CN105203407A - 一种土样残余强度测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种土样残余强度测试装置及测试方法，该测试装置包括底板、环形侧板、旋转顶板、湿度传感器、土样嵌入装置、应力传感器、数据采集计算机、顶板旋转驱动装置和注水装置；底板和旋转顶板分别设置在环形侧板的底部和顶部并与旋转顶板共同围成一个用于存放待测圆柱形土样的空腔；注水装置与空腔相连通；空腔内设置有湿度传感器；土样嵌入装置设置在旋转顶板的下表面并嵌入待测圆柱形土样的上表面中；顶板旋转驱动装置设置在旋转顶板的上表面并带动旋转顶板进行旋转；应力传感器设置在土样嵌入装置上；湿度传感器和应力传感器分别与数据采集计算机相连。本发明提供了一种可快速高效、能实现不同尺寸不同含水量圆柱形土样残余强度精确测试装置及方法。

Description

一种土样残余强度测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于土工室内试验技术领域，涉及一种土样残余强度测试装置及测试方法。

背景技术

残余强度是土体在破坏之后保持残余变形和抵抗外部荷载的能力，是评价边坡稳定性的基本指标，是滑坡稳定性评价与预测预报的关键性内容。理论与实例表明滑带土是滑坡的重要组成部分，滑带土形成过程中地质作用的复杂性和所处受力状态的特殊性，使得滑带土结构特征和物理力学性质与滑坡体中其他部位的土体存在较大差别，表现为显著的离散型与变异性，如何针对多工况下滑带土进行准确的残余强度测试是滑坡研究的难点问题。

现有的残余强度测试装置主要是直剪仪，不能实现转动剪切，且土样剪切面积较小，不能真实反映土体的残余强度；其测试方法也比较落后，效率较低，影响了其在土工试验中的使用。

发明内容

为了解决背景技术中现有残余强度测试装置以及测试方法存在的不足，本发明提供了一种能实现不同尺寸、不同含水量圆柱形土样残余强度精确测试、可快速高效进行残余强度测试试验的装置及测试方法，从而提高科研水平。

为实现上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种土样残余强度测试装置，其特征在于：所述土样残余强度测试装置包括底板、环形侧板、旋转顶板、湿度传感器、土样嵌入装置、应力传感器、数据采集计算机、顶板旋转驱动装置以及注水装置；所述底板以及旋转顶板分别设置在环形侧板的底部以及顶部并与旋转顶板共同围成一个用于存放待测圆柱形土样的空腔；待测圆柱形土样置于该空腔中；所述注水装置与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；所述空腔内设置有湿度传感器；所述土样嵌入装置设置在旋转顶板的下表面并嵌入待测圆柱形土样的上表面中；所述顶板旋转驱动装置设置在旋转顶板的上表面并带动旋转顶板进行旋转；所述应力传感器设置在土样嵌入装置上；所述湿度传感器以及应力传感器分别与数据采集计算机相连。

作为优选，本发明所采用的旋转顶板的下表面以及底板的上表面均设置有圆形刻度线；所述圆形刻度线是一条或多条；所述圆形刻度线是多条时，所述多条圆形刻度线同心设置。

作为优选，本发明所采用的顶板旋转驱动装置包括大滑轮、皮带、滑轮组以及电机；所述大滑轮设置在旋转顶板的上表面；所述滑轮组通过皮带与大滑轮相连；所述电机依次通过滑轮组、皮带以及大滑轮带动旋转顶板转动。

作为优选，本发明所采用的滑轮组包括同心设置的第一滑轮以及第二滑轮；所述电机与第一滑轮相连并通过第一滑轮带动第二滑轮转动；所述第二滑轮通过皮带与大滑轮相连并带动大滑轮转动。

作为优选，本发明所采用的第一滑轮的直径是7cm；所述第二滑轮的直径是2cm；所述大滑轮的直径是4.5cm。

作为优选，本发明所采用的土样嵌入装置包括十字卡槽以及刀片；所述十字卡槽固定设置在旋转顶板的下表面；所述刀片设置在十字卡槽中并嵌入待测圆柱形土样的上表面；所述应力传感器设置在刀片的末端。

