CN106092756A - 一种可施加围压的空心环剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可施加围压的空心环剪试验装置，包括机架、液压加载装置、剪切单元和剪切装置。机架由左立柱、右立柱、上反力梁及底座组焊而成。机架中的上反力梁与液压加载装置中的油缸缸套相连，液压加载装置中的围压器放置于剪切单元中的下剪切盒底部的凹槽内，剪切单元中的剪切大齿轮与剪切装置中的剪切小齿轮相连。剪切单元和剪切装置与机架中的底座相连，组成可施加围压的空心环剪试验装置。本发明利用剪切伺服电机提供剪切力，有利于提高测试精度，后期研发中还可考虑施加不同速率剪切荷载的影响；可以测试和研究土体不同轴压、围压下的抗剪强度参数；适用于粘性土、砂土和淤泥等地基土的强度特性的室内试验。

Description

一种可施加围压的空心环剪仪

技术领域

本发明涉及岩土材料力学试验设备，特别是涉及沙土、粉土和粘土等土样的空心环剪试验装置，主要用于室内测试不同轴压、不同围压条件下的抗剪力学特性以及强度参数。

背景技术

岩土体的抗剪强度一般由现场原位或室内直剪试验结果获得。原位剪切试验由于试样尺寸大，对土体扰动小，较之于常规的室内剪切设备更接近工程受荷变形，在工程应用上也更加广泛。但是原位剪切试验周期长，资金投入大，不可能大范围的采用，尤其是对于公路、铁路等线状工程更是如此。室内直剪试验试样尺寸相对较小，试件的代表性较差，分散性大，但对于土的力学性质研究和相关规律认识有较好的应用价值。采用剪切设备来确定土的抗剪强度是最直接和可靠的方法，室内剪切试验因为测试速度快、成本低，被广泛应用于地质勘查工作中，其中直剪试验是目前应用最广的测试技术之一。

直剪试验已经成功的应用了一个多世纪。早期的直剪仪均为应力控制式，Gilboy于 1936 年在麻省理工学院将位移控制引入到了直剪仪试验中，从而可以研究岩土材料峰值后的强度特性。实验室常用土工直剪仪，其上下剪切盒体积与一般土工环刀（直径61.8mm，高20mm）一致，可以完成2mm粒径以下原状样、扰动样的多条件剪切。近几十年来，土的物理和力学性质的量测技术发展得相当快，不仅新型仪器和测验项目有所增加，而且测试精度也大有提高。为了研究土的强度特性，一些形形色色的抗剪强度试验仪器得以发展，特别是直剪仪的发展尤为迅速。如：Escario于1980年研制了第一台非饱和土直剪仪用以探讨基质吸力对非饱和土强度的影响；后勤工程学院与江苏溧阳工程实验设备厂合作，经多年努力，吸取了多方面的优点，研制成国内第一台非饱和土直剪仪。河海大学研制了大型单、直剪仪，其直剪仪平台可以更换剪切盒，来完成不同尺寸土样或粗粒土的单剪、直剪试验，其加载系统及数据采集系统高度自动化，操作方便。清华大学张嘎、张建明等研制了TH-20t大型土与结构接触面循环加载剪切仪，可用于粗粒土与结构的接触面单调和循环加载试验。中国科学院岩土力学重点实验室研制了现场室内两用大型直剪仪，可用于现场和室内剪切试验。韩森、徐鸥明、王彦志等研制的大型直剪仪，剪切盒为由上、中、下3个刚性试模组成。大连理工大学针对大型直剪试验中剪切面不断变化且垂直压力偏压等问题，开发相应的数据处理模块，提高了测量精度；四川大学研制了一台大型粗粒土直剪试验机，采用齿轮齿条机构来固定剪切面中心的位置，同时运用线性比列调压技术使正应力恒定，解决了剪切面中心位置偏移，剪切面上正应力分布不均的问题。

这些剪切仪种类繁多但其工作原理相同，均是将试验所用试样按要求装入由上下盒组成的刚性剪切盒中，赋予一定垂直压力，并保持垂直压力在剪切过程中不变，通过对剪切和施加水平推力，使上下剪切盒沿预定的剪切缝相对移动，对试样施加剪切作用，直至发生剪切破坏，测出在该垂直压应力下的最大剪应力，即抗剪强度。用同样的方法，在不同垂直压应力下测得不同的抗剪强度。然后根据库伦定律确定土的抗剪强度指标——内摩擦角和黏聚力。

