CN113640213B - 一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法。包括土样区，土样区内部设置有实心圆柱，实心圆柱上部设置有顶端平衡器，顶端平衡器上部与顶部总控器连接，顶部总控器与反力支架体系固定连接，顶端平衡器旁边设置有土样扭力控制系统，土样区外部设置有周围压力室，土样区底部设置有试样加载底板，试样加载底板与实心圆柱扭力传递轴连接，所述实心圆柱扭力传递轴与扭力测试及转动位移测试系统连接。本发明解决直剪试验中不能够测试孔隙水压力及只能够进行小位仪条件下界面摩擦力的不足，解决环剪仪中不能够测试复杂应力条件下不同岩土体界面摩擦力和只能使用平均剪应力和剪切位移的不足。

Description

一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，属于岩土工程技术领域。

背景技术

岩土界面间的摩擦力测试对于岩土工程中设计、施工等环节中发挥着重要作用，例如桩土界面摩擦力、新旧路面接触界面的摩擦力、不同岩性岩土体在外部荷载扰动下的摩擦力及岩土体与土工织物间摩擦力等摩擦力的测试对于已有构筑物稳定性的甄别发挥着举足轻重的作用。目前对于上述摩擦力的测试主要通过直剪仪和环剪仪进行测试，直剪仪测试中主要将上剪切盒放置岩土体，下剪切盒放置桩材料、土工织物和不同于上剪切盒的岩土材料，上下剪切盒发生相对位移时其摩擦力即可测试获得，但直剪仪存在的主要问题是不能够在摩擦力测试中测试孔隙水压力，且只能够测试位移量较小的不同界面之间的摩擦力，位移过大会引起整个上部垂向荷载发生偏转，引起较大的试验误差。环剪仪在测试中，也分为上下剪切盒，环剪仪相对直剪仪而言，其测试位移增大，也可以反映剪切力测试中的孔隙水压力变化情况，但环剪仪不能够反映复杂应力条件下不同岩土体之间剪切力的测试，且环剪仪在实际工作中只能够使用其平均剪应力和剪应变，并非实际的剪应力和剪应变。

现有技术通过直剪仪进行不同岩土体界面摩擦力的测试；通过环剪仪进行不同岩土体界面摩擦力的测试。

1、直剪仪存在的主要问题是不能够在摩擦力测试中测试孔隙水压力，且只能够测试位移量较小的不同界面之间的摩擦力，位移过大会引起整个上部垂向荷载发生偏转，引起较大的试验误差。

2、环剪仪不能够反映复杂应力条件下不同岩土体之间剪切力的测试，且环剪仪在实际工作中只能够使用其平均剪应力和剪应变，并非实际的剪应力和剪应变。

综上，一种能够反映大位移情况下不同岩土界面之间摩擦力，同时能够测试剪切中孔隙水压力，且反映岩土体摩擦力测试中总体积变化的界面剪切仪急需产生，利用其实际测试获得剪应力和剪应变解决复杂应力条件下不同岩土体界面之间摩擦力的测试。本发明基于已有空心圆柱扭剪试验系统，开发一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，总体系包括实心柱和空心圆柱两个部分，内部实心柱和外部空心圆柱发生相对剪切位移时能够确保自旋控制，智能化水平大大提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，解决直剪试验中不能够测试孔隙水压力及只能够进行小位移条件下界面摩擦力的不足，解决环剪仪中不能够测试复杂应力条件下不同岩土体界面摩擦力和只能使用平均剪应力和剪切位移的不足。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，其包括土样区，土样区内部设置有实心圆柱，实心圆柱上部设置有顶端平衡器，顶端平衡器上部与顶部总控器连接，顶部总控器与反力支架体系固定连接，顶端平衡器旁边设置有土样扭力控制系统，土样区外部设置有周围压力室，土样区底部设置有试样加载底板，试样加载底板与实心圆柱扭力传递轴连接，所述实心圆柱扭力传递轴与扭力测试及转动位移测试系统连接，所述扭力测试及转动位移测试系统下方设置有扭力施加控制器及数采总控器，试样加载底板下部与总控箱连接，所述总控箱上设置有扭力控制箱，扭力测试及转动位移测试系统设置在扭力控制箱内，反力支架体系上设置有外置水位平衡器，外置水位平衡器分别与总体变测试传感器和空气压缩器连接，空气压缩器分别与扭力施加控制器及数采总控器和周围压力室连接，周围压力室上设置有体积/压力控制器，体积/压力控制器与扭力施加控制器及数采总控器连接，总控箱与计算机连接，实心圆柱表面设置有实心圆柱增压腔，土样区与周围压力室之间设置有橡皮膜，土样区上面设置有竖向位移传感器，土样扭力控制系统与土样区之间设置有扭力施加固定卡扣；

