CN112683692A - 一种多功能大尺寸剪切试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能大尺寸剪切试验装置及其试验方法。该装置包括剪切盒机构、加载机构和数据采集机构；所述剪切盒机构包括外盒、承载座、支撑座、内盒、加载板和插板；所述加载机构包括内盒定位板、反力架、第一伺服电机、第二伺服电机和滚珠轴排；所述数据采集机构包括电脑、水平压力传感器、竖直压力传感器、水平位移计、竖直位移计、土压力计和孔隙水压力计。本发明可进行不同竖直应力加载条件下考虑岩块粗糙度、土体级配、含石量、含水率等岩土体的剪切强度特征，可研究干湿循环下岩土体剪切强度的劣化规律以及岩土体的剪切蠕变特性等，能适用于土木工程或地质工程中遇到的不同岩土材料在不同因素下的大尺度室内剪切试验。

Description

一种多功能大尺寸剪切试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程及地质工程测试领域，具体是一种多功能大尺寸剪切试验装置及其试验方法。

背景技术

滑坡是一种常见且严重的地质灾害现象，给人民生命财产带来了重大威胁和损失。切实有效的边坡稳定性分析可为防止滑坡产生重大灾害提供强有力的理论支撑，而边坡稳定性分析涉及岩土体强度参数的正确获取。一般而言，原位试验是正确获取各类岩土体的强度参数的不二选择。但实际上，由于受到人力、物力以及财力的限制，大量广泛的开展各类原位试验显得不切实际，因此小尺寸的室内剪切试验(如直接剪切试验、三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验等)应运而生。虽然这类试验在一定程度上克服了原位试验的试验周期长以及试验耗材多等缺陷，但是由于尺寸效应的影响，使得小尺寸的室内剪切试验结果的正确性无法得到保证。因此，设计一种正确且可行性高的剪切试验仪器，高效获取岩土体的剪切强度参数，为边坡稳定性分析提供可靠的数据，显得尤为重要。

目前的方向是设计多种大尺寸室内剪切试验仪器。如申请号为201410194096.X《一种测试土工合成材料界面抗剪强度特性的多功能斜板仪》，虽然该装置能进行土工合成材料的短期和长期抗剪强度试验，但是该装置无法进行干湿循环下的剪切力学试验。事实上，自然界的岩土体种类繁多，如土、碎石土、碎石和岩体等，此外这类地质材料还不断遭受到降雨或者降雨和库水的双重影响，特别是库区边坡。因此设计一种既能适用于众多岩土材料又能满足干湿循环条件的剪切试验装置势在必行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多功能大尺寸剪切试验装置及其试验方法。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，该装置包括剪切盒机构、加载机构和数据采集机构；

所述剪切盒机构包括外盒、承载座、支撑座、内盒、加载板和插板；所述加载机构包括内盒定位板、反力架、第一伺服电机、第二伺服电机和滚珠轴排；所述数据采集机构包括电脑、水平压力传感器、竖直压力传感器、水平位移计、竖直位移计、土压力计和孔隙水压力计；

所述内盒为无底无顶的盒体，其四壁均开有通孔，两个正对的侧壁外侧均设有贴合钢板，且贴合钢板的底面与内盒的底端的距离为s；外盒内部由下至上依次放置有承载座、支撑座、内盒和加载板；试样放置于内盒内部，加载板放置于试样顶部，不与内盒接触；

所述支撑座由水平钢板和竖向钢板组成；水平钢板的两侧各自设置有两个竖向钢板；同一侧的两个竖向钢板的相对一侧沿厚度方向均设有竖直凹槽；插板能够插入竖直凹槽中，从而将同一侧的竖向钢板连接成一个整体；每个竖向钢板的顶部内侧均挖去一块高度为h的矩形块，形成台阶状结构；台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板的底面接触；台阶状结构的内侧顶部与内盒的底部不接触，两者之间的间距为d；

