本发明涉及土木工程试验技术领域，尤其涉及一种冻土拉剪一体试验仪。
背景技术：
目前，土样层抗拉实验装置中抗拉强度和抗剪强度试验均是利用不同的试验设备来实现的。试验设备资金投入大，占用空间大，操作繁琐。而且，现有抗拉强度试验装置大多采用竖向拉伸，受试样自重影响在进行抗拉强度试验时，试验数据会存在一定的偏差。因此，亟待研发一种能够同时对冻土与结构物接触面进行抗拉强度与抗剪强度测量的试验装置，同时能够提高抗拉强度试验精度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种冻土拉剪一体试验仪，既可测量冻土样与结构物接触面抗拉强度，又可以测量冻土样与结构物接触面抗剪强度，结构紧凑、成本低廉，同时能够提高抗拉强度试验精度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种冻土拉剪一体试验仪，包括水平加载加载装置和垂直加载装置，所述水平加载装置上设有用于夹持试样一的拉拔夹具和用于夹持试样二的剪切夹具；所述试样一及试样二均包括面接触的冻土样和混凝土结构块，通过水平加载装置对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力，施加的拉力垂直于冻土样与混凝土结构块的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗拉强度的拉拔试验；通过垂直加载装置对剪切夹具内的试样二施加垂直压力，施加的压力垂直于冻土样与混凝土结构块的接触面，通过水平加载装置对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力，施加的剪切力平行于冻土样与混凝土结构块的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗剪强度的剪切试验。
优选的，所述水平加载装置包括水平反力架和水平加载机构，所述水平加载机构、拉拔夹具及剪切夹具均设置于水平反力架上，所述水平加载机构的施力端设有位移传感器及水平负荷传感器，所述水平加载机构通过施力架与拉拔夹具及剪切夹具相连。
优选的，所述垂直加载装置包括垂直加载机构和垂直反力架，所述垂直反力架包括设置于剪切夹具两侧的支柱及设置于剪切夹具上方的横梁，所述横梁的两端与两侧支柱相连，所述垂直加载机构设置于横梁上，用于对剪切夹具内的试样二施加压力；所述垂直加载机构的施力端设有垂直负荷传感器。
优选的，所述水平反力架包括前反力梁、施力架、后反力梁和拉杆，所述前反力梁及后反力梁设置于拉杆的两端，所述施力架设置于拉杆的中部，所述水平加载机构固定于前反力梁上，所述拉拔夹具及剪切夹具设置于前反力梁与后反力梁之间，所述剪切夹具靠近后反力梁设置；所述水平加载机构的施力端与施力架抵接，通过施力架对对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力及对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力。
优选的，所述施力架包括固定卡块、移动卡块、推杆、拉拔推板和剪切推板，所述拉杆为两根以上，所述固定卡块与移动卡块并列设置，两根以上的拉杆对称设置于移动卡块的两侧，所述固定卡块与两侧拉杆固连；所述拉拔夹具设置于固定卡块及移动卡块的中部；所述水平加载机构的加载端与拉拔推板相连，所述推杆为两根，两根推杆分别贯穿固定卡块的两侧，所述推杆的一端与拉拔推板相连、另一端贯穿移动卡块与剪切推板相连，所述推杆与移动卡块固连，用于对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力；所述剪切推板通过水平顶杆与剪切夹具抵接，用于对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力。
优选的，所述拉拔夹具为分体式结构，包括固定部及其顶部的活动部，所述固定卡块及移动卡块均为左右对称的分体式结构，所述固定部的两侧分别与固定卡块及移动卡块的左半部及右半部固连，所述活动部的两侧分别与固定卡块及移动卡块的左半部及右半部滑动相连；所述固定部及活动部的中部设有水平贯通的通孔，用于容纳试样一；所述试样一为两端大中间小的哑铃式结构，所述试样一的冻土样与混凝土结构块的配合面为其中部的垂直面。其中，用于制作试样一的制样器包括两个半圆抱箍，两个半圆抱箍的配合面通过螺栓连接，两个半圆抱箍的内孔中间设有凸棱，所述凸棱两侧为对称的锥度孔。
