CN112525728B - 一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备及试验方法，包括控制单元、压力加载单元和剪切盒组件；控制单元包括工业电脑A、法向力电机、水平力电机、微机控制系统、法向力加载驱动装置、水平力加载驱动装置、法向力电机驱动装置和水平力电机驱动装置；压力加载单元包括基座、滑道、法向力加载轴杆和水平力加载轴杆，滑道上设置有外挡件；剪切盒组件设置于外挡件内。此外本发明还提供一种采用该设备进行试验的方法，该设备可实现加筋土的大尺寸直接剪切试验，获得大尺寸土样抗剪强度测试的综合评价结果，具有评价参数合理、准确度高、效率高的优点，可以满足多参数复杂试验方案的要求。

Description

一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备及试验方法。

背景技术

斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生滑移而造成对人畜、房屋的伤害，其机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致，而加筋土壤对于滑坡的防治可以起到积极作用，可采用的加筋材料包括麦秸秆、棕榈、草根等。直接剪切试验作为一种快速、经济的岩土样剪切强度试验方法，国家土工试验标准中直剪试样的尺寸为：直径61.8mm，高度20mm，根据国家标准进行土样直接剪切实验存在受试土样尺寸小的缺陷。为了克服传统直接剪切设备试样尺寸过小、应力容易集中在剪切盒边界等技术难题，从而获得不具代表性的试验结果，为此，需要一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备及试验方法，本发明通过提供一种包括控制单元、压力加载单元、剪切盒组件和数据采集单元的大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，可对土样进行水平位移控制直剪试验、法向力分级加载直剪试验、水平力分级加载直剪试验、法向力恒定增速直剪试验和水平力恒定增速直剪试验等多种试验，获得大尺寸土样抗剪强度测试的综合评价结果，具有评价参数合理、准确度高、效率高的优点，可以满足多参数复杂试验方案的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，包括控制单元、压力加载单元、剪切盒组件和数据采集单元；

所述控制单元包括工业电脑A、法向力电机和水平力电机，所述工业电脑A上连接有微机控制系统，所述微机控制系统上连接有法向力加载驱动装置和水平力加载驱动装置，所述法向力加载驱动装置上连接有用于驱动所述法向力电机的法向力电机驱动装置，所述水平力加载驱动装置上连接有用于驱动所述水平力电机的水平力电机驱动装置；

所述压力加载单元包括基座、设置在所述基座上的滑道、与法向力电机相连的法向力加载轴杆和与水平力电机连接的水平力加载轴杆，所述滑道上设置有可沿滑道滑动的外挡件；

所述外挡件包括外挡件底板和与外挡件底板垂直连接的外挡件侧板，所述外挡件底板滑动设置于滑道上，所述外挡件侧板包括互相平行的第一外挡件侧板和第二外挡件侧板，所述第一外挡件侧板和第二外挡件侧板间隔设置于外挡件底板上；所述第一外挡件侧板与外挡件底板固定连接，所述第二外挡件侧板可拆卸设置于外挡件底板上；

所述剪切盒组件设置于外挡件内。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，

所述基座上垂直设置有支杆，所述支杆上设置有固定板，所述法向力加载轴杆安装于固定板下部，所述法向力加载轴杆上设置有法向荷载传感器；所述法向荷载传感器固定于法向力加载轴杆上；

所述剪切盒组件包括位移平台和下外围件，所述位移平台和所述下外围件设置于外挡件底板上且位于第一外挡件侧板和第二外挡件侧板之间，所述位移平台靠近第一外挡件侧板且与第一外挡件侧板紧贴，所述下外围件位于位移平台和第二外挡件侧板之间，所述下外围件上设置有上外围件，所述下外围件内设置有下盒体，所述下盒体上方设置有上盒体，所述上盒体位于上外围件内；

所述上外围件包括上外围件侧壁，所述上外围件侧壁围成上外围内腔；所述下外围件包括下外围件侧壁，所述下外围件侧壁垂直设置于外挡件底板上，所述下外围件侧壁合围形成下外围内腔，所述下外围件侧壁一侧紧贴位移平台，所述下外围件侧壁另一侧紧贴第二外挡件侧板；

所述下盒体置于外挡件底板上且位于下外围件侧壁合围形成的下外围内腔中；

所述下盒体包括放置于所述下外围内腔中的下盒体侧壁，所述下盒体侧壁紧贴于下外围件侧壁内侧，所述下盒体侧壁围成下盒体内腔；所述上盒体包括位于所述上外围内腔中的上盒体侧壁，所述上盒体侧壁紧贴于上外围件侧壁内侧，所述上盒体侧壁围成上盒体内腔；所述上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，所述土样上部放置有承重顶盖，所述承重顶盖正对所述法向力加载轴杆；所述上盒体侧壁上部固定设置有两个间隔且相对的搭接板，两个所述搭接板的边缘均超过上盒体侧壁边缘，两个所述搭接板超过上盒体侧壁边缘的部分搭设于上外围件侧壁上；

所述上盒体与下盒体之间的距离为1mm～2mm；

所述水平力加载轴杆设置于第一外挡件侧板外侧且与第一外挡件侧板固定连接，所述水平力加载轴杆上设置有水平荷载传感器，所述水平荷载传感器固定于水平力加载轴杆上；

所述数据采集单元包括水平位移计、第一法向位移计、第二法向位移计和第三法向位移计，所述第一法向位移计的测杆和第二法向位移计的测杆分别插入所述土样中且位于承重顶盖的两侧；所述第三法向位移计的测杆连接于固定板上；所述水平位移计的测杆连接于第一外挡件侧板上。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述基座上设置有基座侧板和支撑安装杆，所述基座侧板和支撑安装杆分别位于基座的两端，所述基座侧板设置于第一外挡件侧板外侧，所述支撑安装杆设置于第二外挡件侧板的外侧，所述水平力加载轴杆安装于基座侧板上；

