本發(fā)明涉及一種環(huán)剪試驗儀，具體涉及一種適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置，屬于土工試驗裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

直剪儀和單剪儀是較早應(yīng)用于土體抗剪特性研究的土工試驗儀器。然而，這兩種儀器的局限性在于既不能實現(xiàn)較大位移的土體剪切試驗，也難以在試驗過程中保持剪切面積不變。直到環(huán)剪儀的問世，以上兩個難點(diǎn)才得以解決，同時還保證了試樣可在連續(xù)的位移條件下進(jìn)行剪切。

環(huán)剪儀的研制開始于20世紀(jì)20年代。早期的環(huán)剪儀設(shè)計理念較為簡單，功能比較單一，一般主要用于研究土體在剪切面生成后的殘余強(qiáng)度性質(zhì)；而后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也帶動了環(huán)剪儀的不斷改進(jìn)與完善，首先在試驗精度方面得到了很明顯的提高，此外，儀器的功能開始多樣化，從最開始只能進(jìn)行簡單的土體強(qiáng)度研究逐漸擴(kuò)展到可以進(jìn)行土體剪切破壞過程的研究。在此期間，日本京都大學(xué)在環(huán)剪儀器的研發(fā)領(lǐng)域走在了世界前列。其中佐佐恭二教授等成功研制的高速環(huán)剪試驗儀，不僅可以實現(xiàn)計算機(jī)全程控制，而且還可通過現(xiàn)場地質(zhì)條件的高度模擬(例如地震等動荷載環(huán)境，地下水環(huán)境等)來揭示滑坡過程中滑裂面發(fā)生的應(yīng)力變化、孔隙水壓力變化以及可能的液化現(xiàn)象。最為重要的是，這種環(huán)剪儀實現(xiàn)了高速剪切(剪切速度可達(dá)300cm/s)，這一性能為高速遠(yuǎn)程滑坡成因機(jī)理的研究提供了試驗基礎(chǔ)。

上述的這些環(huán)剪儀一般都是基于以下特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計：剪切面的法向與剪切角速度矢量方向平行。然而，這一特點(diǎn)會引起如下問題：剪切過程中整個剪切面上角速度的一致，將引起沿半徑方向剪切面上的剪位移不同，從而導(dǎo)致剪應(yīng)力分布不均。

為此，設(shè)計者通常將剪切環(huán)的厚度設(shè)計的足夠小，以此來減小內(nèi)外環(huán)間的剪應(yīng)力差距，并且采用試樣中心環(huán)處的剪位移及剪應(yīng)力來代表整個接觸面上的位移和應(yīng)力，從而忽略剪應(yīng)力分布不均引起的誤差。如此一來，這種類型環(huán)剪儀的剪切面厚度受限于較小值，因而試驗樣中不允許有大顆粒存在。

但是，在實際巖土工程，尤其是涉及到巖土體變形破壞的滑坡自然災(zāi)害領(lǐng)域，所遇到的巖土體類型是非常復(fù)雜的，其中巖土顆粒物粒徑也大小不一，往往存在大顆粒物質(zhì)，例如塊石、碎石等。而以往的環(huán)剪試驗儀由于本身尺寸的限制，只適用于小粒徑土樣的力學(xué)特性研究，卻幾乎很難模擬實際巖土體的真實力學(xué)特性。

因此，基于以往環(huán)剪儀存在以上兩方面不足(剪切面剪應(yīng)力分布不均；剪切面厚度較小，試驗樣不允許有大顆粒存在，難以模擬實際巖土體的真實力學(xué)特性)，有必要開發(fā)出一種新型的適用于豎向剪切(剪切面法向與剪切角速度矢量方向垂直)的大型環(huán)剪試驗儀以及與之相配套的巖土試樣制備裝置，來彌補(bǔ)上述兩方面的不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有環(huán)剪儀存在的剪切面剪應(yīng)力分布不均、剪切面厚度較小、試驗樣不允許有大顆粒存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種適用于豎向剪切，即剪切面法向與剪切角速度矢量方向垂直的環(huán)剪試驗儀，可用于測試碎石土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，進(jìn)行土體應(yīng)變軟化特性研究，同時適用于土在大剪切位移條件下的力學(xué)特性研究。而在開發(fā)此類環(huán)剪儀的同時，為了滿足該種環(huán)剪試驗儀器對于試驗前期巖土試樣制備的需求，以及為了進(jìn)一步完善該類環(huán)剪試驗設(shè)備體系，本發(fā)明還設(shè)計出一種與該類環(huán)剪儀相匹配的巖土試樣制備裝置。因此，本發(fā)明致力于開發(fā)一種適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置。