外盒通过滚珠轴排放置于反力架底部的上表面；内盒定位板的一侧与内盒可拆卸连接，另一侧固定于反力架上；所述第一伺服电机竖直安装于反力架顶部的下表面，其压头能够与加载板接触，通过第一伺服电机施加竖直压应力于加载板上；第一伺服电机的压头上设置有竖直压力传感器和竖直位移计，竖直压力传感器和竖直位移计分别用于测量竖直应力和竖直位移；所述第二伺服电机水平安装于反力架一侧部的内表面，其压头能够与外盒接触，通过第二伺服电机施加水平剪切应力于外盒外侧；第二伺服电机的压头上设置有水平压力传感器和水平位移计；水平压力传感器和水平位移计分别用于测量水平应力和水平位移；

试验前，在剪切面附近埋设土压力计和孔隙水压力计，用于记录剪切试验过程中的土压力值和孔隙水压力值；电脑分别与水平压力传感器、竖直压力传感器、水平位移计、竖直位移计、土压力计和孔隙水压力计连接。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于所述多功能大尺寸剪切试验装置的试验方法，其特征在于，该方法具体如下：

工况一、土-石界面的抗剪强度试验，包括以下步骤：

1)将外盒水平放置，再将承载座放置于外盒的内部；

2)将加工好的具有相应粗糙度的岩体试样放置于支撑座上，其中岩体试样的两侧通过竖向钢板卡住，底部紧贴水平钢板，岩体试样长度与水平钢板的长度相同，高度与台阶状结构的内侧高度相同；

3)将内盒置于支撑座上，台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板的底面接触；

4)根据试验设计，按照级配、含石量和含水率的要求计算并称取相应质量的土、碎石和水，随后将三者均匀混合得到土石混合体；将土石混合体装入内盒相应高度后把孔隙水压力计与土压力计放入此高度处，随后采用分层压实的方法将土石混合体装入内盒并压制成具有相应密实度的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；

5)起吊水平钢板，从而将支撑座、内盒、试件和加载板整体放入外盒内部且位于承载座的上方，保证外盒、承载座、支撑座、内盒和加载板的中心位于中心轴线上；

6)起吊外盒，从而将外盒放至滚珠轴排上且位于反力架内部；

7)将内盒定位板的一侧固定在反力架上，另一侧于内盒固定；

8)启动数据采集机构，并将所有位移和应力数据清零；开启第一伺服电机，使其压头接触加载板的顶端，按要求施加竖直应力σ，待竖直位移计测得的竖直位移值保持不变时记下此竖直应力σ₁和竖直位移值并保持此时的竖直应力σ₁不变；

9)启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用位移控制方式施加水平应力τ，同时采用水平位移计测得水平位移值；当水平位移值保持不变时停止试验，得到此时的剪切应力τ₁，进而得到一组应力值(σ₁,τ₁)；

10)第一伺服电机卸载竖直应力σ₁，第二伺服电机卸载剪切应力τ₁，卸载全部试样；

11)重复步骤1)～9)，得到另一组应力值(σ₂,τ₂)；再将上述两组应力值代入式

中即可计算出土-石界面的抗剪强度参数；式中，

为内摩擦角，c为内聚力；

工况二、干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律；

工况三、干湿循环下土-石界面剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可得到干湿循环下土-石界面剪切蠕变特性；

工况四、在工况一的基础上，改变岩体的粗糙度或者改变内盒中土石混合体的含水率、含石量或土体级配，重复步骤1)～9)即可研究不同粗糙度下土-石界面的剪切力学特性与含水率、含石量和土体级配的关系；

工况五、相应岩土体的抗剪强度试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；再重复步骤1)～11)即可计算出相应岩土体的抗剪强度参数；

工况六、干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律；

工况七、干湿循环下相应岩土体剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可研究干湿循环下相应岩土体剪切蠕变特性。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本装置和方法克服了以往大尺寸剪切试验功能单一或者适用性不强的缺点，解决了小尺寸室内试验结果无法得到保证的缺陷，具有装置结构简单、测量精度高以及操作方便安全等优点。

(2)通过插板可达到自由变换支撑座内试验材料的类型，通过外盒可实现干湿循环试验。

(3)本装置可进行不同竖直应力加载条件下考虑岩块粗糙度、土体级配、含石量、含水率等岩土体的剪切强度特征，可研究干湿循环下岩土体剪切强度的劣化规律以及岩土体的剪切蠕变特性等，能适用于土木工程或地质工程中遇到的不同岩土材料(土体、土石混合体、岩体等)在不同因素下的大尺度室内剪切试验。

