本发明涉及一种软岩剪切流变仪，尤其涉及一种实现干湿循环和动力扰动的软岩剪切流变仪。
背景技术：
岩土体的流变性质即指其随时间变化的变形性质，主要包括蠕变、松弛及弹性后效，岩土体的流变性质是在进行重大工程设计与稳定性分析时必须要考虑的重要因素。作为自然界最活跃的因素之一，水对于岩土体变形、强度性质有极大的影响，主要包括软化、冲刷、化学腐蚀、动水压力等；此外，在水利、交通、矿山等领域的施工中，爆破是进行坡形改造、地基处理、矿石开采等工作的必要程序，因此，对于这些工程边坡长期稳定性的分析，降雨和爆破振动的反复作用对岩土体流变特性的影响不可忽视。
常规剪切流变的基本步骤包括试样取样与加工、法向压力施加、逐级施加剪应力(每一级变形稳定之后施加下一级剪应力)直至试样破坏。岩土体流变性质的研究方法主要包括现场原位流变试验与室内试验，相对于现场试验，室内试验具有经济易行、数据采集与处理方便、试验条件可控性强等优点，因此室内试验现已成为研究岩土体流变性质的主要手段，但对于软岩而言，传统的室内岩石流变剪切试验仪器由于加载仪器的原因，软岩试样的尺寸相对较小，对于反应岩土体的性质不是很精确。
目前，对于动力扰动下岩土体流变性质的研究主要采用三轴卸荷流变试验的方式，对于降雨影响下岩土体流变性质的研究主要采用先对试样进行干湿循环处理再进行流变试验的方式，但这些模拟方式显然与实际中降雨与爆破的作用方式不符。此外，目前的剪切流变试验装置中，试样变形多采用千分尺或在试样表面贴应变片的方式测定，但是这些测定方式主观因素太大，如千分尺或应变片的位置、变形量大小等，且在添加动力扰动时采用自动计数方式会存在很大的误差。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可模拟多种爆破的频率与强度，并能在流变试验过程中对试样进行干湿循环，适用于降雨和动力扰动反复作用下各类大尺寸软岩流变性质研究的实现干湿循环和动力扰动的软岩剪切流变仪。
本发明的实施例提供一种实现干湿循环和动力扰动的软岩剪切流变仪，所述平台的中间设有预定轨道和剪切流变单元，所述预定轨道包括一长边，所述剪切流变单元沿预定轨道的长边方向滑动，所述剪切流变单元连接动力扰动单元、切向加压系统、位移量测系统和拉压力测量系统，所述动力扰动单元和切向加压系统协同调整剪切流变单元的剪切力，所述位移测量系统与拉压力测量系统分别测量剪切流变单元的位移和拉压力的变化，所述剪切流变单元的上部设有干湿循环单元，所述干湿循环单元实现剪切流变单元的干湿循环，所述剪切流变单元通过法向加压系统在所述剪切流变单元的法向上预设应力。
进一步，所述剪切流变单元包括上剪切盒和下剪切盒，所述下剪切盒在上剪切盒的下方，所述下剪切盒的上部相对两侧沿预定滑轨的长边方向开有横槽，所述横槽内设有滚珠，所述下剪切盒的底部设有滚轮，所述下剪切盒通过滚轮和滚珠沿预定轨道的长边方向滑动；所述动力扰动单元包括刚性支架和振动电机，所述振动电机设在刚性支架上；所述刚性支架夹住下剪切盒的两侧，所述振动电机通过刚性支架向下剪切盒传导振动荷载。
进一步，所述振动电机是动力源与振动源结合为一体的激振源，所述振动电机包括转子轴和在转子轴两端安装的可调偏心块，所述振动电机通过转子轴及可调偏心块的高速旋转产生的离心力得到激振力。
进一步，所述干湿循环单元包括水泵、进水管、水箱、透水石、热空气发生装置和进气管，所述水箱设在上剪切盒的上方，所述透水石设在水箱内，所述进气管和进水管均贯穿上剪切盒，所述进气管连通热空气发生装置，所述进水管连通水泵，所述下剪切盒内通过水泵和热空气发生装置的作用实现干湿循环。
进一步，所述上剪切盒的上部开凹槽，所述水箱设在凹槽内，所述水箱上方设有金属盖板，所述水箱的底部开有透水孔，所述下剪切盒的一侧连接位移测量系统与拉压力测量系统。
进一步，所述切向加压系统包括杆件和滑轮系统，所述杆件包括一横杆和一竖杆，所述横杆的一端与下剪切盒固接，横杆的另一端与竖杆固接，所述竖杆连接滑轮系统。
进一步，所述滑轮系统包括五个定滑轮，所述定滑轮包括中心轴和绕中心轴旋转的柔索，所述平台的一侧设有与定滑轮数量相一致的导线支座，所述导线支座能移动，所述平台的边缘开有与定滑轮数量相一致的滑轮凹槽，所述中心轴设在滑轮凹槽内，所述柔索的一侧穿过导线支座连接竖杆，所述柔索的另一侧悬挂砝码。
进一步，所述横杆与竖杆相互垂直，并焊接为一体。
