CN108801804B - 一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，包括框架，框架支撑剪切盒、液压伺服加载系统、监测传感系统和剪切动力系统，剪切盒包括內剪切盒和外剪切盒，内剪切盒静止不动，外剪切盒能环向转动，剪切动力系统连接外剪切盒，并驱动外剪切盒的环向转动，液压伺服加载系统包括法向加压装置和环形传力板，法向加压装置沿竖直方向插在内剪切盒的中间，提供法向应力，环形传力板安装在剪切盒的上方，传递竖向围压，监测传感系统实时感应土样的剪切数据，并传输给控制装置，控制装置据此对法向加压装置的法向应力及环形传力板的竖向围压进行定量控制。本发明对于研究高速远程滑坡滑带土抗剪强度特性、揭示滑坡演化过程与机理具有重要意义。

Description

一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪

技术领域

本发明涉及土工试验设备技术领域，尤其涉及一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪。

背景技术

研究土体的抗剪强度特性，对于边坡稳定性分析、地质灾害发生的力学机制研究及其边坡渐进式破坏过程研究等具有重要意义。

岩土体的抗剪强度特性一般可由现场原位试验或室内土工试验获得，原位剪切试验尺寸大，由于岩土体为未扰动样，所得试验结果与工程实际情况最为接近，但是原位剪切试验具有成本高、周期长、仪器笨重等缺点。与此相比，室内试验虽然土样的代表性较差，但是由于其成本低、周期短、价格低廉等特点，被更加广泛用于土体的抗剪强度特性的研究中。

目前，工程上常用的测定土体抗剪强度的室内试验方法主要有：三轴剪切试验、直接剪切试验、无侧限压缩试验等。其中直接剪切试验是发展较早的一种测定土的抗剪强度的方法，由于其设备简单，易于操作，在我国的应用比较广泛。常规的直剪仪虽然种类繁多，但原理基本相同，均是沿固定的剪切面，在不同法向力的作用下测得若干抗剪强度值。在实际剪切过程中，试样的剪切面持续减小，且剪切面上的正应力分布不均，不能反映出真实的岩土体所处应力状态。另外，直接剪切试验和三轴剪切试验受仪器的限制，其剪切位移具有局限性，无法满足对高速远程滑坡等大位移条件下土体的抗剪强度及残余强度的数值测定。因此，有必要发展能够实现大剪切位移试验条件的特殊土工设备和相应试验技术，其中环剪仪是能够满足这两种要求的最有效的手段之一。

自20世纪20年代至今，国外学者和研究机构一直致力环剪仪的研发，并相继研制出了各种类型的环剪仪。随着科学技术的进步，环剪仪的制造趋于大型化和高度自动化，并逐步克服了剪切过程中诸如土体渗漏、应力分布不均、上下剪切盒摩擦过大等问题。伴随着大量、高精度传感器和伺服传动控制装置的应用，现代环剪仪能够进行模拟更加复杂应力条件下的土工试验，并能够保证试验结果的准确性，尽管现代环剪仪的功能及测量精度日趋成熟，但其设计原理均基本相同：即分为上下两个剪切盒，剪切面为一个平行于水平面方向的同心圆环。这种原理存在的固有缺陷就是：由于圆环在径向上存在一定宽度，因此将导致剪切面上沿径向的剪切线速度分布不一致，相同时间内的剪切位移不一致，这都将使得剪切过程中剪应力及剪位移在剪切面上的分布不均匀，从而使得剪切过程不能还原实际情况。为了尽量减少以上原理所带来的试验误差，设计者们减小了剪切盒沿半径方向的宽度，并用中心剪切环处的剪应力及剪位移来代替整个剪切面上的应力应变状态。这样剪切盒的容积便受到限制，对于实际岩土工程问题中的大量土石混合体试样，这类环剪仪便难以进行相关土体抗剪强度参数的测定及剪切过程的模拟。

为了解决以上问题，一种适用于竖向剪切面的环剪试验仪被提出。然而，目前已公开的竖向剪切面环剪仪存在诸多问题，施加轴向应力的装置与扭矩施加装置设计在一起，在实际工作过程中会相互干扰，从而导致施加在土体试样上力的精度降低，影响试验结果的准确性；制样完成后需撤掉制样护板后再套入剪切盒中，因此较为松散的土石体无法采用该环剪仪进行试验；试验过程中仅提供垂直于剪切面方向的竖向力加载，剪切面上应力分布不均匀，无法提供精确的法向压力与围压。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可施加围压、剪切面应力分布均匀、能稳定运行、试验结果的真实可靠可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪。

