CN116256260A - 一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法 - Google Patents

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李运海
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郭玉华
杨鹏
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Abstract

本发明提供一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法，该装置包括支架系统、剪切盒、气压室、环境室、变温系统、水平反复剪切系统、垂直加压系统及排水系统、量测系统和控制系统，所述的剪切盒外侧套接有气压室，气压室套接在环境室内，所述的变温系统分别设置在气压室及环境室内；所述的剪切盒设在底座上，所述的剪切盒分为下剪切盒和上剪切盒，水平反复剪切系统贯穿环境室和气压室分别与下剪切盒和上剪切盒连接，上剪切盒的上方设置有垂直加压系统。本发明不仅可以开展不同温度下的非饱和土直剪试验，而且基于水平反复剪切系统，还可实现非饱和土的反复剪切，从而开展不同温度下的非饱和土残余强度的试验研究。

Description

一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法
技术领域
本发明涉及岩土工程测试技术领域，尤其是一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法。
背景技术
滑坡是一种常见的地质灾害，其频繁发生且影响严重。我国是一个多山国家，滑坡频繁，给工农业生产以及人民生活造成巨大损失，有的甚至是毁灭性的灾难。
其中滑带土作为滑坡的重要组成部分，由于受力的特殊性和形成过程中的复杂地质作用，使得其组构特征和物理力学等性质与滑坡体中其他部位的土体存在较大的差别，其强度指标是滑坡稳定性评价与预测预报的关键内容。
滑带土大多数处于非饱和状态，并随着季节的更替和降水量的变化，土的非饱和状态也是在不断变化的。而自然界中的非饱和土，也具有复杂的工程特性，因此进行非饱和土的残余强度试验研究是非常必要的。此外，在自然条件下北方地区土体的温度是变化的，包括昼夜温差和季节性温度变化等，温度对非饱和土残余强度的影响是不可忽略的，因此非饱和土的残余强度研究需要考虑温度的影响。不同温度下的非饱和土残余强度指标对于揭示不同季节条件下滑坡的发生机制、滑坡的稳定性分析以及滑坡治理等都有十分重要的意义。
目前，滑坡灾害的防护工作已引起工程界和学术界的广泛关注，已有许多学者做了大量的残余强度研究，并取得了有意义的研究成果，但国内外现有设备还无法进行非饱和土直剪条件下反复剪切的残余强度的试验研究，也还无法评价温度对残余强度指标的影响程度，因而也无法开展剪切位移对于非饱和土的残余强度指标的影响研究。
针对上述不足，需探索一种温控式反复剪切的非饱和土直剪仪及实施方法，使其针对非饱和土，满足对测试温度的有效控制及不同剪切位移下的反复剪切，便于开展研究温度和剪切位移对非饱和土残余强度指标的影响评价。
发明内容
本发明的目的是提供一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法，解决了目前常规非饱和土直剪仪不能实现试样的反复剪切，且只能局限于常温测定非饱和土抗剪强度的缺点。为了解决不同温度对非饱和土抗剪强度的影响研究困难，本发明可以较好地模拟实际工程中非饱和土体温度变化的实际情况，为研究温度和剪切位移对非饱和土残余强度指标的影响提供了一种可靠的研究装置。
本发明采用的技术方案为：
一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，包括支架系统、剪切盒、气压室、环境室、变温系统、水平反复剪切系统、垂直加压系统及排水系统、量测系统和控制系统，所述的剪切盒外侧套接有气压室，气压室套接在环境室内，所述的变温系统分别设置在气压室及环境室内；
所述的剪切盒设在底座上，所述的剪切盒分为下剪切盒和上剪切盒，水平反复剪切系统贯穿环境室和气压室分别与下剪切盒和上剪切盒连接，上剪切盒的上方设置有垂直加压系统；
所述的垂直加压系统穿过气压室和环境室且延伸至支架系统的平板上方并与平板固定连接，下剪切盒底部与排水系统连接，水平反复剪切系统及垂直加压系统还分别与量测系统连接；
所述的变温系统和水平反复剪切系统的控制单元分别与控制系统电连接，垂直加压系统则通过控制系统连接有气泵。
所述的支架系统包括底座、平板和若干立柱，所述的若干立柱两端分别与底座和平板连接；若干立柱和底座、平板组成长方体框。
所述的底座上焊接有剪切盒支座，所述的剪切盒固定连接在剪切盒支座上；所述的剪切盒支座中间设置有滑轨，滑轨上放置有若干滚珠，滚珠上放置有剪切盒；所述的剪切盒还包括盒盖，盒盖中心位置开口且固定连接有顶槽，顶槽内部呈凹槽状，所述的上剪切盒通过顶槽和垂直加压系统固定连接；盒盖和上剪切盒通过卡扣活动连接，所述下剪切盒下部粘结有陶土板，上剪切盒上部设置有多孔板，多孔板和陶土板之间填充有试样。
所述的气压室由圆筒和气压罩组成，所述的圆筒焊接在剪切盒支座上，所述的圆筒右侧中心处设置有围压孔，圆筒前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，圆筒左侧和右侧下部均开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，圆筒上端面中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔，围压孔外接有围压管，围压管贯穿环境室与控制系统连接；所述的气压罩上开设有若干个圆孔，每个圆孔在气压室内壁一侧固定安装有一个热电偶。
