CN113686638A - 土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法，属于边坡强度研究技术领域，土体拉伸剪切耦合试验装置包括反力框架，具有相对的顶板、底板和两个相对立的侧板；轴向拉力组件，与顶板配合设置；径向剪力组件，与其中之一侧板配合设置；径向围压组件，与其中之另一侧板配合设置，径向围压组件和径向剪力组件在竖直方向上错开分布，且在水平方向上位于相反的两侧，径向剪力组件和径向围压组件围合形成包裹腔；以及制土组件，包括与轴向拉力组件可拆卸连接的上配接套筒，至少两个与上配接套筒可拆卸连接的瓣式侧活动板，可分离设于瓣式侧活动板内侧的橡胶膜，以及与瓣式侧活动板可拆卸连接的下配接套筒。

Description

土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法

技术领域

本发明属于边坡强度研究技术领域，更具体地说，是涉及一种土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法。

背景技术

地震诱发边坡失稳分析的理论基础即为土体的强度理论，随着对地震诱发边坡失稳破坏认识的逐渐加身，地震作用下边坡体内部土体所处的拉伸-剪切耦合应力状态已经达成共识，要想完善边坡稳定性分析理论，必须开展土体拉伸-剪切耦合强度的分析和研究工作。然而，土体拉伸-剪切耦合强度理论的研究仍然处于摸索阶段。目前，对于土体拉剪耦合的研究大多从数学概念上进行，通过假定土体强度包线满足某种数学曲线关系式，进而近似地得到土体拉剪耦合强度包线，但是，采用数学方法得到的土体拉剪强度包线并不具有实际物理意义，因此，若想明确土体拉剪耦合强度，必须开展土体拉剪耦合试验。

然而，目前对于土体拉剪耦合试验的研究进展几乎为零，主要原因是：一方面，土体属于散体材料，土体拉伸试验很难展开，土体既拉又剪的耦合应力状态更不易实现；另一方面，土体拉剪耦合强度相对于压剪耦合强度较小，拉剪导致的土样破坏不太显著。因此，研发土体拉伸-剪切耦合试验仪对于研究土体拉剪耦合强度，进而分析地震作用下边坡的稳定性具有十分重要的意义。

但是，目前的研究阶段主要有平卧式设计的土体拉伸仪，无法直观地量测土体在拉伸-剪切耦合作用下的强度特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法，旨在解决平卧式设计的土体拉伸仪，无法直观地量测土体在拉伸-剪切耦合作用下的强度特征的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一方面，本发明提供一种土体拉伸剪切耦合试验装置，包括：反力框架，具有相对的顶板、底板和两个相对立的侧板；轴向拉力组件，与所述顶板配合设置；径向剪力组件，与其中之一所述侧板配合设置；径向围压组件，与其中之另一所述侧板配合设置，所述径向围压组件和所述径向剪力组件在竖直方向上错开分布，且在水平方向上位于相反的两侧，所述径向剪力组件和所述径向围压组件围合形成包裹腔；以及制土组件，包括与所述轴向拉力组件可拆卸连接的上配接套筒，至少两个与所述上配接套筒可拆卸连接的瓣式侧活动板，可分离设于所述瓣式侧活动板内侧的橡胶膜，以及与所述瓣式侧活动板可拆卸连接的下配接套筒；其中，至少两个所述瓣式侧活动板围合成周向衔接的活动套筒，每个所述瓣式侧活动板均开设有对位孔，相邻的所述瓣式侧活动板在对应的对位孔中可拆卸地配合有对位插销，所述下配接套筒可拆卸连接于所述底板；

在制作土体试样时，所述制土组件从所述轴向拉力组件和所述底板中拆卸至独立状态，通过所述上配接套筒、所述瓣式侧活动板、所述橡胶膜和所述下配接套筒构成土体试样的成型腔；

在拉伸剪切试验时，所述制土组件通过所述上配接套筒、所述下配接套筒安装至所述轴向拉力组件和所述底板之间，并拆除所述瓣式侧活动板，且所述土体试样收容于所述包裹腔内，通过所述轴向拉力组件施加轴向拉力，通过所述径向剪力组件施加径向剪力。

在一种可能的实现方式中，所述上配接套筒、所述下配接套筒和所述瓣式侧活动板共同围合形成两头粗、中间细的沙漏状成型腔。

在一种可能的实现方式中，所述轴向拉力组件包括：轴向固定卡座，与所述上配接套筒可拆卸连接；轴向应力传感器，与所述轴向固定卡座连接；轴向位移传感器，与所述顶板连接；以及轴向加载结构，与所述轴向应力传感器连接，且与所述顶板配合设置。

