[发明专利]一种叠环剪切盒及基于叠环剪切盒的叠环式剪切试验

说明书

本发明属于岩土环剪测试技术领域，涉及一种叠环剪切盒及基于叠环剪切盒的叠环式剪切试验，包括水浴机构、试样室机构以及试样固定机构；水浴机构包括水浴盒；试样室机构设于水浴盒中；水浴盒的底面在中心位置设有一凹槽、在以中心位置为圆心的一圆周上设有两个及以上的凸起；水浴盒能在外部扭转机构的带动下转动；其能满足不同高度岩土试验进行无限变形的叠环式环形剪切，并且在环形剪切过程中保证试样具有一定的自由性和连续性；也能用于研究不同材料接触面变形规律、模拟复杂结构土层滑坡长距离变形以及软弱层搜索。

技术领域

本发明属于岩土环剪测试技术领域，涉及一种叠环剪切盒及基于叠环剪切盒的叠环式剪切试验。

背景技术

土体的力学特征和受到外力时的变形状态是岩土力学领域的基础课题，也是岩土工程建设中最为关心的条件之一。为此人们开发出直剪试验、三轴试验、单剪试验、环剪试验等多种仪器设备来探究上述内容，并有着以材料力学为基础的力学模型进行分析，其最终目标是尽可能模拟实际情况下土体的应力应变特征，从而获得其强度参数。

但值得注意的是土体是有无数复杂颗粒组成，其剪切变形过程是极为复杂的。一般在剪切力作用下，土体内部的应力应变会发生重分布，应力应变会集中在局部区域，使局部区域发生变形和破坏，形成剪切带。整个过程一般包括初期的弹塑性形变、中期的错动滑移（破坏）以及长距离滑移下的进一步破碎发展。另外由于土体结构本身的复杂性，还可能发生滚动变形、排水以及受局部不均匀体影响产生的应力应变集中。由于土体的这种复杂性，对于土体剪切变形过程的数学模型描述较难开展，人们倾向于采用试验方法对其进行模拟和研究。但现有的试验方法（直剪、三轴、单剪、环剪）虽具有一定理论支撑，但也均存在一定的局限性。

目前运用最广的是直剪试验和三轴试验。直剪仪器结构简单，主要原理是通过上下剪切盒相对移动，使土体沿预设剪切面剪切变形，通过获取剪切过程中的竖向压力和水平力关系得出抗剪强度参数。但直剪仪的试验盒为刚体，采用固定剪切面，这种方法带来的主要问题是：1、试样在剪切破坏前，缺少弹性变形和塑性变形阶段，破坏后仅表现出滑动位移，破坏区域为一平面，而一般的土体剪切破坏区域呈带状分布，土体具有一定的弹塑性变形，破坏前其变形是连续的；2、由于剪切盒限制了试样的变形，致使剪切盒内应力分布不均，致使压应力与预设情况不同；3、采用固定剪切面容错率低，对试样均匀性较为敏感，其成果易受剪切面附近的坚硬块体、缺陷等不均匀物质影响；4、剪切过程由于上下试样的错动，使剪切面积发生变化，影响实验结果；5、直剪试验剪切距离较小，无法完成大位移剪切。三轴试验虽然对于剪切面的宽度和位置提供一定的自由度，但是其同样具有易受剪切面附近的坚硬块体、缺陷等不均匀物质影响以及剪切距离小的问题。另外，三轴试验对制样要求较高，容易因为样品的缺陷产生附加的拉张和鼓胀现象。

单剪试验获是通过多层叠环代替了直剪试验的剪切盒，虽然一定程度上使土体变形趋于连续，产生类似剪切带的剪切破坏区域。但受叠环约束作用，其本质仍为直剪试验，一定程度上仍存直剪试验的问题。另外，由于单剪仪试样高度较大，上下推力产生较大的力偶，使叠环反翘或下滑，使试样不同位置的应力存在明显不同，影响试验结果。