本实用新型涉及土木工程材料剪切强度测量技术，特别涉及具有多层材料的轨道结构剪切强度测量技术，具体而言，涉及一种分层实验直剪仪。
背景技术：
近年来，我国高速铁路迅速发展，已初步形成“八纵八横”干线高铁网。板式无砟轨道结构，由于其高稳定性、高平顺性、少维修性等优势在我国高铁中得到广泛应用。
目前板式轨道结构主要有三种，分别为crtsi、crtsii、crtsiii型板式轨道。其中，crtsi和crtsiii采用单元式结构，crtsii采用整体纵连式结构。无论是单元结构还是纵连结构，板式无砟轨道都属于多层薄板结构，主要由底座板、ca砂浆层/自密实混凝土层和轨道板组成。
实际运营过程中，无砟轨道结构如果出现了层间离缝、层间脱空、砂浆破损、轨道板裂缝等病害，将对高速列车行车的安全性和舒适性产生极大的不利影响。
现场调查表明，在列车荷载和温度荷载作用下，砂浆层容易产生离缝进而引起脱空。砂浆层位于轨道板和底座板之间，其上与轨道板粘结，其下与底座板粘结。轨道板与砂浆层以及砂浆层与底座板之间的粘结一旦发生破坏，将影响荷载传递路径，进而造成板式无砟轨道整体结构受损。
对运营后的高速铁路线路进行调研的结果显示，砂浆层上表面与轨道板的离缝占大多数，而下表面与底座板之间的离缝较少。这种情况和砂浆层上下表面的界面粘结特性及多层异质材料间的剪切关系有着密切关系。目前尚未开展轨道板、砂浆层及底座板组成的多层异质结构层间粘结特性的系统性试验研究，砂浆层上下表面的界面力学性能亟待研究。
测定层间界面的剪切力学参数，最简便的方式往往采用直剪仪。
一种典型的直剪仪结构如图1所示，主要包括剪切盒1、垂直加载装置2、水平加载装置3和测量装置4。
剪切盒1通常由具有一定强度的材料，如钢材、铝合金材料等制作，剪切盒1由上盒11和下盒13组成，上盒11上表面为盒盖110，既是剪切盒的结构部件，也作为传力板传导压力。上盒11下表面与下盒13上表面对接，形成一个高度为h1+h2，底面积为q×q的空心柱体，用于存放试验样品10。下盒13下表面为剪切盒的盒底，通常置于滑动装置5上，使得下盒13可以在水平加载装置3的作用下沿水平推力方向移动，如图1和图2所示。
测量时将试验样品置于剪切盒1中，垂直加载装置2通过传压板110(也是上盒的盒盖)对试验样品10施以一定的垂直压力，然后水平加载装置3对下盒13施加水平推力，使下盒13在滚筒5上面移动一段距离s，使上盒和下盒产生相对位移，剪切盒中上盒11和下盒13对接处试验样品水平接触面发生剪切位移直至破坏，如图3所示。
试验中，测量试验样品的变形和受力参数，如水平作用力和垂直压力大小、横向剪切位移距离等，然后根据试验样品剪切面的大小(也就是剪切盒中试验样品对接面积的大小q×q)，就可以得到试验样品的剪切应力参数。
然而，传统直剪仪往往只针对单个试样的单一固定面剪切。针对同条件下多层异质结构的层间界面剪切力学参数测试，传统试验装置显然难以满足要求。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种分层实验直剪仪，以解决现有技术直剪仪不能用于多层结构界面的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的一个方面，提供了一种分层实验直剪仪，包括剪切盒、固定装置、垂直加载装置、水平加载装置、测量装置；所述剪切盒用于装载实验用品，所述固定装置用于固定剪切盒，所述水平加载装置用于对剪切盒施加水平作用力，所述垂直加载装置用于对试验样品施加垂直作用力，所述测量装置用于测量试验样品受力参数；其特征在于，所述剪切盒包括上盒、中盒和下盒；所述中盒分为n层，每一层分别与相邻层对接；所述上盒上表面为盒盖，所述盒盖与垂直加载装置连接，所述上盒下表面与最上层中盒对接；所述下盒上表面与最下层中盒对接，所述下盒下表面为盒底，所述盒底与滑动装置连接；所述水平加载装置和固定装置分别布置在剪切盒两侧，所述水平加载装置和固定装置具有升降机构；n为整数，n≥1。
在某些实施例中，所述剪切盒在水平面的投影为正方形。
在某些实施例中，所述垂直加载装置安装在门框结构上。
在某些实施例中，所述门框结构包括两个平行的立柱和与所述立柱垂直的横梁，所述横梁与立柱通过螺母连接。