所述的环境室包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板四块侧板和顶板，四块侧板和顶板组成矩形框体结构；其中左侧板、右侧板、前侧板、后侧板的下端面均紧贴剪切盒支座且垂直焊接在底座上，顶板通过若干个螺栓一与左侧板、右侧板、前侧板、后侧板的上端面可拆卸连接；顶板左侧开有注水孔；前侧板前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，右侧板下部和左侧板下部开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，顶板中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔；所述的环境室内的剪切盒支座上设置有若干个加热棒，左侧板上设置有呈正方形的开口，正方形的开口处通过螺栓固定安装有制冷器。
所述的排水系统包括进水管、排水管、水箱支座和水箱；所述的进水管上设置有阀门一，排水管上设置有阀门二和压力变送器，进水管和排水管均放置在立柱外侧，水箱支座固定连接在底座右侧，进水管外接有水箱，水箱放置在水箱支座上；
所述的下剪切盒底部设置有螺旋槽，螺旋槽中心处设置有进水孔，螺旋槽末端处设置有排水孔，所述下剪切盒前侧、气压室前侧和环境室前侧对应进水孔和排水孔均开有通孔，进水管和排水管均贯穿环境室前侧、气压室前侧和下剪切盒前侧的通孔分别通过下剪切盒前侧的接头一和接头二与进水孔和排水孔固定连接；气压室前侧和环境室前侧的通孔与进水管、排水管的间隙处均设置有密封圈三。
所述的水平反复剪切系统主要包括变速箱、电机、推动轴、第一连接件、第二连接件、传力杆和限制连接件，变速箱通过螺栓固定在底座右侧上，变速箱内设置有电机，电机通过导线与控制系统相连接，电机与推动轴右端相连接，环境室的右侧板和变速箱之间的推动轴上固定连接有荷重传感器，所述的荷重传感器；
所述的推动轴左端呈圆弧状并设置凹槽，下剪切盒右侧焊接有第一连接件，第一连接件末端扣在凹槽上，上剪切盒左侧焊接有第二连接件，第二连接件末端扣在传力杆右端的限制连接件上；
所述的立柱外侧底座上固定连接有传力杆支座，传力杆支座上设置有带有螺纹的圆孔，传力杆通过该圆孔穿过传力杆支座，传力杆左端设置有锁紧螺母，锁紧螺母与传力杆支座通过带有螺纹的圆孔相连接。
所述的垂直加压系统包括气压腔、活塞和活塞杆，所述的气压腔通过螺栓连接在平板上方，平板中心处设置有开口，气压腔内部设置有活塞，活塞下端中心处固定连接活塞杆，活塞杆穿过平板中心的开口处；
所述的气压腔右侧设置有上气压孔和下气压孔，且活塞在上气压孔和下气压孔之间可活动；
所述的活塞杆分为上、下两部分，活塞杆的上部分穿过平板中心的开口处，在活塞杆的下部分上端和平板下方之间设置有轴压传感器，活塞杆的下部分可拆卸，活塞杆的上部分下端空心，活塞杆的下部分上端外径稍小于活塞杆的上部分下端内径，活塞杆的上部分下端和活塞杆的下部分上端开有对穿孔，并在对穿孔处设置连接螺栓；
所述的活塞杆的下部分贯穿环境室和气压室上端面中心位置的圆孔并作用在上剪切盒顶部，环境室和气压室上端面中心位置的圆孔与活塞杆的缝隙处均设置有密封圈二；
活塞杆的下部分固定连接有位移支架，环境室右侧板上方用螺栓连接有固定支架，固定支架上固定安装有位移传感器，位移传感器末端顶住活塞杆上的位移支架。
一种温控式反复剪切的非饱和土直剪方法，具体步骤为：
步骤一，试样制备
首先将土配制到指定质量含水率；然后用制备处预设干密度的试样；
步骤二，试样安装
将试样安装在剪切盒内，试样需紧贴陶土板，中间不能留有空气及缝隙，在试样上依次放置多孔板和盒盖将剪切盒放置在滚珠上，并使第一连接件扣在推动轴左端上，第二连接件扣在传力杆右端的限制连接件上，使得剪切面位于试样的中间位置；最后用螺栓将气压罩固定在圆筒上；
步骤三，调节温度
将热电偶、制冷器和加热棒依次外接在温控部分上，在控制系统上的温控部分上设定试验温度后，若试样的温度低于设定温度，则加热棒开始工作，使试样的温度升高到设定温度；若试样的温度高于设定温度，则制冷器开始工作，使试样的温度降低到设定温度；
步骤四，排气
在水箱中加入无气水，打开阀门一和阀门二，让无气水流过下剪切盒底部，冲洗至少30s，关闭阀门一和阀门二，冲走陶土板下的气泡；排气完成后在排水管末端放置量测容器，最后将压力变送器外接到数据采集仪上并调零；
步骤五，吸力平衡
调节气压控制部分-以及阀门二，使得气压室内部的气压以及陶土板下的孔隙水压力达到稳定；然后调节气压控制部分-，施加试验所需的轴向压力；每隔至少两小时对位移传感器量测的位移和量测容器内的水量进行记录；
步骤六，反复剪切
反复剪切包括排水反复剪切和不排水反复剪切；
排水反复剪切时在试样温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，保持阀门二开启；然后进行反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器量测的剪力读数的差值达到预设差值；
不排水反复剪切时，在试样温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，关闭阀门二，然后进行反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器量测的剪力读数的差值达到预设差值；
步骤七，拆除试样
试验结束后，松开连接螺栓，取下活塞杆下部分，抽取环境室内的无气水，拆除螺栓一-并取下顶板，再拆除气压罩上的螺栓并取下气压罩，然后调节反复剪切控制部分-让电机反转，剪切盒退回原位；最后拆除剪切盒，取出试样；
所述的步骤六，反复剪切的具体过程为：首先在反复剪切控制部分-上设定试样剪切位移，并调节变速箱设定剪切速率，然后开动电机，并调零荷重传感器；达到设定剪切位移后，电机停止工作，调节反复剪切控制部分-让电机反转，剪切盒退回原位；等待半小时后，进行第二次剪切，如此反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器量测的剪力读数的差值达到预设差值。
