CN112033823B - 用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置 - Google Patents
用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，包括反力框架组件、滑动组件、驱动加载单元、剪切工作单元、测量采集系统、控制系统和低温循环冷浴系统；滑动组件、驱动加载单元安装在反力框架组件上，剪切工作单元安装在滑动组件上，测量采集系统与控制系统通信连接；测量采集系统采集剪切工作单元内冻土的滑移力学特性，并将采集的数据传输给控制系统。本申请设置双向加载单元，通过双向负荷传感器及位移传感器的动态反馈，实现变形控制或力控制的冻土剪切加载，可精确再现管间冻土平面应变状态下剪切滑移的发展演变。
Description
技术领域
本发明涉及冻结管幕管间冻土剪切试验设备技术领域。具体地说是用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置。
背景技术
传统冻结技术中冻结壁的作用在于封水和承载，而管幕冻结技术中承载主体为管幕(小间距排列的大直径钢管)，冻结壁的作用重点在于封水，其承载功能被弱化和转移，管幕冻结目的在于减少工冻土体积，减轻土体冻融给环境造成的不利影响。冻土具有较强的流变性，管幕冻结工程中冻结壁相对较薄，开挖后管间冻土受周边环境温度影响显著，在地层荷载的作用下，管间冻土会呈现沿管壁一定程度的滑移变形，滑移面为空间曲面，滑移路径复杂。传统冻土直剪仪剪切面为平面，无法满足这类问题的研究需要。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其可以研究冻土在双向荷载作用下沿不同管径和不同高度圆弧曲面剪切滑移破坏的规律。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，包括反力框架组件、滑动组件、驱动加载单元、剪切工作单元、测量采集系统、控制系统和低温循环冷浴系统；滑动组件、驱动加载单元安装在反力框架组件上，剪切工作单元安装在滑动组件上，测量采集系统与控制系统通信连接；测量采集系统采集剪切工作单元内冻土的剪切滑移力学特性，并将采集的数据传输给控制系统。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，反力框架组件包括主框架组件、侧框架组件和框架底盘组件；主框架组件和侧框架组件固定安装在框架底盘组件。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，滑动组件包括滑轨、滑块和滑台。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，驱动加载单元包括竖向加载单元、横向加载单元和驱动器箱。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，剪切工作单元包括竖向加载板、倒U形剪切框、可视土箱侧板单元和钢管支座箱；钢管支座箱固定安装在滑台上，钢管支座箱上方依次安装可视土箱侧板单元、倒U形剪切框和竖向加载板。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，低温循环冷浴系统内设有制冷液输出泵，制冷液输出泵为变频泵，变频泵的信号输入端与变频器连接，变频器与温控仪表通信连接，温控仪表采用温差控制方式通过变频器控制变频泵转速，控制低温循环冷浴的冷量输出。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，测量采集系统还包括CCD相机，CCD相机的镜头正对着土箱侧板的中心位置，CCD相机的信号输入输出端与操作台通信连接。
上述用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置除控制系统外需置于低温环境试验间内，低温环境试验间采用制冷风机为低温环境试验间提供持续冷量，低温环境试验间内的温度波动为±1℃。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
研究冻土在双向荷载作用下沿不同管径和不同高度圆弧曲面剪切滑移破坏规律的实验装置。
1、通过调整两个楔形托架间的相对位置,变更不同直径钢管及配套尺寸的土箱活动底板管,可以模拟不同管径圆弧曲面上冻土的剪切滑移破坏的规律。
2、通过升降板高度调节螺栓并根据刻度尺和水平气泡管调整钢管突出土箱活动底板的弧段高度，进而可以模拟不同高度圆弧曲面上冻土的剪切滑移破坏的规律。
3、本申请设置横向加载单元，并通过位于上剪切板的土箱上剪切板横向负荷传感器和位于下剪切板的下土箱横向负荷传感器，按照变形控制或力控制进行横向剪切加载，使得所测量的剪切滑移数据更加精确。
4、本申请设置了高分辨率CCD照相，透过亚克力板对冻土的动态变形过程进行拍照，利用相关软件通过数字图像与变形进行分析，再现冻土滑移演变过程。
5、本申请在竖向加载板设置了加载板限位滚轮，在倒U形剪切框上设置了倒U形剪切框侧板减摩滚轮，可视土箱侧板单元上设置土箱上口侧向限位滚轮，从而减少了竖向加载板、倒U形剪切框和可视土箱侧板单元之间的摩擦，减少剪切过程的干扰因素，从而使得测量采集系统的测量数据更加准确。设置双向加载单元，通过双向负荷传感器及位移传感器的动态反馈，实现变形控制或力控制的冻土剪切加载，可精确再现管间冻土平面应变状态下剪切滑移的发展演变。
6、通过设置试验准备区和剪切工作区，使得安装过程更加方便和快速。
7、在竖向加载单元设置了带有凸球面的压杆和带有凹球面的加载杆，可以防止在横向剪切过程中，竖向加载单元与竖向加载板的滑脱。
8、为保证土箱内冻土温度边界稳定，实验装置需置于低温环境内，本申请中实验装置置于低温环境试验间内，采用制冷风机为该试验间提供持续冷量，低温环境试验间温度波动±1℃。
9、本申请中的低温循环冷浴的制冷液输出泵采用变频泵，变频泵通过变频器控制，变频器连接温控仪表，仪表采用温差控制方式通过变频器控制变频泵转速，进而控制低温循环冷浴的冷量输出，使得U形制冷管的温度更加准确。
10、本试验装置在不安装钢管情况下可进行冻土常规直剪试验，在安装钢管后既可进行管间冻土剪切滑移强度试验，又可进行管壁冻土冻结附着强度试验，同时也可以进行管幕管间冻土的剪切滑移蠕变试验。
加载方式：在进行管间冻土剪切滑移强度试验时，竖向加载采用力控制，横向加载采用位移控制；在进行管间冻土剪切滑移蠕变试验时，竖向加载采用力控制，横向加载采用力控制。
11、通过钢管外表面滚花或堆焊处理可以在钢管外表面加工出不同深浅的条纹,进而可以模拟不同粗糙度圆弧曲面上冻土的剪切滑移破坏的规律。
12、通过调整弧形冷板在钢管内壁的不同布置方位和冷板温度，可以模拟实际管幕冻结工程中不同冻结管布置位置对管间冻土剪切滑移的影响规律。
附图说明
图1本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的系统示意图；
图2本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置正视结构示意图；
图3本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的侧视结构示意图；
图4本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的剖视结构示意图；
图5本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的另一个剖视结构示意图；
图6本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的竖向加载板结构示意图；
图7本发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的倒U形剪切框正视结构示意图及局部剖面结构示意图；
图8发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的倒U形剪切框俯视结构示意图；