所述水平位移计安装于基座上；

所述上外围件侧壁与支撑安装杆之间设置有用于固定连接上外围件侧壁与支撑安装杆的水平支撑横臂，所述水平支撑横臂位于第二外挡件侧板上方；

所述第一法向位移计、第二法向位移计和第三法向位移计均安装于支杆上。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上盒体的形状为矩形，所述下盒体的形状为矩形。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上外围件放置于下外围件上且上外围件和下外围件之间设置有凡士林层。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述承重顶盖的中心正对法向力加载轴杆，所述承重顶盖上表面中心且正对法向力加载轴杆处设置有钢珠，所述承重顶盖上表面中心处设置有用于容纳钢珠的凹坑。

上述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上外围件为钢制上外围件，所述下外围件为钢制下外围件。

此外，本发明还提供一种采用上述的大尺寸加筋土抗剪强度测试设备进行抗剪强度测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制样，具体包括：将黄土与纤维按照预设配比混合，拌匀，得到土样；

步骤二、装样，具体包括：用螺栓螺母将上盒体与下盒体连接固定，上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，向连通的上盒体内腔和下盒体内腔中装填步骤一所述土样至预设高度，完成装样；

步骤三、预备，具体包括：将承装有土样的剪切盒组件移入外挡件中，松开上盒体与下盒体连接固定的螺栓螺母组件，将承重顶盖置于土样上，将法向力加载轴杆正对承重顶盖的中心，将水平力加载轴杆与第一外挡件侧板固定连接；

步骤四、确定最优纤维掺量，具体包括：取不同含水率和不同纤维掺量土样分别进行法向力-水平位移控制直剪试验，同一含水率下，最大内摩擦角对应纤维掺量为适宜纤维掺量，不同含水率适宜纤维掺量的重叠范围为最优纤维掺量；

所述法向力-水平位移控制直剪试验包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置以预定法向应力σ向土样施加法向力，水平力加载驱动装置以预定剪切速率向土样施加水平力，水平位移计采集水平位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；根据水平位移数据计算得到水平力-相对水平位移曲线，根据水平力-相对水平位移曲线确定失效应力τ，将失效应力τ和预定法向应力σ利用摩尔库伦公式进行拟合，得到失效应力τ-预定法向应力σ关系直线，失效应力τ-预定法向应力σ关系直线的斜率即为内摩擦角/>

步骤五、以步骤四所述最优纤维掺量与黄土按照步骤一～步骤三进行操作，向工业电脑A中输入剪切位移、剪切速率、数据采集时间间隔、剪应力、剪应力增速和法向力，进行试验，所述试验包括法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和/或蠕变试验；

当进行法向力加载试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置向土样施加目标法向力，记录第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据；当土样法向变形量达到试验要求时，停止试验；

当进行水平位移控制直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；

当进行水平力分级加载直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置向土样分级施加水平力，记录分级施加水平力过程中土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据；所述分级施加水平力具体包括：水平力加载驱动装置向土样施加第一级水平力至土样在该级水平力作用下水平无位移时进行下一级水平力的施加，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；

当进行恒定增速水平力直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置向土样施加恒定增速水平力，记录施加恒定增速水平力土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；

当进行蠕变试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，水平力加载驱动装置以预定蠕变剪应力推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验。

上述方法，其特征在于，步骤四中纤维掺量为纤维质量占纤维和土样总质量的百分比，所述最优纤维掺量为0.55％～0.65％。

上述方法，其特征在于，步骤五中，

当进行法向力加载试验和水平位移控制直剪试验时，所述水平位移控制直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验和水平力分级加载直剪试验时，所述水平力分级加载直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验和恒定增速水平力直剪试验时，所述恒定增速水平力直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验、水平位移控制直剪试验和蠕变试验时，水平位移控制直剪试验在法向力加载试验完成后进行，蠕变试验在水平位移控制直剪试验完成后进行。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提供一种包括控制单元、压力加载单元、剪切盒组件和数据采集单元的大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，可对土样进行水平位移控制直剪试验、法向力分级加载直剪试验、水平力分级加载直剪试验、法向力恒定增速直剪试验和水平力恒定增速直剪试验等多种试验，获得大尺寸土样抗剪强度测试的综合评价结果，具有评价参数合理、准确度高、效率高的优点，可以满足多参数复杂试验方案的要求。

2、本发明的设备实现305mm(长)×305mm(宽)×200mm(高)大尺寸土样的试验，突破传统剪切盒尺寸的局限，避免因土样尺寸过小剪切带发展不完全导致的边界效应，满足不同纤维掺量范围土样的测试评价，有利于发挥纤维对土样的增强功能。同时，可根据不同试验需求采用不同尺寸剪切盒，满足不同试验需求。

3、本发明的设备包括第一法向位移计、第二法向位移计和第三法向位移计，可用于分别量土样前、中、后的竖向位移，避免普通直剪仪仅能采集土样中央处竖向位移的局限，更能精确反映土样受剪过程中的剪胀情形，辅助绘制土样直剪试验曲线，避免误判土样的强度参数。

4、本发明的设备包括与土样平行的承重顶盖，以及设置于承重顶盖中部的正对法向力加载轴杆的钢珠，可有效避免试验过程中出现应力偏心的缺陷。

5、本发明提供一种进行加筋土的大尺寸直接剪切试验的方法，首先利用内摩擦角确定实验确定最优纤维掺量，通过将最优纤维掺量土样进行法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和蠕变试验，将结果进行综合分析和对比，获得土样的抗剪强度和剪切特性，测试方法合理，可有效避免单一试验方法无法正确评价其他受剪情况下试样强度，可行性高，应用范围广。

6、本发明进行加筋土的大尺寸直接剪切试验的方法中包括制样和装样，利用螺栓螺母组件将上剪切盒和下剪切盒连接，装样并分层压实，可以避免传统制样过程容易造成强度各向异性的特性，减少试验误差。

7、本发明进行加筋土的大尺寸直接剪切试验的方法中包括纤维掺量确定试验，通过该试验确定纤维掺量的最优范围为0.55％～0.65％，可以对工程实践进行有效指导。

8、本发明设备和方法原理可靠，具有很高的推广应用价值。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为上盒体和下盒体的结构示意图。