传统的直剪仪在剪切过程中，试样剪切面积实际上是持续减小的，且剪切面上的正应力分布也不均匀，但在获取参数时为了简化计算假定剪切面积不变且剪切面上正应力均匀分布，这就使得强度参数的求取存在一定的误差。另外还应考虑到工程实践中土是处于三维应力状态的，而目前已有的剪切仪均只能考虑正应力对抗剪强度的影响，无法考虑围压对试样强度特性的影响，相关的强度理论发展还需要大量的三轴应力-剪切强度数据来支撑。

因此，为解决传统直剪仪的不足，急需对现有的直剪仪进行改造，研制一套可施加围压的、剪切面稳定和正应力分布均匀的剪切设备，确保试验成果真实可靠。

发明内容

本发明的目的就在于研究不同轴压、围压条件下的岩土材料抗剪强度特性，是在于提供了一种可施加围压的空心环剪仪,结构简单,使用方便。该剪切仪将围压器放置于环形剪切盒中心，通过液压油使弹力膜鼓胀从而对试样施加围压，目前最大施加围压可达到1.0MPa，填补了国内剪切仪相关方面的技术空白；该剪切仪通过齿轮机构传动实现对试样的剪切破坏，上剪切盒上盖板传递轴向压力，下剪切盒进行环形转动，且在上、下剪切盒之间设置滑槽，可保证剪切过程中剪切面稳定以及施加的轴向压力分布均匀，同是也可实现试样在连续的位移条件下进行剪切。

为了实现上述的目的,本发明采用以下技术措施：

一种可施加围压的空心环剪仪，包括机架、剪切单元、液压加载装置和剪切装置。其特征在于：所述的机架40分别与左立柱9、右立柱23、上反力梁14及底座1焊接。机架中的上反力梁与液压加载装置中的油缸缸套相连，液压加载装置中的围压器放置于剪切单元中的下剪切盒底部的凹槽内，剪切单元中的剪切大齿轮与剪切装置中的剪切小齿轮相连。剪切单元和剪切装置与机架中的底座相连，组成可施加围压的空心环剪试验装置。

剪切单元包括上剪切盒、下剪切盒、剪切大齿轮和剪切大齿轮末端支撑轴承。其连接关系是：上剪切盒上方依次与上盖板、钢垫板、传力管、轴压油缸活塞杆和轴压油缸相连，且均在同一轴线上相连,上剪切盒下方依次与下剪切盒、剪切大齿轮和剪切大齿轮末端支撑轴承相连，且均在同一轴线上相连,剪切大齿轮末端支撑轴承与机架中的底座相连。剪切单元的功能是用于放置试样和传递剪切力,上、下剪切盒之间设置滑槽，可保证剪切过程中剪切面平稳发展以及剪切面上正应力分布较均匀。

液压加载装置包括油缸缸套、轴压油缸、围压器、轴压压力变送器、围压压力变送器和液压加载控制装置。其连接关系是：轴压油缸安装在油缸缸套内，油缸缸套焊接在机架的上反力梁上，轴压油缸上端通过油管分别与轴压压力变送器相连，轴压压力表和液压加载控制装置相连，轴压油缸下端通过轴压油缸活塞杆和传力管与剪切单元相连；围压器上端通过油管分别与围压压力变送器、围压油压表和液压加载控制装置相连；围压器包括油腔、弹力膜、内压紧圈、外压紧圈和压紧螺母，油腔两端设置有内压紧圈，油腔的圆柱表面与弹力膜相连，油腔两端分别与外压紧圈和压紧螺母相连。液压加载装置的功能是给试样提供轴压和围压,同时液压加载装置中设置有操控轴压油缸和围压器的换向手柄，以及控制轴压油缸和围压器油压的调节手柄，可方便实现对轴压、围压的控制与转换。

