，40为下剪切盒盒底平台，41为下剪切盒后支架，42为水平作动器固定螺孔，43为作动器固定螺丝，44为下剪切盒前支架，45为下剪切盒竖向导轨，46为下剪切盒侧限框，47为下剪切盒侧限框竖向滑块，48为预留槽，49为下抓齿板固定螺丝，50为弹簧，51为弹簧支杆，52为弹簧盖帽，53为弹簧固定螺母，54为水平加速度传感器，55为水平加速度传感器支架，56为上抓齿板，57为上抓齿板固定孔，58为上侧限框，59为上侧限框固定孔，60为上固定螺栓，61为下抓齿板，62为抓土器支架，63为抓土勺，64为位移传递杆，65为位移传递杆套筒，66为套筒支架，67为位移传递接头，68为位移传感器，69为土工膜试样，70为GCL试样，71为黏土试样。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪及试验方法的技术方案作进一步说明。结合以下说明，本发明的优点和特征将更加清晰。

需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被互相组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的现实，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细介绍，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同的实施例中。

如图1至图26所示，本发明提供一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，包括油源系统、控制系统、剪切系统。

油源系统包括：油源1、主输油管2、分油器3、分输油管4。

油源1为动力装置，通过油源1内部的高压油泵和大型储油箱，将高压液压油通过主输油管2输送给分油器3，控制机5通过控制线缆6控制油源输出液压油的压力、流量；分油器3通过主输油管2连接油源1，通过两根分输油管4分别和竖向作动器19、水平作动器25连接，分油器3将油源1输送的总液压油分开，并分别输送给两台作动器，控制机5通过控制线缆6控制分油器3的运行与分流液压油的压力、流量。

控制系统包括：控制机5、控制线缆6、传感器线缆7、显示器8、键盘鼠标9。

显示器8为仪器控制界面的显示装置，键盘鼠标9为控制信号的输入工具，对仪器的主要操作均可由键盘鼠标9操作完成，显示器8和键盘鼠标9连接控制机5；控制机5是集成控制与监测等功能的综合控制中心，由一台工业计算机、控制信号传输装置以及传感器信号接收装置组成，控制整个仪器的运行与信号采集，控制机5通过控制线缆6连接油源1、分油器3，分别控制油源1输出总流液压油的压力、流量，以及分油器3输出的分流液压油的压力、流量；控制机5通过传感器线缆7分别连接：垂向位移传感器22、垂向轴力传感器23、水平位移传感器28、水平轴力传感器29、竖向加速度传感器35、水平加速度传感器54、位移传感器68，在试验过程中实时获取这些传感器监测到的物理力学指标。

剪切系统是本发明提出装置的主体系统，包括四个部分，分别为：主机框架、竖向和水平作动器、上下剪切盒、试验辅具。

主机框架包括：底座平台10、底座支脚11、底座裙板12、水平作动器支座13、竖向框架14、竖向导轨15、顶部平台16、水平导轨17、水平导轨垫块18。

底座平台10为钢制长方形平台，八根底座支脚11共同焊接在底座平台10下部，起支撑作用，八块底座裙板12通过螺丝围绕固定在底座支脚11上；水平作动器支架13为“L”型钢制构件，其上焊有三角形钢制肋板，竖向中间位置开有一个圆孔，供水平作动器伸缩杆26穿过，水平作动器支架13通过多枚高强螺丝固定在底座平台10上；两个竖向框架14为框型钢制构件，采用多枚螺丝固定在底座平台10正中侧边部位，竖向框架14靠内一侧开有两条竖向浅槽，用于固定两条竖向导轨15，竖向导轨15为高精度导轨，采用螺丝固定在竖向框架14的预留浅槽中部，竖向导轨15用于连接上剪切盒竖向滑块33，为上剪切盒提供竖向运动的自由度；顶部平台16为方形钢制构件，正中位置开有一个圆孔，用于穿过竖向作动器伸缩杆20，顶部平台16用多枚螺丝与两个竖向框架14固定在一起；水平导轨17与竖向导轨15规格相同，采用螺丝固定在底座平台10上，用于连接下剪切盒水平滑块39，为下剪切盒提供水平运动的自由度；水平导轨垫块18为钢制构件，用螺丝固定在底座平台10上，位于水平导轨17的末端位置，用于限制下剪切盒的滑动，以防下剪切盒从底座平台10滑落；

所有采用螺丝固定的部件，其对应部件的相应位置均预留有螺孔；上述构件共同构成主机框架，如图3～9所示；

竖向和水平作动器体系包括：竖向作动器19、竖向作动器伸缩杆20、竖向连接扣21、竖向位移传感器22、竖向轴力传感器23、竖向固定盘24、水平作动器25、水平作动器伸缩杆26、水平连接扣27、水平位移传感器28、水平轴力传感器29、水平固定盘30、平衡支架31；

竖向作动器19下端的竖向作动器伸缩杆20在液压油压力、流量的变化下可以伸缩，竖向连接扣21为刚性连接构件，连接竖向作动器伸缩杆20与竖向轴力传感器23，竖向固定盘24为圆盘形钢制构件，竖向轴力传感器23用螺丝牢固固定在竖向固定盘24上，竖向固定盘24用螺丝牢固固定在上剪切盒32上；竖向作动器19、竖向作动器伸缩杆20、竖向连接扣21、竖向轴力传感器23、竖向固定盘24和上剪切盒32连成一个整体，竖向作动器19的伸缩运动可带动上剪切盒32沿着竖向导轨15的方向发生相同的竖向运动；

