CN117288603A - 一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪及应用，所述环剪试验仪包括多层环剪组件、液压升降系统、动力旋转系统、排水系统、监测控制系统和框架。本发明所提供的环剪试验仪中各层环剪组件的内外壁可联合围限出通透的多层级环剪试样空间，通过液压升降系统的操控可对试样进行加卸载，同时顶层环剪组件齿轮与电机齿轮相啮合可实现上部旋转，而底层环剪组件外壁阻力杆的设置可阻控下部不转，因此，可控制试样在转与不转的分界层位发生旋转剪切。本发明采用多层级剪切设置，只需制作单个试样即可通过开展多层剪切来一次性完成试样强度参数测试工作，完全确保了试样的一体性和一致性，能显著提高试验效率以及强度参数测试结果的精确度。

Description

一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪及应用

技术领域

本发明属于岩土工程高新试验装备技术领域，尤其是涉及一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪及应用。

背景技术

岩土体剪切强度是岩土工程设计和地质灾害治理的关键。获取岩土体剪切强度最直接、最有效的途径是采用直剪试验和环剪试验。直剪仪的优势在于其剪切形式简便，可方便获取峰值强度，但缺陷在于不能进行长距离剪切因而难以获取残余强度。环剪仪的研制是为了克服岩土体残余强度的测试瓶颈，弥补直剪仪不能测试残余强度的缺陷。目前，直剪仪区分有室内小型直剪仪、大型直剪仪、室外大型直剪仪等；环剪仪主要分为Bishop型和Bormhead型两种类型，近些年又发展出满足高速、振动等多功能需求的新型环剪仪。

可以说目前为止，剪切试验仪器经历了长足的发展，技术层面已较成熟。但不管是直剪仪还是环剪仪，现有的剪切形式均局限于单层剪切面的剪切控制，因此为了完整地确定出岩土体的强度参数，剪切试验工作需要分别在不同加载压力下进行三组以上平行试验方可由摩尔库伦强度准则进行强度参数拟合获取。这一特点无疑增大了试验的重复性步骤，每种加载压力下都要重新进行新的试样制备，重复试验装样、加载、剪切等一系列步骤，降低了试验效率，成倍增加了试验所需的时间和经费投入。而且每次制备的试样不能保证各项指标完全一致，因而也会难以避免地带来试验误差。

为此，本发明旨在提供一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪来克服以往常规剪切试验低效的缺点，使岩土体强度测试得以在单个统一的试样上通过多层级逐层剪切一次性完成，实现试验一体化功能，确保试验精度，提高试验效率，节约试验成本。

发明内容

由于现有剪切仪无法基于单个一体化土样分别开展不同压应力下的全过程剪切试验，因而无法高效、精准地获取土样强度参数，本发明旨在提供一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，使能够基于单个一体化土样一次性逐层开展对应不同压应力下的试样全过程剪切试验，从而弥补以往剪切试验低效能且存在多个试样制备引起试样与试样之间的制样误差等缺陷。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，包括多层环剪组件、液压升降系统、动力旋转系统、排水系统、监测控制系统和框架；

多层环剪组件位于框架中，多层环剪组件包括底层环剪组件、多个中层环剪组件和顶层环剪组件，顶层环剪组件内可嵌入环形压板，所述底层环剪组件具有底层环剪组件底板，多层环剪组件的外壁、内壁、环形压板以及底层环剪组件底板构成围限以形成装载试样土体的环形空间；至少一个相邻的两个环剪组件之间相对固定且至少另一个相邻的两个环剪组件之间相对不固定；环形压板与上部的力臂固连，尺寸略小于环剪组件内外壁所围限的环形尺寸，因此可嵌入其中实施对下方环形试样的加载；

所述液压升降系统包括液压升降机、升降台、变频器、加压轴、力臂和环形压板；所述液压升降机设置在框架上，所述升降台架设在液压升降机上，所述加压轴固定至升降台底部，所述加压轴的下端抵住力臂，所述力臂的下端固定至环形压板上；

所述动力旋转系统包括转动电机和光滑滚珠，所述转动电机的上端具有电机齿轮，所述电机齿轮与顶层环剪组件上的环剪组件齿轮相啮合；所述光滑滚珠布设于试验槽底，位于底层环剪组件底板与试验槽底之间，是底层环剪组件和试验槽之间的光滑接触结构，可有效消除底层环剪组件相对于试验槽的转动趋势所产生的机械摩阻力，尽量减小机械摩阻对试样抗剪强度测试的误差影响。

所述排水系统包括透水石和透水孔；所述透水石设置在试验土样的顶部与环形压板之间，透水石是压板与环形试样之间的排水结构，其边界与环剪组件的内外壁控制一定的缝隙，其一方面能传递上部环形压板施加的压力给试样，另一方面主要在试验过程中起到排水的作用，其底面设置凸条可嵌入试样内，可避免旋转剪切时试样与透水石之间的剪切滑移；所述透水孔设置在中层环剪组件外壁及底层环剪组件外壁的上侧；

