CN103487329B - 用于土壤与结构面的力学测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于土壤与结构面的力学测试仪，包括：支架、设置在该支架上的控制开关、固定在所述支架底板上的升降机构、压在所述升降机构顶部的测力环、固定在所述支架顶板上的容器、通过传压螺钉压在该容器上部的杠杆、通过平衡杆固定在所述杠杆后端的平衡锤以及挂在所述杠杆前端的砝码。应变测量系统连接容器中的推进杆。本发明能保证试验过程中测量范围内土与结构物接触面积恒定不变；应变测量系统测量应变片组中各应变片的形变，能测出土与圆柱形结构物界面上的真实法向应力和剪应力。

Description

用于土壤与结构面的力学测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及机械应力测试领域，尤其涉及用于土壤与结构面的力学测试仪及其测试方法。

背景技术

目前，用于土壤与结构接触面力学特性常用技术主要有两种类型：直剪型和单剪型，直剪型通常利用土壤体直剪仪，将土壤体刚性下盒替换成结构物块体，刚性上盒盛土壤，通过进行不同法向应力作用下的直接剪切试验，测得土壤与结构面之间的抗剪强度，从而计算出土壤与结构接触面之间的摩擦角和粘聚力参数。单剪型的测试方法与直剪型的测试方法类似，但将刚性上盒替换成叠环型柔性剪切盒，使土壤体的变形更为均匀。直剪型仪器系统及试验操作都比较简单，但存在试验过程中土壤与结构接触面面积逐步减少等问题；单剪型能保证试验过程中接触面积不变，但在边角处土壤体容易出现应力集中，导致最终结论不准确。此外，直剪型和单剪型测量仪器都只能测量土壤体与平面型结构物之间的力学特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于土壤与结构面的力学测试仪，测试土壤与圆柱形结构物界面的剪切力学特性，测试过程中土壤与接触物的接触面积不变，测试更准确，结论更可靠。

本发明的技术方案是一种用于土壤与结构面的力学测试仪，包括：支架、设置在该支架上的控制开关、固定在所述支架底板上的升降机构、压在所述升降机构顶部的测力环、固定在所述支架顶板上的容器、通过传压螺钉压在该容器上部的杠杆、通过平衡杆固定在所述杠杆后端的平衡锤以及挂在所述杠杆前端的砝码；其中，所述容器中装有土壤，所述容器包括底座、设置在该底座上的侧壁、压在土壤上表面的加压盖、扣在所述侧壁上端的固定圈、同时压住所述加压盖和所述固定圈的导向套以及从所述底座的底部插入所述土壤中的推进杆；螺杆穿过底座、固定圈和导向套，将容器锁紧；所述推进杆的底部压在所述测力环的顶部，所述推进杆中空，该推进杆的侧面有应变片组，该应变片组连接应变测量系统；所述控制开关连接所述升降机构；所述顶板上有百分表，该百分表的测量头压在所述加压盖的顶部。测试之前，先在容器底部放上滤纸，再装入土样，将土样上表面刮平。然后装上导向套，装上加压盖，锁紧螺杆，将杠杆通过传压螺钉压在加压盖顶部的凹陷中。测试时，将力学测试仪接通电源，打开力学测试仪上的控制开关，设定应变速率。将开关拨至剪切位，推进杆按应变速率上升，记录推进过程推动力的数值，以及推进杆的轴向应变和径向应变，最终得到土壤与推进杆界面的力学特性曲线。将推进杆从土壤的底部垂直向上推进，在密闭的容器中，能保证试验过程中测量范围内土与结构物接触面积恒定不变；应变测量系统测量应变片组中各应变片的形变，能测出土与圆柱形结构物界面上的真实法向应力，也能测量压入和拔出过程土与结构物界面的力学特性。

进一步地，所述升降机构内部有电机，所述控制开关连接所述电机。控制开关控制电机的转动、停止以及转动速度。电机带动升降机构的上升和下降，间接控制推进杆的上升和下降。便于测量推进杆在推进过程中所受的总阻力。

进一步地，所述升降机构通过测力计螺母连接所述测力环的底部。

进一步地，顶板上有调节杆，该调节杆顶在杠杆的底部。调节杆防止杠杆前端突然下降，砸到顶板上。

进一步地，应变片组包括第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片。应变测量系统根据第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片的形变，得出相应的数据，便于测量土壤与推进杆之间的法向应力和平均剪应力；所述第一应变片和第二应变片沿推进杆的轴向排列，且所述第一应变片和第二应变片都是竖直设置。推进杆在土壤中做垂直方向运动时，第一应变片和第二应变片受到土壤的阻力，通过测量第一应变片和第二应变片受到的阻力，便于得出土壤与推进杆之间的平均剪应力；

