本发明涉及土工试验设备技术领域，尤其涉及一种一种适用于竖向环剪试验的剪切盒。
背景技术：
研究土体的抗剪强度特性，对于边坡稳定性分析、地质灾害发生的力学机制研究及其边坡渐进式破坏过程研究等具有重要意义。
岩土体的抗剪强度特性一般可由现场原位试验或室内土工试验获得，原位剪切试验尺寸大，由于岩土体为未扰动样，所得试验结果与工程实际情况最为接近，但是原位剪切试验具有成本高、周期长、仪器笨重等缺点。与此相比，室内试验虽然土样的代表性较差，但是由于其成本低、周期短、价格低廉等特点，被更加广泛用于土体的抗剪强度特性的研究中。
目前，常用的测定土体抗剪强度的装置均沿固定的剪切面，在不同法向力的作用下测得若干抗剪强度值。在实际剪切过程中，试样的剪切面持续减小，且剪切面上的正应力分布不均，不能反映出真实的岩土体所处应力状态。另外，直接剪切试验和三轴剪切试验受仪器的限制，其剪切位移具有局限性，无法满足对高速远程滑坡等大位移条件下土体的抗剪强度及残余强度的数值测定。因此，有必要发展能够实现大剪切位移试验条件的特殊土工设备和相应试验技术，其中环剪仪是能够满足这两种要求的最有效的手段之一。
然而现有的环剪仪均存在一个固有缺陷：由于剪切面为一个圆环，且在径向上存在一定宽度，因此将导致剪切面上沿径向的剪切线速度分布不一致，相同时间内的剪切位移不一致，这都将使得剪切过程中剪应力及剪位移在剪切面上的分布不均匀，从而使得剪切过程不能还原实际情况。
为了解决以上问题，一种适用于竖向剪切面的环剪试验仪被提出。然而，目前已公开的竖向剪切面环剪仪中的剪切盒存在诸多问题，例如扭矩施加装置工作过程过于繁琐，且无法对试验过程的剪切速率进行控制，从而导致施加在土体试样上剪切力的精度降低，影响试验结果的准确性；制样另外需要专门的设备；制样完成后需撤掉制样护板后再套入剪切盒中，因此较为松散的土石体无法采用该环剪仪进行试验。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种及制样与试验于一身，且通过新型连接及传动方式进行试验的一种适用于竖向环剪试验的剪切盒，可实现对岩土体竖向剪切面的环剪试验，且能够实现对剪切速率的精确控制，提高了竖向环剪试验的稳定性。配合相关环剪试验仪，可实现对不同法向压力、围压条件下及不同剪切速率下岩土体在大剪切位移条件下的峰值抗剪强度、残余强度及应变软化过程的研究，填补了竖向剪切面环剪试验仪领域的空白。
本发明的实施例提供一种适用于竖向环剪试验的剪切盒，包括底板、外罩、顶盖和顶盖固定棒，所述底板包括滑动安装在一起的外底板和内底板，所述内底板固定不动，所述外底板能发生环向转动，所述内底板上设有土样固定刀片，所述外底板上设有剪切板，所述外底板与外罩的下端固定在一起，所述外罩内设有竖向导轨，所述竖向导轨和剪切板的位置错开，所述顶盖包括滑动安装在一起的外顶盖和内顶盖，所述外顶盖的外壁设有与竖向导轨相适配的竖向导槽，所述外顶盖的底部设有与剪切板相适配的剪切板槽，将待剪切试样放入剪切盒中，将所述顶盖插入外罩中，所述外顶盖上的竖向导槽和剪切板槽分别与竖向导轨和剪切板卡在一起，进而使外底板、外罩和外顶盖形成外部环向转动室，所述内底板和内顶盖形成内部静止室，所述内顶盖内部设置有内导条。
进一步，所述外底板包括外板和外延长板，所述外延长板设在外板的内侧，且一体成型，所述内底板包括内板和内延长板，所述内延长板设在内板的外侧，且一体成型，所述内延长板和外延长板相对设置，所述内延长板的内侧开有导槽，所述外延长板的内侧设有与导槽相适配的导条，所述导条能在导槽内滑动，进而使外底板相对于内底板发生环向转动。