實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置，至少包括剪切盒、升降系統(tǒng)、動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和框架，所述剪切盒包括轉(zhuǎn)動室和不動室兩部分，其中轉(zhuǎn)動室包括剪切盒外罩、環(huán)形底板和1塊以上豎直放置的剪切板，剪切板沿環(huán)形底板徑向均勻固定于環(huán)形底板上，剪切盒外罩罩扣于環(huán)形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒與環(huán)形底板通過設(shè)置于二者之間的導(dǎo)條和導(dǎo)槽裝配固定，剪切盒外罩的頂板為環(huán)板，其上開設(shè)有與剪切板數(shù)量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的頂板與動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)力臂連接，傳遞扭矩；所述不動室包括橡皮墊圈、聯(lián)軸壓板和圓柱形支撐平臺，所述聯(lián)軸壓板對中嵌于剪切盒外罩頂板的中心孔中，并且由升降系統(tǒng)驅(qū)動進(jìn)行法向力加載，所述圓柱形支撐平臺與框架固連，環(huán)形底板對中嵌套于圓柱形支撐平臺上，并且通過橡皮墊圈控制兩者之間縫隙的大小；還包括土樣制備系統(tǒng)，所述土樣制備系統(tǒng)包括通過落地導(dǎo)軌組導(dǎo)向的兩組制樣單元，兩組壓樣單元對稱分布于剪切盒兩側(cè)，所述壓樣單元由直線位移動力組件及其驅(qū)動的半圓柱形護(hù)板構(gòu)成，半圓柱形護(hù)板通過落地導(dǎo)軌組導(dǎo)向，其內(nèi)徑與待壓制試樣的直徑相同，半圓柱形護(hù)板的內(nèi)弧面上沿豎直方向設(shè)有制樣導(dǎo)條，所述制樣導(dǎo)條與剪切盒內(nèi)部的導(dǎo)條形狀相同且位置相對應(yīng)。

所述圓柱形支撐平臺的中心凸起，環(huán)形底板對中嵌套于該凸起部上，在環(huán)形底板與圓柱形支撐平臺的其余部分之間設(shè)有下盤滾珠，下盤滾珠與環(huán)形底板下表面接觸。

所述升降系統(tǒng)包括液壓升降機(jī)、變頻器和液壓升降臺，液壓升降機(jī)固定于框架上，通過變頻器驅(qū)動液壓升降臺升降，聯(lián)軸壓板與設(shè)置于液壓升降臺中心的豎軸固連。

所述液壓升降臺為三層倒塔型結(jié)構(gòu)，液壓升降機(jī)與上層固連，中層下表面上安裝有導(dǎo)軌，底層臺面中心設(shè)有一豎軸，該豎軸與聯(lián)軸壓板固連。

所述動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝于液壓升降臺下部，包括電機(jī)、齒輪、空心齒輪軸、豎向軸承和上盤滾珠，所述空心齒輪軸套裝于液壓升降臺的豎軸上，豎向軸承裝配于二者之間，空心齒輪軸的下端與旋轉(zhuǎn)力臂固連，上盤滾珠安裝于空心齒輪軸頂面上并且與液壓升降臺的底層臺面相接觸，所述電機(jī)通過滑塊安裝于液壓升降臺中層的導(dǎo)軌上，齒輪安裝于電機(jī)輸出軸上、與空心齒輪軸嚙合。

所述框架包括底座和固定于底座前后兩側(cè)的兩根立柱，液壓升降機(jī)固定于兩根立柱上，液壓升降臺上層的左右兩端分別開有導(dǎo)孔，供框架的兩根立柱穿過，兩組壓樣單元對稱分布于剪切盒的左右兩側(cè)，與升降系統(tǒng)互不干擾。

還包括監(jiān)測控制系統(tǒng)，監(jiān)測控制系統(tǒng)包括控制器、信號傳輸電纜、角位移傳感器、轉(zhuǎn)動力矩傳感器和2個以上土壓力計，角位移傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)力臂上，轉(zhuǎn)動力矩傳感器安裝于空心齒輪軸的中部齒圈上，各土壓力計均勻分布于剪切盒內(nèi)的土樣中，角位移傳感器、轉(zhuǎn)動力矩傳感器和土壓力計均通過信號傳輸電纜接入控制器，升降系統(tǒng)的液壓升降機(jī)、動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電機(jī)以及土樣制備系統(tǒng)的直線位移動力組件均由控制器控制運(yùn)行。

所述框架的底座與圓柱形支撐平臺為一體結(jié)構(gòu)，框架底座的邊緣處開有環(huán)形槽，供剪切盒外罩的下端嵌入，圓柱形支撐平臺的中部開有排水槽，排水槽的槽口表面鋪有一層毛布，槽內(nèi)鋪設(shè)一塊濾水板，槽底與排水管連通。