所述监测控制系统包括计算机、信号传输电缆以及经信号传输电缆与计算机分别连接的位移传感器、角位移传感器、变频器、压力传感器、超孔隙水压力传感器、量力环；所述位移传感器设置在升降台底面上，以外部固定不动的框架柱为参照物，感应其自身在试验过程中经过的竖向位移，并将数据通过信号传输电缆回馈给计算机进行储存；所述角位移传感器设置在框架上方以其自身为参照物，感应顶部环剪组件在旋转剪切过程中经过的角位移，并将数据通过信号传输电缆回馈给计算机，由计算机系统换算出试样的剪切位移；所述变频器设置在液压升降机附近的框架上，所述变频器驱动升降台沿着液压升降机进行上、下移动，可带动加压轴对力臂加、卸压力，并通过力臂下部固连的环形压板对试样土体进行同步加卸载；所述压力传感器设置在力臂与加压轴之间，主要用于监测液压升降系统施加给下方试样的竖向压力，压力传感器测得数据可实时反馈给计算机，计算机根据实时数据对变频器做出指令，由液压升降机实时控制升降台的起伏，保证施加的压力值为预先设定的目标值，实现伺服控制；所述超孔隙水压力传感器与透水孔相连接，进行试验过程中超孔隙水压力测定；所述量力环设置在底层环剪组件附近以阻止底层环剪组件转动，从而实现上部试样对下部试样的旋转剪切，量力环上测力杆上的阻力可由量力环测得，并通过信号电缆传输给计算机进行扭矩的换算和数据储存。扭矩为左右两边测力杆上的阻力与杆端受力点到环心径长的乘积，能表征环形试样剪切带的抗剪强度。

信号传输电缆连接计算机控制系统和所有监测传感设备，可将监测值实时反馈给计算机进行数据储存，以及方便计算机及时做出指令对仪器各功能部件进行伺服控制。

计算机为监测控制系统的核心，其连接有信号传输电缆，可接受来自压力传感器、位移传感器、角位移传感器、超孔隙水压力传感器、量力环反馈的实时数据，并根据预先设定的目标参数，对变频器、电机等部件发出实时指令，伺服调节液压升降系统升降高度以及电机转速等参数，实现试验过程的伺服控制。

框架的左右两侧的立柱用于传递液压升降系统反施给它的作用力，同时提供角位移传感器的安装空间；框架的底座用于安放固定试验台；框架整体固定于水泥地面上，在试验过程中起到保护试验设备及提供支撑反力的作用。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一种优选技术方案：所述顶层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、环剪组件内外壁连杆、连体栓顶套、环剪组件内凸条、轴套及轴套连杆；所述顶层环剪组件的内外壁连杆固连内外壁，内外壁围限的环形空间上下通空，外侧壁上设有环剪组件齿轮。

所述中层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、环剪组件内外壁连杆、连体栓顶套、连体栓底套、环剪组件内凸条、轴套及轴套连杆；所述中层环剪组件的连体栓底套下方设有磁铁套环，所述磁铁套环用于封固穿过顶层环剪组件上的连体栓顶套与该中层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端或者封固穿过上一个中层环剪组件上的连体栓顶套与该中层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端；所述中层环剪组件的内外壁连杆固连内外壁，内外壁围限的环形空间上下通空。

所述底层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、连体栓底套、环剪组件内凸条、轴套、轴套连杆以及底层环剪组件底板；所述底层环剪组件的外侧壁上设有阻力杆，所述阻力杆与量力环相配合；阻力杆呈两边对称地固连于底层环剪组件外壁，可与相对应的两个架于两边电机台底部的量力环中伸出的测力杆呈反方向对称相抵；所述底层环剪组件的连体栓底套下方设有磁铁套环，所述磁铁套环用于封固穿过中层环剪组件上的连体栓顶套与底层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端；所述底层环剪组件无内外壁连杆，其内外壁依靠底板固连并围限出上部通空底部封底的环形空间。

所述顶层环剪组件、中层环剪组件、底层环剪组件的轴套内穿过试验台上的中心轴。

轴套呈不接触状态包围中心轴，可使环剪组件整体围绕中心轴，确保组件相对中心轴的位置不变，在试验过程中保证器件的稳定性。

环剪组件内外壁连杆将环剪组件内壁、环剪组件外壁固连，使之成为一个整体。

轴套连杆用于固连轴套和环剪组件内壁，使之与环剪组件连为一体。

连体栓顶套、连体栓底套固连于环剪组件外壁外表面，连体栓顶套设置于上一层环剪组件的下端，连体栓底套设置于下一层环剪组件的上端；当需要将两层环剪组件连为一体时，将两层环剪组件的连体栓顶底套对齐，再将连体栓穿过套间，最后用磁铁套环对套底出露的连体栓下端进行封固，即可将两层环剪组件合为一体。