优选的，所述剪切夹具包括下剪切盒和上剪切盒，所述下剪切盒与上剪切盒围拢的内腔容纳试样二，所述试样二的冻土样与混凝土结构块的配合面处于下剪切盒与上剪切盒的间隙处，所述顶杆与下剪切盒的侧面抵接；所述上剪切盒内试样二的顶部设有压板，所述垂直加载机构的施力端通过轴向压杆与压板抵接。
优选的，所述下剪切盒设置于剪切底板上，所述下剪切盒的底部与剪切底板之间设有滚子板；所述上剪切盒的侧壁设有凸檐，所述凸檐四周通过立柱与剪切底板的四周相连。
优选的，所述水平反力架设置于底座上，所述底座上设有直线导轨，所述水平反力架、拉拔夹具及剪切夹具均通过滑块与直线导轨配合。
优选的，所述底座的底部设有滚轮和支腿，所述支腿为升降式结构。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过垂直加载装置对剪切夹具内的试样二施加垂直压力，通过水平加载装置对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力及对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力，完成测量冻土-结构物界面区抗拉强度的拉拔试验及抗剪强度的剪切试验。本发明具有结构简单、造价低、精度高的优点，在较小的操作空间内即可完成抗拉及抗剪强度试验，能够准确模拟冻土与结构物接触面的力学行为。利用本发明对冻土地区结构物基础的冻拔研究提供了数据支持。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种冻土拉剪一体试验仪的结构示意图；
图2是图1中加载装置的俯视图；
图3是图2中拉拔夹具及剪切夹具在水平反力架上的布置示意图；
图4是图3中固定卡块的左视图；
图5是图4中的b-b断面图；
图6是本发明中拉拔夹具的结构示意图；
图7是用于制作试样一的制样器的分解示意图；
图8是图1中剪切夹具的结构示意图；
图9是图8中的a-a剖视图；
图中：001-混凝土结构块，002-冻土样，003-半圆抱箍，004-凸棱；01-试样一，02-试样二；
1-底座；2-拉拔夹具，21-固定部，22-活动部，23-卡槽；
3-剪切夹具，30-凸檐，31-下剪切盒，32-上剪切盒，33-压板，34-轴向压杆，35-剪切底板，36-滚子板，37-施力块，38-顶块，39-立柱；
4-水平反力架，41-前反力梁，42-后反力梁，43-拉杆，44-固定卡块，45-移动卡块，46-推杆，47-拉拔推板，48-剪切推板，49-顶杆；
5-垂直反力架，51-支柱，52横梁；
6-垂直加载机构；7-水平加载机构，70-水平负荷传感器；8-位移传感器；9-垂直负荷传感器；10-直线导轨；11-滑块；12-滚轮；13-支腿。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明实施例提供的一种冻土拉剪一体试验仪，包括水平加载加载装置和垂直加载装置，所述水平加载装置上设有用于夹持试样一01的拉拔夹具2和用于夹持试样二02的剪切夹具3；所述试样一01及试样二02均包括面接触的冻土样002和混凝土结构块001，通过水平加载装置对拉拔夹具2内的试样一01施加水平拉力，施加的拉力垂直于冻土样002与混凝土结构块001的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗拉强度的拉拔试验；通过垂直加载装置对剪切夹具3内的试样二02施加垂直压力，施加的压力垂直于冻土样002与混凝土结构块001的接触面，通过水平加载装置对剪切夹具3内的试样二02施加水平剪切力，施加的剪切力平行于冻土样002与混凝土结构块001的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗剪强度的剪切试验。通过水平加载装置及垂直加载装置能够实现冻土-结构物界面区抗拉强度的拉拔试验及抗剪强度的剪切试验，实现一个设备完成两种试验的目的，减少了试验设备成本。
在本发明的一个具体实施例中，如图1、2所示，所述水平加载装置包括水平反力架4和水平加载机构7，所述水平加载机构7、拉拔夹具2及剪切夹具3均设置于水平反力架4上，所述水平加载机构7的施力端设有位移传感器8及水平负荷传感器70，所述水平加载机构7通过施力架与拉拔夹具2及剪切夹具3相连。利用水平加载机构7对拉拔夹具2内的试样一01施加水平拉力以及对剪切夹具3内的试样二02施加水平剪切力，能够满足两种试验的水平加载，借助位移传感器8及水平负荷传感器70能够提高检测精度及负荷的加载量；同时在进行抗拉强度试验时可避免受试样一的自重影响，提高抗拉强度的试验精度。