所述聯(lián)軸壓板的下表面上以及圓柱形支撐平臺的上表面上均沿徑向均勻設(shè)置2條以上凸條。

所述落地導(dǎo)軌組包括中心落地導(dǎo)軌以及對稱分布于其兩側(cè)的邊側(cè)落地導(dǎo)軌，所述直線位移動力組件包括反力基座和安裝于其上的液壓伸縮機(jī)構(gòu)。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置，主體包括剪切盒、液壓升降系統(tǒng)、動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、框架、監(jiān)測控制系統(tǒng)和土樣制備系統(tǒng)六個功能部分，其中框架為其他功能部分的安裝提供安裝位，框架的左右兩側(cè)的立柱，主要用于傳遞液壓升降系統(tǒng)反施給它的作用力，采用大型號螺栓將框架固定在水泥地面上，使其在試驗過程中起到保護(hù)試驗設(shè)備以及提供支撐反力的作用；剪切盒用于進(jìn)行土樣的環(huán)剪試驗，包括轉(zhuǎn)動室和不動室兩部分，剪切盒外罩是轉(zhuǎn)動傳遞構(gòu)件，剪切盒外罩與環(huán)形底板通過設(shè)置于二者之間的導(dǎo)條和導(dǎo)槽裝配固定，圓柱形支撐平臺是框架底座的一部分，同時又是剪切盒的一個組成部分，主要起到支撐土樣并提供反向壓力的作用，圓柱形支撐平臺中部凸出的圓形平臺與聯(lián)軸壓板一起構(gòu)成不動室的上下界面，圓柱形支撐平臺臺面上沿徑向等角度分布有多條梯形凸條，圓柱形支撐平臺四周凹陷構(gòu)成環(huán)形槽，主要是為了滿足剪切盒外罩在試樣固結(jié)加載過程中有足夠的下降空間；當(dāng)旋轉(zhuǎn)力臂傳遞豎向壓力時，剪切盒外罩可憑借內(nèi)側(cè)壁豎向?qū)l沿著環(huán)形底板上開設(shè)的導(dǎo)槽向下運(yùn)移，剪切板可沿著剪切盒外罩頂端面剪切板槽上升，剪切板槽可允許剪切板沿著槽口通過，聯(lián)軸壓板可在液壓升降臺的控制下產(chǎn)生向下位移，逐級對土樣施加豎向壓力，因此可實現(xiàn)土樣的固結(jié)以及土壓力的傳遞，聯(lián)軸壓板底面上沿徑向等角度分布有多條倒梯形凸條，下壓時，聯(lián)軸壓板底面上以及圓柱形支撐平臺臺面上的凸條共同深深軋入土體，起到固定不動室內(nèi)土樣的作用；當(dāng)旋轉(zhuǎn)力臂提供轉(zhuǎn)動力矩時，剪切盒外罩跟著一起轉(zhuǎn)動，由于剪切盒外罩內(nèi)側(cè)壁的導(dǎo)條卡住環(huán)形底板的導(dǎo)槽，以及剪切板卡住剪切盒外罩頂端面剪切板槽，因此環(huán)形底板沿著下盤滾珠被帶著一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動室形成，在環(huán)形底板上沿環(huán)形底板徑向均勻固定多塊剪切板，將環(huán)形底板對中嵌套于框架底座的圓柱形支撐平臺上，并在兩者之間設(shè)有一圈橡皮圈以控制兩者間縫隙的大小，同時環(huán)形底板之下布設(shè)有下盤滾珠以方便環(huán)形底板進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動，如此，在轉(zhuǎn)動力矩作用下，環(huán)形底板帶動剪切板進(jìn)行圓周運(yùn)動所產(chǎn)生的內(nèi)圓柱側(cè)面即為豎向剪切面。

液壓升降系統(tǒng)與框架相連，包括液壓升降機(jī)、變頻器和液壓升降臺，左右液壓升降機(jī)分別安裝在框架左右兩側(cè)的立柱上，變頻器用以調(diào)節(jié)液壓升降機(jī)的升降速率，液壓升降臺在主視圖上呈上中下三層倒塔形，上層為長方體厚平板，其左右兩端分別開有導(dǎo)孔，以供框架的兩根立柱從中穿過，同時上層兩端與固定在框架立柱上的液壓升降機(jī)相連，可使液壓升降臺在液壓升降機(jī)的驅(qū)動下升降；中層為一個尺寸相對上層較小的平板，與上層實為一體，中層下表面上安裝有導(dǎo)軌，供動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電機(jī)沿導(dǎo)軌左右滑動；底層為一個加壓臺面，臺面正中焊有一豎軸，該豎軸與聯(lián)軸壓板相焊接，使其構(gòu)成一個整體，起到向聯(lián)軸壓板傳遞豎向壓力的作用。

