本实用新型属于测试装置领域，具体涉及一种新型土工动力直剪试验装置。
背景技术：
直剪仪是一种常见的土工试验装置，它主要用于测定土体的抗剪切强度，用于评价工程土体的力学性质，目前现有的直剪装置，多采用上下分离的钢性盒体，上剪切盒和下剪切盒中盛装土体，土体上部设置有压力板，采用压力装置对压力板施加压力，主要采用压力杠杆施加竖向压力、水平向则采用电机链轮、螺杆传递水平推力，配合量力环、百分表等采集峰值剪切强度以及对应的剪切位移。但值得指出的是上述剪切仪器分析土体剪切强度时，多数是通过水平固定的剪切速度来进行，与工程实际中土体受到剪切力真实情况时存在差异，例如随着我国海洋战略的实施推进，越来越多的岛礁工程建设日益兴起，海洋环境的特殊性造就了复杂的海洋动力环境，土与工程结构建设物的相互作用多数是动力剪切作用，还比如波浪荷载作用下土体与海洋桩基的相互作用，例如桥墩受水流冲击、交通荷载对路基、风力、海浪、水流对海上建筑物是动荷载，尤其对周围土的剪切作用也是动荷载，且是一种大小和多向变化的荷载。再比如施工中的机器振动，地基加固中的冲击碾压、路基上部的车辆移动交通荷载，储油罐液位反复升降这些荷载传递到土体中，对土体而言均是一种动力循环剪切作用，而目前关于直剪装置多为应变控制式，明显与实际。同时周围环境荷载的施加，环境荷载，例如临海和沿海区域，由于潮汐作用，水位的波动也会导致土体抗剪切强度发生变化，同时在一些降雨和蒸发频繁的地区，由于干湿循环对于土体自身性质的改变，也会导致土体剪切强度的变化，现有的直接试 验装置却不具备模拟环境荷载对土体抗剪切强度的影响的功能。现有直剪装置未能考虑单方向的土体受动力剪切作用，也没能考虑剪切力方向变化的情况，在环境荷载对土体抗剪切强度的影响上其功能上都有所欠缺。在土体抗剪切试验过程中，尤其对于不同类型的土体而言，尤其是砂土而言，在剪切试验过程中，颗粒之间会发生咬合作用，使得颗粒间发生移动，往往需要观察土体的颗粒移动或者变形情况，现有的直剪装置多数无法进行观察，这给试验研究造成了一定难题。因此，有必要设计一种新的土工直剪试验装置，能对试样进行多种复杂加载状态和环境状态下的试验。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本实用新型为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种新型土工动力直剪试验装置，包括直剪仪100和用于采集试样位置变化数信息的传感器采集模块600，其特征在于：还包括直剪模块200，水位波动模块300，干湿循环模块400和试样变形监测模块500；
所述直剪仪100包括用于放置试样的透明玻璃试样盒和底座107，所述透明玻璃试样盒包括上下对称扣合的方形试样盒a101a和方形试样盒b101b，试样盒内从上到下依次设有加载盖103、顶部透水石102a、试样A和底部透水石102b，所述的方形试样盒b101b底部侧边开设有与试样盒内部贯通的进水口104，方形试样盒b101b底部底面嵌设有方形试样盒滚珠槽105和滚珠106，所述的方形试样盒b101b周向外侧壁上开设有滑动槽110，所述的底座107为十字型支座，支座中部上方设有方形试样盒固定支架109，底座107中部上表面开设有底座滚珠槽108；
所述直剪模块200对称分布在直剪仪100四周，直剪模块活动端与直剪仪100相连，用于为试样提供水平载荷；
所述水位波动模块300连接在直剪仪100一侧，用于模拟潮汐荷载；
所述干湿循环模块400与直剪仪100底部连接，用于模拟降雨和蒸发；
所述试样变形监测模块500设置在直剪仪100侧边，用于观测并记录试样在实验过程中的变形；
所述传感采集模块600的测量端安装在直剪仪100周围，输出端与计算机相连，用于检测试样试验过程中位移变化。
所述直剪模块200包括气缸加载系统和/或电动推杆加载系统，所述的气缸加载系统包括依次连接的水平气缸201、空气压缩机202、调压阀203和竖向气缸206，所述水平气缸201水平安装于十字型底座107四周，所述竖向气缸206安装于加载盖103正上方，由调压阀203输出压力；所述的电动推杆加载系统包括相连接的水平电动推杆204和水平电动推杆驱动器205，水平电动推杆驱动器205与计算机连接。
所述水位波动模块300包括水箱301，所述水箱301底部连接有平板状的升降台302，所述升降台302底部连接有电动推杆303，所述电动推杆303由驱动器304驱动，并由控制器305控制，所述水箱301为圆筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口310a、水箱溢水口310b和水箱出水口310c，所述水箱出水口310c与直剪仪100的进水口104连接。
所述干湿循环模块400包括PID温控系统410和三通阀门420，所述三通阀门420一端用于连接直剪仪100的进水口104，一端与PID温控系统410连接，另一端用于连接水位波动模块的水箱出水口310c。
