CN103134729B - 一种应力应变控制式直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应力应变控制式直剪仪，该直剪仪包括上、下剪切盒形成容纳岩土体试样的方形剪切盒，上剪切盒的上端设置有用于向岩土体试样施加垂直载荷的垂直压力加荷机构，下剪切盒的一端与用于应力控制式直剪试验的水平剪力加荷机构相配合，另一端与用于应变控制式直剪试验的水平荷载机构相配合，所述水平荷载机构包括设置于试验平台上的扭矩转换箱以及与扭矩转换箱和下剪切盒分别相连的水平荷载拉压力传感器，本发明所述直剪仪既可进行应变控制式直剪试验，又可进行应力控制式直剪试验，结构简单、加工成本低，易于在生产和教学中推广应用。

Description

一种应力应变控制式直剪仪

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种直剪仪，特别是一种应力应变控制多功能直剪仪。

背景技术

直剪仪是土工试验中最常规的一种试验设备，主要用于测定岩土体在静载荷条件下的抗剪强度参数。岩土体的失稳绝大多数是由剪切破坏引起的，岩土工程的失稳破坏都伴随着剪切位移的发展，因此，通过施加剪切力或控制剪切位移对岩土体进行试验，准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义，直剪试验则是一种重要的试验手段。

直剪试验是以Coulomb理论为理论基础发展而来的、最早且最直接测定岩土体抗剪强度的试验方法。试验可分为应力控制式和应变控制式两种，应力控制式直剪试验是将土样装入剪切盒中，通过加压板对土样施加垂直压力的同时，对试样施加恒定的水平剪切力，测定其相应剪切位移，用于蠕变试验，测定土的长期强度；应变控制式直剪试验则是在对土样施加垂直压力的同时，按恒定速率剪切，测定其相应的水平剪应力，用于测定土的常规剪切强度。

目前国内外直剪仪常见的一种为单盒直剪仪，另一种为四联剪，两种直剪仪垂直荷载的施加均采用杠杆机构。在试验过程中发现，杠杆在施加砝码后发生了较大程度的倾斜，所加荷载越大倾角越大，最大达到了30°，使得实际作用于试样的压力大大减小，可见采用杠杆机构加荷力损失较大。除此之外，剪切盒规格单一，尤其国内用的多为圆形剪切盒，尺寸较小，应力集中现象较为严重，使得试样在整个试验过程中一直处于应力分布不均匀的状态，随着剪切位移的产生，这种应力分布的不均匀还会增强，影响测试结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应力应变控制式直剪仪。

该直剪仪包括试验平台以及设置于试验平台上的下剪切盒，下剪切盒上设置有上剪切盒，上、下剪切盒形成容纳岩土体试样的方形剪切盒，上剪切盒上设置有用于向岩土体试样施加垂直载荷的垂直压力加荷机构，下剪切盒的一端与用于应力控制式直剪试验的水平剪力加荷机构相配合，另一端与用于应变控制式直剪试验的水平荷载机构相配合，所述水平荷载机构包括设置于试验平台上的扭矩转换箱以及与扭矩转换箱和下剪切盒分别相连的水平荷载拉压力传感器，扭矩转换箱包括齿条、齿轮、与齿轮同轴连接的蜗轮以及与蜗轮配合的蜗杆，齿条的一端与齿轮相配合，另一端与下剪切盒相连，试验平台上设置有用于驱动蜗杆的剪切伺服电机。

所述直剪仪还包括支撑架以及与支撑架相连的横梁，试验平台设置于支撑架上。

所述上剪切盒的底部两边沿设置有与剪切位移方向一致的上剪切盒下V型槽，下剪切盒的上部两边沿设置有与上剪切盒下V型槽对应的下剪切盒上V型槽，试验平台上设置有与剪切位移方向一致的试验平台V型槽，下剪切盒的底部两边沿设置有与试验平台V型槽配合的下剪切盒下V型槽。

