CN104007026A - 一种恒定剪切面直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒定剪切面直剪仪，包括试验台、上剪切盒、下剪切盒、垂直荷载加载机构，及水平荷载加载机构，下剪切盒转动连接于试验台上，上剪切盒和下剪切盒内均设有径向隔板，下剪切盒由水平荷载加载机构驱动旋转，下剪切盒内的土样在下径向隔板的推动下发生环向位移，同时，上剪切盒固定不动，上径向隔板位于其下半截，用于阻止上剪切盒内土样在剪切时发生环向移动，通过下剪切盒的旋转，使上剪切盒与下剪切盒中的土样相互发生剪切位移，从而达到环向直剪的目的，整个剪切过程中，土样的剪切面积始终保持恒定，正应力也不发生变化，使得试验测得的数据准确，由之计算而得的土工参数也更加可靠。

Description

一种恒定剪切面直剪仪

技术领域

    本发明涉及一种测量土体材料强度特性的装置，特别涉及一种直剪仪。

背景技术

直剪试验具有方便、经济的优点，在土木工程中被广泛应用。其原理是将切好的土样装入上、下两部分相对的剪切盒中，通过顶部压力板对土样施加一定的竖向荷载的情况下，使上、下两部分剪切盒按一定速度相对水平错开，土样随之剪断，从而得到土样的剪切强度。

目前，现有直剪仪由于设计上的缺陷，普遍存在不足，在直剪试验过程中，随着剪切位移的增加，有效剪切面积逐渐减小，剪切面上的正应力                                               也相应变化，导致试验测得的抗剪强度不准确，由和计算得的常用土工参数黏聚力c和内摩擦角也相应不可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种恒定剪切面直剪仪，采用该直剪仪进行直剪试验可保持土样恒定剪切面，使试验测量的数据更准确。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种恒定剪切面直剪仪，包括试验台、上剪切盒、下剪切盒、垂直荷载加载机构，及水平荷载加载机构，所述下剪切盒转动连接于试验台上，所述上剪切盒固定设置在下剪切盒上方，所述上剪切盒和下剪切盒内均设有径向隔板，所述垂直荷载加载机构设置在上剪切盒上方以对上剪切盒内的土样施加垂直荷载，所述水平荷载加载机构包括测力环、与测力环两端相连接的传力带，及牵引拉动传力带的驱动机组，所述传力带一头绕设在下剪切盒的外壁上，所述传力带的另一头与驱动机组相连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上剪切盒包括同心设置的上内环壁和上外环壁，所述上内环壁与上外环壁之间连接有一片上径向隔板，所述下剪切盒包括底壁、设于底壁上的下外环壁，及设于底壁中心的中心柱，所述中心柱与下外环壁之间环向等距间隔设有四片下径向隔板，所述中心柱的高度等于上外环壁与下外环壁两者高度之和，所述中心柱下半段的外径等于上内环壁的外径，所述中心柱上半段的外径小于中心柱下半段的外径以使上内环壁可套入至中心柱上半段。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述下剪切盒通过一转轴和环形滑轨转动连接于试验台上。

进一步作为本发明技术方案的改进，在所述下剪切盒与试验台之间还设有限制下剪切盒转动的锁定装置。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述驱动机组包括驱动电机、与驱动电机传动连接的齿轮减速机构，及离合装置。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述垂直荷载加载机构包括一压向上剪切盒内部空间的拱形压力块，所述拱形压力块中心开有一可容纳供中心柱插入的内腔。

进一步作为本发明技术方案的改进，还包括一土样制备刀具，所述土样制备刀具包括圆形底托和设于圆形底托上的内环刀、外环刀，所述外环刀包括支撑外环刀和分别铰接于支撑外环刀两端的第一外环刀、第二外环刀，所述第一外环刀和第二外环刀的另一端通过一卡扣扣接，在所述内环刀与外环刀之间环向等距间隔设有四片隔板刀片，其中一所述隔板刀片的高度等于上径向隔板与下径向隔板两者高度之和，其余所述隔板刀片的高度与下径向隔板的高度相等。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述支撑外环刀外侧端连接有定位支架，在所述定位支架设有定位卡块，所述上剪切盒通过一支撑支架固定设置于下剪切盒上方，所述支撑支架设有供定位卡块卡入定位的定位卡槽。

