一种直剪试验的剪切加载方法及双向推动的定向剪切仪

本发明属于室内土工试验，涉及一种直剪试验的剪切加载方法及双向推动的定向剪切仪。

背景技术：

1、土体通常是由于受剪切而产生破坏的，剪切破坏是土体破坏的重要特征。当土体在外荷载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，若某点的剪应力达到抗剪强度时，将发生沿着剪切应力方向的相对滑动，引起该点的剪切破坏；随着荷载继续增加，最终发生整体剪切破坏而丧失稳定。土质边坡、地基、挡土墙等均与土体的抗剪强度密切相关。

2、砂土是散粒体结构材料，砂土颗粒的性质、形状、大小等细观力学性质控制着土体应力应变的非线性关系。砂土的力学性质受控于其内部的微细结构，力学行为所表现出的不确定性、不规则性和模糊性是其微细结构的具体反映。

3、在大量的直剪试验研究中，有学者发现边界条件通常会对直剪试验产生一些影响。tejchman,j.和bauer,e.比较了直剪仪和单剪仪两种边界状态对颗粒材料的剪切带形成的差异性。shang,j.等研究了在恒定法向载荷和恒定法向刚度两种边界条件下直剪试验中岩石不连续破坏机理。bahaaddini,m.研究得到剪切盒的上、下盒之间的间隙的尺寸对直剪试验结果有显著影响。kostkanová,v.和herle,i.研究得到在剪切过程中，剪切盒上部刚性部分受到横向约束，仅在竖向移动时，在剪切过程中需要根据土体的性质对荷载及时调整。seyyedan,seyyed mahdi等发现剪切盒的上盒移动时，只有剪切盒上方的三分之一的颗粒水平移动与侧墙的位移同步，体现了边界与颗粒之间的运动关系。

4、直剪试验中关于剪切盒的上、下盒移动剪切的加载方式较为单一，很少考虑运动边界对试验结果的影响，特别是边界如何控制的问题。例如，土工标准中的直剪仪，下剪切盒动，上剪切盒固定，只有一个方向的剪切，采用的是通过砝码加载荷载，不支持双向剪切，加载方式单一，不能满足试验要求。另外，剪切盒的尺寸较小且完全封闭，无法观测到试验内部的变形情况，不能观测剪切破坏的微观力学行为和试验内部的变形情况。

5、目前，对上、下盒在不同加载方式下错动，颗粒材料剪切强度变化的系统性研究还较少见，尤其是对定向运动的剪切加载方式的研究还存在较大空缺，并且由于室内试验仪器的限制很难有针对性地对上、下盒相互错动的加载方式进行比较，并揭示其对颗粒材料剪切特性的差异。

6、因此，有必要研发一种新的剪切加载方法和加载装置，以研究边界状态对剪切试验参数的影响。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直剪试验的剪切加载方法及双向推动的定向剪切仪，以实现通过定向剪切研究边界状态对剪切试验参数的影响。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种直剪试验的剪切加载方法，竖直方向上对试样施加一定的垂直载荷，水平方向上在试样的两侧分别对上盒和下盒施加上盒水平载荷和下盒水平载荷，上盒水平载荷和下盒水平载荷的加载方向相同或相反，以研究边界状态对剪切试验参数的影响。

4、可选地，通过力控制或者位移控制来控制垂直载荷、上盒水平载荷、下盒水平载荷的加载。

5、一种双向推动的定向剪切仪，包括剪切盒，剪切盒包括呈上下叠置的上盒和下盒，上盒顶部设有竖向加载装置以对试样施加垂直载荷，下盒置于平台上，下盒连接有下盒水平加载装置，上盒连接有上盒水平加载装置，上盒水平加载装置和下盒水平加载装置对试样施加水平载荷且加载方向相同或相反；还包括与竖向加载装置、上盒水平加载装置、下盒水平加载装置相连的数显控制器。

6、可选地，所述下盒水平加载装置包括下盒作动器，下盒作动器连接有下盒作动器支架，下盒作动器支架安装在平台上；下盒作动器连接有下盒力和位移传感器以检测下盒作动器对下盒的作用力和/或位移。

7、可选地，还包括下盒水平传力架，下盒水平传力架置于平台上，下盒水平传力架设有凹槽，下盒位于凹槽内，下盒力和位移传感器与下盒水平传力架作用；下盒水平传力架底部设有多个限位槽，限位槽内设有凸出下盒的滚珠。

8、可选地，所述上盒水平加载装置包括上盒作动器，上盒作动器连接有上盒作动器支架，上盒作动器支架安装在平台上；下盒作动器连接有上盒力和位移传感器以检测上盒作动器对上盒的作用力和/或位移。

9、可选地，所述上盒力和位移传感器与上盒之间设有上盒水平传力架，上盒水平传力架固定在上盒上，上盒力和位移传感器与上盒水平传力架作用。

10、可选地，所述竖向加载装置包括顶部作动器，顶部作动器连接有反力架，反力架安装在平台上；顶部作动器连接有顶部力和位移传感器以检测顶部作动器对位于试样上侧的加载盖的作用力和/或位移。