作为优选，本发明所采用的注水装置包括水管以及设置在水管上的阀门；所述水管与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；所述水管上设置有刻度。

作为优选，本发明所采用的湿度传感器是一个或多个，所述湿度传感器是多个时，多个湿度传感器随机设置在底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔中。

作为优选，本发明所采用的电机功率为0.5kw。

一种基于如前所述的土样残余强度测试装置的土样残余强度测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)按照如前所记载的土样残余强度测试装置进行组装；

2)将制备好的待测圆柱形土样放置于底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔中且保证刀片嵌入待测圆柱形土样的上表面中；

3)根据试验方案要求，确定是要进行高含水量土样的残余强度测试还是低含水量土样的残余强度测试，若是要进行低含水量土样的残余强度测试，则直接进行步骤5)；若是要进行高含水量土样的残余强度测试，则进行步骤4)；

4)根据需要增湿的含水量及起始含水量，换算需要进入待测圆柱形土样的水量，通过水管上的刻度及阀门控制，进行定量进水；一定时间后查看两个湿度传感器的湿度数据，若湿度数据相同，则表明增湿均匀并进行步骤5)；若湿度数据不同，则继续等待直至两个湿度传感器的湿度数据相同后进行步骤5)；

5)通过数据采集计算机采集应力传感器的数据，观察剪应力的变化规律，剪应力峰值过后，继续剪切，直至5分钟内剪应力不变为止，进而换算残余强度。

本发明的优点是：

本发明提供了一种土样残余强度测试装置及测试方法。该装置包括上下环形侧板、水管、阀门、湿度传感器、旋转顶板、十字卡槽、螺钉、大滑轮、圆柱形土样、皮带、应力传感器、滑轮组、电机、底板、数据线、数据采集计算机。十字卡槽通过螺钉固定于旋转顶板下表面，试验时内置刀片，用于固定圆柱形土样，大滑轮固定于旋转顶板上表面，试验时滑轮转动带动上半部分土样转动，进而剪切土样，滑轮组用于降低大滑轮的转速，通过加装带刻度的水管，可以实现圆柱形土样的定量增湿，实现高含水量土样的环剪试验，解决了高含水量土样不易安装的问题，旋转顶板下表面和底板上表面均带有两个圆形刻度线，用于对称放置不同直径的圆柱形土样，湿度传感器布置于圆柱形土样不同位置，用于判断定量进水结束后，圆柱形土样湿度是否均匀，从而确定是否开始剪切，应力传感器用于测量应力，进而换算剪切强度，试验开始后，通过数据采集计算机采集数据，观察剪应力的变化规律，剪应力峰值过后，继续剪切，直至五分钟内剪应力不变为止，进而换算残余强度，该装置及方法针对现有的残余强度测试方法及装置的缺点，现有的装置及方法主要依靠直剪仪，不能实现转动剪切，且土样剪切面积较小，不能真实反映土体的残余强度。因此，本发明所提供的土样残余强度测试装置及测试方法的研发，提高了试验的效率，节省了人力成本；通过数据自动采集，提高了试验精度，避免了人为试验误差；能实现不同尺寸、不同含水量圆柱形土样残余强度精确测试的目的，具有重要的科研意义，且该装置结构简单、加工成本低，易于在生产和教学中推广应用。

附图说明

图1是本发明所提供的土样残余强度测试装置的正视结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

其中：

1-上环形侧板；2-下环形侧板；3-水管；4-阀门；5-湿度传感器；6-旋转顶板；7-十字卡槽；8-螺钉；9-大滑轮；10-圆柱形土样；11-皮带；12-应力传感器；13-滑轮组；14-电机；15-底板；16-数据线；17-数据采集计算机；18-圆形刻度线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的结构及其操作方法做进一步的详细说明：

实施例1：

参见图1及图2，本发明提供了一种土样残余强度测试装置，包括上环形侧板1、下环形侧板2、水管3、阀门4、湿度传感器5、旋转顶板6、十字卡槽7、螺钉8、大滑轮9、圆柱形土样10、皮带11、应力传感器12、滑轮组13、电机14、底板15、数据线16以及数据采集计算机17，数据线16用于传输信息，能实现不同尺寸、不同含水量圆柱形土样残余强度精确测试的目的。