有益效果：此恒定剪切面直剪仪摒弃传统直剪仪的直线式剪切的模式，采用环向式剪切的模式，使得在剪切过程中能保证恒定的剪切面，下剪切盒由水平荷载加载机构驱动旋转，下剪切盒内的土样在下径向隔板的推动下发生环向位移，同时，上剪切盒固定不动，上径向隔板位于其下半截，用于阻止上剪切盒内土样在剪切时发生环向移动，通过下剪切盒的旋转，使上剪切盒与下剪切盒中的土样相互发生剪切位移，从而达到环向直剪的目的，在整个剪切过程中，土样的剪切面积始终保持恒定，正应力也不发生变化，从而避免当前直剪仪普遍存在的缺陷，使得试验测得的数据准确，由之计算而得的土工参数也更加可靠。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1为本发明实施例的立面剖视图；

图2为本发明实施例的平面剖视图；

图3为本发明实施例中上剪切盒的平面剖视图；

图4为本发明实施例中下剪切盒的平面剖视图；

图5为本发明实施例中土样制备刀具的平面示意图；

图6为图5中A-A的剖视图；

图7为图5中B-B的剖视图。

具体实施方式

参照图1至图7，本发明一种恒定剪切面直剪仪，包括试验台10、上剪切盒20、下剪切盒30、垂直荷载加载机构40，及水平荷载加载机构50，下剪切盒30转动连接于试验台10上，上剪切盒20固定设置在下剪切盒30上方，上剪切盒20和下剪切盒30内均设有径向隔板，垂直荷载加载机构40设置在上剪切盒20上方以对上剪切盒20内的土样施加垂直荷载，水平荷载加载机构50包括测力环51、与测力环51两端相连接的传力带52，及牵引拉动传力带52的驱动机组53，传力带52一头绕设在下剪切盒30的外壁上，传力带52的另一头与驱动机组53相连接。

此恒定剪切面直剪仪摒弃传统直剪仪的直线式剪切的模式，采用环向式剪切的模式，使得在剪切过程中能保证恒定的剪切面，下剪切盒30由水平荷载加载机构50驱动旋转，下剪切盒30内的土样在下径向隔板34的推动下发生环向位移，同时，上剪切盒20固定不动，上径向隔板23位于其下半截，用于阻止上剪切盒20内土样在剪切时发生环向移动，通过下剪切盒30的旋转，使上剪切盒20与下剪切盒30中的土样相互发生剪切位移，从而达到环向直剪的目的，在整个剪切过程中，土样的剪切面积始终保持恒定，正应力也不发生变化，从而避免当前直剪仪普遍存在的缺陷，使得试验测得的数据准确，由之计算而得的土工参数也更加可靠。

在本实施例中，试验台10为一平台，上剪切盒20、下剪切盒30、垂直荷载加载机构40、水平荷载加载机构50均设置在试验台10上，上剪切盒20和下剪切盒30都呈圆柱状，上剪切盒20包括同心设置的上内环壁21和上外环壁22，上内环壁21与上外环壁22之间连接有一片上径向隔板23，下剪切盒30包括底壁31、设于底壁31上的下外环壁32，及设于底壁31中心的中心柱33，中心柱33与下外环壁32之间环向等距间隔设有四片下径向隔板34，上剪切盒20和下剪切盒30的内部都形成环状的空腔用以承载土样，上剪切盒20的上外环壁22与下剪切盒30的下外环壁32等直径、等厚度，当上剪切盒20放置在下剪切盒30上时，中心柱33的高度应该等于上外环壁22与下外环壁32两者高度之和，中心柱33由直径不等的上半段和下半段组成，其中中心柱33上半段的外径略小于中心柱33下半段的外径，中心柱33下半段的外径等于上内环壁21的外径，当上剪切盒20放置在下剪切盒30上时，上剪切盒20的上内环壁21刚好套入至下剪切盒30的中心柱33上半段。

