CN105823691B - 一种不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法，要求不排水抗剪强度小于100kPa,主要包括升降加压系统(由压力伺服电机、两端有齿轮的横向转杆、齿条和活塞压力板的升降杆组成)、剪切系统(由转速伺服电机、转速伺服电机的升降杆、旋转轴、十字剪切板或圆盘组成)和测量控制系统(由扭矩传感器、土压力盒、PLC以及触摸屏组成)。采用相同驱动、升降、测量等装置，只需在十字剪切板和圆盘直接互换，即可测定土及其与钢板之间界面的不排水抗剪强度。相对而言，该方法试验设备成本低，可以探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种不排水抗剪强度室内联合测定仪，特别是涉及一种压力可控条件下土及其与钢板界面的不排水抗剪强度室内联合测定仪，特别适用于重塑软黏性土和砂土及其与钢板界面的不排水抗剪强度测试，也可用于原状软黏性土不排水抗剪强度的测试，要求不排水抗剪强度小于100kPa。本发明还涉及该不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法。
背景技术
早在上世纪20年代，十字板剪切试验仪就用于测定场外原位软土不排水抗剪强度，将十字板插入所需深度软黏性土地层里，测定所处深度地层围压下软黏性土不排水抗剪强度，原位十字板剪切试验仪构造在上世纪50年代基本上没多大变化。也就是在上世纪50年代开始，十字板剪切试验仪慢慢地用于室内测定大气压条件下软土的不排水抗剪强度。由于不排水抗剪强度受围压的影响，有些学者采用固结仪加载原理，通过上部荷载施加围压，然而有学者指出这种加载装置的局限性，旋转轴杆与土容器之前存在摩擦力，土容易通过杆件与土容器或盖板与土容器之间的间隙挤出，所以测定扭矩与实际值存在差异，进而提出在土上方采用气囊的方式来施加压力，较好地用于软黏性土不排水抗剪强度的测试。随着机械化施工水平的提高，盾构机、钻孔台车等机械越来越普遍地用于土建施工，机械钢材与土之间界面不可避免地存在摩阻力，有些学者提出采用旋转圆盘装置来测定土-钢板之间不排水抗剪强度。因此，如何方便可靠地测定土自身不排水抗剪强度和土-钢板界面不排水抗剪强度已经是土建工程师必须面临的问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种实现软土不同压力条件下不排水抗剪强度与软土-钢板界面之间不排水抗剪强度的室内测定，探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系，并能降低试验设备成本的不排水抗剪强度室内联合测定仪。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种该不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的不排水抗剪强度室内联合测定仪，试验台上设有试样腔，所述的试样腔的横断面为圆形且在所述的试样腔的内壁上设有至少一条轴向凸槽和至少一个土压力盒；所述的试验台上设有支架，所述的支架上设有转速伺服电机的升降杆，所述的转速伺服电机的升降杆上设有转速伺服电机，所述的转速伺服电机设有旋转轴，所述的旋转轴的轴心与所述的试样腔的轴向中心线重合，所述的旋转轴上设有扭矩传感器，十字剪切板或圆盘通过对接口与所述的旋转轴采用可拆卸式连接；所述的试样腔内设有活塞压力板，所述的活塞压力板与活塞压力板的升降杆连接，所述的活塞压力板的升降杆上设有齿条，还包括一个电机支架，所述的电机支架上设有压力伺服电机，所述的压力伺服电机的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆，所述的两端有齿轮的横向转杆上的齿轮与所述的齿条啮合传动，还包括一个PLC以及触摸屏，所述的PLC以及触摸屏与所述的扭矩传感器、土压力盒以及所述的压力伺服电机和转速伺服电机1的控制系统电连接。
所述的试样腔的底部设有能容纳所述的十字剪切板或圆盘的顶部的凹孔。
所述的土压力盒为两个且径向相对位置布设在所述的试样腔内。
所述的活塞压力板通过套筒与所述的活塞压力板的升降杆连接，所述的旋转轴穿过所述的套筒。