如图1、2所示，所述垂直加载装置包括垂直加载机构6和垂直反力架5，所述垂直反力架5包括设置于剪切夹具3两侧的支柱51及设置于剪切夹具3上方的横梁52，所述横梁52的两端与两侧支柱51相连，所述垂直加载机构6设置于横梁52上，用于对剪切夹具3内的试样二02施加压力；所述垂直加载机构6的施力端设有垂直负荷传感器9。其中，两侧支柱相对剪切夹具倾斜设置，方便安装试样二，借助垂直负荷传感器来控制对试样二施加的垂直压力
在本发明的一个具体实施例中，如图1-3所示，所述水平反力架4包括前反力梁41、施力架、后反力梁42和拉杆43，所述前反力梁41及后反力梁42设置于拉杆43的两端，所述施力架设置于拉杆43的中部，所述水平加载机构7固定于前反力梁41上，所述拉拔夹具2及剪切夹具3设置于前反力梁41与后反力梁42之间，所述剪切夹具3靠近后反力梁42设置；所述水平加载机构7的施力端与施力架抵接，通过施力架对对拉拔夹具2内的试样一01施加水平拉力及对剪切夹具3内的试样二02施加水平剪切力。利用前力梁41、拉杆43及后反力梁42对拉拔夹具2及剪切夹具3进行定位，以及提供拉拔试验及剪切试验时的反作用力。
在本发明的一个具体实施例中，如图1-3所示，所述施力架包括固定卡块44、移动卡块45、推杆46、拉拔推板47和剪切推板48，所述拉杆43为两根以上，所述固定卡块44与移动卡块45并列设置，两根以上的拉杆43对称设置于移动卡块45的两侧，所述固定卡块44与两侧拉杆43固连；所述拉拔夹具2设置于固定卡块44及移动卡块45的中部；所述水平加载机构7的加载端与拉拔推板47相连，所述推杆46为两根，两根推杆46分别贯穿固定卡块44的两侧，所述推杆46的一端与拉拔推板47相连、另一端贯穿移动卡块45与剪切推板48相连，所述推杆46与移动卡块45固连，用于对拉拔夹具2内的试样一01施加水平拉力；所述剪切推板48通过水平顶杆49与剪切夹具3抵接，用于对剪切夹具3内的试样二02施加水平剪切力。采用该结构可使水平加载机构7的加载端对拉拔推板47施加推力，拉拔推板47进而向前驱动推杆46，进而对移动卡块45施加向前的拉拔力，实现对拉拔夹具内试样一的拉拔试验；另外，，推杆46向前驱动剪切推板48向前，进而对剪切夹具内的试样二施加向前的剪切力。
具体制作时，拉杆43为分体式结构，包括前拉杆431和后拉杆432，如图2、3所示，前拉杆431的一端与前反力梁41相连、另一端与固定卡块44相连，后拉杆432的一端与固定卡块44相连、另一端与后反力梁42相连。
进一步优化上述技术方案，如图4-6所示，所述拉拔夹具2为分体式结构，包括固定部21及其顶部的活动部22，所述固定卡块44及移动卡块45均为左右对称的分体式结构，所述固定部21的两侧分别与固定卡块44及移动卡块45的左半部及右半部固连，所述活动部22的两侧分别与固定卡块44及移动卡块45的左半部及右半部滑动相连；所述固定部21及活动部22的中部设有水平贯通的通孔，用于容纳试样一01；所述试样一01为两端大中间小的哑铃式结构，所述试样一01的冻土样002与混凝土结构块001的配合面为其中部的垂直面。拉拔夹具2的内部通孔为与哑铃式结构试样一01相匹配，在对拉拔推板47施加水平推力时，推杆即可带动移动卡块45相对固定卡块44做反向运动，实现对试样一01施加拉拔力的目的。
为了确保拉拔夹具2与固定卡块44及移动卡块45的牢固固定，如图6所示，在固定部21及活动部22的两侧均设有竖向卡槽23，所述固定卡块44及移动卡块45的左半部及右半部内侧面上设有与卡槽23配合的凸起。拉拔夹具2采用内圆外方的剖分式结构，采用螺丝将固定部21及活动部22的两个半环连接成一个整体。两侧的卡槽23与螺纹孔用于与固定卡块和滑动卡块连接。
如图7所示，用于制作试样一01的制样器包括两个半圆抱箍003，两个半圆抱箍003的配合面通过螺栓连接，两个半圆抱箍003的内孔中间设有凸棱004，所述凸棱004两侧为对称的锥度孔。采用该结构的制样器即可制作出两端大中间小的哑铃式试样一。
拉拔试验时，拉拔夹具2两端卡槽23，分别卡在固定卡块44和移动卡块45上，在水平加载机构7的推动下，拉拔推板47、推杆46和移动卡块45沿同一方向运动，固定卡块44和移动卡块45的距离增加，在拉拔夹具2的作用下，试样一01向两端拉伸直至破坏。此时前反力梁41、前拉杆421和固定卡块44承受试样一01拉拔时的反力。
剪切推板48与移动卡块45连接在一起，剪切试验时，剪切推板48对下剪切盒31施加水平剪切力。此时前反力梁41、前后拉杆43、后反力梁42承受剪切反力。固定卡块44的两侧设有螺纹孔，通过螺纹连接将前拉杆431后拉杆432连接成一整体。