動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝于液壓升降臺下部，包括電機(jī)、齒輪、空心齒輪軸、豎向軸承和上盤滾珠，空心齒輪軸是一根中空的可以轉(zhuǎn)動的豎軸，其中部挖空使得前述的豎軸嵌套在其中，空心齒輪軸內(nèi)部設(shè)有帶滾珠的豎向軸承，可使空心齒輪軸圍繞中心豎軸任意轉(zhuǎn)動，空心齒輪軸頂部端面上設(shè)置上盤滾珠，并與液壓升降臺底層位于豎軸外側(cè)的區(qū)域直接相抵，既可傳遞液壓升降臺施加的固結(jié)壓力，也可使空心齒輪軸繞豎軸自由旋轉(zhuǎn)；空心齒輪軸中部凸出的齒圈與左右兩部電機(jī)輸出軸上的齒輪相嚙合，并由其帶著轉(zhuǎn)動空心齒輪軸底部與四條均勻分布的旋轉(zhuǎn)力臂焊接，可將轉(zhuǎn)動力矩通過旋轉(zhuǎn)力臂傳遞給剪切盒；電機(jī)安裝在前文所述液壓升降臺中層的導(dǎo)軌之上，憑借輸出軸上的齒輪與前述空心齒輪軸上的齒圈相嚙合，電機(jī)可將的動力傳遞給空心齒輪軸，當(dāng)試樣進(jìn)行前期固結(jié)時，電機(jī)可沿著導(dǎo)軌滑向兩邊，使之與空心齒輪軸分離；當(dāng)需要進(jìn)行式樣剪切時，電機(jī)需重新沿著導(dǎo)軌向內(nèi)滑動，使電機(jī)傳動軸上的齒輪與空心齒輪軸上的齒輪逐漸嚙合，而后開始剪切試驗。

土樣制備系統(tǒng)則用于試驗前期土樣的制備，土樣制備系統(tǒng)沿左右方向關(guān)于圓柱形的剪切盒呈對稱的分布設(shè)計，框架沿著前后方向關(guān)于圓柱形的剪切盒呈對稱的分布設(shè)計。因此，制樣環(huán)節(jié)與試驗環(huán)節(jié)互不干擾，聯(lián)合使用，構(gòu)成完整的試驗操作體系。土樣制備系統(tǒng)中，反力基座用于安裝液壓伸縮機(jī)構(gòu)，液壓伸縮機(jī)構(gòu)用于支配半圓柱形護(hù)板左右伸縮移動，落地導(dǎo)軌組安裝在工作臺面上，可引導(dǎo)半圓柱形護(hù)板沿其滑動，起導(dǎo)向作用。半圓柱形護(hù)板主要用于構(gòu)成制樣空間，護(hù)板外表面與液壓伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮柱相焊接，兩側(cè)設(shè)計有耳板，耳板上豎直分布有螺栓孔，耳板內(nèi)表面突出有二分之一導(dǎo)條形狀的制樣導(dǎo)條，護(hù)板內(nèi)側(cè)正中突出有導(dǎo)條形狀的制樣導(dǎo)條，形成與剪切盒內(nèi)部的導(dǎo)條完全相同的位置分布，制樣導(dǎo)條的作用是制樣時可以與環(huán)形底板上的導(dǎo)槽相扣，且可以使制出的試樣外圍具有相應(yīng)的條形凹槽，以滿足后續(xù)環(huán)剪試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)需求。

考慮到土樣固結(jié)時內(nèi)部水分需要排除，本發(fā)明在框架底座的圓柱形支撐平臺中設(shè)置排水槽，排水槽的槽口表面鋪有一層毛布，槽內(nèi)鋪設(shè)一塊濾水板，過濾水中夾雜的土樣顆粒，槽底與排水管連通，主要在土樣固結(jié)和剪切過程中起到排水作用；排水管設(shè)置在框架底座內(nèi)，與排水槽底部相連，用于控制試驗過程中的排水。

此外，本發(fā)明還設(shè)置監(jiān)測控制系統(tǒng)，監(jiān)測控制系統(tǒng)可用于實現(xiàn)人機(jī)交互，試驗人員可通過控制器對試驗過程進(jìn)行操作控制，同時通過控制器來儲存和反饋試驗中傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)包括控制器、信號傳輸電纜、角位移傳感器、轉(zhuǎn)動力矩傳感器和2個以上土壓力計；角位移傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)力臂上，用于測量剪切過程中剪切盒轉(zhuǎn)動過的角度，該傳感器及時地將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給控制器，以便控制器儲存數(shù)據(jù)或及時做出相關(guān)指令對電機(jī)進(jìn)行伺服控制；轉(zhuǎn)動力矩傳感器安裝于空心齒輪軸的中部齒圈上，用于監(jiān)測剪切過程中電機(jī)提供的轉(zhuǎn)動力矩，同時該傳感器可將數(shù)據(jù)及時反饋給控制器，以方便控制器儲存數(shù)據(jù)或及時做出相關(guān)指令對電機(jī)進(jìn)行伺服控制；土壓力計分成四個豎排，每一豎排各有四個土壓力計，由上至下等間距分布，四個豎排呈圓柱形布設(shè)于剪切盒不動室的土樣內(nèi)，位置靠近于設(shè)定好的圓柱形剪切面，土壓力計的測力面平行于剪切面，主要用于測量在試樣加載以及剪切過程中垂直于剪切面上的正壓力，土壓力計可通過信號傳輸電纜將測得的壓力數(shù)據(jù)實時地反饋給控制器，則控制器可以及時對液壓升降臺進(jìn)行伺服控制以調(diào)節(jié)對試樣的加卸載，從而保證在試樣剪切過程中垂直剪切面上的正壓力保持不變。