底板以及旋转顶板分别设置在环形侧板(上环形侧板1以及下环形侧板2共同形成)的底部以及顶部并与旋转顶板共同围成一个用于存放待测圆柱形土样的空腔；待测圆柱形土样置于该空腔中；注水装置与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；空腔内设置有湿度传感器；土样嵌入装置设置在旋转顶板的下表面并嵌入待测圆柱形土样的上表面中；顶板旋转驱动装置设置在旋转顶板的上表面并带动旋转顶板进行旋转；应力传感器设置在土样嵌入装置上；湿度传感器以及应力传感器分别与数据采集计算机相连。旋转顶板的下表面以及底板的上表面均设置有圆形刻度线；圆形刻度线是一条或多条；圆形刻度线是多条时，多条圆形刻度线同心设置。旋转顶板6上下表面为圆形，直径20cm，且其下表面和底板15上表面均带有两个圆形刻度线18，用于对称放置不同直径的圆柱形土样10。

顶板旋转驱动装置包括大滑轮、皮带、滑轮组以及电机；大滑轮设置在旋转顶板的上表面；滑轮组通过皮带与大滑轮相连；电机依次通过滑轮组、皮带以及大滑轮带动旋转顶板转动。

土样嵌入装置包括十字卡槽以及刀片；十字卡槽固定设置在旋转顶板的下表面；刀片设置在十字卡槽中并嵌入待测圆柱形土样的上表面；应力传感器设置在刀片的末端。十字卡槽7长度与旋转顶板6的直径一致，均为20cm，深0.4cm，宽0.4cm，通过螺钉8固定于旋转顶板6下表面，试验时内置刀片，用于固定圆柱形土样10。

注水装置包括水管以及设置在水管上的阀门；水管与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；水管3表面带有刻度，可以实现圆柱形土样10的定量增湿，实现高含水量土样的环剪试验，解决了高含水量土样不易安装的问题。

湿度传感器是一个或多个，湿度传感器是多个时，多个湿度传感器随机设置在底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔中。湿度传感器5布置于圆柱形土样10不同位置，用于判断定量进水结束后，圆柱形土样10湿度是否均匀，从而确定是否开始剪切。

大滑轮9直径4.5cm，通过螺钉8固定于旋转顶板6上表面，试验时大滑轮9转动带动旋转顶板6、十字卡槽7转动，进而带动上半部分土样转动，从而剪切土样。

滑轮组13包括同心设置的第一滑轮以及第二滑轮；电机与第一滑轮相连并通过第一滑轮带动第二滑轮转动；第二滑轮通过皮带与大滑轮相连并带动大滑轮转动。第一滑轮的直径7cm，与电机14相接，第二滑轮的直径2cm，与旋转顶板6上的大滑轮9相接，用于降低大滑轮9的转速。

应力传感器12用于测量剪应力，试验开始后，通过数据采集计算机17采集数据，观察剪应力的变化规律，剪应力峰值过后，继续剪切，直至五分钟内剪应力不变为止，进而换算残余强度。

电机14功率为0.5kw，转速较低，通过手动控制。

基于本发明所提供的土样残余强度测试装置的土样残余强度测试方法，其步骤如下：

A、按照图1，图2所示安装仪器，将皮带11分别缠绕于相应的滑轮上，在电机14上设置剪切速率；

B、在十字卡槽7里安装刀片，然后将制备好的圆柱形土样10放置于环形侧板内，且保证刀片嵌入土样内，固定好圆柱形土样10，保证应力传感器12的探头置于刀片末端外侧，剪切前卸掉浸水增湿部件，防止干扰转动剪切土样；

C、进行高含水量土样的残余强度测试时，先安装起始低含水量的圆柱形土样10，安装步骤同上，然后打开进水阀门4，根据需要增湿的含水量及起始含水量，换算需要进入土样的水量，通过水管3上的刻度及阀门4控制，定量进水完成后，关闭阀门4并卸掉浸水增湿部件，通过数据采集计算机17，观察12小时后两个湿度传感器5反馈的湿度数据，如果湿度相同的话，表明增湿均匀，即可进行环剪试验，如果不相同的话，则不能进行环形剪切试验，直至湿度相同。