所述实心圆柱上设置有实心圆柱摩擦力传感器，总控箱与电源连接，实心圆柱和顶端平衡器之间设置有实心圆柱顶部固定卡扣。

所述扭力施加固定卡扣上设置有卡锁系统，土样区上部设置有试样顶盖，试样顶盖上设置有固定针头和固定刀片，固定针头和固定刀片嵌入到土样区内，土样区内壁上设置有O型圈固定槽，顶端平衡器外部周壁上设置有外部套筒，实心圆柱上顶端设置有实心圆柱卡锁，顶端平衡器和实心圆柱顶部固定卡扣之间设置有平衡调整控制系统；

土样区底部设置有实心圆柱底部卡槽，实心圆柱底部卡槽内设置有实心圆柱密封圈，实心圆柱与周围压力室通过实心圆柱密封圈密封接触，所述橡皮膜上设置有O型圈，O型圈卡在O型圈卡槽内，所述土样区底部设置有底部进排水孔，试样加载底板上设置有滑动底盘，试样加载底板和滑动底盘之间设置有固定螺栓，土样区底部侧边设置有水流分口系统。

所述滑动底盘包括上盘和下盘，所述上盘和下盘之间设置有转动支撑滑动系统，上盘和下盘之间围成一个转动内室，转动支撑滑动系统内置有钢珠和润滑剂。

所述实心圆柱上设置有外部接触腔，实心圆柱外周壁上设置有外部摩擦面，外部接触腔内设置有加压柔性壁面，实心圆柱内部设置有中心不锈钢支撑柱，中心不锈钢支撑柱外周壁上设置有缓冲区，外部接触腔内设置有土样仓，缓冲区内设置有增压控制室，外部接触腔内设置有土样盒和摩擦力传感器测试触头，土样盒和摩擦力传感器测试触头放置在增压仓支撑架上，所述实心圆柱周壁上设置有不锈钢支撑壁面，不锈钢支撑壁面外表面为支撑柱表面。

所述水流分口系统包括第一渗透管、第二渗透管、第三渗透管，第一渗透管和第二渗透管之间、第二渗透管和第三渗透管之间均设置有连接支撑仓。

一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪的测试方法，其为以下步骤：

1、系统检查和排气，试验开始前首先对整个试验系统进行检查，确保所有的传感器均可以正常工作，还应该检查密封处的密封性，对整个装置中的管路进行排气操作；

2、试样安装，将削制好的原状试样或经由制样器压制的重塑试样安装至实验设备上。试样安装前需要在底部放置滤纸，预先使用刀片在固定的位置刻下划痕，确保刀片可以嵌入试样中，轻轻按压试样将针头插入试样中，试样安装过程中务必小心翼翼，防止将试样的内表面破损，后用承膜桶将橡皮膜安装至试样外侧，利用O型圈固定橡皮膜，然后安装位移传感器和顶部固定装置；

3、试样饱和及固结，利用水头饱和、反压饱和等相结合对试样进行饱和，待试样饱和度达到规范要求的95％以上时对试样进行固结，固结结束后即可开始试验。如果现场取备的一定饱和度的试样也可以不饱和直接进行固结，固结稳定后进行测试，具体可根据试验方案进行调整；