與現(xiàn)有環(huán)剪儀相比，本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明設(shè)計出了一種產(chǎn)生豎向圓柱形剪切面的試驗裝置，其剪切面的法向垂直于剪切角速度矢量方向。

2、本發(fā)明可以實現(xiàn)大位移剪切和保持剪切面積不變的同時，能夠確保剪切面上剪切位移和剪切應(yīng)力分布均勻，豎向剪切面由多塊剪切板旋轉(zhuǎn)形成，以控制剪切過程中豎向剪切破壞面的均勻形成，可避免因剪切板過少或布設(shè)不均勻?qū)е碌募魟舆^程中剪切面土體破壞不均勻的現(xiàn)象。

3、本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置不同于以往的環(huán)剪試驗儀，本發(fā)明的環(huán)剪試驗儀對剪切面的寬度沒有要求，因此試樣的尺寸不受限制，可適用于大顆粒土石混合體的大型剪切試驗，更容易模擬滑坡滑帶土實際的力學(xué)性質(zhì)。

4、本發(fā)明配套有計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)，可以對液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)試驗需求實時地對試樣進(jìn)行加卸載，并通過計算機(jī)實時地接收監(jiān)測數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存；可通過接收轉(zhuǎn)動力矩傳感器反饋回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對電機(jī)做出相關(guān)指令，實現(xiàn)力矩控制；通過接收角位移傳感器反饋回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對電機(jī)做出相關(guān)指令，實現(xiàn)位移控制；通過接收土壓力計反饋回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時對液壓升降臺進(jìn)行伺服控制以調(diào)節(jié)對試樣的加卸載，從而保證在試樣剪切過程中垂直剪切面上的那一級正壓力保持不變；可對土樣制備系統(tǒng)進(jìn)行自動控制，使制樣過程自動化。

5、本發(fā)明設(shè)計落地導(dǎo)軌組對半圓柱形護(hù)板進(jìn)行導(dǎo)向，可使半圓柱形護(hù)板運(yùn)移過程輕松方便，也可使制樣過程中左右兩塊護(hù)板的離合導(dǎo)向更加精確。

6、本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，用于試驗土樣制備的土樣制備系統(tǒng)沿左右方向關(guān)于圓柱形的剪切盒呈對稱的分布設(shè)計，用于豎向環(huán)剪試驗的框架沿著前后方向關(guān)于圓柱形的剪切盒呈對稱的分布設(shè)計。因此，制樣環(huán)節(jié)與試驗環(huán)節(jié)互不干擾，聯(lián)合使用，構(gòu)成完整的試驗操作體系，兼具試樣制備和豎向剪切試驗的功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置拆除液壓升降臺和動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)后的俯視方向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為土樣制備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明拆除土樣制備系統(tǒng)后剩余裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為圖3的AA向剖面圖。

圖5為圖3的BB向剖面圖。

圖6為圖3的CC向剖面圖。

圖7為半圓柱形護(hù)板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為環(huán)形底板與剪切板的連接結(jié)構(gòu)圖。

其中，100-剪切盒，200-升降系統(tǒng)，300-土樣制備系統(tǒng)；1-框架，2-液壓升降機(jī)，3-變頻器，4-齒輪，5-角位移傳感器，6-聯(lián)軸壓板，7-橡皮墊圈A，8-剪切盒外罩，9-土壓力計，10-土樣，11-底座，12-環(huán)形槽，13-排水管，14-水泥地面，15-圓柱形支撐平臺，16-下盤滾珠，17-環(huán)形底板，18-橡皮墊圈B，19-排水槽，20-控制器，21-旋轉(zhuǎn)力臂，22-豎軸，23-空心齒輪軸，24-轉(zhuǎn)動力矩傳感器，25-豎向軸承，26-立柱，27-導(dǎo)軌，28-電機(jī)，29-上盤滾珠，30-液壓升降臺，31-液壓升降臺上層，32-液壓升降臺中層，33-液壓升降臺底層，34-剪切板，35-剪切板槽，36-導(dǎo)槽，37-導(dǎo)條，38-齒圈，39-導(dǎo)孔，40-電機(jī)輸出軸，41-毛布，42-凸條，43-凸起部，44-半圓柱形護(hù)板，45-邊側(cè)落地導(dǎo)軌，46-中心落地導(dǎo)軌，47-反力基座，48-油泵，49-雙節(jié)水平伸縮柱，50-制樣導(dǎo)條，51-耳板，52-導(dǎo)輪，53-二分之一形狀制樣導(dǎo)條。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)具體說明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下實施例。

本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括剪切盒100、升降系統(tǒng)200、動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、土樣制備系統(tǒng)300、監(jiān)測控制系統(tǒng)和框架1；

