本发明属于土木工程、水利水电工程、新能源工程技术领域，具体涉及一种正交应力状态可控的直剪试验装置及试验方法。
背景技术：
当前城市建设中高层、超高层建筑物日益增多，建筑物的安全稳定已显得尤为重要。水工、建筑、堤坝、岸坡、挡土墙和高层建筑物能够承受一定的荷重，都与土的抗剪强度有密切关系。土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一，指土体抵抗剪切破坏的极限能力，数值上等于土体发生剪切破坏时的切应力，土体破坏的本质是剪切破坏。
目前土的剪切特性常用剪切仪进行直剪试验获得。一般的直剪试验是将土样置于直剪仪的固定上盒和活动下盒内。试验时先在土样上施加垂直压力，然后对下盒施加水平推力，上下盒之间的错动使土样受剪破坏。
但是在实际复杂岩土环境中，岩土体的应力状态对其抗剪强度参数影响较显著，传统直剪试验装置及方法未考虑岩土体的原始赋存应力状态以及剪切试验时围压的影响，导致得到的抗剪强度参数和试验成果与真实情况差异较大，应用于工程实际可能会产生较大经济成本浪费，或造成较大安全风险。
技术实现要素：
本发明提供了一种正交应力状态可控的直剪试验装置及试验方法，目的在于提供一种安全可靠性高且成本较低的直剪试验装置及试验方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种正交应力状态可控的直剪试验装置，包括
剪切盒，剪切盒由上下设置的上剪切盒和下剪切盒构成的圆形盒体，剪切盒内具有圆形空腔；
滑动机构，滑动机构与下剪切盒的下底面滑动连接；
水平向加载装置，水平向加载装置连接在下剪切盒外侧壁上；
固定装置，固定装置连接在与水平向加载装置相对侧的上剪切盒外侧壁上；
垂直向加载组件，垂直向加载组件设置在上剪切盒顶部；
围压控制装置，围压控制装置连接在上剪切盒和下剪切盒侧壁上；
透水机构，透水机构设置在剪切盒内。
所述的透水机构为两个透水石；其中一个透水石设置在下剪切盒底面上，另一个透水石设置在垂直向加载组件下表面。
所述的透水机构还包括排水孔；所述的排水孔为盲孔或通孔，设置在下剪切盒底面上。
所述的滑动机构由多个滑轮组成；所述多个滑轮均匀布设在下剪切盒下底面。
所述的垂直加载组件包括加压活塞和传力钢珠；所述的传力钢珠设置在加压活塞上表面的中心。
所述的围压控制装置设置有两套，两套围压控制装置分别与上剪切盒和下剪切盒侧壁连接；所述的围压控制装置包括气囊、压力控制阀和仪表盘；所述气囊为环状，设置在上剪切盒和下剪切盒内且与上剪切盒和下剪切盒内侧壁接触，所述压力控制阀一端与仪表盘连接，压力控制阀另一端穿过剪切盒侧壁与气囊连通。
所述的上剪切盒和下剪切盒的气囊之间设置有刚性垫块。
所述的固定装置是量力钢环。
所述的上剪切盒是无盖、无底的圆形框状结构；所述的下剪切盒是无盖的盒体结构。
一种正交应力状态可控的直剪试验装置的试验方法，包括如下步骤
步骤一：从工程现场切取原状土试样；
步骤二：将上剪切盒和下剪切盒连接后，通过量力钢环与竖直平台固定；
步骤三：将试样置于剪切盒中，通过上剪切盒和下剪切盒中的气囊调控试样的侧向围压，通过垂直加载组件调控试样的法向压力，使试样在原始赋存应力状态下进行排水固结；
步骤四：步骤三完成后，通过动态调节气囊内的压强来调控试样的侧向围压与试样在工程中实际的侧向围岩变化状态一致，通过垂直向加载机构施加设定的垂直压力σ(1)，再通过水平向加载装置对试验施加剪切力τ(1)f，使试验以设定的剪切速率进行剪切，直至剪破；
步骤四：重复步骤一至步骤三，进行至少4组剪切试验，得到至少四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；
步骤五：根据步骤四获取的试验的垂直压力和剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度曲线，从而确定土的抗剪强度指标：内摩擦角
步骤六：通过步骤五得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土体抵抗剪切破坏的抵抗能力。
有益效果：
(1)本发明根据岩土体的实际应力状态，调控试样的法向压力和侧向围压双向应力，使其在原始赋存应力状态下进行排水固结。由于岩土体存在侧向围岩压力，该装置和方法解决了传统直剪试验装置及方法中不能考虑对围压调控的问题。
(2)本发明可尽可能地真实模拟试样各主应力应力路径情况，还原试样的真实应力状态。