所述第三应变片和第四应变片沿推进杆的轴向排列，且所述第三应变片和第四应变片都是水平设置。土壤给第三应变片和第四应变片施加沿推进杆径向的挤压力，通过测量第三应变片和第四应变片受到的挤压力，便于得出土壤与推进杆之间的法向应力。

进一步地，加压盖和导向套上有排气孔，该排气孔中有排气螺钉。螺杆将容器锁紧后，再安装排气螺钉，容器内外气压平衡，避免推进杆受容器内气压的影响，保证应变测量系统得到准确的数据，最终得到准确的土壤与推进杆之间的法向应力和平均剪应力。

本发明还提供一种技术方案，用于土壤与结构面的力学测试方法，包括如下步骤：

S1、将容器从力学测试仪上取出，放入滤纸；推入推进杆，均匀装入土壤；土壤装完后，将土壤面刮平，测量土壤的高度，松开排气螺钉，套上导向套，使用盖形螺母固紧，拧紧排气螺钉；

S2、将容器安装到力学测试仪上，调节传压螺钉的位置，将该传压螺钉压在加压盖顶部；

S3、装上百分表，调整百分表的位置，对零。调节调节杆，施加第一级砝码，根据时间系列记录土壤变形数据；

S4、逐级施加砝码，纪录土壤变形数据和推进杆的径向应变；

S5、将力学测试仪接通电源，打开力学测试仪上的控制开关，设定应变速率。将开关拨至剪切位，推进杆按应变速率上升，记录推进过程推动力的数值，以及推进杆的轴向应变和径向应变；

S6、试验结束后，拆除容器，数据处理，得到土壤与推进杆界面的力学特性曲线。

进一步地，步骤S4和S5中，使用应变测量系统测量并显示推进杆的轴向应变和径向应变数据。

进一步地，土壤与推进杆之间的平均剪应力计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{N_B-N_A}{\mathrm{\πDL}}$

式中，τ为设定距离上土壤与推进杆之间的平均剪应力，D为推进杆的外径，L为第一应变片与第二应变片的距离，N_A表示第一应变片受到的轴向力，N_B表示第二应变片受到的轴向力，π取3.14。

进一步地，土壤与推进杆之间的法向应力计算公式为：

$p_1=\frac{2T}{D}$

式中，T为沿推进杆轴向单位长度上的环向力，D为推进杆的外径。

有益效果：将推进杆从土壤的底部垂直向上推进，在密闭的容器中，能保证试验过程中测量范围内土与结构物接触面积恒定不变；应变测量系统测量应变片组中各应变片的形变，能测出土与圆柱形结构物界面上的真实法向应力，也能测量压入和拔出过程土与结构物界面的力学特性。测试更准确，结论更可靠。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明另一种实施例的结构示意图；

图3是本发明一种实施例中推进杆的纵向剖面图；

图4是本发明一种实施例中推进杆的横向剖面图；

图5是本发明一种实施例中土壤与推进杆界面的力学特性曲线图。

图中标记：1-支架；2-控制开关；3-升降机构；4-测力计螺母；5-测力环；6-容器；7-应变测量系统；8-杠杆；9-平衡杆；10-平衡锤；11-调节杆；12-砝码；13-底座；14-侧壁；15-土壤；16-固定圈；17-导向套；18-加压盖；19-推进杆；20-第一应变片；21-第二应变片；22-第三应变片；23-第四应变片；24-排气螺钉；25-顶板；26-底板；27-传压螺钉。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

参见图1至4，一种用于土壤与结构面的力学测试仪，包括：支架1、设置在该支架1上的控制开关2、固定在所述支架1底板26上的升降机构3、压在所述升降机构3顶部的测力环5、固定在所述支架1顶板25上的容器6、通过传压螺钉27压在该容器6上部的杠杆8、通过平衡杆9固定在所述杠杆8后端的平衡锤10以及挂在所述杠杆8前端的砝码12；其中，所述容器6中装有土壤15，所述容器6包括底座13、设置在该底座13上的侧壁14、压在土壤15上表面的加压盖18、扣在所述侧壁14上端的固定圈16、同时压住所述加压盖18和所述固定圈16的导向套17以及从所述底座13的底部插入所述土壤15中的推进杆19；螺杆穿过底座13、固定圈16和导向套17，将容器6锁紧；所述推进杆19的底部压在所述测力环5的顶部，所述推进杆19中空，该推进杆19的侧面有应变片组，该应变片组连接应变测量系统7；所述控制开关2连接所述升降机构3；所述顶板25上有百分表，该百分表的测量头压在所述加压盖18的顶部。测试之前，先在容器6底部放上滤纸，再装入土样，将土样上表面刮平。然后装上导向套17，装上加压盖18，锁紧螺杆，将杠杆8通过传压螺钉27压在加压盖18顶部的凹陷中。测试时，将力学测试仪接通电源，打开力学测试仪上的控制开关2，设定应变速率。将开关拨至剪切位，推进杆19按应变速率上升，记录推进过程推动力的数值，以及推进杆19的轴向应变和径向应变，最终得到土壤15与推进杆19界面的力学特性曲线。将推进杆19从土壤15的底部垂直向上推进，在密闭的容器6中，能保证试验过程中测量范围内土与结构物接触面积恒定不变；应变测量系统7测量应变片组中各应变片的形变，能测出土与圆柱形结构物界面上的真实法向应力，也能测量压入和拔出过程土与结构物界面的力学特性。