进一步，所述内延长板横截面的长度和外延长板横截面的长度相一致，所述内板横截面的宽度和外板横截面的宽度相一致，所述外底板和内底板的缝隙处设有垫层，所述垫层能减小外底板沿内底板滑动产生的摩擦力。
进一步，所述内顶盖包括内盖板和延长板，所述延长板设在内盖板的外侧，并与内盖板一体成型，所述延长板的下方设有向内凹陷的滑槽，所述外顶盖设在延长板的下方，且外顶盖的上方设有与滑槽相适配的滑条，所述滑条能在滑槽内滑动，进而使外顶盖相对于内顶盖发生环向转动。
进一步，所述外顶盖横截面的长度与延长板横截面的长度相一致，所述外顶盖横截面的宽度与延长板横截面的宽度之和与内盖板横截面的宽度相一致，所述外顶盖和内顶盖的缝隙处设有垫层，所述垫层能减小外顶盖沿内顶盖滑动产生的摩擦力。
进一步，所述内顶盖的上部设置有水平气泡仪，所述內底板上开有四处沿环向分布的排水口，沿排水口向下开有排水槽，所述排水槽内铺设排水管，所述排水口处设有一层过滤网，所述排水口上设有一密封盖，所述密封盖能进行转动，进而实现排水口的打开和密封，用于实现排水剪切过程和不排水剪切过程。
进一步，所述内底板通过固定在一底座上实现固定不动，所述底座的中间有一凸起的圆柱形承台，所述内底板通过螺栓固定在圆柱形承台上。
进一步，所述顶盖固定棒包括棒体、支撑盘、固定棒凸头，所述固定棒凸头固定于圆柱形承台中部的凹槽内，所述支撑盘侧边四周均匀设置有四个支撑盘导槽，与所述外罩内的竖向导轨相匹配，所述棒体的棒端设置有棒端导槽，与所述内顶盖内设置的内导条相匹配，所述导槽及固定棒凸头用于固定棒体，所述支撑盘用于在仪器未使用的时候对所述顶盖提供支撑。
进一步，所述外底板的环向转动通过剪切动力系统驱动，所述剪切动力系统包括剪切空心大齿轮、主动小齿轮、无级变速电机、变频器、大齿轮末端支撑轴承和大齿轮中部连接轴承，所述变频器固定在底座上，所述变频器连接无级变速电机，所述无极变速电机的主动转轴上连接主动小齿轮，所述主动小齿轮与剪切空心大齿轮啮合，并驱动剪切空心大齿轮转动，所述外底板固定在剪切空心大齿轮上，所述剪切空心大齿轮的转动带动外底板的转动，所述剪切空心大齿轮环套于圆柱形承台的四周，所述剪切空心大齿轮与圆柱形承台之间设置有大齿轮中部连接轴承，所述剪切空心大齿轮的下部通过大齿轮末端支撑轴承与底座相连，保证剪切空心大齿轮的稳定自由转动，所述变频器能够对无级变速电机的输出转速进行稳定调节，进而实现不同剪切速率下的剪切过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所提供的剪切盒能在剪切过程中能够生成竖向环状的剪切面，即剪切面垂直于水平面，能够使得剪切过程中剪切面上的剪切位移与剪切速度相等，保证剪应力与剪切位移在剪切面上的均匀分布，使试验结果更加接近实际情况。
2、本发明所提供的剪切盒与现有公开的竖向剪切面环剪仪剪切盒相比，内外剪切盒采用了新型连接方式，既能防止土体在剪切过程中漏出，而且能够有效降低内外剪切盒相对转动产生的摩擦，减少摩擦生热，降低电机能耗，保证外部环向剪切室的稳定环向转动及内部不动室的相对静止，提高了试验设备的运行稳定性。
3、本发明所提供的剪切盒与现有公开的竖向剪切面环剪仪剪切盒相比，采用无极变速电机及变频器对剪切盒进行动力输入，能够实现对剪切速率的精确控制，提高了试验的精度。
4、本发明所提供的剪切盒与现有公开的竖向剪切面环剪仪剪切盒相比、兼顾制样与试验两种功能，无需额外的制样设备，操作流程更加方便快捷，且可对各种松散程度的土体进行环剪试验，扩大了现有竖向环剪仪的适用范围。
5、本发明所提供的剪切盒预留有法向加压装置安装空间及轴向围压加压装置安装螺栓孔，可与配套环剪试验仪配合使用，可实现对不同法向压力、围压条件下及不同剪切速率下岩土体在大剪切位移条件下的峰值抗剪强度、残余强度及应变软化过程的研究，填补了竖向剪切面环剪试验仪领域的空白。