为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的使用不排水抗剪强度室内联合测定仪的方法，当测定土不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：安装十字剪切板，用临时固定装置将十字剪切板固定于试样腔内，将土缓慢倒入土容器内，抹平土体上表面，降低固定架，并使上部腔体与下部土容器闭合，对土体上方施加恒定压力，然后按照设定转速旋转十字板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度；当测定土-钢板不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：将平面剪切板旋转轴下部竖直插入，将土缓慢倒入土容器至设计平面剪切板位置，安装平面旋转圆盘，确保圆盘下表面与下部土体接触紧密，然后倒入上部土体至设定的水平位置，抹平土体上表面，降低固定架以使上部腔体与下部土容器闭合，按照设计转速旋转平面剪切板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度。
具体地，当测定土不排水抗剪强度时：
(a)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用对接口与旋转轴固定连接，启动转速伺服电机，以实验要求的速度转动，记录此时的扭矩传感器3测量的扭矩初始值；
(b)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用临时固定装置竖直在试样腔内，十字剪切板或圆盘的十字剪切板底部插入试样腔的凹孔中，将制备的土样装入试样腔内，刮平试样腔表面的土样，将试样腔放入活塞压力板正下方；
(c)缓慢转动转速伺服电机的升降杆，带动转速伺服电机和旋转轴一起下降，使旋转轴跟十字剪切板或圆盘的十字剪切板轴杆对接固定；
(d)开启压力伺服电机转动，带动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，使活塞压力板升降杆、套筒和活塞压力板一起缓慢下降，利用PLC以及触摸屏来设定土体上部压力；
(e)通过PLC以及触摸屏控制转速伺服电机以恒定速度转动，并实时记录扭矩传感器测试的扭矩值和土压力盒测试的侧向土压力值，并自动保存；
(f)调取保存的扭矩时程数据，扣除步骤(a)中空转时的扭矩值后，得到的即为修正后的扭矩时程值；
(g)根据测得的扭矩值，假定十字剪切板或圆盘的十字剪切板旋转后产生的环向剪切面上各点的剪应力相同，运用公式(1)，即可计算出土样的剪应力；
其中：s为土体的剪应力(Pa)，
M为第(f)步中修正后的扭矩值(N﹒m)
D为十字剪切板的直径(m)；
当测定土-钢板不排水抗剪强度时，将十字剪切板或圆盘7的十字剪切板更换成十字剪切板或圆盘7的圆盘以测试土-钢板界面剪切力时，试样腔17中装入制备好的土样时，首先装至指定高度，刮平表面后，将十字剪切板或圆盘7的圆盘轻压在土样上，再装入剩余的土样，其余步骤与测定土不排水抗剪强度时采用十字板剪切试验相同；土-钢板界面的剪应力按公式(2)计算得到：
其中：α为土-钢板界面的剪应力(Pa)，
M为修正后的扭矩值(N﹒m)，
D为圆盘直径(m)，
绘制土体及其与钢板界面的剪应力与转角即转动角速度×时间的关系曲线，剪应力的峰值和残余值即为不排水抗剪强度的峰值和残余值。
采用上述技术方案的不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法，转速伺服电机提供剪切土体所需要的转速，转动伺服电机升降杆带动伺服电机和旋转轴升降，方便安装十字剪切板或圆盘、移动试样腔装卸土。活塞压力板升降杆下部开有齿条，压力伺服电机使两端有齿轮的横向转杆转动，通过齿轮与齿条的啮合力，实现活塞压力板的升降杆的升降。当活塞压力板下降至将要与土样接触时，在PLC以及触摸屏上设定的土体上部压力(通过压力伺服电机)，设定旋转轴转速(通过转速伺服电机)，通过扭矩传感器实时记录剪切土样的扭矩值，并通过试样腔内土压力盒实时记录侧向土压力，并将测量的数据输送至PLC存储系统中，存储记录。
本发明基于室内标准的十字板剪切试验仪的基础上，在试验架下安装钢质试样腔体，上部敞开，连接腔体的固定架可上下调整。盛土用的试样腔横断面为圆形，为避免旋转剪切过程中旋转轴带动整个土体一起旋转，在试样腔内壁上增加轴向凸槽，增大内壁与土样的摩擦。采用伺服电机设定旋转轴转速，在土体上方施加恒定压力。
为了实现土不排水抗剪强度与土-钢板界面不排水抗剪强度的测定互换，需要在旋转轴下部进行十字板和平板的更换，即：需要测定土不排水抗剪强度时，在旋转轴下部安装十字板；需要测定土钢板界面不排水抗剪强度时，在旋转轴下部安装平面剪切板。