水平作动器25前端的水平作动器伸缩杆26在液压油压力、流量的变化下可以伸缩，水平连接扣27在水平作动器伸缩杆26和水平轴力传感器29之间起连接作用，水平轴力传感器29用螺丝牢固固定在水平固定盘30上，水平固定盘30用螺丝固定在下剪切盒后支架41上，平衡支架31为钢制“工”字形构件，放置在底座平台10上，同时位于水平作动器25中部下方，用于支撑水平作动器25，使之不发生倾斜；水平作动器25、水平作动器伸缩杆26、水平连接扣27、水平轴力传感器29、水平固定盘30、平衡支架31连成一个整体，水平作动器25的伸缩运动可以带动下剪切盒沿着水平导轨17的方向发生相同的水平运动；

竖向作动器19与水平作动器25为两台规格相近的油压作动器，分别通过分输油管4与分油器3连接，通过安装在作动器末端的竖向位移传感器22、水平位移传感器28实时监测两台作动器加载的位移数据并传输给控制机5，控制机5进而对位移数据进行分析与处理，将控制信号传递给油源1与分油器3，通过控制液压油压力、流量来控制竖向作动器19与水平作动器25的伸缩，从而精确控制上剪切盒32和下剪切盒的运动状态；安装在竖向作动器伸缩杆20和水平作动器伸缩杆26前端的竖向轴力传感器23和水平轴力传感器29的目的是：监测两台作动器加载的轴力数据并传输给控制机5，控制机5进而对轴力数据进行分析与处理，将控制信号传递给油源1与分油器3，通过控制液压油的压力、流量来控制竖向作动器19与水平作动器25输出的轴力大小；

竖向作动器19、水平作动器25均用高强螺丝安装在主机框架体系上，竖向作动器19安装在顶部平台16上，水平作动器25安装在水平作动器支座13上，两台作动器在空间布局上互相垂直，分别只能沿着正交方向直线运动；

所有采用螺丝固定的部件，与之相对应部件的相应位置均预留有螺孔；上述构件共同构成了剪切系统的竖向和水平作动器，参见图3～7、10；

上下剪切盒包括：上剪切盒32、上剪切盒竖向滑块33、竖向作动器固定螺孔34、竖向加速度传感器35、竖向加速度传感器支架36、试验辅具固定孔37、下剪切盒底座38、下剪切盒水平滑块39、下剪切盒盒底平台40、下剪切盒后支架41、水平作动器固定螺孔42、作动器固定螺丝43、下剪切盒前支架44、下剪切盒竖向导轨45、下剪切盒侧限框46、下剪切盒侧限框竖向滑块47、预留槽48、下抓齿板固定螺丝49、弹簧50、弹簧支杆51、弹簧盖帽52、弹簧固定螺母53、水平加速度传感器54、水平加速度传感器支架55。

上剪切盒32为“艹”字形箱型钢制构件，四个上剪切盒竖向滑块33用螺丝牢固固定在上剪切盒32两侧的“C”形翼缘上，四个上剪切盒竖向滑块33分别连接四根竖向导轨15，从而实现上剪切盒32在竖直方向的运动自由度；在上剪切盒32侧边的四个“C”形翼缘的下缘各开有两个试验辅具固定孔37，用于穿过上固定螺栓60进而来固定上抓齿板56或者上侧限框58等试验辅具；在上剪切盒32上表面正中有圆形分布的竖向作动器固定螺孔34，用于固定竖向固定盘24，从而使上剪切盒32与竖向作动器19连成一个整体；竖向加速度传感器支架36为“L”形钢制构件，通过螺丝将竖向加速度传感器支架36固定在上剪切盒32的右端，竖向加速度传感器35通过螺栓固定在竖向加速度传感器支架36上，并使其测量方向与上剪切盒32的竖向运动方向一致；

下剪切盒底座38为钢制平板，其下表面固定六个下剪切盒水平滑块39，下剪切盒水平滑块39连接水平导轨17，从而实现整个下剪切盒在水平方向上的运动自由度；下剪切盒盒底平台40为长方体箱型钢制构件，牢固焊接在下剪切盒底座38中部；下剪切盒后支架41为钢制构件，用螺丝固定在下剪切盒底座38左端，在下剪切盒后支架41左部开有多个水平作动器固定螺孔42，通过作动器固定螺丝43将水平固定盘30固定在下剪切盒后支架41上，下剪切盒后支架41右部两侧分别用螺丝固定两根下剪切盒竖向导轨45；两个下剪切盒前支架44为三角形钢制构件，用螺丝固定在下剪切盒底座38的右端，两根下剪切盒竖向导轨45分别用螺丝固定在两个下剪切盒前支架44；下剪切盒后支架41和下剪切盒前支架44共同提供了四根下剪切盒竖向导轨45，四根下剪切盒竖向导轨45分别连接一个下剪切盒侧限框竖向滑块47，为下剪切盒侧限框46提供了竖向的运动自由度；下剪切盒侧限框46为上下开口的框型钢制构件，下剪切盒侧限框46右侧分别用螺丝固定两个下剪切盒侧限框竖向滑块47，用于连接四根下剪切盒竖向滑动导轨45，在下剪切盒侧限框46右侧上端部位开有三个预留槽48，用于穿过、安放抓土器的位移传递杆套筒65等试验辅具，在下剪切盒侧限框46左侧部位开有三个螺孔，用于穿过下抓齿板夹紧固定螺丝49；下剪切盒侧限框46的内框尺寸与下剪切盒盒底平台40的尺寸一致，下剪切盒侧限框46恰好能套下剪切盒盒底平台40上，形成一个向上开口的长方体空间，这个空间大小就是下剪切盒的容积；因为下剪切盒侧限框46可以竖向运动，所以下剪切盒的容积是可变的，在下剪切盒侧限框46前后两侧翼板上固定有十二个浮置弹簧组，十二个浮置弹簧组共同支撑起下剪切盒侧限框46，使得在下剪切盒侧限框46不受竖向压力的情况下盒内下剪切盒的容积能保持稳定；

