本发明涉及土样剪切实验设备制造技术领域，特别涉及一种直剪仪及其土样剪切方法。
背景技术：
岩土体在冻融作用下其物理力学特性将会发生显著变化，冻土力学是目前研究的热点问题。
在矿山及地下工程建设中，冻结法是比较常见的施工方法，冻结法是指用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法，常用于竖井工程。
通过直接剪切试验，测定土在不同压力下的抗剪强度，得出土的抗剪强度参数粘聚力和内摩擦角，可以为地下工程施工方法提供科学依据。
直剪仪是研究土的物理力学性质常用的仪器，由于其试样制备以及仪器操作过程比较简单，而且由其得到的试验结果与其它复杂设备所得到的结果基本一致，因此其应用更为广泛。现有直剪仪主要由法向加载机构，水平加载机构，法向位移计，水平位移计，水平荷载传感器，剪切盒(由上、下剪切盒组成)等构成。通过记录不同法向压力下的抗剪强度，计算可得到土的粘聚力和内摩擦角等抗剪强度参数。
但是，现有直剪仪器主要用于常温土样的试验，当涉及到冻融循环试验时，往往是先将土样在冷库中冷却到目标温度，然后再将土样移送至剪切盒内，由于土样在冷库中经过冻融循环至目标温度后，再从冷库中取出放入直剪仪器的过程会使土样受到扰动，应力状态改变，土样剪切试验时与冻融后的内部结构是不一致的；另外剪切过程中土样温度随环境温度变化而发生变化；再次现有直剪仪器无法对土样温度实时监测，导致无法掌握剪切时土样真实的温度情况；因而如果用现有直剪仪器测定冻土与冻融土剪切力学参数是非常不准确的。
因此，在做剪切试验前和试验中如何能够使土样保持冻融循环后的受力状态，以保证土样剪切力学参数测量结果的可靠性是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种直剪仪，以便在做剪切试验前和试验中能够保持土样冻融循环后的受力状态，从而保证土样剪切力学参数的可靠性。
本发明的另一目的在于提供一种上述直剪仪的土样剪切方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种直剪仪，包括用于盛放土样的剪切盒，还包括与所述剪切盒相连，且用于对所述剪切盒中的土样进行冻结和解冻的调温装置。
优选地，所述剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和所述下剪切盒的侧壁内均设置有中空腔体，且所述中空腔体具有入口和出口，所述调温装置为低温冷浴器，所述低温冷浴器的出液管与所述中空腔体的入口相连，所述低温冷浴器的回液管与所述中空腔体的出口相连。
优选地，所述出液管和所述回液管上均设置有用于调节管路流量大小的阀门。
优选地，所述上剪切盒以及所述下剪切盒中的土样容纳腔均呈圆柱状，所述中空腔体环绕所述土样容纳腔的周向设置。
优选地，所述剪切盒的侧壁内嵌设有中空管路，所述中空管路具有入口和出口，所述调温装置为低温冷浴器，所述低温冷浴器的出液管与所述中空管路的入口相连，所述低温冷浴器的回液管与所述中空管路的出口相连。
优选地，所述剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和所述下剪切盒的侧壁内均设置有中空腔体，所述调温装置为冷媒循环系统，所述冷媒循环系统至少包括依次串联的压缩机、四通阀、第一换热器、节流阀和第二换热器，所述第一换热器或所述第二换热器嵌入所述中空腔体内。
优选地，还包括分别用于放置在所述土样上下两端的上端透水板和下端透水板，在所述上端透水板和/或所述下端透水板上还设置有能够插入所述土样内部的温度探头。
优选地，所述温度探头设置在所述上端透水板的中心，用于给所述土样施加法向载荷的加荷帽与所述上端透水板的上表面接触，在所述加荷帽与所述上端透水板之间，以及所述加荷帽与所述剪切盒的内壁之间均开设有用于防止所述温度探头的导线被压坏的避线槽。