參見圖3，所述框架1支撐整個試驗結(jié)構(gòu)，包括底座11和固定于底座11兩側(cè)的兩根立柱26，底座11的中部開有排水槽19，排水槽19的槽口表面鋪有一層毛布41，槽內(nèi)鋪設(shè)一塊濾水板，槽底與排水管13連通，用于控制試驗過程中的排水；框架1底座11的邊緣處開有環(huán)形槽12，供剪切盒外罩8的下端嵌入；采用大型號螺栓將框架1固定在水泥地面14上，使其在試驗過程中起到保護(hù)試驗設(shè)備以及提供支撐反力的作用；

參見圖5和圖6，所述剪切盒包括轉(zhuǎn)動室和不動室兩部分，其中轉(zhuǎn)動室包括剪切盒外罩8、環(huán)形底板17和4塊豎直放置的剪切板34，如圖8所示，4塊剪切板34沿環(huán)形底板17徑向等間距焊接于環(huán)形底板17上，且其寬度等于環(huán)形底板17的寬度，剪切盒外罩8罩扣于環(huán)形底板17和剪切板34上，在剪切盒外罩8的罩筒內(nèi)表面上沿徑向均勻設(shè)置4條沿豎向布置的導(dǎo)條37，環(huán)形底板17的邊沿沿徑向均勻開設(shè)4個與導(dǎo)條37橫截面形狀相匹配的導(dǎo)槽36，導(dǎo)槽36位于相鄰2塊剪切板34之間，剪切盒外罩8與環(huán)形底板17通過該導(dǎo)條37與導(dǎo)槽36的配合進(jìn)行裝配固定，由此，環(huán)形底板17、剪切板34與剪切盒外罩8組成一個整體，共同轉(zhuǎn)動，剪切盒外罩8的頂板為環(huán)板，其上開設(shè)有與剪切板數(shù)量相同且位置相對應(yīng)的剪切板槽35，供剪切板34嵌入，并允許剪切板34沿著槽口通過，剪切盒外罩8的頂板與動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的4根旋轉(zhuǎn)力臂21焊接，4根旋轉(zhuǎn)力臂21的焊接位置與導(dǎo)條37或?qū)Р?6的位置一一對應(yīng)，且兩兩共直徑，傳遞動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)加載的扭矩；所述不動室包括聯(lián)軸壓板6、橡皮墊圈A7、橡皮墊圈B18和圓柱形支撐平臺15，圓柱形支撐平臺15實際上為框架底座11的一部分，框架底座11的中心向上隆起即構(gòu)成該圓柱形支撐平臺15，圓柱形支撐平臺15的中心凸起，環(huán)形底板17對中嵌套于該凸起部43上，并且通過橡皮墊圈B18控制兩者之間縫隙的大小，在環(huán)形底板17與圓柱形支撐平臺15的其余部分之間設(shè)有下盤滾珠16，下盤滾珠16與環(huán)形底板17下表面接觸，所述聯(lián)軸壓板6對中嵌于剪切盒外罩8頂板的中心孔中，其下表面上以及圓柱形支撐平臺15的凸起部43的上表面上均沿徑向均勻設(shè)置2條以上凸條42，聯(lián)軸壓板6由升降系統(tǒng)驅(qū)動進(jìn)行法向力加載，可在升降系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生向下位移，逐級對土樣10施加豎向壓力，與此同時，聯(lián)軸壓板6以及凸起部43上的凸條42深深軋入土體，起到固定不動室內(nèi)土樣10的作用；

所述升降系統(tǒng)包括兩組液壓升降機(jī)2、變頻器3和液壓升降臺30，兩組液壓升降機(jī)2分別固定于框架1的兩根立柱26上，驅(qū)動液壓升降臺30，所述液壓升降臺30為三層倒塔型結(jié)構(gòu)，液壓升降機(jī)2與液壓升降臺上層31固連，液壓升降臺上層31的前后兩端分別開有導(dǎo)孔39，供框架1的兩根立柱26穿過，即升降系統(tǒng)為沿著前后方向關(guān)于圓柱形的剪切盒呈對稱的分布設(shè)計，液壓升降臺的中層32下表面上對稱安裝有兩根導(dǎo)軌27，液壓升降臺的底層33臺面中心設(shè)有一豎軸22，該豎軸22與聯(lián)軸壓板6固連，傳遞壓力；

參見圖4和圖5，所述動力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝于液壓升降臺30下部，包括兩個電機(jī)28、兩個齒輪4、空心齒輪軸23、豎向軸承25和上盤滾珠29，所述空心齒輪軸23套裝于液壓升降臺30的豎軸22上，豎向軸承25裝配于二者之間，可使空心齒輪軸23圍繞豎軸22任意轉(zhuǎn)動，空心齒輪軸23的下端與旋轉(zhuǎn)力臂21固連，上盤滾珠29安裝于空心齒輪軸23頂面上并且與液壓升降臺的底層33臺面相接觸，所述電機(jī)28通過滑塊安裝于液壓升降臺30中層32的導(dǎo)軌27上，可沿導(dǎo)軌左右滑動，齒輪4安裝于電機(jī)的輸出軸40上，并且與空心齒輪軸23的中部齒圈38嚙合；