图9发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的倒U形剪切框侧视结构示意图；
图10发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的上土箱横向负荷传感器及抗剪梁位置关系示意图；
图11发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的土箱侧板组装俯视结构示意图及局部剖面结构示意图；
图12发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的倒U形剪切框与土箱侧板组装俯视结构示意图；
图13发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的钢管支座箱正视剖面结构示意图；
图14发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的另一幅钢管支座箱正视剖面结构示意图；
图15发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的钢管支座箱俯视剖面示意图；
图16a发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的升降板与托架板位置关系俯视结构示意图；
图16b发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的升降板与托架板位置关系侧视结构示意图；
图17a发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的楔形托架正面结构示意图；
图17b发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的楔形托架侧面结构示意图；
图18发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的土箱侧板上口水平限位关系示意图；
图19发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的钢管支座箱侧板与升降板托架板位置关系示意图；
图20发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的安装弧面制冷板后的钢管的结构示意图；
图21发明用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置的弧形冷板平面示意图；
图22本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的冻土直剪试验示意图；
图23本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的管壁冻土冻结附着强度试验全断面试验方案示意图；
图24本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的管壁冻土冻结附着强度试验部分断面试验方案示意图；
图25本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的管壁冻土冻结附着强度试验非管壁冻土减阻结构示意图；
图26a本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的不同弧形冷板布置方式示意图在钢管12时-2时布置；
图26b本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的不同弧形冷板布置方式示意图，在钢管的11时-13时布置；
图27本发明研究冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性的试验方法的不同圆弧曲面高度剪切试验示意图。
图中附图标记表示为：
100-反力框架组件；200-滑动组件；300-竖向加载单元；400-横向加载单元；500-剪切工作单元；600-测量采集系统；700-控制系统；800-驱动器箱；900-低温环境试验间；1000-低温循环冷浴系统；
1-1-主框架立柱；1-2-主框架顶横梁；1-3-主框架中横梁；1-4-主框架中连梁；1-5-主框架限位连梁；1-6-主框架顶连梁；1-7-侧框架顶横梁；1-8-侧框架立柱；1-9-侧框架斜支撑；1-10-框架底盘主横梁；1-11-框架底盘次梁；1-12-横向荷载支撑支座；1-13-框架底盘面板；1-14-水平限位挡板；1-15-水平限位挡板调整螺栓
2-1-滑轨；2-2-滑块；2-3-滑台；2-4-限位挡板；2-7-滑台靠山；2-8-尾顶支座；2-9-倒L形夹具；
3-1-竖向伺服电机；3-2-竖向减速机；3-3-竖向作动缸；
4-1-横向伺服电机；4-2-横向减速机；4-3-横向作动缸；
51-竖向加载板；52-倒U形剪切框；53-可视土箱侧板单元；54-钢管支座箱；
51-0-加载杆；51-1-加载杆支座；51-2-加劲肋板；51-3-传压板；51-4-加载板限位滚轮支架；51-5-限位滚轮支架固定框；51-6-竖向加载板起重吊环；
52-1-上剪切板；52-1-1-限位销钉插孔，52-1-2-限位销钉，52-2-倒U形剪切框侧板；52-3-上剪切板趾板；52-4-倒U形剪切框侧板减摩滚轮；52-5-倒U形剪切框侧板起重吊环；
53-1-土箱侧板框架；53-2-土箱侧板；53-3-土箱侧板拉结条；53-4-土箱上口侧向限位滚轮；53-5-土箱上口侧向限位滚轮安装板；53-6-角钢方框
54-1-下剪切板；54-2-钢管支座箱底板；54-3-支撑箱侧板竖向加劲肋板；54-4-土箱活动底板支撑台阶；54-5-钢管支座箱侧板；54-6-高度调节螺栓上部固定板；54-7-下剪切板起重吊环；54-8-土箱下剪切板檐板；54-9-托架板；54-10-升降板；54-11-楔形托架；54-12-支座箱限位挡板；54-13-托架板限位滚轮支架；54-14-土箱活动底板；54-15-钢管；54-16-托架板T形槽；54-17托架板螺栓紧固孔；54-18-X向限位滚轮；54-19-Y向限位滚轮；54-20-升降板角点突出部；54-21-升降板高度调节螺栓；54-22-高度调节A螺母；54-23-高度调节B螺母；54-24-水平气泡管；54-25-升降托架连接板；54-26-托架斜板；54-27-支撑肋板；54-28-托架底板；54-29-托架底板T形滑条；54-30-圆孔斜滑槽；54-31-倾角圆柱滑块；54-32-活动底板顶推螺栓；54-33-遮缝角钢；54-34-顶杆；54-35-刻度尺；54-36-钢管支座箱侧板趾板；54-37-钢管支座箱侧板檐板；54-38-尼龙垫块；54-39-双层塑料薄膜；54-40-硅油；
61-竖向负荷传感器；61-1-压杆；62-竖向位移传感器；63-下土箱横向负荷传感器；63-1-压杆横轴；63-2-横轴支架；63-3-横向加载压块；63-4-横轴支架板；64-上土箱横向负荷传感器；64-1-上剪切板负荷传感器托板；64-2-挂钩板；64-3-横杆；64-4-短横轴；64-5-圆螺母；64-6-销钉插孔；64-7-抗剪梁；64-8-短横轴固定螺栓；64-9-抗剪梁支座；65-横向位移传感器；66-钢管内温度传感器；66-1-弧面制冷板；66-2-U形制冷管；66-3-冷板进液口；66-4-冷板出液口；66-5-磁性螺钉；66-6-进液总管；66-7-出液总管；
71-数据采集器；72-操作台；73-温控仪表；80-CCD相机；91-制冷风机。
具体实施方式