环剪组件内凸条设置于环剪组件外壁的内表面，可嵌入组件内的环形试样土体内，从而避免旋转剪切过程中试样与环剪组件之间的相对滑动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述加压轴的下端部为半球形，所述力臂的上表面设有呈内凹弧形的承力槽，所述承力槽用于与半球形的加压轴端部呈点状接触。液压升降系统带动加压轴可进行点状加卸载，点状接触可最大程度地消除承力槽与加压轴之间的转动所产生的机械摩阻力，从而避免仪器自身摩阻力对试样剪切摩阻力的干扰。

作为本发明的一种优选技术方案：所述承力槽内设置压力传感器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述试验台中央设有试验槽，所述试验槽的尺寸略大于底层环剪组件底板以容纳底层环剪组件。试验槽中心竖立的中心轴为整个试验架构的固定中心。底层环剪组件由轴套沿中心轴进入试验槽，并通过光滑滚珠接触与试验槽底相抵。光滑滚珠布设于试验槽底，位于底层环剪组件底板与试验槽底之间，是底层环剪组件和试验槽之间的光滑接触结构，可有效消除底层环剪组件相对于试验槽的转动趋势所产生的机械摩阻力，尽量减小机械摩阻对试样抗剪强度测试的误差影响。

作为本发明的一种优选技术方案：所述转动电机设置在电机台上，所述电机台上方设有电机齿轮转轴移动槽，所述电机齿轮转轴移动槽内设有导轨，所述导轨用于引导转动电机以带动电机齿轮转轴沿其移动，从而带动电机齿轮贴合至顶层环剪组件上的环剪组件齿轮上或者挪开。当需要进行环剪试验时，电机齿轮可往里移动并与顶层环剪组件齿轮相啮合，继而启动转动电机带动电机齿轮旋转即可带动顶层环剪组件进行旋转剪切；当结束试验时，电机齿轮可往外移动，即可进行环剪组件的拆除工作。

作为本发明的一种优选技术方案：相邻两个环剪组件之间设有橡胶垫圈为柔性接触进行分层相叠。橡胶垫圈与环剪组件内外壁相对应区分为橡胶垫圈外圈和橡胶垫圈内圈，垫于层层相叠的环剪组件之间，避免环剪组件之间的刚性接触，起到柔性接触、缓冲器件刚性扰动的作用。

本发明第二个目的在于，提供前文所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪在试验土样剪切强度参数测试方面的应用。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

根据前文所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪在试验土样剪切强度参数测试方面的应用，应用包括：

从第一级压力P₁开始，以底层环剪组件与中层环剪组件b之间开缝进行剪切为第一层剪切，，直至剪至残余阶段，获得第一级压应力下试验曲线；第一层剪切完成后，将底层环剪组件和中层环剪组件b按照连体栓顶套和底套重新对齐并套进连体栓以及用磁铁套环进行封固，而后施加第二级压力P₂，进而去除中层环剪组件b与中层环剪组件a之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，以中层环剪组件b与中层环剪组件a之间开缝进行剪切为第二层剪切，直至剪至残余阶段，获得第二级压应力下试验曲线；同样的，第二层剪切完成后，将中层环剪组件b和中层环剪组件a之间按照连体栓顶套和底套重新对齐并套进连体栓以及用磁铁套环进行封固，而后施加第三级压力P₃，进而去除中层环剪组件a与顶层环剪组件之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，以中层环剪组件a与顶层环剪组件之间开缝进行剪切为第三层剪切，直至剪至残余阶段，获得第三级压应力下试验曲线；其中：P₁<P₂<P₃；

由剪切试验曲线分别获取各级压力下试样的峰值扭矩T^f _P1、T^f _P2、T^f _P3和残余扭矩T^r _P1、T^r _P2、T^r _P3；由环形剪切面的内外径r₁、r₂，换算得到各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样峰值剪应力分别为：

各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样残余剪应力分别为：

各级压力P₁、P₂、P₃下试样剪切面上的压应力分别为：

最后根据摩尔库伦强度准则即可拟合得到试样的峰值粘聚力和峰值摩擦角以及残余粘聚力和残余摩擦角。

本发明提供一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪及应用，各层环剪组件的内外壁可联合围限出通透的多层级环剪试样空间，通过液压升降系统的操控可对试样进行加卸载，同时顶环剪组件齿轮与电机齿轮相啮合可实现上部旋转，而底层环剪组件外壁阻力杆的设置可阻控下部不转，因此，可控制试样在转与不转的分界层位发生旋转剪切。具体地，具有如下有益效果：

1）、常规剪切仪获取抗剪强度参数时，至少需要在三种不同的竖向压力下通过三组平行剪切试验来完成对试样抗剪强度参数的拟合获取，因此需对应不同的竖向压力重复性地制作三个及以上试样分别进行剪切，重复性工作量大；本发明采用多层级剪切设置，只需一次性制作单个试样即可通过开展多层剪切来获取强度参数，能最大程度地降低重复性工作，显著提高试验效率，节约试验成本。

2）、常规剪切仪至少需要在三种不同的竖向压力下通过三组平行剪切试验来完成对试样抗剪强度参数的拟合获取，因此需对应不同的竖向压力重复性地制作三个及以上的试样，这一过程很难保证每个试样的各项指标完全一致，从而会导致获取的试样强度参数存在误差。本发明采用多层级剪切设置，只需一次性制作单个试样即可通过开展多层剪切来完成测试工作，完全确保了试样的一体性和一致性，能显著提高强度参数测试结果的精确度。