參見圖1和圖2，土樣制備系統(tǒng)300沿著左右方向關(guān)于圓柱形的剪切盒100呈對稱的分布設(shè)計，所述土樣制備系統(tǒng)包括通過落地導(dǎo)軌組導(dǎo)向的兩組制樣單元，兩組壓樣單元對稱分布于剪切盒100兩側(cè)，所述由反力基座47、油泵48、雙節(jié)水平伸縮柱49及其驅(qū)動的半圓柱形護(hù)板44構(gòu)成，反力基座47呈靴子狀，由混凝土澆筑而成，且左右關(guān)于圓柱形試樣平臺對稱，各澆筑了一個反力基座47，其上部呈方形，下部呈梯形，用于安裝油泵48和雙節(jié)水平伸縮柱49，油泵48安裝于反力基座47頂部，可由控制器精確控制，雙節(jié)水平伸縮柱49安裝于反力基座47上部的方形端面，可用于支配半圓柱形護(hù)板44前后伸縮移動，半圓柱形護(hù)板44通過落地導(dǎo)軌組導(dǎo)向，所述落地導(dǎo)軌組呈水平地安裝在工作臺面上，包括中心落地導(dǎo)軌46以及對稱分布于其兩側(cè)的邊側(cè)落地導(dǎo)軌45，可引導(dǎo)半圓柱形護(hù)板44沿其滑動，參見圖7，所述半圓柱形護(hù)板44關(guān)于圓柱形支撐平臺15對稱，主要用于構(gòu)成制樣空間，半圓柱形護(hù)板44頂部與剪切板34頂部平齊，外表面與雙節(jié)水平伸縮柱49相焊接，且兩側(cè)設(shè)計有耳板51，耳板51上豎直分布有螺栓孔，用于制樣時左右護(hù)板之間的螺栓固定，耳板內(nèi)表面突出有二分之一形狀制樣導(dǎo)條53，半圓柱形護(hù)板44內(nèi)弧面正中位置沿豎直方向設(shè)有制樣導(dǎo)條50，上述制樣導(dǎo)條50、53可以手工地縮進(jìn)到半圓柱形護(hù)板44內(nèi)部，也可從半圓柱形護(hù)板44內(nèi)部手工撥出，其的作用是制樣時可以與環(huán)形底板上17的導(dǎo)槽36相扣，且可以使制出的試樣外圍具有相應(yīng)的條形凹槽，以滿足后續(xù)環(huán)剪試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)需求，半圓柱形護(hù)板44底部共安裝有三個導(dǎo)輪52，分別是兩側(cè)的耳板底部各一個導(dǎo)輪，以及護(hù)板底部正中安裝一個導(dǎo)輪，導(dǎo)輪52可沿落地導(dǎo)軌組滾動；

所述監(jiān)測控制系統(tǒng)包括控制器20、信號傳輸電纜、角位移傳感器5、轉(zhuǎn)動力矩傳感器24和16個土壓力計9，角位移傳感器5安裝在旋轉(zhuǎn)力臂21上，用于測量試驗中剪過的角度，轉(zhuǎn)動力矩傳感器24安裝于空心齒輪軸23的齒圈38上，用于監(jiān)測剪切過程中電機(jī)提供的轉(zhuǎn)動力，16個土壓力計9分為4個豎排，每一豎排各有四個土壓力計，由上至下等間距分布，四個豎排呈圓柱形布設(shè)于剪切盒不動室的土樣10內(nèi)，位置靠近于設(shè)定好的圓柱形剪切面，角位移傳感器5、轉(zhuǎn)動力矩傳感器24和土壓力計9均通過信號傳輸電纜接入控制器20，控制器20同時通過信號傳輸電纜對液壓升降機(jī)2、電機(jī)4和油泵48進(jìn)行指令性操作。

采用本發(fā)明提供的適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置進(jìn)行大型環(huán)剪試驗的基本過程如下：

一、制樣

在此步驟之前，先要操作控制器，即計算機(jī)，使左右兩部電機(jī)沿著導(dǎo)軌分別滑向兩邊。而后通過計算機(jī)來控制液壓升降機(jī)抬升，使液壓升降臺帶動聯(lián)軸壓板和剪切盒外罩一起上升，以方便制樣環(huán)節(jié)具有足夠的操作空間。

首先，將耳板內(nèi)表面突出的四分之一圓形凸條即二分之一形狀制樣導(dǎo)條手工地縮進(jìn)到耳板內(nèi)部(以方便護(hù)板順利推進(jìn)到圓柱形支撐平臺，并與其上的環(huán)形底板相扣)；

