CN101373174B - 一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪 - Google Patents

Abstract

一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置，本发明是由水槽、上下剪切盒、垂直及水平加载系统、位移量测系统、反力框架，以及可拆卸的界面摩擦力测定装置组成。界面摩擦力测定装置安装在下剪切盒上，该装置由界面摩擦力传感器、开缝滚珠下导槽、界面摩擦力传力架、界面摩擦力传力架导槽组成，开缝滚珠放置在开缝滚珠下导槽上，下部通过界面摩擦力传感器垫块与界面摩擦力反力梁相连。采用这样的装置，就可以在试验中方便地测定土样与上剪切盒之间的界面摩擦力，从而准确获取土样剪切面上的实际垂直力的大小。

Description

一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪

技术领域

本发明涉及土力学与地基基础工程中一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置。

背景技术

目前，国内外进行直接剪切试验所采用的直剪仪一般都是由上、下剪切盒、垂直力加载系统、水平力加载系统、测定垂直向和水平向位移装置，以及提供反力的装置等部分组成。直剪仪在发展改进过程中的主要变化集中在仪器的尺寸、加载方式、数据采集、控制方式等方面，目前较先进和自动化程度较高的直剪仪可以实现垂直向及水平向加载自动控制，并可以通过电脑进行自动加载及数据自动采集。

对于作为细粒土剪切试验的直剪仪，由于土样本身尺寸较小，剪切盒的尺寸也就不大，土样与剪切盒壁之间的摩擦力较小，进行试验时土样和剪切盒之间的摩擦力一般都可以忽略；而进行粗拉土的剪切试验时，由于土粒的直径较大，为满足土样对试验仪器尺寸的要求，剪切盒的尺寸一般都较大，其长宽一般都在200mm以上，高度在100mm以上。这样，在粗拉土土样固结和剪切的过程中，土样和剪切盒之间由于存在界面摩擦力，就有一部分施加在土样顶面的垂直向力被上剪切盒与土样之间的界面摩擦力抵消，使得施加到剪切面上的实际垂直力要比施加在土样表面的垂直力要小，即施加在土样顶面的垂直力等于施加在剪切面上的实际垂直力加上土样与上剪切盒之间的界面摩擦力之和。虽然有些研究者考虑到粗粒土与剪切盒之间会存在界面摩擦力，就采用各种减摩措施来尽量减小界面摩擦力。但是，由于界面摩擦力与土样性质、垂直力大小、减摩材料与方法等因素密切相关，如果要较准确地计算界面摩擦力，就需要在进行正式试验前进行大量的率定、校正工作，且不能在试验过程中直接获取界面摩擦力大小的变化，这样就使试验结果不是很准确，而且率定工作量大、效率低，重复劳动较多。

发明内容

本发明的目的是：为解决目前的直剪仪不能有效消除土样和剪切盒之间的界面摩擦力，又不能准确获取界面摩擦力大小，从而不能准确获取土样剪切面上实际垂直力大小的不足，本发明提供一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置，可方便地测定土样和上剪切盒之间产生的界面摩擦力，在试验过程中可准确获取施加在剪切面上真实垂直力的大小，使得试验结果更准确。

为达到上述目的，本发明可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置由水槽、上剪切盒、下剪切盒、水平力加载系统、水平位移量测装置、垂直力加载系统、垂直位移量测装置、底座、滚轴排、土样、透水板、传力板、反力装置、界面摩擦力测定装置组成；界面摩擦力测定装置由开缝滚珠下导槽、界面摩擦力传力框架、界面摩擦力传力框架导向槽和界面摩擦力传感器、界面摩擦力传感器垫块、界面摩擦力反力梁组成，下剪切盒侧壁上装有界面摩擦力传力架导槽，界面摩擦力反力梁固定在下剪切盒底板上，界面摩擦力传力架通过界面摩擦力传力架导槽连接在下剪切盒侧壁上，开缝滚珠下导槽固定在界面摩擦力传力架上，带界面摩擦力传感器电缆的界面摩擦力传感器及界面摩擦力传感器垫块安设在界面摩擦力传力架和界面摩擦力反力梁之间；开缝滚珠下导槽和界面摩擦力传力框架不是完全固定在下剪切盒上，而是可以在界面摩擦力传力框架导向槽内上下滑动，界面摩擦力传感器可根据所施加垂直力的大小及土样的类别更换不同量程的力传感器。