3）、本发明既可用于排水环剪试验，又可调整为适用于超孔隙水压力监测的不排水环剪试验，满足实际岩土工程的多工况需求。

4）、本发明考虑了仪器本身机械摩阻力，采用了光滑滚珠、点状受力接触等直接降阻的方法对仪器自身的机械阻力进行消除，避免了机械摩阻对试样抗剪强度测试的干扰。

5）、本发明采用计算机伺服控制系统，可接收并处理传感监测设备反馈的数据，并通过传输信号自动对仪器的功能部件进行伺服控制。

附图说明

图1为本发明所提供的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪的整体结构图；

图2为顶层环剪组件结构及A-A向的图示；

图3为中层环剪组件结构及B-B向的图示；

图4为底层环剪组件结构及C-C向的图示；

图5为橡胶垫圈的结构图；

图6为图1中D-D向的图示；

图7为图1中E-E向的图示；

图8为图1中F-F向的图示；

图9为图1中G-G向的图示；

图10为多层级环剪试验的顺序图示；

图11为强度参数结果试验图；

其中，1-液压升降机，2-变频器，3-升降台底，4-位移传感器，5-力臂，6-环形压板，7-角位移传感器，8-电机齿轮，9-电机齿轮转轴移动槽，9a-导轨，10-顶层环剪组件，11-连体栓，12-磁铁套环，13-中层环剪组件a，14-电机台，15-中层环剪组件b，16-连体栓底套，17-连体栓顶套，18-阻力杆，19-测力杆，20-连地螺栓，21-框架底座，22-地面，23-承力槽，24-加压轴，25-压力传感器，26-透水石，26a-控制缝，26b-透水石底面凸条，27-框架柱，28-升降台，29-信号传输电缆，30-环形土试样，31-环剪组件外壁，32-环剪组件齿轮，33-电机齿轮转轴，34-计算机，35-轴套连杆，36-环剪组件内壁，37-透水孔，38-橡胶垫圈外圈，39-橡胶垫圈内圈，40-环剪组件内外壁连杆，41-超孔隙水压力传感器，42-量力环，43-环形试样剪切带，44-轴套，45-光滑滚珠，46-中心轴，47-试验槽，48-底层环剪组件，48a-底层环剪组件底板，49-试验台，50-环剪组件内凸条，51-环形试样剪切带外径，52-环形试样剪切带内径，53-竖向加压荷载P，53a-一级压力P₁，53b-二级压力P₂，53c-三级压力P₃，54-角位移轴，55-转动力矩轴，56-第一级压应力下试验曲线，57-第二级压应力下试验曲线，58-第三级压应力下试验曲线，59-压应力轴，60-剪应力轴，61-峰值粘聚力，62-峰值摩擦角，63-残余粘聚力，64-残余摩擦角。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明提供的一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，主要包括环剪组件、液压升降系统、动力旋转系统、排水系统、监测控制系统和框架六个部分。

本发明的基本结构由环剪组件、底座、两边立柱以及液压升降机所构成。

上部，液压升降机1安装于两端框架柱27上，升降台28架于液压升降机1上，升降台底3正中连有加压轴24，因而与升降台28形成一个整体，加压轴24底端设计为半球形，与力臂5上部的承力槽23构成点状接触，以减小机械阻力。承力槽23内设有压力传感器25，可监测加压轴24施加的压力值。力臂5下部固连环形压板6，环形压板6尺寸略小于环剪组件内壁36和环剪组件外壁31所围限的环形试样30尺寸，因此，可嵌入其中实施对下方环形试样30的加载。透水石26置于环形压板6之下，是位于压板6与环形试样30之间的排水结构，透水石26边界与环剪组件的内外壁之间设计控制缝26a，其在试验过程中起到排水作用。作为中间结构，透水石26传递上部环形压板6施加的压力给试样30。在变频器2的调节下，升降台28可沿升降机1上下移动。试样30装样或卸样时，升降台28带动加压轴24上升，以腾出足够的空间供装样或卸样之用。同理，升降台28下降，可带动加压轴24对力臂5、环形压板6及试样30进行加压。变频器2主要用于控制液压升降机1的升降速率和升降高度，根据预设的压力数值，以及压力传感器25反馈给计算机34的监测数据，可由计算机34对变频器2发出指令，从而对液压升降机1进行伺服操控。位移传感器4安装于升降台底3，以固定不动的框架柱27为参照，感应升降台28的升降位移，试验过程中升降台28的升降位移也即代表试样30的竖向变形，因此可对试样30竖向变形进行实时监测，并通过信号传输电缆29回馈给计算机34进行储存。角位移传感器7安装于框架柱27上部，以其自身为参照物，感应顶部环剪组件10在旋转剪切过程中经过的角位移，并将数据通过信号传输电缆29回馈给计算机系统34换算出试样的剪切位移。

