CN115718041A - 多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为多功能全尺寸轮胎侧面‑岩土体接触面剪切特性测试方法，采用同一种测试装置进行全尺寸轮胎侧面‑岩土体接触面环剪试验和全尺寸轮胎侧面‑岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，所述测试装置包括用于实现竖直方向荷载加载的竖直加载机构、用于实现扭矩荷载施加的扭矩荷载施加机构、X方向水平荷载加载机构、Y方向水平荷载加载机构、齿轮扭杆、试验系统。不仅可进行全尺寸轮胎侧面‑岩土体接触面环剪试验还可以开展全尺寸轮胎侧面‑岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，克服了传统土工界面剪切试验装置功能单一的缺陷，突破了对轮胎侧面与不同岩土材料的接触面进行全尺寸界面力学特性测试试验的技术瓶颈。

Description

多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和地质工程试验技术领域，特别涉及一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试装置和方法。

背景技术

大量废轮胎堆积不仅占用土地，还会污染自然环境，如何科学、经济、高效地对废旧轮胎进行回收利用是亟待解决的重大现实问题。同时考虑到废旧轮胎具有良好的耐久性、环向抗拉性和胎面摩阻性等特点，废旧轮胎已被应用于加固岩土边坡、挡土墙、建筑基础地基等加筋土工程中。筋-土界面剪切力学行为是揭示加筋土工程的核心机理之一。

通常地，为最大限度发挥废旧轮胎对岩土的加固效益，废旧轮胎加筋土是将全尺寸轮胎整体埋入地下土层中。废旧轮胎-土的相互作用界面既有水平界面(轮胎侧面，安装轮毂所在方向的上下面)，也有竖直界面(轮胎胎面，使用时与地面接触的面)，其中当轮胎埋在土里时两个水平界面占废旧轮胎-土界面的绝大部分面积针对轮胎侧面的剪切实验研究具有重要意义。对于加筋土地基，尤其是废旧轮胎加筋土建筑地基，在多向风荷载作用下，建筑物地基与地基土是一种环状剪切，环剪过程中会引起土体与结构物接触面土体颗粒的空间排列发生改变，土体产生压缩并且影响上部结构的稳定性。然而，当前有关全尺寸废旧轮胎侧面-岩土体环剪试验仪器非常少，此外，现行的加筋土相关技术规范(如《公路土工合成材料应用技术规范(JTG/T D32-2012)》、《公路路基设计规范(JTG D30-2015)》和《铁路路基设计规范(TB 10001-2016)》等)尚无全尺寸废旧轮胎环剪力学特性测试的相关条文规定。

当前有关废旧轮胎剪切力学特性测试仪器的专利及文献大都是采用切割后的轮胎条。如申请号为201811093535.2的专利《用于轮胎条拉拔试验的试验装置及方法》，以及文献《大尺寸轮胎条-黄土混合物剪切特性试验研究[J].长江科学院院报,2019,36(09):125-130》同样也是只能采用的轮胎条/带进行水平单向直剪力学特性测试。事实上，废旧轮胎是一个整体，单纯的对轮胎条或者轮胎条组合进行直剪试验势必无法反映整个废旧轮胎轮胎侧面与土体的力学特性，更加无法反映接触面剪切力学各向异性特征。

进一步地，考虑到岩土本身所存在的非均质性和各向异性特征，以及轮胎侧面的非规则性质，采用单一方向的直剪试验来研究全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向剪切特性势必无法全面反映接触面剪切力学各向异性特征。

因此，如何设计一种试验装置既能进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验和全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，最大限度的提高设备利用率，节约成本，同时还能消除由于采用胎条/带组合形式使用传统试验仪器测试轮胎面力学性能所存在的尺寸效应影响显得尤为迫切。

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：提供一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，该方法不仅可进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验还可以开展全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，克服了传统土工界面剪切试验装置功能单一的缺陷，突破了对轮胎侧面与不同岩土材料的接触面进行全尺寸界面力学特性测试试验的技术瓶颈。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，其特征是，采用同一种测试装置进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验和全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，所述测试装置包括用于实现竖直方向荷载加载的竖直加载机构、用于实现扭矩荷载施加的扭矩荷载施加机构、X方向水平荷载加载机构、Y方向水平荷载加载机构、齿轮扭杆、试验系统，

所述试样系统包括矩形剪切盒(17)、单侧面轮胎(18)、空腔圆柱(19)、岩土体(20)、钢柱(21)和螺栓(22)，所述矩形剪切盒(17)为有底空心盒，所述矩形剪切盒(17)的底板设有若干插销孔(23)，所述单侧面轮胎(18)包括一个轮胎侧面和一个轮胎胎面，所述单侧面轮胎(18)的轮胎胎面设有若干圆孔，所述空腔圆柱(19)的侧面设有与单侧面轮胎(18)的轮胎胎面的圆孔相对应的螺孔，所述单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)通过螺栓(22)穿过相应的圆孔和螺孔固定连接成整体；所述空腔圆柱(19)的上部通过钢柱与齿轮扭杆的下部连接，所述岩土体(20)盛放于矩形剪切盒(17)内部；

所述齿轮扭杆的上部与竖直加载机构连接，所述齿轮扭杆的中部连接扭矩荷载施加机构；

所述水平荷载加载机构的输出轴线作用在矩形剪切盒上，在两组相互垂直的水平荷载加载机构的反方向均设置有弧形挡板，所述弧形挡板均通过伸缩链杆、滚珠丝轮实现与单侧面轮胎的轮胎胎面的接触限位；

测试方法的具体步骤是：

一、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验步骤：

S1，将矩形剪切盒(17)放置于水平地面上，准备一个完整的全尺寸废旧轮胎并将其中的一

个侧面切除研制成单侧面轮胎(18)，准备润滑剂并将其均匀涂抹在矩形剪切盒(17)

内部以及与齿轮扭杆(8)接触的部件的接触面上；

S2，根据试验工况确定岩土体(20)的类型、压实度、含水率，称取过量岩土体(20)材料；S3，将空腔圆柱(19)置入单侧面轮胎(18)中，微调空腔圆柱(19)的位置保证单侧面轮

胎(18)顶面的圆孔与空腔圆柱(19)侧面的螺孔对齐，采用螺栓(22)将单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)连接成整体；