所述试样变形监测模块500包括高清摄像头501和一对呈一定角度连接的平面镜502，所述高清摄像头501和平面镜502相对布置，周向设置在直剪仪100侧边。
所述传感采集模块600包括霍尔元件601、永久磁铁602、拉压传感器603、铁板604和位移计605；所述霍尔元件601和永久磁铁602为标准件，霍尔元件601安装在方形试样盒a101a下方四条边缘线的中点，永久磁铁602安装在方形试样盒b101b上方四条边缘线的中点，和霍尔元件601一一对应；所述拉压传感器603活动端安装在方形试样盒b101b四周的滑动槽110内，在拉压传感器603活动端顶端装有轴端滚珠603a，轴端滚珠603a在滑动槽110内滑动，拉压传感器603输出端与水平气缸201或水平电动推杆204相连；所述位移计605为标准件，其测量端和铁板604相连，铁板604水平安装在加载盖103的正上方，位移计605的输出端和计算机相连。
本实用新型具有如下优点：
1)本实用新型可对试样进行多种形式的直剪
和传统直剪装置相比，本实用新型可对试样进行单向恒力直剪，单向恒速直剪和多向直剪，更接近复杂的荷载形式，传统直剪装置只能做单向恒速直剪；
2)本实用新型可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发
本实用新型通过水位波动模块和干湿循环模块对试样实施干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统直剪装置相比，本实用新型可以对试样干湿循环前后直剪性能进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样直剪性能的影响；
3)本实用新型可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落
本实用新型通过水位波动模块对试样实施水位波动循环，用来模拟潮汐的 涨落。和传统直剪装置相比，本实用新型可以对试样水位波动循环前后直剪性能进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样直剪性能的影响；
4)本实用新型可观察试样在试验过程中的形变
本实用新型采用透明玻璃制成方形试样盒，通过外部高清摄像图像处理的方法，利用试样变形监测模块对试样在各种直剪模式，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。和传统直剪装置相比，本实用新型可观察试样在试验过程中的形变，传统直剪装置无法观察记录试样的变形；
5)本实用新型可更精确的测量试验数据
本实用新型通过传感器采集模块记录试样变形过程中的变形和位移变化数据。和传统直剪装置相比，本实用新型采用电脑采集，可以采集连续的数据变化，传统直剪装置只能人工读取数据。
附图说明
图1为装置整体结构示意图；
图2为直剪仪结构示意图；
图3为试样盒和底座结构图；
图4为直剪模块结构图；
图5为水位波动模块结构示意图；
图6为PID温控系统结构示意图；
图7为三通阀结构示意图；
图8为干湿循环模块结构示意图；
图9为试样变形监测模块结构示意图；
图10为传感采集模块结构示意图；
图11为霍尔元件和永久磁铁结构示意图；
图12为拉压传感器结构示意图；
图13为竖向位移计结构示意图；
A—试样，100—直剪仪，101a—方形试样盒a、101b—方形试样盒b、102a—顶部透水石、102b-底部透水石、103—加载盖、104—进水口、105—方形试样盒滚珠槽、106—滚珠、107—底座、108—底座滚珠槽、109—方形试样盒固定支架、110—滑动槽；200—直剪模块，201—水平气缸、202—空气压缩机、203—调压阀、204—水平电动推杆、205—水平电动推杆驱动器、206—竖向气缸；300—水位波动模块，301—水箱、302—升降台、303—电动推杆、304—驱动器、305—控制器；400—干湿循环模块，410—PID温控系统，411—风机、412—电热丝、413—温控开关、420—三通阀门；500—试样变形监测模块，501—高清摄像头、502—平面镜；600—传感采集模块，601—霍尔元件、602—永久磁铁、603—拉压传感器、603a—轴端滚珠、604—铁板、605—位移计。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示的一种新型土工动力直剪试验装置，包括直剪仪100和用于采集试样位置变化信息的传感器采集模块600，其特征在于：还包括直剪模块200，水位波动模块300，干湿循环模块400，试样变形监测模块500；
所述直剪仪100包括用于放置直剪试验试样A的方形试验盒。
所述直剪模块200对称分布在直剪仪100四周，直剪模块活动端与直剪仪100相连，用于为试样提供水平载荷；
