CN103018116B - 一种多层剪切的直接剪切仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层剪切的直接剪切仪装置，属于农工用品技术领域。外框架装置、剪切盒装置、水平加载装置和承托装置，剪切盒装置和水平加载装置分布在外框架装置内部，承托装置位于剪切盒装置的侧边；外框架装置顶部对应剪切盒装置的位置设置有垂直加载装置、对应水平加载装置的位置设置有吊装装置；外框架装置上有支撑水平加载装置的多层钢架，剪切盒装置有多层剪切盒，承托装置有多层承托块，多层钢架、多层剪切盒和多层承托块相对应的每一层平齐。本装置能够实现能对同一个土样开展多个剪切面的直剪试验。
Description
技术领域
本发明提供一种多层剪切的直接剪切仪装置，属于农工用品技术领域。
背景技术
排土场的形成是采矿，尤其是露天开采的必然结果。其组成材料主要是由露天开采时剥离覆盖的表层土和岩石组成，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等。由于排土场是一种巨型人工松散堆积体，这一特点致使排土场极易形成滑坡、泥石流等矿山地质灾害。因此，准确测定岩土体材料的力学参数是评价和治理岩土工程失稳的关键因素所在，其在岩土工程中意义也不言而喻。尽管如此，由于排土场散体材料粒径分布的不均匀性和随机性，且它是介于土体与岩体之间的一种特殊地质体。这类介质的主要特点是：①由松散的块体堆积而成；②块体的形状大小不均匀；③块体在空间随机分布；④块体之间经常有充填物。所以，到目前为止，散体粗粒料合理的强度参数取值一直是一个未解的难题。
目前，测定粗粒土强度参数的装置有直剪仪和三轴仪，但由于直剪试验的操作简便、适用范围广而应用最为普遍。因此，直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。但是，当前的直剪仪只能对一个试样进行固定面的剪切，即一个试样只能做一个剪切试验。这样的剪切面是人为设置的一个最弱剪切面，再加上散体粗粒土分布的随机性和不均匀性，这样获得的散体抗剪强度参数是完全不合理，。同时，通常测得一组散体材料的抗剪强度参数需要制备4-5个相同的土样，且其中的相同土样也只是人为假设的，实际上制备的4-5个土样根本就不一样。就算4-5个土样是完全一致的，但由于散体粗粒料的粒径悬殊较大，且粒径分布的随机性，导致装样过程中剪切面内的土样结构完全不一样，所以试验的散体抗剪强度参数误差较大。同时，一个试样只进行一次剪切试验，这既浪费大量的财力、物力和时间。且其获得的试验抗剪强度参数可靠度也大打折扣。粗粒土的三轴仪的结构复杂，购置仪器费用高、仪器操作复杂，适用范围小；而且做三轴实验所花费的人力、时间和财力都远高于直剪实验仪。因此，对于解决工程问题来说，使用直剪仪明显优于三轴仪。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种多层剪切的直接剪切仪装置，该装置可以针对岩土工程中的散土体同一组样开展不同层位的直接剪切试验，以一组试样就可测定散土体的力学参数。同时，也可通过此装置寻找到土样中的相对弱面。以测得相对弱面的强度值，以更准确的获得土体的强度参数。
本发明是一种多层剪切的直接剪切仪装置，包括以下设置：外框架装置54、剪切盒装置55、水平加载装置58和承托装置56，剪切盒装置55和水平加载装置58分布在外框架装置54内部，承托装置56位于剪切盒装置55的侧边；外框架装置54顶部对应剪切盒装置55的位置设置有垂直加载装置、对应水平加载装置58的位置设置有吊装装置57；外框架装置54上有支撑水平加载装置58的多层钢架，剪切盒装置55有多层剪切盒，承托装置56有多层承托块，多层钢架、多层剪切盒和多层承托块相对应的每一层平齐。
所述外框架装置54顶部的垂直加载装置由压力表10、油泵11和活塞12组成，油泵11上有压力表10，油泵11和活塞之间由进油管和放油管连接。当需要加压时，此时关闭放油管的阀门，通过压缩油泵11中的油，使油泵11中的油通过进油管压入活塞12，从而施加垂向的轴压；当实验完成后，打开放油管的阀门，使压入活塞12的油重新回流到油泵11中，从而实现放压的目的。相对应的剪切盒装置上部有垂直加载装置的附加组件，垂直加载装置的附加组件是由上传力板51、下传力板49，滚动排轴50及传力柱52组成，传力柱52固定在上传力板51上，上传力板51和下传力板通滚动排轴50连接，传力柱52的位置对应活塞12。当剪切盒中装好土样后，要分别将下传力板49，滚动排轴50，上传力板51及传力柱52按由下到上的顺序放置于土样表面，然后通过油泵11使活塞12与传力柱52接触。滚动排轴50的作用在于保证施加的垂直压力始终位于土样的中心。