中部为主试验空间，试验台49固定于框架底座21上，中部开设试验槽47，其尺寸略大于底层环剪组件48的范围，可容许其进入。试验槽47中心竖立的中心轴46为整个试验架构的固定中心，光滑滚珠45布设于中心轴46周围的试验槽47表面，底层环剪组件48由轴套沿中心轴46进入试验槽47，并通过光滑滚珠45接触与试验槽底47相抵，当底层环剪组件48绕中心轴46与试验槽底47发生相对转动时，可凭借光滑滚珠45滚动来消除机械摩阻力，防止机械摩阻对试样30抗剪强度测试的影响。

电机台14呈左右对称布置于试验台49两边，电机台14内设有转动电机，转动电机上设有电机齿轮8，电机齿轮8与转动电机之间经电机齿轮转轴33相连接，电机台14上分别开有电机齿轮转轴移动槽9，移动槽9内设有导轨9a，可引导具有电机齿轮转轴33的转动电机沿其移动。当需要进行环剪试验时，电机齿轮转轴33可往里移动，使电机齿轮8与顶层环剪组件齿轮相32啮合，当结束试验时，电机齿轮转轴33可带动电机齿轮8往外移动，腾出拆除空间。环剪组件10、13、15、48分层对齐，以橡胶垫圈（包括橡胶垫圈内圈39和外圈38）为组件之间的柔性接触进行层层相叠，各层环剪组件的内壁36和外壁31所围限的环形试样30空间相互连通，可联合围限出通透的多层级土试样环剪空间。各层环剪组件10、13、15、48之间的固连采用连体栓11穿过连体栓顶套17和底套16，并结合磁铁套环12进行封固。当需要在某两层之间进行剪切时，则去除磁铁套环12，取出该两层之间的连体栓11即可实现层间解封进而开始剪切，如图1中，以最底下两层环剪组件15、48之间的土样进行剪切为例。底层环剪组件48凭借其底板48a将内外壁连接形成一体，其余层环剪组件10、13、15内外壁均需凭借内外壁连杆40进行连接从而形成一个整体。各层环剪组件10、13、15、48的轴套连杆35固连轴套44和环剪组件内壁36，使之与环剪组件连为一体，轴套44呈不接触状态包围中心轴46，可使环剪组件整体围绕中心轴46，确保组件在试验过程中的相对稳定性。中层和底层环剪组件外壁31的上侧（层与层相间处的下方位置）开设透水孔37，当某两层间进行剪切时，层间下方的透水孔37可连接超孔隙水压力传感器41进行试验过程中超孔隙水压力测定，如图1中，以最底下两层环剪组件15、48之间的土样进行剪切为例。此外，底层环剪组件48外壁上呈两边对称固连阻力杆18，与两个架于两边电机台14底部的量力环42中伸出的测力杆19呈反方向对称相抵。

底部框架底座21通过连地螺栓20固定于牢靠的特殊水泥地面22上，且两端架有框架柱27，试验台49固定于框架底座21上。

图2展示了顶层环剪组件10内壁36和外壁31由内外壁连杆40固连，轴套连杆35将轴套44和环剪组件内壁36固连，使之成为一体，环剪组件内壁36、环剪组件外壁31围限的环形试样空间上下通空，组件内凸条50设置于外壁31的内表面，可嵌入环形试样，避免旋转剪切过程中试样与环剪组件之间的相对滑动。其外壁31中部设有齿轮32，可与左右两边的电机齿轮8相啮合。连体栓顶套17固连于组件外壁31的下端，连体栓11与之对齐，可穿过套间。

图3展示了中层环剪组件13/15的内壁36和外壁31由内外壁连杆40固连，轴套连杆35将轴套44和环剪组件内壁36固连，使之成为一体，环剪组件内壁36、环剪组件外壁31的环形试样空间上下通空，组件内凸条50设置于外壁31的内表面，可嵌入环形试样，避免旋转剪切过程中试样与环剪组件之间的相对滑动。其外壁31上侧设有透水孔37。连体栓底套16固连于组件外壁31的上端，连体栓顶套17固连于组件外壁31的下端，连体栓11与之对齐，可穿过套间。配备磁铁套环12可对穿过套间的连体栓11下端进行封固。

图4展示了底层环剪组件48凭借其底板48a将环剪组件内壁36、环剪组件外壁31连接并一同围限出封底的环形试样空间，轴套连杆35将轴套44和环剪组件内壁36固连，使之成为一体。组件内凸条50设置于外壁31的内表面，可嵌入环形试样，避免旋转剪切过程中试样与环剪组件之间的相对滑动。其外壁31上侧设有透水孔37。连体栓底套16固连于外壁31的上端，可容许上一层组件中连体栓11从中穿过，并配备磁铁套环12对穿过套间的连体栓11下端进行封固。外壁31中部呈对称固连阻力杆18。底层环剪组件48可由轴套44沿中心轴46进入试验台49上的试验槽47。