S4，确定矩形剪切盒(17)中的岩土体(20)层数，采用分层压实方法将岩土体(20)由下

至上分层填筑并夯实，每夯实一层则检测该层的密度、含水率、颗粒比重这三项指标，若每层岩土体(20)的三项指标变化在设定阈值范围内即认为矩形剪切盒(17)的岩土体(20)性质均匀，反之，则需调整后重新填筑并再次检测，在进行最后一层夯实时，

需对顶层岩土体(20)进行错印满夯至顶面平整，随后用塑料布进行封装，静置24h；

S5，将塑料布移除，将连接成整体的单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)放置于矩形剪切盒(17)的正上方，微调位置使得单侧面轮胎(18)与岩土体(20)完整接触，并且保证

单侧面轮胎(18)中心线与岩土体(20)中心线完全重叠；

S6，将插销(24)插入地面的定位孔，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架(3)内，

缓慢下放试样系统使得插销(24)的另一端插入矩形剪切盒(17)的插销孔(23)内，

实现环剪试验过程中矩形剪切盒(17)保持不动；

S7，钢柱与空腔圆柱同轴连接成一体，将齿轮扭杆(8)插入钢柱(21)顶部的沉槽中，启

动竖直加载机构，使竖直加载机构的下端接触齿轮扭杆(8)的顶部，采用应力控制方

式施加预定上覆荷载，同时观测竖向位移H，当竖向位移H保持不变时再进行下个步骤；S8，启动扭矩荷载施加机构，扭矩荷载施加机构驱动齿轮扭杆转动，进而带动单侧面轮胎转

动，采用恒定剪切速率方式或恒定功率方式施加扭力，通过齿轮扭杆(8)的转动实现全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验，观测剪切位移L的大小，当剪切位移L达到

设定环剪阈值时停止试验；

S9，试验结束后先将扭力卸载，随后再将竖直加载机构施加的竖向应力卸载，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验；

二、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面X方向水平直剪试验步骤：

A1，重复S1～S5；此时与X方向安装的弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域不用

螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

A2，将滚珠轴排(31)置于地面并保证其位于竖直加载机构的正下方，用推车或者叉车将

试样系统整体置于装置中心，缓慢下放试样系统使得其坐于滚珠轴排(31)上；

A3，将X方向的弧形挡板的背部套孔插入一个伸缩链杆中，随后旋转与伸缩链杆连接的滚

珠丝轮使得伸缩链杆伸展，带动弧形挡板，当X方向弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮

胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；

A4，重复S7；

A5，启动X方向水平荷载加载机构，采用应力控制方式实现X方向水平荷载加载机构的加

载端与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，同时测

量水平位移S；当水平位移S增大到使应力-应变曲线形状水平时停止试验；

A6，通过竖直加载机构使竖直方向应力卸载，卸载X方向水平剪应力，旋转X方向的滚珠

丝轮使得与其连接的伸缩链杆回缩后移除X方向弧形挡板，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，至此完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面X方向水平直剪试验；

三、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面Y方向水平直剪试验步骤：

K1，重复A1～A2；此时与Y方向安装的弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域不用

螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

K2，将Y方向的弧形挡板的背部套孔插入一个伸缩链杆中，随后旋转与伸缩链杆连接的滚

珠丝轮使得伸缩链杆伸展，带动弧形挡板，当Y方向弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮

胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；

K3，重复A4；

K4，启动Y方向水平荷载加载机构，采用应力控制方式实现Y方向水平荷载加载机构的加

载端与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，同时测

量水平位移S；当水平位移S增大到使应力-应变曲线形状水平时停止试验；

K5，通过竖直加载机构使竖直方向应力卸载，卸载Y方向水平剪应力，旋转Y方向的滚珠

丝轮使得与其连接的伸缩链杆回缩后移除Y方向弧形挡板，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，至此完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面Y方向水平直剪试验。

第二方面，本发明提供一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试装置，包括数据采集系统，其特征是，采用一种测试装置进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验和全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，该测试装置包括反力架(3)、试样系统、齿轮扭杆；

所述反力架(3)由两个倒“U”型钢支架按十字交叉状组成，具有四个支腿，在反力架十字交叉的顶部内侧安装加载机(1)和伸缩压头(2)，通过加载机(1)内部活塞的往复运动实现伸缩压头(2)在竖直方向伸展及回缩，进而实现竖直方向荷载的输出与卸载，竖直方向荷载的大小主要用于模拟不同埋深；

所述试样系统包括矩形剪切盒(17)、单侧面轮胎(18)、空腔圆柱(19)、岩土体(20)、钢柱(21)和螺栓(22)，所述矩形剪切盒(17)由可拆卸的前、后、左、右以及底部五块钢板连接而成的有底空心盒，所述矩形剪切盒(17)的底板设有若干插销孔(23)，所述单侧面轮胎(18)是指从完整轮胎中切除一个侧面的剩余部分，包括一个轮胎侧面和一个轮胎胎面，所述单侧面轮胎(18)的轮胎胎面设有若干圆孔，所述空腔圆柱(19)的圆柱侧面设有与单侧面轮胎(18)的轮胎胎面上的圆孔相对应的螺孔，所述单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)通过螺栓(22)穿过相应的圆孔和螺孔固定连接成整体；所述钢柱(21)固定于空腔圆柱(19)的正上方，所述岩土体(20)盛放于矩形剪切盒(17)内部；所述空腔圆柱的外径小于单侧面轮胎的内径，二者能够通过螺栓固连在一起，且没有明显的褶皱；单侧面轮胎(18)的轮胎侧面与岩土体(20)完整接触，并且保证单侧面轮胎(18)中心线与岩土体(20)中心线完全重叠；矩形剪切盒的内部尺寸大于单侧面轮胎的外径尺寸，轮胎侧面只能与岩土体接触；

所述齿轮扭杆的下部和钢柱顶部沉槽形状一致，使得齿轮扭杆(8)下部能插入钢柱(21)顶部的沉槽中，并能由齿轮扭杆带动钢柱同步转动；所述齿轮扭杆的上部与伸缩压头连接，所述齿轮扭杆上还设置有齿部，齿部的圆周相对侧面上分别与一个齿轮条啮合，每个齿轮条分别由一个扭转气缸驱动，两个齿轮条长度方向的中线及齿轮扭杆齿部周向的中线同高度；