本实施例用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，如图1所示，包括反力框架组件100、滑动组件200、驱动加载单元、剪切工作单元500、测量采集系统600、控制系统700和低温循环冷浴系统1000；滑动组件200、驱动加载单元安装在反力框架组件100上，剪切工作单元500安装在滑动组件200上，测量采集系统600与控制系统700通信连接；测量采集系统600采集剪切工作单元500内冻土的剪切滑移力学特性，并将采集的数据传输给控制系统700。具体应用过程中，为保证土箱内冻土温度边界稳定，该实验装置需置于低温环境内，除控制系统700外，其他需要置于低温环境试验间900内配合完成，低温环境试验间900采用制冷风机91为低温环境试验间900提供持续冷量，低温环境试验间900内的温度波动为±1℃。
如图2-图5所示，反力框架组件100包括主框架组件、侧框架组件和框架底盘组件；主框架组件和侧框架组件固定安装在框架底盘组件；
如图2所示：主框架组件包括主框架立柱1-1、主框架顶横梁1-2、主框架中横梁1-3、主框架中连梁1-4和主框架限位连梁1-5和主框架顶连梁1-6，主框架立柱1-1、主框架顶连梁1-6和主框架顶横梁1-2为H型钢；主框架限位连梁1-5和主框架中连梁1-4为槽钢；
两根主框架顶横梁1-2和两根主框架顶连梁1-6位于相连两个主框架立柱1-1的顶部，主框架顶横梁1-2的两端分别与相邻两个主框架顶连梁1-6立柱1-1固定连接，主框架顶连梁1-6分别与相邻两个主框架立柱1-1固定连接；两根主框架顶横梁1-2相互平行，两根主框架顶连梁1-6相互平行，主框架顶横梁1-2与主框架顶连梁1-6相互垂直；
两根主框架中横梁1-3位于相连两个主框架立柱1-1的中部，且主框架中横梁1-3的两端分别与相连两个主框架立柱1-1固定连接，两根主框架中横梁1-3相互平行；
主框架中连梁1-4位于远离侧框架组件一侧的两个主框架立柱1-1之间，并与两个主框架立柱1-1固定连接；主框架中连梁1-4与主框架中横梁1-3相互垂直；
主框架限位连梁1-5位于靠近侧框架组件一侧的两个主框架立柱1-1之间，并与两个主框架立柱1-1固定连接；主框架限位连梁1-5与主框架中连梁1-4相互平行；
主框架中连梁1-4位于主框架中横梁1-3上部，主框架限位连梁1-5位于主框架中横梁1-3下部；
侧框架组件包括侧框架顶横梁1-7、侧框架立柱1-8、侧框架斜支撑1-9和侧框架连梁；侧框架顶横梁1-7与主框架中横梁1-3在同一个水平面上，侧框架顶横梁1-7的一端与侧框架立柱1-8的顶部固定连接，侧框架顶横梁1-7的另一端与靠近侧框架组件一侧的主框架立柱1-1固定连接；侧框架连梁的两端与侧框架立柱1-8固定连接，且侧框架连梁与侧框架顶横梁1-7相互垂直；侧框架顶横梁1-7、侧框架立柱1-8、侧框架斜支撑1-9和侧框架连梁均为槽钢；
框架底盘组件包括框架底盘主横梁1-10和框架底盘次梁1-11，框架底盘主横梁1-10为H型钢，框架底盘次梁1-11为槽钢；框架底盘次梁1-11的两端与两个框架底盘主横梁1-10的固定连接，框架底盘次梁1-11与框架底盘主横梁1-10相互垂直；主框架立柱1-1和侧框架立柱1-8下端固定安装在框架底盘主横梁1-10上；位于主框架立柱1-1之间的框架底盘主横梁1-10和框架底盘次梁1-11组成的区域为剪切工作区，远离主框架立柱1-1的框架底盘主横梁1-10和框架底盘次梁1-11组成的区域为试验准备区；侧框架斜支撑1-9一端与侧框架顶横梁1-7和侧框架立柱1-8的交叉点固定连接，侧框架斜支撑1-9另一端与靠近侧框架立柱1-8的主框架立柱1-1与框架底盘主横梁1-10的交叉点固定连接。
主框架组件主要承受竖向荷载，侧框架组件与主框架中横梁1-3及主框架立柱1-1组合共同承受水平横向荷载。
如图4所示，为了提供对钢管周边冻土的法向力和剪切力，设置了驱动加载单元，驱动加载单元包括竖向加载单元300、横向加载单元400和驱动器箱800；
竖向加载单元300包括竖向伺服电机3-1、竖向减速机3-2和竖向作动缸3-3，竖向伺服电机3-1、竖向减速机3-2和竖向作动缸3-3通过螺栓吊挂固定在主框架顶横梁1-2上，竖向加载单元300为剪切土箱提供竖向荷载。驱动器箱800固定安装在靠近侧框架立柱1-8的主框架立柱1-1上；驱动器箱800的竖向驱动器的信号输出端与竖向伺服电机3-1信号输入端通信连接，竖向伺服电机3-1的动力输出端与竖向减速机3-2驱动连接，竖向减速机3-2与竖向作动缸3-3驱动连接；竖向伺服电机3-1的电源线与信号线与驱动器箱内800的竖向驱动器导通。
横向加载单元400包括横向伺服电机4-1、横向减速机4-2和横向作动缸4-3，横向伺服电机4-1、横向减速机4-2和横向作动缸4-3通过螺栓吊挂固定在横向荷载支撑支座1-12上，横向荷载支撑支座1-12安装在侧框架立柱1-8上；横向加载单元400为试验土箱提供横向剪切荷载；驱动器箱800的横向驱动器的信号输出端与横向伺服电机4-1信号输入端通信连接，横向伺服电机4-1的动力输出端与横向减速机4-2驱动连接，横向减速机4-2与横向作动缸4-3驱动连接。横向伺服电机4-1的电源线、信号线与驱动器箱800内的横向驱动器导通。
如图4所示，为了便于试验土箱的安装和调试，设置了滑动组件200，滑动组件200包括滑轨2-1、滑块2-2和滑台2-3，滑轨2-1通过螺栓固定在框架底盘主横梁1-10上表面的框架底盘面板1-13上，且滑轨2-1的一端位于靠近侧框架立柱1-8的主框架立柱1-1之间的框架底盘主横梁面板1-13上，滑轨2-1的另一端位于远离侧框架立柱1-8的框架底盘主横梁面板1-13的端点上，且在滑轨2-1上表面两端分别设有限位挡板2-4，滑台2-3下表面安装有滑块2-2，滑块2-2安装在滑轨2-1上，滑轨2-1的横截面为“工”字型，滑轨2-1的“工”字型腰部设有凹槽，滑块2-2的侧翼紧密贴合并卡在滑轨2-1的凹槽内；滑块2-2可在滑轨2-1上做光滑直线运动。
滑台2-3上表面设有滑台T形槽，相邻的两个滑台T形槽之间设有带内螺纹的滑台螺栓紧固孔，在滑台2-3靠近侧框架立柱1-8一侧安装有滑台靠山2-7，在滑台2-3远离侧框架立柱1-8一侧滑出侧安装有尾顶支座2-8，滑台靠山2-7和尾顶支座2-8的底部安装有滑台T形滑条，滑台靠山2-7和尾顶支座2-8通过滑台T形滑条在滑台2-3的滑台T形槽内滑动，滑台靠山2-7和尾顶支座2-8可在滑台2-3上平移并通过螺栓与滑台2-3固定，滑台2-3上安装有剪切工作单元500。
主框架范围内空间为剪切工作区，位于主框架范围内框架底盘次梁1-11加密布置。主框架右侧空间为试验整备区。滑台2-3可沿滑轨2-1在剪切工作区和试验整备区之间自由滑动。如图2所示，滑台2-3位于试验整备区。
剪切土箱由上剪切板、下剪切板接触面分为上、下两部分。其中，上土箱由倒U形剪切框的上剪切板与可视土箱侧板围合组成；下土箱由钢管支座箱的下剪切板、可视土箱侧板、土箱活动底板及钢管曲面围合组成。
如图4和图5所示，剪切工作单元500包括竖向加载板51、倒U形剪切框52、可视土箱侧板单元53和钢管支座箱54；钢管支座箱54固定安装在滑台2-3上，钢管支座箱54上方依次安装可视土箱侧板单元53、倒U形剪切框51和竖向加载板51。
具体的，如图6所示，竖向加载板51包括加载杆51-0、加载杆支座51-1、加劲肋板51-2、传压板51-3、加载板限位滚轮支架51-4、限位滚轮支架固定框51-5和竖向加载板起重吊环51-6；竖向加载板51置于倒U形剪切框52内冻土表面上。
传压板51-3上表面固定安装有加劲肋板51-2，加劲肋板51-2的上表面上固定安装有加载杆支座51-1，加载杆支座51-1上安装有顶端为凹球面的加载杆51-0；加劲肋板51-2的四周安装有加载板限位滚轮支架51-4，且限位滚轮支架51-4通过螺栓固定在传压板51-3上，加载板限位滚轮支架51-4通过螺栓固定在限位滚轮固定框51-5外表面上，加载板限位滚轮支架51-4上的加载板限位滚轮与倒U形剪切框52的内表面接触，为竖向加载板51的升降平移提供导向。加载杆支座51-1上表面有起重吊环安装孔，用于安装竖向加载板起重吊环51-6；方便竖向加载板的安装与拆卸。