图5展示了橡胶垫圈，与环剪组件内壁和外壁相对应区分为橡胶垫圈内圈39和橡胶垫圈外圈38，垫于层层相叠的环剪组件之间，可避免环剪组件之间的刚性接触，起到柔性接触、缓冲器件刚性扰动的作用。

图6从D-D视图展示了透水石26的底面结构及其与顶层环剪组件内壁36、环剪组件外壁31的空间关系，以及力臂5及其顶部承力槽23的视图。可见透水石26边界与顶层环剪组件的内壁36与外壁31之间设计控制缝26a，其底面设置凸条26b。

图7从E-E向俯视图展示了顶层环剪组件10的内部结构和外部关系。中心位置，轴套44呈不接触状态包围中心轴46，采用轴套连杆35将轴套与环剪组件内壁36固连，使之连为一体。环剪组件内壁36、环剪组件外壁31围限出环形试样空间，组件内凸条50设置于外壁31的内表面，可嵌入试样30，避免旋转剪切过程中试样与组件之间的相对滑动。环剪组件齿轮32设置于顶层环剪组件外壁31。电机台14呈左右对称布置于试验台49两边，其上分别开有电机齿轮转轴移动槽9，移动槽9内设有导轨9a，可引导电机齿轮转轴33沿其移动。当需要进行环剪试验时，电机齿轮转轴33可往里移动，使电机齿轮8与环剪组件齿轮相32啮合，当结束试验时，电机齿轮转轴33可带动电机齿轮8往外移动，腾出拆除空间。

图8从F-F向俯视图展示了环形剪切带结构。可见橡胶垫圈内圈39和橡胶垫圈外圈38之间为环形试样剪切带43，环形试样剪切带的内径为r₁52，外径为r₂51。

图9从G-G向俯视图展示了底层环剪组件48的内部结构和外部关系。中部，轴套连杆35将轴套44与底层环剪组件内壁36固连，使之连为一体，底层环剪组件48主要由轴套44沿中心轴46进入试验槽47。环剪组件内壁36、环剪组件外壁31围限出环形试样空间，组件内凸条50设置于外壁31的内表面，可嵌入试样30，避免旋转剪切过程中试样与组件之间的相对滑动。两边，阻力杆18呈左右对称固连于底层环剪组件外壁31上，左右两个量力环42中伸出一对测力杆19与左右阻力杆18呈反方向相抵，一方面阻止底层环剪组件48的转动，另一方面可测得该阻力即为试样剪切强度。

图10展示了多层级环剪仪的逐层剪切示意。可见从第一级压力P₁53a开始，以底层环剪组件48与中层环剪组件b15之间开缝进行剪切为第一层剪切；第一层剪切完成后，将底层环剪组件48和中层环剪组件b15按照连体栓顶套17和底套16重新对齐并套进连体栓11以及用磁铁套环12进行封固，而后施加第二级压力P₂53b，去除中层环剪组件b15与中层环剪组件a13之间的磁铁套环12以及取出该两层之间的连体栓11进行层间解封，即可以中层环剪组件b15与中层环剪组件a13之间开缝进行剪切为第二层剪切；同样的，第二层剪切完成后，将中层环剪组件b15和中层环剪组件a13之间按照连体栓顶套17和底套16重新对齐并套进连体栓11以及用磁铁套环12进行封固，而后施加第三级压力P₃53c，去除中层环剪组件a13与顶层环剪组件10之间的磁铁套环12以及取出该两层之间的连体栓11进行层间解封，即可以中层环剪组件a13与顶层环剪组件10之间开缝进行剪切为第三层剪切，直至剪切完成。

图11展示了不同级压力P₁<P₂<P₃下的剪切试验曲线（试验曲线以角位移为横坐标，扭矩为纵坐标，扭矩即为左右两边量力环测得的测力杆阻力与杆端受力点到环心径长的乘积，可经过计算机系统由测得的阻力数值直接换算得到，代表了环形试样剪切带的抗剪强度）以及试样强度参数拟合结果。如图11中(a)所示，随着压力级的增高，试样的扭矩T曲线56、57、58呈同步提升，当旋转剪切至一定角度时，均会分别达到扭矩峰值T^f _P1、T^f _P2、T^f _P3，而后随旋转角度的增加呈下降趋势，并最终分别剪至残余扭矩T^r _P1、T^r _P2、T^r _P3。因环形剪切面的内径和外径分别为r₁52、r₂51，剪切面上应力分布均匀，因此各级压力P₁53a、P₂53b、P₃53c下对应的试样峰值剪应力分别为：

各级压力P₁53a、P₂53b、P₃53c下对应的试样残余剪应力分别为：

各级压力P₁53a、P₂53b、P₃53c下试样剪切面上的压应力分别为：

因此，由图11中(b)所示，根据摩尔库伦强度准则进行试样强度参数拟合，即可分别得到峰值粘聚力c^f61和峰值摩擦角 ^f62以及残余粘聚力c^r63和残余摩擦角/> ^r64。

采用本发明所提供的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪进行试样剪切强度参数测试的基本步骤如下：