所述反力架上相邻的两个支腿上分别安装有一组水平荷载加载机构，两组水平荷载加载机构分别用于实现X方向水平荷载的施加和Y方向水平荷载的施加，所述水平荷载加载机构的输出轴线作用在矩形剪切盒上；所述反力架的另外两个支腿上分别安装有一个滚珠丝轮，所述滚珠丝轮的轴向通过伸缩链杆固定安装有弧形挡板，所述弧形挡板作用在单侧面轮胎的轮胎胎面上，且弧形挡板不与单侧面轮胎的轮胎胎面固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明多功能全尺寸的轮胎侧面-土接触面剪切特性测试装置和方法，属于岩土工程及地质工程试验技术领域，能通过同一种试验装置开展两种不同类型的室内试验，本装置使用安全，操作方面且试验精度高，克服了传统土工界面剪切试验装置功能单一的缺陷，满足了轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验和水平方向各向异性直剪试验的要求；消除了传统试验仪器测试轮胎面力学性能所存在的尺寸效应影响(采用轮胎条、轮胎带或者它们的组合)，突破了对轮胎侧面与不同岩土材料的接触面进行全尺寸界面力学特性测试试验的技术瓶颈，为现行岩土材料与轮胎接触面剪切特性测试技术与规范提供有益补充，为促进废旧轮胎在各类工程中的应用提供技术支持。

2)本申请可进行X方向和Y方向的水平直剪，即各向异性剪切试验；无论是进行X方向直剪，还是Y方向直剪，本申请均只需要调配相应方向的一个弧形挡板结构(如进行X方向直剪时，调用25、27和29，进行Y方向直剪时，调用26、28和30)，使用同一个测试装置完成两个方向的水平直剪，结构操作更加简单。本申请中弧形挡板结构仅与单侧面轮胎的轮胎胎面接触，但不通过外接件固定，不会在施加竖向位移时使弧形挡板连接的伸缩链杆发生完全变形。

2)本申请创造性的将平推式直剪试验和扭转环剪试验在同一个装置上实现，在进行直剪试验时既要保证竖向荷载施加不会使得伸缩链杆产生弯曲，同时剪切盒与地面摩擦尽可能降低，并且尽可能的简化装置结构，提高零件的利用效率，通过齿轮扭杆不仅可以传递竖向应力，同时还能传递扭力；进行环剪试验时一方面要固定剪切盒不产生位移，另一方面又要保证扭力的施加是对称，即不产生非对称力矩，并且实现竖向荷载及扭力荷载的叠加，本申请装置能够满足上述要求。

3)本申请装置在进行某一类型试验时(水平剪切或环剪)，并不需要把其它剪切试验类型的仪器或者零件进行拆除，即无需重复性的进行试验装置拆卸与组装，可根据试验类型灵活选择所需要的试验零件，此外，本装置将伺服电机、弧形挡板和伸缩链杆布设在反力架的内部下方，将扭转气缸布设在反力架的外侧，简化了装置结构，更有效的利用了反力架内部的空间，各仪器不仅各司其职，同时必要的时候部分零件还能叠加使用。

附图说明

图1为本发明一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试装置的整体结构示意图；

图2为图1中A-A剖面的结构示意图；

图3为一种实施例的齿轮扭杆的结构示意图；

图4为矩形剪切盒结构示意图

图5为矩形剪切盒底板结构示意图；

图6为弧形挡板的结构示意图；

图7为钢柱的结构示意图；

图8为滚珠轴排的结构示意图；

图9全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验步骤；

图10全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验(X和Y方向)步骤；

图11环剪试验中的拉拔力-位移曲线；

图12水平方向各向异性直剪试验直剪试验的剪应力-位移曲线。

图中：1加载机、2伸缩压头、3反力架、4第一扭转气缸、5第二扭转气缸、6第一齿轮条、7第二齿轮条、8齿轮扭杆、9第一水平支撑板、10第一立柱、11第二水平支撑板、12第二立柱、13第一伺服电机、14第二伺服电机、15第一加载压头、16第二加载压头、17矩形剪切盒、18单侧面轮胎、19空腔圆柱、20岩土体、21钢柱、22螺栓、23插销孔、24插销、25第一弧形挡板、26第二弧形挡板、27第一伸缩链杆、28第二伸缩链杆、29第一滚珠丝轮、30第二滚珠丝轮、31滚珠轴排。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，

本发明一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试装置和方法，提供一种试验装置进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验还可以开展全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，该装置包括动力系统、试样系统和支撑固定系统。

动力系统中的竖直方向荷载的实现是通过加载机及伸缩压头联合使用，主要用于模拟轮胎的不同埋深；

动力系统中扭矩荷载的实现可以是通过扭转气缸、齿轮条和齿轮扭杆的联合使用，主要用于进行环剪试验；也可以通过调速器、齿轮带和齿轮扭杆形式联合实现，此时调速器和齿轮扭杆的齿部通过齿轮带连接，调速器的齿部与齿轮带啮合，齿轮扭杆的齿部与齿轮带啮合，形成类似履带传动方式，调速器通过相应的支撑结构固定以保证调速器连接的齿部与齿轮扭杆上的齿部同高度，调速器可以改变转动方向，以实现扭矩加载和卸载；也可以通过皮带及带轮形式实现对齿轮扭杆扭矩的施加等；

动力系统中水平方向荷载的实现是通过伺服电机和加载压头，主要用于进行水平方向各向异性直剪试验；

试样系统包括矩形剪切盒、岩土体、单侧面轮胎、空腔圆柱、钢柱；

支撑固定系统包括反力架、插销、弧形挡板以及伸缩链杆。

所述动力系统中竖直方向荷载的施加主要通过加载机(1)和伸缩压头(2)联合实现，所述加载机(1)和伸缩压头(2)安装在反力架(3)顶部内侧，通过加载机(1)内部活塞的往复运动实现伸缩压头(2)在竖直方向伸展及回缩，进而实现竖直方向荷载的输出与卸载，竖直方向荷载的大小主要用于模拟不同埋深；

所述动力系统中扭矩荷载的施加主要通过第一扭转气缸(4)、第二扭转气缸(5)、第一齿轮条(6)、第二齿轮条(7)和齿轮扭杆(8)联合实现，第一扭转气缸(4)与第一齿轮条(6)连接成整体，启动扭转气缸就能使得齿轮条伸缩，一种可行的方式第一扭转气缸的输出端通过转接头第一齿轮条连接，所述第一齿轮条为长方条状，在其沿长度方向的侧面上设置有齿，所述转接头一端与扭转气缸的输出端螺纹配合，另一端开设有固定安装第一齿轮条的卡槽；第一扭转气缸(4)位于反力架(3)左侧外部，并固定于第一水平支撑板(9)的上方，所述第一水平支撑板(9)固定于第一立柱(10)的上方；