图3为上盒体、下盒体、上外围件、下外围件和外挡件的连接关系示意图。

图4为采用本发明进行土样剪切实验过程状态示意图。

图5为控制单元示意图。

图6为控制单元与数据采集单元连接关系示意图。

图7为含水率14％的失效应力τ-预定法向应力σ关系直线。

图8为含水率18％的失效应力τ-预定法向应力σ关系直线。

图9为含水率22％的失效应力τ-预定法向应力σ关系直线。

图10为水平力分级加载直剪试验中试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线。

图11为恒定增速水平力直剪试验中试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线。

图12为蠕变试验时秸秆掺量为0％的试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线。

图13为蠕变试验时秸秆掺量为0.6％的试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线。

附图标记说明：

1-1—搭接板； 1-2—上盒体侧壁； 2-1—下盒体侧壁；

3—承重顶盖； 3-1—凹坑； 4-1—法向力加载轴杆；

4-2—水平力加载轴杆； 4-3-1—外挡件底板；

4-3-2—第一外挡件侧板； 4-3-3—第二外挡件侧板；

4-4—基座； 4-5—滑道； 4-6—支杆；

4-7—固定板； 4-8—法向荷载传感器； 4-9—水平荷载传感器；

4-10—钢珠； 4-11—基座侧板； 4-11-1—支撑安装杆；

5-1-1—下外围件侧壁； 5-2—上外围件侧壁； 5-3—位移平台；

5-4—水平支撑横臂； 7-1—水平位移计； 7-2—第一法向位移计；

7-3—第二法向位移计； 7-4—第三法向位移计； 8-1—微机控制系统；

8-2—水平力加载驱动装置； 8-3—法向力加载驱动装置；

8-4—水平力电机驱动装置； 8-5—法向力电机驱动装置；

8-6—水平力电机； 8-7—法向力电机。

具体实施方式

如图1～6所示，本实施例的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，包括控制单元、压力加载单元、剪切盒组件和数据采集单元；剪切盒组件可供试样制备和抗剪强度检测，数据采集单元包含采集位移信息的数据采集单元；

所述控制单元包括工业电脑A、法向力电机8-7和水平力电机8-6，所述工业电脑A上连接有微机控制系统8-1，所述微机控制系统8-1上连接有法向力加载驱动装置8-3和水平力加载驱动装置8-2，所述法向力加载驱动装置8-3上连接有用于驱动所述法向力电机8-7的法向力电机驱动装置8-5，所述水平力加载驱动装置8-2上连接有用于驱动所述水平力电机8-6的水平力电机驱动装置8-4；

所述压力加载单元包括基座4-4、设置在所述基座4-4上的滑道4-5、与法向力电机8-7相连的法向力加载轴杆4-1和与水平力电机8-6连接的水平力加载轴杆4-2，所述滑道4-5上设置有可沿滑道4-5滑动的外挡件；滑道4-5的延伸方向与水平力方向平行，在水平力作用下，外挡件可在滑道4-5上沿水平力施加方向滑动；所述滑道包括导轨和设置于导轨中的钢珠，可对承受水平力的土样运行轨迹进行导向和限制，减少摩擦，减少试验误差。

所述外挡件包括外挡件底板4-3-1和与外挡件底板4-3-1垂直连接的外挡件侧板，所述外挡件底板4-3-1滑动设置于滑道4-5上，所述外挡件侧板包括互相平行的第一外挡件侧板4-3-2和第二外挡件侧板4-3-3，所述第一外挡件侧板4-3-2和第二外挡件侧板4-3-3间隔设置于外挡件底板4-3-1上；所述第一外挡件侧板4-3-2与外挡件底板4-3-1固定连接，所述第二外挡件侧板4-3-3可拆卸设置于外挡件底板4-3-1上；

所述剪切盒组件设置于外挡件内。

本实施例中，所述基座4-4上垂直设置有支杆4-6，所述支杆4-6上设置有固定板4-7，所述法向力加载轴杆4-1安装于固定板4-7下部，所述法向力加载轴杆4-1上设置有法向荷载传感器4-8；所述法向荷载传感器4-8通过螺栓螺母组件固定于法向力加载轴杆4-1上；所述固定板4-7活动设置于支杆4-6上且可沿支杆4-6轴向移动；所述法向力加载轴杆4-1用于向土样施加竖向力，法向力加载轴杆4-1与支杆4-6平行；

所述剪切盒组件包括位移平台5-3和下外围件，所述位移平台5-3和所述下外围件设置于外挡件底板4-3-1上且位于第一外挡件侧板4-3-2和第二外挡件侧板4-3-3之间，所述位移平台5-3靠近第一外挡件侧板4-3-2且与第一外挡件侧板4-3-2紧贴，所述下外围件位于位移平台5-3和第二外挡件侧板4-3-3之间，所述下外围件上设置有上外围件，所述下外围件内设置有下盒体，所述下盒体上方设置有上盒体，所述上盒体位于上外围件内；

所述上外围件包括上外围件侧壁5-2，所述上外围件侧壁5-2围成上外围内腔；所述下外围件包括下外围件侧壁5-1-1，所述下外围件侧壁5-1-1垂直设置于外挡件底板4-3-1上，所述下外围件侧壁5-1-1合围形成下外围内腔，所述下外围件侧壁5-1-1一侧紧贴位移平台5-3，所述下外围件侧壁5-1-1另一侧紧贴第二外挡件侧板4-3-3；

所述下盒体置于外挡件底板4-3-1上且位于下外围件侧壁5-1-1合围形成的下外围内腔中；

所述下盒体包括放置于所述下外围内腔中的下盒体侧壁2-1，所述下盒体侧壁2-1紧贴于下外围件侧壁5-1-1内侧，所述下盒体侧壁2-1围成下盒体内腔；所述上盒体包括位于所述上外围内腔中的上盒体侧壁1-2，所述上盒体侧壁1-2紧贴于上外围件侧壁5-2内侧，所述上盒体侧壁1-2围成上盒体内腔；所述上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，所述土样上部放置有承重顶盖3，所述承重顶盖3正对所述法向力加载轴杆4-1；所述上盒体侧壁1-2上部固定设置有两个间隔且相对的搭接板1-1，两个所述搭接板1-1的边缘均超过上盒体侧壁1-2边缘，两个所述搭接板1-1超过上盒体侧壁1-2边缘的部分搭设于上外围件侧壁5-2上；