本发明的实施例提供一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，包括框架、剪切盒、液压伺服加载系统、监测传感系统、剪切动力系统和控制装置，所述框架支撑剪切盒、液压伺服加载系统、监测传感系统和剪切动力系统，所述剪切盒包括内剪切盒和外剪切盒，所述内剪切盒安装在外剪切盒内，且内剪切盒与外剪切盒滑动安装在一起，所述内剪切盒静止不动，所述外剪切盒能环向转动，所述剪切动力系统连接外剪切盒，并驱动外剪切盒的环向转动，所述液压伺服加载系统包括法向加压装置和环形传力板，所述法向加压装置沿竖直方向插在内剪切盒的中间，提供法向应力，所述环形传力板安装在剪切盒的上方，传递竖向围压，所述监测传感系统实时感应土样的剪切数据，并传输给控制装置，所述控制装置据此对法向加压装置的法向应力及环形传力板的竖向围压进行定量控制。

进一步，所述框架包括左立柱、右立柱、上反力梁和底座，所述左立柱和右立柱固定在底座上，所述剪切盒在左立柱和右立柱之间，所述上反力梁固定在左立柱和右立柱之间，且上反力梁在剪切盒的上方，所述底座通过螺栓与地面固定，所述底座的中间凸起一圆柱形承台，圆柱形承台与内剪切盒通过螺栓连接固定，所述剪切动力系统安装在底座上，所述左立柱与右立柱为监测传感系统的安装提供支撑，所述上反力梁为液压伺服加载系统的安装提供稳定支撑与安装空间。

进一步，所述剪切动力系统包括剪切空心大齿轮、主动小齿轮、无级变速电机、变频器、大齿轮末端支撑轴承和大齿轮中部连接轴承，所述变频器固定在底座上，所述变频器连接无级变速电机，所述无级变速电机的主动转轴上连接主动小齿轮，所述主动小齿轮与剪切空心大齿轮啮合，并驱动剪切空心大齿轮转动，所述外剪切盒固定在剪切空心大齿轮上，所述剪切空心大齿轮的转动带动外剪切盒的转动，所述剪切空心大齿轮环套于底座上凸起的圆柱形承台的四周，所述剪切空心大齿轮与圆柱形承台之间设置有大齿轮中部连接轴承，所述剪切空心大齿轮的下部通过大齿轮末端支撑轴承与框架中的底座相连，保证剪切空心大齿轮的稳定自由转动，所述变频器能够对无级变速电机的输出转速进行稳定调节，进而实现不同剪切速率下的剪切过程。

进一步，所述外剪切盒包括外底板、外罩和外顶盖，所述外底板通过螺栓固定在剪切空心大齿轮上，所述外罩的下端与外底板固定在一起，所述外罩的内壁设有呈环向均匀布置的竖向导轨，所述外底板上设有呈环向均匀布置的剪切板，所述剪切板和竖向导轨的位置错开，所述外顶盖的外壁开有与竖向导轨相适配的竖向导槽，所述外顶盖的底部开有与剪切板相适配的剪切板槽，将外顶盖插入外罩中，所述竖向导轨的上端卡在竖向导槽内，所述剪切板的上端卡在剪切板槽中，所述剪切动力系统驱动外底板的转动，所述外底板的转动带动外罩转动，所述外罩通过竖向导轨和剪切板带动竖向导槽和剪切板槽转动，进而带动外顶盖转动，共同形成外部环向转动室。

进一步，所述内剪切盒包括内底板和内顶盖，所述内底板上设有呈环向均匀布置的土样固定刀片，所述内顶盖的内壁设有内导条，所述内底板固定在圆柱形承台上，所述内顶盖与环形传力板相连，共同形成内部静止室。

进一步，所述内顶盖的上部设置有水平气泡仪，所述内底板上开有四处沿环向分布的排水口，沿排水口向下开有排水槽，且所述排水槽延伸到内底板下方的底座内，所述排水槽内铺设排水管，所述排水口处设有一层过滤网，所述排水口上设有一密封盖，所述密封盖能进行转动，进而实现排水口的打开和密封，用于实现排水剪切过程和不排水剪切过程。

进一步，所述内顶盖包括内盖板和延长板，所述延长板设在内盖板的外侧，并与内盖板一体成型，所述延长板的下方设有向内凹陷的滑槽，所述外顶盖设在延长板的下方，且外顶盖的上方设有与滑槽相适配的滑条，所述滑条能在滑槽内滑动，进而使外顶盖相对于内顶盖发生转动；所述外底板包括外板和外延长板，所述外延长板设在外板的内侧，且一体成型，所述内底板包括内板和内延长板，所述内延长板设在内板的外侧，且一体成型，所述内延长板和外延长板相对设置，所述内延长板的内侧开有导槽，所述外延长板的内侧设有与导槽相适配的导条，所述导条能在导槽内滑动，进而使外底板相对于内底板发生转动。

进一步，所述外顶盖横截面的长度与延长板横截面的长度相一致，所述外顶盖横截面的宽度与延长板横截面的宽度之和与内盖板横截面的宽度相一致，所述外顶盖和内顶盖的缝隙处设有垫层；所述内延长板横截面的长度和外延长板横截面的长度相一致，所述内板横截面的宽度和外板横截面的宽度相一致，所述外底板和内底板的缝隙处设有垫层。