附图说明

图1是本发明一种实施例的装置整体结构立体示意图；

图2是本发明一种实施例的装置整体结构主视示意图；

图3是本发明一种实施例的外盒的立体示意图；

图4是本发明一种实施例的承载座的立体示意图；

图5是本发明一种实施例的内盒的立体示意图；

图6是本发明一种实施例的加载板的立体示意图；

图7是本发明一种实施例的内盒定位板的立体示意图；

图8是本发明一种实施例的支撑座的立体示意图；

图9是本发明一种实施例的插板的立体示意图；

图10是本发明实施例4的剪切蠕变曲线；

图11是本发明实施例7的剪切蠕变曲线。

图中：1、外盒；2、承载座；3、内盒；4、加载板；5、内盒定位板；6、水平钢板；7、竖向钢板；8、插板；9、贴合钢板；10、反力架；11、第一伺服电机；12、第二伺服电机；13、滚珠轴排；14、电脑；15、水平压力传感器；16、竖直压力传感器；17、水平位移计；18、竖直位移计；19、竖直凹槽；20、台阶状槽；21、通孔。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种多功能大尺寸剪切试验装置(简称装置，参见图1-9)，其特征在于，该装置包括剪切盒机构、加载机构和数据采集机构；

所述剪切盒机构包括外盒1、承载座2、支撑座、内盒3、加载板4和插板8；所述加载机构包括内盒定位板5、反力架10、第一伺服电机11、第二伺服电机12和滚珠轴排13；所述数据采集机构包括电脑14、水平压力传感器15、竖直压力传感器16、水平位移计17、竖直位移计18、土压力计和孔隙水压力计；

所述内盒3为无底无顶的盒体，其四壁均开有通孔21，两个正对的侧壁外侧均设有贴合钢板9，且贴合钢板9的底面与内盒3的底端的距离为s；外盒1内部由下至上依次放置有承载座2、支撑座、内盒3和加载板4；试样放置于内盒3内部，加载板4放置于试样顶部，不与内盒3接触；

所述支撑座由水平钢板6和竖向钢板7组成；水平钢板6的两侧各自设置有两个竖向钢板7；同一侧的两个竖向钢板7的相对一侧沿厚度方向均设有竖直凹槽19；插板8能够插入竖直凹槽19中，从而将同一侧的竖向钢板7连接成一个整体；每个竖向钢板7的顶部内侧均挖去一块高度为h的矩形块，形成台阶状结构；台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板9的底面接触；台阶状结构的内侧顶部与内盒3的底部不接触，两者之间的间距为d(d＝h-s，根据土工试验方法标准，1cm≤d≤1.5cm)；

外盒1通过滚珠轴排13放置于反力架10底部的上表面；内盒定位板5的一侧设置有触角，触角与内盒3的通孔21可拆卸连接，另一侧固定于反力架10上；所述第一伺服电机11竖直安装于反力架10顶部的下表面，其压头能够与加载板4接触，通过第一伺服电机11施加竖直压应力于加载板4上；第一伺服电机11的压头上设置有竖直压力传感器16和竖直位移计18，竖直压力传感器16和竖直位移计18分别用于测量竖直应力和竖直位移；所述第二伺服电机12水平安装于反力架10一侧部的内表面，其压头能够与外盒1接触，通过第二伺服电机12施加水平剪切应力于外盒1外侧；第二伺服电机12的压头上设置有水平压力传感器15和水平位移计17；水平压力传感器15和水平位移计17分别用于测量水平应力和水平位移；

试验前，在剪切面附近埋设土压力计和孔隙水压力计，用于记录剪切试验过程中的土压力值和孔隙水压力值；电脑14分别与水平压力传感器15、竖直压力传感器16、水平位移计17、竖直位移计18、土压力计和孔隙水压力计连接，实时采集剪切试验过程中测量数据值和变化规律。

