本發(fā)明涉及一種全自動殘余直剪剪切儀，尤其涉及一種土工試驗中能夠測試土體的抗剪強度、摩擦角、粘聚力、殘余強度、殘余內(nèi)摩擦角和殘余粘聚力等物理力學(xué)參數(shù)的試驗設(shè)備。

背景技術(shù)：

在巖土工程中，土體及其合成材料的抗剪強度可通過三軸試驗系統(tǒng)和直剪試驗系統(tǒng)進(jìn)行測試得到，通常采用的直剪測試系統(tǒng)主要為殘余直剪剪切儀，殘余直剪剪切儀主要包括三種形式，即傳統(tǒng)的手動或者半自動杠桿式直剪剪切儀、手動氣壓閥半自動式直剪剪切儀和全自動形式的直剪剪切儀。

通常傳統(tǒng)的杠桿式的手動或者半自動形式的直剪剪切儀由于砝碼重量、杠桿比以及結(jié)構(gòu)形式等的影響，在直剪試驗中，軸向加載壓力將受到限制，可控壓力范圍有限，且容易產(chǎn)生杠桿比和杠桿中心偏差，影響試驗的精確度等等；相比杠桿式直剪剪切儀，手動氣壓閥半自動式直剪剪切儀將受到手動氣壓閥和壓力表的影響，在剪切試驗過程中，隨著試樣的壓縮變形，氣缸活塞將發(fā)生移動，施加在試樣上的壓力值將呈現(xiàn)下降的趨勢，手動氣壓閥難以維持目標(biāo)壓力值，影響壓力控制的穩(wěn)定性，且采用壓力表實現(xiàn)對壓力的控制和讀取，測量精度低，且易破損，維護(hù)成本高；而現(xiàn)有的全自動形式的直剪剪切儀在設(shè)計中多考慮試驗功能的實現(xiàn)上，而忽略了儀器加工精度、工人裝配誤差以及試驗操作中人為因素的影響，這將大大降低了試驗的效率以及試驗精確度。

經(jīng)過專利文獻(xiàn)檢索，現(xiàn)有技術(shù)在試驗加載方式和試驗自動化方面對直剪剪切儀做了一些有益的探索和改進(jìn)，例如：一種全自動應(yīng)變控制式直剪測試儀器及其用途(中國專利201210064583.5)，改進(jìn)了儀器的控制方式，實現(xiàn)了直剪試驗的全過程自動化控制，但是該測試儀器為開環(huán)式控制系統(tǒng)，不能對儀器控制進(jìn)行自動修正、調(diào)整，不能有效地避免加工誤差和裝配差別等不可抗因素的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是：提供一種全自動殘余直剪剪切儀，通過水平位移傳感器測量水平剪切量，可有效地避免部件加工、裝配等不可抗因素造成的部件配合誤差，提高試驗控制、測量的精度，并通過對儀器部件的改造，提高試驗操作的便易性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而可大大的提高試驗效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種全自動殘余直剪剪切儀，它包括直剪剪切儀和計算機，所述的直剪剪切儀通過航空插頭分別與豎向荷重傳感器、豎向位移傳感器、水平荷重傳感器和水平位移傳感器相連接，所述的計算機通過通訊協(xié)議與直剪剪切儀相連接，通過計算機或者控制面板向直剪剪切儀發(fā)送命令，并將豎向荷重傳感器和水平位移傳感器反饋得到的豎向荷重F₁和水平剪切量s₂與目標(biāo)值相對比，進(jìn)行伺服閉環(huán)控制。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的直剪剪切儀包括垂直伺服加載系統(tǒng)和水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)，所述的垂直伺服加載系統(tǒng)包括上部加載橫梁，下部加載橫梁，連接在上部加載橫梁和下部加載橫梁之間的拉桿，安裝在上部加載橫梁上的豎向荷重傳感器，和安裝在下部加載橫梁上的氣動加載裝置或者電機加載裝置；所述的豎向荷重傳感器通過第一加載接頭固定在上部加載橫梁的中間位置，所述的豎向荷重傳感器通過安裝在底部的子彈型傳力接頭與承壓蓋頂部的凹槽相接觸；