本发明的有益效果为：
一、本发明提供的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法基于变温系统，可对气压室内的试样温度进行控制，开展不同温度下的非饱和直剪试验，可调控温度范围为5～60℃，有效解决了以往对于不同温度下的非饱和土抗剪强度研究的困难问题。
二、本发明提供的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法不仅可以开展不同温度下的非饱和土直剪试验，而且基于水平反复剪切系统，还可实现非饱和土的反复剪切，从而开展不同温度下的非饱和土残余强度的试验研究。
三、本发明提供的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法可通过反复剪切控制部分控制电机设定多种不同的剪切位移，可研究不同剪切位移对非饱和土残余强度的影响程度。
四、本发明提供的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法采用电子制冷和加热棒制热的方法，可实现高精度的温度控制，且有效地缩短了变温时间，提高了试验效率。
五、本发明提供的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法针对以往杠杆加压的传统方式，一种温控式反复剪切的非饱和土直剪仪及实施方法中的垂直加压系统采用气压的方式实现轴向加压和轴向卸压，具有简单方便且易于控制的特点。
六、本发明中控制系统，可同时实现温控部分、气压控制部分和反复剪切控制部分的自动化，操作简便。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明立体结构示意图。
图3是剪切盒的结构示意图。
图4是盒盖的俯视图。
图5是下剪切盒的俯视图。
图6是下剪切盒的左视图。
图7是量测系统的电路原理框图。
图8是控制系统的原理框图。
图中，附图标记为：1、底座；2、立柱；3、平板；4、螺帽；5、剪切盒支座；6、滑轨；7、滚珠；8、下剪切盒；9、上剪切盒；10、盒盖；10-1、顶槽；11、陶土板；12、试样；13、多孔板；14、圆筒；15、气压罩；16、圆孔；17、热电偶；18、橡皮圈；19-1、左侧板；19-2、右侧板；19-3前侧板；19-4、后侧板；20、顶板；20-1、螺栓一；21、密封圈一；22、注水孔；23、加热棒；24、导冷片；25、半导体制冷片；26、导热片；27、螺旋槽；28、进水孔；29、进水管；29-1、接头一；30、排水孔；31、排水管；31-1、接头二；32-1、阀门一；32-2、阀门二；33、水箱支座；34、水箱；35、变速箱；36、电机；37、推动轴；38、凹槽；39、第一连接件；40、第二连接件；41、传力杆；42、限制连接件；43、传力杆支座；44、锁紧螺母；45、气压腔；46、活塞；47、活塞杆；48-1、密封圈二；48-2、密封圈三；49-1、上气压孔；49-2、下气压孔；50、连接螺栓；51、荷重传感器；52、轴压传感器；53、位移传感器；54、压力变送器；55、数据传输线；56、数据采集仪；57、位移支架；58、固定支架；59、控制系统；59-1、温控部分；59-2、气压控制部分；59-3、反复剪切控制部分；60、导线；61、加压管；62、减压管；63、进气管；64、气泵；65、围压孔；66、围压管。
具体实施方式
实施例1：
本发明的目的是提供如图1-8所示的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置及方法，解决了目前常规非饱和土直剪仪不能实现试样的反复剪切，且只能局限于常温测定非饱和土抗剪强度的缺点。为了解决不同温度对非饱和土抗剪强度的影响研究困难，本发明可以较好地模拟实际工程中非饱和土体温度变化的实际情况，为研究温度和剪切位移对非饱和土残余强度指标的影响提供了一种可靠的研究装置。
一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，包括支架系统、剪切盒、气压室、环境室、变温系统、水平反复剪切系统、垂直加压系统及排水系统、量测系统和控制系统59，所述的剪切盒外侧套接有气压室，气压室套接在环境室内，所述的变温系统分别设置在气压室及环境室内；
所述的剪切盒设在底座1上，所述的剪切盒分为下剪切盒8和上剪切盒9，水平反复剪切系统贯穿环境室和气压室分别与下剪切盒8和上剪切盒9连接，上剪切盒9的上方设置有垂直加压系统；
所述的垂直加压系统穿过气压室和环境室且延伸至支架系统的平板3上方并与平板3固定连接，下剪切盒8底部与排水系统连接，水平反复剪切系统及垂直加压系统还分别与量测系统连接；
所述的变温系统和水平反复剪切系统的控制单元分别与控制系统59电连接，垂直加压系统则通过控制系统59连接有气泵64。
本发明中控制系统，可同时实现温控部分、气压控制部分和反复剪切控制部分的自动化，操作简便。本发明基于变温系统，可对气压室内的试样温度进行控制，开展不同温度下的非饱和直剪试验，可调控温度范围为5～60℃，有效解决了以往对于不同温度下的非饱和土抗剪强度研究的困难问题。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的支架系统包括底座1、平板3和若干立柱2，所述的若干立柱2两端分别与底座1和平板3连接；若干立柱2和底座1、平板3组成长方体框。
优选的，所述的底座1上焊接有剪切盒支座5，所述的剪切盒固定连接在剪切盒支座5上；所述的剪切盒支座5中间设置有滑轨6，滑轨6上放置有若干滚珠7，滚珠7上放置有剪切盒；所述的剪切盒还包括盒盖10，盒盖10中心位置开口且固定连接有顶槽10-1，顶槽10-1内部呈凹槽状，所述的上剪切盒9通过顶槽10-1和垂直加压系统固定连接；盒盖10和上剪切盒9通过卡扣活动连接，所述下剪切盒8下部粘结有陶土板11，上剪切盒9上部设置有多孔板13，多孔板13和陶土板11之间填充有试样12。