在本发明的一个具体实施例中，如图1、8、9所示，所述剪切夹具3包括下剪切盒31和上剪切盒32，所述下剪切盒31与上剪切盒32围拢的内腔容纳试样二02，所述试样二02的冻土样002与混凝土结构块001的配合面处于下剪切盒31与上剪切盒32的间隙处，所述顶杆49与下剪切盒31的侧面抵接；所述上剪切盒32内试样二02的顶部设有压板33，所述垂直加载机构6的施力端通过轴向压杆34与压板33抵接。其中，下剪切盒31的边缘设有凸出的施力块37，用于与顶杆49端部抵接。下剪切盒31的另一侧设有与施力块37相对应的顶块38，以便对剪切夹具3进行限位。下剪切盒31与上剪切盒32间的缝隙为10mm,两侧无遮挡物，便于观察和记录图像，顶杆49施加的水平推力理论中心线与试样二02的剪切缝中心线重合。上部压板33尺寸略小于试样二02的尺寸，垂直法向力直接加载在试样二02的表面上，为了防止上剪切盒32掉落，顶块38的侧面可加工出螺丝孔，方便与后反力梁42连接。安装试样二02时需要将后反力架42向一端拖出。
进一步优化上述技术方案，如图8所示，所述下剪切盒31设置于剪切底板35上，所述下剪切盒31的底部与剪切底板35之间设有滚子板36，以减小下剪切盒31所受摩擦阻力；所述上剪切盒32的侧壁设有凸檐30，所述凸檐30四周通过立柱39与剪切底板35的四周相连，借助立柱39对上剪切盒32进行限位。
在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述水平反力架4设置于底座1上，所述底座1上设有直线导轨10，所述水平反力架4、拉拔夹具2及剪切夹具3均通过滑块11与直线导轨10配合。其中，直线导轨14为两根，并列设置在底座1上。剪切底板35通过两个滑块15与两根直线导轨14配合，垂直加载时由这两个滑块15承受加载力。两个滑块15为一组，前反力梁41、后反力梁42及拉拔夹具2（如图4所示）分别固定于不同的滑块组上，单个滑块15可承受最大16.97kn的载荷，两个滑块15组合最大承载能力可达约34kn。剪切底板35、前反力梁41、后反力梁42均采用螺丝与直线导轨14上的滑块15固定，安装时可事先在直线导轨14上移动调整，调整好位置后用螺丝固定。
其中，拉拔夹具2中的试样一01在安装时，如图6所示，作为下模的固定部21同时与直线导轨14上的滑块15连接固定，保证拉拔试验过程中不发生偏摆现象，只取出作为上模的活动部22即可安装试样一01，下模可固定不动。
进一步优化上述技术方案，如图1所示，所述底座1的底部设有滚轮12和支腿13，所述支腿13为升降式结构。滚轮采用万向轮，能够灵活移动。当试验设备移至工作地点后，将支腿伸出将底座升起，使滚轮脱离地面，避免在试验过程中底座发生晃动。
本发明的设计参数如下：
水平加载机构及垂直加载机构均选用丝杆加载机构，伺服电机通过减速机驱动丝杆转动，进而带动丝杆上的螺母移动，与螺母相连的推力筒实现加载。水平加载及垂直加载的荷载控制在4kn；水平位移传感器的测量量程为25.4mm，精度0.1%fs。
用于检测轴向负荷的水平负荷传感器及垂直负荷传感器均采用s型负荷传感器，这种传感器内部电路结构为应变式全桥结构，测量精度高，稳定性好，是目前广泛使用的测量用传感器。位移传感器采用lvdt位移传感器，能够提高试验精度。
试样一的规格为：两端锥体为100mmx50mmx5°（小端x高度x锥度）；试样二的规格为100x100x90mm。
水平负荷传感器、垂直负荷传感器、水平位移传感器均与计算机连接，用于数据采集及数据分析。
综上所述，本发明具有结构紧凑、造价低、精度高的优点，在较小的操作空间内能够准确模拟冻土与结构物接触面的力学行为。通过水平负荷传感器及垂直负荷传感器提高了加载精度，借助水平位移传感器来实时检测，将测量冻土-结构物界面区抗拉强度和抗剪强度两种功能合二为一；相比一般的竖向抗拉强度试验装置，该仪器可以实现横向的直接拉伸试验，可以有效避免竖向拉伸时由于试样自重引起的测得抗拉强度的偏差。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
1.一种冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：包括水平加载加载装置和垂直加载装置，所述水平加载装置上设有用于夹持试样一的拉拔夹具和用于夹持试样二的剪切夹具；所述试样一及试样二均包括面接触的冻土样和混凝土结构块，通过水平加载装置对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力，施加的拉力垂直于冻土样与混凝土结构块的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗拉强度的拉拔试验；通过垂直加载装置对剪切夹具内的试样二施加垂直压力，施加的压力垂直于冻土样与混凝土结构块的接触面，通过水平加载装置对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力，施加的剪切力平行于冻土样与混凝土结构块的接触面，来完成测量冻土-结构物界面区抗剪强度的剪切试验。