浮置弹簧组由弹簧50、弹簧支杆51、弹簧盖帽52、弹簧固定螺母53组成，下剪切盒侧限框46的两侧翼板上预留有穿过弹簧盖帽52的圆孔，弹簧盖帽52为中空型钢制构件，用多枚螺丝固定在下剪切盒侧限框46的两侧翼板上，弹簧支杆51放置在下剪切盒底座38上，弹簧支杆51的上端杆件刻有螺纹，弹簧固定螺母53为内有螺纹的特制长螺母，旋紧在弹簧支杆51上，且与弹簧盖帽52不发生接触，改变弹簧固定螺母53的上下位置，可以控制弹簧50的长短，弹簧盖帽52和弹簧支杆51共同夹持弹簧50，使弹簧50两端的弹力分别作用在下剪切盒侧限框46与下剪切盒底座38上，从而使下剪切盒侧限框46处于浮置状态；水平加速度传感器支架55用螺丝固定在下剪切盒侧限框46右端侧边，水平加速度传感器54用螺栓固定水平加速度传感器支架55上，使其测量方向与下剪切盒水平运动方向一致；

所有采用螺丝固定的部件，对应部件的相应位置均预留有螺孔；上述构件共同构成了剪切系统的上下剪切盒，参见图3～7、10～17；

试验辅具包括：上抓齿板56、上抓齿板固定螺孔57、上侧限框58、上侧限框固定螺孔59、上固定螺栓60、下抓齿板61、抓土器支架62、抓土勺63、抓土器位移传递杆64、位移传递杆套筒65、套筒支架66、位移传递接头67、位移传感器68；

上抓齿板56为带有四个小翼板的板型构件，采用高强钢制成，下表面刻有尖锐抓齿，用于咬合固定试验材料，抓齿的齿角为90°，齿高为1mm，齿间距为2mm，在上抓齿板56的四个小翼板上分别留有两个上抓齿板固定孔57，八个上抓齿板固定孔57与上剪切盒32上的八个试验辅具固定孔37位置吻合，通过八枚上固定螺栓60，可将抓齿面朝下的上抓齿板56牢固固定在上剪切盒32的下表面上；上侧限框58为框型钢制构件，内框尺寸与下剪切盒侧限框46的内框尺寸一致，在上侧限框58两侧翼板上开有八个上侧限框固定孔59，通过八枚上固定螺栓60，可将上侧限框58牢固固定在上剪切盒32的下表面上，从而形成一个开口向下且容积不变的长方体空间，这个空间就是上剪切盒空间，与下剪切盒侧限框46形成的开口向上且容积可变的下剪切盒空间正对，共同形成容纳剪切材料的剪切盒空间；下抓齿板61采用高强钢制成，上表面有尖锐抓齿，用于咬合固定试验材料，抓齿规格与上抓齿板56的抓齿相同，下抓齿板61的长宽尺寸与下剪切盒侧限框46的内部尺寸相适应，使其恰好能以抓齿面向上的姿态放入下剪切盒中，通过旋紧下抓齿板固定螺丝49可夹紧牢固固定下抓齿板61；

抓土器支架62、抓土勺63、抓土器位移传递杆64、位移传递杆套筒65、套筒支架66、位移传递接头67、位移传感器68共同组成抓土器，抓土器为伸入剪切盒内部用于测量试验土体内部变形的传感器装置，抓土器支架62为钢制构件，抓土器支架62的一端用四枚螺丝牢固固定在下剪切盒侧限框46的短边外表面上，抓土器支架62的另一端为可调节松紧的抓手装置，用于夹持位移传感器68，位移传感器68伸出的伸缩杆通过位移传递接头67与位移传递杆64连接，位移传递杆64套在位移传递杆套筒65内，以防止试验土体的摩擦力阻碍抓土器位移传递杆64的运动，影响测量精度，位移传递杆套筒65通过套筒支架66固定，套筒支架66通过多枚螺丝固定在抓土器支架62的上表面上；位移传递杆64的另一端连接抓土勺63，抓土勺63为半圆形薄片构件，在剪切试验的准备阶段，预先埋置于试验土体内，在剪切试验开展过程中跟随土体变形发生位置移动，从而测量土体的内部变形，并将测得的土体变形通过位移传递杆64和位移传递接头67传递给位移传感器68，位移传感器68通过传感器线缆7将变形信号即时传输给控制机5；

所有采用螺丝固定的部件，其对应部件的相应位置均预留有螺孔；上述构件共同构成了剪切系统的试验辅具，参见图18～26。

本发明提供的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，其主要的剪切试验功能将以三个实施例的形式分别加以介绍：

实施例1：土工膜-GCL界面动力剪切试验

基于本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，开展土工膜-GCL界面动力剪切试验的工作过程主要分为三个阶段：试验准备阶段、试验进行阶段、试验结束阶段。