所述的氣動加載裝置或者電機加載裝置的下部通過第二加載接頭連接在下部加載橫梁的中間位置，所述的氣動加載裝置或者電機加載裝置的上部固定在固定擋板的中心位置；

所述的上部加載橫梁一端設(shè)有U型開口，開設(shè)有U型開口便于以上部加載橫梁的固定端為中心，旋轉(zhuǎn)上部加載橫梁，方便試樣的安裝與拆卸，并保證在試驗操作過程中上部加載橫梁的水平度；

所述的水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)包括蝸輪蝸桿減速機、與蝸輪蝸桿減速機相連的電機、弓字型受力結(jié)構(gòu)、水平荷重傳感器和調(diào)節(jié)旋桿。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的拉桿穿過直線軸承固定于控制盒的頂部，在軸向加載過程中，通過直線軸承保證拉桿的垂直度和光滑度，提高試驗控制和測量的精確度。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的氣動加載裝置通過活塞將氣缸劃分為兩個密封區(qū)域，即下部密封區(qū)域E₁和上部密封區(qū)域E₂，通過向下部密封區(qū)域E₁或上部密封區(qū)域E₂施加氣壓力，依次帶動下部加載橫梁、拉桿和上部加載橫梁進(jìn)行向上或者向下移動，實現(xiàn)對試樣的豎向卸荷和豎向加壓操作。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的電機加載裝置包括豎向電機和豎向蝸輪蝸桿減速機，所述的豎向電機安裝在豎向蝸輪蝸桿減速機上，所述的豎向蝸輪蝸桿減速機的頂部和底部分別固定在固定擋板和下部加載橫梁上，通過豎向電機運行帶動豎向蝸輪蝸桿減速機進(jìn)行上下移動，并依次帶動下部加載橫梁、拉桿和上部加載橫梁進(jìn)行向上或者向下移動，實現(xiàn)對試樣的豎向卸荷和豎向加壓操作。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，蝸輪蝸桿減速機的一端與電機相連接、蝸輪蝸桿減速機的另一端與連接桿的一端固定連接，連接桿的另一端通過固定螺母與剪切容器上的剪切推板相固定連接；

所述的弓字型受力結(jié)構(gòu)的兩端分別固定在上剪切盒的側(cè)壁和水平荷重傳感器上，所述的水平荷重傳感器的另一端固定有調(diào)節(jié)旋桿，所述的調(diào)節(jié)旋桿通過底座固定在控制盒的頂面，可通過調(diào)節(jié)旋桿調(diào)整水平荷重傳感器的水平度，使水平荷重傳感器和連接桿處于同一軸線上。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，直剪剪切儀的控制盒的頂面安裝有軌道，所述的軌道的中心位置與上部加載橫梁、下部加載橫梁的中心位置處于同一豎向軸線上；

所述的軌道凹槽內(nèi)放置有鋼珠，并與剪切容器底部的軌道相對應(yīng)，下剪切盒固定于剪切容器的中心位置，上剪切盒通過定位銷釘固定于下剪切盒上，并與下剪切盒保持豎向一致；

在水平剪切方向上，所述的下剪切盒兩側(cè)壁上分別通過固定螺絲固定有上剪切盒導(dǎo)向片，上剪切盒導(dǎo)向片帶有牛眼；

在水平剪切方向上，所述的下剪切盒的上表面分別安裝有兩排牛眼，并與上剪切盒下表面的滑槽相對應(yīng)。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的上剪切盒和下剪切盒可選擇為方形試樣上剪切盒和方形試樣下剪切盒，用于進(jìn)行方形試樣的剪切固結(jié)試驗，所述的方形試樣下剪切盒的底部設(shè)置有環(huán)形排水通道，所述的環(huán)形排水通道與剪切容器底部的排水通道相契合形成一個排水通路。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的下剪切盒可更換為非飽和土下剪切盒，所述的非飽和土下剪切盒的底部安裝有陶土板，并通過陶土板壓片進(jìn)行固定；