如图7-图9所示，倒U形剪切框52由两块上剪切板52-1和两块倒U形剪切框侧板52-2通过螺栓紧固组成，上剪切板52-1的高度大于倒U形剪切框侧板52-2的高度，上剪切板52-1的上端与倒U形剪切框侧板52-2的上端平齐，两块上剪切板52-1相对应且平行，两块倒U形剪切框侧板52-2相对应且平行；上剪切板52-1带左右有翼缘，可提高上剪切板整体刚度，上剪切板52-1远离倒U形剪切框侧板52-2的一端设有上剪切板趾板52-3，增大了上剪切板52-1、下剪切板54-1接触面积；倒U形剪切框2置于可视土箱侧板单元53之上，在倒U形剪切框侧板52-2的外侧下部安装有倒U形剪切框侧板减摩滚轮52-4，上剪切板52-1的上表面中部有起重吊环安装孔，用于安装倒U形剪切框侧板起重吊环52-5；便于倒U形剪切框的安装与拆卸。上剪切板趾板52-3上开有限位销钉插孔52-1-1。
如图11和图12所示，可视土箱侧板单元53包括土箱侧板框架53-1、土箱侧板53-2、土箱侧板拉结条53-3和土箱上口侧向限位滚轮53-4，两个土箱侧板框架53-1平行且相对设置；土箱侧板53-2为两块，材质为透明亚克力板，土箱侧板框架53-1位于倒U形剪切框侧板52-2的下方，土箱侧板53-2嵌入土箱侧板框架53-1内，土箱侧板框架53-1由钢板焊接成型，外表面盖压角钢方框53-6，通过螺栓紧固。
土箱侧板框架53-1置于钢管支座箱54上表面，土箱侧板框架53-1底部设有突台，与钢管支座箱54的钢管支座箱侧板檐板54-37上表面的槽口吻合，便于就位安装；为避免土体挤压作用下发生土箱侧板向外张开变形，土箱侧板框架53-1上表面通过螺栓固定有土箱上口侧向限位滚轮安装板53-5，在土箱上口侧向限位滚轮安装板53-5上安装有土箱上口侧向限位滚轮53-4；两块土箱侧板框架53-1之间的上部两端安装有土箱侧板拉结条53-3，进一步拉结固定两块土箱侧板框架53-1；土箱上口侧向限位滚轮53-4与固定在主框架中横梁1-3上的水平限位挡板1-14的一端抵顶接触如图5和图18所示，水平限位挡板调整螺栓1-15穿过主框架中横梁1-3旋入水平限位挡板1-14的另一端；可通过主框架中横梁上的水平限位挡板调整螺栓来调整水平限位挡板1-14与土箱上口侧向限位滚轮53-4接触的松紧程度。
如图5所示，钢管支座箱54包括钢管支座箱箱体和钢管支座箱内部组件，
钢管支座箱箱体由两块钢管支座箱侧板54-5、两块下剪切板54-1和钢管支座箱底板54-2连接组成，钢管支座箱内部组件包括托架板54-9、升降板54-10、楔形托架54-11、支座箱限位挡板54-12、托架板限位滚轮支架54-13、升降托架连接板54-25、土箱活动底板54-14和钢管54-15。
两块钢管支座箱侧板54-5相对且平行，两块下剪切板54-1相对且平行，下剪切板54-1通过螺栓与钢管支座箱侧板54-5和钢管支座箱底板54-2固定连接；
土箱下剪切板檐板54-8与上剪切板52-1的趾板光滑接触，土箱下剪切板檐板54-8设有限位销钉插孔，土箱下剪切板檐板54-8的限位销钉插孔与上剪切板52-1的限位销钉插孔52-1-1同心，限位销钉52-1-2可插入限位销钉插孔52-1-1内，土箱下剪切板檐板54-8根部的中心位置开有螺孔，可旋入下剪切板起重吊环54-7；
如图13和图14，钢管支座箱侧板54-5上部设有钢管支座箱侧板檐板54-37、钢管支座箱侧板54-5外侧壁面上设有支撑箱侧板竖向加劲肋板54-3，钢管支座箱侧板54-5下部设有钢管支座箱侧板趾板54-36、钢管支座箱侧板54-5上部的内侧壁上设有土箱活动底板支撑台阶54-4、钢管支座箱侧板54-5外侧壁面表面设有高度调节螺栓上部固定板54-6；钢管支座箱侧板檐板54-37、支撑箱侧板竖向加劲肋板54-3、钢管支座箱侧板趾板54-36、土箱活动底板支撑台阶54-4和高度调节螺栓上部固定板54-6为焊接组成钢管支座箱侧板54-5；钢管支座箱侧板54-5的竖向加劲肋板54-3上开有水平孔，该孔可安装U型卸扣，便于起重吊装。
钢管支座箱侧板54-5左右两端的内表面设有槽口，槽口深度与下剪切板54-1的厚度相同，下剪切板54-1抵顶在钢管支座箱侧板54-5左右两端的槽口内，并通过螺栓与钢管支座箱侧板54-5固定连接；
如图14和图15所示，钢管支座箱内部组件包括托架板54-9、升降板54-10、楔形托架54-11、支座箱限位挡板54-12、托架板限位滚轮支架54-13、升降托架连接板54-25、土箱活动底板54-14和钢管54-15，
如图16a和图16b，升降板54-10为凹形，位于钢管支座箱54的底部，在升降板54-10的四个角部有耳状的升降板角点突出部54-20，升降板角点突出部54-20从钢管支座箱侧板54-5上的方孔伸出，如图19所示升降板高度调节螺栓54-21贯穿升降板角点突出部54-20，升降板高度调节螺栓54-21的顶端与高度调节螺栓上部固定板54-6固定连接，降板高度调节螺栓54-21的底端穿过钢管支座箱侧板趾板54-36与钢管支座箱底板54-2固定连接，高度调节螺栓上部固定板54-6与钢管支座箱侧板趾板54-36之间设有刻度尺54-35，用于测量定位升降板54-10的位置高度；在升降板高度调节螺栓54-21中部设有高度调节A螺母54-22和高度调节B螺母54-23，高度调节A螺母54-22抵顶在升降板角点突出部54-20的上表面，高度调节B螺母54-23抵顶在升降板角点突出部54-20的下表面；
升降板54-10通过贯穿耳状升降板角点突出部54-20圆孔的升降板高度调节螺栓54-21调整上下高度，升高需同时逆时针旋转高度调节A螺母54-22和高度调节B螺母54-23，降低则需同时顺时针旋转高度调节A螺母54-22和高度调节B螺母54-23，高度调节到位后高度调节B螺母54-23不动，顺时针拧紧高度调节A螺母54-22。
托架板54-9位于升降板54-10的上表面，托架板54-9上表面开有托架板T形槽54-16，相邻两组托架板T形槽54-16之间设有托架板螺栓紧固孔54-17，托架板54-9的四个角点有方形缺口，在托架板54-9的方形缺口处安装有托架板限位滚轮支架54-13，在托架板限位滚轮支架54-13安装有X向限位滚轮54-18和Y向限位滚轮54-19，X向限位滚轮54-18与支座箱限位挡板54-12光滑接触，Y向限位滚轮54-19与钢管支座箱侧板54-5的内侧壁光滑接触；支座箱限位挡板54-12位于钢管支座箱底板54-2与土箱活动底板54-14之间，且两块支座箱限位挡板54-12平行；靠近钢管支座箱侧板54-5中部位置的托架板54-9上表面镶嵌有水平气泡管54-24，在调整升降板高度过程中，可根据水平气泡管检查托架板的偏斜情况；在水平气泡管外侧，升降托架连接板54-25将托架板54-9和升降板54-10侧壁面螺栓固定连接；
如图17a和图17b所示，楔形托架54-11位于托架板54-9的上表面，楔形托架54-11为对称的两组，包括托架斜板54-26、支撑肋板54-27、托架底板54-28和倾角圆柱滑块54-31；托架底板54-28的下表面安装有托架底板T形滑条54-29，托架底板T形滑条54-29在托架板T形槽54-16内滑动，楔形托架54-11借助托架底板T形滑条54-29在沿托架板T形槽54-16内滑动实现平移，托架底板54-28上设有托架底板螺栓孔，通过同心的托架底板螺栓孔与托架板螺栓紧固孔54-17螺栓固定托架板54-9和托架底板54-28；支撑肋板54-27位于托架斜板54-26与托架底板54-28之间的夹角处；托架斜板54-26沿斜面开设有圆孔斜滑槽54-30，倾角圆柱滑块54-31在圆孔斜滑槽54-30滑动，倾角圆柱滑块54-31小部分弧面突出于托架斜板54-26背面，便于调整操作。
钢管54-15置于对称布置的托架斜板54-26上，钢管54-15的管壁上开设有钻孔，通过钻孔与倾角圆柱滑块54-31螺栓固定连接，钢管54-15的管壁底部居中位置开有底壁钻孔，螺栓通过底壁钻孔与托架板T形槽54-16内的滑块紧固连接；
如图14和图19所示，土箱活动底板54-14位于土箱活动底板支撑台阶54-4之上，下剪切板54-1外表面对应土箱活动底板54-14的位置开设有顶推螺孔，顶推螺孔内安装有活动底板顶推螺栓54-32，通过活动底板顶推螺栓54-32可将土箱活动底板54-14抵紧在钢管54-15的弧面上；活动底板顶推螺栓54-32完全旋入下剪切板54-1内，下剪切板54-1与土箱活动底板54-14接触位置上表面安装有遮缝角钢54-33，遮缝角钢54-33与下剪切板54-1螺栓固定连接；