4、摩擦力测试试验，开动扭力施加系统，可以让外部空心圆柱试样固定，只进行内部实心圆柱的旋转，进行摩擦力的测试，也可以固定内部实心圆柱，让外部空心圆柱旋转进行扭剪试验，也可以同时开动内部实心圆柱和外部空心圆柱系统，两个系统相反方向旋转，进行摩擦力的测试，通过相对速率组合进行不同剪切速率下剪切面的摩擦力测试。摩擦力测试中可以通过围压系统进行周围压力的施加，可以用过实心圆柱外部加压系统进行空心圆柱内表面加载，可以通过顶部施加竖向力，还可以时间扭剪力，实现复杂应力条件下土体力学性能的测试；

5、设备清理，试验结束后首先进行卸载，然后将试样从设备上拆除，然后清理设备上洒落的泥土，保持整个设备干净整洁，为后续测试做好准备。

本发明主要保护界面摩擦力测试中土样总体积变化的测试的技术方法以及界面摩擦力测试中实体圆柱可更换且实体圆柱与外侧空心圆柱自旋控制技术方法。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的技术方案能够在测试不同岩土体界面摩擦力的同时完成试样总体积变化的测试。

2、本发明提供的技术方案能够测试不同岩土界面摩擦力中，更换中间实体圆柱的界面，完成不同摩擦力的测试，同时中间实体圆柱包含不同摩擦系数的摩擦面，亦可在实体圆柱表面内嵌土体，完成土-土界面、岩-土界面、土工织物-土、桩-土界面等摩擦力的测试。

附图说明

图1本发明总体装置示意图；

图2顶部接触方式示意图；

图3底部接触方式示意图；

图4滑动底盘结构示意图；

图5实心圆柱结构示意图；

图6外部接触腔结构示意图；

图7水流分口系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明，本实施例的一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其包括土样区1，土样区1内部设置有实心圆柱2，实心圆柱2上部设置有顶端平衡器3，顶端平衡器3上部与顶部总控器8连接，顶部总控器8与反力支架体系14固定连接，顶端平衡器3旁边设置有土样扭力控制系统4，土样区1外部设置有周围压力室5，土样区1底部设置有试样加载底板19，试样加载底板19与实心圆柱扭力传递轴9连接，所述实心圆柱扭力传递轴9与扭力测试及转动位移测试系统20连接，所述扭力测试及转动位移测试系统20下方设置有扭力施加控制器及数采总控器10，试样加载底板19下部与总控箱11连接，所述总控箱11上设置有扭力控制箱15，扭力测试及转动位移测试系统20设置在扭力控制箱15内，反力支架体系14上设置有外置水位平衡器25，外置水位平衡器25分别与总体变测试传感器13和空气压缩器12连接，空气压缩器12分别与扭力施加控制器及数采总控器10和周围压力室5连接，周围压力室5上设置有体积/压力控制器17，体积/压力控制器17与扭力施加控制器及数采总控器10连接，总控箱11与计算机21连接，实心圆柱2表面设置有实心圆柱增压腔23，土样区1与周围压力室5之间设置有橡皮膜22，土样区1上面设置有竖向位移传感器24，土样扭力控制系统4与土样区1之间设置有扭力施加固定卡扣6；

所述实心圆柱2上设置有实心圆柱摩擦力传感器7，总控箱11与电源18连接，实心圆柱2和顶端平衡器3之间设置有实心圆柱顶部固定卡扣16。

所述扭力施加固定卡扣6上设置有卡锁系统26，土样区1上部设置有试样顶盖27，试样顶盖27上设置有固定针头28和固定刀片29，固定针头28和固定刀片29嵌入到土样区1内，土样区1内壁上设置有O型圈固定槽30，顶端平衡器3外部周壁上设置有外部套筒31，实心圆柱2上顶端设置有实心圆柱卡锁32，顶端平衡器3和实心圆柱顶部固定卡扣16之间设置有平衡调整控制系统33；

土样区1底部设置有实心圆柱底部卡槽35，实心圆柱底部卡槽35内设置有实心圆柱密封圈34，实心圆柱2与周围压力室5通过实心圆柱密封圈34密封接触，所述橡皮膜22上设置有O型圈，O型圈卡在O型圈卡槽36内，所述土样区1底部设置有底部进排水孔37，试样加载底板19上设置有滑动底盘38，试样加载底板19和滑动底盘38之间设置有固定螺栓39，土样区1底部侧边设置有水流分口系统40。