所述上盒体与下盒体之间的距离为1mm～2mm；

所述水平力加载轴杆4-2设置于第一外挡件侧板4-3-2外侧且与第一外挡件侧板4-3-2固定连接，所述水平力加载轴杆4-2上设置有水平荷载传感器4-9，所述水平荷载传感器4-9通过螺栓螺母组件固定于水平力加载轴杆4-2上；

所述数据采集单元包括水平位移计7-1、第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4，所述第一法向位移计7-2的测杆和第二法向位移计7-3的测杆分别插入所述土样中且位于承重顶盖3的两侧；所述第三法向位移计7-4的测杆连接于固定板4-7上；所述水平位移计7-1的测杆连接于第一外挡件侧板4-3-2上。水平力加载轴杆4-2用于向第一外挡件侧板4-3-2施加水平方向的力，第一外挡件侧板4-3-2上设置有用于固定连接水平力加载轴杆4-2的固定件，一种可行的方式为，所述固定件包括一与第一外挡件侧板4-3-2垂直连接的管件，所述管件的侧面开设有一带螺纹通孔，所述通孔内设置紧固螺栓，将水平力加载轴杆4-2一端穿入管件中，通过螺栓紧固进行固定；

本发明可适用尺寸为305mm(长)×305mm(宽)×100mm(高)大尺寸加筋土试样的剪切实验，上盒体内腔和下盒体内腔连通形成高于国家土工试验标准尺寸的大尺寸土样腔室，本发明的大尺寸加筋土抗剪强度测试设备可避免传统直接剪切设备试样尺寸过小、应力容易集中在剪切盒边界等技术难题。

本实施例中，所述基座4-4上设置有基座侧板4-11和支撑安装杆4-11-1，所述基座侧板4-11和支撑安装杆4-11-1分别位于基座4-4的两端，所述基座侧板4-11设置于第一外挡件侧板4-3-2外侧，所述支撑安装杆4-11-1设置于第二外挡件侧板4-3-3的外侧，所述水平力加载轴杆4-2安装于基座侧板4-11上；

所述水平位移计7-1安装于基座4-4上；

所述上外围件侧壁5-2与支撑安装杆4-11-1之间设置有用于固定连接上外围件侧壁5-2与支撑安装杆4-11-1的水平支撑横臂5-4，所述水平支撑横臂5-4位于第二外挡件侧板4-3-3上方；所述水平力加载轴杆4-2与支杆4-6垂直；水平力加载轴杆4-2安装于基座侧板4-11上，在内置水平力电机8-6的作用下，水平力加载轴杆4-2拉长或收缩，施加水平力。

基座4-4上固定有用于固定安装水平位移计7-1的水平位移计支架，当水平力加载轴杆4-2施加水平力时，第一外挡件侧板4-3-2位移带动外挡件、外挡件位移带动水平位移计测杆，水平位移计测杆带动位移计拉杆产生位移变形。

水平支撑横臂5-4、上外围件侧壁5-2与支撑安装杆4-11-1分别通过螺栓螺母固定连接，用于在加筋土剪切过程中限制上外围件使不发生水平方向的移动。

所述第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4均安装于支杆4-6上。支杆4-6上设置有分别用于安装第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4的支架；第三法向位移计7-4的测杆搭接于固定板4-7上，当法向力加载轴杆施加竖向力时，法向力加载轴杆带动固定板4-7一起发生竖向移动，通过量测固定板4-7的竖直位移间接得到土样中心点的竖直位移。

本实施例中，所述上盒体的形状为矩形，所述下盒体的形状为矩形。

本实施例中，所述上外围件放置于下外围件上且上外围件和下外围件之间设置有凡士林层。

本实施例中，所述承重顶盖3的中心正对法向力加载轴杆4-1，所述承重顶盖3上表面中心且正对法向力加载轴杆4-1处设置有钢珠4-10，所述承重顶盖3上表面中心处设置有用于容纳钢珠4-10的凹坑3-1。

本实施例中，所述上外围件为钢制上外围件，所述下外围件为钢制下外围件。

所述下外围件侧壁5-1-1上平面与位移平台5-3上表面之间具有1mm～2mm高度差，为方便试验过程中位移平台5-3平移到上盒体下。所述第一外挡件侧板4-3-2上平面和第二外挡件侧板4-3-3的上平面与下外围件侧壁5-1-1上平面平齐。土样剪切过程中施加水平拉力，在水平拉力的作用下，上层土样相对下层土样移动，移动到位移平台上，增加上层土样移动稳定性。

本实施例中，还包括与水平位移计7-1、第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4均连接的工业电脑B。

本发明控制和过程原理为：将剪切位移、剪切速率、数据采集时间间隔、剪应力、剪应力增速和法向力等工作运行指令通过工业电脑A或者控制面板发送给微机控制系统8-1(所述微机控制系统8-1为本领域常用剪切控制系统，购自Geocomp公司，型号为SHEARTRAC-Ⅲ。)，微机控制系统8-1向法向力加载驱动装置8-3或水平力加载驱动装置8-2发送加载命令，法向力电机驱动装置8-5驱动内置法向力电机8-7或水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，法向力电机8-7带动法向力加载轴杆4-1，水平力电机8-6带动水平力加载轴杆4-2向土样施加法向力或水平力；

在不同工作指令作用下，本发明的设备可以完成法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和/或蠕变试验，以上试验过程及所应用系统如下：

法向力加载试验系统：微机控制系统8-1向法向力加载驱动装置8-3发送目标法向力加载命令，法向力电机驱动装置8-5驱动内置法向力电机8-7进行工作，内置法向力电机8-7驱动法向力加载轴杆4-1向下运动，法向力加载轴杆4-1向土样施加法向应力，法向荷载传感器4-8实时测量法向载荷并将法向载荷信号反馈给微机控制系统8-1，微机控制系统8-1将实时法向载荷和目标法向力进行对比分析，实时法向载荷与目标法向力相等并保持，持续施加该与目标法向力相等的法向应力于土样；法向力加载轴杆4-1向下运动的同时带动固定板4-7向下运动，同时土样发生竖向变形，第一法向位移计7-2和第二法向位移计7-3测量土样的法向变形量，第三法向位移计7-4测量固定板4-7的竖向移动量，第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4分别通过内置传感器将法向变形量信号和竖向移动量信号反馈给数据采集单元，数据采集单元将采集到的法向变形量信号和竖向移动量信号发送给工业电脑B；