进一步，所述法向加压装置包括弹力膜、油腔、压紧环、密封环、密封盖和固定凸头，所述油腔的壁上开有导油孔，所述油腔的外侧包裹弹力膜，所述油腔的两端均依次设有压紧环、密封环和密封盖，位于下方的密封盖的下方设有固定凸头，位于上方的密封盖的外壁上开有与所述内顶盖内壁上的内导条相适配的外导槽，所述法向加压装置沿竖直方向插入内剪切盒中间的圆柱形孔内，所述法向加压装置的下端通过固定凸头固定在圆柱形承台内，所述法向加压装置的上端通过内导条和外导槽的配合固定。

进一步，所述液压伺服加载系统还包括轴压油缸、液压柱套筒、液压柱、环形钢垫板、液压油箱、伺服油泵、液压伺服控制系统，所述轴压油缸固定于上反力梁上，所述轴压油缸的下部通过上反力梁与液压柱套筒相连，所述轴压油缸的上部通过导油管依次与液压油箱、伺服油泵以及液压伺服控制系统相连，所述液压柱套筒内有能自由升降提供轴压的液压柱，所述液压柱的下部设置有环形钢垫板，所述环形钢垫板的下部通过固定螺栓固定环形传力板，所述法向加压装置的上端通过输油管分别与液压油箱、伺服油泵以及液压伺服控制系统相连。

进一步，所述监测传感系统包括垂直位移传感器、转动力矩传感器、剪切阻力传感器、剪切位移传感器以及若干土压力计，所述垂直位移传感器的下端触头与环形传力板的上端接触；所述转动力矩传感器安装于无级变速电机的主动转轴的末端；所述剪切阻力传感器和剪切位移传感器均与剪切盒的外壁直接接触；所述土压力计由上至下等间距布设于土体当中，位置靠近预设的环向剪切面，所述土压力计的测力面垂直于剪切面，并与半径走向一致，所述垂直位移传感器、转动力矩传感器、剪切阻力传感器、剪切位移传感器以及若干土压力计均通过信号传输线缆与控制装置相连，所述控制装置还与液压伺服加载系统中的液压伺服控制系统及剪切动力系统中的变频器相连，用以实现试验过程中竖向围压、法向应力以及剪切速率数据的实时传输记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明可用于研究不同法向压力、围压条件下及不同剪切速率下岩土体在大剪切位移条件下的峰值抗剪强度、残余强度及应变软化过程，填补了竖向剪切面环剪试验仪领域的空白，该环剪试验仪通过齿轮传动机构控制外剪切盒产生环向转动从而实现对试样的剪切破坏，通过剪切盒上盖板传递竖向围压，内剪切盒固定不动，内外剪切盒之间滑动安装，可保证剪切过程的稳定运行，中心法向加压装置可对试样提供稳定法向应力，保证剪切面上的法向压力均匀分布。

2、本发明所提供的仪器在剪切过程中能够生成竖向环状的剪切面，即剪切面垂直于水平面，即能够使得剪切过程中剪切面上的剪切位移与剪切速度相等，保证剪应力与剪切位移在剪切面上的均匀分布，使试验结果更加接近实际情况。

3、本发明所提供的仪器在土样的制备过程中不需要其他配套的制样设备，在剪切盒内即可完成，避免了在土体的制备与装载过程中由于人工扰动对土样造成的破坏，因此可对各种松散程度的土体进行环剪试验；同时，本发明提供的环剪试验仪中对土样的尺寸无限制，可根据实际需要进行诸如粗粒土的大型环剪试验等研究，扩大了竖向剪切面环剪试验土体的适用范围。

4、本发明提供的液压伺服加载系统能够实现对土体在不同法向压力及围压下进行不同的剪切试验，结合液压伺服控制系统及土压力计对加载信息的反馈及调节即可实现对土样加卸载的稳定定量控制，克服了现有技术中竖向剪切面法向应力施加不均的缺点，提高了试验精度与自动化程度。

5、本发明提供的监测传感系统，能够实现对仪器的自我校正，提高试验的准确度，且能够实时监测获取试验过程中的各项参数，用于相关研究。

6、本发明提供的变频器及无级变速电机，能够实现电机与传动齿轮间的无级变速、从而均匀地控制与改变空心大齿轮的剪切速率，避免了因齿轮转速突变而对试验结果的真实性产生的不良影响，也可进行不同剪切速率下土体抗剪强度的相关研究。

7、本发明的加载系统与剪切动力系统分别设置于仪器的上部与下部，是两个相对独立的系统，避免了现有技术中因轴向加压与转矩施加过程的相互影响，保证了试验的可靠度和精度。