如图1和图2所示，所述平板3是四角均设置有圆孔的正方形，四根立柱2下端焊接在底座1左侧上，保证支架系统整体的稳定性。立柱2上端设置有螺纹，四根立柱2上端通过上下两个螺帽4固定在带有圆孔的平板3上。下剪切盒8下部粘结有陶土板11，在气压室内施加预设气压后，预设气压小于陶土板11的进气值，会使饱和的陶土板11透水而不透气，可通过排水管31上的压力变送器54量测孔隙水压力。上剪切盒9上部设置有多孔板13，多孔板13和陶土板11之间填充有试样12，如图3和图4所示，所述多孔板13和盒盖10底板上均开有若干小孔，以便对试样12施加气压。
优选的，所述的气压室由圆筒14和气压罩15组成，所述的圆筒14焊接在剪切盒支座5上，所述的圆筒14右侧中心处设置有围压孔65，圆筒14前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，圆筒14左侧和右侧下部均开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，圆筒14上端面中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔，围压孔65外接有围压管66，围压管66贯穿环境室与控制系统59连接；所述的气压罩15上开设有若干个圆孔16，每个圆孔16在气压室内壁一侧固定安装有一个热电偶17。
本发明中，圆筒14和气压罩15均采用金属制成且通过螺栓可拆卸连接并在连接缝隙处设置橡皮圈18，橡皮圈18呈O形，保证气压室的密封性，其中圆筒14焊接在剪切盒支座5上，在焊接缝隙处涂上环氧树脂来保证密封性。
优选的，所述的环境室包括左侧板19-1、右侧板19-2、前侧板19-3、后侧板19-4四块侧板和顶板20，四块侧板和顶板20组成矩形框体结构；其中左侧板19-1、右侧板19-2、前侧板19-3、后侧板19-4的下端面均紧贴剪切盒支座5且垂直焊接在底座1上，顶板20通过若干个螺栓一20-1与左侧板19-1、右侧板19-2、前侧板19-3、后侧板19-4的上端面可拆卸连接；顶板20左侧开有注水孔22；前侧板19-3前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，右侧板19-2下部和左侧板19-1下部开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，顶板20中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔；所述的环境室内的剪切盒支座5上设置有若干个加热棒23，左侧板19-1上设置有呈正方形的开口，正方形的开口处通过螺栓固定安装有制冷器。
本发明中，左侧板19-1、右侧板19-2、前侧板19-3、后侧板19-4之间固定连接组成一体结构，顶板20通过若干个螺栓一20-1与左侧板19-1、右侧板19-2、前侧板19-3、后侧板19-4的上端面可拆卸连接且连接缝隙处均设置有密封圈一21，顶板20左侧开有注水孔22，试验前通过注水孔22向环境室内注入无气水，注水孔22未密封。
本发明中，制冷器由导冷片24、半导体制冷片25和导热片26组成，半导体制冷片25也叫热电制冷片，半导体制冷片25的工作原理是电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载体从高能级的材料向低能级的材料运动时，便会释放出多余的能量；反之，电荷载体从低能级的材料向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以热的形式放出或吸收。所以会使得半导体制冷片25一面吸收热量，另一面释放热量。将吸收热量的一面朝环境室内放置，可达到试样制冷的目的。
在本发明中通过电子制冷和加热的方式控制试验温度，以开展温度变化对非饱和土抗剪强度指标的影响评价。前侧板19-3前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，右侧板19-2下部和左侧板19-1下部开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，顶板20中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔。
优选的，如图1、图5和图6所示，所述的排水系统包括进水管29、排水管31、水箱支座33和水箱34；其中进水管29和排水管31均为软管，剪切过程中下剪切盒8的移动不受软管的影响；所述的进水管29上设置有阀门一32-1，排水管31上设置有阀门二32-2和压力变送器54，进水管29和排水管31均放置在立柱2外侧，水箱支座33固定连接在底座1右侧，水箱34内的水为无气水，若在试验过程中不排水，则关闭阀门一32-1和阀门二32-2。进水管29外接有水箱34，水箱34放置在水箱支座33上；
所述的下剪切盒8底部设置有螺旋槽27，螺旋槽27中心处设置有进水孔28，螺旋槽27末端处设置有排水孔30，所述下剪切盒8前侧、气压室前侧和环境室前侧对应进水孔28和排水孔30均开有通孔，进水管29和排水管31均贯穿环境室前侧、气压室前侧和下剪切盒8前侧的通孔分别通过下剪切盒8前侧的接头一29-1与接头二31-1和进水孔28和排水孔30固定连接，实现进排水的功能；气压室前侧和环境室前侧的通孔与进水管29、排水管31的间隙处均设置有密封圈三48-2。
优选的，所述的水平反复剪切系统主要包括变速箱35、电机36、推动轴37、第一连接件39、第二连接件40、传力杆41和限制连接件42，变速箱35通过螺栓固定在底座1右侧上，变速箱35内设置有电机36，电机36通过导线60与控制系统59相连接，电机36与推动轴37右端相连接，环境室的右侧板19-2和变速箱35之间的推动轴37上固定连接有荷重传感器51；气压室右侧和环境室右侧下部均设置有圆孔，推动轴37穿过圆孔，气压室右侧和环境室右侧下部的圆孔与推动轴37间隙处均设置有密封圈三48-2，密封圈三48-2进行密封处理，