所述剪切盒装置55由多层剪切盒堆叠组成、底部有底板30（底板30通过螺孔A15和螺孔B31固定在外框架装置54上），每个剪切盒之间通过滚珠18滚动连接、并通过固定角板固定，每个剪切盒对应水平加载装置的侧边有水平卡槽。如图2和3所示，在实验前，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号剪切盒25，26，27，28，29是通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号固定角板17，20，22，24固定成一个整体，当需要剪切某个面时，则打开固定其剪切面的固定角板。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号水平卡槽16，19，21，23是用于连接水平加载装置的。底板30是为了防止散体材料漏出。
如图4和5所示，所述水平加载装置58由依次连接并固定在传力支撑台35上的电动机32、螺旋传力杆34、固定台33、内传力环37、量力环38、外传力环39和连接台40组成，连接台40上有插销41，插销41可以与剪切盒装置55的水平卡槽连接。水平加载装置依靠电动机32产生推力，通过螺旋传力杆34，外传力环37、39，量力环38及连接台40的传递，使水平力传至剪切盒。连接台40与剪切盒的水平卡槽相连。其整个水平加载装置是可移动的，在剪切某个面时，水平加载装置可通过吊装装置放置于相对应的剪切面位置。水平加载装置上的电动机32、螺旋传力杆34、固定台33、内传力环37、量力环38、外传力环39和连接台40是通过固定螺丝B36固定在传力支撑台表面。
所述水平加载装置58是通过钢架8固定在外框架装置54上的，外框架装置54对应水平加载装置58的垂直方向的平行位置设置有多个支撑架，每个支撑架与每个剪切盒的位置平齐，钢架8可以固定在任意一个支撑架上。
所述吊装装置57是由悬挂钢梁2和滑轮3组成（悬挂钢梁2通过固定螺丝A1固定在外框架装置上），滑轮3连接水平加载装置。如图1所示，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7是用于放置钢架8，而钢架8是用于支撑水平加载装置的，钢架8是可移动的，这便于将钢架8在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7之间移动。如果在需要变换剪切面时，则需利用悬挂钢梁2和滑轮3将水平加载装置吊装在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7位置。支撑横架14是支承剪切盒装置的。压力表10、油泵11和活塞12是用于施加垂直荷载。
所述承托装置56是由多个承接块、滚轴承接板47和支架48组成，支架48上有多个承接块，分布在支架48的不同水平面上，滚轴承接板47可以放置于任一层。如图7所示，此装置的作用在于承接Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号剪切盒25，26，27，28，当每次直剪试验完成后，需要将剪切板放在对应高度（即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号承接块对应的高度）的滚轴承接板47上，以拉出剪切盒，便于开展下一剪切面的直剪试验。其中，滚轴承接板47是由滚轴承组成，以使剪切盒在上面时便于拉动。同时，滚轴承接板47是可动的，可以将其分别放置于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号承接块43，44，45，46上，然后可对应放置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号剪切盒25，26，27，28。
为了能使一个土样进行多层剪切，本发明设置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号剪切盒25，26，27，28，29。
