CN106840810B - 一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，包括剪切盒、升降***、动力旋转***、监测控制***、土样制备***和框架，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，与环形底板通过导条和导槽装配固定，剪切盒外罩与动力旋转***的旋转力臂连接，传递扭矩，联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降***驱动进行法向力加载，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，在转动力矩作用下，环形底板带动剪切板进行圆周运动所产生的内圆柱侧面即为竖向剪切面；本发明能够确保剪切面上剪切位移和剪切应力分布均匀，竖向剪切面的厚度不受限制，兼具试样制备和竖向剪切试验的功能。

Description

一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置

技术领域

本发明涉及一种环剪试验仪，具体涉及一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，属于土工试验装置技术领域。

背景技术

直剪仪和单剪仪是较早应用于土体抗剪特性研究的土工试验仪器。然而，这两种仪器的局限性在于既不能实现较大位移的土体剪切试验，也难以在试验过程中保持剪切面积不变。直到环剪仪的问世，以上两个难点才得以解决，同时还保证了试样可在连续的位移条件下进行剪切。

环剪仪的研制开始于20世纪20年代。早期的环剪仪设计理念较为简单，功能比较单一，一般主要用于研究土体在剪切面生成后的残余强度性质；而后，科学技术的发展也带动了环剪仪的不断改进与完善，首先在试验精度方面得到了很明显的提高，此外，仪器的功能开始多样化，从最开始只能进行简单的土体强度研究逐渐扩展到可以进行土体剪切破坏过程的研究。在此期间，日本京都大学在环剪仪器的研发领域走在了世界前列。其中佐佐恭二教授等成功研制的高速环剪试验仪，不仅可以实现计算机全程控制，而且还可通过现场地质条件的高度模拟(例如地震等动荷载环境，地下水环境等)来揭示滑坡过程中滑裂面发生的应力变化、孔隙水压力变化以及可能的液化现象。最为重要的是，这种环剪仪实现了高速剪切(剪切速度可达300cm/s)，这一性能为高速远程滑坡成因机理的研究提供了试验基础。

上述的这些环剪仪一般都是基于以下特点进行设计：剪切面的法向与剪切角速度矢量方向平行。然而，这一特点会引起如下问题：剪切过程中整个剪切面上角速度的一致，将引起沿半径方向剪切面上的剪位移不同，从而导致剪应力分布不均。

为此，设计者通常将剪切环的厚度设计的足够小，以此来减小内外环间的剪应力差距，并且采用试样中心环处的剪位移及剪应力来代表整个接触面上的位移和应力，从而忽略剪应力分布不均引起的误差。如此一来，这种类型环剪仪的剪切面厚度受限于较小值，因而试验样中不允许有大颗粒存在。

但是，在实际岩土工程，尤其是涉及到岩土体变形破坏的滑坡自然灾害领域，所遇到的岩土体类型是非常复杂的，其中岩土颗粒物粒径也大小不一，往往存在大颗粒物质，例如块石、碎石等。而以往的环剪试验仪由于本身尺寸的限制，只适用于小粒径土样的力学特性研究，却几乎很难模拟实际岩土体的真实力学特性。

因此，基于以往环剪仪存在以上两方面不足(剪切面剪应力分布不均；剪切面厚度较小，试验样不允许有大颗粒存在，难以模拟实际岩土体的真实力学特性)，有必要开发出一种新型的适用于竖向剪切(剪切面法向与剪切角速度矢量方向垂直)的大型环剪试验仪以及与之相配套的岩土试样制备装置，来弥补上述两方面的不足。