优选地，所述外盒1是由五块超过20mm厚的钢板焊接或者螺丝紧固而成的有底无顶的长方体盒，内部净空间的长×宽×高为400×400×500mm，顶部设有吊环；吊环与叉车、吊车、航车或天车配合，方便将剪切盒机构的整体移动。

优选地，所述承载座2是用于抬高支撑座的位置的钢座。

优选地，所述内盒3为无底无顶的长方体盒，是由四块厚度约10mm的钢板组成的空心箱体，每块钢板均开设3排×3列直径为5mm的通孔21，用于外盒1中的水通过通孔21流入内盒3中；内盒3的内部净空间的长×宽×高尺寸为300×300×300mm。

优选地，所述加载板4的长×宽×高尺寸为300×300×10mm。

优选地，所述内盒定位板5可采用倒U型弧板，用于顶住内盒3，防止内盒3在剪切过程中移动。

优选地，所述水平钢板6的长×宽×高为400×400×10mm；水平钢板6上设置有吊环，用于试验完成后将内盒3和支撑座从外盒1中整体移除。

本发明同时提供了一种基于所述多功能大尺寸剪切试验装置的试验方法(简称方法)，其特征在于，该方法具体如下：

工况一、土-石界面的抗剪强度试验，包括以下步骤：

1)将外盒1水平放置，再将承载座2放置于外盒1的内部；

2)将加工好的具有相应粗糙度的岩体试样放置于支撑座上，其中岩体试样的两侧通过竖向钢板7卡住，底部紧贴水平钢板6，岩体试样长度与水平钢板6的长度相同，高度与台阶状结构的内侧高度相同；

3)将内盒3置于支撑座上，台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板9的底面接触；

4)根据试验设计，按照级配、含石量和含水率的要求采用体积密度方法计算并称取相应质量的土、碎石和水，随后将三者均匀混合得到土石混合体；将土石混合体装入内盒3相应高度后把孔隙水压力计与土压力计放入此高度处，随后采用分层压实的方法将土石混合体装入内盒3并压制成具有密实度的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板4；

根据土工试验方法标准，内盒3中的试样最大粒径应小于内盒最小尺寸的1/10；

孔隙水压力计与土压力计的放置位置为内盒3的底面所在水平面上；

5)采用叉车、吊车、航车或天车起吊水平钢板6的吊环，从而将支撑座、内盒3、试件和加载板4整体放入外盒1内部且位于承载座2的上方，保证外盒1、承载座2、支撑座、内盒3和加载板4的中心位于中心轴线上；

6)采用叉车、吊车、航车或天车起吊外盒1的吊环，从而将外盒1放置于轨道车上；再通过轨道车将外盒1推送至滚珠轴排13上且位于反力架10内部；

7)将内盒定位板5的一侧固定在反力架10上，另一侧上的触角插入内盒3的通孔21中；

8)启动数据采集机构，并将所有位移和应力数据清零；开启第一伺服电机11，使其压头接触加载板4的顶端，按要求施加竖直应力σ，待竖直位移计18测得的竖直位移值保持不变时记下此竖直应力σ₁和竖直位移值并保持此时的竖直应力σ₁不变；

9)启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用位移控制方式施加水平应力τ，同时采用水平位移计17测得水平位移值；当水平位移值保持不变时停止试验，得到此时的剪切应力(即水平应力)τ₁，进而得到一组应力值(σ₁,τ₁)；

10)第一伺服电机11卸载竖直应力σ₁，第二伺服电机12卸载剪切应力τ₁，卸载全部试样；

11)重复步骤1)～9)，得到另一组应力值(σ₂,τ₂)；再将上述两组应力值代入式

中即可计算出土-石界面的抗剪强度参数；式中，

为内摩擦角，c为内聚力；

工况二、干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律；

工况三、干湿循环下土-石界面剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计17测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可得到干湿循环下土-石界面剪切蠕变特性；

工况四、在工况一的基础上，改变岩体的粗糙度或者改变内盒3中土石混合体的含水率、含石量或土体级配，重复步骤1)～9)即可研究不同粗糙度下土-石界面的剪切力学特性与含水率、含石量和土体级配的关系；

