CN106383057A - 一种土样扭转直剪试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土样扭转直剪试验装置及试验方法，包括承载架、环形上盒、下盒、活塞、加载装置、测力系统和垂直压力加压系统；所述的下盒底部通过转轴固定于承载架上，使其在水平方向仅具有转动自由度；下盒上方安装环形上盒；加载装置用于驱动下盒周向旋转；所述的上盒上部放置有直径略小于上盒内径的活塞，所述的垂直压力加压系统用于对活塞施加向下的压力；所述的测力系统用于测量上盒的扭矩。本发明能够克服现有直剪试验装置加载面积变化及应力集中的缺陷。

Description

一种土样扭转直剪试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土性能检测设备，尤其涉及一种土样扭转直剪试验装置及试验方法。

技术背景

剪切破坏是建筑工程中土体破坏的主要形式之一，也是计算基础和地基承载力的重要参数，准确测量土体的粘聚力和摩擦角对工程的安全性具有重要意义。如何通过室内试验快速获取准确、客观反映实际的抗剪强度参数，已经成为工程技术人员普遍关注的课题。直剪试验作为基础试验方法被广泛应用，其优点在于设备简单、操作容易和试验历时短，目前各个项目在工期紧的情况下被广泛使用。但是其也具有一定的缺点，例如剪切面上剪应力分布不均匀，在边缘发生应力集中现象；剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积计算的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有直剪试验装置加载面积变化及应力集中的缺陷，并提供一种土样扭转直剪试验装置。本发明所采用的技术方案是：

土样扭转直剪试验装置，包括承载架、环形上盒、下盒、活塞、加载装置、测力系统和垂直压力加压系统；所述的下盒底部通过转轴固定于承载架上，使其在水平方向仅具有转动自由度；下盒上方安装环形上盒；加载装置用于驱动下盒周向旋转；所述的上盒上部放置有直径略小于上盒内径的活塞，所述的垂直压力加压系统用于对活塞施加向下的压力；所述的测力系统用于测量上盒的扭矩。

作为优选，所述的环形上盒、下盒的内壁保持一定的粗糙度，增大内壁与土样的摩擦力，防止产生相对位移。

作为优选，所述的加载装置为蜗轮蜗杆系统，蜗杆通过轴承固定在承载架上，蜗杆与下盒上固定的蜗轮相接触，通过转动手轮带动蜗杆旋转，进而带动蜗轮旋转使得下盒转动加载。

作为优选，所述的测力系统包括测力环和装配于测力环中的测微表，测力环安装在上盒的侧面。

作为优选，所述的垂直压力加压系统由加压框架、加压杠杆和砝码组成；所述的加压框架的横梁两端通过竖向筒约束，使其仅能上下运动；横梁中部具有凸起的半球，且所述的活塞顶部开设有与半球相匹配的半球形凹陷；加压杠杆一端铰接固定于承载架上，另一端挂接砝码，铰接侧连接加压框架的横梁，形成对横梁施加向下拉力的杠杆系统。

作为优选，所述的承载架下部设有挂钩，用于固定加压杠杆的砝码一端，在不需要加压时支撑砝码的重量。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的土样扭转直剪试验装置的试验方法，其步骤如下：

首先将下盒固定在转轴上，然后将上盒放在下盒上，并将其固定，使上、下盒暂时不能相对位移；将切有土样的环刀刃口向上，反放在上盒上；用推土塞将试样压入环形上盒、下盒中；在测力环中装上测微表；调整垂直压力加压系统，将加压框架上横梁的中间半球凸起对准活塞上的半球形凹陷处放下，在加压杠杆的一端挂接预设质量的砝码对试样施加向下的压力；开动秒表并同时均匀地摇转转动手轮进行剪切试验，每转一圈读数一次；在3～5分钟内测微表读数不再增加或减小时，表明土样已被剪坏，继续读数3～5次后停止试验。

本发明的有益效果是：通过蜗轮蜗杆加载系统使下盒周向旋转，从而对土样施加扭转荷载进行剪切试验，从而克服现有直剪试验装置加载面积变化及应力集中的缺陷。

附图说明

图1和图2是一种土样扭转直剪试验装置结构示意图。

图中：上盒1、下盒2、蜗轮3、转轴4、蜗杆5、固定轴承6、转动手轮7、测力环8、测微表9、竖向筒10、加压框架11、活塞12、加压杠杆13、砝码14和承载架15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1和图2所示，一种土样扭转直剪试验装置，分为承载架、环形上盒、下盒、活塞、加载装置、测力系统和垂直压力加压系统。其具体结构包括上盒1、下盒2、蜗轮3、转轴4、蜗杆5、固定轴承6、手轮7、测力环8、测微表9、竖向筒10、加压框架11、活塞12、加压杠杆13、砝码14和承载架15。

承载架15作为整个装置的支承结构，起到固定的作用。上盒1、下盒2均呈环形中空，其内部用于放置试验土样。上盒1、下盒2的内壁保持一定的粗糙度，以方便固定土样。下盒2底部通过转轴4固定于承载架15上，转轴4约束了下盒2的水平运动，使其只能周向转动，下盒2上方安装上盒1。加载装置用于驱动下盒2相对于上盒1周向旋转，使两者之间的试样扭转，其结构可以设置为多种形式。本具体实施方式中，加载装置为蜗轮蜗杆系统，下盒2外周固定环形的蜗轮3，蜗杆5通过固定轴承6固定在承载架15上。蜗杆5与下盒2上的蜗轮3相配合接触，蜗杆5一端连接转动手轮7，通过转动手轮7驱动蜗杆5转动，进而带动下盒2转动。上盒1内放置试样后，在试样表面放置活塞12，活塞12的外径应略小于上盒1内径，将其放置于上盒1中时，可以竖向对试样施加压力同时起到对上盒1的水平限位作用。为了实现直剪试验，需要在装置中设置垂直压力加压系统和测力系统，分别用于对活塞施加向下的压力和测量上盒的扭矩。