试验准备阶段：首先，依照上下剪切盒的尺寸切割准备土工膜试样69和GCL试样70，其中GCL试样70的尺寸与剪切盒尺寸一致，土工膜试样69的长宽均大于GCL试样70；制样完成后，打开仪器各部分的电源，操作竖向作动器19收缩，使上剪切盒32脱离下剪切盒，并留有足够空间，通过八枚上固定螺栓60将上抓齿板56牢固固定在上剪切盒32的下表面上，且上抓齿板56的抓齿面朝下；随后，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨17推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，使下剪切盒上部形成便于人工操作的开放空间，在下剪切盒内安装下抓齿板61，使其抓齿面朝上，并旋紧下抓齿板固定螺丝49将下抓齿板61牢固固定在下剪切盒内；然后，将GCL试样70平铺于下抓齿板61上，在GCL试样70上继续平铺土工膜试样69；最后，将下剪切盒推回至上剪切盒32的正下方，用作动器固定螺丝43将水平固定盘30和下剪切盒后支架41牢固固定，至此试验准备阶段结束。

试验开展阶段：首先，控制竖向作动器19与水平作动器25的伸缩，使上下剪切盒互相正对；继续控制竖向作动器19，使上剪切盒32沿竖向导轨15向下运动，继而使上下剪切盒夹持的土工膜试样69和GCL试样70发生紧密接触，形成土工膜-GCL界面，刚发生接触的瞬间土工膜-GCL界面上的竖向正压力为零；随后，继续控制竖向作动器19使土工膜-GCL界面正压力持续增大，使上抓齿板56牢固抓住土工膜试样70，同时使下抓齿板61牢固抓住GCL试样，从而使剪切位移只发生在土工膜试样69和GCL试样70之间形成的土工膜-GCL界面上；精确控制土工膜-GCL界面正压力的变化速率，直至施加的土工膜-GCL界面正压力达到试验需要的荷载水平，土工膜-GCL界面正压力的大小由竖向轴力传感器23测得并传递给控制机5，上剪切盒32的竖向位移由竖向位移传感器22测得并传递给控制机5；待竖向荷载达到设定水平后，改变水平作动器25的伸缩状态，使下剪切盒沿着水平导轨17水平运动，与上剪切盒32在水平方向上产生相对位移，相对位移产生时土工膜-GCL界面也同时发生剪切，控制水平作动器25伸缩的速率、模式，使下剪切盒按正弦波运动，开展土工膜-GCL界面动力剪切试验，并循环剪切一定次数；剪切过程中，土工膜-GCL界面上发生的剪切力等于水平作动器25施加的水平力，大小由水平轴力传感器29测得并传递给控制机5，土工膜-GCL界面上发生的剪切位移等于下剪切盒的水平位移，由水平位移传感器28测得并传递给控制机5，上剪切盒32、下剪切盒在动力剪切过程的加速度数据由竖向加速度传感器35和水平加速度传感器54测得，并通过传感器线缆7传递给控制机5；待设定的循环次数完成后，土工膜-GCL界面动力剪切试验结束。

试验结束阶段：首先，通过操作控制机5控制竖向作动器19减小其竖向力，直至竖向力为零，此时可认为土工膜-GCL界面不再接触，随后控制竖向作动器19缩短其竖向作动器伸缩杆20，使上剪切盒32抬高到合适位置，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，将下剪切盒内安装的土工膜试样、GCL试样与试验辅具逐一卸除、取出，并打扫下剪切盒的清洁；随后将下剪切盒沿水平导轨17退回与上剪切盒32正对的位置，调整竖向作动器19的伸缩状态，使上剪切盒32在竖向处于比较合适的安全位置，最后关闭电源。

参见图1～20，本领域的科研技术人员经过培训后均能实施该实施例描述的土工膜-GCL界面动力剪切试验。

实施例2：土工膜-黏土界面动力剪切试验

基于本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，开展土工膜-黏土界面动力剪切试验的工作过程主要分为三个阶段：试验准备阶段、试验进行阶段、试验结束阶段。

试验准备阶段：首先，依照上下剪切盒的尺寸切割准备土工膜试样69和黏土试样71，土工膜试样69的长宽均大于剪切盒尺寸，黏土试样71应按照设定含水率事先拌和好；制样完成后，打开仪器各部分的电源，操作竖向作动器19收缩，使上剪切盒32脱离下剪切盒，并留有足够空间，通过八枚上固定螺栓60将上抓齿板56牢固固定在上剪切盒32的下表面上，且使其抓齿面朝下；随后，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨17推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，使下剪切盒上部形成便于人工操作的开放空间，在下剪切盒侧限框46短边侧面安装抓土器支架62，以及其上的套筒支架66和位移传感器68；在下剪切盒内装入黏土试样71并捣实，当黏土试样71装入过半时，在黏土试样71内埋入抓土勺63，将抓土勺63、位移传递杆64、位移传递接头67和位移传感器68依次连接，位移传递杆64套在位移传递杆套筒65内，位移传递杆套筒65套在套筒支架66上，安装完一套抓土器传感器后，再安装长度不同的两套并联抓土器传感器，分别用于测量黏土试样71在剪切过程中的不同位置内部变形；继续在下剪切盒内装满黏土试样，并将黏土试样71上表面刮平，在其上平铺土工膜试样69；最后，将下剪切盒推回至上剪切盒32正下方，用作动器固定螺丝43将水平固定盘30和下剪切盒后支架41牢固固定，至此试验准备阶段结束。