所述试验平台V型槽为2个以上。

所述下剪切盒包括储水盒以及固定于储水盒内一端的内盒，下剪切盒上V型槽设置于内盒的上部边沿，储水盒的高度大于内盒。

所述垂直压力加荷机构包括与上剪切盒相对的加压盖，加压盖的上端与垂直荷载拉压力传感器的下端相连，垂直荷载拉压力传感器的上端与垂直荷载加压横杆的上端相连，垂直荷载加压横杆的下端与设置于试验平台下端的垂直加荷滑轮组相连，垂直加荷滑轮组包括与垂直荷载加压横杆的下端相连的垂直压力加荷机构动滑轮组以及与垂直压力加荷机构动滑轮组相连的垂直压力加荷机构定滑轮组，垂直加荷滑轮组与设置于试验平台下端的垂直加荷砝码相连。

所述垂直压力加荷机构动滑轮组与垂直荷载加压横杆采用点连接方式。

所述水平剪力加荷机构包括设置于试验平台下端的剪力加荷滑轮组以及与剪力加荷滑轮组相连的水平加荷砝码，剪力加荷滑轮组包括与下剪切盒相连的水平剪力加荷机构动滑轮组以及与水平剪力加荷机构动滑轮组相连的水平剪力加荷机构定滑轮组。

所述直剪仪还包括设置于试验平台上的应变控制电子屏，垂直荷载拉压力传感器和水平荷载拉压力传感器分别与应变控制电子屏相连，应变控制电子屏与剪切伺服电机相连。

所述扭矩转换箱为多组，扭矩转换箱之间设置有用于连接相邻蜗杆的可脱节式轴承。

本发明的有益效果体现在：本发明所述直剪仪是一种多功能直剪仪，通过设置水平荷载机构以及水平剪力加荷机构在一台仪器上既可进行应变控制式直剪试验，又可进行应力控制式直剪试验；本发明所述直剪仪中各部件均采用机械连接，结构简单、加工成本低，使用便捷，特别方便进行零部件的维护与更换，为节约使用成本提供了便利，易于在生产和教学中推广应用。

本发明所述直剪仪通过设置多个试验平台V型槽，可选用不同尺寸的方形剪切盒进行试验，通过使用尺寸较大的方形剪切盒，很好的改善了小试样剪切应力集中和应力分布不均匀的问题，测得的试验数据能更真实地反映土样的抗剪强度；同时还可以进行多个（比如两个）试样同等压力下的剪切试验，有效的消除了由于仪器的不同给试验结果造成的误差。

本发明所述直剪仪的下剪切盒包括储水盒，可以用作水槽，保证了饱和试样剪切面在剪切过程中维持饱和状态，有效防止了由于水分蒸发、试样变干而引起的抗剪强度增大。

本发明所述直剪仪中垂直压力加荷系统和水平剪力加荷系统摒弃了现有的杠杆加载机构，采用工作性能更可靠的滑轮组机构施加荷载，并配有S型拉压力传感器，可测得作用于试样的真实压力和剪力，有效的消除了由于杠杆倾斜造成的加荷损失。且滑轮组机构原理简单，结构更为灵活，试验过程中可根据需求选择放大倍数，更容易满足不同的工程需求。

本发明所述直剪仪采用伺服电机提供不同的剪切速度，并引入了应变控制电子屏，使试验操作更为简便，同时扭矩转换箱之间选用了可脱节式轴承连接，试验时可根据需求选用扭矩转换箱，不用的剪切单元可通过脱开轴承的连接达到停止工作，最大程度减少了仪器的磨损。

