(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210963397.9 (22)申请日 2022.08.11 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610031 四川省成 都市二环路北一段 (72)发明人 魏星　程世涛　贾飞扬　张鹏　 周宣辰　杨启隆　陈逸飞　 (74)专利代理 机构 北京正华智诚专利代理事务 所(普通合伙) 11870 专利代理师 刘方正 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种可视化的多功能环剪 仪及试验方法 (57)摘要 本发明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 ‑S13。 本方案 可对环形土样进行环剪试验， 通过向环形土样施 加轴向的压力和环向的扭矩， 实现对不同工况下 的土体大剪切变形破坏现象的研究。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 115266410 A 2022.11.01 CN 115266410 A 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：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115266410 A 2W＝γwπ(R2‑r2)h0‑γwG/γs 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， γw为 水的重度， γs为土粒重度； 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； 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： 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； 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； S7： 测量步骤S6中伺服电机的的扭矩值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 τmax和设定时间停止时的平均剪应力 τu： σ′＝σ‑u 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： 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；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115266410 A 3