如图4所示，钢管支座箱底板54-2的下底面设有支座箱底板槽口，支座箱底板槽口的宽度与滑台2-3的宽度相同，钢管支座箱底板54-2的第一端延伸至下剪切板54-1外形成延伸台阶，延伸台阶与滑台靠山2-7底部的槽口深度相同，延伸台阶推入到滑台靠山2-7底部的槽口内，使得下剪切板54-1抵顶在滑台靠山2-7上，钢管支座箱底板54-2的第二端伸入倒L形夹具2-9长边与滑台3-2所构成的槽内，并通过贯穿倒L形夹具2-9长边的螺栓与滑台3-2固定连接；远离侧框架立柱1-8的滑台2-3的一端固定有尾顶支架2-8，顶杆54-34外表面有螺纹，穿过尾顶支座2-8竖板的螺孔顶到下剪切板54-1。安装过程中，可通过滑台的尾顶支座2-8顶杆54-34将钢管支座箱底板54-2的延伸台阶推入滑台靠山2-7的槽口内。
为了测量土箱在不同温度变化下的横向和纵向剪切位移和负荷，设置了控制系统700和测量采集系统600，
如图1所示，包括数据采集器71、操作台72和温控仪表73，数据采集器71采集的数据传输给操作台72；温控仪表73的信号输出端与数据采集器71通信连接；
如图1所示，测量采集系统600包括竖向负荷传感器61、竖向位移传感器62、下土箱横向负荷传感器63、上土箱横向负荷传感器64、横向位移传感器65、钢管内温度传感器66；
如图4所示，竖向作动缸3-3的动力输出端与竖向负荷传感器61驱动连接，竖向负荷传感器61下端同轴安装有下表面为凸球面的压杆61-1，压杆61-1的凸球面与加载杆51-0凹球面凹凸配合连接，竖向负荷传感器61的信号输出端与数据采集器71通信连接。
如图4所示，竖向位移传感器62通过磁性表座固定在主框架中横梁1-3上，竖向位移传感器62的探测杆抵在加载杆支座51-1上，竖向位移传感器62的信号输出端与数据采集器71通信连接。
如图4所示，横向作动缸4-3的动力输出端与下土箱横向负荷传感器63驱动连接，下土箱横向负荷传感器63同轴安装有压杆横轴63-1，压杆横轴63-1的另外一端穿过位于主框架立柱1-1的横轴支架63-2抵顶在横向加载压块63-3上，横向加载压块63-3与滑台靠山2-7的外侧面接触；下土箱横向负荷传感器63的信号输出端与数据采集器71通信连接。
如图9和图10所示，上土箱横向负荷传感器64通过螺栓安装在上剪切板负荷传感器托板64-1内，上剪切板负荷传感器托板64-1侧表面设有挂钩板64-2，挂钩板64-2悬挂在上剪切板52-1翼缘之间的横杆64-3上，远离上剪切板52-1的上土箱横向负荷传感器64一侧设有短横轴64-4，短横轴64-4两端均有外螺纹，短横轴64-4的一端穿过上剪切板负荷传感器托板64-1与上土箱横向负荷传感器64螺纹配合连接，短横轴64-4的另一端螺纹连接在圆螺母64-5上，圆螺母64-5的外壁带有销钉插孔64-6，圆螺母64-5抵紧在抗剪梁64-7上，为上剪切板提供反力，抗剪梁64-7为凹型界面梁，凹型槽口深度与短横轴突出部相同，抗剪梁64-7由抗剪梁支座64-9支撑，抗剪梁支座64-9固定安装在主框架立柱1-1上，抗剪梁64-7通过短横轴固定螺栓64-8与短横轴64-4固定连接；上土箱横向负荷传感器64的信号输出端与数据采集器71通信连接。
如图4所示，横向位移传感器65通过磁性表座固定在主框架立柱1-1上，横向位移传感器65的探测杆抵在下剪切板54-1上；横向位移传感器65的信号输出端与数据采集器71通信连接。
如图21和图22所示，钢管内温度传感器66安装在钢管54-15内的弧面制冷板66-1上，钢管内温度传感器66的测试电缆穿过钢管支座箱侧板54-5中间的方孔与控制系统700的温控仪表73连接；温控仪表73与数据采集器71和低温循环冷浴系统1000的变频器通信连接；
弧面制冷板66-1沿钢管54-15轴向方向通过磁性螺钉66-5与钢管54-15内壁贴合且固定连接，弧面制冷板66-1为铝合金材质，弧面制冷板66-1上沿钢管54-15轴向方向嵌入多组U形制冷管66-2，U形制冷管66-2的开口端分别为冷板进液口66-3和冷板出液口66-4，冷板进液口66-3和冷板出液口66-4位于钢管54-15的第一端，U形制冷管66-2的U形底端位于钢管54-15的第二端；钢管内温度传感器66安装在U形制冷管66-2的U形两侧壁之间的弧面制冷板66-1的孔内；冷板进液口66-3和冷板出液口66-4通过硅胶软管分别与位于钢管54-15内的进液总管66-6和出液总管66-7流体导通；进液总管66-6和出液总管66-7分别与低温循环冷浴系统1000的进液口和出液口流体导通。
通过钢管外表面滚花或堆焊处理可以在钢管外表面加工出不同深浅的条纹，进而可以模拟不同粗糙度圆弧曲面上冻土的剪切滑移破坏的规律。
通过调整弧形冷板在钢管内壁的不同布置方位如图26a和图26b和冷板温度，可以模拟实际管幕冻结工程中不同冻结管布置位置对管间冻土剪切滑移的影响规律。
测量采集系统600还包括CCD相机80，CCD相机80的镜头正对着土箱侧板53-2的中心位置，CCD相机80的信号输入输出端与操作台72通信连接。
低温循环冷浴系统1000内设有制冷液输出泵，制冷液输出泵为变频泵，变频泵的信号输入端与变频器连接，变频器与温控仪表73通信连接，温控仪表73采用温差控制方式通过变频器控制变频泵转速，控制低温循环冷浴的冷量输出。
具体的实验步骤如下所示：
1、试验开始前，低温环境试验间900为室温状态，组装好反力框架组件100和滑动组件200。
将滑动组件200的滑台2-3置于试验准备区，沿钢管54-15轴向方向通过磁性螺钉在钢管54-15内壁固定连接弧面制冷板66-1，将多组U形制冷管66-2嵌入到弧面制冷板66-1内，U形制冷管66-2的冷板进液口66-3和冷板出液口66-4分别与进液总管66-6和出液总管66-7流体导通，然后将组装好的钢管54-15置于楔形托架54-11上，用螺栓将钢管54-15与倾角圆柱滑块54-31螺栓固定连接。将钢管内温度传感器66测试电缆线及进液总管66-6和出液总管66-7由钢管支座箱侧板54-5的中间孔洞引出，如图27所示，可以调整钢管54-15的不同圆弧曲面高度。
2、利用起重工具依次将钢管支座箱51、可视土箱侧板单元53、倒U形剪切框52组装紧固，并利用尾顶支座2-8的顶杆54-34和倒L形夹具2-9将上述剪切工作单元500固定在滑台2-3上，使滑台靠山2-7与钢管支座箱54的下剪切板54-1平面充分接触。
3、通过升降板高度调节螺栓54-21并根据刻度尺54-35和水平气泡管54-24调整钢管54-15突出土箱活动底板54-14的弧段高度，通过活动底板顶推螺栓54-32调整土箱活动底板54-14与钢管54-15的抵紧程度，将剪切板限位销钉52-1-2插入土箱下剪切板檐板54-8与上剪切板趾板52-3的限位销钉插孔52-1-1内。
4、试验用土逐层填入由上剪切板52-1、可视的土箱侧板53-2、下剪切板54-1、土箱活动底板54-14及钢管54-15曲面围合组成剪切土箱内，并按设计密度压实，直至到达设计土体厚度，用起重工具将竖向加载板51放入剪切土箱内，传压板51-3与土体的上表面接触。
5、将载有剪切工作单元500的滑台2-3推入主框架内的剪切工作区，直至土箱侧板拉结条53-3与主框架限位连梁1-5接触。
将安装在上剪切板负荷传感器托板64-1的上土箱横向负荷传感器64总成通过挂钩板64-2安装到上剪切板52-1的横杆64-3上，将抗剪梁64-7侧面插入并放置在抗剪梁支座64-9上，找正并拧紧短横轴固定螺栓64-8，利用销钉逆时针拨动圆螺母64-5直至圆螺母64-5与抗剪梁64-7充分抵紧。
6、调整横向作动缸4-3活塞伸出的长度，并连接有下土箱横向负荷传感器63，使下土箱横向负荷传感器63的压杆横轴63-1抵顶横向加载压块63-3，使横向加载压块63-3与滑台靠山2-7平面充分接触，并通过螺栓将横向加载压块63-3与滑台靠山2-7固定连接。
7、调整竖向作动缸3-3活塞伸出的长度，并连接有竖向负荷传感器61，使竖向负荷传感器61下端的竖向加载的带有凸球面的压杆61-1落入竖向加载板51的加载杆支座51-1的上的加载杆51-0的球窝内。
8、调整竖向位移传感器62位置，使探针与竖向加载板51充分接触；调整横向位移传感器65位置，使探针与钢管支座箱下剪切板54-1充分接触。