11、可选地，所述反力架包括安装在平台上的支架，支架对应顶部作动器的位置设有与水平载荷加载方向平行的导轨，导轨上设有与其匹配的滑块，顶部作动器安装在滑块上。

12、可选地，所述剪切盒与水平载荷平行的两个侧面中的至少一个侧面设有可视化窗口，对应可视化窗口的位置设有朝向可视化窗口的视觉监控装置，以观察位于剪切盒内试样的剪切破坏形态，以及颗粒的运动状态。

13、本发明的有益效果在于：

14、(1)本发明的双向推动的定向剪切仪实现了双向推动，能够满足水平载荷的相向和反向加载，可以实现双向对比实验，满足了验证边界状态对剪切试验参数影响的实验要求。

15、(2)本发明的双向推动的定向剪切仪具有三个作动器，三个作动器均可以实现力和位移的控制，力和位移的控制可以根据需要进行切换，可进行常应力加载和常位移加载的实验。

16、(3)本发明的双向推动的定向剪切仪实现了可视化的观测，可以看到内部颗粒的运动剪切状态，便于考察砂土的变形与破坏特性，揭示砂土的力学性质与变形机理。

17、(4)本发明针对上、下盒错动状态，制定了定向的加载方式，提出了通过控制运动边界模拟剪切盒运动对散体颗粒材料的剪切试验，进而可通过该实验得到加载方式之间峰值剪切应力的大小以及剪切强度的换算公式。

18、(4)本发明有助于发展直剪试验中颗粒材料剪切力学理论，同时可为其他类似的剪切仪器设备的研发提供科学的依据。

19、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种直剪试验的剪切加载方法，其特征在于：竖直方向上对试样施加一定的垂直载荷，水平方向上在试样的两侧分别对上盒和下盒施加上盒水平载荷和下盒水平载荷，上盒水平载荷和下盒水平载荷的加载方向相同或相反，以研究边界状态对剪切试验参数的影响。

2.根据权利要求1所述的一种直剪试验的剪切加载方法，其特征在于：通过力控制或者位移控制来控制垂直载荷、上盒水平载荷、下盒水平载荷的加载。

3.一种双向推动的定向剪切仪，包括剪切盒，剪切盒包括呈上下叠置的上盒和下盒，上盒顶部设有竖向加载装置以对试样施加垂直载荷，其特征在于：下盒置于平台上，下盒连接有下盒水平加载装置，上盒连接有上盒水平加载装置，上盒水平加载装置和下盒水平加载装置对试样施加水平载荷且加载方向相同或相反；还包括与竖向加载装置、上盒水平加载装置、下盒水平加载装置相连的数显控制器。

4.根据权利要求3所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述下盒水平加载装置包括下盒作动器，下盒作动器连接有下盒作动器支架，下盒作动器支架安装在平台上；下盒作动器连接有下盒力和位移传感器以检测下盒作动器对下盒的作用力和/或位移。

5.根据权利要求4所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：还包括下盒水平传力架，下盒水平传力架置于平台上，下盒水平传力架设有凹槽，下盒位于凹槽内，下盒力和位移传感器与下盒水平传力架作用；下盒水平传力架底部设有多个限位槽，限位槽内设有凸出下盒的滚珠。

6.根据权利要求3所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述上盒水平加载装置包括上盒作动器，上盒作动器连接有上盒作动器支架，上盒作动器支架安装在平台上；下盒作动器连接有上盒力和位移传感器以检测上盒作动器对上盒的作用力和/或位移。

7.根据权利要求6所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述上盒力和位移传感器与上盒之间设有上盒水平传力架，上盒水平传力架固定在上盒上，上盒力和位移传感器与上盒水平传力架作用。

8.根据权利要求3所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述竖向加载装置包括顶部作动器，顶部作动器连接有反力架，反力架安装在平台上；顶部作动器连接有顶部力和位移传感器以检测顶部作动器对位于试样上侧的加载盖的作用力和/或位移。

9.根据权利要求8所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述反力架包括安装在平台上的支架，支架对应顶部作动器的位置设有与水平载荷加载方向平行的导轨，导轨上设有与其匹配的滑块，顶部作动器安装在滑块上。

10.根据权利要求3所述的一种双向推动的定向剪切仪，其特征在于：所述剪切盒与水平载荷平行的两个侧面中的至少一个侧面设有可视化窗口，对应可视化窗口的位置设有朝向可视化窗口的视觉监控装置，以观察位于剪切盒内试样的剪切破坏形态，以及颗粒的运动状态。

技术总结
本发明涉及一种直剪试验的剪切加载方法及双向推动的定向剪切仪，属于室内土工试验技术领域，包括在竖直方向上对试样施加一定的垂直载荷，水平方向上在试样的两侧分别对上盒和下盒施加上盒水平载荷和下盒水平载荷，上盒水平载荷和下盒水平载荷的加载方向相同或相反，以研究边界状态对剪切试验剪切参数的影响，且可通过力控制或者位移控制来控制载荷的加载，以实现常应力加载和常位移加载，实现了通过定向剪切研究边界状态对剪切试验参数的影响。

技术研发人员：董彤,王玉豪,董宏晓,魏丽娟,房雨雨,张天宇,杨辉,陈晓
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13