如图1、图2和图3所示，所述的推动轴37左端呈圆弧状并设置凹槽38，使下剪切盒8与推动轴37之间不会发生相对位移，下剪切盒8右侧焊接有第一连接件39，第一连接件39末端扣在凹槽38上，上剪切盒9左侧焊接有第二连接件40，第二连接件40末端扣在传力杆41右端的限制连接件42上，使得上剪切盒9与传力杆41不会发生相对位移；气压室左侧和环境室左侧下部均设置有圆孔，传力杆41穿过圆孔，气压室左侧和环境室左侧下部的圆孔与传力杆41间隙处均设置有密封圈三48-2，密封圈三48-2进行密封处理，立柱2外侧底座1上固定连接有传力杆支座43，传力杆支座43上设置有带有螺纹的圆孔，传力杆41通过圆孔穿过传力杆支座43，传力杆41左端设置有锁紧螺母44，锁紧螺母44与传力杆支座43通过带有螺纹的圆孔相连接。
优选的，所述的垂直加压系统包括气压腔45、活塞46和活塞杆47，所述的气压腔45通过螺栓连接在平板3上方，平板3中心处设置有开口，气压腔45内部设置有活塞46，活塞46下端中心处固定连接活塞杆47，活塞杆47穿过平板3中心的开口处；
所述的气压腔45右侧设置有上气压孔49-1和下气压孔49-2，且活塞46在上气压孔49-1和下气压孔49-2之间可活动；
所述的活塞杆47分为上、下两部分，活塞杆47的上部分穿过平板3中心的开口处，在活塞杆47的下部分上端和平板3下方之间设置有轴压传感器52，活塞杆47的下部分可拆卸，活塞杆47的上部分下端空心，活塞杆47的下部分上端外径稍小于活塞杆47的上部分下端内径，活塞杆47的上部分下端和活塞杆47的下部分上端开有对穿孔，并在对穿孔处设置连接螺栓50；
环境室和气压室上端面中心位置设置有圆孔，活塞杆47的下部分贯穿环境室和气压室上端面中心位置的圆孔并作用在上剪切盒9顶部，环境室和气压室上端面中心位置的圆孔与活塞杆47的缝隙处均设置有密封圈二48-1；
活塞杆47的下部分固定连接有位移支架57，环境室右侧板上方用螺栓连接有固定支架58，固定支架58上固定安装有位移传感器53，位移传感器53末端顶住活塞杆47上的位移支架57。
如图1和图7所示，所述量测系统分为水平量测部分、竖直量测部分、压力变送器54和数据采集仪56，水平量测部分是设置在水平反复剪切系统上的荷重传感器51，竖直量测部分包括轴压传感器52和位移传感器53，轴压传感器52和位移传感器53均设置在垂直加压系统上，轴压传感器52和位移传感器53分别可以实时量测施加的垂直压力和试样12的竖向变形，压力变送器54设置在排水系统的排水管31上，关闭阀门二32-2后可量测孔隙水压力，荷重传感器51、轴压传感器52、位移传感器53和压力变送器54均通过数据传输线55外接在数据采集仪56上，数据采集仪56可以实时显示各传感器量测的数据变化。
如图1和图8所示，所述控制系统分为温控部分59-1、气压控制部分59-2和反复剪切控制部分59-3，所述变温系统通过导线60外接在温控部分59-1上，导线60具有防水耐高温的特点，垂直加压系统通过加压管61和减压管62外接在气压控制部分59-2上，所述气压室右侧中心处设置有围压孔65，围压孔65外接有围压管66，环境室右侧中心处开有圆孔，围压管66刚好穿过圆孔并与气压控制部分59-2连接，圆孔与围压管66的间隙处设置有密封圈三48-2，气压控制部分59-2通过导线60和进气管63连接在气泵64上，水平反复剪切系统通过导线60与反复剪切控制部分59-3相连接。
热电偶17能够测试试样12当前的温度，在控制系统59上实时显示温度。在控制系统59上的温控部分59-1上设定试验温度后，若试样12的温度低于设定温度，则加热棒23开始工作，使试样12的温度升高到设定温度；若试样12的温度高于设定温度，则制冷器开始工作，使试样12的温度降低到设定温度。采用电子制冷和加热的方式，从而可达到试样12恒温的条件。
气压腔45右侧的上气压孔49-1通过加压管61外接在气压控制部分59-2上，气压腔45右侧的下气压孔49-2通过减压管62外接在气压控制部分59-2上，加压管61和减压管62不能同时进气。气压控制部分59-2通过导线60和进气管63连接在气泵64上，通过操作气压控制部分59-2启动气泵64，使加压管61进气，减压管62排气，对活塞46上端施加压力，使得活塞46往下运行，进而通过活塞杆47对试样12施加轴向压力；使减压管62进气，加压管61排气，对活塞46下端施加压力，使得活塞46往上运行，进而卸载轴向压力。圆筒右侧中心处设置有围压孔65，围压孔65外接有围压管66，右侧板19-2中心处开有圆孔，围压管66刚好穿过圆孔并与气压控制部分59-2连接，圆孔与围压管66的间隙处设置有密封圈三48-2进行密封处理。
反复剪切控制部分59-3与电机36通过导线60相连接，电机36与推动轴37右端固定连接，反复剪切控制部分59-3可控制电机36的正转和反转。试验前可在反复剪切控制部分59-3上设定电机36的转动位移，电机36的转动位移与试样12的控制剪切位移相同。试样12的最大控制剪切位移可达10mm，反复剪切控制部分59-3可自由设定试样12的剪切位移并且可在控制系统59上显示实时位移。试样12达到最大剪切位移后，电机36停止工作，调节反复剪切控制部分59-3使电机反转，剪切盒退回原位。循环此方式，可实现试样12的反复剪切。
本发明中控制系统59，可同时实现温控部分、气压控制部分和反复剪切控制部分的自动化，操作简便。本发明基于变温系统，可对气压室内的试样温度进行控制，开展不同温度下的非饱和直剪试验，可调控温度范围为5～60℃，有效解决了以往对于不同温度下的非饱和土抗剪强度研究的困难问题。
本发明不仅可以开展不同温度下的非饱和土直剪试验，而且基于水平反复剪切系统，还可实现非饱和土的反复剪切，从而开展不同温度下的非饱和土残余强度的试验研究。