在某些实施例中，所述滑动装置由滚筒构成。
在某些实施例中，n＝1。
在某些实施例中，所述上盒、中盒和下盒设置有连接装置，所述上盒或下盒可以分别与中盒连接固定在一起。
在某些实施例中，所述连接装置设置在上盒、中盒和下盒两侧。
在某些实施例中，所述连接装置由焊接在上盒、中盒和下盒两侧的螺栓孔及其匹配的螺栓构成。
在某些实施例中，所述螺栓孔排列成两列。
根据本实用新型技术方案及其在某些实施例中进一步改进的技术方案，本实用新型的分层实验直剪仪能够进行同条件下多层异质结构层间界面的直接剪切试验，具有装置结构简单、制造成本低的优点，特别适合板式无砟轨道结构层间剪切变形的力学特征试验。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是现有技术直剪仪结构示意图；
图2是图1中剪切盒俯视图；
图3是剪切盒发生剪切位移的示意图；
图4是实施例1分层实验直剪仪的结构示意图；
图5是图4中剪切盒和门框结构的左视图；
图6是图4中盒盖的俯视图；
图7是图4中中盒的俯视图；
图8是实施例2分层实验直剪仪的结构示意图；
图9是实施例3分层实验直剪仪的结构示意图。
图中：
1为剪切盒；
2为垂直加载装置；
3为水平加载装置；
4为测量装置；
5为滑动装置；
6为固定装置；
7为底座；
8为立柱；
9为横梁；
10为试验样品；
11为上盒；
12为中盒；
13为下盒；
20为垂直加载顶杆；
30为水平加载顶杆；
31为水平加载调节立柱；
61为固定装置调节立柱；
80为连接螺母；
101为螺栓孔；
102为螺栓；
110为传力板(盒盖)；
111为加劲肋
121为第一层中盒；
122为第二层中盒。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本实用新型。
为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型具体实施方式、实施例中的附图，对本实用新型具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
实施例1
本实用新型的分层实验直剪仪，包括剪切盒1、固定装置6、垂直加载装置2、水平加载装置3和测量装置4。如图4所示。
本例剪切盒包括上盒11、中盒12和下盒13。上盒11用于装载第一层实验用品，中盒12为单层机构，用于装载第二层试验样品，下盒13用于装载第三层试验样品，如图4和图5所示。
本例剪切盒1中，上盒11上表面为盒盖110，盒盖110与垂直加载装置连接，上盒11下表面与中盒12上表面对接，下盒13上表面与中盒12下表面对接，下盒13下表面为盒底，盒底下面连接滑动装置5。
由图4和图5可以看出，本例分层实验直剪仪剪切盒1具有三层结构，可以用于板式无砟轨道各层的剪切实验。
为了在实验中固定剪切盒，本例分层实验直剪仪增加了固定装置6，如图4所示。固定装置6与水平加载装置3相对配置在剪切盒1两侧，如图4所示。
本例水平加载装置3由手摇螺旋推进装置构成，通过水平加载顶杆30对剪切盒施加水平作用力，参见图4。
本例水平加载装置3和固定装置6具有升降机构。水平加载装置3可以沿水平加载调节立柱31上下调节，以对准需要加载的剪切盒。固定装置6则可以沿固定装置调节立柱61上下调节，方便固定需要固定的剪切盒，参见图4。
本例垂直加载装置2也是一种手摇螺旋推进装置，通过垂直加载顶杆20和传力板110对试验样品施加垂直作用力，参见图5。
本例测量装置4包括位移测量仪和压力传感器，可以测量垂直加载装置2对试验样品施加的垂直压力、水平加载装置3对剪切盒施加的水平作用力、以及剪切盒的位移距离。通过这些受力参数就可以计算得到试验样品的剪切应力参数。
由图4、图5和图6可见，本例剪切盒1在水平面的投影为正方形，剪切盒1外形就是一个底面为正方形的正四棱柱。
本例盒盖作为剪切盒1的盒盖和垂直加载装置2传力板110，其形状如图图4、图5和图6所示，是一个表面布置有加劲肋111的正方形钢板，能够承受垂直加载装置2施加的垂直压力，并将压力传递到试验样品上。