所述滑动底盘38包括上盘41和下盘42，所述上盘41和下盘42之间设置有转动支撑滑动系统43，上盘41和下盘42之间围成一个转动内室44，转动支撑滑动系统43内置有钢珠和润滑剂。

所述实心圆柱2上设置有外部接触腔45，实心圆柱2外周壁上设置有外部摩擦面46，外部接触腔45内设置有加压柔性壁面47，实心圆柱2内部设置有中心不锈钢支撑柱48，中心不锈钢支撑柱48外周壁上设置有缓冲区49，外部接触腔45内设置有土样仓50，缓冲区49内设置有增压控制室51，外部接触腔45内设置有土样盒52和摩擦力传感器测试触头52，土样盒52和摩擦力传感器测试触头52放置在增压仓支撑架53上，所述实心圆柱2周壁上设置有不锈钢支撑壁面54，不锈钢支撑壁面54外表面为支撑柱表面55。

所述水流分口系统40包括第一渗透管56、第二渗透管57、第三渗透管58，第一渗透管56和第二渗透管57之间、第二渗透管57和第三渗透管58之间均设置有连接支撑仓59。

一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪的测试方法，其为以下步骤：

1、系统检查和排气，试验开始前首先对整个试验系统进行检查，确保所有的传感器均可以正常工作，还应该检查密封处的密封性，对整个装置中的管路进行排气操作；

2、试样安装，将削制好的原状试样或经由制样器压制的重塑试样安装至实验设备上。试样安装前需要在底部放置滤纸，预先使用刀片在固定的位置刻下划痕，确保刀片可以嵌入试样中，轻轻按压试样将针头插入试样中，试样安装过程中务必小心翼翼，防止将试样的内表面破损，后用承膜桶将橡皮膜安装至试样外侧，利用O型圈固定橡皮膜，然后安装位移传感器和顶部固定装置；

3、试样饱和及固结，利用水头饱和、反压饱和等相结合对试样进行饱和，待试样饱和度达到规范要求的95％以上时对试样进行固结，固结结束后即可开始试验。如果现场取备的一定饱和度的试样也可以不饱和直接进行固结，固结稳定后进行测试，具体可根据试验方案进行调整；

4、摩擦力测试试验，开动扭力施加系统，可以让外部空心圆柱试样固定，只进行内部实心圆柱的旋转，进行摩擦力的测试，也可以固定内部实心圆柱，让外部空心圆柱旋转进行扭剪试验，也可以同时开动内部实心圆柱和外部空心圆柱系统，两个系统相反方向旋转，进行摩擦力的测试，通过相对速率组合进行不同剪切速率下剪切面的摩擦力测试。摩擦力测试中可以通过围压系统进行周围压力的施加，可以用过实心圆柱外部加压系统进行空心圆柱内表面加载，可以通过顶部施加竖向力，还可以时间扭剪力，实现复杂应力条件下土体力学性能的测试；