所述的非飽和土下剪切盒位于剪切容器和上剪切盒之間，上剪切盒、非飽和土下剪切盒、剪切容器、軌道和固定座、水平位移傳感器位于封閉腔的內(nèi)部，所述的傳力接頭通過豎向直線軸承穿過封閉腔頂部中心與承壓蓋頂部凹槽相接觸，所述的連接桿通過第一水平直線軸承穿過封閉腔側(cè)壁與剪切容器相連接，所述的弓字型受力結(jié)構(gòu)通過第二水平直線軸承穿過封閉腔側(cè)壁與上剪切盒相連接；

所述的封閉腔固定于控制盒頂面的中心位置。

作為優(yōu)選方案，以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的豎向位移傳感器通過傳感器固定桿和傳感器夾具固定于控制盒的頂面，豎向位移傳感器的探頭位于第一加載接頭上，測量豎向荷重作用下試樣的豎向變形量s₁；

所述的水平位移傳感器通過固定座固定于控制盒的頂面，水平位移傳感器的探頭與剪切容器的側(cè)壁相接觸，測量剪切過程中試樣的實時水平剪切量s₂。

本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀的工作方法為：

將工作運行指令，包括豎向加載、水平剪切速率、剪切量通過計算機或者控制面板按鍵發(fā)送給嵌入式微機控制系統(tǒng)(MCU系統(tǒng))，嵌入式微機控制系統(tǒng)將命令分配給垂直伺服加載系統(tǒng)和水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)：

垂直伺服加載系統(tǒng)：嵌入式微機控制系統(tǒng)向垂直電機/氣壓閥驅(qū)動裝置發(fā)送目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t加載命令，垂直電機/氣壓閥驅(qū)動裝置驅(qū)動豎向電機/電氣控制閥進(jìn)行工作，隨之豎向蝸輪蝸桿減速機進(jìn)行旋轉(zhuǎn)/活塞移動，通過第二加載接頭推動下部加載橫梁使拉桿整體向下移動，第一加載接頭隨同上部加載橫梁向下移動，對試樣施加軸向應(yīng)力σ，并通過豎向荷重傳感器測量實時豎向荷重F₁，換算得到實時軸向應(yīng)力σ₁，并將其反饋給嵌入式微機控制系統(tǒng)，嵌入式微機控制系統(tǒng)將對實時軸向應(yīng)力σ₁和目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t進(jìn)行對比分析，使實時軸向應(yīng)力σ₁不斷向目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t靠近，最終穩(wěn)定于目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t，同時，通過豎向位移傳感器測量試樣的豎向變形量s₁，并將其豎向變形量s₁反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的豎向變形量s₁發(fā)送給計算機；

水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)：嵌入式微機控制系統(tǒng)(MCU系統(tǒng))向水平電機驅(qū)動裝置發(fā)送目標(biāo)水平剪切速率v_t和目標(biāo)剪切量s_t命令，水平電機驅(qū)動裝置驅(qū)動電機進(jìn)行工作，隨之蝸輪蝸桿減速機進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過連接桿推動剪切容器進(jìn)行水平移動，水平位移傳感器測得試驗過程中的實時水平剪切量s₂，實時水平剪切量s₂反饋進(jìn)入嵌入式微機控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的試驗時間t和實時水平剪切量s₂計算得到實時水平剪切速率v₁，并與目標(biāo)水平剪切速率v_t進(jìn)行對比分析，當(dāng)實時水平剪切速率v₁與目標(biāo)水平剪切速率v_t發(fā)生偏離時，系統(tǒng)內(nèi)部將自動對試驗的水平剪切速率v進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)實時水平剪切量s₂達(dá)到目標(biāo)剪切量s_t時，自動停止試驗，同時，試驗過程中水平荷重傳感器將測得的水平剪切力F_h反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的水平剪切力F_h發(fā)送給上位機計算機。

本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀的操作方法，包括以下步驟：

步驟一：制作試樣，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50123-1999和試驗方案制作相應(yīng)的試樣1-40；