优选地，所述加荷帽与所述上端透水板之间的所述避线槽，开设在所述加荷帽用于与所述上端透水板相接触的一面上，所述加荷帽与所述剪切盒的内壁之间的所述避线槽，开设在所述加荷帽用于与所述剪切盒的内壁相接触的一面上。
优选地，所述剪切盒由黄铜制成，且所述剪切盒的外表面还包覆有保温层。
优选地，所述上端透水板和所述下端透水板上均设置有螺纹孔，所述直剪仪还包括方便所述上端透水板以及所述下端透水板在所述剪切盒内拆装的杆件，所述杆件通过自身外表面上的外螺纹可拆卸地与所述螺纹孔连接。
本发明中所公开的直剪仪的土样剪切方法，包括冻结剪切模式，在所述冻结剪切模式中，依次包括土样放置工序、土样固结工序、土样冷冻工序以及土样剪切工序，其中，所述土样冷冻工序为：设置土样的冷冻目标温度，然后控制所述调温装置对所述剪切盒进行降温冷冻，采集所述土样内的实际温度并与所述冷冻目标温度比较，当所述实际温度与所述冷冻目标温度相等时，控制所述调温装置持续工作并使所述土样在所述冷冻目标温度下维持第一预定时间后进行所述土样剪切工序。
优选的，还包括冻融剪切模式，在所述冻融剪切模式中，依次包括土样放置工序、土样固结工序、土样冻融工序以及土样剪切工序，其中，所述土样冻融工序为：设置土样的冷冻目标温度和解冻目标温度，然后控制所述调温装置对所述剪切盒进行降温冷冻，采集所述土样内的实际温度并与所述冷冻目标温度比较，当所述实际温度与所述冷冻目标温度相等时，控制所述调温装置持续工作并使所述土样在所述冷冻目标温度下维持第二预定时间，到达所述二预定时间后，提高所述调温装置的温度，使所述土样升温解冻，采集所述土样内的实际温度并与所述解冻目标温度比较，当所述实际温度与所述解冻目标温度相等时，控制所述调温装置持续工作并使所述土样在所述解冻目标温度下维持第三预定时间，到达所述第三预定时间后进行所述土样剪切工序。
由以上技术方案可以看出，本发明中所公开的直剪仪，增设了与剪切盒相连的调温装置，该调温装置用于对剪切盒中的土样进行冻结和解冻，因此在需要对土样进行冻融循环时，可以通过调温装置直接在剪切盒内对土样进行冻结和解冻，解决了现有技术中必须在冷库中完成冻融循环过程的问题，并且由于在冻融过程中无需对土样进行转移，因此土样内部的状态不会受到任何扰动，该直剪仪所测量出的土样剪切力学参数更加准确可靠。
本发明中所公开的直剪仪的土样剪切方法，通过控制上述调温装置，使剪切盒内的土样冻结或者使剪切盒内的土样在冻结和解冻之间转化，然后再进行土样剪切，这不仅实现了在剪切盒内对土样进行冻结和解冻，避免了土样内部的受力状态受到扰动，同时还实时监测土样内的实际温度，使土样在剪切过程中始终保持在目标温度附近，保证土样剪切力学参数的准确性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所公开的直剪仪中调温装置与剪切盒的连接示意图；
图2为本发明实施例中所公开的直剪仪的部分结构示意图；
图3为温度探头插入土样中的结构示意图；
图4为加荷帽上所开设的避线槽的结构示意图；
图5为上剪切盒的结构示意图；
图6为下剪切盒与储水盒的配合示意图；
图7为上端透水板的主视示意图；
图8为上端透水板的切面示意图；
图9为杆件结构示意图；
图10为本发明一种实施例中所公开的土样剪切方法的流程示意图。
附图中标记如下：