5、设备清理，试验结束后首先进行卸载，然后将试样从设备上拆除，然后清理设备上洒落的泥土，保持整个设备干净整洁，为后续测试做好准备。

实施例1

如图1中，1-土样区，主要用于放置土样，对于原状试样通过室内削制获得，对于重塑样利用压样器获得，试样安装过程中使用承膜桶进行；2-实心圆柱，整个装置设置的内部摩擦系统，实心圆柱表面可根据需求设置不同摩擦系数的摩擦面，也可以置换为内嵌式土样盒，将试样安装至土样盒内，实心圆柱表面设置了摩擦力测试传感器，可实现摩擦力的直接测试，此外实心圆柱的表面一定深度范围内设置了增压腔，增压后一方面可以确保实心圆柱与土样更好地接触，另一方面可以进行荷载时间，与其他加载系统结合实现复杂应力状况施加；3-顶端平衡器，通过与实心圆柱固定后监测实心圆柱以及外部空心圆柱土样区的平衡，若实心圆柱或者土样发生偏转后可以进行及时调整，防止偏转造成应力集中影响试验结果的准确性；4-土样扭力控制系统，该系统主要对试样进行扭力施加，控制扭力的大小、速率和方向等，主要基于伺服电机进行控制，可以实现任何速率的精确控制；5-周围压力室，主要功能是向土样施加围压，压力的大小通过空气压缩器进行施加，该压力室中的下部为蒸馏水，上部为气压区，气压传递至水上后，将压力均匀稳定地传递至空心圆柱土样的外侧；6-扭力施加固定卡扣，土样扭力施加过程中与扭力控制器结合后将力传递至试样的顶部，顶部安装有针板和刀片，通过针头和刀片嵌入试样顶部表面一定深度后施加扭力，防止扭力施加中滑动；7-实心圆柱摩擦力传感器，该传感器是可以根据试验计划进行布设的，可实时调整，随机分布在实心圆柱表面的不同部位，用于摩擦力的直接测试；8-顶部总控器，用于控制扭力控制系统及平衡器系统，根据平衡器反馈数据对土样和实心圆柱进行调整，确保平衡器数据满足试验进行的要求，同时可对试样的顶部进行轴向力施加；9-实心圆柱扭力传递轴，将扭力传递至实心圆柱体，确保圆柱体进行不同方向和不同速率的转动；10-扭力施加控制器及数采总控器，主要用于为实心圆柱提供扭力，同时该系统中存在数采总控器，用于采集各个传感器的数据，并对数据进行初步分析和存储，后将数据通过数据线传输至计算机；11-底部固定及总控箱，用于固定整个试验系统，并对底部扭力系统等提供保护作用；12-空气压缩器，压缩空气后通过计算机控制将不同的空气压力施加至周围压力室和外置水位平衡器中；13-总体变测试传感器，与周围压力室、外置水位平衡器、空气压缩器相结合组成试样总体积变化测试系统，用于摩擦试验中试样总体积变化的测试；14-反力支架体系，为顶部轴向力施加及扭力施加中提供反力支持系统，确保试验系统自身稳定性；15-扭力控制箱，用于保护扭力测试及转动位移测试传感器；16-实心圆柱顶部固定卡扣，将实心圆柱与顶部平衡器固定，同时通过外部的套筒将轴向力施加至土样的顶端，卡扣中心转轴与实心圆柱一起转动；17-体积/压力控制器，用于向周围压力室中注水和吸水，试验开始前进行注水，试验结束后将水回吸至控制器，试验过程中固结过程中进行储水，将试样中的水排至控制器中，同时进行孔隙水压力的实时监测；18-电源，向整个试验系统进行供电；19-试样加载底板，用于固定整个试样，中心旋转圆环进行实心圆柱的固定，外侧旋转环进行试样底部的固定，确保顶部扭力传递后让整个试样体系发生转动，同时该外环也可以固定与顶部扭力施加系统配合进行扭剪试验，最外侧为橡皮膜固定卡槽；20-扭力测试及转动位移测试系统，用于实心圆柱体系施加扭力和转动位移的测试；21-计算机，基于软件平台进行数据采集和试验方案设定，可以对不同的工程进行不同荷载组合施加，基于不同的加载模块实现完全自动化试验，软件平台提供了简单的数据分析；22-橡皮膜，将试样外侧与水隔开，周围压力可通过橡皮膜传递至试样外侧；23-实心圆柱增压腔，该部分的主要功能是对实心圆柱的表层进行应力施加，确保实心圆柱与试样内测紧密接触，同时可以实现内压力室加载，完成不同组合应力施加至试样，模拟复杂应力条件下试样摩擦力测试等；24-竖向位移传感器，用于试样竖向位移的实时监测；25-外置水位平衡器，与周围压力室、总体积测试传感器、空气压缩器组合形成试样总体积变化测试系统完成总体变测试。