试验开展阶段：首先，控制竖向作动器19与水平作动器25的伸缩，使上下剪切盒互相正对；继续控制竖向作动器19，使上剪切盒32沿竖向导轨15向下运动，继而使上下剪切盒夹持的土工膜试样69和黏土试样71发生紧密接触，形成土工膜-黏土界面，刚发生接触的瞬间土工膜-黏土界面上的竖向正压力为零；随后，控制竖向作动器19使土工膜-黏土界面正压力持续增大，使上抓齿板56牢固抓住土工膜试样69，从而使剪切位移只发生在土工膜试样69与黏土试样71之间形成的土工膜-黏土界面上；精确控制土工膜-黏土界面正压力变化的速率，直至施加的土工膜-黏土界面正压力达到试验需要的荷载水平，土工膜-黏土界面正压力的大小由竖向轴力传感器23测得并传递给控制机5，正压力施加过程中黏土试样71受到压缩导致体积变小，下剪切盒侧限框46随之向下运动，浮置弹簧组托起下剪切盒侧限框46使其上缘始终与上覆的土工膜试样69接触，黏土试样71的竖向变形量等于上剪切盒32的竖向位移，由竖向位移传感器22测得并传递给控制机5；待竖向荷载达到设定水平后，改变水平作动器25的伸缩状态，使下剪切盒沿着水平导轨17水平运动，与下剪切盒32在水平方向上产生相对位移，相对位移产生时土工膜-黏土界面也同时发生剪切，控制水平作动器25伸缩的速率、模式，使下剪切盒按正弦波运动，开展土工膜-黏土界面动力剪切试验，并循环剪切一定次数；剪切过程中，土工膜-黏土界面上的剪切力等于水平作动器25施加的水平力，大小由水平轴力传感器29测得并传递给控制机5，土工膜-黏土界面上发生的剪切位移等于下剪切盒的水平位移，由水平位移传感器28测得并传递给控制机5，上剪切盒32、下剪切盒在动力剪切过程的加速度数据由竖向加速度传感器35和水平加速度传感器54测得，并通过传感器线缆7传递给控制机5；待设定的循环次数结束后，土工膜-黏土界面动力剪切试验结束。

试验结束阶段：首先，通过操作控制机5控制竖向作动器19减小其竖向力，直至竖向力为零，随后控制竖向作动器19缩短其竖向作动器伸缩杆20，使上剪切盒32抬高到合适位置，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，将下剪切盒内安装的土工膜试样69、黏土试样71与三套抓土器传感器装置逐一卸除、取出，并打扫下剪切盒的清洁；随后将下剪切盒沿水平导轨17退回与上剪切盒32正对的位置，调整竖向作动器19的伸缩状态，使上剪切盒32在竖向处于比较合适的安全位置，最后关闭电源。

参见图1～17、21～23，本领域的科研技术人员经过培训后均能实施该实施例描述的土工膜-黏土界面动力剪切试验。

实施例3：黏土直接剪切试验

基于本发明提出的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，开展黏土直接剪切试验的工作过程主要分为三个阶段：试验准备阶段、试验进行阶段、试验结束阶段。

试验准备阶段：首先，依照上下剪切盒的容积准备一定量的黏土试样71，黏土试样71按设定的含水率事先拌和制备完成；打开仪器各部分的电源，操作竖向作动器19收缩，使上剪切盒32脱离下剪切盒，并留有足够空间；随后，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨17推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，使下剪切盒上部形成便于人工操作的开放空间，在下剪切盒侧限框46正上方对齐安放上侧限框58，在其形成的空间内填入黏土试样71，并捣实；将下剪切盒推回至上剪切盒32正下方，用作动器固定螺丝43将水平固定盘30和下剪切盒后支架41牢固固定；控制竖向作动器19与水平作动器25的伸缩，使上下剪切盒互相正对；继续控制竖向作动器19，使上剪切盒32沿竖向导轨15向下运动，使上侧限框固定孔59与上剪切盒32侧边的试验辅具固定孔正对，通过八枚上固定螺栓60将将上侧限框58牢固固定在上剪切盒32的下部，至此试验准备阶段结束。

试验开展阶段：首先，控制竖向作动器19与水平作动器25的伸缩，使上下剪切盒内的黏土试样71开始受压；随后，控制竖向作动器19使黏土试样71受到的正压力持续增大，精确控制黏土试样71正压力的变化速率，直至施加的正压力达到试验需要的荷载水平，黏土试样71正压力的大小由竖向轴力传感器23测得并传递给控制机5，黏土试样71的竖向变形量等于上剪切盒32的竖向位移，由竖向位移传感器22测得并传递给控制机5，下剪切盒侧限框46随着黏土试样71的压缩而向下运动，浮置弹簧组托起下剪切盒侧限框46使其上缘始终与上侧限框58下缘紧密接触；待黏土试样71正压力达到设定水平后，改变水平作动器25的伸缩状态，使下剪切盒沿着水平导轨17水平运动，与上剪切盒32在水平方向上产生相对位移，相对位移产生时黏土试样71也同时发生剪切，控制水平作动器25伸缩的速率，使下剪切盒按一定剪切速率单向运动，上下剪切盒之间的相对位移逐渐变大，并持续一定时间；剪切过程中，黏土试样71内部发生的剪切力等于水平作动器25施加的水平力，由水平轴力传感器29测得并传递给控制机5，黏土试样71内发生的剪切位移等于下剪切盒的水平位移，由水平位移传感器28测得并传递给控制机5，上剪切盒32、下剪切盒在动力剪切过程的加速度数据由竖向加速度传感器35和水平加速度传感器54测得，并通过传感器线缆7传递给控制机5；待设定的剪切时间结束后，黏土直接剪切试验结束。

