CN102252919A - 冻土—结构直剪仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种冻土—结构直剪仪及其使用方法。其结构包括水平推进器；步进电机；位移传感器；垂直压力传力杆；水平滚珠导轨；上剪切盒；热电偶；下剪切盒；半导体制冷块；荷重传感器；水平端固定装置；冷却液输送管；低温恒温槽；应变速率控制器；配重砝码；杠杆端固定装置；水平承台；杠杆；砝码。优点：适用于研究低温条件下不同材料接触面之间的力学特性。本仪器可根据试验要求，提供不同的法向应力和温度作用于材料接触面，当不同材料接触面上的冻结情况达到相应要求后，在选定的剪切速率下对接触面施加剪切力，直至试样接触面产生破坏，测定冻土—结构接触面的剪应力与剪切位移的关系曲线。

Description

冻土—结构直剪仪及其使用方法

技术领域

   本发明涉及的是一种在冻土—结构接触面力学行为研究中使用的冻土—结构直剪仪及其使用方法。属于冻土—结构室内模型试验仪器技术领域。

技术背景

直剪仪直接应用在冻土—结构接触面力学行为研究中，目前尚未有报导。

发明内容

本发明提出的是一种冻土—结构直剪仪及其使用方法，其目的旨在为进一步深入研究冻土—结构接触面力学特性，建立冻土-结构接触面                                                关系曲线及相关参数，探讨冻土—结构接触面力学特性的基本强度指标、本构关系以及在各因素下的变化规律。

本发明的技术解决方案：冻土—结构直剪仪的结构是步进电机的输出轴与水平推进器中的齿轮轴相接，位移传感器安装在水平推进器上；位移传感器的信号采集端与上剪切盒对应设置，位移传感器的信号输出端连接CPU的信呈输入端，A水平滚珠导轨装在上剪切盒上，垂直压力传力杆连接在水平滚珠导轨上，上剪切盒与水平推进器中的推进杆对应相接，上剪切盒与下剪切盒间设有热电偶，下剪切盒底部装有半导体制冷块，下剪切盒的下方连接B水平滚珠导轨，荷重传感器与下剪切盒对应设置，荷重传感器固定在水平端固定装置，低温恒温槽内的冷却液输送管连接半导体制冷块；应变速率控制器的信号控制端连接水平推进器的信号输入端，水平承台的下方与杠杆端固定装置相固定，杠杆与杠杆端固定装置活动相接，杠杆的左侧上旋接配重砝码，砝码吊挂在杠杆的右侧。

冻土—结构直剪仪的使用方法，包括如下工艺步骤：

一、重塑土，

将土样设在105～110℃温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过0.5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土，重塑土的含水率与原土样含水率之差控制在±1%；将重塑土分3层填入容积100×60×40mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度之差控制在±0.01g/cm³；

二、将制备好的重塑土作为试样放入低温恒温箱中，按试验规划的各个负温条件下恒温养护4小时；

三、取出试样放入冻土—结构直剪仪的下剪切盒中，在试样表面规定的位置处凿开两道浅槽，槽的深度5mm，将热电偶放入浅槽中掩盖压实，将试样表面修平整；将浸水润湿后的板材放入上剪切盒并固定好；上下剪切盒按要求放置并用保温材料填充上下剪切盒之间的空隙；

四、启动半导体制冷块9，同时调整砝码上重量，改变上剪切盒、下剪切盒内的不同材料的接触面的法向应力，读取接触面温度，读取频率1次/min，当接触面温度达到设计温度要求并在1小时内温差小于0.2℃时进行剪切试验；

五、采集温度、压力、位移，其采集频率调节至1次/s，启动步进电机进行剪切，试验采用恒应变增量加载方式加载，并通过应变速率控制器14控制，当应力达到峰值后，（1）继续增加位移应变值直至应力稳定，（2）再增加2％的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力

与剪切位移的

曲线；

六、机卸载，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况。

本发明的优点：适用于研究低温条件下不同材料接触面之间的力学特性。本仪器可根据试验要求，提供不同的法向应力和温度作用于材料接触面，当不同材料接触面上的冻结情况达到相应要求后，在选定的剪切速率下对接触面施加剪切力，直至试样接触面产生破坏，测定剪应力与剪切位移的关系曲线。

附图说明

附图1是冻土—结构直剪仪的结构示意图。

图中的1是水平推进器；2是步进电机；3是位移传感器；4是垂直压力传力杆；5是水平滚珠导轨；6是上剪切盒；7是热电偶；8是下剪切盒；9是半导体制冷块；10是荷重传感器；11是水平端固定装置；12是冷却液输送管；13是低温恒温槽；14是应变速率控制器；15是配重砝码；16是杠杆端固定装置；17是水平承台；18是杠杆；19是砝码。