发明内容

基于现有环剪仪存在的剪切面剪应力分布不均、剪切面厚度较小、试验样不允许有大颗粒存在的不足，本发明旨在提供一种适用于竖向剪切，即剪切面法向与剪切角速度矢量方向垂直的环剪试验仪，可用于测试碎石土的峰值强度和残余强度，进行土体应***化特性研究，同时适用于土在大剪切位移条件下的力学特性研究。而在开发此类环剪仪的同时，为了满足该种环剪试验仪器对于试验前期岩土试样制备的需求，以及为了进一步完善该类环剪试验设备体系，本发明还设计出一种与该类环剪仪相匹配的岩土试样制备装置。因此，本发明致力于开发一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，至少包括剪切盒、升降***、动力旋转***和框架，所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩、环形底板和1块以上竖直放置的剪切板，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，剪切盒外罩的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的顶板与动力旋转***的旋转力臂连接，传递扭矩；所述不动室包括橡皮垫圈、联轴压板和圆柱形支撑平台，所述联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降***驱动进行法向力加载，所述圆柱形支撑平台与框架固连，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，并且通过橡皮垫圈控制两者之间缝隙的大小；还包括土样制备***，所述土样制备***包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒两侧，所述压样单元由直线位移动力组件及其驱动的半圆柱形护板构成，半圆柱形护板通过落地导轨组导向，其内径与待压制试样的直径相同，半圆柱形护板的内弧面上沿竖直方向设有制样导条，所述制样导条与剪切盒内部的导条形状相同且位置相对应。

所述圆柱形支撑平台的中心凸起，环形底板对中嵌套于该凸起部上，在环形底板与圆柱形支撑平台的其余部分之间设有下盘滚珠，下盘滚珠与环形底板下表面接触。

所述升降***包括液压升降机、变频器和液压升降台，液压升降机固定于框架上，通过变频器驱动液压升降台升降，联轴压板与设置于液压升降台中心的竖轴固连。

所述液压升降台为三层倒塔型结构，液压升降机与上层固连，中层下表面上安装有导轨，底层台面中心设有一竖轴，该竖轴与联轴压板固连。

所述动力旋转***安装于液压升降台下部，包括电机、齿轮、空心齿轮轴、竖向轴承和上盘滚珠，所述空心齿轮轴套装于液压升降台的竖轴上，竖向轴承装配于二者之间，空心齿轮轴的下端与旋转力臂固连，上盘滚珠安装于空心齿轮轴顶面上并且与液压升降台的底层台面相接触，所述电机通过滑块安装于液压升降台中层的导轨上，齿轮安装于电机输出轴上、与空心齿轮轴啮合。

所述框架包括底座和固定于底座前后两侧的两根立柱，液压升降机固定于两根立柱上，液压升降台上层的左右两端分别开有导孔，供框架的两根立柱穿过，两组压样单元对称分布于剪切盒的左右两侧，与升降***互不干扰。

还包括监测控制***，监测控制***包括控制器、信号传输电缆、角位移传感器、转动力矩传感器和2个以上土压力计，角位移传感器安装在旋转力臂上，转动力矩传感器安装于空心齿轮轴的中部齿圈上，各土压力计均匀分布于剪切盒内的土样中，角位移传感器、转动力矩传感器和土压力计均通过信号传输电缆接入控制器，升降***的液压升降机、动力旋转***的电机以及土样制备***的直线位移动力组件均由控制器控制运行。

所述框架的底座与圆柱形支撑平台为一体结构，框架底座的边缘处开有环形槽，供剪切盒外罩的下端嵌入，圆柱形支撑平台的中部开有排水槽，排水槽的槽口表面铺有一层毛布，槽内铺设一块滤水板，槽底与排水管连通。