步驟二：安裝試樣，利用定位銷釘1-33將上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的內(nèi)部依次放入透水石1-41和濾紙，并將裝有試樣1-40的環(huán)刀平口向下，試樣1-40上部依次放置濾紙、透水石1-41和承壓蓋1-39，然后將試樣1-40平穩(wěn)推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的內(nèi)部，移去環(huán)刀，旋轉(zhuǎn)上部加載橫梁1-8使傳力接頭1-20與承壓蓋1-39頂部的凹槽相接觸，并旋轉(zhuǎn)上部固定螺母1-23，使上部加載橫梁1-8固定于拉桿1-9；

步驟三：進(jìn)行試驗，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34內(nèi)部的定位銷釘1-33，通過控制面板1-14按鍵對試樣1-40施加3～5kPa的預(yù)壓，并在計算機2上設(shè)置試驗所需的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t、目標(biāo)水平剪切速率v_t和目標(biāo)剪切量s_t參數(shù)，計算機2將自動對儀器進(jìn)行控制和采集；

步驟四：完成試驗，拆除試樣1-40，清理儀器。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的直剪剪切儀可根據(jù)實際需要，替換為四聯(lián)直剪剪切儀或者四聯(lián)非飽和土直剪儀，所述的四聯(lián)直剪剪切儀包括第一直剪剪切儀、第二直剪剪切儀、第三直剪剪切儀和第四直剪剪切儀，所述的第一直剪剪切儀、第二直剪剪切儀、第三直剪剪切儀和第四直剪剪切儀相互之間均通過第一蝸桿、聯(lián)軸器和第二蝸桿連接。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀的上部加載橫梁采用可旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，在拆裝試樣的過程中，通過固定下部兩個螺母不動，能夠有效地保證上部加載橫梁的水平，從而可大大提高試驗控制和測量的精確度，并可方便拆卸試樣，可克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

2、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀采用獨特的剪切盒結(jié)構(gòu)設(shè)計，在試驗過程中能夠使試樣完全浸沒在水中，可有效地保證試驗中對試樣的飽和程度的要求，并能夠在不更換剪切容器的條件下，更換不同規(guī)格的剪切盒，可進(jìn)行圓形和方形等試樣試驗，滿足國內(nèi)外各類土工試驗規(guī)范、英國BS1377和美國ASTM等規(guī)范的試驗要求，通用性更好。

3、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀為配合獨特的剪切盒結(jié)構(gòu)設(shè)計，水平測力系統(tǒng)采用弓字型受力桿，在保證正常受力的情況下，能夠滿足各類試驗的需要，通用性更好，實用性更強。

4、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀采用帶有牛眼的上剪切盒導(dǎo)向片和帶有牛眼的下剪切盒，可有效地降低剪切過程中導(dǎo)向片對上剪切盒的摩擦影響以及上下剪切盒間的摩擦影響，從而能大大提高試驗的測量精度；

5、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀采用位移傳感器測量水平剪切量，可有效地避免部件加工、裝配等不可抗因素造成的部件配合誤差，提高試驗控制和測量的精度；由于配套高精度水平位移傳感器(量程高達(dá)50.4mm，精度0.003mm、分辨率0.001mm)可實現(xiàn)直接剪切應(yīng)力松弛試驗；

6、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀采用直線軸承對拉桿進(jìn)行固定，可避免拉桿移動過程所產(chǎn)生的摩擦影響，從而可有效地保證試驗過程中拉桿的垂直度；

7、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀配套豎向位移傳感器，可進(jìn)行各類固結(jié)試驗，實現(xiàn)不同固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)；同時可通過更換非飽和土剪切刀實現(xiàn)非飽和土固結(jié)和直剪試驗；

8、本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀采用伺服閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，能夠有效地控制試驗中對應(yīng)力、剪切速率和剪切量的穩(wěn)定性要求，保證試驗控制的精確度要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述的直剪剪切儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的直剪剪切儀的正視圖。

圖4是本發(fā)明圖3所述的直剪剪切儀A-A剖面圖。

圖5是本發(fā)明圖3所述的直剪剪切儀-機械式B-B剖面圖。

圖6是本發(fā)明圖3所述的直剪剪切儀-氣壓式B-B剖面圖。

圖7是本發(fā)明所述的剪切盒俯視圖。

圖8是本發(fā)明所述的剪切容器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是本發(fā)明圖7中II-II的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是本發(fā)明圖9所述的C-C剖面圖。