首先加工一个能够满足安装直剪仪上、下剪切盒及其附件，并带有水平力传递孔和水平位移标杆孔的水槽，水平力传递孔和水平位移标杆孔能够止水。剪切盒的尺寸根据土样的尺寸和试验要求确定，垂直力加载系统的加载能力及对应力传感器的量程根据试验的要求确定，水平力加载系统的加载能力和对应的力传感器应与垂直力加载系统相匹配，界面摩擦力测定装置中的界面摩擦力传感器的量程根据土样的性质和垂直力的大小来确定。

由于可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置设置了界面摩擦力测定装置，采用该可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置进行直接剪切试验时，土样和上剪切盒之间产生的界面摩擦力通过固定在上剪切盒上的开缝滚珠上导槽传递给开缝滚珠，再由开缝滚珠传递到开缝滚珠下导槽及界面摩擦力传力架上，再由界面摩擦力传力架传给界面摩擦力传感器，这样，界面摩擦力传感器就可以获取土样和上剪切盒之间产生的界面摩擦力，从而得到施加在土样剪切面上的真实垂直力，方便地实现直接测定剪切试验中界面摩擦力的目的。

附图说明

图1是一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置图

图2是一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置左剖视图。

如图所示：水槽1、界面摩擦力传感器2、界面摩擦力传感器电缆3、开缝滚珠下导槽4、界面摩擦力传力架5、界面摩擦力传力架导槽6、界面摩擦力传感器垫块7、界面摩擦力反力梁8、下剪切盒9、下剪切盒底板10、下剪切盒侧壁11、开缝滚珠12、上剪切盒13、上剪切盒侧壁14、开缝滚珠上导槽15、固定销16、开缝环17、滚轴排18、滚轴排底板19、下透水板20、土样21、上透水板22、上传力板23、垂直力施加装置24、垂直力传感器25、垂直力传感器电缆26、垂直力传力柱27、垂直力反力梁28、水平力传力孔29、水平力传力孔止水30、水平剪力传力梁31、水平剪力施加装置32、水平剪力传力柱33、水平剪力支座34、底梁35、水平反力传力孔36、水平反力传力孔止水37、水平反力梁38、水平反力传力柱39、水平剪力传感器40、水平剪力传感器电缆41、水平反力支座42、垂直变形位移传感器43、垂直变形位移传感器电缆44、垂直变形位移传感器支架45、水平变形标杆孔46、水平变形标杆孔止水47、水平变形位移传感器48、水平变形位移传感器电缆49、水平变形标杆50、进水管51、阀门52。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明采用方形剪切盒的可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置图，进行试验前，先对所用的土样21进行适当的处理和必要的土性参数测定。

进行直接剪切试验时，先根据试验土样21的情况和施加最大垂直荷载的大小，选择合适量程合适的垂直力传感器25、水平剪力传感器36和界面摩擦力传感器2，并安装连接好。然后将放置滚轴排18的滚轴排底板19固定在水槽1的底部，再依次安装滚轴排18和下剪切盒9。下剪切盒侧壁11上安设有界面摩擦力传力架导槽6，界面摩擦力反力梁8固定在下剪切盒底板10上，界面摩擦力传力架5通过界面摩擦力传力架导槽6连接在下剪切盒侧壁11上，开缝滚珠下导槽4固定在界面摩擦力传力架5上，带界面摩擦力传感器电缆3的界面摩擦力传感器2及界面摩擦力传感器垫块7安设在界面摩擦力传力架5和界面摩擦力反力梁8之间。在开缝滚珠下导槽4上安放开缝滚珠12，将带开缝滚珠上导槽15的上剪切盒13对准下剪切盒9放好，安放开缝环17，用固定销16定位。在下剪切盒底板10上放置下透水板20，将准备好的土样21分层按预定的干密度装入至与上剪切盒13顶面平齐。如果土样21需要饱和，则将水通过进水管45和阀门46对试样进行饱和，并在水槽1内注满水。在土样21的表面依次放置上透水板22、上传力板23、垂直力施加装置24、带垂直力传感器电缆26的垂直力传感器25、垂直力传力柱27，并保证各部件对中。再在上剪切盒侧壁14上安装垂直变形位移传感器支架45，将带垂直变形位移传感器电缆44的垂直变形位移传感器40固定在垂直变形位移传感器支架45上。

