CN101865802A

CN101865802A - 一种土体原位抗剪力测定仪

Info

Publication number: CN101865802A
Application number: CN 201010183901
Authority: CN
Inventors: 赵晓光; 管园园; 贾锐鱼
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2010-10-20

Abstract

本发明公开了土体原位抗剪力测定仪，其特征在于，包括支撑装置、剪切装置、传感装置、驱动装置和数据采集分析装置；所述支撑装置用于固定所述驱动装置；所述剪切装置用于直接作用于土壤，使土壤均匀受力；所述传感装置一端与所述剪切装置连接，另一端与所述驱动装置连接，用于输出与牵引力成正比的电信号，所述驱动装置根据剪切实验要求的线速度驱动所述剪切装置进行破坏实验；所述数据采集分析装置用于根据所述电信号记录水平方向牵引力的最大值，根据所述剪切装置的剪切面积计算得到土体抗剪强度。

Description

一种土体原位抗剪力测定仪

技术领域

本发明涉及水土保持及岩土工程技术领域，尤其涉及一种原位测定表层土体抗剪力测定仪。

背景技术

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，土壤侵蚀面积占国土总面积的1/3，并且表现为强度高，成因复杂，危害严重，尤以西北的黄土、南方的红壤、东北的黑土水土流失最为强烈。全国1.07×108km2耕地中有坡耕地3.330×107km2，占总耕地面积的1/3。坡耕地是水土流失的策源地，不仅大量泥沙倾泄而下危害下游防洪安全，更严重的是水、土、肥大量流失，导致肥力下降农业生产低而不稳。

众多研究表明水土流失的强度与土壤抗冲性密切相关。国外用土壤可蚀性，进一步分为可分离性和可搬运性。我国一般称为土壤抗侵蚀性，多用抗冲抗蚀性一词。我国从50年代开始研究土壤可蚀性，但多采用土壤抗侵蚀性。朱显谟将土壤抗侵蚀性分为抗冲性和抗蚀性，蒋德麒和朱显谟进一步明确了抗冲性和抗蚀性的定义。二者统称为土壤抗冲抗蚀性。抗冲性主要指土壤抵抗风、水等对土壤的机械破坏作用，而抗蚀性主要指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用。从土壤侵蚀机理考虑土壤抗冲性和抗蚀性的划分具有重要意义，但从实验角度看，目前尚无法将抗冲性与抗蚀性分开。土壤可蚀性和抗侵蚀性从本质上讲只是一个问题的两个侧面：前者是指土壤对侵蚀作用的敏感性，后者是指土壤对侵蚀作用的抵抗能力，因此二者都反映了土壤特性与土壤侵蚀的关系。

土壤侵蚀是导致土地资源退化乃至彻底破坏的主要原因。定量计算土壤流失量是合理利用和管理土地资源的科学依据之一。土壤抗冲性是定量计算水土流失的重要指标，实际上是土壤抗水流冲刷、剪切能力的表现。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其大小就等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。可反映土体抵抗径流冲刷的能力，因此可作为土壤抗冲性指标。

土的抗剪强度指标包括内摩擦角和粘聚力两项，指标需要用专门的仪器通过试验来确定。室内测定土的抗剪强度常用的直接剪切实验、三轴剪切试验、反复直剪强度试验和无侧限抗压强度试验方法。室外则有十字板剪切试验等方法。直接剪切实验、三轴剪切试验、反复直剪强度试验和无侧限抗压强度试验方法，是土工实验测定的方法，往往针对的是比较坚实的土，均需在野外取样，其不足一是剪切试样改变了被测试土体的环境状态，二是表层土壤由于其多疏松，往往没办法取到剪切试样，所以无法测定成为常态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种土体原位抗剪力测定仪，主要包括支撑装置、剪切装置、传感装置、驱动装置和数据采集分析装置；所述支撑装置用于固定所述驱动装置；所述剪切装置用于直接作用于土壤，使土壤均匀受力；所述传感装置一端与所述剪切装置连接，另一端与所述驱动装置连接，用于输出与牵引力成正比的电信号，所述驱动装置根据剪切实验要求的线速度驱动所述剪切装置进行破坏实验；所述数据采集分析装置用于根据所述电信号记录水平方向牵引力的最大值，根据所述剪切装置的剪切面积计算得到土体抗剪强度。

