CN104792629B - 一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内的环形钢框，所述钢框顶部扣合有上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直设置有一转轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板固定，所述转轴顶端固定有扳手，该扳手上嵌有数显表；所述底座的侧壁上固定有弹簧支架，该弹簧支架下方垂直固定有弹簧导杆，该弹簧导杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹簧导杆上套设有弹簧，该弹簧下端压有滑块，该滑块搁置在所述传压板上；所述弹簧的上端和传压板之间连接有第一夹具，该第一夹具上安装有第一百分表。携带方便、操作简单、经济实用，用于在野外现场对土样在常刚度条件下的抗剪切力和剪切过程中的体变进行测定。

Description

一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及用机械应力测试固体材料特性领域，尤其涉及一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法。

背景技术

环剪仪在20世纪20年代开始被研制，之后的几十年，环剪仪的发展几乎停止，直到20世纪60年代残余强度研究的兴起才使得环剪仪的研究复燃，继而研究和开发出了各种在室内实验室使用的环剪仪。

目前室内环剪仪按其结构特征可分为两种类型：单环式环剪仪和双环式环剪仪。与其他土工试验方法相比，这些环剪仪具有两个共同的优点，即在试验过程中可以保持剪切面面积不变和试样可在连续的位移条件下进行剪切。单环式环剪仪在试验过程中将土样装入圆筒形试样盒中，通过上部加压板对试样施加垂向压力和扭转剪力。此类型环剪仪的主要优点是在剪切试验过程中，不会发生土样渗漏问题。双环式环剪仪使土样沿上下各自独立的环状剪切盒中部的预设面进行剪切，以期达到减少试验过程中沿剪切面处应力与应变分布的不均匀性、减少土样与剪切环间阻力以及消除剪切环边缘应力集中的目的。

随着技术手段的进步，现代室内环剪仪能够通过伺服控制系统和剪切环间缝传感器保证各种试验条件下剪切过程中不排水状态的实现，并能够保证排水和不排水试验条件的实施和转换，同时计算机控制和高感度记录设备的应用也使得试验数据的分析处理更加方便快捷。但随着现代环剪试验系统日益复杂化和精密化，环剪仪的制造成本和使用成本逐渐增加，仪器的日常维护和保养费用变得日益昂贵。而且，现有的环剪仪设备复杂，体积大，只能在室内实验室使用，不能在野外现场使用，只能输出恒定压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法，用于在野外现场对土样在常刚度条件下的抗剪切力和剪切过程中的体变进行测定。仪器携带方便、操作简单、经济实用，输出压力可调。

本发明的一个技术方案是一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内的环形钢框，所述钢框顶部扣合有环形上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直设置有一转轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板通过螺纹固定，所述转轴顶端固定有扳手，该扳手上嵌有数显表；所述底座的侧壁上通过螺纹固定有弹簧支架，该弹簧支架下方垂直固定有弹簧导杆，该弹簧导杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹簧导杆上套设有弹簧，该弹簧下端压有滑块，该滑块搁置在所述传压板上；所述弹簧的上端和传压板之间连接有第一夹具，该第一夹具上安装有第一百分表；所述底座的侧壁上还固定有百分表支架，该百分表支架通过第二夹具与所述传压板连接，所述第二夹具上安装有第二百分表；所述手持式常刚度环剪仪的整体尺寸为200mm×120mm×240mm。使用时，先将钢框中装好土样，调试好各部件，记下数显表、第一百分表和第二百分表的初始读数。转动扳手，所述数显表上的读数随着变化，所述转轴带动所述传压板和上盖转动，土样被逐渐压紧，上盖带动传压板下降，初始压缩状态下的弹簧即时向下伸展，所述弹簧拉伸所述第一夹具，该第一夹具的拉伸使第一百分表的读数产生变化。随着所述传压板的下降，所述第二夹具也会向下拉伸，使第二百分表的度数产生变化。根据所述数显表的读数、环形土样的内径和外径，可以算出土样上的平均剪应力。根据弹簧的根数、弹簧的刚度系数、第一百分表的读数、环形土样的内径和外径可以算出土样上的平均法向应力。根据第二百分表的读数可以知道土样高度的变化，再结合土样的内径和外径，可以算出土样体积的变化。

