[0001] 本发明涉及土木工程技术领域，具体而言，涉及一种土壤样品剪切方法。

[0002] 作为自然界重要的组成部分，土壤随处可见，而研究土壤的抗剪切性能，在工程应用中具有重大意义。其中土壤的抗剪切强度是指土体抵抗剪切破坏的极限强度，包括摩擦强度和黏聚强度，测量这一性能需要通过剪切试验。目前常见的剪切试验的方法，包括三轴剪切试验、直接剪切试验和无侧限压缩试验等多种方法，其中直接剪切试验发展最早也是最成熟的一种试验方法，常见的方式是将同一个土壤样品的多个试件分别放入剪切盒内，施加不同的垂直压力并剪切，通过这种方式完成多个试件在不同垂直压力下的剪切试验，得到多个试件被破坏时的剪应力，最后依据库伦定律得到该土壤样品的抗剪强度指标。但是这种方式不同施压状态的土壤试件在完成剪切试验后，土壤试件被损坏无法重复利用，需要将损坏的土壤试件从剪力盒中取出，换成新的土壤试件。由于自然界中的土壤均匀程度不同，采用多块土壤试件的试验数值易离散，而且土壤试件的制备不仅需要使用较多的土壤，使有限的土壤样品难以兼顾其它试验项目，且大量的时间及人力的耗费，导致试验效率较低、效果较差。由上可知，现有技术中存在土壤剪切试验的效率较低、效果较差的问题。

[0021] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0022] 需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0023] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

[0024] 显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

[0025] 为了解决现有技术中土壤剪切试验的效率较低、效果较差的问题，本发明提供了一种土壤样品剪切方法。

[0026] 如图1所示，一种土壤样品剪切方法，土壤样品剪切方法包括：步骤一：调整土壤样品100在剪切盒20的深度方向上的位置，使土壤样品100的一部分对应容置在剪切盒20的上半部分的空间、土壤样品100的另一部分对应容置在剪切盒20的下半部分的空间；步骤二：向放置在剪切盒20内的土壤样品100施加预设垂直压力；步骤三：沿垂直于剪切盒20的深度方向的剪切方向，使剪切盒20的上半部分和剪切盒20的下半部分错位移动，并检测此时土壤样品100的剪切力的数据信息；步骤四：使剪切盒20的上半部分和剪切盒20的下半部分反向移动复位；步骤五：重复步骤一至步骤四，直至采集N组剪切力的数据信息。

[0027] 通过将土壤样品100需要剪切的位置调整至剪切盒20的上半部分和下半部分分界的位置，并且对土壤样品100施加预设的垂直压力，完成土壤样品100在竖直方向上垂直荷载的施加，随后操作剪切盒20，使得剪切盒20上下两部分在水平方向上错位，实现对土壤样品100的剪切，在这一过程中采集土壤样品100上的剪切力数据，待剪切盒20复位后，重复调整土壤样品100在剪切盒20中的位置以及将剪切盒20的上下两部分重复进行错位操作与复位操作，以获取N组数据，保证试验结果的可靠性。

[0028] 下面以一个具体实施例说明，如何实施土壤样品剪切方法。

[0029] 如图2至图3所示，全自动直剪仪包括工作台架10、剪切盒20、压板30、升降机构40、止挡机构50、水平驱动机构60和垂直驱动机构70。剪切盒20包括上下依次设置在工作台架10上的上剪切盒21和下剪切盒22。压板30的至少一部分能够伸入剪切盒20内。升降机构40包括托板41，托板41可升降地容置在下剪切盒22内，且压板30位于托板41的上方，压板30位于剪切盒20内的部分与托板41之间形成用于容纳土壤样品100的空间。止挡机构50设置在工作台架10上，并抵接上剪切盒21。水平驱动机构60设置在工作台架10上并与下剪切盒22驱动连接，以使下剪切盒22能够在工作台架10上水平移动。垂直驱动机构70与压板30驱动连接，以用于对土壤样品100施压。

[0030] 通过将土壤样品100放置在两个上下依次设置的上剪切盒21和下剪切盒22内，利用升降机构40的托板41托住土壤样品100的底部，利用垂直驱动机构70驱动压板30对土壤样品100施压，完成对土壤样品100施加垂直荷载，随后通过水平驱动机构60驱动下剪切盒22沿水平方向移动，此时上剪切盒21被止挡机构50提供的反力止挡，土壤样品100被剪切，该级剪切试验完成后，水平驱动机构60带动下剪切盒22复位后，升降机构40驱动托板41下降H，在上级垂直荷载作用下压板30带动土壤样品100下降，完成土壤样品100在剪切盒20内变换剪切面，再次对土壤样品100施加下级垂直荷载并剪切，通过重复上述操作土壤样品，实现多次剪切土壤样品100，提高了剪切的次数和剪切的效率，从而提高了直剪仪的试验效果。