所述的测定仪，还包括波形绘制装置，用于通过串口接收所述数据采集分析装置得到的数据，用MATLAB对测定数据进行分析并绘制波形。

所述的测定仪，所述传感装置为S型传感器。

所述的测定仪，还包括放大电路，所述传感器输出的所述电信号经所述放大电路放大后输入V/F转换器进行A/D转换后输入所述数据采集分析装置。

所述的测定仪，所述数据采集分析装置为C8051F340单片机。

所述的测定仪，所述剪切装置为剪切环，所述剪切环为无上下底的长方形薄壁刚性结构，所述剪切环底部有刃状结构。

所述的测定仪，所述的剪切环，所述剪切环薄壁的厚度为3-5mm

所述的测定仪，所述剪切环长200-250mm，宽150-180mm，高100-120mm。

所述的测定仪，所述刃状结构的刃面与竖直方向成30°-45°角。

所述的测定仪，还包括刚性框架，所述刚性框架内置滑轨，所述剪切环置于所述滑轨之上滑动。

该测定仪与现有技术相比，有以下有益效果：

1、能够测定坡面原状土；

2、不存在由于土壤疏松无法取样的问题；

3、可测定表层或不同深度的土壤抗剪切强度(由剪切环插入土中的深度控制)；

4、有方向性(沿水流方向)。

附图说明

图1为本发明剪切仪的结构示意图；

图2为本发明剪切环的正面视图及尺寸；

图3为本发明剪切环的侧面视图及尺寸；

图4是本发明剪切环的立体图；

图5是本发明带有滑轨的剪切仪示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

一种土体原位抗剪力测定仪，如图1所示，主要包括支撑系统、剪切环、传感器、电机和数据采集分析装置；所述支撑系统用于固定电机；所述剪切环用于直接作用于土壤，使土壤均匀受力；所述传感装置一端与所述剪切装置连接，另一端与所述电机通过绞盘连接，用于输出与牵引力成正比的电信号，所述电机根据剪切实验要求的线速度驱动所述剪切环进行破坏实验；所述数据采集分析装置用于根据所述电信号记录水平方向牵引力的最大值，根据所述剪切装置的剪切面积计算得到土体抗剪强度。

以下详细说明，数据采集分析系统是整个电子智能土壤原位抗剪力测定仪的核心，由其完成对电机驱动系统的控制和剪切力的实时测量和记录；剪切环则是剪切实验直接作用于土壤上使土壤均匀受力；电机驱动系统完成按剪切实验要求的线速度驱动剪切环进行破坏实验；支撑系统是用来固定驱动系统等一系列机械装置。

驱动装置是采用两个12VDC蓄电池串联得到24VDC电源驱动24V直流电动机。电动机输出经减速机和齿轮齿条拉动剪切环使土壤产生沿剪切应力方向发生破坏实验。

可以使用DC24V微型直流电机为驱动装置，电源采用电瓶供电方式。光电编码器是一种成熟的工业产品，分增量型和绝对型。本测定仪采用通用型的增量式编码器进行角位移检测，再根据角位移计算出直线位移，按照工作原理光电编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关，考虑到经济成本问题，综合考虑后选用增量式编码器，

在考虑土壤原位原状的角度上对需测定的土样不破坏其整体性，用剪切环把其隔离出来，用剪切环压入土体，挖去剪切环外壁附近的土，使剪切环与其四周土体隔开，再从环壁沿坡面方向挖一道土槽，槽宽大于剪切环宽度，便于测试。然后将绞盘皮带固定于剪切环上，启动测力仪，通过调速旋钮选定需要速度，速度从0-288.88mm/min，可以慢剪也可快剪，速度改变值可在LED液晶显示屏中直观看到。然后对剪切环通过绞盘以一定的速度施加水平方向牵引力，穿过绞盘线缆的JLBS测力传感器因为产生力使传感器弹性体发生形变，输出与力成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入C8051F340微处理器中，其数字量由微机进行处理C8051F340把力的瞬时数字量存储并送入显示电路显示于LED液晶显示屏。