(3)本发明在进行直剪试验过程中，可动态调控试样侧向围压，因此可避免传统直剪试验中竖向压力施加过程中侧向围压无法控制的缺点。
(4)试验装置和方法由于还原了真实应力状态，可更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供更为详细和准确的依据。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构纵剖面示意图；
图2为本发明上剪切盒横剖面示意图；
图3为本发明抗剪强度线示意图。
图中：1-上剪切盒；2-下剪切盒；3-垂直向加载组件；4-透水石；5-水平向加载装置；6-排水孔；7-滑轮；8-加压活塞；9-传力钢珠；10-气囊；11-压力控制阀；12-仪表盘；13-量力钢环；14-试样；15-竖直平台；16-刚性垫块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
根据图1和图2所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，包括
剪切盒，剪切盒由上下设置的上剪切盒1和下剪切盒2构成的圆形盒体，剪切盒内具有圆形空腔；
滑动机构，滑动机构与下剪切盒2的下底面滑动连接；
水平向加载装置5，水平向加载装置5连接在下剪切盒2外侧壁上；
固定装置，固定装置连接在与水平向加载装置5相对侧的上剪切盒1外侧壁上；
垂直向加载组件3，垂直向加载组件3设置在上剪切盒1顶部；
围压控制装置，围压控制装置连接在上剪切盒1和下剪切盒2侧壁上；
透水机构，透水机构设置在剪切盒内。
在实际使用时，首先从工程现场切取原状土试样14；将上剪切盒1和下剪切盒2连接后，通过量力钢环13与竖直平台15固定；然后将试样14置于剪切盒中，通过上剪切盒1和下剪切盒2中的气囊10调控试样14的侧向围压，通过垂直加载组件3调控试样14的法向压力，使试样14在原始赋存应力状态下进行排水固结；之后动态调控试样14的侧向围压，通过垂直向加载机构3施加设定的垂直压力σ1，再通过水平向加载装置5对试验施加剪切力τ1f，使试验以设定的剪切速率进行剪切，直至剪破上述步骤进行至少4组剪切试验，得到至少四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；根据获取的至少四组试验的垂直压力和剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度曲线(如图3所示)，从而确定土的抗剪强度指标：内摩擦角
当水平向加载装置5作用时，通过滑动机构向竖直平台15侧平移，从而保证测试数据的准确性。
本发明能够岩土体的实际应力状态，调控试样的法向压力和侧向围压双向应力，使其在原始赋存应力状态下进行排水固结。由于岩土体存在侧向围岩压力，该装置和方法解决了传统直剪试验装置及方法中不能考虑对围压调控的问题。本发明可尽可能地真实模拟试样各主应力应力路径情况，还原试样的真实应力状态。本发明在进行直剪试验过程中，可动态调控试样侧向围压，因此可避免传统直剪试验中竖向压力施加过程中侧向围压无法控制的缺点。试验装置和方法由于还原了真实应力状态，可更真实地得到岩土体的抗剪强度参数，为工程安全稳定性分析提供更为详细和准确的依据。
实施例二：
根据图1所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的透水机构为两个透水石4；其中一个透水石4设置在下剪切盒2底面上，另一个透水石4设置在垂直向加载组件3下表面。
优选的是所述的透水机构还包括排水孔6；所述的排水孔9为盲孔或通孔，设置在下剪切盒2底面上。
在实际使用时，通过透水石4将试样14在原始赋存应力状态下进行排水固结过程中所挤压出的水分进行吸收，使试样14能够较好快速固结。
当试样中的水分不多时，只采用透水石4进行吸水即可，当试样14所含的水分较多，透水石4已经不能满足需要时，采用排水孔9的方案即可满足需要，透水石4吸附后多余的水分进行入排水孔9。
排水孔9采用盲孔还是通孔，也可以根据实际需要进行选择，当透水石4吸附后的水分还很多，即可采用通孔，否则采用盲孔即可。
实施例三：
根据图1所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的滑动机构由多个滑轮7组成；所述多个滑轮7均匀布设在下剪切盒2下底面。
在实际使用时，滑动机构采用多个滑轮7的技术方案，既能保证满足试验的要求，又能够节约成本。在具体应用时，滑动机构还可以采用滑轨等多种方式。只要能够使剪切盒平稳移动的装置均可使用。