圖11是本發(fā)明所述的下剪切盒俯視圖。

圖12是本發(fā)明所述的上剪切盒仰視圖。

圖13是本發(fā)明所述的方形試樣剪切盒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14是本發(fā)明所述的非飽和土試驗剪切盒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15是本發(fā)明所述的四聯(lián)直剪剪切儀俯視圖。

圖16是本發(fā)明所述的四聯(lián)非飽和直剪儀俯視圖。

圖17是本發(fā)明所述的全自動殘余直剪剪切儀的工作原理圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1至14所示，一種全自動殘余直剪剪切儀，它包括直剪剪切儀1和計算機2，所述的直剪剪切儀1通過航空插頭1-28分別與豎向荷重傳感器1-19、豎向位移傳感器1-7、水平荷重傳感器1-21和水平位移傳感器1-12相連接，所述的計算機2通過通訊協(xié)議與直剪剪切儀1相連接，通過計算機2或者控制面板1-14向直剪剪切儀1發(fā)送命令，并將豎向荷重傳感器1-19和水平位移傳感器1-12反饋得到的豎向荷重F₁和水平剪切量s₂與目標(biāo)值相對比，進(jìn)行伺服閉環(huán)控制。

以上所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的直剪剪切儀1包括垂直伺服加載系統(tǒng)和水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)，所述的垂直伺服加載系統(tǒng)包括上部加載橫梁1-8，下部加載橫梁1-44，連接在上部加載橫梁1-8和下部加載橫梁1-44之間的拉桿1-9，安裝在上部加載橫梁1-8上的豎向荷重傳感器1-19，和安裝在下部加載橫梁1-44上的氣動加載裝置E或者電機加載裝置F；所述的豎向荷重傳感器1-19通過第一加載接頭1-38固定在上部加載橫梁1-8的中間位置，所述的豎向荷重傳感器1-19通過安裝在底部的子彈型傳力接頭1-20與承壓蓋1-39頂部的凹槽相接觸；

所述的氣動加載裝置E或者電機加載裝置F的下部通過第二加載接頭1-45連接在下部加載橫梁1-44的中間位置，所述的氣動加載裝置E或者電機加載裝置F的上部固定在固定擋板1-25的中心位置；

所述的上部加載橫梁1-8一端設(shè)有U型開口；

所述的水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)包括蝸輪蝸桿減速機1-2、與蝸輪蝸桿減速機1-2相連的電機1-16、弓字型受力結(jié)構(gòu)1-10、水平荷重傳感器1-21和調(diào)節(jié)旋桿1-22。

所述的拉桿1-9穿過直線軸承1-43固定于控制盒1-1的頂部，在軸向加載過程中，通過直線軸承1-43保證拉桿1-9的垂直度和光滑度，提高試驗控制和測量的精確度。

所述的氣動加載裝置E通過活塞1-46將氣缸1-36劃分為兩個密封區(qū)域，即下部密封區(qū)域E₁和上部密封區(qū)域E₂，通過向下部密封區(qū)域E₁或上部密封區(qū)域E₂施加氣壓力，依次帶動下部加載橫梁1-44、拉桿1-9和上部加載橫梁1-8進(jìn)行向上或者向下移動，實現(xiàn)對試樣的豎向卸荷和豎向加壓操作。

所述的電機加載裝置F包括豎向電機1-42和豎向蝸輪蝸桿減速機1-47，所述的豎向電機1-42安裝在豎向蝸輪蝸桿減速機1-47上，所述的豎向蝸輪蝸桿減速機1-47的頂部和底部分別固定在固定擋板1-25和下部加載橫梁1-44上，通過豎向電機1-42運行帶動豎向蝸輪蝸桿減速機1-47進(jìn)行上下移動，并依次帶動下部加載橫梁1-44、拉桿1-9和上部加載橫梁1-8進(jìn)行向上或者向下移動，實現(xiàn)對試樣的豎向卸荷和豎向加壓操作。