在一种可能的实现方式中，所述轴向拉力组件还包括与所述轴向加载结构配合设置的轴向滑动座体，所述轴向滑动座体能够相对于所述顶板移动且固定在目标位置。

在一种可能的实现方式中，所述轴向固定卡座与所述上配接套筒的配合范围内设有对齐设置的轴向定位孔，所述轴向定位孔中设有伸出所述上配接套筒和所述轴向固定卡座的轴向固定插销，所述轴向位移传感器一端设于所述顶板，另一端设于所述轴向固定插销。

在一种可能的实现方式中，所述径向剪力组件包括：剪力加载结构，与其中之一所述侧板配合设置；径向应力传感器，与所述剪力加载结构连接；径向位移传感器，与所述侧板连接；以及第一瓣式围压活动板，与所述剪力加载结构连接，所述第一瓣式围压活动板与所述径向围压组件围合形成所述包裹腔。

在一种可能的实现方式中，所述径向剪力组件还包括与所述剪力加载结构配合设置的径向滑动座体，所述径向滑动座体能够相对于所述侧板移动且固定在目标位置。

在一种可能的实现方式中，所述径向围压组件包括：径向固定卡座，设于其中之另一所述侧板；以及第二瓣式围压活动板，与所述径向固定卡座连接，且与所述第一瓣式围压活动板分别位于水平方向上相反的两侧，共同围合形成所述包裹腔。

在一种可能的实现方式中，所述第一瓣式围压活动板和所述第二瓣式围压活动板在竖直方向上彼此靠近的边缘平齐设置，且所述第一瓣式围压活动板和所述第二瓣式围压活动板在水平方向上的截面形状均为半圆环形。

本发明提供的土体拉伸剪切耦合试验装置至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明提供的土体拉伸剪切耦合试验装置，利用反力框架作为支撑结构，利用轴向拉力组件为土体试样施加轴向拉力，利用径向剪力组件为土体试样施加径向剪力，并通过径向剪力组件和径向围压组件的配合，能够保证剪力面的产生，也使得剪力面更加均匀，在制土组件中，可以通过上配接套筒、瓣式侧活动板、橡胶膜和下配接套筒制作土体试样，又可以通过拆卸瓣式侧活动板，并安装至轴向拉力组件和底板之间来实现土体试样的竖直固定目的，从而可以直观地观察和量测土体试样在拉伸-剪切耦合应力状态下的强度特征，进而完善地震作用下边坡稳定性分析理论。此外，由于制土组件既可以制土又可以固定土体试样，能够统一土体试样的尺寸，得到更为一致的土体强度，并且，上配接套筒和下配接套筒可以对土体试样进行均匀的拉伸作用，橡胶膜能够与土体试样紧密贴合，保证土体试样的完整性。

在第二方面，本发明提供一种土体拉伸剪切耦合试验方法，采用如任一实现方式所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，包括以下步骤：

制土阶段：将橡胶膜包裹在瓣式侧活动板内侧，将瓣式侧活动板与下配接套筒组装，在形成的成型腔内填入土体并压实，将上配接套筒组装，拆下瓣式侧活动板，得到土体试样；

试验阶段：已经拆下瓣式侧活动板的制土组件及土体试样，通过上配接套筒和下配接套筒组装至轴向拉力组件和底板之间，利用轴向拉力组件提供竖直方向的拉力并记录土体试样在竖直方向上的持续位移变化和拉力，利用径向剪力组件提供水平方向的剪力并记录土体试样在水平方向上的持续位移变化和剪力，绘制土体试样位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样在拉伸剪切耦合作用下的强度。

本发明提供的土体拉伸剪切耦合试验方法采用如上任一实现方式所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，二者技术效果相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的土体拉伸剪切耦合试验装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中制土组件在制备土体试样时的结构示意图。

附图标记说明：

1、土体拉伸剪切耦合试验装置

100、反力框架 110、顶板 120、底板

130、侧板 200、轴向拉力组件 210、轴向固定卡座

220、轴向应力传感器 230、轴向位移传感器 240、轴向加载结构

241、轴向加压油泵 242、轴向液压油管 243、轴向液压油缸

250、轴向滑动座体 260、轴向固定插销 300、径向剪力组件

310、剪力加载结构 311、剪力加压油泵 312、剪力液压油管

313、剪力液压油缸 320、径向应力传感器 330、径向位移传感器

350、第一瓣式围压活动板 360、径向滑动座体 370、径向固定插销

400、径向围压组件 410、径向固定卡座 420、第二瓣式围压活动板

430、支撑柱 500、制土组件 510、上配接套筒

520、瓣式侧活动板 530、橡胶膜 540、下配接套筒

550、锁紧孔 560、对位孔 570、紧固螺栓

600、底座 2、土体试样

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。本文所提到的“连接”可以是一体连接，也可以是分体连接，可以是可拆卸连接，也可以是不可拆卸连接。本文所提到的“可拆卸连接”则要求必须是能够反复拆卸安装的方式。“多个”指两个及以上数量。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

