一种可视化的多功能环剪仪及试验方法技术

本发明专利技术公开了一种可视化的多功能环剪仪及试验方法，包括可视化的多功能环剪仪，其包括箱体，箱体的上端设置有平台，平台的上方设置有剪切盒，外剪切筒与上剪切筒、下剪切筒之间的空间形成剪切室，剪切室内填充土样层形成空心圆柱形的土样；土样的上端通过外筒固定盖封装，且外筒固定盖设置在上剪切筒与外剪切筒之间；底板的外侧表面设置有一圈角度角度刻度线，为试验中高速摄影机记录的图像进行后续处理提供参考。试验方法包括步骤S1

【技术实现步骤摘要】
一种可视化的多功能环剪仪及试验方法


[0001]本专利技术涉及土体工程试验
，具体涉及一种可视化的多功能环剪仪及试验方法。

技术介绍

[0002]在降雨和地震作用下，滑坡灾害十分常见，其中高速远程滑坡因为滑坡距离远，速度快，影响范围大，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。高速远程滑坡产生的原因和滑带上土体在连续的大剪切变形下的剪切强度地显著降低相关，这种现象也称为强度的衰减现象。剪切面上土体的强度衰减产生的原因较为复杂，颗粒破碎导致的土体产生的压缩势引起孔隙水压力升高和摩擦生热导致的土体内的孔隙水温度升高或汽化是几种常见的原因。这些变化，需要能够有一种手段能够可视化观测到土体剪切面的变化过程。
[0003]环剪仪可以测量土体在连续大剪切变形过程中的变形和应力变化，对分析边坡稳定性、地质灾害产生的力学机理具有重要的理论意义，在相关研究中得到了广泛的应用。但是受限于试验手段，难以可视化观测土体内部的情况变化。现有技术中开展了可视化的环剪设备研究，可以观测土样内部的变化。但是，现有技术的环剪仪也无法实现土体内温控的功能、无法实现完全的观测功能。因此对于摩擦产生温度升高、剪切带内水发生汽化的情况，也无从观测。剪切试验中无法定性、定量的对环剪切条件下的土样稳定性进行研究，同时无法对土体内部温度、湿度可控的土工环剪仪。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种可以实现可视化观测土样剪切面的变化，土样内的温度、湿度及孔压的控制的多功能环剪仪及试验方法。
[0005]为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]提供一种可视化的多功能环剪仪，其包括箱体，箱体的上端设置有平台，平台的上方设置有剪切盒，剪切盒包括圆形的底板，底板的上方一体成型设置有金属材质的下剪切筒，下剪切筒设置在底板的中间，且下剪切筒外径小于底板半径；
[0007]下剪切筒的上端设置有空心上剪切筒，上剪切筒为金属材质，上剪切筒的下端与下剪切筒的上端之间通过第一防水剪切环连接；
[0008]底板的上方外沿处设置有透明材质的外剪切筒，外剪切筒套在上剪切筒和下剪切筒外，且外剪切筒与上剪切筒、下剪切筒之间的空间形成剪切室，剪切室内填充土样层形成空心圆柱形的土样；土样的上端通过外筒固定盖封装，且外筒固定盖设置在上剪切筒与外剪切筒之间；
[0009]上剪切筒的上端设置有内筒固定盖，上剪切筒和下剪切筒内设置有红外加热器；底板的下端与旋转驱动装置连接，旋转驱动装置设置在升降装置上；外剪切筒与底板的上端之间设置有第二防水剪切环；底板的外侧表面设置有一圈角度刻度线。
[0010]进一步地，升降装置和旋转驱动装置均设置在箱体内，升降装置包括伺服液压缸，
伺服液压缸的上端设置有加压平台，旋转驱动装置为伺服电机，伺服电机安装在加压平台上；伺服电机的转轴与驱动轴连接，驱动轴穿过箱体的上端与底板连接。
[0011]进一步地，红外加热器竖直设置，红外加热器的上端设置有对中杆，对中杆穿过内筒固定盖与支架连接，且对中杆与内筒固定盖之间设置有滑环。