所述第二扭转气缸(5)与第二齿轮条(7)连接成整体，第二扭转气缸位于反力架(3)右侧外部，并固定于第二水平支撑板(11)的上方，所述第二水平支撑板(11)固定于第二立柱(12)的上方，通过第一扭转气缸(4)和第二扭转气缸(5)中轴承的转动分别带动第一齿轮条(6)和第二齿轮条(7)在水平方向伸缩，第一齿轮条(6)和第二齿轮条(7)位于齿轮扭杆的两个相对面上，且均与齿轮扭杆啮合，进而使得齿轮扭杆(8)发生转动，从而获得扭矩荷载，此种方式扭矩施加使得扭矩施加的更加平衡；第一齿轮条和第二齿轮条的安装高度均以能与齿轮扭杆上的齿部相啮合为准。

所述动力系统中水平方向荷载的施加主要通过第一伺服电机(13)、第二伺服电机(14)、第一加载压头(15)和第二加载压头(16)联合实现，所述第一伺服电机(13)和第一加载压头(15)连接成整体位于反力架(3)左侧内部下方，所述第二伺服电机(14)和第二加载压头(16)连接成整体位于反力架(3)正侧内部下方，两个加载压头呈90°正交布置；通过第一伺服电机(13)内部油缸运动实现第一加载压头(15)的伸缩，进而实现X方向水平荷载的施加，通过第二伺服电机(14)内部油缸运动实现第二加载压头(16)的伸缩，进而实现Y方向水平荷载的施加；在进行X方向水平荷载施加时，Y方向水平荷载始终为零，在进行Y方向水平荷载施加时，X方向水平荷载始终为零；

所述试样系统包括矩形剪切盒(17)、单侧面轮胎(18)、空腔圆柱(19)、岩土体(20)、钢柱(21)和螺栓(22)，所述矩形剪切盒(17)是由可拆卸的前、后、左、右以及底部五块钢板连接而成的有底空心盒，所述矩形剪切盒(17)的底板设有若干用于与地面固定的插销孔(23)，所述单侧面轮胎(18)是指从完整轮胎中切除一个侧面的剩余部分，包括一个轮胎侧面和一个轮胎胎面，所述单侧面轮胎(18)的轮胎胎面设有若干圆孔，所述空腔圆柱(19)的圆柱侧面设有与单侧面轮胎(18)的轮胎胎面上的圆孔相对应的螺孔，所述单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)通过螺栓(22)穿过相应的圆孔和螺孔固定连接成整体；所述钢柱(21)固定于空腔圆柱(19)的正上方，所述岩土体(20)盛放于矩形剪切盒(17)内部；所述空腔圆柱的外径略小于单侧面轮胎的内径，二者能够通过螺栓固连在一起，且没有明显的褶皱；单侧面轮胎(18)的轮胎侧面与岩土体(20)完整接触，并且保证单侧面轮胎(18)中心线与岩土体(20)中心线完全重叠；矩形剪切盒的内部尺寸大于单侧面轮胎的外径尺寸，轮胎侧面只能与岩土体接触，不与矩形剪切盒的内壁接触。

所述支撑固定系统包括反力架(3)、插销(24)、第一弧形挡板(25)、第二弧形挡板(26)、第一伸缩链杆(27)、第二伸缩链杆(28)、第一滚珠丝轮(29)和第二滚珠丝轮(30)，所述第一伸缩链杆(27)与第一弧形挡板(25)位于反力架(3)右侧内部中下方，所述第二伸缩链杆(28)与第二弧形挡板(26)位于反力架(3)背面侧内部中下方，所述第一弧形挡板(25)和第二弧形挡板(26)外侧设有套孔，所述第一伸缩链杆(27)和第二伸缩链杆(28)的一端固定在反力架(3)上，另一端可插入对应的第一弧形挡板(25)和第二弧形挡板(26)的外侧套孔，通过伸缩链杆的伸展实现弧形挡板与单侧面轮胎(18)的紧密接触，进而实现试样系统中的单侧面轮胎(18)固定不动；通过插销(24)连接矩形剪切盒(17)底板的插销孔(23)以及地面的定位孔进而实现试验系统中的矩形剪切盒(17)固定不动。两个弧形挡板均与单侧面轮胎紧密接触，且两个弧形挡板中心线之间的夹角为90°，且两个弧形挡板与两个加载压头在空间上呈十字交叉布置。

通过销孔的设置使得当进行环剪试验时矩形剪切盒(17)保持不动，当进行水平方向各向异性直剪试验时单侧面轮胎(18)、空腔圆柱(19)和钢柱(21)保持不动。

所述齿轮扭杆的下部和钢柱顶部沉槽形状一致，使得齿轮扭杆(8)下部可插入钢柱(21)顶部的沉槽中，并能由齿轮扭杆带动钢柱同步转动。优选地，所述齿轮扭杆(8)下部为扁平状或六边形状，所述钢柱(21)顶部设有与齿轮扭杆(8)底部形状相对应的扁平状或六边形状沉槽。

本发明中所述全尺寸是指单侧面轮胎的剩余轮胎的侧面并没有进行任何切除，保留了原始形状和粗糙度及尺寸等，为一种全尺寸状态，测试轮胎侧面与岩土体接触面的剪切性能，包括X方向直剪试验和Y方向的直剪试验、环剪试验。

矩形剪切盒(17)内部通常会铺设有塑料膜或均匀涂抹有润滑剂，用于减少岩土体(20)与矩形剪切盒(17)中的前、后、左、右以及底部五块钢板的摩擦。

齿轮扭杆(8)顶部和伸缩压头(2)底部均涂抹有润滑油，用于减少环剪试验时齿轮扭杆(8)顶部与伸缩压头(2)底部的摩擦影响。

所述岩土体(20)可以是堆积体、土石混合体和土体以及建筑垃圾等多种岩土材料；

所述反力架(3)是由两个倒“U”型钢支架按十字交叉状组成。

本实施例中反力架内部下方布设伺服电机和弧形挡板结构等，反力架外部中上方布设扭转气缸，实现了同一装置进行不同类型剪切试验的目的；空腔圆柱和钢柱的联合使用实现对整个轮胎侧面-岩土体接触面进行剪切试验，避免了以往试验仪器只能进行轮胎条、轮胎片或者它们的组合而带来的尺寸效应影响；当进行环剪试验时，圆柱空腔与单侧面轮胎的四周均采用螺栓连接，当进行直剪试验时，与支撑挡板相接触的单侧面轮胎不用螺栓连接，其余采用螺栓连接，保证伸缩链杆不产生弯曲，螺栓连接的取舍可根据试验类型的不同灵活选择，保证不同类型试验的顺利正常进行；齿轮扭杆可传递竖向荷载，并且齿轮扭杆底部为扁平状且中上部设有啮齿，配合齿轮条的伸缩以及钢柱等可完美实现扭力荷载的施加，进行环剪试验；反力架的外侧对称布设2个扭转气缸与齿轮条，可保证不产生非对称力矩。