试验结束阶段：首先，通过操作控制机5控制竖向作动器19减小其竖向力，直至竖向力为零，此时可认为黏土试样71不再受压，打开八枚上固定螺栓60，使上侧限框58和上剪切盒32脱开；随后控制竖向作动器19缩短其竖向作动器伸缩杆20，使上剪切盒32抬高到合适位置，旋开固定水平固定盘30和下剪切盒后支架41的作动器固定螺丝43，使两者脱开，将下剪切盒沿水平导轨17推至底座平台10上的水平导轨垫块18一侧，将下剪切盒内的黏土试样71与上侧限框58逐一卸除、取出，并打扫下剪切盒的清洁；随后将下剪切盒沿水平导轨17推回与上剪切盒32正对的位置，调整竖向作动器19的伸缩状态，使上剪切盒32在竖向处于比较合适的安全位置，最后关闭电源。

参见图1～17、24～26，本领域的科研技术人员经过培训后均能实施该实施例描述的土工膜-GCL界面动力剪切试验。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，其特征在于：包括油源系统、控制系统、剪切系统；

所述剪切系统为整个仪器开展剪切试验的装置，其中设置有竖向和水平两台作动器；

所述油源系统为整个仪器的动力装置，其与剪切系统连接，用于向剪切系统中的两台作动器提供动力；

所述控制系统为整个仪器的控制及传感器信号收集装置，其分别与剪切系统及油源系统连接，用于精确控制和监测仪器的运行状态；

所述剪切系统包括主机框架，竖向和水平作动器，上、下剪切盒，试验辅具；其中，主机框架包括底座平台(10)、底座支脚(11)、底座裙板(12)、水平作动器支座(13)、竖向框架(14)、竖向导轨(15)、顶部平台(16)、水平导轨(17)、水平导轨垫块(18)；竖向和水平作动器包括竖向作动器(19)、竖向作动器伸缩杆(20)、竖向连接扣(21)、竖向位移传感器(22)、竖向轴力传感器(23)、竖向固定盘(24)、水平作动器(25)、水平作动器伸缩杆(26)、水平连接扣(27)、水平位移传感器(28)、水平轴力传感器(29)、水平固定盘(30)、平衡支架(31)；上、下剪切盒包括上剪切盒(32)、上剪切盒竖向滑块(33)、竖向作动器固定螺孔(34)、竖向加速度传感器(35)、竖向加速度传感器支架(36)、试验辅具固定孔(37)、下剪切盒底座(38)、下剪切盒水平滑块(39)、下剪切盒盒底平台(40)、下剪切盒后支架(41)、水平作动器固定螺孔(42)、作动器固定螺丝(43)、下剪切盒前支架(44)、下剪切盒竖向导轨(45)、下剪切盒侧限框(46)、下剪切盒侧限框竖向滑块(47)、预留槽(48)、下抓齿板固定螺丝(49)、弹簧(50)、弹簧支杆(51)、弹簧盖帽(52)、弹簧固定螺母(53)、水平加速度传感器(54)、水平加速度传感器支架(55)；试验辅具包括上抓齿板(56)、上抓齿板固定螺孔(57)、上侧限框(58)、上侧限框固定螺孔(59)、上固定螺栓(60)、下抓齿板(61)、抓土器支架(62)、抓土勺(63)、抓土器位移传递杆(64)、位移传递杆套筒(65)、套筒支架(66)、位移传递接头(67)、位移传感器(68)；

若干底座支脚(11)共同焊接在底座平台(10)下部，若干底座裙板(12)围绕并固定在各个底座支脚(11)上；水平作动器支座(13)固定在底座平台(10)上，水平作动器支座(13)沿其竖向中间位置开有一个圆形孔洞，以供水平作动器伸缩杆(26)穿过；两个竖向框架(14)分别固定在底座平台(10)正中侧的前后两边部位，两个竖向框架(14)的内侧浅槽均固定有两条竖向导轨(15)，用于连接上剪切盒竖向滑块(33)，为上剪切盒(32)提供竖向运动的自由度；顶部平台(16)位于两个竖向框架(14)的上方并与两个竖向框架(14)固定在一起，顶部平台(16)正中位置开有一个圆孔，用于穿过竖向作动器伸缩杆(20)；两个水平导轨(17)固定在底座平台(10)上并穿过两个竖向框架(14)之间，用于连接下剪切盒水平滑块(39)，为下剪切盒提供水平运动的自由度；水平导轨垫块(18)固定在水平导轨(17)末端位置上，以防下剪切盒滑落；

竖向作动器(19)的上端连接竖向位移传感器(22)，竖向作动器(19)的下端连接竖向作动器伸缩杆(20)，竖向作动器伸缩杆(20)和竖向轴力传感器(23)之间通过竖向连接扣(21)连接，竖向轴力传感器(23)固定在竖向固定盘(24)上，竖向固定盘(24)固定在上剪切盒(32)上，上剪切盒(32)为“艹”字形箱型构件，四个上剪切盒竖向滑块(33)分别固定在上剪切盒(32)的前后两侧翼缘上，四个上剪切盒竖向滑块(33)各自位于一个竖向导轨(15)中，使上剪切盒(32)具有竖直自由度，并通过竖向作动器伸缩杆(20)的伸缩运行带动上剪切盒(32)竖向运动；竖向加速度传感器支架(36)固定在上剪切盒(32)的右端，竖向加速度传感器(35)固定在竖向加速度传感器支架(36)上；