工况五、相应岩土体的抗剪强度试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；再重复步骤1)～11)即可计算出相应岩土体的抗剪强度参数；

工况六、干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律；

工况七、干湿循环下相应岩土体剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计17测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可研究干湿循环下相应岩土体剪切蠕变特性。

实施例1

考虑内盒3中试样的含水率。本实施例的含水率分别设置为15.27％和26.37％。

1)将外盒1水平放置，再将承载座2放置于外盒1的内部；

2)将加工好的粗糙度J＝8.6的岩体(长宽高为400×300×50mm)放置于支撑座上，其中岩体的两侧通过竖向钢板7卡住，底部紧贴水平钢板6，岩体试样长度与水平钢板6的长度相同，高度与台阶状结构的内侧高度相同；

3)将内盒3置于支撑座上，台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板9的底面接触；

4)根据试验设计，按照含水率15.27％、含石量28.2％的要求采用体积密度方法计算并称取相应质量的土、碎石和水(总质量11.4kg)，随后将三者均匀混合得到土石混合体；将土石混合体装入内盒3中并达到内盒3的底面所在水平面，再把孔隙水压力计与土压力计放入此高度处，随后采用分层压实的方法将土石混合体装入内盒3并压制成密实度N＝25的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板4；

5)采用叉车、吊车、航车或天车起吊水平钢板6的吊环，从而将支撑座、内盒3、试件和加载板4整体放入外盒1内部且位于承载座2的上方，保证外盒1、承载座2、支撑座、内盒3和加载板4的中心位于中心轴线上；

6)采用叉车、吊车、航车或天车起吊外盒1的吊环，从而将外盒1放置于轨道车上；再通过轨道车将外盒1推送至滚珠轴排13上且位于反力架10内部；

7)将内盒定位板5的一侧固定在反力架10上，另一侧上的触角插入内盒3的通孔21中；

8)启动数据采集机构，并将所有位移和应力数据清零；开启第一伺服电机11，使其压头接触加载板4的顶端，按要求施加竖直应力σ，待竖直位移计18的竖直位移值保持不变时记下此竖直应力σ₁和竖直位移值并保持此时的竖直应力σ₁＝150kpa不变；

9)启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用位移控制方式施加水平应力τ，同时采用水平位移计17测得水平位移值；当水平位移值保持不变时停止试验，得到此时的剪切应力(即水平应力)τ₁＝99.29kpa，进而得到一组应力值(150kpa,99.29kpa)；

10)第一伺服电机11卸载竖直应力σ₁，第二伺服电机12卸载剪切应力τ₁，卸载全部试样；

11)选择另外一组试样，重复步骤1)～9)，得到另一组应力值(200kpa，122.14kpa)，将上述两组应力值代入式

可得：

解得：内摩擦角

内聚力c＝31.79kPa。

故在含水率为15.27％、岩体粗糙度为J＝8.6的条件下土-石界面的剪切力学参数为：内聚力c是31.79kpa，内摩擦角

为24.31°；

重复步骤1)～11)，在含水率为26.37％、岩体粗糙度为J＝8.6的条件下土-石界面的剪切力学参数为：内聚力c是6.54kpa，内摩擦角

为14.8°。

实施例2

考虑岩体粗糙度。本实施例的岩体粗糙度为J＝17.3，含水率为15.27％，其他与实施例1相同。

重复步骤1)～11)，测得内聚力c是34.45kPa，内摩擦角

为26.4°。

实施例3

干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律试验。在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；干湿循环次数分别为1次、3次和7次，其他与实施例1相同。

重复步骤1)～11)，当干湿循环次数为1次时，土-石界面的内聚力是31.79kpa，内摩擦角是24.31°；当干湿循环次数为3次时，土-石界面的内聚力是28.33kpa，内摩擦角是20.01°；当干湿循环次数为7次时，土-石界面的内聚力是20.18kpa，内摩擦角是15.24°。

实施例4

干湿循环下土-石界面剪切蠕变试验。在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用应力控制方式施加水平应力85kPa，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计17测量水平位移；其他与实施例1相同。

