一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于岩土工程测试技术领域，具体涉及一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，用于土工室内土体扭剪强度的测定与观测细微观结构变形的试验。
【背景技术】
[0002]土是地质作用演变过程的产物，是多相分散系，具有类型的多样性、性质的复杂性和变化性等特点。同一类土，不同类型的仪器可测出不同的结果，同类仪器，试验方法和技巧不同也会产生较大的差异。在土工试验中由于力学参数的测试差误，往往比计算方法不同引起的差误更大，这就是人们之所以坚持不懈，从事土工仪器设备的研制，试验方法的探索和改进的原因。
[0003]研宄表明，土的破坏形式主要是剪切破坏，即土的强度不足以抵抗某一面上的剪应力作用而造成，抗剪强度一直是岩土力学中最重要的研宄课题之一。扭转是材料变形的基本形式之一，通过扭转试验可以研宄材料在纯剪应力状态下的力学性质，并为工程设计提供必要的力学参数。迄今为止，对土体抗剪强度的研宄多集中在土体的直剪和三轴剪切特性上，而对土体的扭剪特性却很少研宄。
[0004]土体在长期定量荷载作用下，土体结构强度是决定其变形量大小的主要因素，而土体结构强度受细微观结构所制约，土体宏观变形破坏是细微观变形累积扩展的结果。土体细微观结构的变形性能对其工程力学性质起着非常重要的作用，因此，对土体细微观结构的研宄是探讨其变形与强度时效本质的基础。土体细微观层次上主要研宄土体颗粒的排列方式，土体细微观结构是对载荷及环境因素的响应、演化和实效机制，以及土体细微观结构与宏观力学性能的定量关系的研宄。
[0005]随着人类社会和国家经济发展，对能源需求的不断扩大，人类的活动区域从陆地扩大到近海、深海。跨海大桥、海上石油平台、跨海输电塔、测风塔等近海大型基础建设规模不断扩大。江河与海上的大型结构在船舶撞击、风浪等作用下，其粧基础不仅会受到水平荷载作用，而且还会受到扭转荷载。桶形基础是近年发展起来的一种经济适用的新型基础，作为海洋平台基础得到了广泛的应用，其在土作中不仅承受上部结构及其自身所引起的竖向荷载的长期作用和受到波浪、海流等所引起的水平荷载、力矩荷载，而且往往还受到风机叶片等结构传来的扭剪荷载的作用，因此认识和测量土的扭剪强度具有十分重要的意义。
[0006]现有对土体研宄技术的缺陷主要是只能观测到加载后的岩土体变化情况，不能观测到岩土体加载的整个变形过程，也就是说只能单方面的研宄强度特性和变形机理。而目前用于土体扭剪强度测试的装置主要有空心圆柱扭剪仪、大型扭剪仪、扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等。其中，空心圆柱扭剪仪虽然能够测出土体的扭剪强度，但是空心圆柱样制备过程复杂且成功率低，固定形式一般多取上端加荷，下端固定方式，导致仪器高大笨重，而且加荷装置的自重对试样有干扰；大型扭剪仪只适用于粗粒材料；扭剪三轴仪、土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪等三轴仪既能完成纯扭剪试验，还能实现多种复杂应力路径试验，但仪器设备复杂、操作繁琐、成本较高，难以在土工试验中推广。另外，现有岩土体加载破坏后的变形观测一般都是通过CT扫描机。
[0007]对比以上土体扭剪强度试验装置，主要存在如下4个问题:
(I)样品制备比较麻烦；空心圆柱样必须有专用模具，操作较为复杂，技术要求较高，比常规三轴样来说，难度较大，特别是试样的安装，里外橡皮膜的筱盖与密封等。
[0008](2)以上试验装置大多数只能是针对重塑土进行，虽然重塑土制样过程方便，但这与天然原状土还是有本质的区别，尤其针对具有明显结构性的土体。