[0031] 如图2所示，升降机构40还包括第一驱动件42，第一驱动件42与托板41的底部驱动连接，用于调整托板41在下剪切盒22内的位置。

[0032] 具体的，第一驱动件42通过驱动杆连接托板41，通过驱动杆的伸缩带动托板41的上下移动，完成土壤样品100在剪切盒20内的剪切面位置变换，在本实施例中，第一驱动件42为电动缸，升降机构40还包括步进电机，通过步进电机驱动电动缸实现驱动杆沿竖直方向上下移动。可选的，第一驱动件42为气缸或油缸。

[0033] 在本实施例中，工作台架10具有避让开口，第一驱动件42的至少一部分位于工作台架10的下方，托板41穿过避让开口位于下剪切盒22内。

[0034] 具体的，第一驱动件42的驱动杆穿设在工作台架10的顶部，驱动杆穿过工作台架10的顶部与托板41连接，驱动杆的直径小于避让开口的尺寸。

[0035] 如图2至图3所示，升降机构40还包括连接架43，连接架43滑动设置在工作台架10的下方，第一驱动件42设置在连接架43上。

[0036] 具体的，连接架43设置在工作台架10的下方，下剪切盒22受到水平驱动机构60驱动发生移动时，由于土壤样品100放置在升降机构40的托板41上并受到垂直荷载，因此当下剪切盒22移动时，托板41和驱动杆也会发生移动进而带动第一驱动件42移动，连接架43滑动设置的方式能够实现升降机构40随着下剪切盒22移动而移动。

[0037] 如图2所示，垂直驱动机构70包括第二驱动件71，第二驱动件71设置在工作台架10的底部。

[0038] 如图2所示，工作台架10的底部设置有第二滑轨11，第二驱动件71与第二滑轨11滑动连接。

[0039] 具体的，第二驱动件71与设置在工作台架10的底部的第二滑轨11滑动连接，第二驱动件71随着上剪切盒21的移动而沿着第二滑轨11移动。进一步的，由于止挡机构50抵接上剪切盒21，剪切试验时，第二驱动件71沿第二滑轨11移动的距离小于下剪切盒22的移动距离。

[0040] 在本申请另一个未图示的实施例中，第二驱动件71设置在工作台架10上方时，第二驱动件71滑动设置在工作台架10上。

[0041] 如图2所示，连接架43包括连接板431和连接件432，连接件432为多个，多个连接件432分别设置在连接板431的两侧，第一驱动件设置连接板431上。

[0042] 具体的，连接件432穿设在连接板431上，连接件432上设置有螺纹段，螺纹段的长度大于连接板431的厚度，连接件432上设置有两个螺母，两个螺母设置在连接板431的两端，通过拧紧两个螺母的方式实现连接板431的紧固，可选的，连接件432上设置有止挡连接板431的止挡环，螺母与止挡环配合实现连接板431的固定，螺母为自锁螺母。

[0043] 如图2至图3所示，垂直驱动机构70还包括传力框架72，传力框架72的下横梁与第二驱动件71驱动连接，传力框架72的上横梁位于工作台架10的上方并与压板30连接，传力框架72的纵梁纵向穿过工作台架10。

[0044] 具体的，工作台架10的顶部上设置条形豁口，传力框架72的纵梁容置在豁口内且传力框架72的纵梁的直径小于条形豁口的宽度。当试验完成后，通过手动沿第二滑轨11的方向推动传力框架72横梁或者纵梁，实现传力框架72的纵梁在条形豁口内滑动进而带动第二驱动件71沿着第二滑轨11滑动，从而便于装卸土壤样品100。

[0045] 如图2所示，垂直驱动机构70还包括垂直压力传感器73，垂直压力传感器73设置在传力框架72的上横梁与压板30之间。

[0046] 具体的，垂直压力传感器73的一端与传力框架72的上横梁连接，另一端与压板30上的凹槽连接。

[0047] 在本实施例中，直剪仪还包括隔水板和透水石，根据试验过程中是否允许土壤样品排水，从而合理地选择在土壤样品100的顶部与压板30之间以及托板41和土壤样品100的底部之间放置隔水板或者透水石。

[0048] 如图2所示，全自动直剪仪还包括第一滑轨80，第一滑轨80设置在下剪切盒22与工作台架10之间。

[0049] 具体的，下剪切盒22包括盒体和座体，盒体与座体通过销轴连接，座体具有容纳槽，盒体容置在容纳槽内；连接架43与座体的底部连接，座体与第一滑轨80滑动连接，水平驱动机构60驱动下剪切盒22沿第一滑轨80移动的同时带动连接架43移动。