进一步，所述法向加压系统包括第一力臂、第二力臂系、固定杆和支点支架，所述支点支架设在平台上，所述固定杆设在支点支架的上方，所述固定杆的一侧固接第一力臂，另一侧固接第二力臂系，所述第二力臂系包括五个第二力臂，五个第二力臂对称设置，所述第一力臂和第二力臂的力臂长度比为1:5，所述平台的一侧边缘设有固定支架，所述固定支架的数量与第二力臂的数量相一致，所述固定支架的高度与支点支架的高度相适配，所述固定支架的上方均固接一定滑轮的中心轴，所述绕中心轴旋转的柔索一侧连接第二力臂，另一侧悬挂砝码，所述第一力臂固接刚性传递杆，所述刚性传递杆安装在水箱上，所述刚性传递杆和水箱依次将所述法向加压系统产生的预设应力传递到所述剪切流变单元的法向上。
进一步，所述位移测量系统为拉线位移传感器系统，所述拉压力测量系统为应变式拉压力传感系统，所述位移测量系统和拉压力测量系统均通过拉绳连接剪切流变单元，所述位移测量系统和拉压力测量系统的壳体均为硬质铝合金材质，所述位移测量系统和拉压力测量系统的线缆接头采用高档防水航空接头，所述拉绳采用表面包裹特氟龙材质的钢缆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明机械结构简单、易于调节、操作方便，适用于大尺寸软岩流变性质研究，相对传统的土力学剪切流变仪试样尺寸较大，测得结果更加准确，能试验于软岩原状样，适用范围更广；
(2)本发明增加动力扰动单元，通过动力扰动单元对切向加压系统提供一定的扰动，模拟爆破振动；动力扰动单元通过刚性支架传递振动荷载，对剪切应力产生扰动，振动电机设置于刚性支架上，通过改变电机的安放位置调整传递扰动的大小，实现不同强度的动力荷载，可实现流变试验过程中动力荷载的定量模拟；
(3)本发明通过杠杆使滑轮远离剪切盒，避免一处砝码过多，分级加载选择多；
(4)本发明采用的传感器结合了角度位移传感器、直线位移传感器以及齿轮、条传动的各种优点，尺寸小、行程长、寿命长、多用途，且安装简便，无须补偿间隙，具有高精度、高重复性测量和高定位精度特性，既可以用于精确测量和定位控制，也可以配合显示仪表，做为测量仪器进行人工测量。
附图说明
图1是本发明一种实现干湿循环和动力扰动的软岩剪切流变仪的结构示意图。
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实现干湿循环和动力扰动的软岩剪切流变仪，包括平台1，平台1的中间设有预定轨道2和剪切流变单元3，预定轨道2包括一长边21，剪切流变单元3沿长边21方向滑动。
剪切流变单元3包括上剪切盒31和下剪切盒32，下剪切盒32在上剪切盒31的下方，在一实施例中，上剪切盒31的上部开凹槽310，下剪切盒32的上部相对两侧沿预定滑轨2的长边方向开有横槽321，横槽321内设有滚珠322，下剪切盒32的底部设有滚轮323，下剪切盒32通过滚轮323和滚珠322沿预定轨道2的长边方向滑动。
剪切流变单元3连接动力扰动单元4、切向加压系统5、位移量测系统6和拉压力测量系统7。
动力扰动单元4包括刚性支架41和振动电机42，振动电机42设在刚性支架41上；刚性支架41夹住下剪切盒32的两侧，振动电机42通过刚性支架41向下剪切盒32传导振动荷载，在一实施例中，振动电机42是动力源与振动源结合为一体的激振源，振动电机42包括转子轴(图中未示出)和在转子轴两端安装的可调偏心块(图中未示出)，振动电机42通过转子轴及可调偏心块的高速旋转产生的离心力得到激振力。
切向加压系统5包括杆件51和滑轮系统52，杆件51包括一横杆511和一竖杆512，在一实施例中，横杆511与竖杆512相互垂直，并焊接为一体，横杆511的一端与下剪切盒32固接，横杆511的另一端与竖杆512固接，竖杆512连接滑轮系统52，滑轮系统52包括五个定滑轮520，定滑轮520包括中心轴521和绕中心轴521旋转的柔索522，平台1的一侧设有与定滑轮520数量相一致的导线支座11，导线支座11能移动，平台1的边缘开有与定滑轮520数量相一致的滑轮凹槽12，中心轴521设在滑轮凹槽12内，柔索522的一侧穿过导线支座11连接竖杆512，柔索522的另一侧悬挂砝码523，动力扰动单元4和切向加压系统5协同调整剪切流变单元3的剪切力。
剪切流变单元3的上部设有干湿循环单元8，干湿循环单元8包括水泵81、进水管82、水箱83、透水石84、热空气发生装置85和进气管86，水箱83设在上剪切盒31的上方，在一实施例中，水箱83设在凹槽310内，水箱83上方设有金属盖板(图中未示出)，水箱83的底部开有透水孔(图中未示出)，透水石84设在水箱83内，进气管86和进水管82均贯穿上剪切盒31，进气管86连通热空气发生装置85，进水管82连通水泵81，下剪切盒31内通过水泵81和热空气发生装置85的作用实现干湿循环。