蝸輪蝸桿減速機1-2的一端與電機1-16相連接、蝸輪蝸桿減速機1-2的另一端與連接桿1-3的一端固定連接，連接桿1-3的另一端通過固定螺母1-17與剪切容器1-4上的剪切推板1-18相固定連接；

所述的弓字型受力結(jié)構(gòu)1-10的兩端分別固定在上剪切盒1-26的側(cè)壁和水平荷重傳感器1-21上，所述的水平荷重傳感器1-21的另一端固定有調(diào)節(jié)旋桿1-22，所述的調(diào)節(jié)旋桿1-22通過底座1-13固定在控制盒1-1的頂面，可通過調(diào)節(jié)旋桿1-22調(diào)整水平荷重傳感器1-21的水平度，使水平荷重傳感器1-21和連接桿1-3處于同一軸線上。

直剪剪切儀1的控制盒1-1的頂面安裝有軌道1-27，所述的軌道1-27的中心位置與上部加載橫梁1-8、下部加載橫梁1-44的中心位置處于同一豎向軸線上；

所述的軌道1-27凹槽內(nèi)放置有鋼珠1-29，并與剪切容器1-4底部的軌道相對應(yīng)，下剪切盒1-34固定于剪切容器1-4的中心位置，上剪切盒1-26通過定位銷釘1-33固定于下剪切盒1-34上，并與下剪切盒1-34保持豎向一致；

在水平剪切方向上，所述的下剪切盒1-34兩側(cè)壁上分別通過固定螺絲1-32固定有上剪切盒導(dǎo)向片1-30，上剪切盒導(dǎo)向片1-30帶有牛眼1-31；

在水平剪切方向上，所述的下剪切盒1-34的上表面分別安裝有兩排牛眼1-31，并與上剪切盒1-26下表面的滑槽1-37相對應(yīng)。

所述的上剪切盒1-26和下剪切盒1-34為方形試樣上剪切盒1-49和方形試樣下剪切盒1-48，用于進(jìn)行方形試樣的剪切固結(jié)試驗，所述的方形試樣下剪切盒1-48的底部設(shè)置有環(huán)形排水通道1-54，所述的環(huán)形排水通道1-54與剪切容器1-4底部的排水通道1-35相契合形成一個排水通路。

所述的下剪切盒1-34可更換為非飽和土下剪切盒1-50，所述的非飽和土下剪切盒1-50的底部安裝有陶土板1-52，并通過陶土板壓片1-51進(jìn)行固定；

所述的非飽和土下剪切盒1-50位于剪切容器1-4和上剪切盒1-26之間，上剪切盒1-26、非飽和土下剪切盒1-50、剪切容器1-4、軌道1-27和固定座1-11、水平位移傳感器1-12位于封閉腔1-53的內(nèi)部，所述的傳力接頭1-20通過豎向直線軸承1-55穿過封閉腔1-53頂部中心與承壓蓋1-39頂部凹槽相接觸，所述的連接桿1-3通過第一水平直線軸承1-56穿過封閉腔1-53側(cè)壁與剪切容器1-4相連接，所述的弓字型受力結(jié)構(gòu)1-10通過第二水平直線軸承1-57穿過封閉腔1-53側(cè)壁與上剪切盒1-26相連接；

所述的封閉腔1-53固定于控制盒1-1頂面的中心位置。

所述的豎向位移傳感器1-7通過傳感器固定桿1-5和傳感器夾具1-6固定于控制盒1-1的頂面，豎向位移傳感器1-7的探頭位于第一加載接頭1-38上，測量豎向荷重作用下試樣的豎向變形量s₁；

所述的水平位移傳感器1-12通過固定座1-11固定于控制盒1-1的頂面，水平位移傳感器1-12的探頭與剪切容器1-4的側(cè)壁相接觸，測量剪切過程中試樣的實時水平剪切量s₂。

如圖15和圖16所示，所述的直剪剪切儀1可替換為四聯(lián)直剪剪切儀3或者四聯(lián)非飽和土直剪儀4，所述的四聯(lián)直剪剪切儀3包括第一直剪剪切儀3-1、第二直剪剪切儀3-2、第三直剪剪切儀3-3和第四直剪剪切儀3-4，所述的第一直剪剪切儀3-1、第二直剪剪切儀3-2、第三直剪剪切儀3-3和第四直剪剪切儀3-4相互之間均通過第一蝸桿3-5、聯(lián)軸器3-6和第二蝸桿3-7連接。