一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试试验方法，当进行环剪试验时，圆柱空腔与单侧面轮胎的四周均采用螺栓连接，XY方向水平荷载完全不启动，当进行直剪试验时，与直剪方向相同的弧形挡板相接触的单侧面轮胎不用螺栓连接，其余采用螺栓连接，保证伸缩连杆不会在竖直方向荷载改变时而产生弯曲，螺栓连接的取舍可根据试验类型的不同灵活选择，保证不同类型试验的顺利正常进行，在进行X方向水平直剪时，通过X方向弧形挡板可以不让其发生X方向的位移，在进行Y方向水平直剪时，通过Y方向弧形挡板可以不让其发生Y方向的位移；具体步骤如下：

一、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验步骤：(在环剪时不需要滚珠轴排31，但需要插销24，见图2)

S1，组装矩形剪切盒(17)并将其放置于水平地面上，准备一个完整的全尺寸废旧轮胎并将

其中的一个侧面切除研制成单侧面轮胎(18)，准备润滑剂并将其均匀涂抹在矩形剪切

盒(17)内部以及齿轮扭杆(8)顶部和伸缩压头(2)底部；

S2，根据试验工况确定岩土体(20)的类型、压实度、含水率，称取稍过量的岩土体(20)

材料备用；

S3，将空腔圆柱(19)置入单侧面轮胎(18)中，微调空腔圆柱(19)的位置保证单侧面轮

胎(18)的轮胎胎面的圆孔与空腔圆柱(19)侧面的螺孔对齐，采用螺栓(22)将单侧

面轮胎(18)和空腔圆柱(19)连接成整体；

S4，确定矩形剪切盒(17)中的岩土体(20)层数，采用分层压实方法将岩土体(20)由下

至上分层填筑并夯实，每夯实一层则检测该层的三项指标(密度、含水率、颗粒比重)，若每层岩土体(20)的三项指标变化不大即可认为矩形剪切盒(17)的岩土体(20)性质均匀，反之，则需调整后重新填筑并再次检测，在进行最后一层夯实时，需对顶层岩

土体(20)进行错印满夯至顶面平整，随后用塑料布进行封装，静置24h；

S5，将塑料布移除，将连接成整体的单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)放置于矩形剪切盒(17)的正上方，微调位置使得单侧面轮胎(18)与岩土体(20)完整接触，并且保证

单侧面轮胎(18)中心线与岩土体(20)中心线完全重叠；

S6，将插销(24)插入地面的定位孔，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架(3)内，

缓慢下放试样系统使得插销(24)的另一端插入矩形剪切盒(17)底板的插销孔(23)

内，实现环剪试验过程中矩形剪切盒(17)保持不动；

S7，将齿轮扭杆(8)插入钢柱(21)顶部的扁平状沉槽中，启动加载机(1)使得伸缩压头(2)接触齿轮扭杆(8)的顶部，采用应力控制方式施加预定上覆荷载，同时观测竖向

位移H，当竖向位移H基本保持不变时再进行下个步骤；

S8，同时启动反力架左右两侧的第一扭转气缸(4)和第二扭转气缸(5)，使得第一齿轮条(6)和第二齿轮条(7)同时与齿轮扭杆(8)预接触，采用恒定剪切速率或恒定功率等方式施加扭力，通过齿轮扭杆(8)的转动实现全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试

验，观测剪切位移L的大小，当剪切位移L达到设定阈值时停止试验；

S9，试验结束后先将扭力卸载，随后再将竖向应力卸载，取出齿轮扭杆(8)，从反力架(3)

中移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)。

二、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验(X方向)步骤：(此时第二加载压头和第二滚珠丝轮不工作)

A1，重复S1～S5；此时与X方向安装的第一弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域

不用螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

A2，将滚珠轴排(31)置于地面并保证其位于加载机(1)的正下方，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架(3)内，缓慢下放试样系统使得其坐于滚珠轴排(31)上；

A3，将第一弧形挡板(25)的背部套孔插入第一伸缩链杆(27)中，随后旋转第一滚珠丝轮(29)使得第一伸缩链杆(27)伸展，带动第一弧形挡板(25)，当第一弧形挡板(25)缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；

A4，重复S7；

A5，启动第一伺服电机(13)，采用应力控制方式实现第一加载压头(15)与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到40mm时停止试验；

A6，通过加载机(1)使竖直方向应力卸载，第一伺服电机(13)使X方向水平剪应力卸载，旋转第一滚珠丝轮(29)使得第一伸缩链杆(27)回缩后移除第一弧形挡板(25)，取出齿轮扭杆(8)，从反力架(3)中移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)；

三、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验(Y方向)步骤：(此时第一加载压头和第一滚珠丝轮不工作)

K1，重复A1～A2；此时与Y方向安装的第二弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域不用螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

K2，将第二弧形挡板(26)的背部套孔插入第二伸缩链杆(28)中，随后旋转第二滚珠丝轮(30)使得第二伸缩链杆(28)伸展，带动第二弧形挡板(26)，当第二弧形挡板(26)缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；；

K3，重复A4；

K4，启动第二伺服电机(14)，采用应力控制方式实现第二加载压头(16)与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加Y方向水平剪应力，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到使应力-应变曲线形状基本水平时停止试验，本实施例中当水平位移S增大到40mm时停止试验；

K5，通过加载机(1)使竖直方向应力卸载，第二伺服电机(14)使Y方向水平剪应力卸载，旋转第二滚珠丝轮(30)使得第二伸缩链杆(28)回缩后移除第二弧形挡板(26)，取出齿轮扭杆(8)，从反力架(3)中移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)。