在底梁35上的水平剪力反力支座34和水平反力支座42的对应位置安装调整好水平剪力施加装置32、水平剪力传力柱33、水平反力传力柱39、带水平剪力传感器电缆41的水平剪力传感器40，水平力传力孔29由水平力传力孔止水30防止漏水，水平反力传力孔36由水平反力传力孔止水37防止漏水。在下剪切盒底板10上安设水平变形标杆50，水平变形标杆50与固定在水平反力支座42上带水平变形位移传感器电缆49的水平变形位移传感器50接触，水平变形标杆50通过水平变形标杆孔46，并由水平变形标杆孔止水47防止漏水。然后通过水平剪力施加装置32缓慢施加水平力，使水平剪力传力柱33与水平剪力传力梁31、水平反力传力柱39与水平反力梁38接触即可，记录水平变形位移传感器50的初始读数。

让垂直力施加装置24的顶部缓慢上升，使垂直力传力柱27上部与垂直力反力梁28相接触，保证各部件接触良好，记录垂直变形位移传感器43的初始读数。

通过垂直力施加装置24一次性在土样21的顶面均匀施加垂直力至预定值，并使垂直力在整个试验过程中保持恒定。如果土样21需要在预定的垂直压力下固结，则按相关试验规程进行固结，并测记垂直变形位移传感器43的读数。

开始进行剪切试验前，拆除固定销16和开缝环17，检查垂直力传感器25、水平剪力传感器40、垂直变形位移传感器43、水平变形位移传感器48，并测记各传感器的读数。然后开始按按相关试验规程通过水平剪力施加装置32施加水平剪力，剪切过程中按设定的频率同步测记水平剪力传感器40、水平变形位移传感器48、垂直力传感器25、垂直变形位移传感器43、界面摩擦力传感器2的读数。

本发明可直接测定界面摩擦力的直剪仪装置可以实现在直接剪切试验过程中直接测定界面摩擦力的大小，从而实现了准确获取试验过程中土样21剪切面上的垂直力，使直接剪切试验成果更符合实际。且结构简单，操作方便。

Claims (3)

1.一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪，主要由水槽、上剪切盒、下剪切盒、水平力加载系统、水平位移量测装置、垂直力加载系统、垂直位移量测装置、底座、滚轴排、土样、透水板、传力板、反力装置、界面摩擦力测定装置组成；其特征是界面摩擦力测定装置是由带界面摩擦力传感器电缆(3)的界面摩擦力传感器(2)、开缝滚珠下导槽(4)、开缝滚珠上导槽(15)、界面摩擦力传力架(5)、界面摩擦力传力架导槽(6)、界面摩擦力传感器垫块(7)、界面摩擦力反力梁(8)组成，下剪切盒侧壁(11)上装有界面摩擦力传力架导槽(6)，界面摩擦力反力梁(8)固定在下剪切盒底板(10)上，界面摩擦力传力架(5)通过界面摩擦力传力架导槽(6)连接在下剪切盒侧壁(11)上，开缝滚珠下导槽(4)固定在界面摩擦力传力架(5)上，带界面摩擦力传感器电缆(3)的界面摩擦力传感器(2)及界面摩擦力传感器垫块(7)安设在界面摩擦力传力架(5)和界面摩擦力反力梁(8)之间，土样(21)与上剪切盒(12)之间的界面摩擦力通过固定在上剪切盒上的开缝滚珠上导槽(15)传递给开缝滚珠(12)，由开缝滚珠(12)传到开缝滚珠下导槽(4)上，再由开缝滚珠下导槽(4)和界面摩擦力传力架(5)传递到界面摩擦力传感器(2)上，由界面摩擦力传感器(2)获取界面摩擦力的大小。

2.根据权利要求1所述的一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪，其特征是开缝滚珠下导槽(4)和界面摩擦力传力架(5)是可以拆装的，且试验过程中不是完全固定在下剪切盒(8)上，而是可以在界面摩擦力传力架导槽(6)中上下滑动。

3.根据权利要求1所述的一种可直接测定界面摩擦力的直剪仪，其特征是界面摩擦力传感器(2)，可以根据土样(21)的特性和施加在土样(21)上的垂直力的大小范围更换不同量程的界面摩擦力传感器(2)。

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