[0050] 进一步的，工作台架10的底部设置的第二滑轨11的延伸方向与工作台架10顶部的第一滑轨80的延伸方向平行，以保证在进行剪切试验时，垂直驱动机构70整体保持竖直状态进而实现土壤样品100受到的垂直荷载始终竖直向下。

[0051] 如附图3所示，止挡机构50包括调整件51和水平压力传感器52，水平压力传感器52与上剪切盒21抵接，通过调整件51调整水平压力传感器52与剪切盒20之间的间距。

[0052] 升降机构40的托板41设置在下剪切盒22内，土壤样品100放置在托板41上，通过升降机构40调整土壤样品100的位置，随后通过垂直驱动机构70对土壤样品100施加预设的垂直荷载，并在该级剪切过程中通过垂直压力传感器73保持垂直荷载稳定不变；水平驱动机构60驱动下剪切盒22移动，上剪切盒21受到止挡机构50的止挡，从而实现了上剪切盒21与下剪切盒22之间的错位，进而实现剪切土壤样品100，直至该级剪切试验完成后，水平驱动机构60带动下剪切盒22复位，实现剪切盒20的复位；随后升降机构40驱动托板41下移，在上级预设垂直荷载的作用下实现土壤样品100在剪切盒20内移动，完成更换土壤样品100的剪切面；通过多次重复上述过程获取多个剪切力数据，利用回归方程筛选出异常数值，直至获得4组有效值，最终完成剪切试验。

[0053] 当然上述实施例仅仅是直剪仪一种结构形式，直剪仪还可以是其他的结构形式。

[0054] 在本申请另一个未图示的实施例中，全自动直剪仪的剪切盒20为多个，多个剪切盒20间隔设置在工作台架10上，相应的，压板30、升降机构40、止挡机构50、水平驱动机构60和垂直驱动机构70为一个配套组，配套组为多个，多个配套组分别与多个剪切盒20一一对应设置，从而实现同时对多个不同土壤样品100的剪切试验，最终实现双联动、四联动，实现加快试验效率的效果。

[0055] 在本实施例中，土壤样品剪切方法还包括在执行完一轮步骤一至步骤四后，在下一轮的步骤一中，调整土壤样品100在剪切盒20的深度方向上下降高度H。

[0056] 具体的，完成一次土壤样品100的剪切试验后，将土壤样品100向下移动距离H，从而使得土壤样品100的下次剪切的剪切面位于上剪切盒21和下剪切盒22的分界处。采用同一土壤下降高度H的变换剪切面方式，可以在一定程度上保证试验结果的可靠性，相较于对多个土壤样品100的试件进行剪切方式，同一个土壤样品100土质相对均匀，做出的试验结果相对准确且稳定，得到的数值离散性较小，仅仅通过调整土壤样品100在剪切盒20深度方向上不同位置得到多组数据，整体方便简单，无需多次放置土壤样品100的多个试件，从而减少装卸土壤样品100的时间消耗。

[0057] 在本实施例中，采用升降机构40伸入剪切盒20的底部并抵住土壤样品100的底部，完成一次剪切试验后，升降机构40在剪切盒20内向下移动H，从而通过带动土壤样品100的移动，便于对土壤样品100的其他位置进行剪切。

[0058] 在本实施例中，土壤样品剪切方法还包括：设置下降高度H不小于0.5cm。

[0059] 具体的，土壤样品100下降的高度H过大会存在土壤样品100剪切次数过少的情况，由于土壤剪切试验是一种破坏性试验，土壤样品100下降高度H过小则可能剪切已经被损坏的土壤，造成试验失败，无法获取有效的剪切试验数据，出现数据失真的情况。在本实施例的前三组试验中，每次完成试验后，土壤样品100下降的距离均一致。

[0060] 在本实施例中，土壤样品剪切方法还包括：在执行完一轮步骤一至步骤四后，在下一轮的步骤二中提高预设垂直压力。

[0061] 具体的，每次剪切试验过程中垂直驱动机构70向土壤样品100施加不同的垂直压力，且随着试验次数的增加，向土壤样品100施加的垂直压力也会越来越大，根据多次不同垂直压力下的剪切数据判断该土壤样品100的抗剪切性能。

[0062] 在本实施例中，在步骤五中还包括数据检验步骤，数据检验步骤包括：当N组剪切力的数据信息采集三组后，将任意一个剪切力的数据信息与对应的预设垂直压力视为一个数据组，求出三个数据组线性相关系数R，若R小于0.85，则重复一次步骤一至步骤四，当至少三个数据组的线性相关系数R不小于0.85时，停止重复步骤一至步骤四。