8.本发明提供的剪切盒内外顶盖及内外底板之间的连接方式与设置的垫层能够起到控制缝隙，防止土体在剪切过程中漏出的作用，另外垫层采用摩擦系数很低的聚四氟乙烯材料制作，能够有效降低内外剪切盒相对转动产生的摩擦，减少摩擦生热，降低电机能耗，保证外部环向剪切室的稳定环向转动。

9.本发明提供的剪切盒与其余加载系统采用螺栓连接，结构简单，易于拆卸，当试验完成后，可将剪切盒及动力系统拆除，加载系统部分可进行诸如单轴压缩等试验，节省了仪器制造成本，可实现一机多用。

附图说明

图1是本发明一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪的一示意图。

图2是图1中框架的一示意图。

图3是图1中剪切盒的一示意图。

图4是图1中外顶盖和内顶盖的一示意图。

图5是图1中外底板和内底板的一示意图。

图6是图1中法向加压装置的一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，包括框架1、剪切盒2、液压伺服加载系统3、监测传感系统4、剪切动力系统5和控制装置6，所述剪切盒2包括内剪切盒21和外剪切盒22。

请参考图1和2，框架1采用焊接固定而成，框架1支撑整个环剪试验仪，框架1支撑剪切盒2、液压伺服加载系统3、监测传感系统4和剪切动力系统5，框架1包括左立柱11、右立柱12、上反力梁13和底座14，所述左立柱11和右立柱12固定在底座14上，所述剪切盒2在左立柱11和右立柱12之间，所述上反力梁13固定在左立柱11和右立柱12之间，且上反力梁13在剪切盒2的上方，所述底座14通过螺栓与地面固定，为仪器提供了稳定的运行平台与支撑反力，所述底座14的中间凸起一圆柱形承台141，圆柱形承台141与内剪切盒21通过螺栓连接固定，保证了内剪切盒21在剪切过程中的静止，所述剪切动力系统5安装在底座14上，所述左立柱11与右立柱12为监测传感系统4的安装提供支撑，所述上反力梁13为液压伺服加载系统3的安装提供稳定支撑与安装空间。

请参考图1，剪切动力系统5连接外剪切盒22，并驱动外剪切盒22的环向转动，优选地，剪切动力系统5安装在剪切盒2的下方，剪切动力系统5包括剪切空心大齿轮51、主动小齿轮52、无级变速电机53、变频器54、大齿轮末端支撑轴承55和大齿轮中部连接轴承56，所述变频器54固定在底座14上，所述变频器54连接无级变速电机53，所述无级变速电机53的主动转轴上连接主动小齿轮52，所述主动小齿轮52与剪切空心大齿轮51啮合，并驱动剪切空心大齿轮51转动，所述外剪切盒22固定在剪切空心大齿轮51上，所述剪切空心大齿轮51的转动带动外剪切盒22的转动，所述剪切空心大齿轮51环套于底座14上凸起的圆柱形承台141的四周，所述剪切空心大齿轮51与圆柱形承台141之间设置有大齿轮中部连接轴承56，所述剪切空心大齿轮51的下部通过大齿轮末端支撑轴承55与框架1中的底座14相连，保证剪切空心大齿轮51的稳定自由转动，所述变频器54能够对无级变速电机53的输出转速进行稳定调节，进而实现不同剪切速率下的剪切过程。

请参考图3-5，剪切盒2的中间预留有一圆柱孔，内剪切盒21安装在外剪切盒22内，且内剪切盒21与外剪切盒22滑动安装在一起，所述内剪切盒21静止不动，所述外剪切盒22能环向转动。

外剪切盒22包括外底板221、外罩222和外顶盖223，所述外底板221通过螺栓固定在剪切空心大齿轮51上，所述外罩222的下端与外底板221固定在一起，所述外罩222的内壁设有呈环向均匀布置的竖向导轨2221，所述外底板221上设有呈环向均匀布置的剪切板2211，所述剪切板2211和竖向导轨2221的位置错开，所述外顶盖223的外壁开有与竖向导轨2221相适配的竖向导槽2231，所述外顶盖223的底部开有与剪切板2211相适配的剪切板槽(图中未示出)，将外顶盖223插入外罩222中，所述竖向导轨2221的上端卡在竖向导槽2231内，所述剪切板2211的上端卡在剪切板槽中，所述剪切动力系统5驱动外底板221的转动，所述外底板221的转动带动外罩222转动，所述外罩222通过竖向导轨2221和剪切板2211带动竖向导槽2231和剪切板槽转动，进而带动外顶盖223转动，共同形成外部环向转动室。

优选地，外顶盖223的厚度较大，为土样的加载过程提供充足的加压空间。

内剪切盒21包括内底板211和内顶盖212，所述内底板211上设有呈环向均匀布置的土样固定刀片2111，所述内顶盖212的内壁设有内导条2121，所述内底板211固定在圆柱形承台141上，所述内顶盖212与环形传力板32相连，共同形成内部静止室。