本实施例中，相应参数见下表：

土壤15面积	157cm2
		土壤15固结压力	0-900kPa
推进杆19升降速率	0.02-2.4mm/min
		电机的最大推力	1500N

参见图1，升降机构3内部有电机，所述控制开关2连接所述电机。控制开关2控制电机的转动、停止以及转动速度。电机带动升降机构3的上升和下降，间接控制推进杆19的上升和下降。便于测量推进杆19在推进过程中所受的总阻力。

参见图1，所述升降机构3通过测力计螺母4连接所述测力环5的底部。

参见图1，顶板25上有调节杆11，该调节杆11顶在杠杆8的底部。调节杆11防止杠杆8前端突然下降，砸到顶板25上。

参见图1、图3和图4，应变片组包括第一应变片20、第二应变片21、第三应变片22以及第四应变片23。应变测量系统7根据第一应变片20、第二应变片21、第三应变片22以及第四应变片23的形变，得出相应的数据，便于测量土壤15与推进杆19之间的法向应力和平均剪应力；所述第一应变片20和第二应变片21沿推进杆19的轴向排列，且所述第一应变片20和第二应变片21都是水平设置。推进杆19在土壤15中做垂直方向运动时，第一应变片20和第二应变片21受到土壤15的阻力，通过测量第一应变片20和第二应变片21受到的阻力，便于得出土壤15与推进杆19之间的平均剪应力；所述第三应变片22和第四应变片23沿推进杆19的轴向排列，且所述第三应变片22和第四应变片23都是竖直设置。土壤15给第三应变片22和第四应变片23施加沿推进杆19径向的挤压力，通过测量第三应变片22和第四应变片23受到的挤压力，便于得出土壤15与推进杆19之间的法向应力。

参见图2，加压盖18和导向套17上有排气孔，该排气孔中有排气螺钉24。螺杆将容器6锁紧后，再安装排气螺钉24，容器6内外气压平衡，避免推进杆19受容器6内气压的影响，保证应变测量系统7得到准确的数据，最终得到准确的土壤15与推进杆19之间的法向应力和平均剪应力。

参见图1和图2，用于土壤与结构面的力学测试方法，包括如下步骤：

S1、将容器6从力学测试仪上取出，放入滤纸；推入推进杆19，均匀装入土壤15；土壤15装完后，将土壤15面刮平，测量土壤15的高度，松开排气螺钉24，套上导向套17，使用盖形螺母固紧，拧紧排气螺钉24；

S2、将容器6安装到力学测试仪上，调节传压螺钉27的位置，将该传压螺钉27压在加压盖18顶部；

S3、装上百分表，调整百分表的位置，对零。调节调节杆11，施加第一级砝码12，根据时间系列记录土壤15变形数据；

S4、逐级施加砝码12，纪录土壤15变形数据和推进杆19的径向应变；

S5、将力学测试仪接通电源，打开力学测试仪上的控制开关2，设定推进速率为2mm/min。将开关拨至剪切位，推进杆19按设定的速率上升，记录推进过程推动力的数值，以及推进杆19的轴向应变和径向应变；

S6、试验结束后，拆除容器6，数据处理，得到土壤15与推进杆19界面的力学特性曲线。

参见图1，步骤S4和S5中，使用应变测量系统7测量并显示推进杆19的轴向应变和径向应变数据。

作为本发明的另一个实施例，土壤15与推进杆19之间的平均剪应力计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{N_B-N_A}{\mathrm{\πDL}}$

式中，τ为设定距离上土壤15与推进杆19之间的平均剪应力，D为推进杆19的外径，L为第一应变片20与第二应变片21的距离，N_A表示第一应变片20受到的轴向力，N_B表示第二应变片21受到的轴向力，π取3.14。