实施例四：
根据图1所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的垂直加载组件3包括加压活塞8和；所述的传力钢珠9设置在加压活塞8上表面的中心。
在实际使用时，将外力施加给垂直加载组件3，通过传力钢珠9经加压活塞8传递给试样14。采用通过传力钢珠9传递力的技术方案，保证了施加给试样14的力始终保持法向力。
实施例五：
根据图1和图2所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的围压控制装置设置有两套，两套围压控制装置分别与上剪切盒1和下剪切盒2侧壁连接；所述的围压控制装置包括气囊10、压力控制阀11和仪表盘12；所述气囊10为环状，设置在上剪切盒1和下剪切盒2内且与上剪切盒1和下剪切盒2内侧壁接触，所述压力控制阀11一端与仪表盘12连接，压力控制阀11另一端穿过剪切盒侧壁与气囊10连通。
在实际使用时，通过外接的充气装置为气囊10充气，气囊10充气符合预定标准，关闭压力控制阀11即可进行后续试验。
本发明采用本技术方案进行围压的调整，既方便又经济。
实施例六：
根据图1和图2所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的上剪切盒1和下剪切盒2的气囊10之间设置有刚性垫块16。
在实际使用时，在上剪切盒1和下剪切盒2的气囊10之间设置刚性垫块16，是为了避免上剪切盒1和下剪切盒2中气囊10的相互影响，从而影响最终的测试结果。刚性垫块16的选取保证在预定的压力条件下不产生形变即可。
实施例七：
根据图1所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的固定装置是量力钢环13。
在实际使用时，剪切盒是通过量力钢环13与竖直平台15连接固定，保证剪切盒在试验过程中的稳定性。量力钢环13采用的是现有技术。
实施例八：
根据图1所示的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，与实施例一不同之处在于：所述的上剪切盒1是无盖、无底的圆形框状结构；所述的下剪切盒2是无盖的盒体结构。
在实际使用时，上剪切盒1和下剪切盒2采用圆形框状结构的技术方案，可简化侧向围压的调控，适用于现场大多数地质条件。
实施例九：
一种正交应力状态可控的直剪试验装置的试验方法，包括如下步骤
步骤一：从工程现场切取原状土试样14；
步骤二：将上剪切盒1和下剪切盒2连接后，通过量力钢环13与竖直平台15固定；
步骤三：将试样14置于剪切盒中，通过上剪切盒1和下剪切盒2中的气囊10调控试样14的侧向围压，通过垂直加载组件3调控试样14的法向压力，使试样14在原始赋存应力状态下进行排水固结；
步骤四：步骤三完成后，通过动态调节气囊10内的压强来调控试样14的侧向围压与试样14在工程中实际的侧向围岩变化状态一致，通过垂直向加载机构3施加设定的垂直压力σ1，再通过水平向加载装置5对试验施加剪切力τ1f，使试验以设定的剪切速率进行剪切，直至剪破；
步骤四：重复步骤一至步骤三，进行至少4组剪切试验，得到至少四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；
步骤五：根据步骤四获取的试验的垂直压力和剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度曲线，从而确定土的抗剪强度指标：内摩擦角
步骤六：通过步骤五得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土体抵抗剪切破坏的抵抗能力。
本发明的试验方法，根据岩土体的实际应力状态，调控试样的法向压力和侧向围压双向应力，使其在原始赋存应力状态下进行排水固结。由于岩土体存在侧向围岩压力，该装置和方法解决了传统直剪试验装置及方法中不能考虑对围压调控的问题。本发明可尽可能地真实模拟试样各主应力应力路径情况，还原试样的真实应力状态。本发明在进行直剪试验过程中，可动态调控试样侧向围压，因此可避免传统直剪试验中竖向压力施加过程中侧向围压无法控制的缺点。试验装置和方法由于还原了真实应力状态，可更真实地得到岩土体的抗剪强度参数(如图3所示)，为工程安全稳定性分析提供更为详细和准确的依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