本发明可通过反复剪切控制部分控制电机设定多种不同的剪切位移，可研究不同剪切位移对非饱和土残余强度的影响程度。
本发明采用电子制冷和加热棒制热的方法，可实现高精度的温度控制，且有效地缩短了变温时间，提高了试验效率。
本发明针对以往杠杆加压的传统方式，一种温控式反复剪切的非饱和土直剪仪及实施方法中的垂直加压系统采用气压的方式实现轴向加压和轴向卸压，具有简单方便且易于控制的特点。
实施例3：
基于实施例1或2的基础上，本实施例中提供一种温控式反复剪切的非饱和土直剪方法，具体步骤为：
步骤一，试样制备
首先将土配制到指定质量含水率；然后用制备处预设干密度的试样(12)；
步骤二，试样安装
首先卸去顶板20上的螺栓一20-1，取下顶板20，并卸去气压罩15上的螺栓，取下气压罩15；然后将上剪切盒9和下剪切盒8对准，在下剪切盒8上粘结已饱和的陶土板11，将试样12安装在剪切盒内，试样12需紧贴陶土板11，中间不能留有空气及缝隙，在试样12上依次放置多孔板13和盒盖10将剪切盒放置在滚珠7上，并使第一连接件39扣在推动轴37左端上，第二连接件40扣在传力杆41右端的限制连接件42上，使得剪切面位于试样12的中间位置。最后用螺栓将气压罩15固定在圆筒14上。
在侧板上放置密封圈一21，将顶板20通过螺栓一20-1与侧板连接。然后将热电偶17和加热棒23的导线60从注水孔22中引出，并通过注水孔22向环境室内注入无气水。并让活塞杆47下部分的下端穿过顶板20和气压罩15中心的圆孔，再用连接螺栓50将活塞杆47上、下部分固定连接，此时活塞杆45接触顶槽10-1并调零轴压传感器52和位移传感器53。最后将气压腔45右侧的上气压孔49-1和下气压孔49-2分别通过加压管61和减压管62连接在气压控制部分59-2上，将气泵64连接在气压控制部分59-2上，调节气压控制部分59-2，给试样12施加10kPa竖向荷载，确保试样12和陶土板11的紧密接触。
步骤三，调节温度
将热电偶17、制冷器和加热棒23依次外接在温控部分59-1上，在控制系统59上的温控部分59-1上设定试验温度后，若试样12的温度低于设定温度，则加热棒23开始工作，使试样12的温度升高到设定温度；若试样12的温度高于设定温度，则制冷器开始工作，使试样12的温度降低到设定温度。
步骤四，排气
在水箱34中加入无气水，打开阀门一32-1和阀门二32-2，让无气水流过下剪切盒8底部，冲洗30s，关闭阀门一32-1和阀门二32-2，以冲走陶土板11下的气泡。排气完成后在排水管31末端放置量测容器，以便测出排水量。最后将压力变送器54外接到数据采集仪56上并调零。
步骤五，吸力平衡
调节气压控制部分59-2以及阀门二32-2，使得气压室内部的气压以及陶土板11下的孔隙水压力达到稳定，则可使得试样12逐渐达到稳定的基质吸力。然后调节气压控制部分59-2，施加试验所需的轴向压力。试样12的变形和排水稳定需要一定的时间，每隔两小时对位移传感器53量测的位移和量测容器内的水量进行记录。变形的稳定标准是：每两小时试样12的变形量不超过0.01mm，排水的稳定标准是：24h内测得试样12排水或吸水量小于试样12体积的0.02％，吸力平衡阶段所需的时间取决于目标吸力与初始吸力间的差值。
步骤六，反复剪切
反复剪切分为排水反复剪切和不排水反复剪切两种。
1)排水反复剪切。在试样12温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，保持阀门二32-2开启，首先在反复剪切控制部分59-3上设定试样12剪切位移，并调节变速箱35设定剪切速率，然后开动电机36，并调零荷重传感器51。达到设定剪切位移后，电机36停止工作，调节反复剪切控制部分59-3让电机36反转，剪切盒退回原位。等待半小时后，进行第二次剪切，如此反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器51量测的剪力读数接近为止。
2)不排水反复剪切。在试样12温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，关闭阀门二32-2，首先在反复剪切控制部分59-3上设定试样12剪切位移，并调节变速箱35设定剪切速率，然后开动电机36，并调零荷重传感器51。达到设定剪切位移后，电机36停止工作，调节反复剪切控制部分59-3让电机36反转，剪切盒退回原位。等待半小时后，进行第二次剪切，如此反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器51量测的剪力读数接近为止。
步骤七，拆除试样
试验结束后，松开连接螺栓50，取下活塞杆47下部分，抽取环境室内的无气水，拆除螺栓一20-1并取下顶板20，再拆除气压罩15上的螺栓并取下气压罩15，然后调节反复剪切控制部分59-3让电机36反转，剪切盒退回原位。最后拆除剪切盒，取出试样12。
本发明基于变温系统和水平反复剪切系统，能通过加热棒23升高试样12温度和制冷器降低试样12温度，可实现高精度的温度控制。水平反复剪切系统中设置有第一连接件39、第二连接件40和限制连接件42，可使上剪切盒9和传力杆41、下剪切盒8和推动轴37均不会发生相对位移，实现了试样12的水平反复剪切，同时反复剪切控制部分59-3可自由设定试样12的剪切位移。
本发明中，所述的第一连接件39可以为一端带有弯钩的杆。
本发明中，所述的第二连接件40可以为L状的连接杆。
本发明中，所述的限制连接件42可以是一个具有开口的连接杆，第二连接件40的L状的连接杆短边卡在该开口内。本发明中具有开口的连接杆包括长杆和长杆一端上设有的矩形框体，该框体上开有卡第二连接件40的口。