由于对土样施加压力，不排水抗剪强度和相对于大气压情况下测定的不排水抗剪强度(等于粘聚力c)会提高，旋转轴扭矩会增大。为了保证旋转轴的稳定，旋转过程中不发生径向偏位，相对常规十字板剪切仪不同之处在于，在土容器底部预留个凹孔，旋转轴插入凹孔内。这样旋转轴上下均有支撑点，稳定性可得到大大提高。
对于非饱和土而言，非固结条件下土体会存在摩擦角，不排水抗剪强度与正应力相关(Su＝c+σtanΦ)。当测定土-钢板界面不排水抗剪强度时，土体上部压力给土-钢板界面施加正应力，方向一致。考虑土块小，忽略土块自重引起应力，外部应力与土-钢板界面正应力相等。然而，当测定土不排水抗剪强度时，十字板沿环向剪切土体，剪切面沿十字板切向，剪切面正应力来自于侧向土压力，与上部压力施加方向垂直。为了分析土不排水抗剪强度与正应力的关系，要确定侧向土压力。为了测定侧向土压力，在土容器侧壁埋设微型土压力盒以测定侧向土压力，为了复核测试的准确性，在径向相对位置各布设一个微型土压力盒，总共两个。
本发明的特点在于可方便地控制压力，通过一套旋转装置的构件下，更换剪切叶片实现在十字剪切板和平面剪切板之间更换，从而实现软土不同压力条件下不排水抗剪强度与软土-钢板界面之间不排水抗剪强度的室内测定，探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系，并可降低试验设备成本。
附图说明
图1是联合剪切仪竖向剖面图。
图2是联合剪切仪水平图。
图中：1-转速伺服电机1，2-旋转轴2，3-扭矩传感器3，4-套筒4，5–对接口5，6-土压力盒6，7-十字剪切板或圆盘7，8-试验台8，9-两端有齿轮的横向转杆9，10-压力伺服电机10，11–电机支架11，12-PLC以及触摸屏12，13-齿条13，14-转速伺服电机的升降杆14，15-支架15，16-活塞压力板的升降杆16，17-试样腔17，18-活塞压力板18，19-凸槽19，20-凹孔20。
具体实施方式
下面结合附图，来详细说明本发明提供的压力可控条件下土及其与钢板界面的不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法。
参见图1和图2，本发明提供的不排水抗剪强度室内联合测定仪，试验台8上设有试样腔17，试样腔17的横断面为圆形且在试样腔17的内壁上设有至少一条轴向凸槽19和至少一个土压力盒6；试验台8上设有支架15，支架15上设有转速伺服电机的升降杆14，转速伺服电机的升降杆14上设有转速伺服电机1，转速伺服电机1设有旋转轴2，旋转轴2的轴心与试样腔17的轴向中心线重合，旋转轴2上设有扭矩传感器3，十字剪切板或圆盘7通过对接口5与旋转轴2采用可拆卸式连接；试样腔17内设有活塞压力板18，活塞压力板18与活塞压力板的升降杆16连接，活塞压力板的升降杆16上设有齿条13，还包括一个电机支架11，电机支架11上设有压力伺服电机10，压力伺服电机10的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆9，两端有齿轮的横向转杆9上的齿轮与齿条13啮合传动，还包括一个PLC以及触摸屏12，PLC以及触摸屏12与扭矩传感器3、土压力盒6以及所述的压力伺服电机10和转速伺服电机1的控制系统电连接。
进一步地，试样腔17的底部设有能容纳十字剪切板或圆盘7的顶部的凹孔20。
优选地，土压力盒6为两个且径向相对位置布设在试样腔17内。
具体地，活塞压力板18通过套筒4与活塞压力板的升降杆16连接，旋转轴2穿过套筒4。
参见图1和图2，一种压力可控条件下土及其与钢板界面的不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法，要求不排水抗剪强度小于100kPa。此装置主要包括升降加压系统(由压力伺服电机10、两端有齿轮的横向转杆9、齿条13和活塞压力板的升降杆16组成)、剪切系统(由转速伺服电机1、转速伺服电机的升降杆14、旋转轴2、十字剪切板或圆盘7组成)和测量控制系统(由扭矩传感器3、土压力盒6、PLC以及触摸屏12组成)。其中转速伺服电机1提供剪切土体所需要的转速，转动伺服电机升降杆14可带动伺服电机1、旋转轴2升降，方便安装十字剪切板或圆盘7、移动试样腔17装卸土。活塞压力板升降杆16下部开有齿条13，压力伺服电机10使两端有齿轮的横向转杆9转动，通过齿轮与齿条13的啮合力，实现活塞压力板的升降杆16的升降。当活塞压力板18下降至将要与土样接触时，在PLC以及触摸屏12上设定的土体上部压力(通过压力伺服电机10)，设定旋转轴转速(通过转速伺服电机1)，通过扭矩传感器3实时记录剪切土样的扭矩值，并通过试样腔17内土压力盒6实时记录侧向土压力，并将测量的数据输送至PLC存储系统中，存储记录。