请一并参阅图1和图2，现对本发明实施例提供的土体拉伸剪切耦合试验装置1进行说明。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种土体拉伸剪切耦合试验装置1，包括：反力框架100，具有相对的顶板110、底板120和两个相对立的侧板130；轴向拉力组件200，与顶板110配合设置；径向剪力组件300，与其中之一侧板130配合设置；径向围压组件400，与其中之另一侧板130配合设置，径向围压组件400和径向剪力组件300在竖直方向上错开分布，且在水平方向上位于相反的两侧，径向剪力组件300和径向围压组件400围合形成包裹腔；以及制土组件500，包括与轴向拉力组件200可拆卸连接的上配接套筒510，至少两个与上配接套筒510可拆卸连接的瓣式侧活动板520，可分离设于瓣式侧活动板520内侧的橡胶膜530，以及与瓣式侧活动板520可拆卸连接的下配接套筒540；其中，至少两个瓣式侧活动板520围合成周向衔接的活动套筒，每个瓣式侧活动板520均开设有对位孔560，相邻的瓣式侧活动板520在对应的对位孔560中可拆卸地配合有对位插销，下配接套筒540可拆卸连接于底板120。

在制作土体试样2时，制土组件500从轴向拉力组件200和底板120中拆卸至独立状态，通过上配接套筒510、瓣式侧活动板520、橡胶膜530和下配接套筒540构成土体试样2的成型腔；在拉伸剪切试验时，制土组件500通过上配接套筒510、下配接套筒540安装至轴向拉力组件200和底板120之间，并拆除瓣式侧活动板520，且土体试样2收容于包裹腔内，通过轴向拉力组件200施加轴向拉力，通过径向剪力组件300施加径向剪力。

需要说明的是，本发明实施例所提供的轴向指的是土体试样2在试验时的竖直方向，径向指的是土体试样2在试验时的水平方向。

另外，本发明实施例所提供的土体拉伸剪切耦合试验装置1结合标准三轴试验中的试样模型尺寸，土体拉伸剪切耦合试验装置1中的土体试样2尺寸与标准三轴试验中的土体试样尺寸相同，利用制土组件500所制成的土体试样2的标准尺寸为φ39mm，克服了平卧式设计试样尺寸混乱的弊端，完善了土体强度理论红拉应力段土体强度包线的确定方法，克服了传统土力学中不能描述土体拉剪耦合的缺点，可以实现试验数据从拉伸破坏→拉剪耦合破坏→剪切破坏的完整过程。

在此基础上，如果将径向剪力组件300和径向围压组件400拆除，还可以实现土体试样2的单独拉伸试验，得到土体试验的拉伸强度特征。本发明实施例所提供的土体拉伸剪切耦合试验装置1的操作过程更加简便，容易上手，土体试验的制备过程简单易行，土体试样2的拉伸-剪切耦合原理直接明了，试验结果易获取。

本发明所提供的土体拉伸剪切耦合试验装置11还包括底座600，反力框架100的底板120通过螺纹连接、焊接等方式固定在底座600的上方，底座600作为整个试验装置1的试验平台，起到承载整体结构的作用。

具体而言，反力框架100能够抵消拉力，其中，顶板110与轴向拉力组件200配合设置，使得轴向拉力组件200向上配接套筒510施加竖直方向上的拉力作用，两个相对立设置的侧板130分别与径向剪力组件300和径向围压组件400配合设置，使得径向剪力组件300和径向围压组件400能够在径向上产生均匀性的剪力面。底板120与下配接套筒540可拆卸连接，轴向拉力组件200与上配接套筒510可拆卸连接，上配接套筒510和下配接套筒540能够为土体试样2提供均匀的拉力。每个瓣式侧活动板520可以设有多个对位孔560，对位孔560和对位插销的配合，能够在安装瓣式侧活动板520时，加快对正速度。

径向剪力组件300和径向围压组件400在竖直方向上错位分布，在水平方向上相反设置，径向围压组件400为无动力结构，作为径向剪力组件300的反力，径向剪力组件300为动力结构，用于对土体试样2施加径向剪力，在径向剪力组件300和径向围压组件400的共同作用下，对土体试样2进行剪切作用。

在制土时，橡胶膜530至少设于瓣式侧活动板520的内侧，还可以同时覆盖在上配接套筒510和下配接套筒540的内侧；在试验时，拆除瓣式侧活动板520，橡胶膜530与瓣式侧活动板520分离，能够保证土体试样2不会松散、垮塌，保证在拉伸、剪切同时作用下，土体试样2由于径向收缩而与径向压力组件紧密贴合。制土组件500既能够制作土体试样2，又能够对土体试样2施加均匀的拉力，使得配套装置1一致性和系统性更高，摒弃了冰冻胶结法、胶结物胶结法等不稳定轴向拉力施加方法。

