CN106706447A - 基于电磁力的流变直剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于电磁力的流变直剪试验装置，包括利用电磁力对土样施加切向力或对土样施加轴向力和切向力的电磁力加载系统。本发明通过电磁力加载系统对土样施压，本质上是利用了电磁铁原理，将电磁铁之间产生的电磁力通过一定方式施加于土样上对土样进行流变直剪试验，通过这种方式对土样施加的力可控可调，加载稳定；本发明能够准确试验获得土样发生剪切形变的临界点时所受到的剪切力值，并且可以精确测得土样受力与剪切位移之间的关系，有助于深入研究土样的流变性质及其规律，有效地提高了试验的可操作性和试验数据的准确性，在土样流变直剪试验方面具有广阔的应用前景。本装置体积小，成本低，适合普遍应用。

Description

基于电磁力的流变直剪试验装置

技术领域

本发明涉及一种流变直剪试验装置，具体涉及一种基于电磁力的流变直剪试验装置。

背景技术

岩土材料在外力及工程环境影响下，大多出现与时间相关的力学行为，若同时受到应力场、温度场或渗流场的变化，或者彼此之间相互影响，会导致土样流变形变路径的变化和变形加速，最终发生工程灾害，例如泥石流、滑坡和塌方等，给人类的生产和生活带来很大的危害，因此，深入研究岩土材料的流变性质及其规律，一直是岩土力学领域一项十分重要的工程应用研究内容，而目前土样的流变直剪试验中，所用到的流变直剪试验仪存在体积过大、压力加载值较为固定、加压时外界影响因素较多等缺点，直接影响流变直剪实验结果的准确性。

现有的申请号为“201110321240.8”的中国专利公开了一种智能土工剪切流变仪，其通过砝码加载系统实现了双向荷载作用下的流变试验，但采用加载砝码的方式对土样施加剪切力和轴向力，加载后整个系统会发生晃动，影响土样流变直剪的力学特性；而且当前所使用的砝码均按照一定的标准进行制造且砝码本身存在一定误差，所以无法通过加载砝码得到土样发生剪切形变的临界点时所需的精确的剪切力值。

因此，需要设计一种压力可控可调，加载稳定，可获得精确的试验数据的土样流变直剪试验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种体积小，压力可控可调，加载稳定，能有效地提高试验的可操作性和试验数据的准确性的基于电磁力的流变直剪试验装置。

本发明提供的基于电磁力的流变直剪试验装置，包括利用电磁力对土样施加切向力或对土样施加轴向力和切向力的电磁力加载系统；

进一步，所述电磁力加载系统包括设置于土样轴向两端的竖向加载系统和设置于土样轴向两侧的水平加载系统；

进一步，还包括用于放置土样进行剪切试验的样品放置装置，所述样品放置装置设置于水平加载系统和竖向加载系统之间；

进一步，所述竖向加载系统包括水平设置于样品放置装置轴向两端的顶部电磁铁和底部电磁铁；所述水平加载系统包括竖直设置于样品放置装置轴向两侧的切向电磁铁Ⅰ和切向电磁铁Ⅱ；

进一步，所述样品放置装置为剪切盒，所述剪切盒由固定设置的下剪切盒和可水平移动的上剪切盒对齐相连组成；

进一步，所述下剪切盒设置有用于安装土样下部的圆形盲孔，所述上剪切盒设置有与圆形盲孔相配合用于安装土样上部的圆形通孔；

进一步，所述底部电磁铁固定安装于下剪切盒底部，所述顶部电磁铁以可沿圆形通孔上下移动的方式设置于上剪切盒顶部，所述底部电磁铁的尺寸大于顶部电磁铁的尺寸；

进一步，所述水平加载系统还包括用于固定安装切向电磁铁Ⅰ的安装板Ⅰ和用于固定安装切向电磁铁Ⅱ的安装板Ⅱ；所述安装板Ⅰ与安装板Ⅱ分别设置于剪切盒轴向两侧，并且安装板Ⅰ固定连接于上剪切盒上；