通过PLC以及触摸屏12设定，分别由压力伺服电机10和转速伺服电机1实现的土样上部压力和旋转轴转速，测量在不同压力、不同转速条件下的土及其与钢板界面的不排水剪切强度。
采用相同的驱动、升降、测量等装置，主体装置不用更换，只需在十字剪切板与圆盘之间进行互换，就可用于土自身不排水抗剪强度和土-钢板界面不排水抗剪强度的测定，可节省设备成本。
由埋设在试样腔17内壁的土压力盒6测试作用在十字剪切板7旋转剪切圆柱面上的正应力，便于建立土不排水抗剪强度与正应力的关系。
压力伺服电机10和转速伺服电机1分离，分别由不同的升降杆来调整它们各自的竖向位置。
参见图1和图2，下面以实施例说明装置具体工作流程，当测定土不排水抗剪强度时：
(h)将十字剪切板或圆盘7的十字剪切板用对接口5与旋转轴2固定连接，启动转速伺服电机1，以实验要求的速度转动，记录此时的扭矩传感器3测量的扭矩初始值；
(i)将十字剪切板或圆盘7的十字剪切板用临时固定装置竖直在试样腔17内，十字剪切板或圆盘7的十字剪切板底部插入试样腔17凹孔20中，将制备的土样装入试样腔17内，刮平试样腔17表面的土样，将试样腔17放入活塞压力板18正下方；
(j)缓慢转动转速伺服电机的升降杆14，带动转速伺服电机1和旋转轴2一起下降，使旋转轴2跟十字剪切板或圆盘7的十字剪切板轴杆对接固定；
(k)开启压力伺服电机10转动，带动齿轮9转动，通过齿轮与齿条的啮合，使活塞压力板升降杆16、套筒4和活塞压力板18一起缓慢下降，利用PLC以及触摸屏12来设定土体上部压力；
(l)通过PLC以及触摸屏12控制转速伺服电机1以恒定速度转动，并实时记录扭矩传感器3测试的扭矩值和土压力盒6测试的侧向土压力值，并自动保存；
(m)调取保存的扭矩时程数据，扣除步骤(a)中空转时的扭矩值后，得到的即为修正后的扭矩时程值；
(n)根据测得的扭矩值，假定十字剪切板或圆盘7的十字剪切板旋转后产生的环向剪切面上各点的剪应力相同，运用公式(1)，即可计算出土样的剪应力。
其中：s为土体的剪应力(Pa)，
M为第(f)步中修正后的扭矩值(N﹒m)
D为十字剪切板的直径(m)；
当测定土-钢板不排水抗剪强度时，将十字剪切板或圆盘7的十字剪切板更换成十字剪切板或圆盘7的圆盘以测试土-钢板界面剪切力时，试样腔17中装入制备好的土样时，首先装至指定高度，刮平表面后，将十字剪切板或圆盘7的圆盘轻压在土样上，再装入剩余的土样，其余步骤与测定土不排水抗剪强度时采用十字板剪切试验相同；土-钢板界面的剪应力按公式(2)计算得到：
其中：α为土-钢板界面的剪应力(Pa)，
M为修正后的扭矩值(N﹒m)，
D为圆盘直径(m)，
绘制土体及其与钢板界面的剪应力与转角即转动角速度×时间的关系曲线，剪应力的峰值和残余值即为不排水抗剪强度的峰值和残余值。
Claims (6)
1.一种不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：试验台(8)上设有试样腔(17)，所述的试样腔(17)的横断面为圆形且在所述的试样腔(17)的内壁上设有至少一条轴向凸槽(19)和至少一个土压力盒(6)；所述的试验台(8)上设有支架(15)，所述的支架(15)上设有转速伺服电机的升降杆(14)，所述的转速伺服电机的升降杆(14)上设有转速伺服电机(1)，所述的转速伺服电机(1)设有旋转轴(2)，所述的旋转轴(2)的轴心与所述的试样腔(17)的轴向中心线重合，所述的旋转轴(2)上设有扭矩传感器(3)，十字剪切板或圆盘(7)通过对接口(5)与所述的旋转轴(2)采用可拆卸式连接；所述的试样腔(17)内设有活塞压力板(18)，所述的活塞压力板(18)与活塞压力板的升降杆(16)连接，所述的活塞压力板的升降杆(16)上设有齿条(13)，还包括一个电机支架(11)，所述的电机支架(11)上设有压力伺服电机(10)，所述的压力伺服电机(10)的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆(9)，所述的两端有齿轮的横向转杆(9)上的齿轮与所述的齿条(13)啮合传动，还包括一个PLC以及触摸屏(12)，所述的PLC以及触摸屏(12)与所述的扭矩传感器(3)、土压力盒(6)以及所述的压力伺服电机(10)和转速伺服电机(1)的控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：所述的试样腔(17)的底部设有能容纳所述的十字剪切板或圆盘(7)的底部的凹孔(20)。