上剪切盒20是通过一呈L形的支撑支架11固定在试验台10上方，在进行剪切试验时，上剪切盒20是固定不动的；下剪切盒30是通过转轴12和环形滑轨13转动连接于试验台10上，在外力作用下，下剪切盒30可绕自身轴线转动，其中，转轴12和环形滑轨13可保证下剪切盒30在转动过程中保持水平且不发生错动，上剪切盒20和下剪切盒30安装在试验台上时，上剪切盒20的下端面刚好与下剪切盒30的上端面相接触。

在下剪切盒30与试验台10之间还设有限制下剪切盒30转动的锁定装置，当锁定装置工作时，可保证下剪切盒30在装卸土样和预加荷载时静止不动，具体地，该锁定装置包括嵌入安装在试验台10内可水平左右滑移的第一楔形块14和与第一楔形块14斜面配合连接可上下滑移的第二楔形块15，在下剪切盒30的底壁31底端开有一供第二楔形块15卡入的凹槽，控制第一楔形块14水平移动，在斜面的作用下，可带动第二楔形块15竖向上移，使第二楔形块15顶端卡入至下剪切盒30的底壁31凹槽中，从而锁紧固定下剪切盒30限制其转动。

垂直荷载加载机构40用以施加竖向荷载以对上剪切盒20和下剪切盒30内的土样加压，该垂直荷载加载机构40包括一压向上剪切盒20内部空间的拱形压力块41，拱形压力块41中心开有一可容纳供中心柱33插入的内腔42，使得在加压过程中不会接触到中心柱33顶部，垂直荷载加载机构40的其余构件按当前常规直剪仪的模式制作。假设土样内、外半径为r₁、r₂，竖向荷载为P，则正应力σ为：。

水平荷载加载机构50用以施加水平荷载以拉动下剪切盒30转动，具体地，传力带52由两段组成，其中一段传力带52的一端绕设在下剪切盒30的下外环壁32外侧，另一端与测力环51相连接，另外一段传力带52的一端也与测力环51相连接，另一端与驱动机组53相连接，分别连接至测力环51对立两端的两段传力带52呈直线状，驱动机组53工作带动传力带52拉动下剪切盒30转动，通过测力环51内的测力百分表即可测得传送带52所受的力F，从而得到土样所受到的剪应力τ。假设土样内、外半径为r₁、r₂，传力带52中心到下剪切盒30的轴心的距离为R，则可得：，其中，在测力环51的底端设有滚轮，在试验台10上设有供滚轮嵌入滚动连接的导轨，在导轨的作用下，使测力环51沿直线移动。

其中，驱动机组53包括转速可控的驱动电机、与驱动电机传动连接的齿轮减速机构，及离合装置，具体地，齿轮减速机构包括主动轴531和从动轴532，主动轴531和从动轴532通过齿轮啮合传动，在从动轴532上还设置有与传力带52相联接的传动齿轮，通过控制传力带52的移动速度，即控制下剪切盒30的旋转速度，进而控制土样的剪切速度，主动轴531通过齿轮带动从动轴532转动，从动轴532再拉动传力带52水平移动，通过主动轴531、从动轴532及传力带52这两级传动减速，可更精细地控制土体的剪切速度。离合装置可实现主动轴531与从动轴532的齿轮相分离，相分离时即可实现传力带52卸荷。当然，驱动机组53还可选用现有常见的减速机构和离合机构以实现传力带52加载或卸载。

进行剪切试验的土样由特制的土样制备刀具60制备，土样制备刀具60包括圆形底托61和设于圆形底托61上的内环刀62、外环刀，外环刀包括支撑外环刀64和分别铰接于支撑外环刀64两端的第一外环刀65、第二外环刀66，第一外环刀65和第二外环刀66的另一端通过一卡扣67扣接，打开卡扣67，可使第一外环刀65和第二外环刀66向外张开，便于取出土样，在内环刀62外侧环向等距间隔连接有四片隔板刀片68，其中一片隔板刀片68的高度等于上径向隔板23与下径向隔板34两者高度之和，其余三片隔板刀片68的高度与下径向隔板34的高度相等，在支撑外环刀64内侧开有卡槽可供隔板刀片68嵌入固定，内环刀62通过螺丝与圆形底托61相连。