水平位移控制直剪试验系统：微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送目标水平位移加载命令，水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，内置水平力电机8-6带动水平力加载轴杆4-2推动或拉动第一外挡件侧板4-3-2，第一外挡件侧板4-3-2带动土样水平移动，同时水平位移计7-1以预定数据采集时间间隔测量第一外挡件侧板4-3-2的水平位移并通过内置传感器将采集到的水平位移信号反馈给微机控制系统8-1，换算得到测时剪切速率，微机控制系统8-1将测时剪切速率与预定剪切速率进行分析比较，使测时剪切速率向预定剪切速率靠近最终稳定于预定剪切速率，微机控制系统8-1将采集的水平位移和目标水平位移进行对比分析，当采集的水平位移与目标水平位移相等时，水平力加载轴杆4-2停止运动；第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3和第三法向位移计7-4分别测量土样的竖向位移量并分别通过内置传感器将竖向位移量信号反馈给数据采集单元，数据采集单元将采集到的竖向位移量信号和水平位移计7-1采集的水平位移信号发送给工业电脑B；本步骤中可以设置多阶段剪切速率，比如设置第一阶段剪切速率为1mm/min，第二阶段剪切速率为2mm/min；

水平力分级加载直剪试验系统：微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送第一级目标水平力加载命令，水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，内置水平力电机8-6驱动水平力加载轴杆4-2推动或拉动第一外挡件侧板4-3-2，水平荷载传感器4-9实时测量水平载荷并将水平载荷信号反馈给微机控制系统8-1，微机控制系统8-1将实时水平载荷和目标水平力进行对比分析，使实时水平载荷与第一级目标水平力相等并稳定于第一级目标水平力，水平位移计7-1按照预定数据采集时间间隔测量水平位移量并通过内置传感器将位移量信号反馈给微机控制系统8-1，换算得到测时位移变化量，微机控制系统8-1将测时位移变化量与预定位移变化量(作为一种可行的预定位移变化量，可以为0.01mm/24h)进行分析比较，当测时位移变化量小于预定位移变化量时微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送第二级目标水平力加载命令，按照上述第一级目标水平力加载过程进行下一级目标水平力加载，同时第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3、第三法向位移计7-4和水平位移计7-1按照预定数据采集时间间隔测量对应位移量并分别通过内置传感器将对应位移量信号反馈给数据采集单元，数据采集单元将采集到的对应位移量信号发送给工业电脑B，同时水平位移计7-1将采集到水平位移量信号反馈给微机控制系统8-1，换算得到位移增量，微机控制系统8-1将位移增量与预定最大位移增量进行分析对比，位移增量高于预定最大位移增量时，试验停止；本设备也可以进行法向水平力分级加载直剪试验，法向水平力分级加载直剪试验系统的原理与上述水平力分级加载直剪试验系统相同；

恒定增速水平力直剪试验系统：微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送目标水平力加载命令，水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，内置水平力电机8-6驱动水平力加载轴杆4-2推动或拉动第一外挡件侧板4-3-2，水平荷载传感器4-9实时测量水平载荷并将水平载荷信号反馈给微机控制系统8-1，微机控制系统8-1换算成剪应力增速，并与目标剪应力增速进行对比分析，使实时水平载荷按照目标剪应力增速进行，同时第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3、第三法向位移计7-4和水平位移计7-1按照预定数据采集时间间隔测量对应位移量并分别通过内置传感器将对应位移量信号反馈给数据采集单元，数据采集单元将采集到的对应位移量信号发送给工业电脑B，同时水平位移计7-1将采集到水平位移量信号反馈给微机控制系统8-1，经过换算得到位移增量，微机控制系统8-1将位移增量与预定最大位移增量进行分析对比，位移增量高于预定最大位移增量时，试验停止；本设备也可以进行法向恒定增速法向力直剪试验，法向恒定增速法向力直剪试验系统的原理与上述恒定增速水平力直剪试验系统相同；

蠕变试验系统：微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送目标水平位移加载命令，水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，内置水平力电机8-6带动水平力加载轴杆4-2推动或拉动第一外挡件侧板4-3-2，第一外挡件侧板4-3-2带动土样水平移动，同时水平位移计7-1以设定数据采集时间间隔测量第一外挡件侧板4-3-2的水平位移并通过内置传感器将采集到的水平位移信号反馈给微机控制系统8-1，换算得到测时剪切速率，微机控制系统8-1将测时剪切速率与预定剪切速率进行分析比较，使测时剪切速率向预定剪切速率靠近最终稳定于预定剪切速率，微机控制系统8-1将采集的水平位移和目标水平位移进行对比分析，当采集的水平位移与目标水平位移相等时，微机控制系统8-1向水平力加载驱动装置8-2发送目标水平应力加载命令，水平力电机驱动装置8-4驱动内置水平力电机8-6进行工作，内置水平力电机8-6带动水平力加载轴杆4-2推动或拉动第一外挡件侧板4-3-2，第一外挡件侧板4-3-2带动土样水平移动，同时水平位移计7-1以设定数据采集时间间隔测量第一外挡件侧板4-3-2的水平位移并通过内置传感器将采集到的水平位移信号反馈给微机控制系统8-1，换算得到测时蠕变剪应力，微机控制系统8-1将测时蠕变剪应力与预定蠕变剪应力进行分析比较，使测时蠕变剪应力向预定蠕变剪应力靠近并最终稳定于预定蠕变剪应力，微机控制系统8-1将采集的水平位移与蠕变预设剪切位移进行比较，当采集的水平位移大于蠕变预设剪切位移或者采集的水平位移不再发生变化，试验停止；同时第一法向位移计7-2、第二法向位移计7-3、第三法向位移计7-4和水平位移计7-1按照预定数据采集时间间隔测量对应位移量并分别通过内置传感器将对应位移量信号反馈给数据采集单元，数据采集单元将采集到的对应位移量信号发送给工业电脑B。