3.根据权利要求1或2所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：所述的土压力盒(6)为两个且径向相对位置布设在所述的试样腔(17)内。
4.根据权利要求1或2所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：所述的活塞压力板(18)通过套筒(4)与所述的活塞压力板的升降杆(16)连接，所述的旋转轴(2)穿过所述的套筒(4)。
5.一种权利要求1所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法，其特征是：当测定土不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：安装十字剪切板，用临时固定装置将十字剪切板固定于试样腔内，将土缓慢倒入土容器内，抹平土体上表面，降低固定架，并使上部腔体与下部土容器闭合，对土体上方施加恒定压力，然后按照设定转速旋转十字板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度；当测定土-钢板不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：将平面剪切板旋转轴下部竖直插入，将土缓慢倒入土容器至设计平面剪切板位置，安装平面旋转圆盘，确保圆盘下表面与下部土体接触紧密，然后倒入上部土体至设定的水平位置，抹平土体上表面，降低固定架以使上部腔体与下部土容器闭合，按照设计转速旋转平面剪切板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度。
6.根据权利要求5所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法，其特征是：当测定土不排水抗剪强度时：
(a)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用对接口与旋转轴固定连接，启动转速伺服电机，以实验要求的速度转动，记录此时的扭矩传感器(3)测量的扭矩初始值；
(b)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用临时固定装置竖直在试样腔内，十字剪切板或圆盘的十字剪切板底部插入试样腔的凹孔中，将制备的土样装入试样腔内，刮平试样腔表面的土样，将试样腔放入活塞压力板正下方；
(c)缓慢转动转速伺服电机的升降杆，带动转速伺服电机和旋转轴一起下降，使旋转轴跟十字剪切板或圆盘的十字剪切板轴杆对接固定；
(d)开启压力伺服电机转动，带动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，使活塞压力板升降杆、套筒和活塞压力板一起缓慢下降，利用PLC以及触摸屏来设定土体上部压力；
(e)通过PLC以及触摸屏控制转速伺服电机以恒定速度转动，并实时记录扭矩传感器测试的扭矩值和土压力盒测试的侧向土压力值，并自动保存；
(f)调取保存的扭矩时程数据，扣除步骤(a)中空转时的扭矩值后，得到的即为修正后的扭矩时程值；
(g)根据测得的扭矩值，假定十字剪切板或圆盘(7)的十字剪切板旋转后产生的环向剪切面上各点的剪应力相同，运用公式(1)，即可计算出土样的剪应力；
其中：s为土体的剪应力，Pa，
M为第(f)步中修正后的扭矩值，N﹒m，
D为十字剪切板的直径，m；
当测定土-钢板不排水抗剪强度时，将十字剪切板或圆盘的十字剪切板更换成十字剪切板或圆盘的圆盘以测试土-钢板界面剪切力时，试样腔中装入制备好的土样时，首先装至指定高度，刮平表面后，将十字剪切板或圆盘的圆盘轻压在土样上，再装入剩余的土样，其余步骤与测定土不排水抗剪强度时采用十字板剪切试验相同；土-钢板界面的剪应力按公式(2)计算得到：
其中：α为土-钢板界面的剪应力，Pa，
M为修正后的扭矩值，N﹒m，
D为圆盘直径，m，
绘制土体及其与钢板界面的剪应力与转角即转动角速度×时间的关系曲线，剪应力的峰值和残余值即为不排水抗剪强度的峰值和残余值。
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