内顶盖212包括内盖板2122和延长板2123，所述延长板2123设在内盖板2122的外侧，并与内盖板2122一体成型，所述延长板2123的下方设有向内凹陷的滑槽2124，外顶盖223设在延长板2123的下方，且外顶盖223的上方设有与滑槽2124相适配的滑条2233，所述滑条2233能在滑槽2124内滑动，进而使外顶盖223相对于内顶盖212发生转动，优选地，外顶盖223横截面的长度与延长板2123横截面的长度相一致，所述外顶盖223横截面的宽度与延长板2123横截面的宽度之和与内盖板2122横截面的宽度相一致，所述外顶盖223和内顶盖212的缝隙处设有垫层2232。

外底板221包括外板2212和外延长板2213，所述外延长板2213设在外板2212的内侧，所述内底板211包括内板2111和内延长板2112，所述内延长板2112设在内板2111的外侧，所述内延长板2112和外延长板2213相对设置，所述内延长板2112的内侧开有导槽2113，所述外延长板2213的内侧设有与导槽2113相适配的导条2214，所述导条2214能在导槽2113内滑动，进而使外底板221相对于内底板211发生转动，优选地，所述内延长板2112横截面的长度和外延长板2213横截面的长度相一致，所述内板2111横截面的宽度和外板2212横截面的宽度相一致，所述外底板221和内底板211的缝隙处设有垫层2114。

优选地，内顶盖212的上部设置有水平气泡仪7，用以对土样上部平整度进行校正，保证土样上端面平整，避免竖向围压加载过程中出现偏心加载对试验结果产生不良影响，内底板211上开有四处沿环向分布的排水口8，沿排水口8向下开有排水槽9，且所述排水槽9延伸到内底板211下方的底座14内，所述排水槽9内铺设排水管，所述排水口8处设有一层过滤网(图中未示出)，所述排水口8上设有一密封盖(图中未示出)，所述密封盖能进行转动，进而实现排水口的打开和密封，用于实现排水剪切过程和不排水剪切过程，滤网用于防止土体随水流排出。

液压伺服加载系统3包括法向加压装置31、环形传力板32、轴压油缸33、液压柱套筒34、液压柱35、环形钢垫板36、液压油箱(图中未示出)、伺服油泵38、液压伺服控制系统39，所述轴压油缸22固定于上反力梁13上，所述轴压油缸22的下部通过上反力梁13与液压柱套筒34相连，所述轴压油缸33的上部通过导油管依次与液压油箱(图中未示出)、伺服油泵38以及液压伺服控制系统39相连，所述液压柱套筒34内有能自由升降提供轴压的液压柱35，所述液压柱35的下部设置有环形钢垫板36，所述环形钢垫板36的下部通过固定螺栓固定环形传力板32，所述环形传力板32安装在剪切盒2的上方，传递竖向围压，优选地，环形传力板32安装在内剪切盒的内顶盖上，所述法向加压装置31的上端通过输油管分别与液压油箱(图中未示出)、伺服油泵38以及液压伺服控制系统39相连。

液压伺服加载系统3中的液压伺服控制系统39内包含两个独立的分别控制竖向围压施加与法向应力施加的控制阀和换向阀及油压表，能够实现对竖向围压、法向应力的大小显示、调整与加卸载过程控制，在试验过程中为土样提供稳定的竖向围压与法向应力。

请参考图6，法向加压装置31包括弹力膜311、油腔312、压紧环313、密封环314、密封盖315和固定凸头316，所述油腔312壁上开有导油孔3121，所述油腔312外侧包裹弹力膜311，所述油腔312的两端依次设有压紧环313、密封环314和密封盖315，位于下方的密封盖315的下方设有固定凸头316，位于上方的密封盖315的外壁上开有与内导条2121相适配的外导槽3151，所述法向加压装置31沿竖直方向插在内剪切盒2的中间，提供法向应力，优选地，所述法向加压装置31沿竖直方向插入内剪切盒21中间预留的圆柱孔内，弹力膜311的外侧与内剪切盒21中的土样固定刀片2111之间预留一定的安全距离，避免了弹力膜311在剪切过程中因与土体或土样固定刀片2111摩擦而划破，所述法向加压装置31的下端通过固定凸头316固定在圆柱形承台141内，所述法向加压装置31的上端通过内导条2121和外导槽3151的配合固定，起到了固定法向加压装置31上端和下端的作用，保证法向压力的稳定施加。

位于上方的密封盖315内预设有油路通道，与油腔312相通，油腔312为中空薄壁金属圆筒，油腔312的壁上均匀分布有若干导油孔3121，油腔312表面包裹有弹力膜311，压紧上下密封盖315使得内部形成封闭空间，密封环314的作用是保证压紧环313与弹力膜311的连接部位达到完全密封，两端安装压紧环313，保证弹力膜311在加压过程中的稳定变形，通过液压伺服控制系统3给油腔312内送油，优选地，液压伺服加载系统3中的环形传力板32、轴压油缸33以及上反力梁13中开设有圆孔，用以使法向加压装置31的输油管通过，液压油通过导油孔3121使得弹力膜311产生线弹性变形，并对四周土体施加稳定法向应力。

