一种环形剪切实验设备以及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程实验设备技术领域，具体涉及一种环形剪切实验设备以及试验方法。
【背景技术】
[0002]我国是世界上遭受滑坡灾害最严重的国家之一。滑坡灾害的发生是一个复杂的力学过程并受多种因素的影响和控制，其中地震等动荷载作用是最主要的影响因素之一，我们对此进行了立项研究(国家自然科学基金资助41572259，41272341)。目前，有关滑坡灾害中土的力学性质研究主要集中于对滑带土工程特性和强度参数测定方面。采用现场原位测试和室内常规土工试验等，利用统计、类比和反演分析等方法测定滑带土的基本强度参数并用于滑坡稳定性评价。
[0003]环形剪切实验设备是岩土工程领域室内实验仪器的一种，主要用于测定岩土运动剪切强度的参数，尤其是研究土体在大剪切位移条件下力学特性的重要土工试验设备。作为一种主要用于研究土在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环形剪切实验装置具有其独特的设计构造和试验功能。环剪实验是将士样装入环形试样盒中，通过上部加压板对试样施加垂直压力，在此基础上给土样施加一定的扭转剪力使其发生破坏的过程。目前常用环形剪切实验装置包括单环式环剪仪和双环式环剪仪。这些环剪仪具有两个共同的优点，即在试验过程中可以保持剪切面面积不变和土样可在连续的位移条件下进行剪切。
[0004]对于由地震、爆破等动荷载作用引起的滑坡灾害，土体强度参数的测定不仅需要较长的剪切位移，而且需要模拟其在受到振动荷载作用的情况，这样所测定的试验参数才能更加真实地反映实际滑坡土体的受力情况。但目前现有的环剪试验设备仅能满足土体的连续大剪切位移条件，无法模拟动荷载作用对于土体强度参数的影响。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种环形剪切实验设备，通过设置垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置可施加不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响。
[0006]为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现:
一种环形剪切实验设备，包括支撑座、位于支撑座上的剪切盒总成、以及对剪切盒总成内的土样施加载荷的加载装置，所述加载装置包括垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置，所述环形剪切实验设备还包括用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置。
[0007]进一步的，所述载荷控制装置控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置所输出的载荷的频率和振幅。
[0008]进一步的，所述载荷控制装置包括控制单元、设置在所述垂直振动加载装置与控制单元之间的第一信号转换器、以及用于检测所述垂直振动加载装置输出的载荷的第一应力传感器。
[0009]进一步的，所述载荷控制装置包括控制单元、设置在所述水平剪切振动加载装置与控制单元之间的第二信号转换器、以及用于检测所述水平剪切振动加载装置输出的载荷的第二应力传感器。
[0010]进一步的，所述支撑座上设有可升降的横梁，所述垂直振动加载装置包括设置在所述横梁上的气缸、用于给所述气缸提供动力的气动加压罐，所述气动加压罐通过导气管与所述气缸连通;所述气缸包括固定在所述横梁上的缸体、位于所述缸体内的活塞、以及与所述活塞连接并用于输出载荷的活塞杆。
[0011]进一步的，所述缸体内的空间被所述活塞分隔成上腔和下腔，所述缸体上开设有分别与上腔和下腔相连通的第一气孔和第二气孔，所述导气管的端部还设置有与所述载荷控制装置电连接的导气阀，所述第一气孔与所述导气阀之间设置有第一导气支管，所述第二气孔与所述导气阀之间设置有第二导气支管。
[0012]进一步的，所述横梁上设有升降电机。
[0013]进一步的所述水平剪切振动加载装置包括剪切盘齿轮、与所述剪切盘齿轮啮合的传动齿轮、与传动齿轮连接的转动轴、以及用于提供动力的伺服电机，所述伺服电机与转动轴之间设置有齿轮箱，所述转动轴为齿轮箱的输出轴。
[0014]进一步的，当所述环形剪切实验设备进行实验时，所述下剪切盒在所述水平剪切振动加载装置带动下扭转。
[0015]进一步的，所述剪切盒总成包括剪切盒上盖，所述支撑座上具有用于固定所述剪切盒上盖的卡柱，所述剪切盒上盖的边缘开设有卡槽，所述卡柱的一端固定在所述支撑座上，另一端卡合在所述卡槽内。
[0016]进一步的，所述剪切盒总成包括上剪切盒、下剪切盒、剪切盒上盖、与所述垂直振动加载装置输出端接触的加压板、位于所述上剪切盒内并对土样加载的载荷板、以及连接所述加压板与载荷板的至少两根传力杆。
[0017]进一步的，所述加压板的中心处设有固定块，所述固定块的顶部开设有与所述垂直振动加载装置的输出端相匹配的凹槽
进一步的，剪切盒上盖上开设有用于所述传力杆穿过的第一上盖孔。
[0018]进一步的，所述载荷板尺寸与所述上剪切盒的内腔相匹配。
[0019]进一步的，所述环形剪切实验设备还包括间隙保持装置，所述间隙保持装置包括间隙电机、以及由所述间隙电机带动可上下移动的顶杆，所述顶杆位于所述剪切盒总成的轴线上，所述剪切盒总成包括圆环形的上剪切盒和下剪切盒、以及剪切盒上盖，所述剪切盒上盖的中心开设有用于所述顶杆上端穿过的第二上盖孔，所述顶杆还设有与所述剪切盒上盖的下表面接触的圆盘;通过所述间隙电机带动所述顶杆的上下移动保证所述上剪切盒与下剪切盒之间的间距。
[0020]进一步的，所述支撑座包括底座和用于放置所述剪切盒的平台，所述平台上开设有用于所述顶杆穿过的第一平台孔，所述间隙保持装置还包括套装在所述顶杆外侧的套筒、以及用于固定所述套筒的支架，所述支架固定在所述平台上。
[0021]进一步的，所述支撑座包括底座、用于放置所述剪切盒的平台、以及设在所述底座与平台之间的下层支柱。
[0022]基于上述的环形剪切实验设备，本发明还提供一种环形剪切实验设备的实验方法，具体包括下述步骤:
所述载荷控制装置控制所述垂直振动加载装置输出设定的频率和振幅的振动力，振动力垂直作用在剪切盒总成内的土样上；同时所述载荷控制装置控制所述水平剪切振动加载装置输出设定的频率和振幅的剪切力，剪切力扭转作用在剪切盒总成内的土样上。
[0023]进一步的，所述实验方法还包括实验过程中对于应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象的检测，并根据检测数据分析滑坡等地质灾害的发生和运动机制。
[0024]本发明提供的环形剪切实验设备，通过设置垂直振动加载装置、水平剪切振动加载装置、以及用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置，使得垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置可施加不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响，更有利于模拟实际的受力情况，填补了目前环形剪切实验设备不能进行动力载荷试验的缺陷和不足，有利于揭示振动荷载作用下土体剪切试验过程中所发生的应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象等，进而从力学性状揭示滑坡等地质灾害的发生和运动机制。
[0025]结合附图阅读本发明的【具体实施方式】后，本发明的其他特点和优点将变得更加清
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【附图说明】
[0026]图1为本发明所提出的环形