剪切流变单元3通过法向加压系统9在剪切流变单元3的法向上预设应力法向加压系统9包括第一力臂91、第二力臂系92、固定杆93和支点支架94，支点支架94设在平台1上，固定杆93设在支点支架94的上方，固定杆93的一侧固接第一力臂91，另一侧固接第二力臂系92，第二力臂系92包括五个第二力臂921，五个第二力臂921对称设置，第一力臂91和第二力臂921的力臂长度比为1:5，平台1的一侧边缘设有固定支架13，固定支架13的数量与第二力臂921的数量相一致，固定支架13的高度与支点支架94的高度相适配，固定支架13的上方均固接一定滑轮520的中心轴521，绕中心轴521旋转的柔索522一侧连接第二力臂921，另一侧悬挂砝码523，第一力臂91固接刚性传递杆10，刚性传递杆10安装在水箱83的上方，刚性传递杆10和水箱83依次将法向加压系统9产生的预设应力传递到剪切流变单元3的法向上。
位移测量系统6与拉压力测量系统7分别测量剪切流变单元3的位移和拉压力的变化，在一实施例中，下剪切盒32的一侧连接位移测量系统6与拉压力测量系统7，位移测量系统6为拉线位移传感器系统，拉压力测量系统7为应变式拉压力传感系统，位移测量系统6和拉压力测量系统7均通过拉绳61连接剪切流变单元3，位移测量系统6和拉压力测量系统7的壳体均为硬质铝合金材质，位移测量系统6和拉压力测量系统7的线缆接头采用高档防水航空接头，拉绳61采用表面包裹特氟龙材质的钢缆。
工作过程：
①设计实验，确定实验过程中需要的扰动荷载强度与频率，通过预实验对振动电机42的频率和置放位置进行调整，并测定作用于切向加压系统5的扰动荷载强度与频率是否符合要求，进行相应的调整；
②将切割好的试样放置在下剪切盒32中，再放置好上剪切盒31，调整剪切缝的大小，在上剪切盒32上安装干湿循环单元8，在下剪切盒32上安装位移测量系统6与拉压力测量系统7；
③按照实验方案的需要通过法向加压系统9向上剪切盒31施加法向应力，法向加压系统9连接刚性传递杆10，刚性传递杆10安装在水箱83的上方，水箱83设在上剪切盒31的上方，由于力的传递，法向加压系统9通过向刚性传递杆10施加法向应力，就可以向上剪切盒31施加法向应力，设法向应力为F1，由于法向应力和第一力臂91与砝码的重力和第二力臂系92构成一平衡杠杆，因此，通过向与固定支架13固接的定滑轮520添加砝码523，即可施加应力，由于第二力臂系92包括五个第二力臂921，第一力臂91和第二力臂921的力臂长度比为1:5，所添加砝码的总重量为F1/25，达到预定法向应力之后通过切向加压系统5开始逐级施加剪应力开始剪切流变实验；
在施加剪应力的同时定期通过水泵81提供由一定渗透压的水通过水箱83渗入试样，使试样处于湿润状态，待试样吸水饱和后，通过热空气发生装置85进行热空气烘干处理，使试样保持干燥状态，模拟剪切流变实验过程中的天气环境；
设剪应力为F2，通过向与竖杆512连接的滑轮系统52添加砝码523施加拉力，同时启动振动电机42，使振动电机42通过刚性支架41向下剪切盒32施加动力扰动压力,结合拉力和压力得到模拟实际情况的剪应力F2，在剪应力F2的作用下拉动下剪切盒32沿长边21方向滑动进行剪切流变实验，下剪切盒32在滑动过程中，位移测量系统6实时自动记录试样的位移变化情况，拉压力测量系统7实时记录拉压力的变化情况。
本发明机械结构简单、易于调节、操作方便，适用于大尺寸软岩流变性质研究，相对传统的土力学剪切流变仪试样尺寸较大，测得结果更加准确，能试验于软岩原状样，适用范围更广；增加动力扰动单元，通过动力扰动单元对切向加压系统提供一定的扰动，模拟爆破振动；动力扰动单元通过刚性支架传递振动荷载，对剪切应力产生扰动，振动电机设置于刚性支架上，通过改变电机的安放位置调整传递扰动的大小，实现不同强度的动力荷载，可实现流变试验过程中动力荷载的定量模拟；通过杠杆使滑轮远离剪切盒，避免一处砝码过多，分级加载选择多；传感器结合了角度位移传感器、直线位移传感器以及齿轮、条传动的各种优点，尺寸小、行程长、寿命长、多用途，且安装简便，无须补偿间隙，具有高精度、高重复性测量和高定位精度特性，既可以用于精确测量和定位控制，也可以配合显示仪表，做为测量仪器进行人工测量。
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。