一、制样

制样之前，需先将各层环剪组件从底层开始由轴套逐个套入中心轴，并以橡胶垫圈为柔性接触进行层层相叠。将相邻两层环剪组件的连体栓顶底套对齐，再将连体栓穿过套间，用磁铁套环对套底出露的连体栓下端进行封固，实现环剪组件层层相连，各层环剪组件的内外壁联合构建出环形装样空间。

而后即可从环形装样空间的顶部（即顶层环剪组件的顶部）往装样空间内均匀地装入土试样，从下往上进行捣实，直至试样填满环形装样空间，并在环形试样顶部放置好透水石以及在透水石上方对准放置环形压板及与其固连的力臂，则制样完成。

二、多层剪切

可结合图10所示，以从下往上为例进行逐层剪切试验：

首先下降升降台，使升降台底部的加压轴下移进入力臂上方的承力槽，当承力槽内的压力传感器有数据显示，说明加压轴已抵在承力槽内，可实现加压。

1）、第一层剪切

继续下降升降台，施加竖向压力值。当压力传感器显示到达第一级压力P₁时，启动伺服控制，由压力传感器实时监测反馈以及变频器实时微调升降台，确保剪切时竖向压力均动态维持在P₁不变。而后去除底层环剪组件与中层环剪组件b之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，继而即可以底层环剪组件与中层环剪组件b之间开缝进行第一层环剪，直至剪至残余阶段，获得第一级压应力下试验曲线。

2）、第二层剪切

第一层剪切完成后，将底层环剪组件和中层环剪组件b按照连体栓顶套和底套旋转至对齐，并重新套进连体栓以及用磁铁套环进行封固。接着下降升降台，施加竖向压力值，当压力传感器显示增加到第二级压力P₂时，启动伺服控制，由压力传感器实时监测反馈以及变频器实时微调升降台，确保剪切时竖向压力均动态维持在P₂不变。而后去除中层环剪组件b与中层环剪组件a之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，进而在中层环剪组件b与中层环剪组件a之间开缝进行剪切为第二层剪切，同样剪至残余阶段，获得第二级压应力下试验曲线。

3）、第三层剪切

同样地，第二层剪切完成后，将中层环剪组件b和中层环剪组件a按照连体栓顶套和底套旋转至对齐，并重新套进连体栓以及用磁铁套环进行封固。接着下降升降台，施加竖向压力值，当压力传感器显示增加到第二级压力P₃时，启动伺服控制，由压力传感器实时监测反馈以及变频器实时微调升降台，确保剪切时竖向压力均动态维持在P₃不变。而后去除中层环剪组件a与顶层环剪组件之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，进而在中层环剪组件a与中顶层环剪组件之间开缝进行剪切为第三层剪切，同样剪至残余阶段，获得第三级压应力下试验曲线。

三、拆卸

多层级剪切试验完成后，首先将电机齿轮外两侧移动，使其与底层环剪组件齿轮分离，腾出两侧拆卸空间。而后升起升降台，腾出上部拆卸空间。最后从上往下逐层拆卸环剪组件，直至底层环剪组件拆卸完毕，试样仪器各部件进行清理保养。

四、强度参数获取

由剪切试验曲线分别获取各级压力下试样的峰值扭矩T^f _P1、T^f _P2、T^f _P3和残余扭矩T^r _P1、T^r _P2、T^r _P3。由环形剪切面的内外径r₁、r₂，换算得到各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样峰值剪应力分别为：

各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样残余剪应力分别为：

各级压力P₁、P₂、P₃下试样剪切面上的压应力分别为：

最后根据摩尔库伦强度准则即可拟合得到试样的峰值粘聚力和峰值摩擦角以及残余粘聚力和残余摩擦角。

该试验结果是基于本发明在同一个试样上通过多层级剪切一次性完成，体现出一体化效果，实现了试验效率和试验精度的双提高。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述上转下阻式多层级高效能环剪试验仪包括多层环剪组件、液压升降系统、动力旋转系统、排水系统、监测控制系统和框架；

多层环剪组件位于框架中，多层环剪组件包括底层环剪组件、多个中层环剪组件和顶层环剪组件，顶层环剪组件内可嵌入环形压板，所述底层环剪组件具有底层环剪组件底板，多层环剪组件的外壁、内壁、环形压板以及底层环剪组件底板构成围限以形成装载试样土体的环形空间；至少一个相邻的两个环剪组件之间相对固定且至少另一个相邻的两个环剪组件之间相对不固定；

所述液压升降系统包括液压升降机、升降台、变频器、加压轴、力臂和环形压板；所述液压升降机设置在框架上，所述升降台架设在液压升降机上，所述加压轴固定至升降台底部，所述加压轴的下端抵住力臂，所述力臂的下端固定至环形压板上；

所述动力旋转系统包括转动电机和光滑滚珠，所述转动电机的上端具有电机齿轮，所述电机齿轮与顶层环剪组件上的环剪组件齿轮相啮合；所述光滑滚珠设置在底层环剪组件底板与试验槽底之间。