剪切装置包括剪切伺服电机、减速箱、剪切小齿轮轴、剪切力矩传感器、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承剪切小齿轮轴末端支撑轴承和剪切锥齿轮副。其连接关系是：剪切伺服电机固定在机架的底座上，剪切伺服电机的输出端分别与减速箱和剪切锥齿轮副的一个齿轮相连，剪切锥齿轮副的另一个齿轮与剪切小齿轮轴相连，剪切小齿轮轴从上至下依次与剪切位移传感器支架、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承、剪切锥齿轮副、剪切力矩传感器、剪切小齿轮和剪切小齿轮轴末端支撑轴承相连，剪切小齿轮轴末端支撑轴承与机架中的底座相连。剪切装置的功能是给试样提供剪切力,试验过程中，由剪切小齿轮带动剪切大齿轮以及固定在剪切大齿轮盘面上的下剪切盒转动，从而对土样实施剪切。剪切装置中的剪切伺服电机，减速箱和剪切小齿轮，与剪切单元中的剪切大齿轮均安装在机架的底座上，有利于剪切力的稳定施加。

所述的液压加载装置还包括用于测量轴压油缸油压的油压表和围压器油压的油压表；所述的剪切单元还包括垂直位移传感器和气泡水平仪，其连接关系是:垂直位移传感器通过垂直位移传感器支架与左立柱相连，且垂直位移传感器下端与上盖板的上表面相接，气泡水平仪安装在钢垫板上；所述的剪切装置还包括剪切位移传感器和剪切阻力传感器，剪切位移传感器通过剪切位移传感器支架与右立柱相连，且与下剪切盒外表面相接，剪切阻力传感器通过剪切阻力传感器支架与左立柱相连，且与下剪切盒外表面相接。这些仪表传感器的功能主要是在试验测试过程中实时提供测试数据和为仪器调整校正提供参考，如液压加载装置可通过油压表控制施加轴压和围压以及在测试过程中稳压；垂直位移传感器获取轴压施加过程中的垂直位移数据，可作为试样压缩力学特性研究的资料，也可作为试样剪切过程中平稳性的判断依据；气泡水平仪主要功能是保证试样上端面的平整性，避免轴压施加偏心，进而影响实验数据的准确性；剪切位移传感器和剪切阻力传感器的具体作用就是直接获取试样剪切过程中的力与位移数据，以供相关力学性质分析使用。

所述的围压器主要包括油腔、弹力膜、内压紧圈、外压紧圈和压紧螺母。其中，油腔是空心圆柱形钢筒，四周有圆形小孔可使液压油通过，油腔两端设置密封圈、内压紧圈，将弹力膜套在油腔表面，分别从油腔两端套上外压紧圈，再将压紧螺母拧紧，当液压油进入油腔后从小圆孔流出，促使弹性膜受压膨胀，从而使围压器周围土体受压，围压器的下端放置于下剪切盒底板和剪切大齿轮中心处的圆柱形凹槽内，在剪切过程中围压器通过弹力膜对试样施加围压，并和周围土体紧密接触，因此在围压器表面安装保护环套，可避免弹性膜被剪切面附近土样中的坚硬颗粒划伤划破。

上述的上剪切盒的上盖板与轴向压力传力管之间设置有钢垫板，钢垫板上安装有气泡水平仪。

上述的传力管，上端通过设置螺纹与轴压油缸活塞杆连接，上端面预设一小圆孔供连接围压器的油管通过，下端通过圆螺母与上剪切盒上面的钢垫板固定。

上述的剪切单元中，将剪切位移传感器支架固定在右立柱上，在剪切位移传感器支架上安装与下剪切盒接触的剪切位移传感器，将剪切阻力传感器支架固定在左立柱上，剪切阻力传感器支架上安装与下剪切盒接触的剪切阻力传感器。

上述的液压加载装置中，包括用于测量轴压油缸油压和围压器油压的油压表，液压加载控制装置可通过油缸换向阀来控制轴压油缸和围压器，并通过压力调节手柄来控制轴压和围压大小。

上述的剪切盒上方布设垂直位移传感器，将垂直位移传感器支架固定在左立柱上，在垂直位移传感器支架上安装垂直位移传感器并与上剪切盒的上盖板上表面接触。

上述的剪切装置中的剪切伺服电机，减速箱和剪切小齿轮，与剪切单元中的剪切大齿轮均安装在所述机架的底座上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