[0009](3)以上试验装置大多数是多功能试验机，适用于多种应力路径的试验，通常以拉压耦合应力路径为主，这样可能造成侧压、轴力和扭矩不能独立施加和控制，由于它们的功能比较多，制备试样不方便，试验操作繁杂且不规范，导致其从制样到试验操作整个过程中受人为因素的影响较大。
[0010](4)CT扫描机操作复杂、造价较高、不方便与强度特性试验装置组合一起。
[0011]综上所述，目前这些土体扭剪强度试验装置存在仪器复杂、试验操作繁杂且不规范、造价昂贵，受人为因素的影响较大，并且不能观测到土体加载的整个变形过程的问题。同时，在土体的扭转试验研宄方面，取得的成果相对较少，而土的扭剪特性对于研宄土的强度理论有着重要的意义，目前对于土体拉压耦合应力路径下的土体的强度研宄较为充分，而对研宄土体在扭转荷载作用下纯剪切应力状态的抗剪强度及整个加载过程的细微观结构变形还没相应的研宄。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是克服现有试验装置不能很好地适用于纯扭剪应力路径的原状或重塑土扭剪强度的测定与整个加载过程的细微观结构变形，并且试验中控制和测量等人为因素影响较大的问题。
[0013]为此，本发明提供了一种土体圆柱试样的扭剪强度与形变观测试验装置，包括底座和安装在底座上的箱体，所述箱体上表面为工作平台，所述工作平台上表面边缘安装有中部支撑立柱，工作平台上表面中间固定有底座升降调节器，贯穿箱体上端工作平台和底座升降调节器设置有下传动轴，所述下传动轴上端连接围压室底座，所述围压室底座上通过围压室固定螺检固定有围压罩，围压罩上端设置围压室盖，该围压室底座、围压罩和围压室盖构成围压室，所述围压室底座上部轴心位置安装有试样底座，所述试样底座通过埋头螺栓二固定连接下连接座，所述下连接座上放置试样，所述试样上端安装上连接座，试样与上连接座、下连接座之间通过有机玻璃对开膜及对开固定夹环、固定螺栓二固定为一个整体，所述围压室底座内设有围压测量通道和围压气体给排通道，该围压测量通道和围压气体给排通道一端均与围压室相连通，所述中部支撑立柱下部固定安装有围压测量仪和围压加载控制仪，围压测量通道和围压气体给排通道另一端分别与围压测量仪和围压加载控制仪对应连接，所述中部支撑立柱上安装有三维成像扫描仪，三维成像扫描仪安装高度与试样高度一致，所述围压室盖上端轴心位置固定安装有轴心开孔的定位夹持器，贯穿定位夹持器和围压室盖设置有连接轴，所述连接轴下端与上连接座连接，连接轴上端通过固定螺栓三连接上传动轴，所述围压室盖上端面上设有排气螺栓。
[0014]所述中部支撑立柱顶端固定安装有中部平台，所述中部平台上表面边缘设置有上部支撑立柱，中部平台中部安装有轴承，所述上传动轴穿过中部平台，上传动轴下端套装有绝对式角位移传感器，上传动轴中部安装传动链条，上传动轴顶端焊接有扭矩传感器底座，所述扭矩传感器底座上端面通过固定螺栓一固定连接扭矩传感器，所述扭矩传感器上部端头通过插销固定连接可升降套筒，所述上部支撑立柱上固定安装有扭矩显示仪和角位移显示仪，所述扭矩传感器信号输出端与扭矩显示仪连接，所述绝对式角位移传感器信号输出端与角位移显示仪连接，所述上部支撑立柱顶端固定安装有上部平台，所述可升降套筒上端通过埋头螺栓一固定在上部平台的下端面，所述上部平台上端面一侧通过角钢固定安装有扭矩电动机，上部平台上端面另一侧安装有扭矩电动机控制器，所述扭矩电动机与扭矩电动机控制器电连接，所述扭矩电动机的扭矩输出轴穿过上部平台同轴连接扭矩传动轴，所述扭矩传动轴通过传动链条与上传动轴连接。
[0015]上述底座下安装有多个滚轮。
[0016]上述围压室盖和连接轴之间设置有密封橡胶圈一，围压室底座与下传动轴之间设置有密封橡胶圈二。
[0017]上述定位夹持器侧壁上设置有螺杆。
[0018]上述扭矩电动机侧壁上设置有手轮一。
[0019]上述底座升降调节器侧壁设置有手轮二。
[0020]上述可升降套筒的支架上安装有调节螺栓。
[0021]上述连