實施例2

所述的全自動殘余直剪剪切儀，所述的全自動殘余直剪剪切儀的工作方法為：

如圖17所示，工作運行指令(豎向加載、水平剪切速率、剪切量等)通過計算機2或者控制面板1-14按鍵發(fā)送給MCU系統(tǒng)(嵌入式微機控制系統(tǒng))，MCU系統(tǒng)(嵌入式微機控制系統(tǒng))將命令分配給本發(fā)明的相應(yīng)系統(tǒng)：

垂直伺服加載系統(tǒng)：MCU系統(tǒng)向垂直電機/氣壓閥驅(qū)動裝置發(fā)送目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t加載命令，垂直電機/氣壓閥驅(qū)動裝置驅(qū)動豎向電機1-42/電氣控制閥進(jìn)行工作，隨之豎向蝸輪蝸桿減速機1-47進(jìn)行旋轉(zhuǎn)/活塞1-46移動，通過第二加載接頭1-45推動下部加載橫梁1-44使拉桿1-9整體向下移動，第一加載接頭1-38隨同上部加載橫梁1-8向下移動，對試樣1-40施加軸向應(yīng)力σ，并通過豎向荷重傳感器1-19測量實時豎向荷重F₁，換算得到實時軸向應(yīng)力σ₁，并將其反饋給MCU系統(tǒng)，MCU系統(tǒng)將對實時軸向應(yīng)力σ₁和目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t進(jìn)行對比分析，使實時軸向應(yīng)力σ₁不斷向目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t靠近，最終穩(wěn)定于目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t，同時，通過豎向位移傳感器1-7測量試樣1-40的豎向變形量s₁，并將其豎向變形量s₁反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的豎向變形量s₁發(fā)送給計算機2；

水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)：MCU系統(tǒng)向水平電機驅(qū)動裝置發(fā)送目標(biāo)水平剪切速率v_t和目標(biāo)剪切量s_t命令，水平電機驅(qū)動裝置驅(qū)動電機1-16進(jìn)行工作，隨之蝸輪蝸桿減速機1-2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過連接桿1-3推動剪切容器1-34進(jìn)行水平移動，水平位移傳感器1-12測得試驗過程中的實時水平剪切量s₂，實時水平剪切量s₂反饋進(jìn)入MCU系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的試驗時間t和實時水平剪切量s₂計算得到實時水平剪切速率v₁，并與目標(biāo)水平剪切速率v_t進(jìn)行對比分析，當(dāng)實時水平剪切速率v₁與目標(biāo)水平剪切速率v_t發(fā)生偏離時，系統(tǒng)內(nèi)部將自動對試驗的水平剪切速率v進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)實時水平剪切量s₂達(dá)到目標(biāo)剪切量s_t時，本發(fā)明將自動停止試驗，同時，試驗過程中水平荷重傳感器1-21將測得的水平剪切力F_h反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的水平剪切力F_h發(fā)送給上位機計算機2。

實施例3

所述的全自動殘余直剪剪切儀的操作步驟為：

步驟一：制作試樣，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50123-1999和試驗方案制作相應(yīng)的試樣1-40；

步驟二：安裝試樣，利用定位銷釘1-33將上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的內(nèi)部依次放入透水石1-41和濾紙，并將裝有試樣1-40的環(huán)刀平口向下，試樣1-40上部依次方式濾紙、透水石1-41和承壓蓋1-39，然后將試樣1-40平穩(wěn)推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的內(nèi)部，移去環(huán)刀，旋轉(zhuǎn)上部加載橫梁1-8使傳力接頭1-20與承壓蓋1-39頂部的凹槽相接觸，并旋轉(zhuǎn)上部固定螺母1-23，使上部加載橫梁1-8固定于拉桿1-9；