[0063] 具体的，每一个数据组包括预设垂直压力和剪切力，当三个数据组的线性相关系数R小于0.85时，重复一次剪切试验，将采集到的数据组与任意两个已获得的数据组进行线性运算，以获得线性相关系数R。

[0064] 进一步的，线性运算通过公式：

[0065]

[0066] 其中，X：预设垂直压力， 预设垂直压力的平均值,Y：剪切力， 剪切力的平均值。

[0067] 在本实施例中，土壤样品剪切方法还包括设置在步骤一之前的样品预置步骤，样2
品预置步骤包括：将土壤样品100制成高度不小于4cm，底面积不小于30cm的柱形，柱形的截面型状与尺寸与剪切盒的内空间截面型状与尺寸相一致适配。

[0068] 具体的，土壤样品100的制备时，从所要试验的土壤中选取较大的一块，并仔细观察是否有石块等杂物，选取避开杂物的部分利用环刀对土壤进行多次切割制备成一个柱形土壤样品100，若选取杂物较多的土壤，会对试验的结果产生较大的影响，不利于对土壤样品100的抗剪切性能进行评估。

[0069] 在本实施例中，在步骤一中还包括：在剪切盒20内的土壤样品100的顶面和底面放置隔水板或者透水石。

[0070] 具体的，将隔水板或者透水石放置在剪切盒20内，并且设置在柱形土壤样品100的顶面和底面。根据试验过程中是否允许土壤样品100排水，从而合理地选择放置隔水板或者透水石。

[0071] 在本实施例中，在步骤三中还包括：将水平压力传感器52与剪切盒20的上部抵接，剪切盒20移动时，水平压力传感器52对剪切盒20的上半部分进行限位并检测剪切力的数值。

[0072] 具体的，水平压力传感器52的一端与上剪切盒21抵接，止挡机构50与水平压力传感器52的另一端连接。

[0073] 在本实施例中，在步骤二中还包括：保持土壤样品100的底部位置固定不动；向土壤样品100的顶部施加预设垂直压力。

[0074] 具体的，垂直压力传感器73与传力框架72连接，以检测土壤样品100受到的垂直压力，升降机构40的升降将土壤样品100调整至新的试验位置后，升降机构40保持不变；在N组试验中垂直驱动机构70在竖直方向上向土壤样品100的顶部施加不同的垂直压力，施加垂直压力至预设垂直压力后开始剪切土壤样品100，土壤样品100在整个试验过程中受到的荷载始终保持竖直方向，有利于保证试验数据的准确性。

[0075] 在本实施例中，在步骤五中还包括采集拟合曲线步骤，采集拟合曲线步骤包括：将采集到的N组剪切力的数据信息绘制成拟合曲线图。

[0076] 具体的，直剪仪还包括数据端，数据端同时与水平压力传感器52和垂直压力传感器73电连接，采集到的数据信号被记录在数据端，并被描绘成线。可选的，以垂直压力传感器73的数值为横轴，水平压力传感器52的数值为纵轴建立直角坐标系，将试验测量的数据在直角坐标系上绘制呈线，从而直观地显示出剪切力的数值变化情况。可选的，设置位移传感器，通过位移传感器与剪切盒20上半部分或者下半部分连接，位移传感器感应上剪切盒21和下剪切盒22的位移值，分别以上剪切盒21位移与剪切应力值大小或者下剪切盒22与剪切应力值大小为横坐标与纵坐标，将各次试验的数据描点连线。

[0077] 从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过设置一种土壤样品剪切方法，土壤样品剪切方法包括：步骤一：调整土壤样品100在剪切盒20的深度方向上的位置，使土壤样品100的一部分对应容置在剪切盒20的上半部分的空间、土壤样品100的另一部分对应容置在剪切盒20的下半部分的空间；步骤二：向放置在剪切盒20内的土壤样品100施加预设垂直压力；步骤三：沿垂直于剪切盒20的深度方向的剪切方向，使剪切盒20的上半部分和剪切盒20的下半部分错位移动，并检测此时土壤样品100上的剪切力的数据信息；步骤四：使剪切盒20的上半部分和剪切盒20的下半部分反向移动复位；步骤五：重复步骤一至步骤四，直至采集N组剪切力的数据信息，通过将土壤样品100需要剪切的位置调整至剪切盒20的上半部分和下半部分分界的位置，并且对土壤样品100施加预设的压力，完成土壤样品100在竖直方向上垂直荷载的施加，随后操作剪切盒20，使得剪切盒20上下两部分在水平方向上错位、复位，实现对土壤样品100的剪切，在这一过程中采集土壤样品100上的剪切力数据，重复调整土壤样品100在剪切盒20中的位置以及将剪切盒20的上下两部分重复进行错位操作与复位操作，以获取N组数据，保证试验结果的可靠性。

[0078] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

[0079] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

[0080] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。