如图2所示，26-扭力施加固定卡扣中的卡锁系统，通过卡锁系统将卡扣系统与试样的顶盖锁紧，防止发生滑脱；6-扭力施加固定卡扣(图1中已介绍)；28-试样顶盖部的固定针头，将针头插入试样顶部一定深度，防止滑脱；29-试样顶盖部的固定刀片，将刀片插入试样顶部一定深度，防止滑脱；27-试样顶盖，用于固定针头和刀片，将顶部竖向荷载传递至试样，与扭力施加固定卡扣配合进行试样扭力的施加；1-土样区(图1中已介绍)；2-实心圆柱(图1中已介绍)；4-土样扭力控制系统(图1中已介绍)；3-顶端平衡器(图1中已介绍)；16-实心圆柱顶部固定卡扣(图1中已介绍)；30-O型圈固定槽，用于橡皮膜固定，防止试验过程中滑落；31-外部套筒，将顶部总控器施加的竖向荷载传递至试样顶盖；32-实心圆柱卡锁，将实心圆柱顶部固定卡扣与实心圆柱卡紧，防止滑脱，外部为轴承套筒，底部扭力施加引起实心圆柱转动过程中，顶部在轴承内滑动；24-位移传感器(图1中已介绍)；33-平衡调整控制系统，与顶部平衡器配合使用，当平衡器反馈实心圆柱和试样顶部为防止水平时，该系统通过内置齿轮传递系统进行微调。

图3中，2-实心圆柱(图1中已介绍)；1-土样区(图1中已介绍)；34-实心圆柱密封圈，主要功能与实心圆柱底部卡槽结合对实心圆柱与压力室接触位置进行密封，既可以保证正常转动，又要确保转动过程中水无法通过间隙渗流出去；36-O型圈卡槽，用于固定捆绑橡皮膜的O型圈；19-试样加载底板(图1中已介绍)；35-实心圆柱底部卡槽(前面已介绍，与3配合使用)；22-橡皮膜(图1中已介绍)；28-刀片和针头系统，功能与图2中的刀片和针头系统功能相同，防止试样滑脱；37-底部进排水孔，试样饱和及固结过程中的进排水孔；38-滑动底盘，顶部扭力施加后可让试样整体转动，也可根据试验方案固定后与扭力施加系统配合进行扭剪试验；39-固定螺栓，固定底座与整个加载板；40-水流分口系统，将饱和中的进水和固结中排水口区分，分流后确保了饱和与固结过程的独立性和精确控制性。

图4中：滑动底盘分为上盘和下盘，上盘跟随试样转动，下盘固定，转动内室中可以根据试验方案的设定将上盘和下盘锁紧进行扭剪试验，转动支撑滑动系统内置很多钢珠和润滑剂，起到支撑作用，减小转动过程中的摩擦力。

图5中：45-外部接触腔，主要用于放置及固定土样盒和摩擦力测试触头，土样盒中的土样同时压实法进行分层压实处理，处理完后外侧用保鲜膜轻轻裹紧，待空心圆柱试样安装后抽出保鲜膜，可确保试样在安装过程中不洒落，该接触腔可以放置土样盒及摩擦力触头，亦可放置不同的已知摩擦系数的摩擦面，即可以根据试验要求进行实时更换；7-摩擦力传感器，主要用于摩擦力的测试；23-增压仓，主要用于增加压力，一方面确保实心圆柱与外部空心圆柱接触良好，另外一方面可以进行加载；46-外部摩擦面，与外部空心圆柱内表面直接接触面；47-加压柔性壁面，可将压力传递至土样盒及摩擦力触头，实现整个系统空心圆柱表面加载的目的；48-中心不锈钢支撑柱，起到支撑作用，固定所有的传感器及外部的接触腔；49-缓冲区，压力施加后用于缓冲，防止压力施加过大将外部空心圆柱试样直接破坏；50-土样仓，用于放置不同岩性的土样，并固定土样盒，可以根据需要换成已知摩擦系数的摩擦面；51-增压控制室，用于内部压力施加的控制，根据计算机软件的设置进行加压。

如图6所示，51-土样盒，用于放置土样；52-摩擦力传感器测试触头，用于摩擦力的直接测试；53-增压仓支撑架，内部压力施加过程中支撑土样盒及摩擦力触头，放置传感器因变形被压坏；54-不锈钢支撑壁面，内部支撑面；55-支撑柱表面，不锈钢支撑柱的外表面。整个实心圆柱体系外部的接触仓可以更换。