 具体实施方式

     对照附图1，冻土—结构直剪仪的结构是步进电机2的输出轴与水平推进器1中的齿轮轴相接，位移传感器3安装在水平推进器1上；位移传感器3的信号采集端与上剪切盒6对应设置，采集上剪切盒6的位移信号，位移传感器3的信号输出端连接CPU，A水平滚珠导轨5装在上剪切盒6上，垂直压力传力杆4连接在水平滚珠导轨5上，上剪切盒6与水平推进器1中的推进杆对应相接，上剪切盒6与下剪切盒8间设有热电偶7，下剪切盒8底部装有半导体制冷块9，下剪切盒8的下方连接B水平滚珠导轨5，荷重传感器10与下剪切盒8对应设置，荷重传感器10固定在水平端固定装置11，低温恒温槽13内的冷却液输送管12连接半导体制冷块9；应变速率控制器14的信号控制端连接水平推进器1的信号输入端，水平承台17的下方与杠杆端固定装置16相固定，杠杆18与杠杆端固定装置16活动相接，杠杆18的左侧上旋接配重砝码15，砝码19吊挂在杠杆18的右侧。

使用方法，

将土样设在105～110℃温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过0.5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土，重塑土的含水率与原土样含水率之差控制在±1%；将重塑土分3层填入容积100×60×40mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度之差控制在±0.01g/cm³；

将制备好的重塑土作为试样放入低温恒温箱中，按试验规划的各个负温条件下恒温养护4小时；取出试样放入冻土—结构直剪仪的下剪切盒中，在试样表面规定的位置处凿开两道浅槽，槽的深度5mm，将热电偶放入浅槽中掩盖压实，将试样表面修平整；将浸水润湿后的板材放入上剪切盒并固定好；上下剪切盒按要求放置并用保温材料填充上下剪切盒之间的空隙；启动半导体制冷块9，同时调整砝码19上重量，改变上剪切盒6、下剪切盒8内的不同材料的接触面的法向应力，读取接触面温度，读取频率1次/min，当接触面温度达到设计温度要求并在1小时内温差小于0.2℃时进行剪切试验；采集温度、压力、位移，其采集频率调节至1次/s，启动步进电机进行剪切，试验采用恒应变增量加载方式加载，并通过应变速率控制器14控制，当应力达到峰值后，（1）继续增加位移应变值直至应力稳定，（2）再增加2％的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力

与剪切位移

的

曲线；机卸载，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况。

实施例

支架外形尺寸：长750×高860×宽250mm，水平承台17尺寸：长750×宽250mm。支架底部装有滚轮，以方便移动。

剪切盒系统位于水平承台17的中部，由上剪切盒6和下剪切盒8两部分组成，具体位置如图1所示。上剪切盒、下剪切盒外侧均附着保温材料。上剪切盒容积为长120mm×宽70mm×高30mm，可以方便地更换结构材料,以模拟在工程领域可能遇到的各种结构面,如混凝土、金属等。下剪切盒用于放置土样，模具容积为为长100mm×宽60mm×高40mm，试样剪切面积为：100mm×60mm。下剪切盒8底部是封闭的半导体制冷块9。剪切盒系统在水平方向上（接触面切向）是自由的,在竖直方向上( 接触面法向)不发生位移, 模拟结构面的材料可在水平步进电机系统驱动下做水平( 接触面切向)运动, 实现接触面上冻土与结构的相对切向运动。

加载系统包括：水平推力装置（水平推进器1、步进电机2），应变速率控制器14，法向压力装置(垂直压力传力杆4、配重砝码15、杠杆端固定装置16、杠杆18、砝码19)三部分。水平推力装置位于水平承台右端、剪切盒左端；法向压力装置位于剪切盒垂线位置；应变速率控制器可以自由放置。

水平推力装置施加剪切荷载，其最大剪切力为30kN，精度1.5%；应变速率控制器控制剪切速率。剪切速率为无级变速，范围0.01～4.99mm/min，误差5%；通过杠杆式法向应力装置（现有的）施加法向荷载，荷载等级为12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa。

制冷系统：制冷采用半导体制冷，将半导体制冷块9镶嵌于下剪切盒8底部的空腔内，通过半导体制冷块对土样进行单向制冷冻结，最低制冷温度-30°C，确保可实现接触面温度0～－15°C，精度±0.1°C。通过埋设在土体表面（土样表面以下5mm处）和制冷块表面的热电偶7检测温度。 

数据采集系统包括荷重传感器10、位移传感器3、热电偶7和datataker DT80G 采集仪。荷重传感器10位于剪切盒系统右侧，位移传感器3位于剪切盒系统左侧，热电偶7位于剪切盒系统内部；三者最终经过datataker DT80G 采集仪将采集得到的数据传到CPU计算机中。其中，荷重传感器综合精度0.5%FS；非线性误差≤0.5%FS，使用温度范围﹣30～70℃，量程0～30kN。位移传感器线性度0.3%FS，量程0～25mm。