本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，只有2kg，费用低，便于野外现场使用；利用弹簧施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧初始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧，可进行不同刚度下的常刚度环剪实验。

进一步地，所述转轴套设在轴承中，该轴承垂直固定在所述底座中央。所述转轴在轴承中转动，摩擦力小，转动灵活。

进一步地，钢框底部有限位桩，所述底座内限位槽，所述限位桩位于所述限位槽内，防止钢框在底座内水平滑动。

进一步地，所述底座外侧有手柄。便于固定仪器，也便于转动手柄。

进一步地，滑块上部有圆形的垫片，该垫片与弹簧下端接触，当传压板转动时，传压板上的环形的滑块位置不变，只在传压板表面滑动，所述圆形的垫片始终位于弹簧的正下方，避免弹簧发生弯折。

本发明的另一个技术方案是一种手持式常刚度环剪仪的使用方法，包括如下步骤：

S1、将刚性框取出，均匀装入土样；土样装完后，将土样面刮平，使土样高度达到要求，将刚性框放入仪器底座中；

S2、盖上上盖，将滑块放在传压板上，将垫片放在所述滑块上；

S3、安装弹簧支架、弹簧导杆、限位螺母、弹簧，并确保与弹簧连接的弹簧垫片置于传压板上的环形滑块上；

S4、调节限位螺母，使土样处于预压状态；

S5、安装弹簧支架、第一百分表和第一夹具，记录第一百分表的初始读数；安装百分表支架、第二百分表和第二夹具，记录第二百分表的初始读数；

S6、一只手握住底座手柄，另一只手通过扳手施加扭矩转动转轴，转轴带动传压板和上盖转动，在土样上表面产生剪应力对土样进行剪切；在此过程中，记录第一百分表、第二百分表和数显表的读数；

S7、试验结束后，拆除土样，根据第一百分表、第二百分表和数显表的读数，计算出作用在土样上的平均剪应力和平均法向应力。

本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，便于野外现场使用；利用弹簧施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧初始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧，可进行不同刚度下的常刚度环剪实验。

进一步地，所述步骤S7中，预设环形土样的内径为R₁，外径为R₂，假定土样上的剪应力τ是均匀分布的，在加载过程中由数显表的读数可知作用在土样上的扭矩M，根据静力平衡条件，土样上的平均剪应力满足下列公式：

公式中，τ是平均剪应力，M表示作用在土样上的扭矩，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。

进一步地，所述步骤S7中，根据第一百分表的读数计算得到弹簧的压缩量x，作用在土样上的法向应力F满足下列公式：

F＝n·k·x

上式中，F表示法向应力，k为弹簧的刚度系数，n为弹簧的根数；

由法向应力F计算得土样上的平均法向应力σ_n：

上式中，σ_n表示平均法向应力，F表示法向应力，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。

有益效果：本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，便于野外现场使用；利用弹簧施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧初始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧，可进行不同刚度下的常刚度环剪实验。

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中环剪试样的应力分布图。

图中标记：1-底座；2-钢框；3-上盖；4-转轴；5-弹簧支架；6-传压板；7-滑块；8-弹簧导杆；9-弹簧；10-限位螺母；11-第一夹具；12-第一百分表；13-扳手；14-数显表；15-百分表支架；16-第二夹具；17-第二百分表；18-轴承；19-限位桩；20-手柄；21-垫片。