进一步，还包括变形测量仪，所述变形测量仪通过测试上剪切盒的水平位移获取土样的剪切位移；

进一步，还包括有用于渗透排水的透水石；所述透水石为两块，分别设置于土样轴向两端，具体为一块设置于样品放置装置与土样底部之间，一块设置于土样顶部与顶部电磁铁之间。

本发明的有益效果：本发明的基于电磁力的流变直剪试验装置，通过电磁力加载系统对土样施压，本质上是利用了电磁铁原理，将电磁铁之间产生的电磁力通过一定方式施加于土样上对土样进行流变直剪试验，通过这种方式对土样施加的力可控可调，加载稳定；通过标定找到电磁铁中电流与电磁力之间的变化规律，然后通过改变电流的大小来控制电磁力的大小，从而对土样施加指定压力，这种方式改变了现有的流变直剪仪只能施加固定压力的缺点，施加的压力可控可调。

本发明利用电磁力加载系统对土样施加切向力或对土样施加轴向和切向力，通过改变电流来控制电磁力大小，可以持续缓慢地对土样施加切向力，最终能够准确试验获得土样发生剪切形变的临界点时所受到的剪切力值，并且可以精确测得土样受力与剪切位移之间的关系，进而获得土样在不同轴向压力下的抗剪强度；根据工程实际和土的软硬程度施加各级轴向压力，以测得相应的土的抗剪强度，有助于深入研究土样的流变性质及其规律。

本发明解决了现有的利用重力加载系统对土样施加切向力无法准确获取土样剪切形变临界点时剪切力大小的问题，有效地提高了试验的可操作性和试验数据的准确性，在土样流变直剪试验方面具有广阔的应用前景。本装置体积小，成本低，适合普遍应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的基于电磁力的流变直剪试验装置原理示意图的正视图。

图2是本发明的基于电磁力的流变直剪试验装置原理示意图的俯视图。

图中：1、基板；2、底部电磁铁；3、下剪切盒；4、上剪切盒；5、顶部电磁铁；6、透水石；7、土样；8、安装板Ⅰ；9、安装板Ⅱ；10、切向电磁铁Ⅰ；11、切向电磁铁Ⅱ；12、百分表。

具体实施方式

图1是本发明的基于电磁力的流变直剪试验装置原理示意图的正视图，图2是本发明的基于电磁力的流变直剪试验装置原理示意图的俯视图。如图所示：本实施例的基于电磁力的流变直剪试验装置，包括利用电磁力对土样7施加切向力或对土样施加轴向力和切向力的电磁力加载系统；本处所述切向指土样将发生剪切的方向，切向力即剪切力。通过电磁力加载系统对土样施压，本质上是利用了电磁铁原理，将电磁铁之间产生的电磁力通过一定方式施加于土样上对土样进行流变直剪试验，通过这种方式对土样施加的力可控可调，加载稳定；此处所述的电磁铁原理具体指电磁铁之间会产生电磁力，所述电磁力为吸引力或排斥力；具体操作时，通过标定找到电磁铁中电流与电磁力之间的变化规律，然后通过改变电流的大小来控制电磁力的大小，从而对土样施加指定压力，这种方式改变了现有的流变直剪仪只能施加固定压力的缺点，施加的压力可控可调。本发明利用电磁力加载系统对土样施加切向力或对土样施加轴向和切向力，具体包括两种情况，其中一种情况为轴向力和切向力均通过电磁力加载系统施加，另一种情况为切向力通过电磁力加载系统施加，而轴向力通过重力加载系统或其他力的加载系统施加；这两种情况均可通过改变电流来控制电磁力大小，持续缓慢地对土样施加切向力，最终能够准确试验获得土样发生剪切形变的临界点时所受到的剪切力值，并且可以精确测得土样受力与剪切位移之间的关系，进而获得土样在不同轴向压力下的抗剪强度；根据工程实际和土的软硬程度施加各级轴向压力，以测得相应的土的抗剪强度，有助于深入研究土样的流变性质及其规律。通过电磁力加载系统对土样施加轴向力是利用电磁铁间吸引力的原理，而通过电磁力加载系统对土样施加切向力利用电磁铁间吸引力的原理或电磁铁间排斥力的原理均可。本发明解决了现有的利用重力加载系统对土样施加切向力无法准确获取土样剪切形变临界点时剪切力大小的问题，有效地提高了试验的可操作性和试验数据的准确性，在土样流变直剪试验方面具有广阔的应用前景。