6.本发明所提供的剪切盒主体部分采用螺栓与其余装置进行连接，操作简单，便于拆卸，可与单轴压缩试验仪等可提供轴压的仪器配合使用，适用范围更广。
附图说明
图1是本发明一种适用于竖向环剪试验的剪切盒的一示意图。
图2是图1中外罩和底板的内部示意图。
图3是图1中顶盖的一示意图。
图4是图1中底板的一示意图。
图5是图1中顶盖固定棒的一示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种适用于竖向环剪试验的剪切盒，包括底板1、外罩2、顶盖3和顶盖固定棒10，剪切盒的中间预留有一圆柱孔，未使用仪器时，圆柱孔内安装顶盖固定棒10，进行试验时，将顶盖固定棒10取出后安装法向应力加载装置。
请参考图1、2和4，底板1包括滑动安装在一起的外底板11和内底板12，外底板11能发生环向转动，外底板11的环向转动优选通过剪切动力系统驱动，外底板11包括外板111和外延长板112，所述外延长板112设在外板111的内侧，且一体成型，外底板11上设有剪切板113。
内底板12固定不动，内底板12通过固定在一底座4上实现固定不动，底座4固定在地面上，底座4的中间有一凸起的圆柱形承台41，所述内底板12通过螺栓固定在圆柱形承台41上，内底板12包括内板121和内延长板122，所述内延长板122设在内板121的外侧，且一体成型，内底板12上设有土样固定刀片123。
内延长板122横截面的长度和外延长板112横截面的长度相一致，所述内板121横截面的宽度和外板111横截面的宽度相一致，内延长板122和外延长板112相对设置，内延长板122的内侧开有导槽1221，所述外延长板112的内侧设有与导槽1221相适配的导条1121，所述导条1121能在导槽1221内滑动，进而使外底板11相对于内底板12发生环向转动，外底板11和内底板12的缝隙处设有垫层13，所述垫层13能减小外底板11沿内底板12滑动产生的摩擦力。
优选地，內底板12上开有四处沿环向分布的排水口6，沿排水口6向下开有排水槽7，且排水槽7延伸到内底板12下方的底座4中，所述排水槽7内铺设排水管(图中未示出)，所述排水口6处设有一层过滤网(图中未示出)，所述排水口6上设有一密封盖8，所述密封盖8能进行转动，进而实现排水口6的打开和密封，用于实现排水剪切过程和不排水剪切过程。
剪切动力系统9包括剪切空心大齿轮91、主动小齿轮92、无级变速电机93、变频器94、大齿轮末端支撑轴承95和大齿轮中部连接轴承96，所述变频器94固定在底座4上，所述变频器94连接无级变速电机93，所述无极变速电机93的主动转轴上连接主动小齿轮92，所述主动小齿轮92与剪切空心大齿轮91啮合，并驱动剪切空心大齿轮91转动，所述外底板11固定在剪切空心大齿轮91上，所述剪切空心大齿轮91的转动带动外底板11的转动，所述剪切空心大齿轮环91套于圆柱形承台41的四周，所述剪切空心大齿轮91与圆柱形承台41之间设置有大齿轮中部连接轴承96，所述剪切空心大齿轮91的下部通过大齿轮末端支撑轴承95与底座4相连，保证剪切空心大齿轮91的稳定自由转动，所述变频器94能够对无级变速电机93的输出转速进行稳定调节，进而实现不同剪切速率下的剪切过程。
请参考图1和图2，外底板11与外罩2的下端固定在一起，所述外罩2内设有竖向导轨21，所述竖向导轨21和剪切板113的位置错开。
请参考图1和3，顶盖3包括滑动安装在一起的外顶盖31和内顶盖32，内顶盖32包括内盖板321和延长板322，所述延长板322设在内盖板321的外侧，并与内盖板321一体成型，所述延长板322的下方设有向内凹陷的滑槽3221，内顶盖32内部设置有内导条323。