可以理解的是，瓣式侧活动板520可以是两个、三个、四个等以上数量，多个瓣式侧活动板520共同围合成周向衔接的活动套筒，从而可以围合成具有周向轮廓的成型腔，得到能够竖直设置的土体试样2。在试验时，可以利用CT扫描、DIC技术监测或记录土体试样2在拉伸-剪切耦合过程中的整体裂缝开展情况。

本发明实施例提供的土体拉伸剪切耦合试验装置1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本发明实施例提供的土体拉伸剪切耦合试验装置1，利用反力框架100作为支撑结构，利用轴向拉力组件200为土体试样2施加轴向拉力，利用径向剪力组件300为土体试样2施加径向剪力，并通过径向剪力组件300和径向围压组件400的配合，能够保证剪力面的产生，也使得剪力面更加均匀，在制土组件500中，可以通过上配接套筒510、瓣式侧活动板520、橡胶膜530和下配接套筒540制作土体试样2，又可以通过拆卸瓣式侧活动板520，并安装至轴向拉力组件200和底板120之间来实现土体试样2的竖直固定目的，从而可以直观地观察和量测土体试样2在拉伸-剪切耦合应力状态下的强度特征，进而完善地震作用下边坡稳定性分析理论。此外，由于制土组件500既可以制土又可以固定土体试样2，能够统一土体试样2的尺寸，得到更为一致的土体强度，并且，上配接套筒510和下配接套筒540可以对土体试样2进行均匀的拉伸作用，橡胶膜530能够与土体试样2紧密贴合，保证土体试样2的完整性。

请参阅图1和图2，在一些可能的实施方式中，上配接套筒510、下配接套筒540和瓣式侧活动板520共同围合形成两头粗、中间细的沙漏状成型腔。本实施方式中，两头粗、中间细的沙漏状成型腔，形似多里克柱式，能够制备得到两头粗、中间细的土体试样2，如此使得在试验时，土体试样2在其中部发生拉伸剪切破坏，一致性和均匀性更好，便于观察破坏效果。

可以理解的是，瓣式侧活动板520和上配接套筒510、下配接套筒540在形成沙漏状成型腔的内侧壁均为平滑过渡。另外，为了提高配合可靠性，瓣式侧活动板520和上配接套筒510、下配接套筒540的接触面相对于轴线方向呈角度设置，即增大了接触面积。

请参阅图2，在一些可能的实施方式中，每个瓣式侧活动板520均开设有锁紧孔550，相邻的瓣式侧活动板520在对应的锁紧孔550中可拆卸地配合有锁紧螺栓。本实施方式中，相邻的瓣式侧活动板520采用螺纹锁紧的方式进行锁紧固定和拆卸，组装和拆卸速度更快，减少了试验时间和操作难度。可以理解的是，每个瓣式侧活动板520可以设有多个锁紧孔550。

对于上配接套筒510、下配接套筒540的具体结构不做限制，下面举例说明。

在一些可能的实施方式中，上配接套筒510包括与瓣式侧活动板520可拆卸连接的上筒体，以及与上筒体连接的筒体顶座，筒体顶座与固定卡座可拆卸连接。下配接套筒540包括与瓣式侧活动板520可拆卸连接的下筒体，以及与下筒体连接的筒体底座600，筒体底座600与底板120可拆卸连接。

当然，上配接套筒510、下配接套筒540也可以是一体式的一端开口、另一端封闭的筒状结构，还可以是根据安装情况设定的带有安装座的筒状结构，并不局限于此。

对于上配接套筒510、下配接套筒540与瓣式侧活动板520之间的配合方式不做限制，下面举例说明。

在一些可能的实施方式中，上配接套筒510与瓣式侧活动板520之间，以及下配接套筒540与瓣式侧活动板520之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。以上配接套筒510与瓣式侧活动板520为例，二者之间可以采用单一的配合方式，也可以采用多重的配合方式，实现加强牢固的效果。

具体而言，可以在上配接套筒510的内侧壁设置内螺纹，在瓣式侧活动板520的外侧壁设置外螺纹，通过旋拧的方式实现二者之间的配合关系，当然，内螺纹和外螺纹可以互换位置。也可以在上配接套筒510上设置弹性卡块，在瓣式侧活动板520上设置卡槽，通过卡扣的方式实现二者之间的配合关系，当然，弹性卡块和卡槽可以互换位置。还可以在上配接套筒510和瓣式侧活动板520均设置螺纹孔，利用限位销进行固定，从而实现二者之间的配合关系。下配接套筒540、瓣式侧活动板520的配合方式，与上配接套筒510、瓣式侧活动板520的配合方式相同，在此不再赘述。如此设置，能够简单快速地实现制土组件500的组装和拆卸。