实施例1

本发明的全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验步骤如图9所示。

试验材料准备并确定试验工况(涉及S1～S2)。加工研制一个单侧面轮胎，轮胎侧面的形状为圆形，轮胎外径150mm，轮胎皮厚度10mm；组装矩形剪切盒，其内部长×宽×高尺寸为600mm×600mm×230mm，轮胎埋深为2.0m(埋深指的是轮胎埋入土体中的深度，改变该数值能够调整轮胎侧面所受到的竖向应力)，准备润滑剂涂抹并将其均匀涂抹在矩形剪切盒内部及齿轮扭杆顶部和伸缩压头底部；岩土体类型选用碎石土，其中碎石含量为40％，含水量23％，天然密度2.0g/cm³，填料在矩形剪切盒内的压实度为65％。

试样系统准备(涉及S3～S4)。将空腔圆柱置入单侧面轮胎中，使得轮胎侧面位于空腔圆柱下方，微调空腔圆柱19的位置(微调的目的是将轮胎顶面的螺孔与空腔圆柱侧面的螺孔对齐，方便拧紧螺栓；位于空腔圆柱的下方是指单侧面轮胎的侧面与空腔圆柱的底面接触；轮胎的高度通常不大于空腔圆柱19的高度)，采用螺栓将单侧面轮胎和空腔圆柱连接成整体；采用分层法将碎石土装填入矩形剪切盒中，第1～4层的碎石土厚度为50mm，每夯实一层检测该层的三项指标(密度、含水率、颗粒比重)，装填好第4层后，采用错印满夯方法进行第五层(厚度为30m)装填并且顶面需夯平，随后用塑料布封装后静置24h。

试验系统对中(涉及S5-S6)。将塑料布移除，将连接成整体的单侧面轮胎和空腔圆柱等放置于矩形剪切盒的正上方，微调位置使得单侧面轮胎与岩土体完整接触，并且二者的中心线完全重叠，将插销插入地面的定位孔，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架内，缓慢下放试样系统使得插销的另一端插入矩形剪切盒底板的插销孔内，实现环剪试验过程中矩形剪切盒保持不动；

竖直荷载施加(涉及S7)。将齿轮扭杆插入钢柱顶部的扁平状沉槽中，启动加载机，使得伸缩压头接触齿轮扭杆的顶部，并将所有位移数据和应力数据清零；采用应力控制方式逐级施加竖直总荷载40KN(相当于埋深为2.0m所产生的总重力，每一级荷载为10KN)，同时采观测竖向位移H。在逐级施加荷载时，当竖向位移H连续5分钟小于0.02mm/min，即可进行下一级加载。当总竖向位移在1个小时内的变化量不大于总位移量的1％，认为竖向位移基本保持不变。

环剪试验进行(涉及S8)。同时启动反力架左右两侧的第一扭转气缸和第二扭转气缸，使得第一齿轮条(6)和第二齿轮条同时与齿轮扭杆预接触，当扭力显示为1N·M时则认为实现预接触，设定恒定剪切速率为0.5mm/min，通过齿轮扭杆的转动实现尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验，观测剪切位移L的大小，当剪切位移L约为1000mm时停止环剪试验。所得环剪试验结果见图11。本实施例中环剪阈值为1000mm。

试验结束后材料清理和装置移除(涉及S9)。先将扭力卸载，随后再将竖向应力卸载，取出齿轮扭杆，从反力架中移出试样系统，拆除单侧面轮胎并清理岩土体。

实施例2

本发明的全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验(X方向)如图10所示。

试验材料准备，确定试验工况并组装矩形剪切(涉及A1中的S1～S2)。加工研制一个单侧面轮胎，轮胎侧面的形状为圆形，轮胎外径150mm，轮胎皮厚度10mm；组装矩形剪切盒，其内部长×宽×高尺寸为600mm×600mm×230mm，轮胎埋深为1.5m，准备润滑剂涂抹并将其均匀涂抹在矩形剪切盒内部及齿轮扭杆顶部和伸缩压头底部；岩土体类型选用碎石土，其中碎石含量为60％，含水量0％，天然密度1.9g/cm³，填料在箱体内的压实度为85％。

试样系统准备(涉及A1中的S3～S4)。将空腔圆柱置入单侧面轮胎中，使得轮胎侧面位于空腔圆柱下方，微调空腔圆柱的位置，采用螺栓将单侧面轮胎和空腔圆柱连接成整体；采用分层法将碎石土装填入矩形剪切盒中，每夯实一层检测该层的三项指标(密度、含水率、颗粒比重)，第1～4层碎石土的厚度均为50mm，装填好第4层后，采用错印满夯方法进行第5层(厚度为30m)装填并且顶面需夯平，随后用塑料布封装后静置24h。

试样系统对中(涉及A1中的S5)。将塑料布移除，将连接成整理的单侧面轮胎和空腔圆柱等放置于矩形剪切盒的正上方，微调位置使得单侧面轮胎与岩土体完整接触，并且二者的中心线完全重叠。

试样系统摆放及X方向空腔圆柱支挡(涉及A2～A3)。将滚珠轴排置于地面并保证其位于加载机的正下方，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架内，缓慢下放试样系统使得其坐于滚珠轴排上，随后将第一弧形挡板的背部套孔插入第一伸缩链杆中，随后手动旋转第一滚珠丝轮使得第一伸缩链杆带动第一弧形挡板伸展，当第一弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动，实现X方向直剪试验过程中空腔圆柱及单侧面轮胎等保持不动。

竖直荷载施加(涉及A4)。将齿轮扭杆插入钢柱顶部的扁平状沉槽中，启动加载机，使得伸缩压头接触齿轮扭杆的顶部，并将所有位移数据和应力数据清零；采用应力控制方式逐级施加竖直总荷载30KN(相当于埋深为1.5m所产生的总重力，每一级荷载为5KN)，同时采观测竖向位移H。在逐级施加荷载时，当竖向位移H连续5分钟小于0.02mm/min，即可进行下一级加载。当总垂向位移在1个小时内的变化量不大于总位移量的1％，认为竖向位移基本保持不变。

各向异性直剪试验进行(X方向，涉及A5)。启动第一伺服电机，采用应力控制方式实现第一加载压头与矩形剪切盒预接触，当接触应力为0.1N时认为预接触完成，随后采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，应变控制的剪切速率为0.001mm/min，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到40mm时停止试验。所得X方向直剪试验结果见图12。

试验结束后材料清理和装置移除(涉及A6)。先将竖直方向应力卸载，随后用第一伺服电机将X方向水平剪应力卸载，紧接着旋转第一滚珠丝轮使得第一伸缩链杆回缩后移除第一弧形挡板，再取出齿轮扭杆，最后从反力架中移出试样系统，拆除单侧面轮胎并清理岩土体。