监测传感系统4主要基于框架进行安装，监测传感系统4实时感应土样的剪切数据，并传输给控制装置6，所述控制装置6据此对法向加压装置31的法向应力及环形传力板32的竖向围压进行定量控制，所述监测传感系统4包括垂直位移传感器41、转动力矩传感器42、剪切阻力传感器43、剪切位移传感器44以及若干土压力计45，所述垂直位移传感器41通过支架与左立柱11相连，且垂直位移传感器41的下端触头与环形传力板32的上端接触，用来测量轴向施加围压过程中液压柱缠上的位移，可近似作为土样轴向应变数据对土体的压缩特性进行研究；所述转动力矩传感器42安装于无级变速电机53的主动转轴的末端，用以监测剪切过程中电机提供的转动力矩；所述剪切阻力传感器43和剪切位移传感器44均与剪切盒2的外壁直接接触，优选地，剪切阻力传感器43和剪切位移传感器44分别通过支架与左右立柱相连，并且与外罩222直接接触，用以监测剪切过程中的应力与剪切位移，为研究土样剪切强度、残余强度及应变软化过程提供数据支撑；所述土压力计45由上至下等间距布设于土体当中，位置靠近预设的环向剪切面，所述土压力计45的测力面垂直于剪切面并与半径走向一致，用于测量记录土体环向正应力的大小，所述垂直位移传感器41、转动力矩传感器42、剪切阻力传感器43、剪切位移传感器44以及若干土压力计45均通过信号传输线缆与控制装置6相连，用于在环剪试验过程中提供实时试验数据和为仪器的调整校正提供参考，控制装置6优选为后台电脑，所述控制装置6还与液压伺服加载系统3中的液压伺服控制系统39及剪切动力系统5中的变频器54相连，用以实现试验过程中竖向围压、法向应力以及剪切速率数据的实时传输记录。

当对土体进行竖向加压时，环形传力板32带动滑动安装在一起的外顶盖223和内顶盖312同步向下运动，对土体施加竖向围压，下压时，竖向导轨2221的上端卡在竖向导槽2231内，所述剪切板2211的上端卡在剪切板槽中，当外顶盖223和内顶盖312一起下压土体时，土样固定刀片2111深深扎入土体，起到固定内部静止室内土体固定不动的作用；当外剪切盒22随剪切空心大齿轮51转动时，外顶盖223和内顶盖312之间的滑动结构以及外底板221和内底板211之间的滑动结构起到使外部环向转动室相对内部静止室能够稳定自由转动的作用。同时，外顶盖223和内顶盖312之间的滑动结构在卸载过程中能够将外顶盖223和内顶盖312一同升起，方便土样的制备，外顶盖223和内顶盖212的缝隙处以及外底板221和内底板211的缝隙处设有的垫层结构，能够有效降低相对转动产生的摩擦，减少摩擦生热，降低电机能耗，保证外部环向转动室的稳定环向转动，当外顶盖223和内顶盖312竖向升降时，由于内导条2121和外导槽3151的配合，既起到固定法向加压装置31的作用，也能够满足外顶盖223和内顶盖312与法向加压装置31之间产生相对位移的要求。施加转动力矩后，在外底板221的带动下，设置其上的对称分布的剪切板2211带动外剪切盒22内部土体进行环向运动，在与内部静止室内土体之间产生竖向环状剪切面。

采用本发明进行环剪试验的工作过程如下：

一、土样制备

首先通过液压伺服控制系统39控制液压伺服加载系统3进行轴压卸载操作，即液压柱35向上运动带动环向传力板32向上抬升，以方便剪切盒2的安装与土样的装填与夯实。

待环形传力板32抬升到一定高度后停止，随后将剪切盒2通过固定螺栓进行安装固定，将外剪切盒22与剪切空心大齿轮51固定，内剪切盒21与圆柱形承台141固定。

将法向加压装置31竖直插入剪切盒2中间预留的圆柱孔内，下端固定在圆柱形承台141上，并对法向加压装置31进行预加压和压力数值表调零操作，其目的是使得弹力膜311半径达到与内剪切盒21内环相贴合的效果，至此剪切盒2内部土样装填空间形成。

装填空间形成后，将土样倒入剪切盒2中并进行夯实，将土样的上表面进行整平，试样上表面的平整度可通过安放外顶盖223和内顶盖312，通过内顶盖312上表面的水平气泡仪7进行检测与校正，为保证外顶盖223的同步转动，土样的夯填高度原则上不应超过剪切板2211的高度。

