[发明专利]一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置

说明书

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、升降系统、动力旋转系统、监测控制系统、土样制备系统和框架，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系统的旋转力臂连接，传递扭矩，联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降系统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。

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，进行土体应变软化特性研究，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。