1为储水盒，2为阀门，3为上剪切盒，4为加荷帽，5为土样，6为法向加载装置，7为温度探头，8为数据采集器，9为计算机，10为出液管，11为下剪切盒，12为低温冷浴器，13为上端透水板，14为下端透水板，15为杆件，16为保温层，17为中空腔体，18为剪切传动机构，19为水平位移计，20为法向位移计，21为剪切载荷传感器，22为滚珠，23为土样容纳腔，24为销孔，25为反力架，41为避线槽，131为透水孔，132为螺纹孔。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种直剪仪，以便在做剪切试验前和试验中能够保持土样冻融循环后的受力状态，从而保证土样剪切力学参数的可靠性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请同时参考图1和图2，本实施例中所公开的直剪仪，包括法向加载装置6、水平加载机构、法向位移计20、水平位移计19、剪切载荷传感器21以及剪切盒等构成，除此之外，还包括与剪切盒相连，并且用于对剪切盒中的土样进行冻结和解冻的调温装置。
上述实施例中所公开的直剪仪，增设了与剪切盒相连的调温装置，该调温装置用于对剪切盒中的土样进行冻结和解冻，因此在需要对土样进行冻融循环时，可以通过调温装置直接在剪切盒内对土样进行冻结和解冻，解决了现有技术中必须在冷库中完成冻融循环过程的问题，并且由于在冻融过程中无需对土样进行转移，因此土样内部的状态不会受到任何扰动，该直剪仪所测量出的土样剪切力学参数更加准确可靠。
通常情况下，剪切盒由上剪切盒3和下剪切盒11构成，如图1和图2中所示，上剪切盒3与反力架25连接，反力架25用来承受剪切反力，并支撑剪切载荷传感器21，下剪切盒11与剪切传动机构18连接，在实验时，首先将上剪切盒3和下剪切盒11对准位置，并在上剪切盒3和下剪切盒11的销孔24内插入定位销，防止两者错动，然后将土样推入到土样容纳腔23中，土样两端分别放置透水板，以便使土样固结过程中所产生的水排出至储水盒1中，在土样上依次放上加荷帽4、法向加载装置，安装法向位移计20以及水平位移计19；先法向加载使土样固结，打开调温装置以便进行冻融循环，待冻融循环完成后拔除定位销，然后通过启动剪切加载机构以移动下剪切盒11，上剪切盒3和下剪切盒11错动实现对土样的剪切，剪切载荷传感器21设置在反力架25上测量剪切力，水平位移计19设置在下剪切盒11一端，以便测量下剪切盒11的剪切行程，从而得到剪切位移，法向位移计20设置在加荷帽4的上端，测量剪切过程中土样的法向变形，通过记录不同法向压力下土样的抗剪强度，可以计算得出土样的粘聚力以及内摩擦角等抗剪强度参数。
本领域技术人员能够理解的是，调温装置具有多种类型，只要能够实现对土样的冻结和解冻即可，并且根据调温装置类型的不同，调温装置与剪切盒的具体的连接方式也需要进行变化。
如图1和图2中所示，本实施例中在上剪切盒3和下剪切盒11的侧壁内均开设了中空腔体17，并且中空腔体17具有入口和出口，调温装置具体选用低温冷浴器12，并且低温冷浴器12的出液管10与中空腔体17的入口相连，低温冷浴器12的回液管与中空腔体17的出口相连。
低温冷浴器12是目前实验室中常用的获取低温的设备，由于其已经为公知的现有技术，本文中对低温冷浴器12的原理不再进行详细说明，低温冷浴器12的出液管10中流出的低温液体将进入到上剪切盒3以及下剪切盒11的中空腔体17中与土样进行温度交换，从而实现对土样的降温冻结；而当需要对土样进行解冻时，可以调高低温冷浴器12出液管10的出液温度，从而实现对土样的解冻，由此可见，通过该种方式可以实现对土样的冻融循环操作。
如图5和图6中所示，上剪切盒3以及下剪切盒11中的土样容纳腔23均呈圆柱状，为了能够对土样的整圈范围内进行均匀的冻结和解冻，在本实施例中，上剪切盒3中的中空腔体17环绕土样容纳腔23的周向设置，下剪切盒11中的中空腔体17也环绕土样容纳腔23的周向设置。
当然，上剪切盒3和下剪切盒11中也可不开设中空腔体17，本实施例中，剪切盒的侧壁内嵌设有中空管路，中空管路也具有入口和出口，调温装置同样采用低温冷浴器12，并且低温冷浴器12的出液管10与中空管路的入口相连，低温冷浴器12的回液管与中空管路的出口相连。与上一实施例相比，本实施例中采用在剪切盒侧壁内嵌设中空管路的方式实现的冷却液体在剪切盒内部的流动，当然，为了达到均匀的冻结和解冻的效果，在土样容纳腔23为圆形时，中空管路也应当环绕土样容纳腔23的周向进行设置。