9、调整主框架中横梁1-3上的水平限位挡板1-14调节螺栓，使水平限位挡板1-14与土箱上口侧向限位滚轮53-4充分接触图18。
10、将钢管支座箱54内引出的进液总管66-6和出液总管66-7与低温循环冷浴1000进液口和出液口流体导通。
11、将竖向负荷传感器61、竖向位移传感器62、下土箱横向负荷传感器63、上土箱横向负荷传感器64、横向位移传感器65、钢管内温度传感器66的信号输出端与控制系统700的数据采集器71通信连接。将驱动器箱800的信号输入端与控制系统700输出端通信连接。将低温环境试验间环境温度及低温循环冷浴系统1000制冷液温度传感器信号输出端与数据采集器71输入端通信连接。
12、启动控制系统700及数据采集器71。启动竖向加载单元300，先将剪切土箱内土体施加一定大小的竖向荷载；启动低温环境试验间900的制冷风机91进行环境降温至设定温度并保持，启动低温循环冷浴系统1000至设定温度并保持。
13、正式开始剪切试验前，将土箱下剪切板檐板54-8与上剪切板趾板52-3之间的限位销钉52-1-2拔出，启动横向加载单元400，按变形控制或力控制进行横向剪切加载，直至冻土剪切滑移破坏。
14、试验过程中，采用CCD照相80变形测量方法，利用高分辨率CCD照相透过亚克力板对冻土的动态变形过程进行拍照，利用相关软件通过数字图像与变形进行分析，再现冻土滑移演变过程。
14、本实施例中，剪切土箱内尺寸为：长度600mm、宽度450mm、高度300mm，下土箱深110mm，上土箱深度190mm，土箱内可对273mm、325mm等管径钢管进行冻土剪切滑移试验。
为适应不同管径钢管需要，本申请中的上下剪切板及支座箱尺寸均可适当调整。
该试验装置在不安装钢管情况下可进行冻土常规直剪试验(如图22所示)，在安装钢管后既可进行管间冻土剪切滑移强度试验，又可进行管壁冻土冻结附着强度试验，包括全断面试验方案(图23)和部分断面试验方案示(图24)，同时也可以进行管幕管间冻土的剪切滑移蠕变试验。
加载方式：在进行管间冻土剪切滑移强度试验时，竖向加载采用力控制，横向加载采用位移控制；在进行管间冻土剪切滑移蠕变试验时，竖向加载采用力控制，横向加载采用力控制；
在进行管壁冻土冻结附着强度试验时，如图25所示，下土箱中不再充填试验土体，而是用尼龙垫块(54-38)代替，尼龙垫块(54-38)能完全嵌入钢管(54-15)、土箱侧板(53-2)与下剪切板(54-1)所围成的空间，下土箱尼龙垫块(54-38)上表面铺设双层塑料薄膜(54-39)做隔离，双层塑料薄膜(54-39)之间充填硅油(54-40)，以减少冻土与尼龙垫块(54-38)间的滑动摩擦阻力，然后在塑料薄膜上再填入试验土体。管壁冻土冻结附着强度试验可采取全断面或部分断面两种试验方案进行(图23和图24所示)。
减少阻力措施：试验开始前，在滑台(2-3)下的滑轨(2-1)表面涂刷一道润滑油，使得滑轨表面形成油膜，减少滑块运动过程中的滑动摩擦阻力；用海绵蘸取二甲基硅油土箱侧板(53-2)内表面均匀涂抹一遍，以减少试验中因土箱内冻土与土箱侧板(53-2)内壁冻结所产生的摩擦阻力；在进行管壁冻土冻结附着强度试验时，如图26所示，下土箱尼龙垫块(54-38)上表面铺设双层塑料薄膜(54-39)做隔离，双层塑料薄膜(54-39)之间充填少量硅油(54-40)，以减少冻土与尼龙垫块(54-38)间的滑动摩擦阻力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (5)
1.用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其特征在于，包括反力框架组件(100)、滑动组件(200)、驱动加载单元、剪切工作单元(500)、测量采集系统(600)、控制系统(700)和低温循环冷浴系统(1000)；滑动组件(200)、驱动加载单元安装在反力框架组件(100)上，剪切工作单元(500)安装在滑动组件(200)上，测量采集系统(600)、低温循环冷浴系统(1000)与控制系统(700)通信连接；测量采集系统(600)采集剪切工作单元(500)内冻土的剪切滑移力学特性，并将采集的数据传输给控制系统(700)；
反力框架组件(100)包括主框架组件、侧框架组件和框架底盘组件；主框架组件和侧框架组件固定安装在框架底盘组件；
主框架组件包括主框架立柱(1-1)、主框架顶横梁(1-2)、主框架中横梁(1-3)、主框架中连梁(1-4)和主框架限位连梁(1-5)和主框架顶连梁(1-6)，主框架立柱(1-1)、主框架顶连梁(1-6)和主框架顶横梁(1-2)为H型钢；主框架限位连梁(1-5)和主框架中连梁(1-4)为槽钢；
两根主框架顶横梁(1-2)和两根主框架顶连梁(1-6)位于相连两个主框架立柱(1-1)的顶部，主框架顶横梁(1-2)的两端分别与相邻两个主框架顶连梁(1-6)固定连接，主框架顶连梁(1-6)分别与相邻两个主框架立柱(1-1)固定连接；两根主框架顶横梁(1-2)相互平行，两根主框架顶连梁(1-6)相互平行，主框架顶横梁(1-2)与主框架顶连梁(1-6)相互垂直；
两根主框架中横梁(1-3)位于相连两个主框架立柱(1-1)的中部，且主框架中横梁(1-3)的两端分别与相连两个主框架立柱(1-1)固定连接，两根主框架中横梁(1-3)相互平行；
主框架中连梁(1-4)位于远离侧框架组件一侧的两个主框架立柱(1-1)之间，并与两个主框架立柱(1-1)固定连接；主框架中连梁(1-4)与主框架中横梁(1-3)相互垂直；
主框架限位连梁(1-5)位于靠近侧框架组件一侧的两个主框架立柱(1-1)之间，并与两个主框架立柱(1-1)固定连接；主框架限位连梁(1-5)与主框架中连梁(1-4)相互平行；
主框架中连梁(1-4)位于主框架中横梁(1-3)上部，主框架限位连梁(1-5)位于主框架中横梁(1-3)下部；
侧框架组件包括侧框架顶横梁(1-7)、侧框架立柱(1-8)、侧框架斜支撑(1-9)和侧框架连梁；侧框架顶横梁(1-7)与主框架中横梁(1-3)在同一个水平面上，侧框架顶横梁(1-7)的一端与侧框架立柱(1-8)的顶部固定连接，侧框架顶横梁(1-7)的另一端与靠近侧框架组件一侧的主框架立柱(1-1)固定连接；侧框架连梁的两端与侧框架立柱(1-8)固定连接，且侧框架连梁与侧框架顶横梁(1-7)相互垂直；侧框架顶横梁(1-7)、侧框架立柱(1-8)、侧框架斜支撑(1-9)和侧框架连梁均为槽钢；
框架底盘组件包括框架底盘主横梁(1-10)和框架底盘次梁(1-11)，框架底盘主横梁(1-10)为H型钢，框架底盘次梁(1-11)为槽钢；框架底盘次梁(1-11)的两端与两个框架底盘主横梁(1-10)的固定连接，框架底盘次梁(1-11)与框架底盘主横梁(1-10)相互垂直；主框架立柱(1-1)和侧框架立柱(1-8)下端固定安装在框架底盘主横梁(1-10)上；位于主框架立柱(1-1)之间的框架底盘主横梁(1-10)和框架底盘次梁(1-11)组成的区域为剪切工作区，远离主框架立柱(1-1)的框架底盘主横梁(1-10)和框架底盘次梁(1-11)组成的区域为试验准备区；侧框架斜支撑(1-9)一端与侧框架顶横梁(1-7)和侧框架立柱(1-8)的交叉点固定连接，侧框架斜支撑(1-9)另一端与靠近侧框架立柱(1-8)的主框架立柱(1-1)与框架底盘主横梁(1-10)的交叉点固定连接；
滑动组件(200)包括滑轨(2-1)、滑块(2-2)和滑台(2-3)，滑轨(2-1)通过螺栓固定在框架底盘主横梁(1-10)上表面的框架底盘面板(1-13)上，且滑轨(2-1)的一端位于靠近侧框架立柱(1-8)的主框架立柱(1-1)之间的框架底盘面板(1-13)上，滑轨(2-1)的另一端位于远离侧框架立柱(1-8)的框架底盘面板(1-13)上，且在滑轨(2-1)上表面的两端分别设有限位挡板(2-4)，滑台(2-3)下表面安装有滑块(2-2)，滑块(2-2)安装在滑轨(2-1)上，滑轨(2-1)的横截面为“工”字型，滑轨(2-1)的“工”字型腰部设有凹槽，滑块(2-2)的侧翼紧密贴合并卡在滑轨(2-1)的凹槽内；滑台(2-3)上表面设有滑台T形槽，相邻的两个滑台T形槽之间设有带内螺纹的滑台螺栓紧固孔，在滑台(2-3)靠近侧框架立柱(1-8)一侧安装有滑台靠山(2-7)，在滑台(2-3)远离侧框架立柱(1-8)一侧为滑出侧，滑台(2-3)的滑出侧安装有尾顶支座(2-8)，滑台靠山(2-7)和尾顶支座(2-8)的底部安装有滑台T形滑条，滑台靠山(2-7)和尾顶支座(2-8)通过滑台T形滑条在滑台(2-3)的滑台T形槽内滑动，滑台(2-3)上安装有剪切工作单元(500)；