依据本实施例中所记载的上述试验系统相关流程及原理，选择性进行水平位移控制直剪试验、法向力分级加载直剪试验、水平力分级加载直剪试验、法向力恒定增速直剪试验和/或水平力恒定增速直剪试验，均未超出本发明范围。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1的设备进行加筋土的大尺寸直接剪切试验的方法，包括以下步骤：

步骤一、制样，具体包括：将黄土与纤维按照预设配比混合，拌匀，平均分成三份，得到土样；

步骤二、装样，具体包括：根据测试需要选择合适尺寸的上盒体和下盒体，根据预留的上盒体与下盒体之间1mm～2mm距离选择合适高度的上外围件和下外围件，将下盒体置于下外围内腔中，将上盒体置于上外围内腔且将搭接板1-1搭设于上外围件侧壁5-2上，用螺栓螺母将上盒体与下盒体连接固定，上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，向连通的上盒体内腔和下盒体内腔中装填步骤一所述土样，经压实，刮毛，至装填的土样达到预设高度，完成装样；作为一种可行的实施方法，所述预设高度为接近上盒体侧壁1-2上边缘；

步骤三、预备，具体包括：将承装有土样的剪切盒组件移入外挡件中，松开上盒体与下盒体连接固定的螺栓螺母组件，将水平支撑横臂5-4与上外围件侧壁5-2和支撑安装杆4-11-1固定，将承重顶盖3置于土样上，将钢珠4-10置于凹坑3-1中，将法向力加载轴杆4-1正对承重顶盖3的中心，将水平力加载轴杆4-2与第一外挡件侧板4-3-2固定连接；

步骤四、最优纤维掺量确定试验：具体包括：取不同含水率和不同纤维掺量土样，分别进行法向力-水平位移控制直剪试验，同一含水率下，最大内摩擦角对应纤维掺量为适宜纤维掺量，不同含水率对应适宜纤维掺量的重叠范围为最优纤维掺量；所述纤维为秸秆；

其中，所述法向力-水平位移控制直剪试验包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3以预定法向应力向土样施加法向力，水平力加载驱动装置8-2以预定剪切速率向土样施加水平力，记录水平位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；根据记录得到的水平位移数据计算得到水平力-相对水平位移曲线，根据水平力-相对水平位移曲线确定失效应力τ，即达到极限应力时的水平力，将失效应力τ和预定法向应力σ利用摩尔库伦公式进行拟合(见图7～图9)，得到失效应力τ-预定法向应力σ关系直线，其中横坐标为预定法向应力σ，纵坐标为失效应力τ，拟合直线中的斜率为内摩擦角；表1中给出了三种含水率下，不同纤维掺量的土样抗剪强度参数，相同含水率下，内摩擦角φ随秸秆掺量变化，内摩擦角φ最大值对应为适宜掺量；由表1可见，将不同含水率适宜掺量进行比较，最优掺量为0.55％～0.65％；其中，τ为失效应力，单位为kPa，σ为预定法向应力，单位为kPa，c为土的粘聚力，单位为kPa，/>为土的内摩擦角，单位为°；

步骤五、以步骤四所述最优纤维掺量为基准，将纤维与黄土按照步骤一～步骤三进行操作，向工业电脑A中输入剪切位移、剪切速率、数据采集时间间隔、剪应力、剪应力增速和法向力等参数，然后以最优纤维掺量对应土样和其余土样为试样进行试验，所述试验包括法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和/或蠕变试验；

当进行法向力加载试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3向土样施加目标法向力，记录第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样法向变形量达到试验要求时，停止试验，所述试验要求包括土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm；

当进行水平位移控制直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3向土样施加目标法向力，当土样法向位移变形量达到试验要求时完成法向力加载试验，所述试验要求为土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm，法向力加载驱动装置8-3持续向土样施加所述目标法向力，同时水平力加载驱动装置8-2以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；

当进行水平力分级加载直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3向土样施加目标法向力，当土样法向位移变形量达到试验要求时完成法向力加载试验，所述试验要求为土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm，法向力加载驱动装置8-3持续向土样施加所述目标法向力，同时水平力加载驱动装置8-2向土样分级施加水平力，记录分级施加水平力过程中土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据；所述分级施加水平力具体包括：水平力加载驱动装置8-2向土样施加第一级水平力至土样在该级水平力作用下水平无位移时进行下一级水平力的施加，当土样水平变形量(即短时间内剪位移瞬时增大)达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；本实施例中，所述水平力分级加载直剪试验过程包括：向土样施加100kPa法向力，当土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm时完成法向力加载试验，持续向土样施加100kPa法向力并保持，同时向土样施加8.3kPa水平力并保持至土样在该级水平力作用下水平无位移，以级间水平力增量为8.3kPa向土样施加下一级水平力，按以上过程持续施加各级水平力，至土样遭到破坏，停止施加法向力和水平力。水平力分级加载直剪试验中，试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线如图10所示，图中LSSA18-0.6-100表示含水率18％，秸秆掺量0.6％，法向力100kPa。

当进行恒定增速水平力直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3向土样施加目标法向力，当土样法向位移变形量达到试验要求时完成法向力加载试验，所述试验要求为土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm，法向力加载驱动装置8-3持续向土样施加所述目标法向力，同时水平力加载驱动装置8-2向土样施加恒定增速水平力，记录施加恒定增速水平力土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量(即短时间内剪位移瞬时增大)达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；本实施例中，所述恒定增速水平力直剪试验过程包括：向土样施加100kPa法向力，当土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm时完成法向力加载试验，持续向土样施加100kPa法向力并保持，同时向以0.8kPa/min的增速向土样施加恒定增速水平力，至土样达到目标水平位移，停止施加水平力和法向力。恒定增速水平力直剪试验中，试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线如图11所示。