为了能保证每次实验只进行一个面的剪切，本发明设置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号固定角板17，20，22，24，以将每个剪切盒固定在一起。
为了能施加垂直压力，本发明设置了垂直加载装置。
为了能施加水平推力，本发明设置了水平加载装置。
为了便于移动水平加载装置，本发明设置了吊装装置。
为了能使水平加载装置放置于不同位置，以使其与不同剪切盒位置相相应，本发明设置了支撑架4，5，6，7和钢架8。
为了便于在实验完成后拉出剪切盒，本发明设置了带滚轴承接板47的承托装置。
为了保证施加的垂直压力始终位于土样的中心。本发明设置了滚动排轴50
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）能对同一个土样开展多个剪切面的直剪试验。
（2）能通过吊装装置，将水平加载装置放置于不同位置的支撑架上，以与不同位置的剪切盒相对应。
（3）在施加不同垂直荷载对多个剪切面进行直剪试验的情况下，能通过一个试样测得此个土样的力学参数。
（4）在施加同一垂直荷载的条件下，能通过一个试样多个面的直剪试验，以了解此个试样的相对最弱剪切面。
（5）在实验完成后，能顺利将剪切盒（剪切面对应的上剪切盒）完全拉出。
仅依靠一个试样就能测得其力学参数，不仅节省人力、物力及财力，还大大提高所测散体力学参数的可靠性和准确性。
附图说明
图1为本发明直剪试验的外框架装置示意图；
图2为本发明剪切盒装置的拆分示意图；
图3为本发明剪切盒装置的组合示意图；
图4为本发明水平加载装置示意图；
图5为本发明水平加载装置的A-A剖面示意图；
图6为本发明承托装置示意图；
图7为本发明垂直加载装置的附加组件示意图；
图8为本发明的结构示意图。
图中标号对应的名称为：1-固定螺丝A；2-悬挂钢梁，3-滑轮；4-支撑架-Ⅰ，5-支撑架-Ⅱ，6-支撑架-Ⅲ，7-支撑架-Ⅳ，8-钢架，9-固定螺丝，10-压力表，11-油泵，12-活塞，13-仪器框架，14-支撑横架，15-螺孔A，16-水平卡槽-Ⅰ，17-固定角钢-Ⅰ，18-滚珠，19-水平卡槽-Ⅱ，20-固定角钢-Ⅱ，21、水平卡槽-Ⅲ，22-固定角钢-Ⅲ，23-水平卡槽-Ⅳ，24-固定角钢-Ⅳ，25、剪切盒-Ⅰ，26、剪切盒-Ⅱ，27-剪切盒-Ⅲ，28-剪切盒-Ⅳ，29-剪切盒-Ⅴ，30-底板，31-螺孔B，32-电动机，33-固定台，34-螺旋传力杆，35-传力支撑台，36-固定螺丝B，37-内传力环，38-量力环，39-外传力环，40-连接台，41-插销，42-连接珠，43-承重块-Ⅰ，44-承重块-Ⅱ，45-承重块-Ⅲ，46-承重块-Ⅳ，47-滚轴承接板，48-支架，49-下传力板，50-滚动排轴，51-上传力板，52-传力柱，53-垂直加载装置，54-外框架装置，55-剪切盒装置，56-承托装置，57-吊装装置，58-水平加载装置。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步描述，但本发明不限于以下所述范围。
实施例1：本实施例的多层剪切的直接剪切仪装置，包括外框架装置54、剪切盒装置55、水平加载装置58和承托装置56，剪切盒装置55和水平加载装置58分布在外框架装置54内部，承托装置56位于剪切盒装置55的侧边；外框架装置54顶部对应剪切盒装置55的位置设置有垂直加载装置、对应水平加载装置58的位置设置有吊装装置57；外框架装置54上有支撑水平加载装置58的多层钢架，剪切盒装置55有多层剪切盒，承托装置56有多层承托块，多层钢架、多层剪切盒和多层承托块相对应的每一层平齐。外框架装置54顶部的垂直加载装置由压力表10、油泵11和活塞12组成，油泵11上有压力表10，油泵11和活塞之间由进油管和放油管连接，相对应的剪切盒装置上部有垂直加载装置的附加组件，垂直加载装置的附加组件是由上传力板51、下传力板49，滚动排轴50及传力柱52组成，传力柱52固定在上传力板51上，上传力板51和下传力板通滚动排轴50连接，传力柱52的位置对应活塞12。当剪切盒中装好土样后，要分别将下传力板49，滚动排轴50，上传力板51及传力柱52按由下到上的顺序放置于土样表面，然后通过油泵11使活塞12与传力柱52接触。滚动排轴50的作用在于保证施加的垂直压力始终位于土样的中心。剪切盒装置55由多层剪切盒堆叠组成、底部有底板30（底板30通过螺孔A15和螺孔B31固定在外框架装置54上），每个剪切盒之间通过滚珠18滚动连接、并通过固定角板固定，每个剪切盒对应水平加载装置的侧边有水平卡槽。