[0012]进一步地，剪切室的上端设置有湿度测量传感器、温度测量传感器和孔隙水压力传感器。
[0013]进一步地，上剪切筒和下剪切筒之间设置有伸入土样中部的进水进气管，剪切室的上端设置有排水排气管，进水进气管和进水进气管均与控制装置连接。
[0014]进一步地，支架包括固定在平台上端的立柱，立柱的上端设置有横梁，外筒固定盖的上端通过顶盖伸缩杆固定在横梁上。
[0015]进一步地，立柱上设置有照明灯和拍摄外剪切筒的高速摄影机。
[0016]进一步地，上剪切筒和下剪切筒的外壁、底板的上表面均铺设有砂纸。
[0017]进一步地，底板的底部开设有排气孔和排水孔，排气孔和排水孔上分别设置有排气阀门和排水阀门。
[0018]提供一种利用上述多功能环剪仪对土样进行环剪试验的方法，其包括以下步骤：
[0019]S1：向安装好的外剪切筒、上剪切筒和下剪切筒之间填充干燥的试验土样，土样重量为G，填充好之后进行压实，形成空心圆柱形的土样，并在土样内设置一条竖向观测带，竖向观测带为与试验土样不同颜色的土样条带，盖上外筒固定盖和内筒固定盖，并调整顶盖伸缩杆的伸缩长度相等；
[0020]S2：打开进水进气管和排水排气管，利用进水进气管向土样内注水，直到排水排气管内有水排出后，土样达到饱和，关闭进水进气管，计算土样中水的重量W：
[0021]W＝γ
w
π(R2‑
r2)h0‑
γ
w
G/γ
s
[0022]其中，R为外剪切筒的内径，r为下剪切筒和上剪切筒的外径，h0为土样初始高度，γ
w
为水的重度，γ
s
为土粒重度；
[0023]S3：利用伺服液压缸向下剪切筒缓慢施加垂直向上的压力，且匀速增加，直到土样达到设定的负荷F；
[0024]S4：测量步骤S3过程中负荷的变化，下剪切筒发生向上的竖向位移Δh，同时，收集步骤S3过程中排水排气管排出的水，测量排除的水的重量ΔW，计算土样的竖向应力σ、竖向应变ε和含水量w，并绘制竖向应力σ和竖向应变ε间的关系曲线：
[0025][0026][0027][0028]S5：关闭排水排气管，并保持伺服液压缸的负荷不变，打开高速摄像机拍摄土样图像；
[0029]S6：驱动伺服电机以设定的角速度旋转，伺服电机的旋转角速度从0至θ匀速增加，在t1时刻达到角速度θ后保持，直至达到伺服电机旋转的设定时间t2后停止；
[0030]S7：测量步骤S6中伺服电机的扭矩值T，土样中的孔隙水压力u，计算作用在土样上的平均剪切应力τ、竖向有效应力σ
′
和平均剪切位移s，并绘制平均剪应τ随平均剪切位移s的曲线，根据试验曲线找到最大平均剪应力τ
max
和设定时间停止时的平均剪应力τ
u
：
[0031][0032]σ
′
＝σ
‑
u
[0033][0034]S8：根据高速摄影机获取t2时刻的图像，且图像以第一剪切防水环中心处作为参考水平面，使参考面处于竖向观测带中线位置，获取图像中竖向观测带发生扭转位置对应的角度值a1、a2、a3和a4，计算发生扭转的水平变形s1和s2：
[0035][0036][0037]当s2/s1＝0.8时，对应的竖向观测带的竖向段长度d为剪切带厚度；
[0038]S9：利用步骤S8获取的图像，分析不同扭转位移时土样内部土颗粒的迁移变化和破碎情况。
[0039]进一步地，还包括：