所述联轴压板的下表面上以及圆柱形支撑平台的上表面上均沿径向均匀设置2条以上凸条。

所述落地导轨组包括中心落地导轨以及对称分布于其两侧的边侧落地导轨，所述直线位移动力组件包括反力基座和安装于其上的液压伸缩机构。

由上述技术方案可知，本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，主体包括剪切盒、液压升降***、动力旋转***、框架、监测控制***和土样制备***六个功能部分，其中框架为其他功能部分的安装提供安装位，框架的左右两侧的立柱，主要用于传递液压升降***反施给它的作用力，采用大型号螺栓将框架固定在水泥地面上，使其在试验过程中起到保护试验设备以及提供支撑反力的作用；剪切盒用于进行土样的环剪试验，包括转动室和不动室两部分，剪切盒外罩是转动传递构件，剪切盒外罩与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，圆柱形支撑平台是框架底座的一部分，同时又是剪切盒的一个组成部分，主要起到支撑土样并提供反向压力的作用，圆柱形支撑平台中部凸出的圆形平台与联轴压板一起构成不动室的上下界面，圆柱形支撑平台台面上沿径向等角度分布有多条梯形凸条，圆柱形支撑平台四周凹陷构成环形槽，主要是为了满足剪切盒外罩在试样固结加载过程中有足够的下降空间；当旋转力臂传递竖向压力时，剪切盒外罩可凭借内侧壁竖向导条沿着环形底板上开设的导槽向下运移，剪切板可沿着剪切盒外罩顶端面剪切板槽上升，剪切板槽可允许剪切板沿着槽口通过，联轴压板可在液压升降台的控制下产生向下位移，逐级对土样施加竖向压力，因此可实现土样的固结以及土压力的传递，联轴压板底面上沿径向等角度分布有多条倒梯形凸条，下压时，联轴压板底面上以及圆柱形支撑平台台面上的凸条共同深深轧入土体，起到固定不动室内土样的作用；当旋转力臂提供转动力矩时，剪切盒外罩跟着一起转动，由于剪切盒外罩内侧壁的导条卡住环形底板的导槽，以及剪切板卡住剪切盒外罩顶端面剪切板槽，因此环形底板沿着下盘滚珠被带着一起转动，转动室形成，在环形底板上沿环形底板径向均匀固定多块剪切板，将环形底板对中嵌套于框架底座的圆柱形支撑平台上，并在两者之间设有一圈橡皮圈以控制两者间缝隙的大小，同时环形底板之下布设有下盘滚珠以方便环形底板进行定轴转动，如此，在转动力矩作用下，环形底板带动剪切板进行圆周运动所产生的内圆柱侧面即为竖向剪切面。

液压升降***与框架相连，包括液压升降机、变频器和液压升降台，左右液压升降机分别安装在框架左右两侧的立柱上，变频器用以调节液压升降机的升降速率，液压升降台在主视图上呈上中下三层倒塔形，上层为长方体厚平板，其左右两端分别开有导孔，以供框架的两根立柱从中穿过，同时上层两端与固定在框架立柱上的液压升降机相连，可使液压升降台在液压升降机的驱动下升降；中层为一个尺寸相对上层较小的平板，与上层实为一体，中层下表面上安装有导轨，供动力旋转***的电机沿导轨左右滑动；底层为一个加压台面，台面正中焊有一竖轴，该竖轴与联轴压板相焊接，使其构成一个整体，起到向联轴压板传递竖向压力的作用。

动力旋转***安装于液压升降台下部，包括电机、齿轮、空心齿轮轴、竖向轴承和上盘滚珠，空心齿轮轴是一根中空的可以转动的竖轴，其中部挖空使得前述的竖轴嵌套在其中，空心齿轮轴内部设有带滚珠的竖向轴承，可使空心齿轮轴围绕中心竖轴任意转动，空心齿轮轴顶部端面上设置上盘滚珠，并与液压升降台底层位于竖轴外侧的区域直接相抵，既可传递液压升降台施加的固结压力，也可使空心齿轮轴绕竖轴自由旋转；空心齿轮轴中部凸出的齿圈与左右两部电机输出轴上的齿轮相啮合，并由其带着转动空心齿轮轴底部与四条均匀分布的旋转力臂焊接，可将转动力矩通过旋转力臂传递给剪切盒；电机安装在前文所述液压升降台中层的导轨之上，凭借输出轴上的齿轮与前述空心齿轮轴上的齿圈相啮合，电机可将的动力传递给空心齿轮轴，当试样进行前期固结时，电机可沿着导轨滑向两边，使之与空心齿轮轴分离；当需要进行式样剪切时，电机需重新沿着导轨向内滑动，使电机传动轴上的齿轮与空心齿轮轴上的齿轮逐渐啮合，而后开始剪切试验。