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和图2，一种手持式常刚度环剪仪，包括底座1和套设在该底座1内的环形钢框2，所述钢框2顶部扣合有环形上盖3，该上盖3上部固定有传压板6，所述底座1中央垂直设置有一转轴4，该转轴4穿过所述传压板6并与该传压板6通过螺纹固定，所述转轴4顶端固定有扳手13，该扳手13上嵌有数显表14；所述底座1的侧壁上通过螺纹固定有弹簧支架5，该弹簧支架5下方垂直固定有弹簧导杆8，该弹簧导杆8上端套设有限位螺母10，该限位螺母10下方的弹簧导杆8上套设有弹簧9，该弹簧9下端压有滑块7，该滑块7搁置在所述传压板6上；所述弹簧9的上端和传压板6之间连接有第一夹具11，该第一夹具11上安装有第一百分表12；所述底座1的侧壁上还固定有百分表支架15，该百分表支架15通过第二夹具16与所述传压板6连接，所述第二夹具16上安装有第二百分表17；所述手持式常刚度环剪仪的整体尺寸为200mm×120mm×240mm。使用时，先将钢框2中装好土样，调试好各部件，记下数显表14、第一百分表12和第二百分表17的初始读数。转动扳手13，所述数显表14上的读数随着变化，所述转轴4带动所述传压板6和上盖3转动，土样被逐渐压紧，上盖3带动传压板6下降，初始压缩状态下的弹簧9即时向下伸展，所述弹簧9拉伸所述第一夹具11，该第一夹具11的拉伸使第一百分表12的读数产生变化。随着所述传压板6的下降，所述第二夹具16也会向下拉伸，使第二百分表17的度数产生变化。根据所述数显表14的读数、环形土样的内径和外径，可以算出土样上的平均剪应力。根据弹簧9的根数、弹簧9的刚度系数、第一百分表12的读数、环形土样的内径和外径可以算出土样上的平均法向应力。根据第二百分表17的读数可以知道土样高度的变化，再结合土样的内径和外径，可以算出土样体积的变化。

本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，只有2kg，费用低，便于野外现场使用；利用弹簧9施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧9初始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧9，可进行不同刚度下的常刚度环剪实验。

参见图1，所述转轴4套设在轴承18中，该轴承18垂直固定在所述底座1中央。所述转轴4在轴承18中转动，摩擦力小，转动灵活。

参见图1，钢框2底部有限位桩19，所述底座1内限位槽，所述限位桩19位于所述限位槽内，防止钢框2在底座1内水平滑动。

参见图1，所述底座1外侧有手柄20。便于固定仪器，也便于转动手柄20。

参见图1，滑块7上部有圆形的垫片21，该垫片21与弹簧9下端接触，当传压板6转动时，传压板6上的环形的滑块7位置不变，只在传压板6表面滑动，所述圆形的垫片21始终位于弹簧9的正下方，避免弹簧9发生弯折。

参见图1，一种手持式常刚度环剪仪的使用方法，包括如下步骤：

S1、将刚性框取出，均匀装入土样；土样装完后，将土样面刮平，使土样高度达到要求，将刚性框放入仪器底座1中；

S2、盖上上盖3，将滑块7放在传压板6上，将垫片21放在所述滑块7上；

S3、安装弹簧支架5、弹簧导杆8、限位螺母10、弹簧9，并确保与弹簧9连接的弹簧垫片21置于传压板6上的环形滑块7上；

S4、调节限位螺母10，使土样处于预压状态；

S5、安装弹簧支架5、第一百分表12和第一夹具11，记录第一百分表12的初始读数；安装百分表支架15、第二百分表17和第二夹具16，记录第二百分表17的初始读数；

S6、一只手握住底座1手柄20，另一只手通过扳手13施加扭矩转动转轴4，转轴4带动传压板6和上盖3转动，在土样上表面产生剪应力对土样进行剪切；在此过程中，记录第一百分表12、第二百分表17和数显表14的读数；

S7、试验结束后，拆除土样，根据第一百分表12、第二百分表17和数显表14的读数，计算出作用在土样上的平均剪应力和平均法向应力。

所述步骤S7中，预设环形土样的内径为R₁，外径为R₂，假定土样上的剪应力τ是均匀分布的，在加载过程中由数显表14的读数可知作用在土样上的扭矩M，根据静力平衡条件，土样上的平均剪应力满足下列公式：