而后開始操作計算機(jī)系統(tǒng)，控制液壓伸縮機(jī)構(gòu)推動左右護(hù)板沿著落地導(dǎo)軌勻速地向圓柱形支撐平臺靠攏，將要接近圓柱形支撐平臺時，放緩?fù)七M(jìn)速度，使待護(hù)板內(nèi)側(cè)正中突出的制樣導(dǎo)條與環(huán)形底板左右方向上的半圓形導(dǎo)槽緩慢相扣，之后即可手工撥出耳板上的四分之一圓形凸條，使其與環(huán)形底板前后方向上的半圓形導(dǎo)槽相扣。制樣導(dǎo)條的作用是制樣時可以與環(huán)形金屬底板上的半圓形導(dǎo)槽相扣，且可以使制出的試樣外圍具有相應(yīng)的條形凹槽，以滿足后續(xù)環(huán)剪試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)需求。

通過在耳板上的螺栓孔栓上螺栓，可將兩瓣護(hù)板拴緊，使護(hù)板與環(huán)形底板緊密相扣，并共同構(gòu)成制樣空間。之后即可往護(hù)板圍限的制樣空間內(nèi)分層倒入土樣進(jìn)行分層打毛壓實，進(jìn)行制樣。

土樣分層壓實完成后，可適當(dāng)?shù)却粋€小時，即可將螺栓從螺栓孔中卸下，然后手工地縮進(jìn)耳板內(nèi)表面四分之一圓形凸條。此時，即可方便地操作計算機(jī)程序，控制液壓伸縮機(jī)構(gòu)，將左右兩邊的半圓柱形帶輪護(hù)板勻速緩慢分離，沿落地導(dǎo)軌拉向兩邊，為后續(xù)的大型環(huán)剪試驗騰出空間。至此，試樣制備完成。

二、試樣加載

首先需要操作計算機(jī)，使左右兩部電機(jī)沿著導(dǎo)軌分別滑向兩邊，然后繼續(xù)操作計算機(jī)，控制液壓升降機(jī)帶動緩緩下降。此時升降臺帶著聯(lián)軸壓板和剪切盒外罩一起緩緩下降。當(dāng)剪切盒外罩下邊緣與試樣即將接近時，需要對準(zhǔn)盒金屬外罩內(nèi)壁的半圓形導(dǎo)條與試樣邊緣被軋出來的導(dǎo)槽(此試樣導(dǎo)槽與環(huán)形底板外邊緣等距離開有的4個導(dǎo)槽對應(yīng))，對準(zhǔn)之后，繼續(xù)緩慢下降，直至金屬外罩頂端面和聯(lián)軸壓板完全與試樣頂面接觸(由于長條形剪切板槽的空間位置恰與四塊剪切板相對應(yīng)，因此，剪切板恰好抵在長條形剪切板槽上)。之后，可通過操控液壓升降機(jī)，憑借旋轉(zhuǎn)力臂和中心豎軸傳遞豎向壓力，對試樣進(jìn)行加載(此時，剪切盒外罩可憑借內(nèi)側(cè)壁豎向?qū)l沿著環(huán)形底板上開設(shè)的導(dǎo)槽向下運(yùn)移，剪切板可沿著剪切盒外罩頂端面剪切板槽上升，剪切板槽可允許剪切板沿著槽口通過)。此時需要土壓力計實時地監(jiān)測垂直于剪切面上的那一級試驗壓力，并通過信號傳輸電纜及時地將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給計算機(jī)。通過計算機(jī)對液壓系統(tǒng)的伺服控制功能，實時調(diào)節(jié)液壓升降機(jī)，使得土壓力計測得的數(shù)值保持在剪切試驗所需的壓力荷載上。

三、剪切試驗

通過上一步驟的加載，使得垂直于剪切面上的壓力保持在剪切試驗所需的壓力荷載上以后，就可以開始剪切試驗。首先，通過計算機(jī)上操作，將左右兩部電機(jī)沿著導(dǎo)軌分別向內(nèi)滑動，使得電機(jī)輸出軸齒輪與空心齒輪軸的齒圈相嚙合。然后啟動電機(jī)，將電機(jī)的動力傳遞給空心齒輪軸，空心齒輪軸帶動旋轉(zhuǎn)力臂和金屬外罩開始剪動。剪切過程中，角位移傳感器和力矩傳感器開始監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時反饋給計算機(jī)，以方便計算機(jī)保存或及時做出相關(guān)指令對電機(jī)進(jìn)行伺服控制。土壓力計在整個剪切過程中都在實時地監(jiān)測垂直于剪切面上的試驗壓力，并及時反饋給計算機(jī)，以求計算機(jī)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制，保證試驗中垂直于剪切面上的試驗壓力保持試驗用值不發(fā)生變化。

本發(fā)明的創(chuàng)新在于提供了一種適用于豎向剪切面的環(huán)剪試驗及土樣制備裝置，因其能夠確保剪切面上剪切位移和剪切應(yīng)力分布均勻，因而豎向剪切面的厚度不受限制，使得大顆粒物存在的大型剪切試驗得以實現(xiàn)，并且可以制備配套試樣。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。但是倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形在內(nèi)。