①利用剪切伺服电机提供剪切力，有利于提高测试精度，后期研发中还可考虑施加不同剪切速率的影响；

②可以测试和研究土体不同轴压、围压下的抗剪强度参数；

③适用于粘性土、砂土和淤泥等地基土的强度特性的室内试验。

附图说明

图1为一种可施加围压的空心环剪仪结构示意图。

图2为一种围压器装置结构示意图。

图3为一种剪切盒和钢垫板结构示意图。

图4为一种粉土试样在不同围压作用下的剪应力-剪切位移曲线示意图。

该图中垂直压力100kPa,曲线上标注数字为施加围压的量值。

图5为一种粉土试样在不同围压作用下的剪应力-剪切位移曲线示意图。

该图中垂直压力200kPa,曲线上标注数字为施加围压的量值。

图4和图5的试验曲线测试了两种垂直压力（100kPa,200kPa）条件下不同围压作用下的剪应力-剪切位移曲线。测试曲线较为平滑，说明测试过程中剪切力施加平稳，位移传感器获取数据准确，同是从测试曲线的对比分析也可研究土样的剪切力学特性，在同一垂直压力条件下，随围压升高，剪切强度逐渐提高，且峰后表现出更加明显的经典塑性力学特性。

其中：1－底座、2－剪切单元、3－剪切大齿轮、4－下剪切盒、5－剪切阻力传感器支架、6－剪切阻力传感器（AEP-FT2）、7－滑槽、8－上剪切盒、9－左立柱、10－垂直位移传感器支架、11－垂直位移传感器（LD620）、12－传力管、13－轴压油缸活塞杆、14－上反力梁、15－油缸缸套、16－轴压油缸、17－液压加载装置、18－轴压压力变送器（SY-PJ1300）、19－轴压压力表（ACD-200）、20－液压加载控制装置（DGN）、21－围压压力变送器（SY-PJ1300）、22－围压油压表（ACD-200）、23－右立柱、24－钢垫板、25－上盖板、26－围压器、27－滚珠、28－剪切小齿轮轴顶端支撑轴承、29－剪切位移传感器支架、30－剪切锥齿轮副、31－剪切伺服电机（三菱HC-SFS81（B））、32－剪切装置、33－减速箱、34－剪切小齿轮、35－剪切小齿轮轴、36－剪切小齿轮轴末端支撑轴承、37－剪切力矩传感器（TQ-660）、38－剪切位移传感器（YHQ）、39－剪切大齿轮末端支撑轴承、40－机架、41－压紧螺母、42－外压紧圈、43－油腔、44－弹力膜、45－保护环套、46－内压紧圈、47－密封圈、48－气泡水平仪（BFHD-3412）。

具体实施方式

实施例1：

根据图1、图2和图3可知，一种可施加围压的空心环剪仪，包括机架40、剪切单元2、液压加载装置17和剪切装置32。其特征在于：机架40由左立柱9、右立柱23、上反力梁14及底座1组成，机架40分别与左立柱9、右立柱23、上反力梁14及底座1焊接。机架40中的上反力梁14与液压加载装置17中的油缸缸套15相连，液压加载装置17中的围压器26放置于剪切单元2中的下剪切盒4底部的凹槽内，剪切单元2中的剪切大齿轮3与剪切装置32中的剪切小齿轮34相连。剪切单元2和剪切装置32与机架40中的底座1相连，组成可施加围压的空心环剪试验装置。

剪切单元2包括上剪切盒8、下剪切盒4、剪切大齿轮3和剪切大齿轮末端支撑轴承39。其连接关系是：上剪切盒8上方依次与上盖板25、钢垫板24、传力管12、轴压油缸活塞杆13和轴压油缸16相连，且均在同一轴线上相连；上剪切盒8下方依次与下剪切盒4、剪切大齿轮3和剪切大齿轮末端支撑轴承39相连，且均在同一轴线上相连；剪切大齿轮末端支撑轴承39与机架40中的底座1相连。剪切单元2的功能是用于放置试样和传递剪切力。