2.根据权利要求1所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述水平加载装置包括水平反力架和水平加载机构，所述水平加载机构、拉拔夹具及剪切夹具均设置于水平反力架上，所述水平加载机构的施力端设有位移传感器及水平负荷传感器，所述水平加载机构通过施力架与拉拔夹具及剪切夹具相连。
3.根据权利要求2所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述垂直加载装置包括垂直加载机构和垂直反力架，所述垂直反力架包括设置于剪切夹具两侧的支柱及设置于剪切夹具上方的横梁，所述横梁的两端与两侧支柱相连，所述垂直加载机构设置于横梁上，用于对剪切夹具内的试样二施加压力；所述垂直加载机构的施力端设有垂直负荷传感器。
4.根据权利要求2所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述水平反力架包括前反力梁、施力架、后反力梁和拉杆，所述前反力梁及后反力梁设置于拉杆的两端，所述施力架设置于拉杆的中部，所述水平加载机构固定于前反力梁上，所述拉拔夹具及剪切夹具设置于前反力梁与后反力梁之间，所述剪切夹具靠近后反力梁设置；所述水平加载机构的施力端与施力架抵接，通过施力架对对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力及对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力。
5.根据权利要求4所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述施力架包括固定卡块、移动卡块、推杆、拉拔推板和剪切推板，所述拉杆为两根以上，所述固定卡块与移动卡块并列设置，两根以上的拉杆对称设置于移动卡块的两侧，所述固定卡块与两侧拉杆固连；所述拉拔夹具设置于固定卡块及移动卡块的中部；所述水平加载机构的加载端与拉拔推板相连，所述推杆为两根，两根推杆分别贯穿固定卡块的两侧，所述推杆的一端与拉拔推板相连、另一端贯穿移动卡块与剪切推板相连，所述推杆与移动卡块固连，用于对拉拔夹具内的试样一施加水平拉力；所述剪切推板通过水平顶杆与剪切夹具抵接，用于对剪切夹具内的试样二施加水平剪切力。
6.根据权利要求5所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述拉拔夹具为分体式结构，包括固定部及其顶部的活动部，所述固定卡块及移动卡块均为左右对称的分体式结构，所述固定部的两侧分别与固定卡块及移动卡块的左半部及右半部固连，所述活动部的两侧分别与固定卡块及移动卡块的左半部及右半部滑动相连；所述固定部及活动部的中部设有水平贯通的通孔，用于容纳试样一；所述试样一为两端大中间小的哑铃式结构，所述试样一的冻土样与混凝土结构块的配合面为其中部的垂直面。
7.根据权利要求5所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述剪切夹具包括下剪切盒和上剪切盒，所述下剪切盒与上剪切盒围拢的内腔容纳试样二，所述试样二的冻土样与混凝土结构块的配合面处于下剪切盒与上剪切盒的间隙处，所述顶杆与下剪切盒的侧面抵接；所述上剪切盒内试样二的顶部设有压板，所述垂直加载机构的施力端通过轴向压杆与压板抵接。
8.根据权利要求7所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述下剪切盒设置于剪切底板上，所述下剪切盒的底部与剪切底板之间设有滚子板；所述上剪切盒的侧壁设有凸檐，所述凸檐四周通过立柱与剪切底板的四周相连。
9.根据权利要求2所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述水平反力架设置于底座上，所述底座上设有直线导轨，所述水平反力架、拉拔夹具及剪切夹具均通过滑块与直线导轨配合。
10.根据权利要求2-9任一项所述的冻土拉剪一体试验仪，其特征在于：所述底座的底部设有滚轮和支腿，所述支腿为升降式结构。
技术总结