当然，在其他可能的实施方式中，还可以采用其他的配合方式，并不局限于此。

请参阅图1，在一些可能的实施方式中，轴向拉力组件200包括：轴向固定卡座210，与上配接套筒510可拆卸连接；轴向应力传感器220，与轴向固定卡座210连接；轴向位移传感器230，与顶板110连接；以及轴向加载结构240，与轴向应力传感器220连接，且与顶板110配合设置。

具体而言，轴向固定卡座210与上配接套筒510之间、底板120与下配接套筒540之间均为螺纹配合、卡扣配合、销配合中的一种或多种。可以理解的是，轴向固定卡座210与上配接套筒510之间、底板120与下配接套筒540之间，可以采用单一的配合方式，也可以采用多重的配合方式，实现加强牢固的效果。

例如，轴向固定卡座210可以为中空结构，在轴向固定卡座210的内侧壁设置内螺纹，在上配接套筒510的外侧壁设置外螺纹，通过螺纹配合实现连接关系，当然内螺纹和外螺纹可以互换位置。轴向固定卡座210也可以设有凹槽，上配接套筒510设有弹性卡块，通过卡扣的方式实现连接关系，当然，凹槽和弹性卡块可以互换位置。轴向固定卡座210和上配接套筒510还可以均设置螺纹孔，利用限位销进行固定，从而实现二者的配合关系。下配接套筒540可以通过紧固螺栓570固定至底板120，也可以采用类似上配接套筒510和轴向固定卡座210之间卡扣、限位销等方式，对此不做限制。

如此设置，能够简单快速地实现制土组件500的组装和拆卸。当然，在其他可能的实施方式中，还可以采用其他的配合方式，并不局限于此。

轴向应力传感器220可以采用S型传感器，用于记录轴向加载结构240在施加轴向拉力过程中的轴向拉力。轴向位移传感器230用于记录轴向加载结构240在施加轴向拉力过程中土体试样2在轴向上的持续位移变化。轴向加载结构240用于为土体试样2施加轴向拉力，可以理解的是，轴向拉力即为竖直方向的拉力。

基于上述轴向拉力组件200的描述，请参阅图1，在一个具体的实施方式中，轴向拉力组件200还包括与轴向加载结构240配合设置的轴向滑动座体250，轴向滑动座体250能够相对于顶板110移动且固定在目标位置。本实施方式中，利用轴向滑动座体250可以对土体试样2的安装固定位置进行调整，保证土体试样2保持在竖直状态，防止倾斜造成的测量结果不准确性情况。

可以理解的是，轴向滑动座体250可以通过滑动配合、滚轮配合等方式移动设于顶板110，通过定位螺栓、定位卡爪、定位挡块等结构实现固定在目标位置的效果。

例如，顶板110开设有轴向滑槽，轴向滑动座体250穿设在轴向滑槽中，轴向加载结构240部分配合在轴向滑槽中，轴向加载结构240伸出轴向滑动座体250且靠近底板120的一端与轴向应力传感器220连接。可以理解的是，轴向加载结构240部分地与轴向滑动座体250配合，且轴向加载结构240的施力端伸出轴向滑动座体250，并与轴向应力传感器220连接，从而为土体试样2施加轴向拉力。当轴向滑动座体250移动时，轴向加载结构240对应配合的部分同步移动，以保证一致性。

另外，轴向加载结构240对应配合的部分可以整体地相对于轴向滑动座体250在轴向移动，进而带动轴向应力传感器220、轴向固定卡座210在轴向移动，以记录土体试样2的持续位移变化，或者，轴向加载结构240对应配合的部分可以产生自身结构之间的位移变化，进而带动轴向应力传感器220、轴向固定卡座210在轴向上移动，以记录土体试样2在轴向上的持续位移变化。

对于轴向滑动座体250和轴向加载结构240不做限制，下面举例说明。

例如，轴向滑动座体250为配合在轴向滑槽中的两端开口的中空结构，中空结构所形成的腔体形状不做限制，可以是圆柱、棱柱等形状。轴向加载结构240包括与轴向滑动座体250配合的轴向加压油泵241，与轴向加压油泵241连通的轴向液压油管242，以及与轴向液压油管242连通的轴向液压油缸243。其中，轴向加压油泵241具有与轴向应力传感器220连接的施力端，轴向液压油缸243可以设置在反力框架100上，可以设置在底座600上，也可以设置在邻近反力框架100和底座600的位置，用于提供拉力所需的液压油。另外，轴向加载结构240还可以包括与轴向液压油缸243连接的轴向手动摇柄，便于试验人员手动调整，或者，轴向加载结构240还可以包括与轴向液压油缸243连接的自动施压件，根据程序设定规则，实现自动化加压效果。