液压加载装置17包括油缸缸套15、轴压油缸16、围压器26、轴压压力变送器18、围压压力变送器21和液压加载控制装置20。其连接关系是：轴压油缸16安装在油缸缸套15内，油缸缸套15焊接在机架40的上反力梁14上，轴压油缸16上端通过油管分别与轴压压力变送器18，轴压压力表19和液压加载控制装置20相连，轴压油缸16下端通过轴压油缸活塞杆13和传力管12与剪切单元2相连；围压器26上端通过油管分别与围压压力变送器21、围压油压表22和液压加载控制装置20相连；围压器26包括油腔43、弹力膜44、内压紧圈46、外压紧圈42和压紧螺母41，油腔43两端均设置内压紧圈46，油腔43表面与弹力膜44相连，油腔43两端分别与外压紧圈42和压紧螺母41相连。液压加载装置17的功能是给试样提供轴压和围压。

剪切装置32包括剪切伺服电机31、减速箱33、剪切小齿轮轴35、剪切力矩传感器37、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承28、剪切小齿轮轴末端支撑轴承36和剪切锥齿轮副30。其连接关系是：剪切伺服电机31固定在机架40的底座1上，剪切伺服电机31的输出端分别与减速箱33和剪切锥齿轮副30的一个齿轮相连，剪切锥齿轮副30的另一个齿轮与剪切小齿轮轴35相连，剪切小齿轮轴35从上至下依次与剪切位移传感器支架29、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承28、剪切锥齿轮副30、剪切力矩传感器37、剪切小齿轮34和剪切小齿轮轴末端支撑轴承36相连，剪切小齿轮轴末端支撑轴承36与机架40中的底座1相连。剪切装置32的功能是给试样提供剪切力。所述的剪切大齿轮与剪切小齿轮是齿轮相互配对，但轮径不同的一大一小两个齿轮。

所述的液压加载装置17还包括用于测量轴压油缸16油压的油压表19和围压器26油压的油压表22；所述的剪切单元2还包括垂直位移传感器11和气泡水平仪48，垂直位移传感器11通过垂直位移传感器支架10与左立柱9相连，且垂直位移传感器11下端与上盖板25的上表面接触，气泡水平仪48安装在钢垫板24上；所述的剪切装置32还包括剪切位移传感器38和剪切阻力传感器6，剪切位移传感器38通过剪切位移传感器支架29与右立柱23相连，且与下剪切盒4外表面接触，剪切阻力传感器6通过剪切阻力传感器支架5与左立柱9相连，且与下剪切盒4外表面接触。

操作方法：

步骤1、将剪切大齿轮放置于底座上的支撑轴承上，用配套的螺母将下剪切盒固定在剪切大齿轮盘面上，将围压器放置于下剪切盒底板和下剪切盒中心处的圆柱形凹槽内，在下剪切盒上端定位滑槽内放置刚性滚珠，再将上剪切盒的圆环部分放置其上；

步骤2、装填夯实试样，要求试样上表面平整；

步骤3、在试样上方依次放置上剪切盒上盖板、钢垫板和传力筒，将上盖板与钢垫板用配套的螺母固定，将钢垫板与传力管下端用配套的螺母固定，将围压器上端连接油管，穿过传力筒与围压压力变送器连接；

步骤4、将电缆和油管分别连接到数据采集仪和油压表，操控液压加载控制装置缓慢地分别对轴压油缸和围压器供油，使得上盖板、弹力膜与试样紧密接触，检查油压表、垂直位移传感器读数是否正常；

步骤5、操控液压加载控制装置分别使轴压和围压达到预定量值，待压力稳定后可根据预定量值适当调整油压，将数据采集仪调零，启动剪切伺服电机，按一定的剪切速率（按输出功率换算）对下剪切盒实施剪切，同时检查剪切位移和剪切阻力传感器读数是否正常，并记录初始值；

步骤6、按规范要求分时段进行不同轴压、不同围压下的环剪试验，记录各时段的油压数值，以及同一压力条件下的剪切位移、剪切力及时间数值，直至试样剪切破坏：

步骤7、完成试样剪切后，操控液压加载控制装置进行回油，使轴压油缸和围压器卸压，拆除传力筒和剪切盒上盖板；重新填装试样，试验过程按照步骤3～6进行；依次类推完成不同试样的剪切试验。

Claims (5)