如图2和3所示，在实验前，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号剪切盒25，26，27，28，29是通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号固定角板17，20，22，24固定成一个整体，当需要剪切某个面时，则打开固定其剪切面的固定角板。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号水平卡槽16，19，21，23是用于连接水平加载装置的。底板30是为了防止散体材料漏出。如图4和5所示，所述水平加载装置58由依次连接并固定在传力支撑台35上的电动机32、螺旋传力杆34、固定台33、内传力环37、量力环38、外传力环39和连接台40组成，连接台40上有插销41，插销41可以与剪切盒装置55的水平卡槽连接。水平加载装置依靠电动机32产生推力，通过螺旋传力杆34，外传力环37、39，量力环38及连接台40的传递，使水平力传至剪切盒。连接台40与剪切盒的水平卡槽相连。其整个水平加载装置是可移动的，在剪切某个面时，水平加载装置可通过吊装装置放置于相对应的剪切面位置。水平加载装置上的电动机32、螺旋传力杆34、固定台33、内传力环37、量力环38、外传力环39和连接台40是通过固定螺丝B36固定在传力支撑台表面。水平加载装置58是通过钢架8固定在外框架装置54上的，外框架装置54对应水平加载装置58的垂直方向的平行位置设置有多个支撑架，每个支撑架与每个剪切盒的位置平齐，钢架8可以固定在任意一个支撑架上。吊装装置57是由悬挂钢梁2和滑轮3组成（悬挂钢梁2通过固定螺丝A1固定在外框架装置上），滑轮3连接水平加载装置。如图1所示，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7是用于放置钢架8，而钢架8是用于支撑水平加载装置的，钢架8是可移动的，这便于将钢架8在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7之间移动。如果在需要变换剪切面时，则需利用悬挂钢梁2和滑轮3将水平加载装置吊装在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号支撑架4，5，6，7位置。支撑横架14是支承剪切盒装置的。压力表10、油泵11和活塞12是用于施加垂直荷载。承托装置56是由多个承接块、滚轴承接板47，支架48组成，支架48上有多个承接块，分布在支架48的不同水平面上，滚轴承接板47可以放置于任一层。如图7所示，此装置的作用在于承接Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号剪切盒25，26，27，28，当每次直剪试验完成后，需要将剪切板放在对应高度（即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号承接块对应的高度）的滚轴承接板47上，以拉出剪切盒，便于开展下一剪切面的直剪试验。其中，滚轴承接板47是由滚轴承组成，以使剪切盒在上面时便于拉动。同时，滚轴承接板47是可动的，可以将其分别放置于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号承接块43，44，45，46上，然后可对应放置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号剪切盒25，26，27，28。
实施例2：本实施例的多层剪切的直接剪切仪装置，外框架装置54、剪切盒装置55、水平加载装置58和承托装置56，剪切盒装置55和水平加载装置58分布在外框架装置54内部，承托装置56位于剪切盒装置55的侧边；外框架装置54顶部对应剪切盒装置55的位置设置有垂直加载装置、对应水平加载装置58的位置设置有吊装装置57；外框架装置54上有支撑水平加载装置58的多层钢架，剪切盒装置55有五层剪切盒，承托装置56有五层承托块，五层钢架、五层剪切盒和五层承托块相对应的每一层平齐。