土样制备***则用于试验前期土样的制备，土样制备***沿左右方向关于圆柱形的剪切盒呈对称的分布设计，框架沿着前后方向关于圆柱形的剪切盒呈对称的分布设计。因此，制样环节与试验环节互不干扰，联合使用，构成完整的试验操作体系。土样制备***中，反力基座用于安装液压伸缩机构，液压伸缩机构用于支配半圆柱形护板左右伸缩移动，落地导轨组安装在工作台面上，可引导半圆柱形护板沿其滑动，起导向作用。半圆柱形护板主要用于构成制样空间，护板外表面与液压伸缩机构的伸缩柱相焊接，两侧设计有耳板，耳板上竖直分布有螺栓孔，耳板内表面突出有二分之一导条形状的制样导条，护板内侧正中突出有导条形状的制样导条，形成与剪切盒内部的导条完全相同的位置分布，制样导条的作用是制样时可以与环形底板上的导槽相扣，且可以使制出的试样***具有相应的条形凹槽，以满足后续环剪试验设备的结构需求。

考虑到土样固结时内部水分需要排除，本发明在框架底座的圆柱形支撑平台中设置排水槽，排水槽的槽口表面铺有一层毛布，槽内铺设一块滤水板，过滤水中夹杂的土样颗粒，槽底与排水管连通，主要在土样固结和剪切过程中起到排水作用；排水管设置在框架底座内，与排水槽底部相连，用于控制试验过程中的排水。

此外，本发明还设置监测控制***，监测控制***可用于实现人机交互，试验人员可通过控制器对试验过程进行操作控制，同时通过控制器来储存和反馈试验中传感器的监测数据，该***包括控制器、信号传输电缆、角位移传感器、转动力矩传感器和2个以上土压力计；角位移传感器安装在旋转力臂上，用于测量剪切过程中剪切盒转动过的角度，该传感器及时地将监测数据反馈给控制器，以便控制器储存数据或及时做出相关指令对电机进行伺服控制；转动力矩传感器安装于空心齿轮轴的中部齿圈上，用于监测剪切过程中电机提供的转动力矩，同时该传感器可将数据及时反馈给控制器，以方便控制器储存数据或及时做出相关指令对电机进行伺服控制；土压力计分成四个竖排，每一竖排各有四个土压力计，由上至下等间距分布，四个竖排呈圆柱形布设于剪切盒不动室的土样内，位置靠近于设定好的圆柱形剪切面，土压力计的测力面平行于剪切面，主要用于测量在试样加载以及剪切过程中垂直于剪切面上的正压力，土压力计可通过信号传输电缆将测得的压力数据实时地反馈给控制器，则控制器可以及时对液压升降台进行伺服控制以调节对试样的加卸载，从而保证在试样剪切过程中垂直剪切面上的正压力保持不变。

与现有环剪仪相比，本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置的优点在于：

1、本发明设计出了一种产生竖向圆柱形剪切面的试验装置，其剪切面的法向垂直于剪切角速度矢量方向。

2、本发明可以实现大位移剪切和保持剪切面积不变的同时，能够确保剪切面上剪切位移和剪切应力分布均匀，竖向剪切面由多块剪切板旋转形成，以控制剪切过程中竖向剪切破坏面的均匀形成，可避免因剪切板过少或布设不均匀导致的剪动过程中剪切面土体破坏不均匀的现象。

3、本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置不同于以往的环剪试验仪，本发明的环剪试验仪对剪切面的宽度没有要求，因此试样的尺寸不受限制，可适用于大颗粒土石混合体的大型剪切试验，更容易模拟滑坡滑带土实际的力学性质。

4、本发明配套有计算机伺服控制***，可以对液压升降***进行控制，根据试验需求实时地对试样进行加卸载，并通过计算机实时地接收监测数据并对数据进行储存；可通过接收转动力矩传感器反馈回来的监测数据，及时对电机做出相关指令，实现力矩控制；通过接收角位移传感器反馈回来的监测数据，及时对电机做出相关指令，实现位移控制；通过接收土压力计反馈回来的监测数据，及时对液压升降台进行伺服控制以调节对试样的加卸载，从而保证在试样剪切过程中垂直剪切面上的那一级正压力保持不变；可对土样制备***进行自动控制，使制样过程自动化。