重复步骤1)～9)即可得到干湿循环下土-石界面剪切蠕变特性，所得试验结果如图10所示，为不稳定蠕变。

实施例5

相应岩土体的抗剪强度试验，考虑含水率的影响。在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；相同岩土体的含水率设置为8.56％和17.44％；其他与实施例1相同。

重复步骤1)～11)，当相同岩土体的含水率为8.56％时，内聚力是23.11kpa，内摩擦角为18.23°；当相同岩土体的含水率为17.44％时，内聚力是15.12kPa，内摩擦角为10.23°。

实施例6

干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律试验。在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；干湿循环次数分别为1次、3次和5次，其他与实施例1相同。

重复步骤1)～11)，当干湿循环的次数为1次时，内聚力是18.23kpa，内摩擦角是15.22°；当干湿循环的次数为3次时，内聚力是15.14kpa，内摩擦角是12.23°；当干湿循环的次数为5次时，内聚力是10.23kpa，内摩擦角是10.56°。

实施例7

干湿循环下相应岩土体剪切蠕变试验。在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板8插入竖向钢板7的竖直凹槽19中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒1中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机12，使压头接触外盒1，采用应力控制方式施加水平应力50kPa，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计17测量水平位移；其他与实施例1相同。

重复步骤1)～9)即可得到干湿循环下相应岩土体剪切蠕变试验，所得试验结果如图11所示，为稳定蠕变。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，该装置包括剪切盒机构、加载机构和数据采集机构；

所述剪切盒机构包括外盒、承载座、支撑座、内盒、加载板和插板；所述加载机构包括内盒定位板、反力架、第一伺服电机、第二伺服电机和滚珠轴排；所述数据采集机构包括电脑、水平压力传感器、竖直压力传感器、水平位移计、竖直位移计、土压力计和孔隙水压力计；

所述内盒为无底无顶的盒体，其四壁均开有通孔，两个正对的侧壁外侧均设有贴合钢板，且贴合钢板的底面与内盒的底端的距离为s；外盒内部由下至上依次放置有承载座、支撑座、内盒和加载板；试样放置于内盒内部，加载板放置于试样顶部，不与内盒接触；

所述支撑座由水平钢板和竖向钢板组成；水平钢板的两侧各自设置有两个竖向钢板；同一侧的两个竖向钢板的相对一侧沿厚度方向均设有竖直凹槽；插板能够插入竖直凹槽中，从而将同一侧的竖向钢板连接成一个整体；每个竖向钢板的顶部内侧均挖去一块高度为h的矩形块，形成台阶状结构；台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板的底面接触；台阶状结构的内侧顶部与内盒的底部不接触，两者之间的间距为d；

外盒通过滚珠轴排放置于反力架底部的上表面；内盒定位板的一侧与内盒可拆卸连接，另一侧固定于反力架上；所述第一伺服电机竖直安装于反力架顶部的下表面，其压头能够与加载板接触，通过第一伺服电机施加竖直压应力于加载板上；第一伺服电机的压头上设置有竖直压力传感器和竖直位移计，竖直压力传感器和竖直位移计分别用于测量竖直应力和竖直位移；所述第二伺服电机水平安装于反力架一侧部的内表面，其压头能够与外盒接触，通过第二伺服电机施加水平剪切应力于外盒外侧；第二伺服电机的压头上设置有水平压力传感器和水平位移计；水平压力传感器和水平位移计分别用于测量水平应力和水平位移；

试验前，在剪切面附近埋设土压力计和孔隙水压力计，用于记录剪切试验过程中的土压力值和孔隙水压力值；电脑分别与水平压力传感器、竖直压力传感器、水平位移计、竖直位移计、土压力计和孔隙水压力计连接。

2.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，d＝h-s，1cm≤d≤1.5cm。

3.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，内盒定位板的一侧设置有触角，触角与内盒的通孔可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，所述外盒是由五块钢板焊接或者螺丝紧固而成的有底无顶的长方体盒，顶部设有吊环。

5.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于所述内盒是由四块钢板组成的空心箱体，每块钢板均开设3排×3列直径为5mm的通孔，用于外盒中的水通过通孔流入内盒中。