此外，本发明中的实心圆柱体系通过底部扭力加载控制系统进行扭力施加，顶部基于轴承固定，可以持续顺时针盒逆时针进行旋转，也可以固定不转；外部空心圆柱试样系统通过顶部扭力控制器进行扭剪，底部通过转动支撑系统与底座连接，可以持续旋转也可以固定。内部实心圆柱系统与外部空心圆柱系统可以发生相对运动，即一个系统瞬时针旋转，另外一个系统逆时针旋转，二者的速率均可以控制，进行摩擦力测试盒剪切试验，也可以固定一个系统，让另外一个系统转动进行摩擦力测试及剪切试验。两个系统的组合或独立控制，实现摩擦力测试或剪切过程中彼此自旋控制是本发明的重要特色之一。本发明突破了传统空心圆柱只有单独扭力加载系统的局限性，转动中涉及的线路旋转问题基于无线传输装置实现(与土共离心机处理方式相同，内置无线信号发射器，外部设置接收器进行接收数据，二者配合实现数据传输，图1中线路、管路连接仅为一个系统转动中的连接示意图)，管路连接基于密封套筒的方案进行解决(图7)，这也是本发明重点保护技术方案之一，能够在转动过程中进行孔隙水压力的精确控制。第一、第二、第三管路主要为反压、压力室及固结等试验预留管路，旋转过程中在连接支撑仓的支撑下实现转动，同时每个管路系统的顶部和底部设置了密封连接环，确保上下旋转过程中管路的密封性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其特征在于：包括土样区(1)，土样区(1)内部设置有实心圆柱(2)，实心圆柱(2)上部设置有顶端平衡器(3)，顶端平衡器(3)上部与顶部总控器(8)连接，顶部总控器(8)与反力支架体系(14)固定连接，顶端平衡器(3)旁边设置有土样扭力控制系统(4)，土样区(1)外部设置有周围压力室(5)，土样区(1)底部设置有试样加载底板(19)，试样加载底板(19)与实心圆柱扭力传递轴(9)连接，所述实心圆柱扭力传递轴(9)与扭力测试及转动位移测试系统(20)连接，所述扭力测试及转动位移测试系统(20)下方设置有扭力施加控制器及数采总控器(10)，试样加载底板(19)下部与总控箱(11)连接，所述总控箱(11)上设置有扭力控制箱(15)，扭力测试及转动位移测试系统(20)设置在扭力控制箱(15)内，反力支架体系(14)上设置有外置水位平衡器(25)，外置水位平衡器(25)分别与总体变测试传感器(13)和空气压缩器(12)连接，空气压缩器(12)分别与扭力施加控制器及数采总控器(10)和周围压力室(5)连接，周围压力室(5)上设置有体积/压力控制器(17)，体积/压力控制器(17)与扭力施加控制器及数采总控器(10)连接，总控箱(11)与计算机(21)连接，实心圆柱(2)表面设置有实心圆柱增压腔(23)，土样区(1)与周围压力室(5)之间设置有橡皮膜(22)，土样区(1)上面设置有竖向位移传感器(24)，土样扭力控制系统(4)与土样区(1)之间设置有扭力施加固定卡扣(6)；所述实心圆柱(2)上设置有实心圆柱摩擦力传感器(7)，总控箱(11)与电源(18)连接，实心圆柱(2)和顶端平衡器(3)之间设置有实心圆柱顶部固定卡扣(16)。