能够理解的是，当上剪切盒3和下剪切盒11中开设中空腔体17后，可以提供较大的安装空间，这为传统换热器的安装提供了便利，因此在本实施例中，调温装置选用冷媒循环系统，该冷媒循环系统至少包括依次串联的压缩机、四通阀、第一换热器、节流阀和第二换热器，第一换热器或第二换热器中的一者嵌入到中空腔体17内。在需要对土样进行冻结时，嵌入到中空腔体17内的换热器作为蒸发器使用，在需要对土样进行解冻时，嵌入到中空腔体17内的换热器作为冷凝器使用，这同样可以达到对土样进行冻融循环的目的。
虽然低温冷浴器12以及冷媒循环系统中通常可以显示进入到剪切盒内的冷媒的温度，但是该温度却不能实时反映土样内部的温度，为此本实施例中还对直剪仪进行了改进，在本实施例中，上端透水板13或者下端透水板14中至少一个上设置有温度探头7，该温度探头7能够插入到土样内部，一些温度探头7自身带有显示装置，可以实时显示土样内部的温度，若温度探头7本身不带显示装置，还可将温度探头7的线路引出后与数据采集器8相连，然后将数据采集器8与计算机9相连，如图1和图2中所示，实际上低温冷浴器12的出液管10和回液管上均设置有用于控制流量大小的阀门2，计算机9与阀门2通讯连接，根据土样所要达到的目标温度以及土样的实际内部温度，计算机9可以调节阀门2的开度大小，以使土样内部的实际温度尽可能的接近并维持在目标温度。
通过设置温度探头7，实现了对土样温度的实时监测，这可以保证土样剪切的整个过程中土样温度始终保持在目标温度，从而使得实验结果更加准确可靠。
如图3中所示，温度探头7优选的设置在上端透水板13上，并位于上端透水板13的中心位置，由于温度探头7需要有导线引出，因此需要重点对温度探头7的导线进行保护，以避免法向加载过程中对温度探头7的导线造成破坏，加荷帽4用于给土样施加法向载荷，为了保护温度探头7的导线，在加荷帽4与上端透水板13之间，以及加荷帽4与剪切盒的内壁之间均开设有用于防止所述温度探头7的导线被压坏的避线槽41。
本领域技术人员能够理解的是，由于导线是从加荷帽4与上端透水板13之间穿过，因此该避线槽41可以开设在加荷帽4上，也可开设在上端透水板13上，甚至可以同时开设在加荷帽4和上端透水板13的对应位置上；同理，避线槽41可以开设在加荷帽4上，也可开设在剪切盒的内壁上，甚至可以同时开设在加荷帽4和剪切盒内壁的对应位置上。
考虑到设计和加工的便利性，本实施例中的避线槽41均开设在加荷帽4上，如图4中所示，加荷帽4与上端透水板13之间的避线槽41，开设在加荷帽4用于与上端透水板13相接触的一面上；加荷帽4与剪切盒的内壁之间的避线槽41，开设在加荷帽4用于与剪切盒的内壁相接触的一面上。
为了达到理想的效果，本实施例中的剪切盒由传热效果较好的黄铜材质制成，并且为了避免剪切盒与外界进行热交换，还可以在剪切盒的外表面包覆有保温层16，保温层16可以为保温棉、泡沫层等保温材质。
请参考图8和图9，由于上端透水板13和下端透水板14的尺寸与土样容纳腔23内的尺寸适配，因此在上端透水板13和下端透水板14放入到土样容纳腔23内之后，非常不容易取出，为此本实施例中还对上端透水板13和下端透水板14进行了改进，在上端透水板13和下端透水板14上设置了螺纹孔132，该螺纹孔132可以是另外开设，也可以是直接在中心孔位置加工螺纹，然后配套一杆件15，如图9中所示，该杆件15通过自身外表面上的外螺纹可拆卸的与螺纹孔132连接，通过提拉该杆件15，可以方便的将上端透水板13以及下端透水板14从土样容纳腔23中取出。上述螺纹孔132一方面可以用于杆件15的临时安装，另一方面还可用于温度探头7的安装，达到了一孔多用的效果。