5、本发明设计落地导轨组对半圆柱形护板进行导向，可使半圆柱形护板运移过程轻松方便，也可使制样过程中左右两块护板的离合导向更加精确。

6、本发明结构设计合理，用于试验土样制备的土样制备***沿左右方向关于圆柱形的剪切盒呈对称的分布设计，用于竖向环剪试验的框架沿着前后方向关于圆柱形的剪切盒呈对称的分布设计。因此，制样环节与试验环节互不干扰，联合使用，构成完整的试验操作体系，兼具试样制备和竖向剪切试验的功能。

附图说明

图1为本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置拆除液压升降台和动力旋转***后的俯视方向结构示意图。

图2为土样制备***的结构图。

图3为本发明拆除土样制备***后剩余装置的结构图。

图4为图3的AA向剖面图。

图5为图3的BB向剖面图。

图6为图3的CC向剖面图。

图7为半圆柱形护板的结构示意图。

图8为环形底板与剪切板的连接结构图。

其中，100-剪切盒，200-升降***，300-土样制备***；1-框架，2-液压升降机，3-变频器，4-齿轮，5-角位移传感器，6-联轴压板，7-橡皮垫圈A，8-剪切盒外罩，9-土压力计，10-土样，11-底座，12-环形槽，13-排水管，14-水泥地面，15-圆柱形支撑平台，16-下盘滚珠，17-环形底板，18-橡皮垫圈B，19-排水槽，20-控制器，21-旋转力臂，22-竖轴，23-空心齿轮轴，24-转动力矩传感器，25-竖向轴承，26-立柱，27-导轨，28-电机，29-上盘滚珠，30-液压升降台，31-液压升降台上层，32-液压升降台中层，33-液压升降台底层，34-剪切板，35-剪切板槽，36-导槽，37-导条，38-齿圈，39-导孔，40-电机输出轴，41-毛布，42-凸条，43-凸起部，44-半圆柱形护板，45-边侧落地导轨，46-中心落地导轨，47-反力基座，48-油泵，49-双节水平伸缩柱，50-制样导条，51-耳板，52-导轮，53-二分之一形状制样导条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其结构如图1所示，包括剪切盒100、升降***200、动力旋转***、土样制备***300、监测控制***和框架1；

参见图3，所述框架1支撑整个试验结构，包括底座11和固定于底座11两侧的两根立柱26，底座11的中部开有排水槽19，排水槽19的槽口表面铺有一层毛布41，槽内铺设一块滤水板，槽底与排水管13连通，用于控制试验过程中的排水；框架1底座11的边缘处开有环形槽12，供剪切盒外罩8的下端嵌入；采用大型号螺栓将框架1固定在水泥地面14上，使其在试验过程中起到保护试验设备以及提供支撑反力的作用；

参见图5和图6，所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩8、环形底板17和4块竖直放置的剪切板34，如图8所示，4块剪切板34沿环形底板17径向等间距焊接于环形底板17上，且其宽度等于环形底板17的宽度，剪切盒外罩8罩扣于环形底板17和剪切板34上，在剪切盒外罩8的罩筒内表面上沿径向均匀设置4条沿竖向布置的导条37，环形底板17的边沿沿径向均匀开设4个与导条37横截面形状相匹配的导槽36，导槽36位于相邻2块剪切板34之间，剪切盒外罩8与环形底板17通过该导条37与导槽36的配合进行装配固定，由此，环形底板17、剪切板34与剪切盒外罩8组成一个整体，共同转动，剪切盒外罩8的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同且位置相对应的剪切板槽35，供剪切板34嵌入，并允许剪切板34沿着槽口通过，剪切盒外罩8的顶板与动力旋转***的4根旋转力臂21焊接，4根旋转力臂21的焊接位置与导条37或导槽36的位置一一对应，且两两共直径，传递动力旋转***加载的扭矩；所述不动室包括联轴压板6、橡皮垫圈A7、橡皮垫圈B18和圆柱形支撑平台15，圆柱形支撑平台15实际上为框架底座11的一部分，框架底座11的中心向上***即构成该圆柱形支撑平台15，圆柱形支撑平台15的中心凸起，环形底板17对中嵌套于该凸起部43上，并且通过橡皮垫圈B18控制两者之间缝隙的大小，在环形底板17与圆柱形支撑平台15的其余部分之间设有下盘滚珠16，下盘滚珠16与环形底板17下表面接触，所述联轴压板6对中嵌于剪切盒外罩8顶板的中心孔中，其下表面上以及圆柱形支撑平台15的凸起部43的上表面上均沿径向均匀设置2条以上凸条42，联轴压板6由升降***驱动进行法向力加载，可在升降***的控制下产生向下位移，逐级对土样10施加竖向压力，与此同时，联轴压板6以及凸起部43上的凸条42深深轧入土体，起到固定不动室内土样10的作用；