本例垂直加载装置2安装在门框结上，如图5所示。
本例门框结构包括两个平行的立柱8和与立柱8垂直的横梁9，横梁9与立柱8通过螺母80连接，可以非常方便的根据剪切盒高度调节横梁9的高度，适应不同厚度和层数的多层结构的层间界面剪切力学参数测试。
为了降低摩擦力本例下盒13底面置于滚筒构成滑动装置5上，如图4所示。
本实用新型的剪切盒1是多层结构的剪切盒，为了方便连接和固定各层剪切盒，本例上盒11、中盒12和下盒13两侧都设置有螺栓孔及其匹配的螺栓构成的连接装置，可以方便的将上盒或下盒与中盒连接固定在一起，对不同层间界面进行剪切实验。采用两列螺栓孔101排列构成的连接装置，可以提高固定的牢固强度，保证实验的顺利进行，如图7所示。
由图4和图5可见，本例剪切盒中装载了三种不同的试验样品，用于模拟板式无砟轨道结构。
实验时过程中如下：
首先，在下盒13中装填底座板材料，在中盒12中装填ca砂浆材料，在上盒11中装填轨道板材料，安装实际无砟轨道施工要求进行操作；
2、待各层材料固化后，用螺栓将上盒11和中盒12固定在一起，并将剪切盒1置于垂直加载装置正下方，使垂直加载顶杆20与传力板110的中心位置对正，如图5所示；
3、调节固定装置6的高度，使其对准上盒和中盒进行固定，如图4所示；
4、调节水平加载装置3使水平加载顶杆与下盒13对齐，如图4所示；
5、转动垂直加载装置2的手柄，通过垂直加载顶杆20对试验样品10施加一定的垂直压力；
6、转动水平加载装置3的手柄，通过水平加载顶杆30对下盒13施加一定的水平作用力；
7、测量装置4读取下盒13位移距离以及垂直压力和水平作用力的大小，通过计算得到无砟轨道底座板与ca砂浆层界面的剪切力学参数。
实施例2
图8示出了一种测量无砟轨道ca砂浆层轨道板界面剪切力学参数的分层实验直剪仪，本例分层实验直剪仪剪切盒1的结构与实施例1剪切盒的结构完全相同。
本例与实施例1不同的是连接装置将中盒12和下盒13连接固定在一起，固定装置与上盒11对齐并固定，水平加载装置3同时对中盒和下盒进行推进，剪切应力发生在上盒11与中盒对接的界面，如图8所示。
本例分层实验直剪仪其他机构参见实施例1的描述。
实施例3
参见图9，这是一种具有四层结构剪切盒的分层实验直剪仪。
本例剪切盒1的中盒有2层，分为第一层中盒121和第二层中盒122。上盒11下表面与第一层中盒121上表面对接；第一层中盒121下表面与第二层中盒122上表面对接；第二层中盒122下表面与下盒13上表面对接；下盒13下表面为盒底与滑动装置5连接。如图9所示。
本例剪切盒1可以测量4层结构路基各个层间界面的剪切应力，图9示出了测量下盒13与第二层中盒122之间界面的剪切应力时的状态。这种状态下，连接装置螺栓102通过螺栓孔101将上盒11与第一层中盒121和第二层中盒122连接固定在一起，并通过固定装置6进行固定。水平加载装置3仅对下盒13进行加载。
可以看出，通过连接装置的配置，结合固定装置6和水平加载装置3的位置调整，可以实现各个界面剪切应力的测量。
如使用连接装置连接上盒11与第一层中盒121并与固定装置6连接固定，然后使用连接装置连接下盒12与第二层中盒122，水平加载装置对连接在一起的下盒13和第二层中盒122进行水平加载，就可以测量第一层中盒121与第二层中盒122之间界面的剪切应力。
将下盒13与第一层中盒121和第二层中盒122通过连接装置连接固定，用水平加载装置3进行同时加载，并用固定装置6对上盒11进行固定，就可以测量上盒11与第一层中盒121之间界面的剪切应力。
本例其他结构请参见实施例1的描述。
本实用新型的分层实验直剪仪剪切盒通常采用钢板进行切割焊接而成。采用标准化结构，上盒、下盒以及各层中盒都具有相同结构和尺寸。根据不同的路基结构，在各层中装填不同的材料，做成试验模型。试验时各层模型可以互换，以适应不同层间界面的剪切应力测量，能够进一步简化测量工艺并有利于降低制造成本和试验成本。
本实用新型的分层实验直剪仪固定装置和水平加载装置高度可以调整，垂直加载装置与上盒的距离也可以调整，可以非常方便地进行各种分层结构路基界面应力测量，特别适合板式无砟轨道界面力学性能的研究和试验，具有非常强烈的时代感和现实意义。