公式中，τ是平均剪应力，M表示作用在土样上的扭矩，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。

对上述公式(1)，提供下列5组数据：

所述步骤S7中，根据第一百分表12的读数计算得到弹簧9的压缩量x，作用在土样上的法向应力F满足下列公式：

F＝n·k·x (2)

上式中，F表示法向应力，k为弹簧9的刚度系数，n为弹簧9的根数；

对上述公式(2)，提供下列5组数据：

由法向应力F计算得土样上的平均法向应力σ_n：

上式中，σ_n表示平均法向应力，F表示法向应力，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。

对上述公式(3)，提供下列5组数据：

本实施例中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，便于野外现场使用；利用弹簧9施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧9初始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧9，可进行不同刚度下的常刚度环剪实验。

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 (8)

1.一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内的环形钢框，其特征在于：所述钢框顶部扣合有环形上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直设置有一转轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板固定，所述转轴顶端固定有扳手，该扳手上嵌有数显表；所述底座的侧壁上固定有弹簧支架，该弹簧支架下方垂直固定有弹簧导杆，该弹簧导杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹簧导杆上套设有弹簧，该弹簧下端压有滑块，该滑块搁置在所述传压板上；所述弹簧的上端和传压板之间连接有第一夹具，该第一夹具上安装有第一百分表；所述底座的侧壁上还固定有百分表支架，该百分表支架通过第二夹具与所述传压板连接，所述第二夹具上安装有第二百分表；所述手持式常刚度环剪仪的整体尺寸为200mm×120mm×240mm。

2.根据权利要求1所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：所述转轴套设在轴承中，该轴承垂直固定在所述底座中央。

3.根据权利要求2所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：钢框底部有限位桩，所述底座内限位槽，所述限位桩位于所述限位槽内。

4.根据权利要求3所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：所述底座外侧有手柄。

5.根据权利要求4所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：滑块上部有圆形的垫片，该垫片与弹簧下端接触。

6.根据权利要求5所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将刚性框取出，均匀装入土样；土样装完后，将土样面刮平，使土样高度达到要求，将刚性框放入仪器底座中；

S2、盖上上盖，将滑块放在传压板上，将垫片放在所述滑块上；

S3、安装弹簧支架、弹簧导杆、限位螺母、弹簧，并确保与弹簧连接的弹簧垫片置于传压板上的环形滑块上；

S4、调节限位螺母，使土样处于预压状态；

S5、安装弹簧支架、第一百分表和第一夹具，记录第一百分表的初始读数；安装百分表支架、第二百分表和第二夹具，记录第二百分表的初始读数；

S6、一只手握住底座手柄，另一只手通过扳手施加扭矩转动转轴，转轴带动传压板和上盖转动，在土样上表面产生剪应力对土样进行剪切；在此过程中，记录第一百分表、第二百分表和数显表的读数；

S7、试验结束后，拆除土样，根据第一百分表、第二百分表和数显表的读数，计算出作用在土样上的平均剪应力和平均法向应力。

7.根据权利要求6所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，所述步骤S7中，预设环形土样的内径为R₁，外径为R₂，假定土样上的剪应力τ是均匀分布的，在加载过程中由数显表的读数可知作用在土样上的扭矩M，根据静力平衡条件，土样上的平均剪应力满足下列公式：

<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mi>M</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

公式中，τ是平均剪应力，M表示作用在土样上的扭矩，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。

8.根据权利要求6所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，所述步骤S7中，根据第一百分表的读数计算得到弹簧的压缩量x，作用在土样上的法向应力F满足下列公式：

F＝n·k·x

上式中，F表示法向应力，k为弹簧的刚度系数，n为弹簧的根数；

由法向应力F计算得土样上的平均法向应力σ_n：

<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>F</mi> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>1</mn> <mn>1</mn> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

上式中，σ_n表示平均法向应力，F表示法向应力，R₁为环形土样的内径，R₂为环形土样的外径，π取3.14。