6.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，所述内盒定位板采用倒U型弧板，用于顶住内盒，防止内盒在剪切过程中移动。

7.根据权利要求1所述的多功能大尺寸剪切试验装置，其特征在于，所述水平钢板上设置有吊环。

8.一种基于权利要求1-7任一所述多功能大尺寸剪切试验装置的试验方法，其特征在于，该方法具体如下：

工况一、土-石界面的抗剪强度试验，包括以下步骤：

1)将外盒水平放置，再将承载座放置于外盒的内部；

2)将加工好的具有相应粗糙度的岩体试样放置于支撑座上，其中岩体试样的两侧通过竖向钢板卡住，底部紧贴水平钢板，岩体试样长度与水平钢板的长度相同，高度与台阶状结构的内侧高度相同；

3)将内盒置于支撑座上，台阶状结构的外侧顶部与贴合钢板的底面接触；

4)根据试验设计，按照级配、含石量和含水率的要求计算并称取相应质量的土、碎石和水，随后将三者均匀混合得到土石混合体；将土石混合体装入内盒相应高度后把孔隙水压力计与土压力计放入此高度处，随后采用分层压实的方法将土石混合体装入内盒并压制成具有相应密实度的土石混合体试样，随后在土石混合体试样顶部盖上加载板；

5)起吊水平钢板，从而将支撑座、内盒、试件和加载板整体放入外盒内部且位于承载座的上方，保证外盒、承载座、支撑座、内盒和加载板的中心位于中心轴线上；

6)起吊外盒，从而将外盒放至滚珠轴排上且位于反力架内部；

7)将内盒定位板的一侧固定在反力架上，另一侧于内盒固定；

8)启动数据采集机构，并将所有位移和应力数据清零；开启第一伺服电机，使其压头接触加载板的顶端，按要求施加竖直应力σ，待竖直位移计测得的竖直位移值保持不变时记下此竖直应力σ₁和竖直位移值并保持此时的竖直应力σ₁不变；

9)启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用位移控制方式施加水平应力τ，同时采用水平位移计测得水平位移值；当水平位移值保持不变时停止试验，得到此时的剪切应力τ₁，进而得到一组应力值(σ₁,τ₁)；

10)第一伺服电机卸载竖直应力σ₁，第二伺服电机卸载剪切应力τ₁，卸载全部试样；

11)重复步骤1)～9)，得到另一组应力值(σ₂,τ₂)；再将上述两组应力值代入式

中即可计算出土-石界面的抗剪强度参数；式中，

为内摩擦角，c为内聚力；

工况二、干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下土-石界面剪切强度劣化规律；

工况三、干湿循环下土-石界面剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可得到干湿循环下土-石界面剪切蠕变特性；

工况四、在工况一的基础上，改变岩体的粗糙度或者改变内盒中土石混合体的含水率、含石量或土体级配，重复步骤1)～9)即可研究不同粗糙度下土-石界面的剪切力学特性与含水率、含石量和土体级配的关系；

工况五、相应岩土体的抗剪强度试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；再重复步骤1)～11)即可计算出相应岩土体的抗剪强度参数；

工况六、干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；再重复步骤1)～11)即可得到干湿循环下相应岩土体剪切强度劣化规律；

工况七、干湿循环下相应岩土体剪切蠕变试验，包括以下步骤：

在工况一的基础上，在步骤1)和步骤2)之间增加一个步骤：将插板插入竖向钢板的竖直凹槽中；同时将步骤2)中的岩体换成步骤4)中的相同的土石混合体；同时在步骤8)和步骤9)之间增加一个步骤：向外盒中循环注水和抽水；同时将步骤9)修改为：启动第二伺服电机，使压头接触外盒，采用应力控制方式施加水平应力τ，保证其水平应力值不变，同时采用水平位移计测量水平位移；再重复步骤1)～9)即可研究干湿循环下相应岩土体剪切蠕变特性。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，内盒中的试样最大粒径小于内盒最小尺寸的1/10。

10.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，孔隙水压力计与土压力计的放置位置为内盒的底面所在水平面上。

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