2.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述排水系统包括透水石和透水孔；所述透水石设置在试验土样的顶部与环形压板之间，所述透水孔设置在中层环剪组件外壁及底层环剪组件外壁的上侧。

3.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述监测控制系统包括计算机、信号传输电缆以及经信号传输电缆与计算机分别连接的位移传感器、角位移传感器、变频器、压力传感器、超孔隙水压力传感器、量力环；所述位移传感器设置在升降台底面上，所述角位移传感器设置在框架上方，所述变频器设置在液压升降机附近的框架上，所述压力传感器设置在力臂与加压轴之间，所述超孔隙水压力传感器与透水孔相连接，所述量力环设置在底层环剪组件附近以阻止底层环剪组件转动。

4.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述顶层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、环剪组件内外壁连杆、连体栓顶套、环剪组件内凸条、轴套及轴套连杆；所述顶层环剪组件的内外壁连杆固连内外壁，内外壁围限的环形空间上下通空，外侧壁上设有环剪组件齿轮；

所述中层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、环剪组件内外壁连杆、连体栓顶套、连体栓底套、环剪组件内凸条、轴套及轴套连杆；所述中层环剪组件的连体栓底套下方设有磁铁套环，所述磁铁套环用于封固穿过顶层环剪组件上的连体栓顶套与该中层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端或者封固穿过上一个中层环剪组件上的连体栓顶套与该中层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端；所述中层环剪组件的内外壁连杆固连内外壁，内外壁围限的环形空间上下通空；

所述底层环剪组件包括环剪组件内壁、环剪组件外壁、连体栓底套、环剪组件内凸条、轴套、轴套连杆以及底层环剪组件底板；所述底层环剪组件的外侧壁上设有阻力杆，所述阻力杆与量力环相配合；阻力杆呈两边对称地固连于底层环剪组件外壁，可与相对应的两个架于两边电机台底部的量力环中伸出的测力杆呈反方向对称相抵；所述底层环剪组件的连体栓底套下方设有磁铁套环，所述磁铁套环用于封固穿过中层环剪组件上的连体栓顶套与底层环剪组件上的连体栓底套之间的连体栓下端；所述底层环剪组件无内外壁连杆，其内外壁依靠底板固连并围限出上部通空底部封底的环形空间；

所述顶层环剪组件、中层环剪组件、底层环剪组件的轴套内穿过试验台上的中心轴。

5.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述加压轴的下端部为半球形，所述力臂的上表面设有呈内凹弧形的承力槽，所述承力槽用于与半球形的加压轴端部呈点状接触。

6.根据权利要求5所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述承力槽内设置压力传感器。

7.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述试验台中央设有试验槽，所述试验槽的尺寸略大于底层环剪组件底板以容纳底层环剪组件。

8.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：所述转动电机设置在电机台上，所述电机台上方设有电机齿轮转轴移动槽，所述电机齿轮转轴移动槽内设有导轨，所述导轨用于引导转动电机以带动电机齿轮转轴沿其移动，从而带动电机齿轮贴合至顶层环剪组件上的环剪组件齿轮上或者挪开。

9.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪，其特征在于：相邻两个环剪组件之间设有橡胶垫圈为柔性接触进行分层相叠。

10.根据权利要求1所述的上转下阻式多层级高效能环剪试验仪在试验土样剪切强度参数测试方面的应用，其特征在于：所述应用包括：

从第一级压力P₁开始，以底层环剪组件与中层环剪组件b之间开缝进行剪切为第一层剪切，直至剪至残余阶段，获得第一级压应力下试验曲线；第一层剪切完成后，将底层环剪组件和中层环剪组件b按照连体栓顶套和底套重新对齐并套进连体栓以及用磁铁套环进行封固，而后施加第二级压力P₂，进而去除中层环剪组件b与中层环剪组件a之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，以中层环剪组件b与中层环剪组件a之间开缝进行剪切为第二层剪切，直至剪至残余阶段，获得第二级压应力下试验曲线；同样的，第二层剪切完成后，将中层环剪组件b和中层环剪组件a之间按照连体栓顶套和底套重新对齐并套进连体栓以及用磁铁套环进行封固，而后施加第三级压力P₃，进而去除中层环剪组件a与顶层环剪组件之间的磁铁套环以及取出该两层之间的连体栓进行层间解封，以中层环剪组件a与顶层环剪组件之间开缝进行剪切为第三层剪切，直至剪至残余阶段，获得第三级压应力下试验曲线；其中：P₁<P₂<P₃；

由剪切试验曲线分别获取各级压力下试样的峰值扭矩T^f _P1、T^f _P2、T^f _P3和残余扭矩T^r _P1、T^r _P2、T^r _P3；由环形剪切面的内外径r₁、r₂，换算得到各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样峰值剪应力分别为：

；

各级压力P₁、P₂、P₃下对应的试样残余剪应力分别为：

；

各级压力P₁、P₂、P₃下试样剪切面上的压应力分别为：

；

最后根据摩尔库伦强度准则即可拟合得到试样的峰值粘聚力和峰值摩擦角以及残余粘聚力和残余摩擦角。