附图说明

图1为本发明所述应力应变控制式直剪仪的结构示意图；

图2为本发明所述方形剪切盒装配图；

图3为本发明所述下剪切盒细节图；

图4为本发明所述垂直压力加荷机构动滑轮组与垂直荷载加压横杆连接图；

图5为本发明所可脱节式轴承连接结构图；

图中：1-支撑架；2-横梁；3-试验平台；4-第一定滑轮、5-第二定滑轮；6-第三定滑轮；7-第一试验平台V型槽；8-第二试验平台V型槽；9-第三试验平台V型槽；10-第四试验平台V型槽；11-第五试验平台V型槽；12-第六试验平台V型槽；13-下剪切盒；14-上剪切盒；15-加压盖；16-垂直荷载拉压力传感器；17-垂直荷载加压横杆；18-第一扭矩转换箱；19-第二扭矩转换箱；20-应变控制电子屏；21-第三扭矩转换箱；22-剪切伺服电机；23-水平荷载拉压力传感器；24-垂直压力加荷机构动滑轮组；25-垂直压力加荷机构定滑轮组；26-垂直加荷砝码；27-水平加荷砝码；28-水平剪力加荷机构定滑轮组；29-水平剪力加荷机构动滑轮组；30-内盒；31-储水盒；32-销钉；33-可脱节式轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1-图3，该直剪仪包括试验平台3以及设置于试验平台3上的下剪切盒13，下剪切盒13上设置有上剪切盒14，上、下剪切盒形成容纳岩土体试样的方形剪切盒；所述上剪切盒14的底部两边沿设置有与剪切位移方向一致的上剪切盒下V型槽，下剪切盒13的上部两边沿设置有与上剪切盒下V型槽对应的下剪切盒上V型槽，试验平台3上设置有与剪切位移方向一致的试验平台V型槽，下剪切盒13的底部两边沿设置有与试验平台V型槽配合的下剪切盒下V型槽，所述试验平台V型槽为2个以上；所述下剪切盒13包括储水盒31以及固定于储水盒31内一端的内盒30，下剪切盒上V型槽设置于内盒30的上部边沿，储水盒31的高度大于内盒30；上剪切盒14上设置有用于向岩土体试样施加垂直载荷的垂直压力加荷机构，下剪切盒13的一端与用于应力控制式直剪试验的水平剪力加荷机构相配合，另一端与用于应变控制式直剪试验的水平荷载机构相配合，所述水平荷载机构包括设置于试验平台3上的扭矩转换箱以及与扭矩转换箱和下剪切盒分别相连的水平荷载拉压力传感器23，扭矩转换箱包括齿条、齿轮、与齿轮同轴连接的蜗轮以及与蜗轮配合的蜗杆，齿条的一端与齿轮相配合，另一端与下剪切盒相连，试验平台3上设置有用于驱动蜗杆的剪切伺服电机22，剪切伺服电机的动力通过蜗轮蜗杆组件和齿轮齿条组件转换为下剪切盒的直线运动；所述直剪仪还包括支撑架1以及与支撑架1相连的横梁2，试验平台3设置于支撑架1上。

所述垂直压力加荷机构包括与上剪切盒14相对的加压盖15，加压盖15的上端与垂直荷载拉压力传感器16的下端相连，垂直荷载拉压力传感器16的上端与垂直荷载加压横杆17的上端相连，垂直荷载加压横杆17的下端与设置于试验平台3下端的垂直加荷滑轮组相连，垂直加荷滑轮组包括与垂直荷载加压横杆17的下端相连的垂直压力加荷机构动滑轮组24以及与垂直压力加荷机构动滑轮组24相连的垂直压力加荷机构定滑轮组25，垂直加荷滑轮组与设置于试验平台3下端的垂直加荷砝码26相连；所述垂直压力加荷机构动滑轮组24与垂直荷载加压横杆17采用点连接方式（参见图4）。

所述水平剪力加荷机构包括设置于试验平台3下端的剪力加荷滑轮组以及与剪力加荷滑轮组相连的水平加荷砝码27，剪力加荷滑轮组包括与下剪切盒13相连的水平剪力加荷机构动滑轮组29以及与水平剪力加荷机构动滑轮组29相连的水平剪力加荷机构定滑轮组28；所述直剪仪还包括设置于试验平台3上的应变控制电子屏20，垂直荷载拉压力传感器16和水平荷载拉压力传感器23分别与应变控制电子屏20中的信号采集卡相连，完成信号传递，并通过内置数据处理软件完成数据处理和显示，应变控制电子屏20与剪切伺服电机22相连；所述扭矩转换箱为多组，扭矩转换箱之间设置有用于连接相邻蜗杆的可脱节式轴承33（参见图5）。