所述水位波动模块300连接在直剪仪100一侧，用于模拟潮汐荷载；
所述干湿循环模块400与直剪仪100底部连接，用于模拟降雨和蒸发；
所述试样变形监测模块500设置在直剪仪100侧边，用于观测并记录试样在实验过程中的变形；
所述传感采集模块600的测量端安装在直剪仪100周围，输出端与计算机相连，用于检测试样试验过程中位移变化。
工作原理：
直剪仪100内装有试样A，进行直剪试验，直剪模块200为试样提供水平荷载，水位波动模块300对试样施加水位波动，用来模拟潮汐荷载；干湿循环模块400可使试样处于干湿循环状态，用来模拟降雨与蒸发；试样变形监测模块500用来记录试样A在直剪仪100内被施加荷载时的形变过程；传感采集模块600采集直剪试验过程中的各个数据。
1、直剪仪
如图2，直剪仪100包括用于放置试样的透明玻璃试样盒和底座107，所述透明玻璃试样盒包括上下对称扣合的方形试样盒a101a、方形试样盒b101b，试样盒内从上到下依次设有加载盖103、顶部透水石102a、试样A和底部透水石102b，所述的方形试样盒b101b底部侧边开设有与试样盒内部贯通的进水口104，方形试样盒b101b底部底面嵌设有方形试样盒滚珠槽105和滚珠106，所述的方形试样盒b101b周向外侧壁上开设有滑动槽110；
如图3所示，所述的底座107为十字型支座，支座中部上方设有方形试样盒固定支架109，底座107中部上表面开设有底座滚珠槽108。
直剪仪100工作原理：方形试样盒b101b和底座107之间安装滚珠106，减少方形试验盒b101b的摩擦；方形试验盒b101b四周安装直剪模块200，对方形 试验盒b101b施加单向或多向的荷载；水从直剪仪100进水口104进入，实现水位波动和干湿循环；
2、直剪模块
如图4所示，直剪模块200包括气缸加载系统和电动推杆加载系统，所述的气缸加载系统包括依次连接的水平气缸201、空气压缩机202、调压阀203和竖向气缸206，所述水平气缸201水平安装于十字型底座107四周，所述竖向气缸206安装于加载盖103正上方，由调压阀203输出压力；
所述的电动推杆加载系统包括相连接的水平电动推杆204和水平电动推杆驱动器205，水平电动推杆驱动器205与计算机连接；
通过分别或联合利用气缸加载系统、电动推杆加载系统，对试样A施加单向恒力加载、单向恒速加载和多向加载；
当施加单向载荷直剪时，在底座107左右两边分别安装水平气缸201和水平电动推杆204；由气缸加载系统对试样施加恒定推力的加载，由电动推杆加载系统对试样施加恒定速度的加载；
当施加多向载荷直剪时，在底座107十字型支座四周都装上水平电动推杆204，由计算机控制四个电动推杆204的运动，从而施加多向荷载。
3、水位波动模块
如图5所示，水位波动模块300包括水箱301，所述水箱301底部连接有平板状的升降台302，所述升降台302底部连接有电动推杆303，所述电动推杆303由驱动器304驱动，并由控制器305控制，所述水箱301为圆筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口310a、水箱溢水口310b和水箱出水口310c，所述水箱出水口310c与直剪仪100的进水口104连接。电动推杆303为通用件， 电动推杆303下部和水平面固定，电动推杆303的升降由驱动器304和控制器305控制。
通过驱动器304和控制器305可实现定时，定距离的水箱301升降，水箱溢水口301b高为水箱301的水位高度，水箱进水口301a与实验室供水管相连，水箱出水口301c与压缩仪100的进水口104相连，可为试验渗透系数的测量试验提供固定水位；水箱出水口301c与压缩仪的进水口104相连，可实现试样的水位波动。
4、干湿循环模块
如图6、7、8所示，干湿循环模块400包括PID温控系统410和三通阀门420，所述三通阀门420一端用于连接压缩仪100的进水口104，一端与PID温控系统410连接，另一端用于连接水位波动模块的水箱出水口310c。
所述PID温控系统410为一加热系统，包括风机411，电热丝412，温控开关413；
风机411通电时可向前吹出空气，并可调节风力大小；风机内装有电热丝412，可加热空气，使风机411吹出一定温度的空气；温控开关413可控制吹出空气的温度。
干湿循环模块工作原理：打开压缩仪100进水口104和水位波动模块水箱301c的阀门时，水箱301中的水流入压缩仪中，使试样饱和；打开压缩仪100进水口104和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向压缩仪100中吹入一定温度的空气，使得试样中的水分蒸发，从而实现干湿循环。
5、试样变形监测模块
如图9所示，试样变形监测模块500包括高清摄像头501和一对呈一定角 度设置的平面镜502，所述高清摄像头501和平面镜502相对布置，周向设置在直剪仪100侧边；