实施例3

本实施例全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验(Y方向)如图10所示。

试验材料准备，确定试验工况并组装矩形剪切(涉及K1中的S1～S2)。加工研制一个单侧面轮胎，轮胎侧面的形状为圆形，轮胎外径150mm，轮胎皮厚度10mm；组装矩形剪切盒，其内部长×宽×高尺寸为600mm×600mm×230mm，轮胎埋深为1.5m，准备润滑剂涂抹并将其均匀涂抹在矩形剪切盒内部及齿轮扭杆顶部和伸缩压头底部；岩土体类型选用碎石土，其中碎石含量为60％，含水量0％，天然密度1.9g/cm³，填料在箱体内的压实度为85％。

试样系统准备(涉及K1中的S3～S4)。将空腔圆柱置入单侧面轮胎中，使得轮胎侧面位于空腔圆柱下方，微调空腔圆柱的位置，采用螺栓将单侧面轮胎和空腔圆柱连接成整体，此时避开第二弧形挡板所覆盖区域；采用分层法将碎石土装填入矩形剪切盒中，每夯实一层检测该层的三项指标(密度、含水率、颗粒比重)，第1～4层碎石土的厚度均为50mm，装填好第4层后，采用错印满夯方法进行第5层(厚度为30m)装填并且顶面需夯平，随后用塑料布封装后静置24h。

试样系统局部微调(涉及K1中的S5)。将塑料布移除，将连接成整理的单侧面轮胎和空腔圆柱等放置于矩形剪切盒的正上方，微调位置使得单侧面轮胎与岩土体完整接触，并且二者的中心线完全重叠。

试样系统摆放及Y方向空腔圆柱支挡(涉及K1中A2和K2)。将滚珠轴排置于地面并保证其位于加载机的正下方，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架内，缓慢下放试样系统使得其坐于滚珠轴排上，随后将第一弧形挡板的背部套孔插入第二伸缩链杆中，随后手动旋转第二滚珠丝轮使得第二伸缩链杆带动第二弧形挡板伸展，当第二弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时第二滚珠丝轮固定不动，实现Y方向直剪试验过程中空腔圆柱及单侧面轮胎等保持不动。

竖直荷载施加(涉及K3)。将齿轮扭杆插入钢柱顶部的扁平状沉槽中，启动加载机，使得伸缩压头接触齿轮扭杆的顶部，并将所有位移数据和应力数据清零；采用应力控制方式逐级施加竖直总荷载30KN(相当于埋深为1.5m所产生的总重力，每一级荷载为5KN)，同时采观测竖向位移H。在逐级施加荷载时，当竖向位移H连续5分钟小于0.02mm/min，即可进行下一级加载。当总垂向位移在1个小时内的变化量不大于总位移量的1％，认为竖向位移基本保持不变。

各向异性直剪试验进行(Y方向，涉及K4)。启动第二伺服电机，采用应力控制方式实现第一加载压头与矩形剪切盒预接触，当接触应力为0.1N时认为预接触完成，随后采用应变控制方式施加Y方向水平剪应力，应变控制的剪切速率为0.001mm/min，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到40mm时停止试验。所得Y方向水平直剪试验结果见图12。

试验结束后材料清理和装置移除(涉及K5)。先将竖直方向应力卸载，随后用第二伺服电机将Y方向水平剪应力卸载，紧接着旋转第一滚珠丝轮使得第二伸缩链杆回缩后移除第二弧形挡板，再取出齿轮扭杆，最后从反力架中移出试样系统，拆除单侧面轮胎并清理岩土体。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，其特征是，采用同一种测试装置进行全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验和全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面水平方向各向异性直剪试验，所述测试装置包括用于实现竖直方向荷载加载的竖直加载机构、用于实现扭矩荷载施加的扭矩荷载施加机构、X方向水平荷载加载机构、Y方向水平荷载加载机构、齿轮扭杆、试验系统，

所述试样系统包括矩形剪切盒(17)、单侧面轮胎(18)、空腔圆柱(19)、岩土体(20)、钢柱(21)和螺栓(22)，所述矩形剪切盒(17)为有底空心盒，所述矩形剪切盒(17)的底板设有若干插销孔(23)，所述单侧面轮胎(18)包括一个轮胎侧面和一个轮胎胎面，所述单侧面轮胎(18)的轮胎胎面设有若干圆孔，所述空腔圆柱(19)的侧面设有与单侧面轮胎(18)的轮胎胎面的圆孔相对应的螺孔，所述单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)通过螺栓(22)穿过相应的圆孔和螺孔固定连接成整体；所述空腔圆柱(19)的上部通过钢柱与齿轮扭杆的下部连接，所述岩土体(20)盛放于矩形剪切盒(17)内部；

所述齿轮扭杆的上部与竖直加载机构连接，所述齿轮扭杆的中部连接扭矩荷载施加机构；

所述水平荷载加载机构的输出轴线作用在矩形剪切盒上，在两组相互垂直的水平荷载加载机构的反方向均设置有弧形挡板，所述弧形挡板均通过伸缩链杆、滚珠丝轮实现与单侧面轮胎的轮胎胎面的接触限位；

测试方法的具体步骤是：

一、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验步骤：

S1，将矩形剪切盒(17)放置于水平地面上，准备一个完整的全尺寸废旧轮胎并将其中的一个侧面切除研制成单侧面轮胎(18)，准备润滑剂并将其均匀涂抹在矩形剪切盒(17)

内部以及与齿轮扭杆(8)接触的部件的接触面上；

S2，根据试验工况确定岩土体(20)的类型、压实度、含水率，称取过量岩土体(20)材料；

S3，将空腔圆柱(19)置入单侧面轮胎(18)中，微调空腔圆柱(19)的位置保证单侧面轮胎(18)顶面的圆孔与空腔圆柱(19)侧面的螺孔对齐，采用螺栓(22)将单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)连接成整体；

S4，确定矩形剪切盒(17)中的岩土体(20)层数，采用分层压实方法将岩土体(20)由下至上分层填筑并夯实，每夯实一层则检测该层的密度、含水率、颗粒比重这三项指标，