工作原理

试验前首先按需求安放剪切盒于对应的试验平台V型槽上，然后将制好的试样装入方形剪切盒中，上、下剪切盒的接触边中与剪切位移方向相一致的两个边设有V型槽，槽中装有滚珠，装样完成后开始对试样施加垂直荷载。首先将加压盖对正放置于试样上，将垂直荷载加压横杆17对正置于加压盖15上，传力装置安装完成，压力的加载主要由滑轮组完成，即垂直压力加荷机构动滑轮组24和垂直压力加荷机构定滑轮组25。垂直加压完成后，若进行的是应力控制式直剪试验，与垂直加压系统原理一样，同样应用滑轮组机构将砝码的重力放大若干倍，后施加于下剪切盒，记录下剪切盒在每一级水平剪力作用下的剪切位移，直至土样达到剪切破坏。若进行的是应变控制式直剪试验，打开应变控制电子屏20，在屏幕上选择所需要的剪切速度后点击开始，剪切伺服电机带动蜗杆旋转，通过蜗轮将动力传递给与蜗轮同轴连接的齿轮齿条组件中的齿轮，齿轮与齿条啮合推动下剪切盒，记录水平荷载拉压力传感器23所测读数，土样发生剪切破坏后结束试验。

实施例

一种应力应变控制多功能直剪仪，该仪器主要由试验台、应变控制系统、垂直压力加载系统、水平剪力加载系统以及量测系统组成。如图1中所示，包括支撑架1，用于支撑试验台，保持整个仪器的稳定；横梁2，主要起加固作用，且为滑轮组加载系统中的定滑轮提供安装位置；试验台，为剪切盒的安装和试验的进行提供平台；第一定滑轮4、第二定滑轮5以及第三定滑轮6，用于改变剪力方向，其中第一定滑轮4、第三定滑轮6用于10cm×10cm的方形剪切盒，第二定滑轮5用于20cm×20cm的方形剪切盒；第一试验平台V型槽7、第二试验平台V型槽8、第三试验平台V型槽9、第四试验平台V型槽10、第五试验平台V型槽11以及第六试验平台V型槽12，用于安放剪切盒，进行试验时槽中配套安放滚珠，既起导轨作用，又减小了下剪切盒与试验平台的摩擦，其中第一试验平台V型槽7、第三试验平台V型槽9、第四试验平台V型槽10、第六试验平台V型槽12用于10cm×10cm的方形剪切盒，第二试验平台V型槽8、第五试验平台V型槽11用于20cm×20cm的方形剪切盒；下剪切盒13以及上剪切盒14，用于安装试样；加压盖15，用于将垂直压力传递给试样；垂直荷载拉压力传感器16，用于测定试验过程中作用于试样的实际垂直压力；垂直荷载加压横杆17，此处的横杆主要是将滑轮组放大的垂直压力传递到加压盖；第一扭矩转换箱18、第二扭矩转换箱19以及第三扭矩转换箱21，内置蜗轮蜗杆机构，用于将剪切伺服电机22输出的转速改变方向后传递给下剪切盒，其中第一扭矩转换箱18、第三扭矩转换箱21用于10cm×10cm的方形剪切盒，第二扭矩转换箱19用于20cm×20cm的方形剪切盒；应变控制电子屏20，进行试验时可在该电子屏上设定剪切速度和剪切位移；剪切伺服电机22，为系统提供动力源，控制剪切速度；水平荷载拉压力传感器23，用于测定试验过程中作用于试样的剪力；垂直压力加荷机构动滑轮组24与垂直压力加荷机构定滑轮组25共同组成了垂直压力加荷系统，可将垂直加荷砝码26的重力放大五到十五倍；水平剪力加荷机构定滑轮组28与水平剪力加荷机构动滑轮组29共同组成了剪力加荷系统，可将水平加荷砝码27的重力放大五倍。