同时上剪切盒(32)的每个翼缘上均开设有两个试验辅具固定孔(37)，用以固定上抓齿板(56)或者上侧限框(58)；上抓齿板(56)下表面刻有尖锐抓齿，用于咬合固定试验材料，抓齿的齿角为90°，齿高为1mm，齿间距为2mm，在上抓齿板(56)的翼板上分别开设有上抓齿板固定孔(57)，上抓齿板固定孔(57)与上剪切盒(32)上的试验辅具固定孔(37)位置吻合，通过上固定螺栓(60)可将上抓齿板(56)与上剪切盒(32)固定；上侧限框(58)尺寸与下剪切盒侧限框(46)一致，上侧限框(58)的前后翼板上开侧限框固定孔(59)，通过上固定螺栓(60)可将上侧限框(58)与上剪切盒(32)固定，形成容积不变的上剪切盒空间；

平衡支架(31)安装在底座平台(10)上用以支撑水平作动器(25)，水平作动器(25)的左端连接水平位移传感器(28)，水平作动器(25)的右端连接水平作动器伸缩杆(26)，水平作动器伸缩杆(26)和水平轴力传感器(29)之间通过水平连接扣(27)连接，水平轴力传感器(29)固定在水平固定盘(30)上，在下剪切盒后支架(42)左侧开有多个水平作动器固定螺孔(42)，通过作动器固定螺丝(43)将水平固定盘(30)固定在下剪切盒后支架(41)上，下剪切盒后支架(41)固定在下剪切盒底座(38)的上表面左侧，下剪切盒底座(38)的下表面固定六个下剪切盒水平滑块(39)，六个下剪切盒水平滑块(39)分别位于两个水平导轨(17)中，使下剪切盒在水平方向上具有运动自由度，并通过水平作动器伸缩杆(26)的伸缩运动带动下剪切盒水平运动；下剪切盒盒底平台(40)安装在下剪切盒底座(38)上表面的中部，下剪切盒后支架(41)右侧固定有两根下剪切盒竖向导轨(45)，下剪切盒底座(38)的上表面右侧固定有两个下剪切盒前支架(44)，每个下剪切盒前支架(44)的左侧分别固定一根下剪切盒竖向导轨(45)，下剪切盒侧限框(46)的外侧分别固定有四个下剪切盒侧限框竖向滑块(47)，每个下剪切盒侧限框竖向滑块(47)分别位于一根下剪切盒竖向导轨(45)中，为下剪切盒侧限框(46)提供了竖向自由度；下剪切盒侧限框(46)的右端侧边上设置有水平加速度传感器支架(55)，水平加速度传感器(54)固定在水平加速度传感器支架(55)上；

下剪切盒侧限框(46)与下剪切盒盒底平台(40)的尺寸相适应，且下剪切盒侧限框(46)恰好能套在下剪切盒盒底平台(40)上，形成体积可变的下剪切盒；下抓齿板(61)表面有尖锐抓齿，下抓齿板(61)的尺寸与下剪切盒侧限框(46)相适应，且下抓齿板(61)能恰好放入下剪切盒中，在下剪切盒侧限框(46)左端开有三个螺孔，用于穿过下抓齿板固定螺丝(49)，通过旋紧下抓齿板固定螺丝(49)可将下抓齿板(61)与下剪切盒侧限框(46)固定；

下剪切盒侧限框(46)前后两侧翼板与下剪切盒底座(38)之间共设置有十二个浮置弹簧组，使得下剪切盒侧限框(46)在不受竖向力时下剪切盒的体积能保持稳定；浮置弹簧组包括若干组配套使用的弹簧(50)、弹簧支杆(51)、弹簧盖帽(52)、弹簧固定螺母(53)；下剪切盒侧限框(46)的两侧翼板上预留有穿过弹簧盖帽(52)的孔洞，弹簧盖帽(52)通过所述孔洞卡设在下剪切盒侧限框(46)的翼板上，弹簧支杆(51)的下端设置在下剪切盒底座(38)上，弹簧支杆(51)外套设有弹簧(50)，弹簧支杆(51)的上端刻有螺纹，弹簧支杆(51)穿过弹簧盖帽(52)且与弹簧盖帽(52)不发生接触，弹簧固定螺母(53)位于弹簧盖帽(52)上方并旋紧在弹簧支杆(51)上端的螺纹上，用于控制弹簧(50)的长短，弹簧盖帽(52)和弹簧支杆(51)的下端共同夹持弹簧(50)，使下剪切盒侧限框(46)处于浮置状态；

抓土器支架(62)、抓土勺(63)、抓土器位移传递杆(64)、位移传递杆套筒(65)、套筒支架(66)、位移传递接头(67)、位移传感器(68)共同组成抓土器，抓土器为伸入剪切盒内部用于测量试验土体内部变形的传感器装置，抓土器支架(62)的一端固定在下剪切盒侧限框(46)右端的外侧面上，其另一端为抓手结构，用于夹持位移传感器(68)，位移传感器(68)的左端设置有伸缩杆，所述伸缩杆通过位移传递接头(67)与位移传递杆(64)连接，位移传递杆(64)套在位移传递杆套筒(65)内，在下剪切盒侧限框(46)右端设有预留槽(48)，用于放置位移传递杆套筒(65)，同时位移传递杆套筒(65)通过套筒支架(66)固定，在抓土器支架(62)上；位移传递杆(64)的左端连接抓土勺(63)，抓土勺(63)预先埋置于试验土体内，在剪切试验过程中跟随土体变形而移动，并将测得的土体变形传递给位移传感器(68)；