当然，轴向加载结构240还可以是其他结构形式的，例如，气囊加压、电机驱动加压等方式。

基于上述轴向拉力组件200的描述，请参阅图1，在一个具体的实施方式中，轴向固定卡座210与上配接套筒510的配合范围内设有对齐设置的轴向定位孔，轴向定位孔中设有伸出上配接套筒510和轴向固定卡座210的轴向固定插销260，轴向位移传感器230一端设于顶板110，另一端设于轴向固定插销260。

本实施方式中，并不限制轴向固定卡座210与上配接套筒510的配合方式。在轴向固定卡座210和上配接套筒510的壁厚方向均开设有轴向定位孔，且彼此的轴向定位孔对齐设置，在轴向定位孔中可拆卸地设有轴向固定插销260，轴向位移传感器230的两端分别设于顶板110和轴向固定插销260之间。

可以理解的是，轴向定位孔的开孔方向为径向，该命名方式仅为区别轴向拉力组件200和径向剪力组件300所包含的构件，并不代表实际开孔方向，轴向固定插销260、下文所出现的径向固定插销370等含义也类似，在此不再赘述。

另外，轴向位移传感器230可以是其整体结构的两端分别设于顶板110和轴向固定插销260，也可以是其检测路径的虚拟路径两端分别设于顶板110和轴向固定插销260，对此不做限制，只要保证在轴向固定插销260的升降过程中，轴向位移传感器230能够准确记录轴向固定插销260的升降位移即可，轴向固定插销260的升降位移，即为土体试样2的拉伸位移。

如此设置，一方面，轴向固定插销260能够对轴向固定卡座210和上配接套筒510的配合关系起到加固的作用，形成双重保护，以提高固定的可靠性。另一方面，轴向固定插销260能够辅助轴向位移传感器230更准确地记录轴向位移变化，提高检测结果的准确性。

对于径向剪力组件300的具体组成不做限制，下面举例说明。

请参阅图1，在一些可能的实施方式中，径向剪力组件300包括：剪力加载结构310，与其中之一侧板130配合设置；径向应力传感器320，与剪力加载结构310连接；径向位移传感器330，与其中之一侧板130连接；以及第一瓣式围压活动板350，与剪力加载结构310连接，第一瓣式围压活动板350与径向围压组件400围合形成包裹腔。

具体而言，剪力加载结构310用于对第一瓣式围压活动板350施加力的作用，在径向围压组件400的配合下，具体是在第二瓣式围压活动板420的配合下，能够对土体试样2进行径向剪切。

径向位移传感器330用于记录剪力加载结构310在施加径向剪力过程中的径向剪力。径向应力传感器320可以采用S型传感器，用于记录剪力加载结构310在施加径向剪力过程中土体试样2在径向上的持续位移变化。剪力加载结构310用于为土体试样2施加径向剪力。可以理解的是，径向剪力即为水平方向的剪力。

第一瓣式围压活动板350的形状与土体试样2的形状适应性配合，能够对土体试样2施加均匀的作用力。

基于上述径向剪力组件300的描述，请参阅图1，在一个具体的实施方式中，径向剪力组件300还包括与剪力加载结构310配合设置的径向滑动座体360，径向滑动座体360能够相对于侧板130移动且固定在目标位置。本实施方式中，利用径向滑动座体360可以对土体试样2的安装固定位置进行调整，保证第一瓣式围压活动板350处于土体试样2的预设位置，并保证土体试样2始终处于竖直方向。径向滑动座体360的具体结构、与侧板130的配合方式、与剪力加载结构310的配合方式均可以参考轴向滑动座体250，在此不再赘述。

另外，剪力加载结构310的具体组成可以参考轴向加载结构240，具体包括剪力加压油泵311、剪力液压油管312和剪力液压油缸313，在此不再赘述。

基于上述径向剪力组件300的描述，请参阅图1，在一个具体的实施方式中，径向应力传感器320与第一瓣式围压活动板350之间通过径向固定插销370实现定位连接，径向位移传感器330一端设于其中之一侧板130，另一端设于径向固定插销370。

可以理解的是，径向应力传感器320和第一瓣式围压活动板350可以通过焊接、挂接等方式实现连接，本实施方式中，径向应力传感器320和第一瓣式围压活动板350之间通过径向固定插销370实现双重锁定关系。径向位移传感器330的设置方式及原理与轴向位移传感器230相同，仅在于配合对象不同，在此不再赘述。当然，径向应力传感器320与第一瓣式围压活动板350之间也可以通过类似轴向固定卡座210的方式固定。

在上述实施例的基础上，在试验时，可以通过手摇式轴向液压油缸243对轴向加压油泵241施加力的作用，通过上配接套筒510将拉力均匀地施加给土体试样2；待拉力稳定后，通过另一部手摇式剪力液压油缸313对剪力加压油泵311施加力的作用，在第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420的作用下，达到径向剪切的目的。