测量参数包括剪切应力、剪切位移、温度和剪切速率，剪切荷载、剪切位移、温度，分别采用拉压式负荷传感器8、位移传感器、热电偶进行测量。通过数据采集系统将有关数据传到计算机中自动采集。

试验表明

常规直剪仪剪切过程中，由于剪切位移逐渐增大，试样与材料块体的接触面积逐渐减小，接触面内的压力分布会发生变化，引起测量结果的误差，     冻土—结构直剪仪土样剪切面积为100mm×60mm，而结构板面积为120mm×70mm。由于冻土与结构接触面直剪实验中试样破坏的应变小于0.03，因此实验过程中，可以保证接触面面积不变。

试验发现：在制冷开始时立刻加载法向应力和制冷开始一段时间后再加载法向应力得到的接触面最大剪切力差异很大，前者远大于后者，经过分析认为，制冷开始时立刻加载法向应力更符合实际情况，同时由于制冷过程中，土样表面各处的冻胀率不一致，会使得土样表面凹凸不平，为保证冻土与结构接触面有效的接触面积。因此最终采用制冷开始时立刻加载法向应力的方式进行试验。

由于土样放置于不锈钢制成的模具中，同时结构板面积大于土样剪切面积，在法向压力作用下，结构板有与模具接触的可能，进而分散了作用于土样剪切面上的法向应力。首先在下剪切盒位于模具下方处刻出一道4mm深的槽，使得模具在竖直方向上是自由的，同时，充分利用冻土的冻胀特性，使得结构板和模具脱离。根据最终冻土—结构接触面滑动摩阻力与法向应力的关系可知，压力完全加到试样表面。

达到的技术指标

（1）试样剪切面积：100×60mm；

（2）最大法向应力：400kPa，杠杆式加荷结构，1：12的杠杆比；

（3）最大剪切力：30kN，出力精度：1.5%；

（4）剪切速率：0.01～4.99mm/min。步进电机驱动，无级变速，误差5%；

（5）剪切位移：0～25mm；

（6）半导体制冷块最低制冷温度-30°C，确保可实现接触面温度0～－15°C，精度±0.1°C；

（7）仪器外形尺寸：长750×高860×宽250mm。

Claims (2)

1.冻土—结构直剪仪，其特征是步进电机的输出轴与水平推进器中的齿轮轴相接，位移传感器安装在水平推进器上；位移传感器的信号采集端与上剪切盒对应设置，位移传感器的信号输出端连接CPU的信呈输入端，A水平滚珠导轨装在上剪切盒上，垂直压力传力杆连接在水平滚珠导轨上，上剪切盒与水平推进器中的推进杆对应相接，上剪切盒与下剪切盒间设有热电偶，下剪切盒底部装有半导体制冷块，下剪切盒的下方连接B水平滚珠导轨，荷重传感器与下剪切盒对应设置，荷重传感器固定在水平端固定装置，低温恒温槽内的冷却液输送管连接半导体制冷块；应变速率控制器的信号控制端连接水平推进器的信号输入端，水平承台的下方与杠杆端固定装置相固定，杠杆与杠杆端固定装置活动相接，杠杆的左侧上旋接配重砝码，砝码吊挂在杠杆的右侧。

2.冻土—结构直剪仪的使用方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、配置重塑土；

将土样在105～110℃温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过0.5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土，重塑土的含水率与原土样含水率之差控制在±1%；将重塑土分3层填入容积100×60×40mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度之差控制在±0.01g/cm³；

二、将制备好的重塑土作为试样放入低温恒温箱中，按试验规划的各个负温条件下恒温养护4小时；

三、取出试样放入冻土—结构直剪仪的下剪切盒中，在试样表面规定的位置处凿开两道浅槽，槽的深度5mm，将热电偶放入浅槽中掩盖压实，将试样表面修平整；将浸水润湿后的板材放入上剪切盒并固定好；上下剪切盒按要求放置并用保温材料填充上下剪切盒之间的空隙；

四、启动半导体制冷块，同时调整砝码上重量，改变上剪切盒、下剪切盒内的不同材料的接触面的法向应力，读取接触面温度，读取频率1次/min，当接触面温度达到设计温度要求并在1小时内温差小于0.2℃时进行剪切试验；

五、采集温度、压力、位移，其采集频率调节至1次/s，启动步进电机进行剪切，试验采用恒应变增量加载方式加载，并通过应变速率控制器控制，当应力达到峰值后，（1）继续增加位移应变值直至应力稳定，（2）再增加2％的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力                                                

与剪切位移

的

曲线；

六、机卸载，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况。

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