所述升降***包括两组液压升降机2、变频器3和液压升降台30，两组液压升降机2分别固定于框架1的两根立柱26上，驱动液压升降台30，所述液压升降台30为三层倒塔型结构，液压升降机2与液压升降台上层31固连，液压升降台上层31的前后两端分别开有导孔39，供框架1的两根立柱26穿过，即升降***为沿着前后方向关于圆柱形的剪切盒呈对称的分布设计，液压升降台的中层32下表面上对称安装有两根导轨27，液压升降台的底层33台面中心设有一竖轴22，该竖轴22与联轴压板6固连，传递压力；

参见图4和图5，所述动力旋转***安装于液压升降台30下部，包括两个电机28、两个齿轮4、空心齿轮轴23、竖向轴承25和上盘滚珠29，所述空心齿轮轴23套装于液压升降台30的竖轴22上，竖向轴承25装配于二者之间，可使空心齿轮轴23围绕竖轴22任意转动，空心齿轮轴23的下端与旋转力臂21固连，上盘滚珠29安装于空心齿轮轴23顶面上并且与液压升降台的底层33台面相接触，所述电机28通过滑块安装于液压升降台30中层32的导轨27上，可沿导轨左右滑动，齿轮4安装于电机的输出轴40上，并且与空心齿轮轴23的中部齿圈38啮合；

参见图1和图2，土样制备***300沿着左右方向关于圆柱形的剪切盒100呈对称的分布设计，所述土样制备***包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒100两侧，所述由反力基座47、油泵48、双节水平伸缩柱49及其驱动的半圆柱形护板44构成，反力基座47呈靴子状，由混凝土浇筑而成，且左右关于圆柱形试样平台对称，各浇筑了一个反力基座47，其上部呈方形，下部呈梯形，用于安装油泵48和双节水平伸缩柱49，油泵48安装于反力基座47顶部，可由控制器精确控制，双节水平伸缩柱49安装于反力基座47上部的方形端面，可用于支配半圆柱形护板44前后伸缩移动，半圆柱形护板44通过落地导轨组导向，所述落地导轨组呈水平地安装在工作台面上，包括中心落地导轨46以及对称分布于其两侧的边侧落地导轨45，可引导半圆柱形护板44沿其滑动，参见图7，所述半圆柱形护板44关于圆柱形支撑平台15对称，主要用于构成制样空间，半圆柱形护板44顶部与剪切板34顶部平齐，外表面与双节水平伸缩柱49相焊接，且两侧设计有耳板51，耳板51上竖直分布有螺栓孔，用于制样时左右护板之间的螺栓固定，耳板内表面突出有二分之一形状制样导条53，半圆柱形护板44内弧面正中位置沿竖直方向设有制样导条50，上述制样导条50、53可以手工地缩进到半圆柱形护板44内部，也可从半圆柱形护板44内部手工拨出，其的作用是制样时可以与环形底板上17的导槽36相扣，且可以使制出的试样***具有相应的条形凹槽，以满足后续环剪试验设备的结构需求，半圆柱形护板44底部共安装有三个导轮52，分别是两侧的耳板底部各一个导轮，以及护板底部正中安装一个导轮，导轮52可沿落地导轨组滚动；