当进行蠕变试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置8-3向土样施加目标法向力，当土样法向位移变形量达到试验要求时完成法向力加载试验，所述试验要求为土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm，法向力加载驱动装置8-3持续向土样施加所述目标法向力，同时水平力加载驱动装置8-2以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，水平力加载驱动装置8-2以预定蠕变剪应力推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量(即短时间内剪位移瞬时增大)达到试验要求或土样遭到破坏时，停止施加法向力和水平力。本实施例中，所述蠕变试验过程包括：向土样施加100kPa法向力，当土样法向位移变形量在24小时内小于0.01mm时完成法向力加载试验，持续向土样施加100kPa法向力并保持，同时以0.8mm/min的剪切速率向土样施加水平力，至土样进入到残余状态，记录残余应力，并向土样施加蠕变剪应力，至达到试验要求，停止施加水平力和法向力；蠕变试验时试样水平剪位移-时间曲线和剪切速率-时间曲线如图12和13所示，其中LC18-0-100-0.95τ表示含水率18％，秸秆掺量0％，法向力100kPa，蠕变剪应力与残余应力的应力比为0.95。

本发明的方法包括由纤维掺量确定实验得到最优纤维掺量，以最优纤维掺量土样与其余土样经法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和/或蠕变试验，得到土样剪切行为，分析评价土样抗剪强度与剪切特性，方法全面合理，避免单一试验方法中偶然误差，可行性更高。

表1纤维掺量确定试验结果

注：1、LDS14-0.3表示土样含水率ω＝14％，纤维掺量s＝0.3％；其他类同；

2、τ₁₀₀表示法向应力σ_n＝100kPa时失效剪应力大小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，包括控制单元、压力加载单元、剪切盒组件和数据采集单元；

所述控制单元包括工业电脑A、法向力电机(8-7)和水平力电机(8-6)，所述工业电脑A上连接有微机控制系统(8-1)，所述微机控制系统(8-1)上连接有法向力加载驱动装置(8-3)和水平力加载驱动装置(8-2)，所述法向力加载驱动装置(8-3)上连接有用于驱动所述法向力电机(8-7)的法向力电机驱动装置(8-5)，所述水平力加载驱动装置(8-2)上连接有用于驱动所述水平力电机(8-6)的水平力电机驱动装置(8-4)；

所述压力加载单元包括基座(4-4)、设置在所述基座(4-4)上的滑道(4-5)、与法向力电机(8-7)相连的法向力加载轴杆(4-1)和与水平力电机(8-6)连接的水平力加载轴杆(4-2)，所述滑道(4-5)上设置有可沿滑道(4-5)滑动的外挡件；

所述外挡件包括外挡件底板(4-3-1)和与外挡件底板(4-3-1)垂直连接的外挡件侧板，所述外挡件底板(4-3-1)滑动设置于滑道(4-5)上，所述外挡件侧板包括互相平行的第一外挡件侧板(4-3-2)和第二外挡件侧板(4-3-3)，所述第一外挡件侧板(4-3-2)和第二外挡件侧板(4-3-3)间隔设置于外挡件底板(4-3-1)上；所述第一外挡件侧板(4-3-2)与外挡件底板(4-3-1)固定连接，所述第二外挡件侧板(4-3-3)可拆卸设置于外挡件底板(4-3-1)上；

所述剪切盒组件设置于外挡件内；所述剪切盒组件包括位移平台(5-3)和下外围件，所述位移平台(5-3)和所述下外围件设置于外挡件底板(4-3-1)上且位于第一外挡件侧板(4-3-2)和第二外挡件侧板(4-3-3)之间，所述位移平台(5-3)靠近第一外挡件侧板(4-3-2)且与第一外挡件侧板(4-3-2)紧贴，所述下外围件位于位移平台(5-3)和第二外挡件侧板(4-3-3)之间，所述下外围件上设置有上外围件，所述下外围件内设置有下盒体，所述下盒体上方设置有上盒体，所述上盒体位于上外围件内；

所述上外围件包括上外围件侧壁(5-2)，所述上外围件侧壁(5-2)围成上外围内腔；所述下外围件包括下外围件侧壁(5-1-1)，所述下外围件侧壁(5-1-1)垂直设置于外挡件底板(4-3-1)上，所述下外围件侧壁(5-1-1)合围形成下外围内腔，所述下外围件侧壁(5-1-1)一侧紧贴位移平台(5-3)，所述下外围件侧壁(5-1-1)另一侧紧贴第二外挡件侧板(4-3-3)；

所述下盒体置于外挡件底板(4-3-1)上且位于下外围件侧壁(5-1-1)合围形成的下外围内腔中；

所述下盒体包括放置于所述下外围内腔中的下盒体侧壁(2-1)，所述下盒体侧壁(2-1)紧贴于下外围件侧壁(5-1-1)内侧，所述下盒体侧壁(2-1)围成下盒体内腔；所述上盒体包括位于所述上外围内腔中的上盒体侧壁(1-2)，所述上盒体侧壁(1-2)紧贴于上外围件侧壁(5-2)内侧，所述上盒体侧壁(1-2)围成上盒体内腔；所述上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，所述土样上部放置有承重顶盖(3)，所述承重顶盖(3)正对所述法向力加载轴杆(4-1)；所述上盒体侧壁(1-2)上部固定设置有两个间隔且相对的搭接板(1-1)，两个所述搭接板(1-1)的边缘均超过上盒体侧壁(1-2)边缘，两个所述搭接板(1-1)超过上盒体侧壁(1-2)边缘的部分搭设于上外围件侧壁(5-2)上；

所述上盒体与下盒体之间的距离为1mm～2mm。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，

所述基座(4-4)上垂直设置有支杆(4-6)，所述支杆(4-6)上设置有固定板(4-7)，所述法向力加载轴杆(4-1)安装于固定板(4-7)下部，所述法向力加载轴杆(4-1)上设置有法向荷载传感器(4-8)；所述法向荷载传感器(4-8)固定于法向力加载轴杆(4-1)上；

所述水平力加载轴杆(4-2)设置于第一外挡件侧板(4-3-2)外侧且与第一外挡件侧板(4-3-2)固定连接，所述水平力加载轴杆(4-2)上设置有水平荷载传感器(4-9)，所述水平荷载传感器(4-9)固定于水平力加载轴杆(4-2)上；

