本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料领域，尤其涉及一种用机械应力测试固体材料的强度特性的装置，具体是一种利用硐室反压施加超大荷载的力学特性试验装置，可以进行压缩试验和直剪试验。
背景技术：
1、压缩试验是一种在有侧限条件、轴向压力下，使土体排水固结变形，测定土体加载和排水条件下变形与压力、变形与时间的关系的试验。直剪试验是将土体置于不同的竖直压力下，施加水平剪切力进行剪切，然后根据库伦定律确定土体的抗剪强度系数、内摩擦角和凝聚力的一种土工试验。对粗粒土进行压缩试验和直剪试验时，需要采用大型土工压缩仪和大型土工直剪仪。
2、现有的大型土工压缩仪和大型土工直剪仪结构相近，均包括底座，底座上设置有立柱和下压头，立柱一般为两根，两根立柱之间连接横梁，横梁上固定安装上压头，下压头位于上压头的正下方，试样盒放置于上压头和下压头之间，底座内设有用于顶推下压头的液压千斤顶，或者横梁上安装用于顶推上压头的液压千斤顶。大型土工压缩仪和大型土工直剪仪不同之处在于试样盒和加载方式，前者的试样盒包括盒体和顶盖，后者的试样盒包括上剪切盒和下剪切盒，在加载方式上，前者仅加载竖向压力，后者除了加载竖向压力外，还要向上剪切盒施加水平剪切力。
3、现有的大型土工压缩仪和大型土工直剪仪通过液压装置施加竖向压力，都是利用立柱平衡液压千斤顶的反力，可向试样施加的最大竖向压力约为750kn，可向试样施加的最大水平剪切力约为310kn，适用于最大直径约为500mm的试样。对于大型土工直剪仪，由于施加水平剪切力的液压千斤顶依赖于底座和横梁提供反力，可施加的水平剪切力有限，只能对最大直径约为500mm的试样进行直剪试验。最大直径约为500mm的试样可允许的颗粒最大粒径约为100mm。
4、高土石坝工程广泛使用的堆石料的最大粒径一般高达600～800mm，现有的大型土工压缩仪对粗粒土试样的允许颗粒粒径要求与实际填筑堆石料最大粒径和颗粒级配相差甚远。当前拟建、在建的数座300m级特高土石坝，其坝体最大应力超过5mpa，探究堆石料在这种高围压条件下的力学强度和变形特性是特高土石坝设计、建造和安全评价的关键，因此亟需研制可对超大尺寸的全级配堆石料进行压缩试验、直剪试验的装置。这种装置实现的关键在于超大尺寸、超高压力、便于操作并满足精度要求的试验设备体系的研制，尤其是如何为施加超高竖直压力(如40000kn)和水平剪切力(如20000kn)的液压装置提供反力支撑。此外，超大型的压缩试验与直剪试验均需要超高要求的试验设备和反力支承体系，试验装置的制造与安装、试验场选择与建造技术要求高、成本高，两项试验集成实现的需求高。
技术实现思路
1、本发明提供一种压缩与直剪一体化试验装置，目的是通过一套装置，既可以进行土工压缩试验，又可以进行土工直剪试验。
2、本发明采用的技术方案是：压缩与直剪一体化试验装置，包括固定于硐室顶部的上固定座，以及位于硐室底部并且固定于上固定座正下方的下压座，上固定座的底部悬挂有至少一台竖向布置的第一液压装置，各台第一液压装置通过油管与液压站相连，各台第一液压装置的顶升方向均为竖直方向；下压座包括下支撑架及其顶部的支撑板，下支撑架与支撑板之间设有滚动装置，支撑板的顶部固定有下压板，下压板的周围设有至少三块垫块，各块垫块的高度相等并且小于下压板的厚度，各块垫块上放置有试样筒，下压板的形状与试样筒在水平截面上的形状适配，并且下压板位于试样筒的内部，下压板的外环面与试样筒的内壁之间间隙配合；试样筒包括直接放置于垫块上的下剪切盒以及位于下剪切盒上部的上剪切盒，下剪切盒的顶面与上剪切盒的底面均为水平面，上剪切盒与下剪切盒之间设有滚动装置和固定连接结构，上剪切盒与硐室侧壁之间设有反力支座，反力支座的一端固定于硐室侧壁、另一端与上剪切盒抵接，下剪切盒与硐室侧壁之间设有至少一台沿水平向布置的第二液压装置，各台第二液压装置的顶升方向水平，各台第二液压装置通过油管与液压站相连，各台第二液压装置的一端固定于洞室侧壁、另一端与下剪切盒抵接，第二液压装置与反力支座布置于试样筒相对的两侧；第一液压装置的正下方设有与之固定连接或抵接配合的上压座，上压座的底面为水平面，上压座位于上剪切盒的内部，上压座外环面与上剪切盒的内壁之间间隙配合，上压座的底面、上剪切盒的内壁、下剪切盒的内壁和下压板的顶面共同形成圆柱状或直棱柱状的试验腔。