若每层岩土体(20)的三项指标变化在设定阈值范围内即认为矩形剪切盒(17)的岩土体(20)性质均匀，反之，则需调整后重新填筑并再次检测，在进行最后一层夯实时，

需对顶层岩土体(20)进行错印满夯至顶面平整，随后用塑料布进行封装，静置24h；

S5，将塑料布移除，将连接成整体的单侧面轮胎(18)和空腔圆柱(19)放置于矩形剪切盒(17)的正上方，微调位置使得单侧面轮胎(18)与岩土体(20)完整接触，并且保证单侧面轮胎(18)中心线与岩土体(20)中心线完全重叠；

S6，将插销(24)插入地面的定位孔，用推车或者叉车将试样系统整体置于反力架(3)内，

缓慢下放试样系统使得插销(24)的另一端插入矩形剪切盒(17)的插销孔(23)内，

实现环剪试验过程中矩形剪切盒(17)保持不动；

S7，钢柱与空腔圆柱同轴连接成一体，将齿轮扭杆(8)插入钢柱(21)顶部的沉槽中，启动竖直加载机构，使竖直加载机构的下端接触齿轮扭杆(8)的顶部，采用应力控制方式施加预定上覆荷载，同时观测竖向位移H，当竖向位移H保持不变时再进行下个步骤；

S8，启动扭矩荷载施加机构，扭矩荷载施加机构驱动齿轮扭杆转动，进而带动单侧面轮胎转动，采用恒定剪切速率方式或恒定功率方式施加扭力，通过齿轮扭杆(8)的转动实现全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验，观测剪切位移L的大小，当剪切位移L达到设定环剪阈值时停止试验；

S9，试验结束后先将扭力卸载，随后再将竖直加载机构施加的竖向应力卸载，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面环剪试验；

二、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面X方向水平直剪试验步骤：

A1，重复S1～S5；此时与X方向安装的弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域不用螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

A2，将滚珠轴排(31)置于地面并保证其位于竖直加载机构的正下方，用推车或者叉车将试样系统整体置于装置中心，缓慢下放试样系统使得其坐于滚珠轴排(31)上；

A3，将X方向的弧形挡板的背部套孔插入一个伸缩链杆中，随后旋转与伸缩链杆连接的滚珠丝轮使得伸缩链杆伸展，带动弧形挡板，当X方向弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；

A4，重复S7；

A5，启动X方向水平荷载加载机构，采用应力控制方式实现X方向水平荷载加载机构的加载端与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到使应力-应变曲线形状水平时停止试验；

A6，通过竖直加载机构使竖直方向应力卸载，卸载X方向水平剪应力，旋转X方向的滚珠丝轮使得与其连接的伸缩链杆回缩后移除X方向弧形挡板，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，至此完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面X方向水平直剪试验；

三、全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面Y方向水平直剪试验步骤：

K1，重复A1～A2；此时与Y方向安装的弧形挡板相接触的单侧面轮胎的轮胎胎面区域不用螺栓连接空腔圆柱，其余区域仍采用螺栓连接；

K2，将Y方向的弧形挡板的背部套孔插入一个伸缩链杆中，随后旋转与伸缩链杆连接的滚珠丝轮使得伸缩链杆伸展，带动弧形挡板，当Y方向弧形挡板缓慢推至紧贴单侧面轮胎的轮胎胎面时滚珠丝轮固定不动；

K3，重复A4；

K4，启动Y方向水平荷载加载机构，采用应力控制方式实现Y方向水平荷载加载机构的加载端与矩形剪切盒(17)预接触，采用应变控制方式施加X方向水平剪应力，同时测量水平位移S；当水平位移S增大到使应力-应变曲线形状水平时停止试验；

K5，通过竖直加载机构使竖直方向应力卸载，卸载Y方向水平剪应力，旋转Y方向的滚珠丝轮使得与其连接的伸缩链杆回缩后移除Y方向弧形挡板，取出齿轮扭杆(8)，移出试样系统，拆除单侧面轮胎(18)并清理岩土体(20)，至此完成全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面Y方向水平直剪试验。

2.根据权利要求1所述的多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，其特征是，所述测试装置包括反力架，所述反力架由两个倒“U”型钢支架按十字交叉状组成，具有四个支腿，所述竖直加载机构包括加载机(1)和伸缩压头(2)，所述加载机(1)和伸缩压头(2)安装在反力架(3)顶部内侧，通过加载机(1)内部活塞的往复运动实现伸缩压头(2)在竖直方向伸展及回缩，进而实现竖直方向荷载的输出与卸载，竖直方向荷载的大小主要用于模拟不同埋深；

所述扭矩荷载施加机构包括第一扭转气缸(4)、第二扭转气缸(5)、第一齿轮条(6)、第二齿轮条(7)和齿轮扭杆(8)联合实现，第一扭转气缸(4)与第一齿轮条(6)连接成整体位于反力架(3)左侧支腿外部，并固定于第一水平支撑板(9)的上方，所述第一水平支撑板(9)固定于第一立柱(10)的上方，所述第二扭转气缸(5)与第二齿轮条(7)连接成整体位于反力架(3)右侧支腿外部，并固定于第二水平支撑板(11)的上方，所述第二水平支撑板(11)固定于第二立柱(12)的上方，通过第一扭转气缸(4)和第二扭转气缸(5)中轴承的转动分别带动第一齿轮条(6)和第二齿轮条(7)在水平方向伸缩，进而使得齿轮扭杆(8)发生转动，从而获得扭矩荷载；

所述X方向水平荷载加载机构位于反力架(3)左侧支腿内部下方，Y方向水平荷载加载机构位于反力架(3)前侧支腿内部下方，在进行X方向水平荷载施加时，Y方向水平荷载始终为零，在进行Y方向水平荷载施加时，X方向水平荷载始终为零。

3.根据权利要求1所述的多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，其特征是，所述矩形剪切盒(17)由可拆卸的前、后、左、右以及底部五块钢板连接而成的有底空心盒；所述齿轮扭杆(8)下部为扁平状，所述钢柱(21)顶部设有与齿轮扭杆(8)底部形状相对应的扁平状沉槽，使得齿轮扭杆(8)下部可插入钢柱(21)顶部的扁平状沉槽；所述空腔圆柱(19)和钢柱(21)一体成型。

4.根据权利要求1所述的多功能全尺寸轮胎侧面-岩土体接触面剪切特性测试方法，其特征是，所述竖向位移H保持不变是指：采用应力控制方式逐级施加竖直总荷载，同时采观测竖向位移H，在逐级施加荷载时，当竖向位移H连续5分钟小于0.02mm/min，即能进行下一级加载，当总竖向位移在1个小时内的变化量不大于总位移量的1％，认为竖向位移基本保持不变。

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