基于上述径向剪力组件300的描述，请参阅图1，在一些可能的实施方式中，径向围压组件400包括：径向固定卡座410，设于其中之另一侧板130；以及第二瓣式围压活动板420，与径向固定卡座410连接，且与第一瓣式围压活动板350分别位于水平方向上相反的两侧，共同围合形成包裹腔。

具体而言，径向固定卡座410可以通过螺纹连接、焊接等方式固定在侧板130上，第二瓣式围压活动板420可以通过支撑柱430连接至径向固定卡座410，用于对土体试样2形成围压作用，并与第一瓣式围压活动板350配合，实现对土体试样2的剪切作用。第一瓣式围压活动板350可以位于下方，第二瓣式围压活动板420可以位于上方，当然也可以互换位置，且分别处于土体试样2相对的两侧，以满足剪切要求。

基于上述径向围压组件400，请参阅图1，在一个具体的实施方式中，第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420在竖直方向上彼此靠近的边缘平齐设置，且第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420在水平方向上的截面形状均为半圆环形。可以理解的是，第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420的对齐端面处于或大致处于土体试样2的中部，从俯视视角来看，第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420能够将土体试样2的周向轮廓完全包裹，半圆环形相对于其他角度的扇形或其他错开位置，能够实现更均匀的剪切效果，在受力分析时，能够减少量测误差。

当然，基于某些研究目的，还可以将第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420的错位程度和包裹程度进行适应性调整，并不局限于此。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种土体拉伸剪切耦合试验方法，采用如任一实现方式所述的土体拉伸剪切耦合试验装置1，包括以下步骤：

制土阶段：将橡胶膜530包裹在瓣式侧活动板520内侧，将瓣式侧活动板520与下配接套筒540组装，在形成的成型腔内填入土体并压实，将上配接套筒510组装，拆下瓣式侧活动板520，得到土体试样2。

结合上述土体拉伸剪切耦合试验装置1的实施例，具体而言，第一步，将橡胶膜530反向包裹在瓣式侧活动板520上；第二步：将瓣式侧活动板520安装在上配接套筒510和下配接套筒540之间；第三步，将对位插销插入对位孔560中保证瓣式侧活动板520之间对齐贴合；第四步，将锁紧螺栓旋进锁紧孔550中并拧紧；第五步，打开上配接套筒510，将土样放入成型腔中并压实；第六步，当土样压实后，组装上配接套筒510；第七步，从对位孔560中拔出对位插销，将锁紧螺栓从锁紧孔550中旋出，取下瓣式侧活动板520，得到带有上配接套筒510、下配接套筒540及橡胶膜530的土体试样2。

试验阶段：已经拆下瓣式侧活动板520的制土组件500及土体试样2，通过上配接套筒510和下配接套筒540组装至轴向拉力组件200和底板120之间，利用轴向拉力组件200提供竖直方向的拉力并记录土体试样2在竖直方向上的持续位移变化和拉力，利用径向剪力组件300提供水平方向的剪力并记录土体试样2在水平方向上的持续位移变化和剪力，绘制土体试样2位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样2在拉伸剪切耦合作用下的强度。

结合上述土体拉伸剪切耦合试验装置1的实施例，具体而言，第一步，将上配接套筒510与轴向固定卡座210连接，将下配接套筒540通过紧固螺栓570固定在反力框架100的底板120上；第二步，在上配接套筒510和轴向固定卡座210的轴向定位孔中插入轴向固定插销260，将轴向位移传感器230安放在轴向固定插销260上，并将轴向位移传感器230清零；第三步，通过轴向液压油缸243和轴向液压油管242将液压油施加在轴向加压油泵241中，通过轴向加压油泵241对轴向固定卡座210施加竖直方向拉力作用，轴向固定卡座210通过上配接套筒510将拉力均匀地施加给土体试样2，实现对土体试样2的均匀拉力作用；第五步，可以预先或临时将径向剪力组件300和径向围压组件400安装至反力框架100，并将径向位移传感器330清零，通过剪力液压油缸313和剪力液压油管312将液压油施加在剪力加压油泵311中，通过第一瓣式围压活动板350和第二瓣式围压活动板420施加径向剪力，直到土体试样2被剪断，通过轴向位移传感器230和径向位移传感器330记录土体试样2的持续位移变化，通过轴向应力传感器220和径向应力传感器320记录某恒定拉力过程中径向剪力的大小，根据试验结果，绘制土体试样2位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样2在拉伸剪切耦合作用下的强度。