本实施例中，所述电磁力加载系统包括设置于土样7轴向两端的竖向加载系统和设置于土样7轴向两侧的水平加载系统；本处土样轴向两端和轴向两侧具体指，将土样竖直放置时，土样上下两端为土样轴向两端，土样左右两侧为土样轴向两侧。通过水平加载系统对土样施加切向力和通过竖向加载系统对土样施加轴向力，所施加的轴向力和切向力均可调可控，加载稳定，能够获得准确试验数据，有助于更好的研究土样的流变性质及其规律。

本实施例中，通过竖向加载系统对土样施加轴向力和通过水平加载系统对土样施加切向力均是利用电磁铁间吸引力的原理。

本实施例中，所述水平加载系统与竖向加载系统之间不发生相互干扰。

本实施例中，还包括用于放置土样7进行剪切试验的样品放置装置，所述样品放置装置设置于水平加载系统和竖向加载系统之间；只需将土样放置于样品放置装置中，再通过竖向加载系统和水平加载系统对土样施加轴向力和剪切力，即可进行土样剪切试验，并可获得精确度高的试验数据，装置结构简单，易于实现，可操作性强。

本实施例中，所述竖向加载系统包括水平设置于样品放置装置轴向两端的顶部电磁铁5和底部电磁铁2；所述水平加载系统包括竖直设置于样品放置装置轴向两侧的切向电磁铁Ⅰ10和切向电磁铁Ⅱ11；本处样品放置装置轴向两端和轴向两侧具体指，将样品放置装置竖直放置时，样品放置装置上下两端为样品放置装置轴向两端，样品放置装置左右两侧为样品放置装置轴向两侧。可通过调整顶部电磁铁和底部电磁铁的电流以调节两块电磁铁之间的吸引力，进而对土样施加可调可控的轴向压力，即轴向力；通过调整切向电磁铁Ⅰ和切向电磁铁Ⅱ中的电流以调节两块电磁铁之间的吸引力，进而对土样施加可调可控的剪切力；装置结构简单，可操作性强。

本实施例中，所述顶部电磁铁5和底部电磁铁2之间电磁力为吸引力；所述切向电磁铁Ⅰ10和切向电磁铁Ⅱ11之间电磁力为吸引力。

本实施例中，所述样品放置装置为剪切盒，所述剪切盒由固定设置的下剪切盒3和可水平移动的上剪切盒4对齐相连组成；使用剪切盒结构简单，便于进行土样的流变直剪试验。

本实施例中，所述下剪切盒3设置有用于安装土样7下部的圆形盲孔，所述上剪切盒4设置有与圆形盲孔相配合用于安装土样7上部的圆形通孔；所述圆形通孔与圆形盲孔的直径相同，圆形盲孔与圆形通孔相配合方便了土样的安装固定，圆形通孔便于竖向加载系统对土样施加轴向压力。

本实施例中，所述底部电磁铁2固定安装于下剪切盒3底部，所述顶部电磁铁5以可沿圆形通孔上下移动的方式设置于上剪切盒4顶部，所述底部电磁铁2的尺寸大于顶部电磁铁5的尺寸；通过顶部电磁铁和底部电磁体之间的吸引力对土样施加轴向压力，同时可确保在试验过程中，顶部电磁铁移动后不会偏出底部电磁铁的范围。