为了计算土壤15与推进杆19之间的平均剪应力，提供下列5组数据。

作为本发明的另一个实施例，土壤15与推进杆19之间的法向应力计算公式为：

$p_1=\frac{2T}{D}$

式中，T为沿推进杆19轴向单位长度上的环向力，D为推进杆19的外径。

为了计算土壤15与推进杆19之间的法向应力，提供下列5组数据。

将推进杆19从土壤15的底部垂直向上推进，在密闭的容器6中，能保证试验过程中测量范围内土与结构物接触面积恒定不变；应变测量系统7测量应变片组中各应变片的形变，能测出土与圆柱形结构物界面上的真实法向应力，也能测量压入和拔出过程土与结构物界面的力学特性。测试更准确，结论更可靠。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于，包括：支架、设置在该支架上的控制开关、固定在所述支架底板上的升降机构、压在所述升降机构顶部的测力环、固定在所述支架顶板上的容器、通过传压螺钉压在该容器上部的杠杆、通过平衡杆固定在所述杠杆后端的平衡锤以及挂在所述杠杆前端的砝码；其中，所述容器中装有土壤，所述容器包括底座、设置在该底座上的侧壁、压在土壤上表面的加压盖、扣在所述侧壁上端的固定圈、同时压住所述加压盖和所述固定圈的导向套以及从所述底座的底部插入所述土壤中的推进杆；螺杆穿过底座、固定圈和导向套，将容器锁紧；所述推进杆的底部压在所述测力环的顶部，所述推进杆中空，所述推进杆为圆柱形，该推进杆的侧面有应变片组，该应变片组连接应变测量系统；所述控制开关连接所述升降机构；所述顶板上有百分表，该百分表的测量头压在所述加压盖的顶部。

2.根据权利要求1所述的用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于：所述升降机构内部有电机，所述控制开关连接所述电机。

3.根据权利要求2所述的用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于：所述升降机构通过测力计螺母连接所述测力环的底部。

4.根据权利要求3所述的用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于：顶板上有调节杆，该调节杆顶在杠杆的底部。

5.根据权利要求3所述的用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于：应变片组包括第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片；所述第一应变片和第二应变片沿推进杆的轴向排列，且所述第一应变片和第二应变片都是竖直设置；所述第三应变片和第四应变片沿推进杆的轴向排列，且所述第三应变片和第四应变片都是水平设置。

6.根据权利要求3所述的用于土壤与结构面的力学测试仪，其特征在于：加压盖和导向套上有排气孔，该排气孔中有排气螺钉。

7.根据权利要求5所述的用于土壤与结构面的力学测试仪的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将容器从力学测试仪上取出，放入滤纸；推入推进杆，均匀装入土壤；土壤装完后，将土壤面刮平，测量土壤的高度，松开排气螺钉，套上导向套，使用盖形螺母固紧，拧紧排气螺钉；

S2、将容器安装到力学测试仪上，调节传压螺钉的位置，将该传压螺钉压在加压盖顶部；

S3、装上百分表，调整百分表的位置，对零，调节调节杆，施加第一级砝码，根据时间系列记录土壤变形数据；

S4、逐级施加砝码，纪录土壤变形数据和推进杆的径向应变；

S5、将力学测试仪接通电源，打开力学测试仪上的控制开关，设定应变速率，将开关拨至剪切位，推进杆按应变速率上升，记录推进过程推动力的数值，以及推进杆的轴向应变和径向应变；

S6、试验结束后，拆除容器，数据处理，得到土壤与推进杆界面的力学特性曲线。

8.根据权利要求7所述的用于土壤与结构面的力学测试仪的测试方法，其特征在于，步骤S4和S5中，使用应变测量系统测量并显示推进杆的轴向应变和径向应变数据。

9.根据权利要求8所述的用于土壤与结构面的力学测试仪的测试方法，其特征在于，土壤与推进杆之间的平均剪应力计算公式为：

$\mathrm{\τ}=\frac{N_B-N_A}{\mathrm{\π}DL}$

式中，τ为设定距离上土壤与推进杆之间的平均剪应力，D为推进杆的外径，L为第一应变片与第二应变片的距离，N_A表示第一应变片受到的轴向力，N_B表示第二应变片受到的轴向力，π取3.14。

10.根据权利要求7所述的用于土壤与结构面的力学测试仪的测试方法，其特征在于，土壤与推进杆之间的法向应力计算公式为：

$p_1=\frac{2T}{D}$

式中，T为沿推进杆轴向单位长度上的环向力，D为推进杆的外径。