本发明一种温控式反复剪切的非饱和土直剪仪及实施方法，可以开展不同温度下的非饱和土的反复直剪试验研究，为评价温度和剪切位移对非饱和土残余强度指标的影响程度提供了一种方便可靠的途径，具有很好的应用价值。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明的保护范围仅限于上述实施例。凡是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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的装置系统及方法步骤均属于本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：包括支架系统、剪切盒、气压室、环境室、变温系统、水平反复剪切系统、垂直加压系统及排水系统、量测系统和控制系统(59)，所述的剪切盒外侧套接有气压室，气压室套接在环境室内，所述的变温系统分别设置在气压室及环境室内；
所述的剪切盒设在底座(1)上，所述的剪切盒分为下剪切盒(8)和上剪切盒(9)，水平反复剪切系统贯穿环境室和气压室分别与下剪切盒(8)和上剪切盒(9)连接，上剪切盒(9)的上方设置有垂直加压系统；
所述的垂直加压系统穿过气压室和环境室且延伸至支架系统的平板(3)上方并与平板(3)固定连接，下剪切盒(8)底部与排水系统连接，水平反复剪切系统及垂直加压系统还分别与量测系统连接；
所述的变温系统和水平反复剪切系统的控制单元分别与控制系统(59)电连接，垂直加压系统则通过控制系统(59)连接有气泵(64)。
2.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的支架系统包括底座(1)、平板(3)和若干立柱(2)，所述的若干立柱(2)两端分别与底座(1)和平板(3)连接；若干立柱(2)和底座(1)、平板(3)组成长方体框。
3.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的底座(1)上焊接有剪切盒支座(5)，所述的剪切盒固定连接在剪切盒支座(5)上；所述的剪切盒支座5中间设置有滑轨(6)，滑轨(6)上放置有若干滚珠(7)，滚珠(7)上放置有剪切盒；所述的剪切盒还包括盒盖(10)，盒盖(10)中心位置开口且固定连接有顶槽(10-1)，顶槽(10-1)内部呈凹槽状，所述的上剪切盒(9)通过顶槽(10-1)和垂直加压系统固定连接；盒盖(10)和上剪切盒(9)通过卡扣活动连接，所述下剪切盒(8)下部粘结有陶土板(11)，上剪切盒(9)上部设置有多孔板(13)，多孔板(13)和陶土板(11)之间填充有试样(12)。
4.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的气压室由圆筒(14)和气压罩(15)组成，所述的圆筒(14)焊接在剪切盒支座(5)上，所述的圆筒(14)右侧中心处设置有围压孔(65)，圆筒(14)前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，圆筒(14)左侧和右侧下部均开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，圆筒(14)上端面中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔，围压孔(65)外接有围压管(66)，围压管(66)贯穿环境室与控制系统(59)连接；所述的气压罩(15)上开设有若干个圆孔(16)，每个圆孔(16)在气压室内壁一侧固定安装有一个热电偶(17)。
5.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的环境室包括左侧板(19-1)、右侧板(19-2)、前侧板(19-3)、后侧板(19-4)四块侧板和顶板(20)，四块侧板和顶板(20)组成矩形框体结构；其中左侧板(19-1)、右侧板(19-2)、前侧板(19-3)、后侧板(19-4)的下端面均紧贴剪切盒支座(5)且垂直焊接在底座(1)上，顶板(20)通过若干个螺栓一(20-1)与左侧板(19-1)、右侧板(19-2)、前侧板(19-3)、后侧板(19-4)的上端面可拆卸连接；顶板(20)左侧开有注水孔(22)；前侧板(19-3)前侧开设有贯穿排水系统两个通孔，右侧板(19-2)下部和左侧板(19-1)下部开设有贯穿水平反复剪切系统的圆孔，顶板(20)中心位置开设有贯穿垂直加压系统的圆孔；所述的环境室内的剪切盒支座(5)上设置有若干个加热棒(23)，左侧板(19-1)上设置有呈正方形的开口，正方形的开口处通过螺栓固定安装有制冷器。
6.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的排水系统包括进水管(29)、排水管(31)、水箱支座(33)和水箱(34)；所述的进水管(29)上设置有阀门一(32-1)，排水管(31)上设置有阀门二(32-2)和压力变送器(54)，进水管(29)和排水管(31)均放置在立柱(2)外侧，水箱支座(33)固定连接在底座(1)右侧，进水管(29)外接有水箱(34)，水箱(34)放置在水箱支座(33)上；
所述的下剪切盒(8)底部设置有螺旋槽(27)，螺旋槽(27)中心处设置有进水孔(28)，螺旋槽(27)末端处设置有排水孔(30)，所述下剪切盒(8)前侧、气压室前侧和环境室前侧对应进水孔(28)和排水孔(30)均开有通孔，进水管(29)和排水管(31)均贯穿环境室前侧、气压室前侧和下剪切盒(8)前侧的通孔分别通过下剪切盒(8)前侧的接头一(29-1)和接头二(31-1)与进水孔(28)和排水孔(30)固定连接；气压室前侧和环境室前侧的通孔与进水管(29)、排水管(31)的间隙处均设置有密封圈三(48-2)。
7.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的水平反复剪切系统主要包括变速箱(35)、电机(36)、推动轴(37)、第一连接件(39)、第二连接件(40)、传力杆(41)和限制连接件(42)，变速箱(35)通过螺栓固定在底座(1)右侧上，变速箱(35)内设置有电机(36)，电机(36)通过导线(60)与控制系统(59)相连接，电机(36)与推动轴(37)右端相连接，环境室的右侧板(19-2)和变速箱(35)之间的推动轴(37)上固定连接有荷重传感器(51)，所述的荷重传感器(51)；