1.一种可施加围压的空心环剪仪，包括机架（40）、剪切单元（2）、液压加载装置（17）和剪切装置（32），其特征在于：所述的机架（40）分别与左立柱（9）、右立柱（23）、上反力梁（14）及底座（1）焊接，机架（40）中的上反力梁（14）与液压加载装置（17）中的油缸缸套（15）相连，液压加载装置（17）中的围压器（26）放置于剪切单元（2）中的下剪切盒（4）底部的凹槽内，剪切单元（2）中的剪切大齿轮（3）与剪切装置（32）中的剪切小齿轮（34）相连，剪切单元（2）和剪切装置（32）与机架（40）中的底座（1）相连。

2.根据权利要求1所述的一种可施加围压的空心环剪仪，其特征在于：所述的剪切单元（2）包括上剪切盒（8）、下剪切盒（4）、剪切大齿轮（3）和剪切大齿轮末端支撑轴承（39），上剪切盒（8）上方依次与上盖板（25）、钢垫板（24）、传力管（12）、轴压油缸活塞杆（13）和轴压油缸（16）相连，上剪切盒（8）下方依次与下剪切盒（4）、剪切大齿轮（3）和剪切大齿轮末端支撑轴承（39）相连，剪切大齿轮末端支撑轴承（39）与机架（40）中的底座（1）相连。

3.根据权利要求1所述的一种可施加围压的空心环剪仪，其特征在于：所述的液压加载装置（17）包括油缸缸套（15）、轴压油缸（16）、围压器（26）、轴压压力变送器（18）、围压压力变送器（21）和液压加载控制装置（20），轴压油缸（16）安装在油缸缸套（15）内，油缸缸套（15）焊接在机架（40）的上反力梁（14）上，轴压油缸（16）上端通过油管分别与轴压压力变送器（18）、轴压压力表（19）和液压加载控制装置（20）相连，轴压油缸（16）下端通过轴压油缸活塞杆（13）和传力管（12）与剪切单元（2）相连，围压器（26）上端通过油管分别与围压压力变送器（21）、围压油压表（22）和液压加载控制装置（20）相连；围压器（26）包括油腔（43）、弹力膜（44）、内压紧圈（46）、外压紧圈（42）和压紧螺母（41），油腔（43）两端均设置内压紧圈（46），油腔（43）表面与弹力膜（44）相连，油腔（43）两端分别与外压紧圈（42）和压紧螺母（41）相连。

4.根据权利要求1所述的一种可施加围压的空心环剪仪，其特征在于：所述的剪切装置（32）包括剪切伺服电机（31）、减速箱（33）、剪切小齿轮轴（35）、剪切力矩传感器（37）、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承（28）、剪切小齿轮轴末端支撑轴承（36）和剪切锥齿轮副（30），剪切伺服电机（31）固定在机架（40）的底座（1）上，剪切伺服电机（31）的输出端分别与减速箱（33）和剪切锥齿轮副（30）的一个齿轮相连，剪切锥齿轮副（30）的另一个齿轮与剪切小齿轮轴（35）相连，剪切小齿轮轴（35）从上至下依次与剪切位移传感器支架（29）、剪切小齿轮轴顶端支撑轴承（28）、剪切锥齿轮副（30）、剪切力矩传感器（37）、剪切小齿轮（34）和剪切小齿轮轴末端支撑轴承（36）相连，剪切小齿轮轴末端支撑轴承（36）与机架（40）中的底座（1）相连，剪切装置（32）的功能是给试样提供剪切力。

5.根据权利要求1所述的一种可施加围压的空心环剪仪，其特征在于：所述的液压加载装置（17）还包括用于测量轴压油缸（16）油压的油压表（19）和围压器（26）油压的油压表（22），剪切单元（2）还包括垂直位移传感器（11）和气泡水平仪（48），垂直位移传感器（11）通过垂直位移传感器支架（10）与左立柱（9）相连，垂直位移传感器（11）下端与上盖板（25）的上表面接触，气泡水平仪（48）安装在钢垫板（24）上，剪切装置（32）还包括剪切位移传感器（38）和剪切阻力传感器（6），剪切位移传感器（38）通过剪切位移传感器支架（29）与右立柱（23）相连，剪切阻力传感器（6）通过剪切阻力传感器支架（5）与左立柱（9）相连。