优选地，内顶盖32的上部设置有水平气泡仪5，用以对土样上部平整度进行校正，保证土样上端面平整。
外顶盖31设在延长板322的下方，外顶盖31横截面的长度与延长板322横截面的长度相一致，所述外顶盖31横截面的宽度与延长板322横截面的宽度之和与内盖板321横截面的宽度相一致，外顶盖31的上方设有与滑槽3221相适配的滑条311，滑条311能在滑槽3221内滑动，进而使外顶盖31相对于内顶盖32发生环向转动，外顶盖31和内顶盖32的缝隙处设有垫层33，所述垫层33能减小外顶盖31沿内顶盖32滑动产生的摩擦力。
外顶盖31的外壁设有与竖向导轨21相适配的竖向导槽312，所述外顶盖31的底部设有与剪切板113相适配的剪切板槽(图中未示出)，将待剪切试样放入剪切盒中，将所述顶盖3插入外罩2中，所述外顶盖31上的竖向导槽312和剪切板槽分别与竖向导轨21和剪切板113卡在一起，进而使外底板11、外罩2和外顶盖31形成外部环向转动室，同时，土样固定刀片123深深扎入土体，起到土体固定不动的作用，所述内底板12和内顶盖32形成内部静止室。
请参考图5，顶盖固定棒10包括棒体103、支撑盘102、固定棒凸头101，所述固定棒凸头101固定于圆柱形承台41中部的凹槽内，所述支撑盘102侧边四周均匀设置有四个支撑盘导槽1021，与所述外罩2内的竖向导轨21相匹配，所述棒体103的棒端设置有棒端导槽1031，与所述内顶盖32内设置的内导条323相匹配，所述支撑盘导槽1021、棒端导槽1031及固定棒凸头101用于固定棒体103，支撑盘导槽1021与竖向导轨21卡在一起，棒端导槽1031与内导条323卡在一起，所述支撑盘102用于在仪器未使用的时候对所述顶盖3提供支撑。
采用本发明提供的一种适用于竖向环剪试验的剪切盒进行制样与试验过程的基本过程如下：
首先通过顶盖3上预留的轴向围压加压装置安装螺栓孔30将顶盖3与轴压加载系统相连，将内底板12固定在一底座4，抽出剪切盒中部的顶盖固定棒10，安装法向加压装置并进行预加载，形成土样装填空间后装填试样，在剪切盒中并进行夯实，将试样的上表面进行整平，试样上表面的平整度可通过内顶盖32上表面的水平气泡仪5进行检测与校正，试样的夯填高度原则上不应超过剪切板113的高度，当试样上表面平整度达到要求后，下放顶盖3，当顶盖3的下边缘与外罩2快要接触时，将竖向导槽312和外罩2内壁的竖向导轨21对准，剪切板113和剪切板槽对准，使竖向导槽312和剪切板槽分别与竖向导轨21和剪切板113卡在一起，进而使外底板11、外罩2和外顶盖31形成外部环向转动室，同时，联合轴压加载系统使得土样固定刀片123深深扎入土体，起到土体固定不动的作用，所述内底板12和内顶盖32形成内部静止室，启动无极变速电机93，同时通过变频器94设定剪切速度，使得无极变速电机93转速稳定增加至预设值，主动小齿轮92带动剪切空心大齿轮91进行转动，从而使得外部环向转动室跟随剪切空心大齿轮91进行转动，实现对试样的剪切破坏。
本发明的实施例提供了一种及制样于试验于一身，且通过新型连接及传动方式进行试验的一种适用于竖向环剪试验的剪切盒，可实现对岩土体竖向剪切面的环剪试验，且能够实现对剪切速率的精确控制，提高了竖向环剪试验的稳定性。配合相关环剪试验仪，可实现对不同法向压力、围压条件下及不同剪切速率下岩土体在大剪切位移条件下的峰值抗剪强度、残余强度及应变软化过程的研究，填补了竖向剪切面环剪试验仪领域的空白。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。