步驟三：進(jìn)行試驗，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34內(nèi)部的定位銷釘1-33，通過控制面板1-14按鍵對試樣1-40施加5kPa的預(yù)壓，并在計算機2上設(shè)置試驗所需的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t、目標(biāo)水平剪切速率v_t和目標(biāo)剪切量s_t等參數(shù)，計算機2將自動對儀器進(jìn)行控制和采集；

可實現(xiàn)以下常規(guī)固結(jié)直剪試驗：

①逐級加載試驗：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40施加試驗所需要的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t1，當(dāng)試樣1-40的豎向變形量或者排水量達(dá)到試驗要求時，對試樣1-40施加下一級目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t2，重復(fù)以上操作直至完成該試驗方案；

②應(yīng)變速率不變CRS固結(jié)試驗：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40進(jìn)行連續(xù)加載，使得試樣1-40在單位時間內(nèi)的變形量為常數(shù)，直至達(dá)到試驗所需的最大應(yīng)變?yōu)橹梗?/p>

③加載速率不變CRL固結(jié)試驗：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40進(jìn)行加載，保持單位時間內(nèi)試樣1-40的固結(jié)應(yīng)力增長為常數(shù)，直至達(dá)到試驗所需的最大固結(jié)應(yīng)力為止；

④直剪試驗：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40施加試驗所需要的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t，當(dāng)試樣1-40的豎向變形量或者排水量達(dá)到試驗要求時，對試樣1-40施加目標(biāo)水平剪切速率v_t，水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)將自動對試樣1-40進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切量達(dá)到試驗設(shè)置目標(biāo)剪切量s_t試驗將自動終止。

⑤循環(huán)剪切試驗：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40施加試驗所需要的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t，當(dāng)試樣1-40的豎向變形量或者排水量達(dá)到試驗要求時，對試樣1-40施加目標(biāo)水平剪切速率v_t，水平剪切驅(qū)動系統(tǒng)將自動對試樣1-40進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切量達(dá)到試驗設(shè)置目標(biāo)剪切量s_t時儀器將自動退回初始狀態(tài)進(jìn)入下一次剪切過程，重復(fù)以上試驗操作直至試驗方案完成。

步驟四：完成試驗，拆除試樣1-40，清理儀器。

實施例4

所述的全自動殘余直剪剪切儀進(jìn)行直接剪切應(yīng)力松弛試驗的操作步驟為：

步驟一：制作試樣，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50123-1999和試驗方案制作相應(yīng)的試樣1-40；

步驟二：安裝試樣，利用定位銷釘1-33將上剪切盒1-26固定于下剪切盒1-34上，在下剪切盒1-34的內(nèi)部依次放入透水石1-41和濾紙，并將裝有試樣1-40的環(huán)刀平口向下，試樣1-40上部依次方式濾紙、透水石1-41和承壓蓋1-39，然后將試樣1-40平穩(wěn)推入上剪切盒1-26和下剪切盒1-34的內(nèi)部，移去環(huán)刀，旋轉(zhuǎn)上部加載橫梁1-8使傳力接頭1-20與承壓蓋1-39頂部的凹槽相接觸，并旋轉(zhuǎn)上部固定螺母1-23，使上部加載橫梁1-8固定于拉桿1-9；

步驟三：進(jìn)行試驗，取出上剪切盒1-26和下剪切盒1-34內(nèi)部的定位銷釘1-33，通過控制面板1-14按鍵對試樣1-40施加5kPa的預(yù)壓，并在計算機2上設(shè)置試驗所需的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t和目標(biāo)剪切量s_t等參數(shù)，計算機2將自動對儀器進(jìn)行控制和采集：通過垂直伺服加載系統(tǒng)對試樣1-40施加試驗所需要的目標(biāo)軸向應(yīng)力σ_t，當(dāng)試樣1-40的豎向變形量或者排水量達(dá)到試驗要求時，計算機2對儀器發(fā)送下一階段命令，蝸輪蝸桿推動下剪切盒1-34，試樣1-40達(dá)到目標(biāo)剪切量s_t，并維持該目標(biāo)剪切量s_t，通過豎向荷重傳感器1-19測量實時豎向荷重F₂；

步驟四：完成試驗，拆除試樣1-40，清理儀器。

以上僅為本發(fā)明的實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。