2.根据权利要求1所述的一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其特征在于：所述扭力施加固定卡扣(6)上设置有卡锁系统(26)，土样区(1)上部设置有试样顶盖(27)，试样顶盖(27)上设置有固定针头(28)和固定刀片(29)，固定针头(28)和固定刀片(29)嵌入到土样区(1)内，土样区(1)内壁上设置有O型圈固定槽(30)，顶端平衡器(3)外部周壁上设置有外部套筒(31)，实心圆柱(2)上顶端设置有实心圆柱卡锁(32)，顶端平衡器(3)和实心圆柱顶部固定卡扣(16)之间设置有平衡调整控制系统(33)；土样区(1)底部设置有实心圆柱底部卡槽(35)，实心圆柱底部卡槽(35)内设置有实心圆柱密封圈(34)，实心圆柱(2)与周围压力室(5)通过实心圆柱密封圈(34)密封接触，所述橡皮膜(22)上设置有O型圈，O型圈卡在O型圈卡槽(36)内，所述土样区(1)底部设置有底部进排水孔(37)，试样加载底板(19)上设置有滑动底盘(38)，试样加载底板(19)和滑动底盘(38)之间设置有固定螺栓(39)，土样区(1)底部侧边设置有水流分口系统(40)。

3.根据权利要求2所述的一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其特征在于：所述滑动底盘(38)包括上盘(41)和下盘(42)，所述上盘(41)和下盘(42)之间设置有转动支撑滑动系统(43)，上盘(41)和下盘(42)之间围成一个转动内室(44)，转动支撑滑动系统(43)内置有钢珠和润滑剂。

4.根据权利要求3所述的一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其特征在于：所述实心圆柱(2)上设置有外部接触腔(45)，实心圆柱(2)外周壁上设置有外部摩擦面(46)，外部接触腔(45)内设置有加压柔性壁面(47)，实心圆柱(2)内部设置有中心不锈钢支撑柱(48)，中心不锈钢支撑柱(48)外周壁上设置有缓冲区(49)，外部接触腔(45)内设置有土样仓(50)，缓冲区(49)内设置有增压控制室，外部接触腔(45)内设置有土样盒(51)和摩擦力传感器测试触头(52)，土样盒(51)和摩擦力传感器测试触头(52)放置在增压仓支撑架(53)上，所述实心圆柱(2)周壁上设置有不锈钢支撑壁面(54)，不锈钢支撑壁面(54)外表面为支撑柱表面(55)。

5.根据权利要求4所述的一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪，其特征在于：所述水流分口系统(40)包括第一渗透管(56)、第二渗透管(57)、第三渗透管(58)，第一渗透管(56)和第二渗透管(57)之间、第二渗透管(57)和第三渗透管(58)之间均设置有连接支撑仓(59)。

6.一种采用权利要求1-5任意1项智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪的测试方法，其特征在于，为以下步骤：

1、系统检查和排气，试验开始前首先对整个试验系统进行检查，确保所有的传感器均可以正常工作，还应该检查密封处的密封性，对整个装置中的管路进行排气操作；

2、试样安装，将削制好的原状试样或经由制样器压制的重塑试样安装至实验设备上，试样安装前需要在底部放置滤纸，预先使用刀片在固定的位置刻下划痕，确保刀片可以嵌入试样中，轻轻按压试样将针头插入试样中，试样安装过程中务必小心翼翼，防止将试样的内表面破损，后用承膜桶将橡皮膜安装至试样外侧，利用O型圈固定橡皮膜，然后安装位移传感器和顶部固定装置；

3、试样饱和及固结，利用水头饱和、反压饱和相结合对试样进行饱和，待试样饱和度达到规范要求的95％以上时对试样进行固结，固结结束后即可开始试验，或者现场取备的一定饱和度的试样不饱和直接进行固结，固结稳定后进行测试；

4、摩擦力测试试验，开动扭力施加系统，让外部空心圆柱试样固定，只进行内部实心圆柱的旋转，进行摩擦力的测试，或者固定内部实心圆柱，让外部空心圆柱旋转进行扭剪试验，或者同时开动内部实心圆柱和外部空心圆柱系统，两个系统相反方向旋转，进行摩擦力的测试，通过相对速率组合进行不同剪切速率下剪切面的摩擦力测试，摩擦力测试中通过围压系统进行周围压力的施加，或者通过实心圆柱外部加压系统进行空心圆柱内表面加载，或者通过顶部施加竖向力，或者施加扭剪力，实现复杂应力条件下土体力学性能的测试；

5、设备清理，试验结束后首先进行卸载，然后将试样从设备上拆除，然后清理设备上洒落的泥土，保持整个设备干净整洁，为后续测试做好准备。