测力系统的具体结构可以根据实际的试验需要进行选择。本具体实施方式中，采用测力环8和装配于测力环8中的测微表9实现。测力环8安装在上盒1的侧面，对上盒1的扭矩进行测定。

垂直压力加压系统的具体结构可以根据实际的试验需要进行选择。本具体实施方式中，垂直压力加压系统由加压框架11、加压杠杆13和砝码14组成。加压框架11包括一条横梁，横梁两端通过固定于承载架上的竖向筒10进行水平约束，使其仅能上下运动。横梁中部具有朝下的凸起半球，在活塞12顶部也需要开设与凸起半球相匹配的半球形凹陷。使用时，两者匹配后，对横梁施加向下的压力，从而传导至活塞12和试样。而凸起半球和半球形凹陷则可以对活塞12的水平位移进行限制，实现试样的剪切。加压杠杆13一端铰接固定于承载架15的下底面，另一端挂接砝码14，加压杠杆13靠近铰接侧一定距离处通过连杆连接加压框架11的横梁，形成一个杠杆系统。为了放大杠杆效应，连杆的连接部位可以靠近铰接部位。由于试验过程中，尚未开始读数前的准备阶段不能对试样施加压力，因此可以在承载架15下部设置挂钩，准备阶段可以将加压杠杆13靠近砝码14一端挂在挂钩上，以支撑砝码14的重量，防止横梁过早地对试样施加压力。

基于上述装置，利用其进行扭转直剪试验的方法具体步骤如下：

首先将下盒2固定在转轴4上，然后将上盒1放在下盒2上，并将其固定，使上盒1、下盒2暂时不能相对位移；将切有土样的环刀刃口向上，反放在上盒1上；用推土塞将试样压入环形上盒1、下盒中2；在测力环8中装上测微表9。

调整垂直压力加压系统，试验前检查一下加压杠杆13滑动是否正常。而后将加压框架11上横梁的中间半球凸起对准活塞12上的半球凹处放下，这时加压杠杆13尾端必须挂在钩上。这时，试样已安装完毕。将加压杠杆13尾从钩子上放下(即加上垂直方向的压力)，立即进行剪切。

在转动手轮7的同时，开动秒表并均匀地摇转转动手轮7进行剪切试验，每转一圈应读数一次。一般在3～5分钟内测微表9读数已不再增加甚至减少时，土样已被剪坏，但读数还需继续读3～5次后便可停止这一试样的试验。利用试验数据计算土体的抗剪强度。试验完毕后，拆除测微表9，并除去仪器上的余土，然后将仪器装置复原。

本发明通过扭转的加载方式，使得荷载均匀施加在土体上，改善实验过程中的应力集中现象，并且控制破坏界面的面积不发生变化，从而减少了直剪试验的试验误差。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如加载系统可以用下盒两侧连接砝码进行实现，垂直压力加压系统可以采用在上方通过液压装置的方式实现。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种土样扭转直剪试验装置，其特征在于，包括承载架、环形上盒、下盒、活塞、加载装置、测力系统和垂直压力加压系统；所述的下盒底部通过转轴固定于承载架上，使其在水平方向仅具有转动自由度；下盒上方安装环形上盒；加载装置用于驱动下盒周向旋转；所述的上盒上部放置有直径略小于上盒内径的活塞，所述的垂直压力加压系统用于对活塞施加向下的压力；所述的测力系统用于测量上盒的扭矩。

2.如权利要求1所述的土样扭转直剪试验装置，其特征在于，所述的环形上盒、下盒的内壁保持一定的粗糙度，增大内壁与土样的摩擦力，防止产生相对位移。

3.如权利要求1所述的扭转直剪试验装置，其特征在于，所述的加载装置为蜗轮蜗杆系统，蜗杆通过轴承固定在承载架上，蜗杆与下盒上固定的蜗轮相接触，通过转动手轮带动蜗杆旋转，进而带动蜗轮旋转使得下盒转动加载。

4.如权利要求1所述的土样扭转直剪试验装置，其特征在于，所述的测力系统包括测力环和装配于测力环中的测微表，测力环安装在上盒的侧面。

5.如权利要求1所述的土样扭转直剪试验装置，其特征在于，所述的垂直压力加压系统由加压框架、加压杠杆和砝码组成；所述的加压框架的横梁两端通过竖向筒约束，使其仅能上下运动；横梁中部具有凸起的半球，且所述的活塞顶部开设有与半球相匹配的半球形凹陷；加压杠杆一端铰接固定于承载架上，另一端挂接砝码，铰接侧连接加压框架的横梁，形成对横梁施加向下拉力的杠杆系统。

6.如权利要求5所述的土样扭转直剪试验装置，其特征在于，所述的承载架下部设有挂钩，用于固定加压杠杆的砝码一端，在不需要加压时支撑砝码的重量。

7.一种利用权利要求1所述的土样扭转直剪试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：

首先将下盒固定在转轴上，然后将上盒放在下盒上，并将其固定，使上、下盒暂时不能相对位移；将切有土样的环刀刃口向上，反放在上盒上；用推土塞将试样压入环形上盒、下盒中；在测力环中装上测微表；调整垂直压力加压系统，将加压框架上横梁的中间半球凸起对准活塞上的半球形凹陷处放下，在加压杠杆的一端挂接预设质量的砝码对试样施加向下的压力；开动秒表并同时均匀地摇转转动手轮进行剪切试验，每转一圈读数一次；在3～5分钟内测微表读数不再增加或减小时，表明土样已被剪坏，继续读数3～5次后停止试验。