环形传力板32上升过程中可以对垂直位移传感器41进行校正与标定，使其满足试验要求。

二、试样加载

当试样上表面平整度达到要求后，通过固定螺栓将内顶盖312与环形传力板32进行固定，通过液压伺服控制系统39控制液压柱35缓慢下降，当外顶盖223和内顶盖312的下边缘与外罩222快要接触时，将竖向导槽2231和外罩222内壁的竖向导轨2221对准，同时，使内导条2121和法向加压装置31的外导槽3151对准，然后通过液压伺服控制系统39分别对试样施加法向应力与竖向围压，并检查油压表读数是否正常。

当油压表读数无误后，通过液压伺服控制系统39对土样进行定量加载，在竖向围压施加的过程中，竖向导槽2231沿竖向导轨2221缓缓下降，同时，剪切板2211嵌入剪切板槽内。当达到加压预设值后，液压伺服控制系统39控制液压油泵38使得加压稳定在设定值。

三、剪切试验

待压力稳定后，启动无级变频电机53，同时通过变频器54设定剪切速度，使得无级变频电机53转速稳定增加至预设值，主动小齿轮52带动剪切空心大齿轮51进行转动，从而使得外部环向转动室跟随剪切空心大齿轮51进行转动。剪切过程开始后，检查转动力矩传感器42、剪切阻力传感器43与剪切位移传感器44的读数，正常后开始记录数据，并且实时地反馈给控制装置6进行数据存储，同时设置于土样中的土压力计45可将剪切面附近环向受力面所受到的正应力实时反馈给控制装置6，通过结合液压伺服加载系统3对法向应力及竖向围压进行定量控制，实现对剪切面土体围压与法向压力的精确定量控制。

四、卸载清理

当完成剪切试验后，通过液压伺服控制系统39控制液压伺服加载系统3进行卸压，外顶盖223和内顶盖312随液压柱35抬升，取下外顶盖223、内顶盖312与环向传力板32之间的连接螺栓，清理土样，重复上述步骤完成下一组试验。

按照上述步骤可分别完成不同法向应力、不同围压及不同剪切速率下的竖向剪切面环剪试验，并记录试验过程中各个时段的压力、剪切力、剪切位移及时间，均存储于后台电脑中，数据用于对土样进行峰值抗剪强度、残余强度及应变软化过程进行研究，对于研究高速远程滑坡滑带土抗剪强度特性、揭示滑坡演化过程与机理具有重要意义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，包括框架、剪切盒、液压伺服加载系统、监测传感系统、剪切动力系统和控制装置，所述框架支撑剪切盒、液压伺服加载系统、监测传感系统和剪切动力系统，所述剪切盒包括内剪切盒和外剪切盒，所述内剪切盒安装在外剪切盒内，且内剪切盒与外剪切盒滑动安装在一起，所述内剪切盒静止不动，所述外剪切盒能环向转动,所述外剪切盒包括外底板、外罩和外顶盖，所述外底板通过螺栓连接所述剪切动力系统，所述外罩的下端与外底板固定在一起，所述外罩的内壁设有呈环向均匀布置的竖向导轨，所述外底板上设有呈环向均匀布置的剪切板，所述剪切板和竖向导轨的位置错开，所述外顶盖的外壁开有与竖向导轨相适配的竖向导槽，所述外顶盖的底部开有与剪切板相适配的剪切板槽，将外顶盖插入外罩中，所述竖向导轨的上端卡在竖向导槽内，所述剪切板的上端卡在剪切板槽中，所述剪切动力系统驱动外底板的转动，所述外底板的转动带动外罩转动，所述外罩通过竖向导轨和剪切板带动竖向导槽和剪切板槽转动，进而带动外顶盖转动，共同形成外部环向转动室，所述内剪切盒包括内底板和内顶盖，所述内底板上设有呈环向均匀布置的土样固定刀片，所述内顶盖的内壁设有内导条，所述内底板固定在圆柱形承台上，所述内顶盖与环形传力板相连，共同形成内部静止室，所述内顶盖包括内盖板和延长板，所述延长板设在内盖板的外侧，并与内盖板一体成型，所述延长板的下方设有向内凹陷的滑槽，所述外顶盖设在延长板的下方，且外顶盖的上方设有与滑槽相适配的滑条，所述滑条能在滑槽内滑动，进而使外顶盖相对于内顶盖发生转动；所述外底板包括外板和外延长板，所述外延长板设在外板的内侧，且一体成型，所述内底板包括内板和内延长板，所述内延长板设在内板的外侧，且一体成型，所述内延长板和外延长板相对设置，所述内延长板的内侧开有导槽，所述外延长板的内侧设有与导槽相适配的导条，所述导条能在导槽内滑动，进而使外底板相对于内底板发生转动，所述液压伺服加载系统包括法向加压装置和环形传力板，所述法向加压装置沿竖直方向插在内剪切盒的中间，提供法向应力，所述环形传力板安装在剪切盒的上方，传递竖向围压，所述监测传感系统实时感应土样的剪切数据，并传输给控制装置，所述控制装置据此对法向加压装置的法向应力及环形传力板的竖向围压进行定量控制。