[0040]S10：步骤S1结束后，在步骤S2中利用进水进气管向土样内注水，直到湿度测量传感器检测达到指定湿度值后停止注水，关闭进水进气管，此时土样中的含水量由湿度测量传感器的测定值计算确定，湿度测量传感器测量土体的体积含水率为θ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可视化的多功能环剪仪，其特征在于，包括箱体，所述箱体的上端设置有平台，所述平台的上方设置有剪切盒，所述剪切盒包括圆形底板，所述底板的上方一体成型设置有金属材质的下剪切筒，所述下剪切筒设置在底板的中间，且下剪切筒外径小于底板半径；所述下剪切筒的上端设置有空心上剪切筒，所述上剪切筒为金属材质，所述上剪切筒的下端与下剪切筒的上端之间通过第一防水剪切环连接；所述底板的上方外沿处设置有透明材质的外剪切筒，所述外剪切筒套在上剪切筒和下剪切筒外，且外剪切筒与上剪切筒、下剪切筒之间的空间形成剪切室，所述剪切室内填充土样层形成空心圆柱形的土样；所述土样的上端通过外筒固定盖封装，且外筒固定盖设置在上剪切筒与外剪切筒之间；所述上剪切筒的上端设置有内筒固定盖，所述上剪切筒和下剪切筒内设置有红外加热器；所述底板的下端与旋转驱动装置连接，所述旋转驱动装置设置在升降装置上；所述外剪切筒与底板的上端之间设置有第二防水剪切环；所述底板的外侧表面设置有一圈角度角度刻度线。2.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述升降装置和旋转驱动装置均设置在箱体内，所述升降装置包括伺服液压缸，所述伺服液压缸的上端设置有加压平台，所述旋转驱动装置为伺服电机，所述伺服电机安装在加压平台上；所述伺服电机的转轴与驱动轴连接，所述驱动轴穿过箱体的上端与底板连接。3.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述红外加热器竖直设置，所述红外加热器的上端设置有对中杆，所述对中杆穿过内筒固定盖与支架连接，且对中杆与内筒固定盖之间设置有滑环。4.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述剪切室的上端设置有湿度测量传感器、温度测量传感器和孔隙水压力传感器。5.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述上剪切筒和下剪切筒之间设置有伸入土样中部的进水进气管，所述剪切室的上端设置有排水排气管，所述进水进气管和进水进气管均与控制装置连接。6.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述支架包括固定在平台上端的立柱，所述立柱的上端设置有横梁，所述外筒固定盖的上端通过顶盖伸缩杆固定在横梁上；所述立柱上设置有照明灯和拍摄外剪切筒的高速摄影机。7.根据权利要求1所述的可视化的多功能环剪仪，其特征在于，所述上剪切筒和下剪切筒的外壁、底板的上表面均铺设有砂纸；所述底板的底部开设有排气孔和排水孔，所述排气孔和排水孔上分别设置有排气阀门和排水阀门。8.一种利用权利要求1
‑
7任一项所述的可视化的多功能环剪仪对土样进行环剪试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：向安装好的外剪切筒、上剪切筒和下剪切筒之间填充干燥的试验土样，土样重量为G，填充好之后进行压实，形成空心圆柱形的土样，并在土样内设置一条竖向观测带，竖向观测带为与试验土样不同颜色的土样条带，盖上外筒固定盖和内筒固定盖，并调整顶盖伸缩杆的长度相等；S2：打开进水进气管和排水排气管，利用进水进气管向土样内注水，直到排水排气管内有水排出后，土样达到饱和，关闭进水进气管，计算土样中水的重量W：
W＝γ
w
π(R2‑
r2)h0‑
γ
w
G/γ
s
其中，R为外剪切筒的内径，r为下剪切筒和上剪切筒的外径，h0为土样初始高度，γ
w<...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏星，程世涛，贾飞扬，张鹏，周宣辰，杨启隆，陈逸飞，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：