外框架装置54顶部的垂直加载装置由压力表10、油泵11和活塞12组成，油泵11上有压力表10，油泵11和活塞之间由进油管和放油管连接，相对应的剪切盒装置上部有垂直加载装置的附加组件，垂直加载装置的附加组件是由上传力板51、下传力板49，滚动排轴50及传力柱52组成，传力柱52固定在上传力板51上，上传力板51和下传力板通滚动排轴50连接，传力柱52的位置对应活塞12。剪切盒装置55由多层剪切盒堆叠组成、底部有底板30（底板30通过螺孔A15和螺孔B31固定在外框架装置54上），每个剪切盒之间通过滚珠18滚动连接、并通过固定角板固定，每个剪切盒对应水平加载装置的侧边有水平卡槽。水平加载装置58由依次连接并固定在传力支撑台35上的电动机32、螺旋传力杆34、固定台33、内传力环37、量力环38、外传力环39和连接台40组成，连接台40上有插销41，插销41可以与剪切盒装置55的水平卡槽连接。水平加载装置58是通过钢架8固定在外框架装置54上的，外框架装置54对应水平加载装置58的垂直方向的平行位置设置有五个支撑架，每个支撑架与每个剪切盒的位置平齐，钢架8可以固定在任意一个支撑架上。吊装装置57是由悬挂钢梁2和滑轮3组成（悬挂钢梁2通过固定螺丝A1固定在外框架装置上），滑轮3连接水平加载装置。承托装置56是由多个承接块、滚轴承接板47，支架48组成，支架48上有20个承接块，每四个为一层，分布在支架48的不同水平面上，滚轴承接板47可以放置于任一层。
Claims (6)
1.一种多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：包括外框架装置（54）、剪切盒装置(55)、水平加载装置（58）和承托装置（56），剪切盒装置（55）和水平加载装置（58）分布在外框架装置（54）内部，承托装置（56）位于剪切盒装置（55）的侧边；外框架装置（54）顶部对应剪切盒装置（55）的位置设置有垂直加载装置、对应水平加载装置（58）的位置设置有吊装装置（57）；外框架装置（54）上有支撑水平加载装置的多层钢架，剪切盒装置（55）有多层剪切盒，承托装置（56）有多层承托块，多层钢架、多层剪切盒和多层承托块相对应的每一层平齐；
所述剪切盒装置（55）由多层剪切盒堆叠组成、底部有底板（30），每个剪切盒之间通过滚珠（18）滚动连接、并通过固定角板固定，每个剪切盒对应水平加载装置的侧边有水平卡槽。
2.根据权利要求1所述的多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：所述外框架装置（54）顶部的垂直加载装置由压力表（10）、油泵（11）和活塞（12）组成，油泵（11）上有压力表（10），油泵（11）和活塞之间由进油管和放油管连接；相对应的剪切盒装置上部有垂直加载装置的附加组件，垂直加载装置的附加组件是由上传力板（51）、下传力板（49），滚动排轴（50）及传力柱（52）组成，传力柱（52）固定在上传力板（51）上，上传力板（51）和下传力板通滚动排轴（50）连接，传力柱（52）的位置对应活塞（12）。
3.根据权利要求1所述的多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：所述水平加载装置（58）由依次连接并固定在传力支撑台（35）上的电动机（32）、螺旋传力杆（34）、固定台（33）、内传力环（37）、量力环（38）、外传力环（39）和连接台（40）组成，连接台（40）上有插销（41），插销（41）可以与剪切盒装置(55)的水平卡槽连接。
4.根据权利要求1所述的多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：所述水平加载装置（58）是通过钢架（8）固定在外框架装置（54）上的，外框架装置（54）对应水平加载装置（58）的垂直方向的平行位置设置有多个支撑架，每个支撑架与每个剪切盒的位置平齐，钢架（8）可以固定在任意一个支撑架上。
5.根据权利要求1所述的多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：所述吊装装置（57）是由悬挂钢梁（2）和滑轮（3）组成，滑轮（3）连接水平加载装置。
6.根据权利要求1所述的多层剪切的直接剪切仪装置，其特征在于：所述承托装置（56）是由多个承接块、滚轴承接板（47）和支架（48）组成，支架（48）上有多个承接块，分布在支架（48）的不同水平面上，滚轴承接板（47）可以放置于任一层。
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