该仪器可利用取自现场的原状土样、重塑土样进行应力控制式直剪试验和应变控制式直剪试验，且在试验前可按试验设计需求选用一个10cm×10cm或20cm×20cm的方形剪切盒进行试验，也可选取两个10cm×10cm的方形剪切盒进行同级压力平行试验，以求得到更准确的试验数据。

试验前首先按需求安放剪切盒，若选用一个10cm×10cm的方形剪切盒进行试验，可放置于第一试验平台V型槽7、第三试验平台V型槽9中；选用一个20cm×20cm的方形剪切盒，应放置于第二试验平台V型槽8、第五试验平台V型槽11中；若选用两个10cm×10cm的方形剪切盒，应放置于槽第一试验平台V型槽7、第三试验平台V型槽9、第四试验平台V型槽10、第六试验平台V型槽12中，各槽中均装有滚珠，然后将制好的试样装入方形剪切盒中。方形剪切盒由下剪切盒13和上剪切盒14组成，上、下剪切盒的接触边中与剪切位移方向相一致的两个边设有V型槽，槽中装有滚珠，方形剪切盒装配如图2所示。对于下剪切盒13，采用了在单一剪切盒外又加了一个长方形不锈钢盒子，这个不锈钢盒子较里边的剪切盒高约1cm，主要用于在测定饱和土样抗剪强度参数时加水，保持上下剪切盒间剪切面土样的含水率，使所测结果为真正意义上的饱和土样抗剪强度。同时考虑到上、下剪切盒在剪切过程中会产生一个相对位移，下剪切盒外所设的不锈钢盒子，其与剪切位移方向相反的一边与下剪切盒同边之间的距离较大，约为一般剪切破坏位移的2倍，下剪切盒的细节如图3所示。

装样完成后开始对试样施加垂直荷载。垂直荷载的施加主要涉及加压盖15、垂直荷载拉压力传感器16、垂直荷载加压横杆17、垂直压力加荷机构动滑轮组24、垂直压力加荷机构定滑轮组25和垂直加荷砝码26。首先将加压盖15对正放置于试样上，不可与方形剪切盒壁接触，垂直荷载拉压力传感器16与垂直荷载加压横杆17为一体，将垂直荷载加压横杆17对正置于加压盖15上，传力装置安装完成，然后进行加载装置的安装。压力的加载主要由滑轮组完成，即垂直压力加荷机构动滑轮组24和垂直压力加荷机构定滑轮组25。与传统滑轮组机构不同，本发明将动滑轮置于定滑轮之上，可使所加载荷成倍变化，且考虑到试验操作的方便性，垂直压力加荷机构动滑轮组24与垂直荷载加压横杆17采用点连接方式，如图4所示，此设计有利于垂直荷载加压横杆17的平衡。与杠杆机构加荷相比较，滑轮组加载更可靠，且可根据需求调整力的放大倍数，有较好的灵活性。

垂直加压完成后，若进行的是应力控制式直剪试验，接下来要用到水平剪力加载系统，涉及到水平加荷砝码27、水平剪力加荷机构定滑轮组28和水平剪力加荷机构动滑轮组29。与垂直加压系统原理一样，水平剪力加载系统同样应用滑轮组机构将砝码的重力放大若干倍，后施加于下剪切盒。同时，配备百分表记录下剪切盒在每一级水平剪力作用下的剪切位移，直至土样达到剪切破坏。

垂直加压完成后，若进行的是应变控制式直剪试验，要用到的则是应变控制系统，涉及到第一扭矩转换箱18、第二扭矩转换箱19、第三扭矩转换箱21、应变控制电子屏20、剪切伺服电机22、水平荷载拉压力传感器23。进行试验时，只需在接好电源后打开应变控制电子屏20，在屏幕上选择所需要的剪切速度后点击开始即可。此处有关第一扭矩转换箱18、第二扭矩转换箱19以及第三扭矩转换箱21之间的连接选用了可脱节式轴承连接，试验时可根据需求连接或分开扭矩转换箱，其连接结构如图5所示。同时，记录水平荷载拉压力传感器23所测读数，土样发生剪切破坏后结束试验。