3、压缩试验期间，试样被压缩，试样筒会下降。为了降低试样筒下降时其内壁与下压板的外环面之间的阻力，进一步的是：下剪切盒的内壁与下压板的外环面之间设有滚动装置，下压板顶面的边缘固定有密封环，密封环将下压板外环面与试样筒内壁之间的间隙与压缩试验腔隔开。
4、下剪切盒试样筒的质量大，为了便于下剪切盒在下压座的顶部准确就位，进一步的是：下压板呈上小下大的圆台状或棱台状。
5、压缩试验时，垫块起到临时支撑试样筒的作用，也即是垫块在压缩试验期间会被取出，而直剪试验时，垫块无需取出。为了保证垫块的稳固，进一步的是：垫块与下压座之间设有临时固定结构。
6、为了便于同步取出各个垫块，进一步的是：下压座设有与各个垫块一一对应的第三液压装置，第三液压装置沿各个垫块对应的圆心在水平面呈放射状布置，第三液压装置的顶升端与垫块抵接，各台第三液压装置通过油管与液压站相连；或者，垫块设有拉环。
7、为了降低取出垫块的难度，更进一步的是：垫块呈楔形；或者，垫块与试样筒之间以及垫块与下压座之间设有滚动装置。
8、滚动装置的作用是降低相对运动的两者之间的摩擦力。具体的：下支撑架与支撑板之间的滚动装置、垫块与试样筒之间的滚动装置以及垫块与下压座之间的滚动装置均为滚珠、装有多个滚珠的滚珠托架、辊筒或装有多根辊筒的辊筒托架，辊筒的轴向与第二液压装置的顶升方向垂直或者与对应的第三液压装置的顶升方向垂直；上剪切盒与下剪切盒之间的滚动装置以及下剪切盒与下压板之间的滚动装置均为滚珠，或者为装有多个滚珠的滚珠托架。
9、试验腔用于装填需要进行压缩试验和直剪试验的填筑料并制样，试样筒对试样形成侧限条件。进一步的是：上剪切盒为一个整体，或者由至少两段沿竖直方向依次拼接而成；下剪切盒为一个整体，或者由至少两段沿竖直方向依次拼接而成。
10、为了便于移动下压座以及放置或安装于上压座的物体，进一步的是：下压座的底部设有至少两列行走轮，每列行走轮包括至少两个行走轮，各列行走轮相互平行。在硐室底部安装与行走轮适配的轨道，各列行走轮放置于轨道上，就可以通过顶推的方式推动下压座沿预定方向移动。
11、为了使第一液压装置向上压座施加的力的方向保持竖直，也为了使第二液压装置向下剪切盒施加的力的方向保持水平，进一步的是：各台第一液压装置的顶升端设有球面压座，各台第二液压装置的顶升端设有球面压座。
12、为了使第一液压装置和上剪切盒之间的空间更大，也为了使第二液压装置和下剪切盒之间的空间更大，以便于试验操作，进一步的是：第一液压装置与上压座之间设有传力柱或传力架，第二液压装置与下剪切盒之间设有传力柱或传力架。
13、为了便于获取压缩试验和直剪试验的数据并控制两种试验的进程，进一步的是：压缩与直剪一体化试验装置还包括测量装置和控制系统，测量装置包括用于监测上压座的下压力以及监测第二液压装置对下剪切盒的水平剪切力的测力装置，以及用于监测上压座的位移以及监测下剪切盒的位移的测位移装置，测力装置和测位移装置均与控制系统电连接，液压站与控制系统电连接。
14、本发明的有益效果是：本发明既可以对包含大粒径填筑料的试样进行压缩试验，又可以进行直剪试验，仅需要简单调整即可。上剪切盒与下剪切盒之间设有固定连接结构，可以将上剪切盒与下剪切盒连接为一个整体的试样筒，解除固定连接结构，试样筒成为可以相对移动的上剪切盒与下剪切盒。进行压缩试验时，第二液压装置不启动，进行直剪试验时，第二液压装置根据试验要求启动。垫块可以一直固定于下压座，也可以从下压座取出，可以根据试验类型决定垫块是否取出。
15、本发明利用硐室顶部和硐室底部为各台第一液压装置提供竖向反力，第一液压装置可以为一台或多台，第一液压装置可以施加的总的竖直压力大。本发明同时利用硐室侧壁为各台第二液压装置提供水平向反力，第二液压装置可以为一台或多台，第二液压装置可以施加的总的水平剪切力大。本发明可以为提供很大的竖直压力和水平剪切力大，因此试验腔的尺寸可以足够大，可以对包含颗粒粒径达600～800mm的堆石料试样进行全级配制样并模拟特高坝堆石体应力环境开展压缩试验和直剪试验，测试堆石料力学参数。
16、本发明用于进行压缩试验时，试样在试验腔内固结到一定程度后，将各个垫块取出，此时试样筒处于类似“悬停”的状态，接着通过第一液压装置向下进行顶推，上压座向试样顶部施加竖向压力，与此同时，下压板向试样底部施加向上的反力，使试样双向同步压缩变形。试样双向同步压缩变形，使竖向压力可更有效地传递至试样，显著提高压缩试验的效率并改善试样受力的均匀性，更重要的是试样与制样筒内壁之间的摩擦力由单向变为相对的双向，试样与试样筒之间的摩擦力对试样有效应力的影响倍减，试样筒对试样的压缩变形的影响显著降低，压缩试验测得的数据(竖向压力和位移)更加准确。