驱动加载单元包括竖向加载单元(300)、横向加载单元(400)和驱动器箱(800)；竖向加载单元(300)包括竖向伺服电机(3-1)、竖向减速机(3-2)和竖向作动缸(3-3)，横向加载单元(400)包括横向伺服电机(4-1)、横向减速机(4-2)和横向作动缸(4-3)，竖向伺服电机(3-1)、竖向减速机(3-2)和竖向作动缸(3-3)通过螺栓吊挂固定在主框架顶横梁(1-2)上，横向伺服电机(4-1)、横向减速机(4-2)和横向作动缸(4-3)通过螺栓吊挂固定在横向荷载支撑支座(1-12)上，横向荷载支撑支座(1-12)安装在侧框架立柱(1-8)上；驱动器箱(800)固定安装在靠近侧框架立柱(1-8)的主框架立柱(1-1)上；
驱动器箱(800)的竖向驱动器的信号输出端与竖向伺服电机(3-1)信号输入端通信连接，竖向伺服电机(3-1)的动力输出端与竖向减速机(3-2)驱动连接，竖向减速机(3-2)与竖向作动缸(3-3)驱动连接；驱动器箱(800)的横向驱动器的信号输出端与横向伺服电机(4-1)信号输入端通信连接，横向伺服电机(4-1)的动力输出端与横向减速机(4-2)驱动连接，横向减速机(4-2)与横向作动缸(4-3)驱动连接；
剪切工作单元(500)包括竖向加载板(51)、倒U形剪切框(52)、可视土箱侧板单元(53)和钢管支座箱(54)；钢管支座箱(54)固定安装在滑台(2-3)上，钢管支座箱(54)上方依次安装可视土箱侧板单元(53)、倒U形剪切框(51)和竖向加载板(51)；
竖向加载板(51)包括加载杆(51-0)、加载杆支座(51-1)、加劲肋板(51-2)、传压板(51-3)、加载板限位滚轮支架(51-4)、限位滚轮支架固定框(51-5)和竖向加载板起重吊环(51-6)；传压板(51-3)上表面固定安装有加劲肋板(51-2)，加劲肋板(51-2)的上表面上固定安装有加载杆支座(51-1)，加载杆支座(51-1)上安装有顶端为凹球面的加载杆(51-0)；加劲肋板(51-2)的四周安装有加载板限位滚轮支架(51-4)且加载板限位滚轮支架(51-4)通过螺栓固定在传压板(51-3)上，加载板限位滚轮支架(51-4)通过螺栓固定在限位滚轮支架固定框(51-5)外表面上，加载板限位滚轮支架(51-4)上的加载板限位滚轮与倒U形剪切框(52)的内表面接触，加载杆支座(51-1)上表面有起重吊环安装孔，用于安装竖向加载板起重吊环(51-6)；
倒U形剪切框(52)由两块上剪切板(52-1)和两块倒U形剪切框侧板(52-2)通过螺栓紧固组成，上剪切板(52-1)的高度大于倒U形剪切框侧板(52-2)的高度，上剪切板(52-1)的上端与倒U形剪切框侧板(52-2)的上端平齐，两块上剪切板(52-1)相对应且平行，两块倒U形剪切框侧板(52-2)相对应且平行；上剪切板左右(52-1)带有翼缘，上剪切板(52-1)远离倒U形剪切框侧板(52-2)的一端设有上剪切板趾板(52-3)，在倒U形剪切框侧板(52-2)的外侧下部安装有倒U形剪切框侧板减摩滚轮(52-4)，上剪切板(52-1)的上表面中部有起重吊环安装孔，用于安装倒U形剪切框侧板起重吊环(52-5)；
可视土箱侧板单元(53)包括土箱侧板框架(53-1)、土箱侧板(53-2)、土箱侧板拉结条(53-3)和土箱上口侧向限位滚轮(53-4)，两个土箱侧板框架(53-1)平行且相对设置；土箱侧板(53-2)为两块，材质为透明亚克力板，土箱侧板框架(53-1)位于倒U形剪切框侧板(52-2)的下方，土箱侧板(53-2)嵌入土箱侧板框架(53-1)内，外表面盖压角钢方框(53-6)，通过螺栓紧固，土箱侧板框架(53-1)底部设有突台，与钢管支座箱(54)上部设有的钢管支座箱侧板檐板(54-37)上表面的槽口吻合；土箱侧板框架(53-1)上表面通过螺栓固定有土箱上口侧向限位滚轮安装板(53-5)，在土箱上口侧向限位滚轮安装板(53-5)上安装有土箱上口侧向限位滚轮(53-4)；两个土箱侧板框架(53-1)之间的上部两端与土箱侧板拉结条(53-3)的两端固定连接，进一步拉结固定两块土箱侧板框架(53-1)；土箱上口侧向限位滚轮(53-4)与固定在主框架中横梁(1-3)上的水平限位挡板(1-14)的一端抵顶接触，水平限位挡板调整螺栓(1-15)穿过主框架中横梁(1-3)旋入水平限位挡板(1-14)的另一端；
钢管支座箱(54)包括钢管支座箱箱体和钢管支座箱内部组件，钢管支座箱箱体由两块钢管支座箱侧板(54-5)、两块下剪切板(54-1)和钢管支座箱底板(54-2)连接组成，两块钢管支座箱侧板(54-5)相对且平行，两块下剪切板(54-1)相对且平行，下剪切板(54-1)通过螺栓与钢管支座箱侧板(54-5)和钢管支座箱底板(54-2)固定连接；
土箱下剪切板檐板(54-8)与上剪切板趾板(52-3)光滑接触，土箱下剪切板檐板(54-8)设有限位销钉插孔，土箱下剪切板檐板(54-8)的限位销钉插孔与上剪切板(52-1)的限位销钉插孔(52-1-1)同心，限位销钉(52-1-2)可插入限位销钉插孔(52-1-1)内，土箱下剪切板檐板(54-8)根部的中心位置开有螺孔，可旋入下剪切板起重吊环(54-7)；
钢管支座箱侧板(54-5)外侧壁面上设有支撑箱侧板竖向加劲肋板(54-3)，钢管支座箱侧板(54-5)下部设有钢管支座箱侧板趾板(54-36)、钢管支座箱侧板(54-5)上部的内侧壁上设有土箱活动底板支撑台阶(54-4)、钢管支座箱侧板(54-5)外侧壁面表面设有高度调节螺栓上部固定板(54-6)；
钢管支座箱侧板(54-5)左右两端的内表面设有槽口，槽口深度与下剪切板(54-1)的厚度相同，下剪切板(54-1)抵顶在钢管支座箱侧板(54-5)左右两端的槽口内，并通过螺栓与钢管支座箱侧板(54-5)固定连接；
钢管支座箱内部组件包括托架板(54-9)、升降板(54-10)、楔形托架(54-11)、支座箱限位挡板(54-12)、托架板限位滚轮支架(54-13)、升降托架连接板(54-25)、土箱活动底板(54-14)和钢管(54-15)，
升降板(54-10)为凹形，位于钢管支座箱(54)的底部，在升降板(54-10)的四个角部有耳状的升降板角点突出部(54-20)，升降板角点突出部(54-20)从钢管支座箱侧板(54-5)上的方孔伸出，升降板高度调节螺栓(54-21)贯穿升降板角点突出部(54-20)，升降板高度调节螺栓(54-21)的顶端与高度调节螺栓上部固定板(54-6)固定连接，降板高度调节螺栓(54-21)的底端与钢管支座箱底板(54-2)固定连接，在升降板高度调节螺栓(54-21)中部设有高度调节A螺母(54-22)和高度调节B螺母(54-23)，高度调节A螺母(54-22)抵顶在升降板角点突出部(54-20)的上表面，高度调节B螺母(54-23)抵顶在升降板角点突出部(54-20)的下表面；
托架板(54-9)位于升降板(54-10)的上表面，托架板(54-9)上表面开有托架板T形槽(54-16)，相邻两组托架板T形槽(54-16)之间设有托架板螺栓紧固孔(54-17)，托架板(54-9)的四个角点有方形缺口，在托架板(54-9)的方形缺口处安装有托架板限位滚轮支架(54-13)，在托架板限位滚轮支架(54-13)安装有X向限位滚轮(54-18)和Y向限位滚轮(54-19)，X向限位滚轮(54-18)与支座箱限位挡板(54-12)光滑接触，Y向限位滚轮(54-19)与钢管支座箱侧板(54-5)的内侧壁光滑接触；支座箱限位挡板(54-12)位于钢管支座箱底板(54-2)与土箱活动底板(54-14)之间，且两块支座箱限位挡板(54-12)平行；靠近钢管支座箱侧板(54-5)中部位置的托架板(54-9)上表面镶嵌有水平气泡管(54-24)，升降托架连接板(54-25)将托架板(54-9)和升降板(54-10)侧壁面螺栓固定连接；