可以理解的是，根据各组成结构的配合关系和安装关系可以合理地调整试验步骤，可以采用上述具体实施方式以外的步骤进行试验操作。

本发明实施例提供的土体拉伸剪切耦合试验方法采用如上任一实现方式所述的土体拉伸剪切耦合试验装置1，二者技术效果相同，在此不再赘述。

可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，包括：

反力框架，具有相对的顶板、底板和两个相对立的侧板；

轴向拉力组件，与所述顶板配合设置；

径向剪力组件，与其中之一所述侧板配合设置；

径向围压组件，与其中之另一所述侧板配合设置，所述径向围压组件和所述径向剪力组件在竖直方向上错开分布，且在水平方向上位于相反的两侧，所述径向剪力组件和所述径向围压组件围合形成包裹腔；以及

制土组件，包括与所述轴向拉力组件可拆卸连接的上配接套筒，至少两个与所述上配接套筒可拆卸连接的瓣式侧活动板，可分离设于所述瓣式侧活动板内侧的橡胶膜，以及与所述瓣式侧活动板可拆卸连接的下配接套筒；其中，至少两个所述瓣式侧活动板围合成周向衔接的活动套筒，每个所述瓣式侧活动板均开设有对位孔，相邻的所述瓣式侧活动板在对应的对位孔中可拆卸地配合有对位插销，所述下配接套筒可拆卸连接于所述底板；

在制作土体试样时，所述制土组件从所述轴向拉力组件和所述底板中拆卸至独立状态，通过所述上配接套筒、所述瓣式侧活动板、所述橡胶膜和所述下配接套筒构成土体试样的成型腔；

在拉伸剪切试验时，所述制土组件通过所述上配接套筒、所述下配接套筒安装至所述轴向拉力组件和所述底板之间，并拆除所述瓣式侧活动板，且所述土体试样收容于所述包裹腔内，通过所述轴向拉力组件施加轴向拉力，通过所述径向剪力组件施加径向剪力。

2.如权利要求1所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述上配接套筒、所述下配接套筒和所述瓣式侧活动板共同围合形成两头粗、中间细的沙漏状成型腔。

3.如权利要求1所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述轴向拉力组件包括：

轴向固定卡座，与所述上配接套筒可拆卸连接；

轴向应力传感器，与所述轴向固定卡座连接；

轴向位移传感器，与所述顶板连接；以及

轴向加载结构，与所述轴向应力传感器连接，且与所述顶板配合设置。

4.如权利要求3所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述轴向拉力组件还包括与所述轴向加载结构配合设置的轴向滑动座体，所述轴向滑动座体能够相对于所述顶板移动且固定在目标位置。

5.如权利要求3所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述轴向固定卡座与所述上配接套筒的配合范围内设有对齐设置的轴向定位孔，所述轴向定位孔中设有伸出所述上配接套筒和所述轴向固定卡座的轴向固定插销，所述轴向位移传感器一端设于所述顶板，另一端设于所述轴向固定插销。

6.如权利要求1所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述径向剪力组件包括：

剪力加载结构，与其中之一所述侧板配合设置；

径向应力传感器，与所述剪力加载结构连接；

径向位移传感器，与所述侧板连接；以及

第一瓣式围压活动板，与所述剪力加载结构连接，所述第一瓣式围压活动板与所述径向围压组件围合形成所述包裹腔。

7.如权利要求6所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述径向剪力组件还包括与所述剪力加载结构配合设置的径向滑动座体，所述径向滑动座体能够相对于所述侧板移动且固定在目标位置。

8.如权利要求6所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述径向围压组件包括：

径向固定卡座，设于其中之另一所述侧板；以及

第二瓣式围压活动板，与所述径向固定卡座连接，且与所述第一瓣式围压活动板分别位于水平方向上相反的两侧，共同围合形成所述包裹腔。

9.如权利要求8所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，所述第一瓣式围压活动板和所述第二瓣式围压活动板在竖直方向上彼此靠近的边缘平齐设置，且所述第一瓣式围压活动板和所述第二瓣式围压活动板在水平方向上的截面形状均为半圆环形。

10.土体拉伸剪切耦合试验方法，采用如权利要求1至9任一项所述的土体拉伸剪切耦合试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

制土阶段：将橡胶膜包裹在瓣式侧活动板内侧，将瓣式侧活动板与下配接套筒组装，在形成的成型腔内填入土体并压实，将上配接套筒组装，拆下瓣式侧活动板，得到土体试样；

试验阶段：已经拆下瓣式侧活动板的制土组件及土体试样，通过上配接套筒和下配接套筒组装至轴向拉力组件和底板之间，利用轴向拉力组件提供竖直方向的拉力并记录土体试样在竖直方向上的持续位移变化和拉力，利用径向剪力组件提供水平方向的剪力并记录土体试样在水平方向上的持续位移变化和剪力，绘制土体试样位移与应力的变化曲线，直接得到土体试样在拉伸剪切耦合作用下的强度。

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