所述油源系统包括油源(1)、主输油管(2)、分油器(3)、分输油管(4)；所述油源(1)为动力装置，其将液压油通过主输油管(2)输送给分油器(3)，分油器(3)通过两根分输油管(4)分别和竖向作动器(19)、水平作动器(25)连接，将油源(1)输送的总液压油分别输送给竖向作动器(19)和水平作动器(25)；

所述控制系统包括控制机(5)、控制线缆(6)、传感器线缆(7)、显示器(8)、操作键盘鼠标(9)；控制机(5)由一台工业计算机、控制信号传输装置以及传感器信号接收装置组成；控制机(5)分别连接显示器(8)和键盘鼠标(9)；控制机(5)通过控制线缆(6)连接并控制油源(1)输出液压油的压力、流量，控制机(5)通过控制线缆(6)连接并控制分油器(3)分流液压油的压力、流量；控制机(5)通过传感器线缆(7)分别连接垂向位移传感器(22)、垂向轴力传感器(23)、水平位移传感器(28)、水平轴力传感器(29)、竖向加速度传感器(35)、水平加速度传感器(54)、位移传感器(68)，并实时监测这些传感器测量的物理力学指标；其中，竖向作动器(19)、水平作动器(25)分别通过安装在各自末端的竖向位移传感器(22)、水平位移传感器(28)实时测量位移数据并传输给控制机(5)；竖向作动器伸缩杆(20)、水平作动器伸缩杆(26)分别通过安装在各自前端的竖向轴力传感器(23)、水平轴力传感器(29)测量竖向作动器(19)、水平作动器(25)加载的轴力数据并传输给控制机(5)；控制机(5)进而对位移和轴力数据进行处理分析得到控制信号，并将控制信号传递给油源(1)与分油器(3)，调整液压油的压力、流量指标来精确控制竖向作动器(19)、水平作动器(25)。

2.根据权利要求1所述的大尺寸多功能界面动力剪切试验仪，其特征在于：所有采用螺丝固定的部件，与之相对应部件的相应位置均预留有螺孔。

3.一种大尺寸多功能界面动力剪切试验方法，其特征在于，包括如下阶段：

(一)试验准备阶段：打开仪器各部分的电源，操作竖向作动器(19)收缩，使上、下剪切盒脱离；旋开作动器固定螺丝(43)，使水平固定盘(30)和下剪切盒后支架(41)脱开，将下剪切盒沿水平导轨(17)推至水平导轨垫块(18)一侧，在下剪切盒内安装试验辅具与试验材料；将下剪切盒推回，用作动器固定螺丝(43)将水平固定盘(30)和下剪切盒后支架(41)牢固固定；

(二)试验开展阶段：控制竖向作动器(19)与水平作动器(25)的伸缩，使上、下剪切盒互相正对；控制竖向作动器(19)使上剪切盒(32)向下运动，使上、下剪切盒夹持的试验材料发生接触；操作控制机(5)控制竖向作动器(19)，使竖向接触力持续增大，直至竖向力达到试验需要的荷载水平，竖向力的大小由竖向轴力传感器(23)测得，上剪切盒(32)的竖向位移由竖向位移传感器(22)测得；待竖向荷载达到设定水平后，控制水平作动器(25)的伸缩状态，使下剪切盒水平运动，上、下剪切盒产生相对位移，剪切试验材料发生剪切，控制剪切试验的剪切速率、模式，剪切力的大小由水平轴力传感器(29)测得，剪切位移由水平位移传感器(28)测得，上、下剪切盒在动力剪切过程的加速度数据由竖向加速度传感器(35)和水平加速度传感器(54)测得；事先设定动力剪切模式；

(三)试验结束阶段：操作控制机(5)控制竖向作动器(19)减小竖向力，直至竖向力为零，控制竖向作动器(19)使上剪切盒(32)抬高到合适位置，旋开作动器固定螺丝(43)，使水平固定盘(30)和下剪切盒后支架(41)脱开，将下剪切盒推至水平导轨垫块(18)一侧，将下剪切盒内安装的剪切试验材料与试验辅具逐一卸除、取出，并打扫下剪切盒的清洁；将下剪切盒推回与上剪切盒(32)正对的位置，调整竖向作动器(19)的伸缩状态，使上剪切盒(32)处于比较合适的安全位置，最后关闭电源。

4.根据权利要求3所述的大尺寸多功能界面动力剪切试验方法，其特征在于：通过精确控制竖向作动器(19)、水平作动器(25)的运动速率及输出轴力大小，可使上、下剪切盒之间产生多种模式的相对运动，以开展多种类型、多种模式的动力剪切试验。

5.根据权利要求3所述的大尺寸多功能界面动力剪切试验方法，其特征在于：通过对试验辅具的调整开展多种界面剪切试验。

6.根据权利要求5所述的大尺寸多功能界面动力剪切试验方法，其特征在于：所述多种界面剪切试验包括土工合成材料界面静动力剪切、或黏土-土工合成材料界面静动力剪切、或土体静动力剪切。

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