本实施例中，所述顶部电磁铁5为圆形，其内径等于上剪切盒4的圆形通孔直径；使顶部电磁铁可沿圆形通孔进行上下移动，实现对土样的均匀施压。

本实施例中，所述水平加载系统还包括用于固定安装切向电磁铁Ⅰ10的安装板Ⅰ8和用于固定安装切向电磁铁Ⅱ11的安装板Ⅱ9；所述安装板Ⅰ8与安装板Ⅱ9分别设置于剪切盒轴向两侧，并且安装板Ⅰ8固定连接于上剪切盒4上；本处剪切盒轴向两侧具体指，将剪切盒竖直放置时，剪切盒上下两端为剪切盒轴向两端，剪切盒左右两侧为剪切盒轴向两侧。安装板Ⅰ8与上剪切盒4具体可通过螺纹连接，焊接，一体成型等方式进行固定连接。将切向电磁铁Ⅰ固定设置于可水平移动的上剪切盒上，可简单方便的实现利用切向电磁铁Ⅰ与切向电磁铁Ⅱ之间的吸引力对土样施加剪切力的目的，利用力的传递，原理简单，可操作性强；当切向电磁铁Ⅰ与切向电磁铁Ⅱ之间的吸引力达到使土样发生剪切形变的剪切力大小时，安装板Ⅰ8将带动上剪切盒发生水平移动，此时设置一个变形测量仪即可测得发生的剪切位移。

本实施例中，为确保水平加载系统施加的剪切力的稳定性，切向电磁铁Ⅰ与切向电磁铁Ⅱ尺寸大小相同。

本实施例中，所述安装板Ⅰ8与上剪切盒4为一体成型，整体性好，结构简单。

本实施例中，还包括水平设置的基板1，所述基板1用于固定安装底部电磁铁2和安装板Ⅱ9；基板的设置可使装置处于水平状态，以确保获取数据的准确性；底部电磁铁和安装板Ⅱ的固定可通过在基板上设置凹槽等方式实现；保证试验过程底部电磁铁、与底部电磁铁固定连接的下剪切盒、安装于安装板Ⅱ上的切向电磁铁Ⅱ均处于固定不动的状态，以便进行土样的流变直剪试验。

本实施例中，还包括变形测量仪，所述变形测量仪通过测试上剪切盒4的水平位移获取土样的剪切位移；通过记录收集剪切位移与相对应施加的剪切力，有助于深入研究土样的流变性质及其规律。

本实施例中，所述变形测量仪为百分表12，所述百分表12水平安装于安装板Ⅱ9上，探头直接与上剪切盒4相接触；通过百分表记录剪切位移，安装方便，数据准确且易于读取。百分表通过这种方式安装是基于本装置利用电磁铁间吸引力对土样施加切向力，即本装置中切向电磁铁Ⅰ与切向电磁铁Ⅱ之间为吸引力。

本实施例中，所述安装板Ⅱ9与上剪切盒4之间的距离设置为百分表12处于放松状态时探头刚好接触到上剪切盒的距离。

本实施例中，还包括有用于渗透排水的透水石6；所述透水石6为两块，分别设置于土样7轴向两端，具体为一块设置于样品放置装置与土样7底部之间，一块设置于土样7顶部与顶部电磁铁5之间；在试验过程中，让土样中的水渗透排出。

本实施例中，一块透水石6设置于下剪切盒3盲孔孔底与土样7底部之间；另一块透水石6设置于顶部电磁铁5与土样7顶部之间。

本实施例中，所述透水石6为圆形，直径大小等于上剪切盒的圆形通孔孔径，利于轴向力的均匀施加。

本实施例中，所述底部电磁铁2、切向电磁铁Ⅰ10、切向电磁铁Ⅱ均为方形。

本实施例中，制作待测土样7为圆柱体，且直径大小为剪切盒中孔的直径，即为上剪切盒4的圆形通孔或下剪切盒3的圆形盲孔的直径；确保测得实验数据的准确性；使制作的土样7能一半放置于上剪切盒4中，一半放置于下剪切盒3中，确保剪切面在土样7中部。