楔形托架(54-11)位于托架板(54-9)的上表面，楔形托架(54-11)为对称的两组，包括托架斜板(54-26)、支撑肋板(54-27)、托架底板(54-28)和倾角圆柱滑块(54-31)；托架底板(54-28)的下表面安装有托架底板T形滑条(54-29)，托架底板T形滑条(54-29)在托架板T形槽(54-16)内滑动，托架底板(54-28)上设有托架底板螺栓孔，通过同心的托架底板螺栓孔与托架板螺栓紧固孔(54-17)螺栓固定托架板(54-9)和托架底板(54-28)；支撑肋板(54-27)位于托架斜板(54-26)与托架底板(54-28)之间的夹角处；托架斜板(54-26)沿斜面开设有圆孔斜滑槽(54-30)，倾角圆柱滑块(54-31)在圆孔斜滑槽(54-30)滑动，钢管(54-15)置于对称布置的托架斜板(54-26)上，钢管(54-15)的管壁上开设有钻孔，通过钻孔与倾角圆柱滑块(54-31)螺栓固定连接，钢管(54-15)的管壁底部居中位置开有底壁钻孔，螺栓通过底壁钻孔与托架板T形槽(54-16)内的滑块紧固连接；
土箱活动底板(54-14)位于土箱活动底板支撑台阶(54-4)之上，下剪切板(54-1)外表面对应土箱活动底板(54-14)的位置开设有顶推螺孔，顶推螺孔内安装有活动底板顶推螺栓(54-32)，通过活动底板顶推螺栓(54-32)可将土箱活动底板(54-14)抵紧在钢管(54-15)的弧面上；下剪切板(54-1)与土箱活动底板(54-14)接触位置上表面安装有遮缝角钢(54-33)，遮缝角钢(54-33)与下剪切板(54-1)螺栓固定连接；
钢管支座箱底板(54-2)的下底面设有支座箱底板槽口，支座箱底板槽口的宽度与滑台(2-3)的宽度相同，钢管支座箱底板(54-2)的第一端延伸至下剪切板(54-1)外形成延伸台阶，延伸台阶与滑台靠山(2-7)底部的槽口深度相同，延伸台阶推入到滑台靠山(2-7)底部的槽口内，使得下剪切板(54-1)抵顶在滑台靠山(2-7)上，钢管支座箱底板(54-2)的第二端伸入倒L形夹具(2-9)长边与滑台(3-2)所构成的槽内，并通过贯穿倒L形夹具(2-9)长边的螺栓与滑台(3-2)固定连接；远离侧框架立柱(1-8)的滑台(2-3)的一端固定有尾顶支座(2-8)，顶杆(54-34)外表面有螺纹，穿过尾顶支座(2-8)的竖板的螺孔抵顶到下剪切板(54-1)。
2.根据权利要求1的用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其特征在于，控制系统(700)包括数据采集器(71)、操作台(72)和温控仪表(73)，数据采集器(71)采集的数据传输给操作台(72)；温控仪表(73)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
测量采集系统(600)包括竖向负荷传感器(61)、竖向位移传感器(62)、下土箱横向负荷传感器(63)、上土箱横向负荷传感器(64)、横向位移传感器(65)、钢管内温度传感器(66)；
竖向作动缸(3-3)的动力输出端与竖向负荷传感器(61)驱动连接，竖向负荷传感器(61)下端同轴安装有下表面为凸球面的压杆(61-1)，压杆(61-1)的凸球面与加载杆(51-0)凹球面凹凸配合连接，竖向负荷传感器(61)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
竖向位移传感器(62)通过磁性表座固定在主框架中横梁(1-3)上，竖向位移传感器(62)的探测杆抵在加载杆支座(51-1)上，竖向位移传感器(62)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
横向作动缸(4-3)的动力输出端与下土箱横向负荷传感器(63)驱动连接，下土箱横向负荷传感器(63)同轴安装有压杆横轴(63-1)，压杆横轴(63-1)的另外一端穿过位于主框架立柱(1-1)的横轴支架(63-2)抵顶在横向加载压块(63-3)上，横向加载压块(63-3)与滑台靠山(2-7)的外侧面接触；下土箱横向负荷传感器(63)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
上土箱横向负荷传感器(64)通过螺栓安装在上剪切板负荷传感器托板(64-1)内，上剪切板负荷传感器托板(64-1)侧表面设有挂钩板(64-2)，挂钩板(64-2)悬挂在上剪切板(52-1)翼缘之间的横杆(64-3)上，远离上剪切板(52-1)的上土箱横向负荷传感器(64)一侧设有短横轴(64-4)，短横轴(64-4)两端均有外螺纹，短横轴(64-4)的一端穿过上剪切板负荷传感器托板(64-1)与上土箱横向负荷传感器(64)螺纹配合连接，短横轴(64-4)的另一端螺纹连接在圆螺母(64-5)上，圆螺母(64-5)的外壁带有销钉插孔(64-6)，圆螺母(64-5)抵紧在抗剪梁(64-7)上，抗剪梁(64-7)由抗剪梁支座(64-9)支撑，抗剪梁支座(64-9)固定安装在主框架立柱(1-1)上，抗剪梁(64-7)通过短横轴固定螺栓(64-8)与短横轴(64-4)固定连接；上土箱横向负荷传感器(64)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
横向位移传感器(65)通过磁性表座固定在主框架立柱(1-1)上，横向位移传感器(65)的探测杆抵在下剪切板(54-1)上；横向位移传感器(65)的信号输出端与数据采集器(71)通信连接；
钢管内温度传感器(66)安装在钢管(54-15)内的弧面制冷板(66-1)上，钢管内温度传感器(66)的测试电缆穿过钢管支座箱侧板(54-5)中间的方孔与控制系统(700)的温控仪表(73)连接；温控仪表(73)与数据采集器(71)通信连接；
弧面制冷板(66-1)沿钢管(54-15)轴向方向通过磁性螺钉(66-5)与钢管(54-15)内壁贴合且固定连接，弧面制冷板(66-1)为铝合金材质,弧面制冷板(66-1)上沿钢管(54-15)轴向方向嵌入多组U形制冷管(66-2)，U形制冷管(66-2)的开口端分别为冷板进液口(66-3)和冷板出液口(66-4)，冷板进液口(66-3)和冷板出液口(66-4)位于钢管(54-15)的第一端，U形制冷管(66-2)的U形底端位于钢管(54-15)的第二端；钢管内温度传感器(66)安装在U形制冷管(66-2)的U形两侧壁之间的弧面制冷板(66-1)的孔内；冷板进液口(66-3)和冷板出液口(66-4)通过硅胶软管分别与位于钢管(54-15)内的进液总管(66-6)和出液总管(66-7)流体导通；进液总管(66-6)和出液总管(66-7)分别与低温循环冷浴系统(1000)的进液口和出液口流体导通。
3.根据权利要求2的用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其特征在于，低温循环冷浴系统(1000)内设有制冷液输出泵，制冷液输出泵为变频泵，变频泵的信号输入端与变频器连接，变频器与温控仪表(73)通信连接，温控仪表(73)采用温差控制方式通过变频器控制变频泵转速，控制低温循环冷浴的冷量输出。
4.根据权利要求3的用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其特征在于，测量采集系统(600)还包括CCD相机(80)，CCD相机(80)的镜头正对着土箱侧板(53-2)的中心位置，CCD相机(80)的信号输入输出端与操作台(72)通信连接。
5.根据权利要求1的用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置，其特征在于，用于冻结管幕管间冻土剪切滑移力学特性研究的实验装置除控制系统(700)外需置于低温环境试验间(900)内，低温环境试验间(900)采用制冷风机(91)为低温环境试验间(900)提供持续冷量，低温环境试验间(900)内的温度波动为±1℃。
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