所述监测控制***包括控制器20、信号传输电缆、角位移传感器5、转动力矩传感器24和16个土压力计9，角位移传感器5安装在旋转力臂21上，用于测量试验中剪过的角度，转动力矩传感器24安装于空心齿轮轴23的齿圈38上，用于监测剪切过程中电机提供的转动力，16个土压力计9分为4个竖排，每一竖排各有四个土压力计，由上至下等间距分布，四个竖排呈圆柱形布设于剪切盒不动室的土样10内，位置靠近于设定好的圆柱形剪切面，角位移传感器5、转动力矩传感器24和土压力计9均通过信号传输电缆接入控制器20，控制器20同时通过信号传输电缆对液压升降机2、电机4和油泵48进行指令性操作。

采用本发明提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置进行大型环剪试验的基本过程如下：

一、制样

在此步骤之前，先要操作控制器，即计算机，使左右两部电机沿着导轨分别滑向两边。而后通过计算机来控制液压升降机抬升，使液压升降台带动联轴压板和剪切盒外罩一起上升，以方便制样环节具有足够的操作空间。

首先，将耳板内表面突出的四分之一圆形凸条即二分之一形状制样导条手工地缩进到耳板内部(以方便护板顺利推进到圆柱形支撑平台，并与其上的环形底板相扣)；

而后开始操作计算机***，控制液压伸缩机构推动左右护板沿着落地导轨匀速地向圆柱形支撑平台靠拢，将要接近圆柱形支撑平台时，放缓推进速度，使待护板内侧正中突出的制样导条与环形底板左右方向上的半圆形导槽缓慢相扣，之后即可手工拨出耳板上的四分之一圆形凸条，使其与环形底板前后方向上的半圆形导槽相扣。制样导条的作用是制样时可以与环形金属底板上的半圆形导槽相扣，且可以使制出的试样***具有相应的条形凹槽，以满足后续环剪试验设备的结构需求。

通过在耳板上的螺栓孔栓上螺栓，可将两瓣护板拴紧，使护板与环形底板紧密相扣，并共同构成制样空间。之后即可往护板围限的制样空间内分层倒入土样进行分层打毛压实，进行制样。

土样分层压实完成后，可适当等待一个小时，即可将螺栓从螺栓孔中卸下，然后手工地缩进耳板内表面四分之一圆形凸条。此时，即可方便地操作计算机程序，控制液压伸缩机构，将左右两边的半圆柱形带轮护板匀速缓慢分离，沿落地导轨拉向两边，为后续的大型环剪试验腾出空间。至此，试样制备完成。

二、试样加载

首先需要操作计算机，使左右两部电机沿着导轨分别滑向两边，然后继续操作计算机，控制液压升降机带动缓缓下降。此时升降台带着联轴压板和剪切盒外罩一起缓缓下降。当剪切盒外罩下边缘与试样即将接近时，需要对准盒金属外罩内壁的半圆形导条与试样边缘被轧出来的导槽(此试样导槽与环形底板外边缘等距离开有的4个导槽对应)，对准之后，继续缓慢下降，直至金属外罩顶端面和联轴压板完全与试样顶面接触(由于长条形剪切板槽的空间位置恰与四块剪切板相对应，因此，剪切板恰好抵在长条形剪切板槽上)。之后，可通过操控液压升降机，凭借旋转力臂和中心竖轴传递竖向压力，对试样进行加载(此时，剪切盒外罩可凭借内侧壁竖向导条沿着环形底板上开设的导槽向下运移，剪切板可沿着剪切盒外罩顶端面剪切板槽上升，剪切板槽可允许剪切板沿着槽口通过)。此时需要土压力计实时地监测垂直于剪切面上的那一级试验压力，并通过信号传输电缆及时地将监测数据反馈给计算机。通过计算机对液压***的伺服控制功能，实时调节液压升降机，使得土压力计测得的数值保持在剪切试验所需的压力荷载上。

三、剪切试验

通过上一步骤的加载，使得垂直于剪切面上的压力保持在剪切试验所需的压力荷载上以后，就可以开始剪切试验。首先，通过计算机上操作，将左右两部电机沿着导轨分别向内滑动，使得电机输出轴齿轮与空心齿轮轴的齿圈相啮合。然后启动电机，将电机的动力传递给空心齿轮轴，空心齿轮轴带动旋转力臂和金属外罩开始剪动。剪切过程中，角位移传感器和力矩传感器开始监测数据，并及时反馈给计算机，以方便计算机保存或及时做出相关指令对电机进行伺服控制。土压力计在整个剪切过程中都在实时地监测垂直于剪切面上的试验压力，并及时反馈给计算机，以求计算机对液压***进行伺服控制，保证试验中垂直于剪切面上的试验压力保持试验用值不发生变化。