除此之外，本发明实施例中还公开了一种上述直剪仪的土样剪切方法，该土样剪切方法中至少包括冷冻剪切模式，具体的，在冷冻剪切模式中，依次包括土样放置工序、土样固结工序、土样冷冻工序以及土样剪切工序，其中，所述土样冷冻工序为：设置土样的冷冻目标温度，然后控制调温装置对剪切盒进行降温冷冻，采集土样内的实际温度并与冷冻目标温度比较，当实际温度与冷冻目标温度相等时，控制调温装置持续工作并使土样在目标温度下维持第一预定时间后进行所述土样剪切工序。
以上端透水板上设置有温度探头(温度传感器)、加荷帽上设置有避线槽、温度探头连接数据采集器，数据采集器连接计算机，调温装置为低温冷浴器的情况为例来进行说明。
土样放置工序与传统土样放置工序一致，当剪切盒由上剪切盒3和下剪切盒11构成时，先对准上下剪切盒，然后在上下剪切盒的销孔内24插入定位销，以保证上下剪切盒之间的稳定，在下剪切盒11内放入下端透水板14和滤纸，将带有试样的环刀刀刃口向上，对准剪切盒的土样容纳腔23，在土样上放置滤纸和上端透水板13，然后将土样小心推入土样容纳腔23内，移去环刀。
然后将温度探头7穿过上端透水板13的中心孔并插入到土样中，温度探头7的导线经过上端透水板13中心孔以及加荷帽4上的避线槽41引出至剪切盒外，将温度探头7与数据采集器8连接，数据采集器8连接至计算机9，然后设置参数(如温度探头型号、数据采集频率等)。
土样固结工序是通过法向加载装置对土样进行法向加载，从而达到固结的目的。
在土样冷冻工序中，通过计算机9设置土样的冷冻目标，并控制调温装置对剪切盒进行降温冷冻，温度探头7实时检测土样内部的实际温度，当实际温度与冷冻目标温度相等时，控制调温装置持续工作并使土样在目标温度下维持第一预定时间后进行所述土样剪切工序。
本领域技术人员可以理解的是，第一预设时间需要根据不同的试验需求进行改变。
土样剪切工序中拔除定位销，然后启动剪切加载机构以移动下剪切盒11，上剪切盒3和下剪切盒11错动实现对土样的剪切，剪切过程中记录剪切力，剪切位移，法向位移以及土样的温度变化情况，达到剪切行程后，停止剪切，关闭阀门2以及低温冷浴器，退去法向压力和剪切力，取出土样，吸去储水盒内的积水，清理剪切盒并复位。
可以看出，本发明实施例中所公开的直剪仪的土样剪切方法，通过控制上述调温装置，使剪切盒内的土样冻结或者使剪切盒内的土样在冻结和解冻之间转化，然后再进行土样剪切，这不仅实现了在剪切盒内对土样进行冻结和解冻，避免了土样内部的受力状态受到扰动，同时还实时监测土样内的实际温度，使土样在剪切过程中始终保持在目标温度下，保证土样剪切力学参数的准确性和可靠性。
为了能够实现冻融循环下的土样剪切，上述土样剪切方法进一步还包括冻融剪切模式，在冻融剪切模式中，依次包括土样放置工序、土样固结工序、土样冻融工序以及土样剪切工序，其中，土样冻融工序为：设置土样的冷冻目标温度和解冻目标温度，然后控制调温装置对剪切盒进行降温冷冻，采集土样内的实际温度并与冷冻目标温度比较，当实际温度与所述冷冻目标温度相等时，控制调温装置持续工作并使所述土样在冷冻目标温度下维持第二预定时间，到达第二预定时间后，提高调温装置的温度，使土样升温解冻，采集土样内的实际温度并与解冻目标温度比较，当实际温度与解冻目标温度相等时，控制调温装置持续工作并使土样在所述解冻目标温度下维持第三预定时间，到达第三预定时间后进行所述土样剪切工序。
同样需要进行说明的是，第二预定时间以及第三预定需要根据不同的试验需求进行改变，并且根据试验要求，冻结和解冻过程可进行一次或者重复进行多次，如图10中所示。
该土样剪切模式实现了土样在冻融循环的情况下进行剪切，获得了土样在冻融情况下的剪切参数。
当然，上述直剪仪的土样剪切方法中还包括常温剪切模式，常温剪切模式下不启用调温装置，因此其剪切模式与传统直剪仪的常温剪切模式一致，本文中对此不再进行赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。