D、试验开始后，通过数据采集计算机17采集数据，观察剪应力的变化规律，剪应力峰值过后，继续剪切，直至五分钟内剪应力不变为止，进而换算残余强度，试验完成后，关闭电机14，卸掉土样，并用毛刷清洗旋转顶板6下表面、底板15上表面及上下环形侧板内壁，确保内壁上没有残留土样，以进行下次试验。

这种土样残余强度测试装置及测试方法，能实现不同尺寸、不同含水量圆柱形土样10残余强度精确测试的目的，且结构简单，加工成本低，易于在生产和教学中推广应用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种土样残余强度测试装置，其特征在于：所述土样残余强度测试装置包括底板、环形侧板、旋转顶板、湿度传感器、土样嵌入装置、应力传感器、数据采集计算机、顶板旋转驱动装置以及注水装置；所述底板以及旋转顶板分别设置在环形侧板的底部以及顶部并与旋转顶板共同围成一个用于存放待测圆柱形土样的空腔；待测圆柱形土样置于该空腔中；所述注水装置与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；所述空腔内设置有湿度传感器；所述土样嵌入装置设置在旋转顶板的下表面并嵌入待测圆柱形土样的上表面中；所述顶板旋转驱动装置设置在旋转顶板的上表面并带动旋转顶板进行旋转；所述应力传感器设置在土样嵌入装置上；所述湿度传感器以及应力传感器分别与数据采集计算机相连。

2.根据权利要求1所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述旋转顶板的下表面以及底板的上表面均设置有圆形刻度线；所述圆形刻度线是一条或多条；所述圆形刻度线是多条时，所述多条圆形刻度线同心设置。

3.根据权利要求1或2所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述顶板旋转驱动装置包括大滑轮、皮带、滑轮组以及电机；所述大滑轮设置在旋转顶板的上表面；所述滑轮组通过皮带与大滑轮相连；所述电机依次通过滑轮组、皮带以及大滑轮带动旋转顶板转动。

4.根据权利要求3所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述滑轮组包括同心设置的第一滑轮以及第二滑轮；所述电机与第一滑轮相连并通过第一滑轮带动第二滑轮转动；所述第二滑轮通过皮带与大滑轮相连并带动大滑轮转动。

5.根据权利要求4所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述第一滑轮的直径是7cm；所述第二滑轮的直径是2cm；所述大滑轮的直径是4.5cm。

6.根据权利要求5所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述土样嵌入装置包括十字卡槽以及刀片；所述十字卡槽固定设置在旋转顶板的下表面；所述刀片设置在十字卡槽中并嵌入待测圆柱形土样的上表面；所述应力传感器设置在刀片的末端。

7.根据权利要求6所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述注水装置包括水管以及设置在水管上的阀门；所述水管与底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔相连通；所述水管上设置有刻度。

8.根据权利要求7所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述湿度传感器是一个或多个，所述湿度传感器是多个时，多个湿度传感器随机设置在底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔中。

9.根据权利要求8所述的土样残余强度测试装置，其特征在于：所述电机功率为0.5kw。

10.一种基于如权利要求9所述的土样残余强度测试装置的土样残余强度测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）按照权利要求9所述的土样残余强度测试装置进行组装；

2）将制备好的待测圆柱形土样放置于底板、环形侧板以及旋转顶板所围成的空腔中且保证刀片嵌入待测圆柱形土样的上表面中；

3）根据试验方案确定是要进行高含水量土样的残余强度测试还是低含水量土样的残余强度测试，若是要进行低含水量土样的残余强度测试，则直接进行步骤5）；若是要进行高含水量土样的残余强度测试，则进行步骤4）；

4）根据需要增湿的含水量及起始含水量，换算需要进入待测圆柱形土样的水量，通过水管上的刻度及阀门控制，进行定量进水；一定时间后查看两个湿度传感器的湿度数据，若湿度数据相同，则表明增湿均匀并进行步骤5）；若湿度数据不同，则继续等待直至两个湿度传感器的湿度数据相同后进行步骤5）；

5）通过数据采集计算机采集应力传感器的数据，观察剪应力的变化规律，剪应力峰值过后，继续剪切，直至5分钟内剪应力不变为止，进而换算残余强度。