本发明的创新在于提供了一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，因其能够确保剪切面上剪切位移和剪切应力分布均匀，因而竖向剪切面的厚度不受限制，使得大颗粒物存在的大型剪切试验得以实现，并且可以制备配套试样。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。但是倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，至少包括剪切盒、升降***、动力旋转***和框架，其特征在于：所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩、环形底板和2块以上竖直放置的剪切板，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，剪切盒外罩的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的顶板与动力旋转***的旋转力臂连接，传递扭矩；所述不动室包括橡皮垫圈、联轴压板和圆柱形支撑平台，所述联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降***驱动进行法向力加载，所述圆柱形支撑平台与框架固连，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，并且通过橡皮垫圈控制两者之间缝隙的大小；还包括土样制备***，所述土样制备***包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒两侧，所述压样单元由直线位移动力组件及其驱动的半圆柱形护板构成，半圆柱形护板通过落地导轨组导向，其内径与待压制试样的直径相同，半圆柱形护板的内弧面上沿竖直方向设有制样导条，所述制样导条与剪切盒内部的导条形状相同且位置相对应。

2.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述圆柱形支撑平台的中心凸起，环形底板对中嵌套于该凸起部上，在环形底板与圆柱形支撑平台的其余部分之间设有下盘滚珠，下盘滚珠与环形底板下表面接触。

3.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述升降***包括液压升降机、变频器和液压升降台，液压升降机固定于框架上，通过变频器驱动液压升降台升降，联轴压板与设置于液压升降台中心的竖轴固连。

4.根据权利要求3所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述液压升降台为三层倒塔型结构，液压升降机与上层固连，中层下表面上安装有导轨，底层台面中心设有一竖轴，该竖轴与联轴压板固连。

5.根据权利要求4所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述动力旋转***安装于液压升降台下部，包括电机、齿轮、空心齿轮轴、竖向轴承和上盘滚珠，所述空心齿轮轴套装于液压升降台的竖轴上，竖向轴承装配于二者之间，空心齿轮轴的下端与旋转力臂固连，上盘滚珠安装于空心齿轮轴顶面上并且与液压升降台的底层台面相接触，所述电机通过滑块安装于液压升降台中层的导轨上，齿轮安装于电机输出轴上、与空心齿轮轴啮合。

6.根据权利要求5所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述框架包括底座和固定于底座前后两侧的两根立柱，液压升降机固定于两根立柱上，液压升降台上层的左右两端分别开有导孔，供框架的两根立柱穿过，两组压样单元对称分布于剪切盒的左右两侧，与升降***互不干扰。

7.根据权利要求6所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：还包括监测控制***，监测控制***包括控制器、信号传输电缆、角位移传感器、转动力矩传感器和2个以上土压力计，角位移传感器安装在旋转力臂上，转动力矩传感器安装于空心齿轮轴的中部齿圈上，各土压力计均匀分布于剪切盒内的土样中，角位移传感器、转动力矩传感器和土压力计均通过信号传输电缆接入控制器，升降***的液压升降机、动力旋转***的电机以及土样制备***的直线位移动力组件均由控制器控制运行。

8.根据权利要求6所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述框架的底座与圆柱形支撑平台为一体结构，框架底座的边缘处开有环形槽，供剪切盒外罩的下端嵌入，圆柱形支撑平台的中部开有排水槽，排水槽的槽口表面铺有一层毛布，槽内铺设一块滤水板，槽底与排水管连通。

9.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述联轴压板的下表面上以及圆柱形支撑平台的上表面上均沿径向均匀设置2条以上凸条。

10.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述落地导轨组包括中心落地导轨以及对称分布于其两侧的边侧落地导轨，所述直线位移动力组件包括反力基座和安装于其上的液压伸缩机构。