τ＜τ_f土体平衡没有位移；τ＝τ_f土体极限平衡开始位移；τ＞τ_f土体破坏产生位移；τ为施加在土样上的剪切力；τ_f为试样的抗剪强度。当即将开始产生位移时说明土壤就要发生剪切破坏力，使S型传感器弹性体发生变形，输出与牵引力成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后输入V/F转换器进行A/D转换，直接送入C8051F340微处理器中，其数字量由微处理器进行处理，微处理器把力的瞬时数字量送入C8051F340的存储区。与此同时以C8051F340单片机为中央处理器的数据采集分析系统会自动记录即将发生位移时和发生位移后水平方向牵引力的大小的变动情况，然后单片机将通过设定程序分析出水平方向牵引力的最大值，这个极限拉力即为土体抵抗径流推移破坏的极限能力，将它除以剪切环面积即得土体抗剪强度，进而得出牵引力所对应的土壤抗剪强度τ。然后通过串口通讯协议传输数据，数据导出后用MATLAB对测定数据进行分析并绘制波形，试验后根据实时的波形分析得出于土壤本身抗剪力最贴近的测试值。从而从土壤因子的力学性质-土壤抗剪强度的角度下得出抗冲性评价的指标。

如图2、图3结合图4所示，所述剪切装置为剪切环，所述剪切环为无上下底的长方形薄壁刚性结构，所述剪切环底部有刃状结构；所述的剪切环，所述剪切环薄壁的厚度为3-5mm。所述剪切环长200-250mm，宽150-180mm，高100-120mm。所述刃状结构的刃面与竖直方向成30°-45°角。

如图5所示，所述的测定仪，还包括刚性框架，所述刚性框架内置滑轨，所述剪切环置于所述滑轨之上滑动。

对剪切环均匀施加水流方向牵引力，通过通用型的增量式编码器进行角位移检测；用单片机自动记录发生位移前后牵引力的变化，自动分析出水平方向牵引力的最大值，通过力与土壤抗剪强度的单位换算关系，得到不同深度、不同坡度土壤沿水流方向的抗剪强度值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种土体原位抗剪力测定仪，其特征在于，包括支撑装置、剪切装置、传感装置、驱动装置和数据采集分析装置；所述支撑装置用于固定所述驱动装置；所述剪切装置用于直接作用于土壤，使土壤均匀受力；所述传感装置一端与所述剪切装置连接，另一端与所述驱动装置连接，用于输出与牵引力成正比的电信号，所述驱动装置根据剪切实验要求的线速度驱动所述剪切装置进行破坏实验；所述数据采集分析装置用于根据所述电信号记录水平方向牵引力的最大值，根据所述剪切装置的剪切面积计算得到土体抗剪强度。

2.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，还包括波形绘制装置，用于通过串口接收所述数据采集分析装置得到的数据，用MATLAB对测定数据进行分析并绘制波形。

3.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，所述传感装置为S型传感器。

4.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，还包括放大电路，所述传感器输出的所述电信号经所述放大电路放大后输入V/F转换器进行A/D转换后输入所述数据采集分析装置。

5.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，所述数据采集分析装置为C8051F340单片机。

6.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，所述剪切装置为剪切环，所述剪切环为无上下底的长方形薄壁刚性结构，所述剪切环底部有刃状结构。

7.根据权利要求6所述的测定仪，其特征在于，所述的剪切环，所述剪切环薄壁的厚度为3-5mm。

8.根据权利要求6所述的测定仪，其特征在于，所述剪切环长200-250mm，宽150-180mm，高100-120mm。

9.根据权利要求6所述的测定仪，其特征在于，所述刃状结构的刃面与竖直方向成30°-45°角。

10.根据权利要求6所述的测定仪，其特征在于，还包括刚性框架，所述刚性框架内置滑轨，所述剪切环置于所述滑轨之上滑动。