2.根据权利要求1所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述框架包括左立柱、右立柱、上反力梁和底座，所述左立柱和右立柱固定在底座上，所述剪切盒在左立柱和右立柱之间，所述上反力梁固定在左立柱和右立柱之间，且上反力梁在剪切盒的上方，所述底座通过螺栓与地面固定，所述底座的中间凸起一圆柱形承台，圆柱形承台与内剪切盒通过螺栓连接固定，所述剪切动力系统安装在底座上，所述左立柱与右立柱为监测传感系统的安装提供支撑，所述上反力梁为液压伺服加载系统的安装提供稳定支撑与安装空间。

3.根据权利要求2所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述剪切动力系统包括剪切空心大齿轮、主动小齿轮、无级变速电机、变频器、大齿轮末端支撑轴承和大齿轮中部连接轴承，所述变频器固定在底座上，所述变频器连接无级变速电机，所述无级变速电机的主动转轴上连接主动小齿轮，所述主动小齿轮与剪切空心大齿轮啮合，并驱动剪切空心大齿轮转动，所述外剪切盒固定在剪切空心大齿轮上，所述剪切空心大齿轮的转动带动外剪切盒的转动，所述剪切空心大齿轮环套于底座上凸起的圆柱形承台的四周，所述剪切空心大齿轮与圆柱形承台之间设置有大齿轮中部连接轴承，所述剪切空心大齿轮的下部通过大齿轮末端支撑轴承与框架中的底座相连，保证剪切空心大齿轮的稳定自由转动，所述变频器能够对无级变速电机的输出转速进行稳定调节，进而实现不同剪切速率下的剪切过程。

4.根据权利要求3所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述内顶盖的上部设置有水平气泡仪，所述内底板上开有四处沿环向分布的排水口，沿排水口向下开有排水槽，且所述排水槽延伸到内底板下方的底座内，所述排水槽内铺设排水管，所述排水口处设有一层过滤网，所述排水口上设有一密封盖，所述密封盖能进行转动，进而实现排水口的打开和密封，用于实现排水剪切过程和不排水剪切过程。

5.根据权利要求4所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述外顶盖横截面的长度与延长板横截面的长度相一致，所述外顶盖横截面的宽度与延长板横截面的宽度之和与内盖板横截面的宽度相一致，所述外顶盖和内顶盖的缝隙处设有垫层；所述内延长板横截面的长度和外延长板横截面的长度相一致，所述内板横截面的宽度和外板横截面的宽度相一致，所述外底板和内底板的缝隙处设有垫层。

6.根据权利要求4所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述法向加压装置包括弹力膜、油腔、压紧环、密封环、密封盖和固定凸头，所述油腔的壁上开有导油孔，所述油腔的外侧包裹弹力膜，所述油腔的两端均依次设有压紧环、密封环和密封盖，位于下方的密封盖的下方设有固定凸头，位于上方的密封盖的外壁上开有与所述内顶盖内壁上的内导条相适配的外导槽，所述法向加压装置沿竖直方向插入内剪切盒中间的圆柱形孔内，所述法向加压装置的下端通过固定凸头固定在圆柱形承台内，所述法向加压装置的上端通过内导条和外导槽的配合固定。

7.根据权利要求1所述的可施加围压的竖向剪切面环剪试验仪，其特征在于，所述液压伺服加载系统还包括轴压油缸、液压柱套筒、液压柱、环形钢垫板、液压油箱、伺服油泵、液压伺服控制系统，所述轴压油缸固定于上反力梁上，所述轴压油缸的下部通过上反力梁与液压柱套筒相连，所述轴压油缸的上部通过导油管依次与液压油箱、伺服油泵以及液压伺服控制系统相连，所述液压柱套筒内有能自由升降提供轴压的液压柱，所述液压柱的下部设置有环形钢垫板，所述环形钢垫板的下部通过固定螺栓固定环形传力板，所述法向加压装置的上端通过输油管分别与液压油箱、伺服油泵以及液压伺服控制系统相连；

所述监测传感系统包括垂直位移传感器、转动力矩传感器、剪切阻力传感器、剪切位移传感器以及若干土压力计，所述垂直位移传感器的下端触头与环形传力板的上端接触；所述转动力矩传感器安装于无级变速电机的主动转轴的末端；所述剪切阻力传感器和剪切位移传感器均与剪切盒的外壁直接接触；所述土压力计由上至下等间距布设于土体当中，位置靠近预设的环向剪切面，所述土压力计的测力面垂直于剪切面，并与半径走向一致，所述垂直位移传感器、转动力矩传感器、剪切阻力传感器、剪切位移传感器以及若干土压力计均通过信号传输线缆与控制装置相连，所述控制装置还与液压伺服加载系统中的液压伺服控制系统及剪切动力系统中的变频器相连，用以实现试验过程中竖向围压、法向应力以及剪切速率数据的实时传输记录。

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