利用该土样制备刀具60制备土样，先将内环刀62的外壁面、四片隔板刀片68的两侧壁面、外环刀的内壁面涂上黄油并组合在一起，倒置使刀刃朝下、圆形底托61朝上，从上向下缓慢切入土样柱；放倒环刀，缓慢拉出内环刀62及与其相连的隔板刀片68，中心部分不需要的土柱也会随之取出；将圆形底托61的螺丝旋出，使其与内环刀62分离，并将圆形底托61垫回土样制备刀具60底部，再将土样制备刀具60随同其中切出的土样竖立。

支撑外环刀64外侧端还连接有定位支架69，在定位支架69设有定位卡块691，在支撑支架11上设有与定位卡块691相配合的定位卡槽111，通过该土样制备刀具60装载土样时，定位支架69上的定位卡块691对准卡入至支撑支架11的定位卡槽111中，以实现土样制备刀具60准确定位放置于上剪切盒20上，打开卡扣67，使第一外环刀65和第二外环刀66向外张开，抽出圆形底托61，将切制好的土样缓慢下放入上剪切盒20和下剪切盒30中。

需要说明的是，土样装入上剪切盒20和下剪切盒30前，还需先将上剪切盒20和下剪切盒30内部空间的壁面及上剪切盒20与下剪切盒30相对的表面涂上薄层黄油，以便于土样能顺利放入、消除上下剪切盒在剪切过程中的摩擦。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种恒定剪切面直剪仪，其特征在于：包括试验台、上剪切盒、下剪切盒、垂直荷载加载机构，及水平荷载加载机构，所述下剪切盒转动连接于试验台上，所述上剪切盒固定设置在下剪切盒上方，所述上剪切盒和下剪切盒内均设有径向隔板，所述垂直荷载加载机构设置在上剪切盒上方以对上剪切盒内的土样施加垂直荷载，所述水平荷载加载机构包括测力环、与测力环两端相连接的传力带，及牵引拉动传力带的驱动机组，所述传力带一头绕设在下剪切盒的外壁上，所述传力带的另一头与驱动机组相连接。

2.根据权利要求1所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：所述上剪切盒包括同心设置的上内环壁和上外环壁，所述上内环壁与上外环壁之间连接有一片上径向隔板，所述下剪切盒包括底壁、设于底壁上的下外环壁，及设于底壁中心的中心柱，所述中心柱与下外环壁之间环向等距间隔设有四片下径向隔板，所述中心柱的高度等于上外环壁与下外环壁两者高度之和，所述中心柱下半段的外径等于上内环壁的外径，所述中心柱上半段的外径小于中心柱下半段的外径以使上内环壁可套入至中心柱上半段。

3.根据权利要求1或2所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：所述下剪切盒通过一转轴和环形滑轨转动连接于试验台上。

4.根据权利要求1或2所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：在所述下剪切盒与试验台之间还设有限制下剪切盒转动的锁定装置。

5.根据权利要求1所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：所述驱动机组包括驱动电机、与驱动电机传动连接的齿轮减速机构，及离合装置。

6.根据权利要求1所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：所述垂直荷载加载机构包括一压向上剪切盒内部空间的拱形压力块，所述拱形压力块中心开有一可容纳供中心柱插入的内腔。

7.根据权利要求1所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：还包括一土样制备刀具，所述土样制备刀具包括圆形底托和设于圆形底托上的内环刀、外环刀，所述外环刀包括支撑外环刀和分别铰接于支撑外环刀两端的第一外环刀、第二外环刀，所述第一外环刀和第二外环刀的另一端通过一卡扣扣接，在所述内环刀与外环刀之间环向等距间隔设有四片隔板刀片，其中一所述隔板刀片的高度等于上径向隔板与下径向隔板两者高度之和，其余所述隔板刀片的高度与下径向隔板的高度相等。

8.根据权利要求7所述的恒定剪切面直剪仪，其特征在于：所述支撑外环刀外侧端连接有定位支架，在所述定位支架设有定位卡块，所述上剪切盒通过一支撑支架固定设置于下剪切盒上方，所述支撑支架设有供定位卡块卡入定位的定位卡槽。