17、本发明用于进行直剪试验时，上剪切盒保持固定，下剪切盒由第二液压装置推动进行剪切试验，减少直剪试验对第一液压装置的扰动，保证直剪试验的安全，并对剪切面进行有效控制。如果上剪切盒移动，下剪切盒静止，在竖直压力下和水平剪切力的合力作用下，高应力的剪切过程中剪切面易向上方斜向滑出，上剪切盒易于倾覆。上剪切盒与下剪切盒之间设有滚动装置，避免上下剪切盒之间存在很大的摩擦力，避免最终的试验成果数据失真；下支撑架与支撑板之间设有滚动装置，降低摩擦力对直剪试验结果的影响。
1.压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：包括固定于硐室顶部的上固定座(1)，以及位于硐室底部并且固定于上固定座(1)正下方的下压座，上固定座(1)的底部悬挂有至少一台竖向布置的第一液压装置(2)，各台第一液压装置(2)通过油管与液压站相连，各台第一液压装置(2)的顶升方向均为竖直方向；
2.如权利要求1所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：下剪切盒(6-1)的内壁与下压板(3-3)的外环面之间设有滚动装置(4)，下压板(3-3)顶面的边缘固定有密封环(3-4)，密封环(3-4)将下压板(3-3)外环面与试样筒内壁之间的间隙与压缩试验腔(6-3)隔开。
3.如权利要求1所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：下压板(3-3)呈上小下大的圆台状或棱台状。
4.如权利要求1所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：垫块(5)与下压座之间设有临时固定结构。
5.如权利要求1所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：下压座设有与各个垫块(5)一一对应的第三液压装置，第三液压装置沿各个垫块(5)对应的圆心在水平面呈放射状布置，第三液压装置的顶升端与垫块(5)抵接，各台第三液压装置通过油管与液压站相连；或者，垫块(5)设有拉环。
6.如权利要求1～5任一项所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：垫块(5)呈楔形；或者，垫块(5)与试样筒之间以及垫块(5)与下压座之间设有滚动装置(4)。
7.如权利要求6所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：下支撑架(3-1)与支撑板(3-2)之间的滚动装置(4)、垫块(5)与试样筒之间的滚动装置(4)以及垫块(5)与下压座之间的滚动装置(4)均为滚珠、装有多个滚珠的滚珠托架、辊筒或装有多根辊筒的辊筒托架，辊筒的轴向与第二液压装置(8)的顶升方向垂直或者与对应的第三液压装置的顶升方向垂直；上剪切盒(6-2)与下剪切盒(6-1)之间的滚动装置(4)以及下剪切盒(6-1)与下压板(3-3)之间的滚动装置(4)均为滚珠，或者为装有多个滚珠的滚珠托架。
8.如权利要求1～5任一项所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：上剪切盒(6-2)为一个整体，或者由至少两段沿竖直方向依次拼接而成；下剪切盒(6-1)为一个整体，或者由至少两段沿竖直方向依次拼接而成。
9.如权利要求1～5任一项所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：下压座的底部设有至少两列行走轮(3-5)，每列行走轮(3-5)包括至少两个行走轮(3-5)，各列行走轮(3-5)相互平行；各台第一液压装置(2)的顶升端设有球面压座，各台第二液压装置(8)的顶升端设有球面压座；第一液压装置(2)与上压座(9)之间设有传力柱或传力架，第二液压装置(8)与下剪切盒(6-1)之间设有传力柱或传力架。
10.如权利要求1～5任一项所述的压缩与直剪一体化试验装置，其特征在于：压缩与直剪一体化试验装置还包括测量装置和控制系统，测量装置包括用于监测上压座(9)的下压力以及监测第二液压装置(8)对下剪切盒(6-1)的水平剪切力的测力装置，以及用于监测上压座(9)的位移以及监测下剪切盒(6-1)的位移的测位移装置，测力装置和测位移装置均与控制系统电连接，液压站与控制系统电连接。