所述的推动轴(37)左端呈圆弧状并设置凹槽(38)，下剪切盒(8)右侧焊接有第一连接件(39)，第一连接件(39)末端扣在凹槽(38)上，上剪切盒(9)左侧焊接有第二连接件(40)，第二连接件(40)末端扣在传力杆(41)右端的限制连接件(42)上；
所述的立柱(2)外侧底座(1)上固定连接有传力杆支座(43)，传力杆支座(43)上设置有带有螺纹的圆孔，传力杆(41)通过该圆孔穿过传力杆支座(43)，传力杆(41)左端设置有锁紧螺母(44)，锁紧螺母(44)与传力杆支座(43)通过带有螺纹的圆孔相连接。
8.根据权利要求1所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪装置，其特征在于：所述的垂直加压系统包括气压腔(45)、活塞(46)和活塞杆(47)，所述的气压腔(45)通过螺栓连接在平板(3)上方，平板(3)中心处设置有开口，气压腔(45)内部设置有活塞(46)，活塞(46)下端中心处固定连接活塞杆(47)，活塞杆(47)穿过平板(3)中心的开口处；
所述的气压腔(45)右侧设置有上气压孔(49-1)和下气压孔(49-2)，且活塞(46)在上气压孔(49-1)和下气压孔(49-2)之间可活动；
所述的活塞杆(47)分为上、下两部分，活塞杆(47)的上部分穿过平板(3)中心的开口处，在活塞杆(47)的下部分上端和平板(3)下方之间设置有轴压传感器(52)，活塞杆(47)的下部分可拆卸，活塞杆(47)的上部分下端空心，活塞杆(47)的下部分上端外径稍小于活塞杆(47)的上部分下端内径，活塞杆(47)的上部分下端和活塞杆(47)的下部分上端开有对穿孔，并在对穿孔处设置连接螺栓(50)；
所述的活塞杆(47)的下部分贯穿环境室和气压室上端面中心位置的圆孔并作用在上剪切盒(9)顶部，环境室和气压室上端面中心位置的圆孔与活塞杆(47)的缝隙处均设置有密封圈二(48-1)；
活塞杆(47)的下部分固定连接有位移支架(57)，环境室右侧板上方用螺栓连接有固定支架(58)，固定支架(58)上固定安装有位移传感器(53)，位移传感器(53)末端顶住活塞杆(47)上的位移支架(57)。
9.一种温控式反复剪切的非饱和土直剪方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一，试样制备
首先将土配制到指定质量含水率；然后用制备处预设干密度的试样(12)；
步骤二，试样安装
将试样(12)安装在剪切盒内，试样(12)需紧贴陶土板(11)，中间不能留有空气及缝隙，在试样(12)上依次放置多孔板13和盒盖10将剪切盒放置在滚珠(7)上，并使第一连接件(39)扣在推动轴(37)左端上，第二连接件(40)扣在传力杆(41)右端的限制连接件(42)上，使得剪切面位于试样(12)的中间位置；最后用螺栓将气压罩(15)固定在圆筒(14)上；
步骤三，调节温度
将热电偶17、制冷器和加热棒(23)依次外接在温控部分(59-1)上，在控制系统(59)上的温控部分(59-1)上设定试验温度后，若试样(12)的温度低于设定温度，则加热棒(23)开始工作，使试样(12)的温度升高到设定温度；若试样(12)的温度高于设定温度，则制冷器开始工作，使试样(12)的温度降低到设定温度；
步骤四，排气
在水箱(34)中加入无气水，打开阀门一(32-1)和阀门二(32-2)，让无气水流过下剪切盒(8)底部，冲洗至少30s，关闭阀门一(32-1)和阀门二(32-2)，冲走陶土板(11)下的气泡；排气完成后在排水管(31)末端放置量测容器，最后将压力变送器(54)外接到数据采集仪(56)上并调零；
步骤五，吸力平衡
调节气压控制部分(59-2)以及阀门二(32-2)，使得气压室内部的气压以及陶土板(11)下的孔隙水压力达到稳定；然后调节气压控制部分(59-2)，施加试验所需的轴向压力；每隔至少两小时对位移传感器(53)量测的位移和量测容器内的水量进行记录；
步骤六，反复剪切
反复剪切包括排水反复剪切和不排水反复剪切；
排水反复剪切时在试样(12)温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，保持阀门二(32-2)开启；然后进行反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器(51)量测的剪力读数的差值达到预设差值；
不排水反复剪切时，在试样(12)温度稳定和基质吸力稳定不变的情况下，关闭阀门二(32-2)，然后进行反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器(51)量测的剪力读数的差值达到预设差值；
步骤七，拆除试样
试验结束后，松开连接螺栓(50)，取下活塞杆(47)下部分，抽取环境室内的无气水，拆除螺栓一(20-1)并取下顶板(20)，再拆除气压罩(15)上的螺栓并取下气压罩(15)，然后调节反复剪切控制部分(59-3)让电机(36)反转，剪切盒退回原位；最后拆除剪切盒，取出试样(12)。
10.根据权利要求9所述的一种温控式反复剪切的非饱和土直剪方法，其特征在于：所述的步骤六，反复剪切的具体过程为：首先在反复剪切控制部分(59-3)上设定试样(12)剪切位移，并调节变速箱(35)设定剪切速率，然后开动电机(36)，并调零荷重传感器(51)；达到设定剪切位移后，电机(36)停止工作，调节反复剪切控制部分(59-3)让电机(36)反转，剪切盒退回原位；等待半小时后，进行第二次剪切，如此反复剪切多次，直至最后两次剪切时荷重传感器(51)量测的剪力读数的差值达到预设差值。
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