Claims (5)

1.一种应力应变控制式直剪仪，其特征在于：该直剪仪包括试验平台(3)以及设置于试验平台(3)上的下剪切盒(13)，下剪切盒(13)上设置有上剪切盒(14)，上、下剪切盒形成容纳岩土体试样的方形剪切盒，上剪切盒(14)上设置有用于向岩土体试样施加垂直载荷的垂直压力加荷机构，下剪切盒(13)的一端与水平剪力加荷机构相配合，另一端与水平荷载机构相配合，所述水平荷载机构包括设置于试验平台(3)上的扭矩转换箱以及与扭矩转换箱和下剪切盒(13)分别相连的水平荷载拉压力传感器(23)，扭矩转换箱包括齿条、齿轮、与齿轮同轴连接的蜗轮以及与蜗轮配合的蜗杆，齿条的一端与齿轮相配合，另一端与下剪切盒相连，试验平台(3)上设置有用于驱动蜗杆的剪切伺服电机(22)；

所述上剪切盒(14)的底部两边沿设置有与剪切位移方向一致的上剪切盒下V型槽，下剪切盒(13)的上部两边沿设置有与上剪切盒下V型槽对应的下剪切盒上V型槽，试验平台(3)上设置有与剪切位移方向一致的试验平台V型槽，下剪切盒(13)的底部两边沿设置有与试验平台V型槽配合的下剪切盒下V型槽；各槽中均装有滚珠；

所述试验平台V型槽包括第一试验平台V型槽(7)、第二试验平台V型槽(8)、第三试验平台V型槽(9)、第四试验平台V型槽(10)、第五试验平台V型槽(11)以及第六试验平台V型槽(12)；

所述下剪切盒(13)包括储水盒(31)以及固定于储水盒(31)内一端的内盒(30)，下剪切盒上V型槽设置于内盒(30)的上部边沿，储水盒(31)的高度大于内盒(30)；

所述垂直压力加荷机构包括与上剪切盒(14)相对的加压盖(15)，加压盖(15)的上端与垂直荷载拉压力传感器(16)的下端相连，垂直荷载拉压力传感器(16)的上端与垂直荷载加压横杆(17)的上端相连，垂直荷载加压横杆(17)的下端与设置于试验平台(3)下端的垂直加荷滑轮组相连，垂直加荷滑轮组包括与垂直荷载加压横杆(17)的下端相连的垂直压力加荷机构动滑轮组(24)以及与垂直压力加荷机构动滑轮组(24)相连的垂直压力加荷机构定滑轮组(25)，垂直加荷滑轮组与设置于试验平台下端的垂直加荷砝码(26)相连；

所述垂直压力加荷机构动滑轮组(24)与垂直荷载加压横杆(17)采用点连接方式。

2.根据权利要求1所述一种应力应变控制式直剪仪，其特征在于：所述直剪仪还包括支撑架(1)以及与支撑架(1)相连的横梁(2)，试验平台(3)设置于支撑架(1)上。

3.根据权利要求1所述一种应力应变控制式直剪仪，其特征在于：所述水平剪力加荷机构包括设置于试验平台(3)下端的剪力加荷滑轮组以及与剪力加荷滑轮组相连的水平加荷砝码(27)，剪力加荷滑轮组包括与下剪切盒(13)相连的水平剪力加荷机构动滑轮组(29)以及与水平剪力加荷机构动滑轮组(29)相连的水平剪力加荷机构定滑轮组(28)。

4.根据权利要求3所述一种应力应变控制式直剪仪，其特征在于：所述直剪仪还包括设置于试验平台(3)上的应变控制电子屏(20)，垂直荷载拉压力传感器(16)和水平荷载拉压力传感器(23)分别与应变控制电子屏(20)相连，应变控制电子屏(20)与剪切伺服电机(22)相连。

5.根据权利要求1所述一种应力应变控制式直剪仪，其特征在于：所述扭矩转换箱为多组，扭矩转换箱之间设置有用于连接相邻蜗杆的可脱节式轴承(33)。