本实施例中，所述剪切盒、基板1、安装板Ⅰ8、安装板Ⅱ9均采用非金属材料制备；避免影响电磁铁间吸引力，以便获得准确数据。

本实施例的基于电磁力的流变直剪试验装置体积小，成本低，适合普遍应用。

试验前，通过标定得到电磁铁中电流与电磁铁间吸引力的变化规律，得出通电电流与电磁铁间吸引力的关系图；然后通过上述基于电磁力的流变直剪试验装置进行试验，包括以下步骤：

1)组装试验装置：包括以下步骤：

a、将底部电磁铁和安装板Ⅱ固定安装于基板上；

b、将放置有透水石的剪切盒固定安装于底部电磁铁上；

c、将切向电磁铁Ⅰ与切向电磁铁Ⅱ分别固定安装于安装板Ⅰ和安装板Ⅱ上；

d、将百分表水平固定安装于安装板Ⅱ上，百分表的探头与上剪切盒相接触；

(2)将待测土样放入剪切盒内，在土样上放置透水石，将顶部电磁铁放置于透水石上；

(3)记录百分表中初始数值，然后对电磁铁进行通电，调节电流的大小来控制电磁铁之间的吸引力，进而对土样施加指定的轴向力和切向力；

(4)改变电流大小测试土样在不同轴向力作用下发生剪切形变的剪切力及剪切位移。轴向力与剪切力通过通电电流与电磁铁间吸引力的关系图得出；而剪切位移通过记录发生剪切时百分表中数值，然后减去初始数值即可得到。通过得到的不同轴向力作用下土样发生剪切形变的剪切力及剪切位移可进一步研究待测土样的流变性质及其规律。

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，尽管参照较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)

1.一种基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：包括利用电磁力对土样施加切向力或对土样施加轴向力和切向力的电磁力加载系统。

2.根据权利要求1所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述电磁力加载系统包括设置于土样轴向两端的竖向加载系统和设置于土样轴向两侧的水平加载系统。

3.根据权利要求2所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：还包括用于放置土样进行剪切试验的样品放置装置，所述样品放置装置设置于水平加载系统和竖向加载系统之间。

4.根据权利要求3所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述竖向加载系统包括水平设置于样品放置装置轴向两端的顶部电磁铁和底部电磁铁；所述水平加载系统包括竖直设置于样品放置装置轴向两侧的切向电磁铁Ⅰ和切向电磁铁Ⅱ。

5.根据权利要求4所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述样品放置装置为剪切盒，所述剪切盒由固定设置的下剪切盒和可水平移动的上剪切盒对齐相连组成。

6.根据权利要求5所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述下剪切盒设置有用于安装土样下部的圆形盲孔，所述上剪切盒设置有与圆形盲孔相配合用于安装土样上部的圆形通孔。

7.根据权利要求6所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述底部电磁铁固定安装于下剪切盒底部，所述顶部电磁铁以可沿圆形通孔上下移动的方式设置于上剪切盒顶部，所述底部电磁铁的尺寸大于顶部电磁铁的尺寸。

8.根据权利要求5所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：所述水平加载系统还包括用于固定安装切向电磁铁Ⅰ的安装板Ⅰ和用于固定安装切向电磁铁Ⅱ的安装板Ⅱ；所述安装板Ⅰ与安装板Ⅱ分别设置于剪切盒轴向两侧，并且安装板Ⅰ固定连接于上剪切盒上。

9.根据权利要求5所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：还包括变形测量仪，所述变形测量仪通过测试上剪切盒的水平位移获取土样的剪切位移。

10.根据权利要求4所述的基于电磁力的流变直剪试验装置，其特征在于：还包括有用于渗透排水的透水石；所述透水石为两块，分别设置于土样轴向两端，具体为一块设置于样品放置装置与土样底部之间，一块设置于土样顶部与顶部电磁铁之间。