所述数据采集单元包括水平位移计(7-1)、第一法向位移计(7-2)、第二法向位移计(7-3)和第三法向位移计(7-4)，所述第一法向位移计(7-2)的测杆和第二法向位移计(7-3)的测杆分别插入所述土样中且位于承重顶盖(3)的两侧；所述第三法向位移计(7-4)的测杆连接于固定板(4-7)上；所述水平位移计(7-1)的测杆连接于第一外挡件侧板(4-3-2)上。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述基座(4-4)上设置有基座侧板(4-11)和支撑安装杆(4-11-1)，所述基座侧板(4-11)和支撑安装杆(4-11-1)分别位于基座(4-4)的两端，所述基座侧板(4-11)设置于第一外挡件侧板(4-3-2)外侧，所述支撑安装杆(4-11-1)设置于第二外挡件侧板(4-3-3)的外侧，所述水平力加载轴杆(4-2)安装于基座侧板(4-11)上；

所述水平位移计(7-1)安装于基座(4-4)上；

所述上外围件侧壁(5-2)与支撑安装杆(4-11-1)之间设置有用于固定连接上外围件侧壁(5-2)与支撑安装杆(4-11-1)的水平支撑横臂(5-4)，所述水平支撑横臂(5-4)位于第二外挡件侧板(4-3-3)上方；

所述第一法向位移计(7-2)、第二法向位移计(7-3)和第三法向位移计(7-4)均安装于支杆(4-6)上。

4.根据权利要求2所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上盒体的形状为矩形，所述下盒体的形状为矩形。

5.根据权利要求2所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上外围件放置于下外围件上且上外围件和下外围件之间设置有凡士林层。

6.根据权利要求2所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述承重顶盖(3)的中心正对法向力加载轴杆(4-1)，所述承重顶盖(3)上表面中心且正对法向力加载轴杆(4-1)处设置有钢珠(4-10)，所述承重顶盖(3)上表面中心处设置有用于容纳钢珠(4-10)的凹坑(3-1)。

7.根据权利要求2所述的一种大尺寸加筋土抗剪强度测试设备，其特征在于，所述上外围件为钢制上外围件，所述下外围件为钢制下外围件。

8.一种采用如权利要求2所述的大尺寸加筋土抗剪强度测试设备进行抗剪强度测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制样，具体包括：将黄土与纤维按照预设配比混合，拌匀，得到土样；

步骤二、装样，具体包括：用螺栓螺母将上盒体与下盒体连接固定，上盒体内腔和下盒体内腔连通形成用于容置土样的土样腔室，向连通的上盒体内腔和下盒体内腔中装填步骤一所述土样至预设高度，完成装样；

步骤三、预备，具体包括：将承装有土样的剪切盒组件移入外挡件中，松开上盒体与下盒体连接固定的螺栓螺母组件，将承重顶盖(3)置于土样上，将法向力加载轴杆(4-1)正对承重顶盖(3)的中心，将水平力加载轴杆(4-2)与第一外挡件侧板(4-3-2)固定连接；

步骤四、确定最优纤维掺量，具体包括：取不同含水率和不同纤维掺量土样分别进行法向力-水平位移控制直剪试验，同一含水率下，最大内摩擦角对应纤维掺量为适宜纤维掺量，不同含水率适宜纤维掺量的重叠范围为最优纤维掺量；

所述法向力-水平位移控制直剪试验包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置(8-3)以预定法向应力σ向土样施加法向力，水平力加载驱动装置(8-2)以预定剪切速率向土样施加水平力，水平位移计(7-1)采集水平位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；根据水平位移数据计算得到水平力-相对水平位移曲线，根据水平力-相对水平位移曲线确定失效应力τ，将失效应力τ和预定法向应力σ利用摩尔库伦公式τ＝σtanφ+c进行拟合，得到失效应力τ-预定法向应力σ关系直线，失效应力τ-预定法向应力σ关系直线的斜率即为内摩擦角φ；

步骤五、以步骤四所述最优纤维掺量与黄土按照步骤一～步骤三进行操作，向工业电脑A中输入剪切位移、剪切速率、数据采集时间间隔、剪应力、剪应力增速和法向力，进行试验，所述试验包括法向力加载试验、水平位移控制直剪试验、水平力分级加载直剪试验、恒定增速水平力直剪试验和/或蠕变试验；

当进行法向力加载试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，法向力加载驱动装置(8-3)向土样施加目标法向力，记录第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据；当土样法向变形量达到试验要求时，停止试验；

当进行水平位移控制直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置(8-2)以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，停止试验；

当进行水平力分级加载直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置(8-2)向土样分级施加水平力，记录分级施加水平力过程中土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据；所述分级施加水平力具体包括：水平力加载驱动装置(8-2)向土样施加第一级水平力至土样在该级水平力作用下水平无位移时进行下一级水平力的施加，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；

当进行恒定增速水平力直剪试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置(8-2)向土样施加恒定增速水平力，记录施加恒定增速水平力土样的水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验；

当进行蠕变试验时，具体包括：工业电脑A发送命令，水平力加载驱动装置(8-2)以预定剪切速率推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样移动至目标水平位移时，水平力加载驱动装置(8-2)以预定蠕变剪应力推动或拉动土样，记录水平位移数据、第一法向位移数据、第二法向位移数据和第三法向位移数据，当土样水平变形量达到试验要求或土样遭到破坏时，停止试验。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，步骤四中纤维掺量为纤维质量占纤维和土样总质量的百分比，所述最优纤维掺量为0.55％～0.65％。

10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，步骤五中，

当进行法向力加载试验和水平位移控制直剪试验时，所述水平位移控制直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验和水平力分级加载直剪试验时，所述水平力分级加载直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验和恒定增速水平力直剪试验时，所述恒定增速水平力直剪试验在法向力加载试验完成后进行；

当进行法向力加载试验、水平位移控制直剪试验和蠕变试验时，水平位移控制直剪试验在法向力加载试验完成后进行，蠕变试验在水平位移控制直剪试验完成后进行。