1.一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：包括
剪切盒，剪切盒由上下设置的上剪切盒(1)和下剪切盒(2)构成的圆形盒体，剪切盒内具有圆形空腔；
滑动机构，滑动机构与下剪切盒(2)的下底面滑动连接；
水平向加载装置(5)，水平向加载装置(5)连接在下剪切盒(2)外侧壁上；
固定装置，固定装置连接在与水平向加载装置(5)相对侧的上剪切盒(1)外侧壁上；
垂直向加载组件(3)，垂直向加载组件(3)设置在上剪切盒(1)顶部；
围压控制装置，围压控制装置连接在上剪切盒(1)和下剪切盒(2)侧壁上；
透水机构，透水机构设置在剪切盒内。
2.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的透水机构为两个透水石(4)；其中一个透水石(4)设置在下剪切盒(2)底面上，另一个透水石(4)设置在垂直向加载组件(3)下表面。
3.如权利要求2所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的透水机构还包括排水孔(6)；所述的排水孔(9)为盲孔或通孔，设置在下剪切盒(2)底面上。
4.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的滑动机构由多个滑轮(7)组成；所述多个滑轮(7)均匀布设在下剪切盒(2)下底面。
5.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的垂直加载组件(3)包括加压活塞(8)和传力钢珠(9)；所述的传力钢珠(9)设置在加压活塞(8)上表面的中心。
6.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的围压控制装置设置有两套，两套围压控制装置分别与上剪切盒(1)和下剪切盒(2)侧壁连接；所述的围压控制装置包括气囊(10)、压力控制阀(11)和仪表盘(12)；所述气囊(10)为环状，设置在上剪切盒(1)和下剪切盒(2)内且与上剪切盒(1)和下剪切盒(2)内侧壁接触，所述压力控制阀(11)一端与仪表盘(12)连接，压力控制阀(11)另一端穿过剪切盒侧壁与气囊(10)连通。
7.如权利要求6所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的上剪切盒(1)和下剪切盒(2)的气囊(10)之间设置有刚性垫块(16)。
8.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的固定装置是量力钢环(13)。
9.如权利要求1所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置，其特征在于：所述的上剪切盒(1)是无盖、无底的圆形框状结构；所述的下剪切盒(2)是无盖的盒体结构。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种正交应力状态可控的直剪试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤一：从工程现场切取原状土试样(14)；
步骤二：将上剪切盒(1)和下剪切盒(2)连接后，通过量力钢环(13)与竖直平台(15)固定；
步骤三：将试样(14)置于剪切盒中，通过上剪切盒(1)和下剪切盒(2)中的气囊(10)调控试样(14)的侧向围压，通过垂直加载组件(3)调控试样(14)的法向压力，使试样(14)在原始赋存应力状态下进行排水固结；
步骤四：步骤三完成后，通过动态调节气囊(10)内的压强来调控试样(14)的侧向围压与试样(14)在工程中实际的侧向围岩变化状态一致，通过垂直向加载机构(3)施加设定的垂直压力σ(1)，再通过水平向加载装置(5)对试验施加剪切力τ(1)f，使试验以设定的剪切速率进行剪切，直至剪破；
步骤四：重复步骤一至步骤三，进行至少4组剪切试验，得到至少四组试验的垂直压力σ(1)、σ(2)、σ(3)、σ(4)和四组剪切力τ(1)f、τ(2)f、τ(3)f、τ(4)f；
步骤五：根据步骤四获取的试验的垂直压力和剪切力值，结合库伦强度理论得到抗剪强度曲线，从而确定土的抗剪强度指标：内摩擦角
步骤六：通过步骤五得到的粘聚力c和摩擦角φ关系，确定土体抵抗剪切破坏的抵抗能力。
技术总结