高清摄像头501放置在直剪仪100的十字型支座两相邻支座的侧前方，俩平光镜502分别设置在高清摄像头501两侧的两对支座之间，利用高清摄像头501和平面镜502可拍摄试验过程中试样A各个方向的变形；
试样变形监测模块工作原理：通过高清摄像头501记录试样各个方向的变形，便于观察。
6、传感采集模块
如图10，传感采集模块600包括霍尔元件601、永久磁铁602、拉压传感器603、铁板604和位移计605；
如图11，所述霍尔元件601和永久磁铁602为标准件，霍尔元件601安装在方形试样盒a101a下方四条边缘线的中点，永久磁铁602安装在方形试样盒b101b上方四条边缘线的中点，和霍尔元件601一一对应；
如图12，所述拉压传感器603活动端安装在方形试样盒b101b四周的滑动槽110内，在拉压传感器603活动端顶端装有轴端滚珠603a，轴端滚珠603a在滑动槽110内滑动，拉压传感器603输出端与水平气缸201或水平电动推杆204相连；
如图13，所述位移计605为标准件，其测量端和铁板604相连，铁板604水平安装在加载盖103的正上方，位移计605的输出端和计算机相连；
位移测量模块600工作原理：
位移测量模块600通过位移计605测量试样A的竖向变形，通过拉压传感器603测量直剪模块200对试样A施加的力，通过霍尔元件601和永久磁铁602 测量试样盒各方向的位移变化。
本发明模拟潮汐的水位波动、降雨和蒸发的干湿循环、为试样提供单向或多向的直剪载荷和压缩变形测量方法：
1、水位波动方法
水箱出水口301c和压缩仪进水口104相连，水箱进水口301a和实验室供水管相连；通过控制器304设置电动推杆303伸缩的距离和时间，使直剪仪100内试样A的水位随水箱301的升降发生变化；水位的变化可通过试验盒观察。
2、干湿循环方法
三通阀门420一端连接直剪仪100进水口104，一端连接PID温控系统410，一端连接水位波动模块出水口301c，水位波动模块300提供一定的水压。
打开直剪仪100进水口104和水位波动模块出水口301c的阀门时，水箱301中的水流入直剪仪100中，使试样饱和；打开直剪仪100进水口104和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向直剪仪100中吹入一定温度的空气，使得试样中的水分蒸发，从而实现干湿循环。
3、单向直剪方法
安装好装置后，打开空气压缩机202，设置调压阀203将压力输出给水平气缸201或竖向气缸206，从而对试样进行单向恒力加载；或通过计算机控制水平电动推杆驱动器205驱动水平电动推杆204对试样进行单向恒速加载，再由拉压传感器603测量荷载大小，由霍尔元件601和永久磁铁602测量位移。
4、多向直剪方法
安装好装置后，设置计算机的信号输出，通过水平电动推杆驱动器205同步控制四台水平电动推杆204，实现对试样的多向加载试验，并由拉压传感器 603测量荷载大小，由霍尔元件601和永久磁铁602测量位移。
本实用新型的优点如下：
1)本实用新型可对试样进行多种形式的直剪
和传统直剪装置相比，本实用新型可对试样进行单向恒力直剪，单向恒速直剪和多向直剪，更接近复杂的荷载形式，传统直剪装置只能做单向恒速直剪；
2)本实用新型可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发
本实用新型通过水位波动模块和干湿循环模块对试样实施干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统直剪装置相比，本实用新型可以对试样干湿循环前后直剪性能进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样直剪性能的影响；
3)本实用新型可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落
本实用新型通过水位波动模块对试样实施水位波动循环，用来模拟潮汐的涨落。和传统直剪装置相比，本实用新型可以对试样水位波动循环前后直剪性能进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样直剪性能的影响；
4)本实用新型可观察试样在试验过程中的形变
本实用新型通过试样变形监测模块对试样在各种直剪模式，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。和传统直剪装置相比，本实用新型可观察试样在试验过程中的形变，传统直剪装置无法观察记录试样的变形。
5)本实用新型可更精确的测量试验数据
本实用新型通过传感器采集模块记录试样变形过程中的变形和位移变化数据。和传统直剪装置相比，本实用新型采用电脑采集，可以采集连续的数据变化，传统直剪装置只能人工读取数据。
本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。