CN106769410A - 一种冻土旋转剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冻土旋转剪切装置，属于岩土工程测试领域。冻土旋转剪切装置包括温度梯度发生组件和旋转剪切组件。温度梯度发生组件包括用于供冷媒剂通过的冷媒管，旋转剪切组件包括剪切筒，剪切筒用于容置土体试样。冷媒管呈螺旋状套设于剪切筒。本发明提供的冻土旋转剪切装置可以在充分冷冻土体试样并在土体中实现温度呈梯度分布之后，立即对冻土进行旋转剪切实验，土体中的温度分布受外界干扰小，冷冻效果好，可通过一套装置实现对冻土抗剪性能的模拟计算。本发明还提供了一种冻土旋转剪切装置，该冻土旋转剪切装置中的冷媒管包括多个分管，可提供不同方向的温度梯度分布，满足不同的实验和工程需求。

Description

一种冻土旋转剪切装置

技术领域

本发明涉及岩土工程测试领域，具体而言，涉及一种冻土旋转剪切装置。

背景技术

在岩土力学中，常常需要对岩土试样进行剪切试验，以分析土体的抗剪强度，进而满足基础工程、地下工程等设计施工的技术要求。

现有室内试验条件中，直剪试验因为操作简便，试验原理清晰，便于为工程技术人员掌握而受到广泛应用，目前仍是工程一线进行室内测定土体抗剪强度的主要手段。但现有的直剪试验装置只能针对恒温恒压下的土体样本，而且剪切过程中仍存在一些弊端，如剪切面不恒定、容易发生应力集中等问题。另外，实际工程中，往往还需要针对一些特殊条件下的土体，比如高低温冻土、温度分布不均的冻土进行施工。现有的室内直剪实验装置不能同时满足这些要求，导致实验结果与工程实际严重脱节，实验达不到指导实际工程建设的要求。

发明内容

本发明提供了一种冻土旋转剪切装置，旨在解决现有技术中土体剪切装置存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种冻土旋转剪切装置包括温度梯度发生组件和旋转剪切组件；所述温度梯度发生组件包括用于供冷媒剂通过的冷媒管，旋转剪切组件包括剪切筒、台架和驱动组件；所述剪切筒为截面为环形的圆筒，围成环形圆柱状的剪切空间，所述剪切空间用于容置土体试样，所述剪切筒一端与所述台架固定相连，所述台架用于向所述土体试样施加压力，所述剪切筒另一端与所述驱动组件相连并可随所述驱动组件转动；所述冷媒管呈螺旋状，所述冷媒管与所述剪切筒相连，所述冷媒管套设于所述剪切筒外侧或置于所述剪切筒内环中。

在本发明的较佳的实施例中，所述温度梯度发生组件包括隔热件，所述冷媒管置于所述隔热件与所述剪切筒之间。

在本发明的较佳的实施例中，所述隔热件包括多个环状隔热块，多个所述隔热块在所述上端到所述下端的延伸线上间隔分布。

在本发明的较佳的实施例中，所述隔热块与隔热块之间的间隔处设有加热件。

在本发明的较佳的实施例中，旋转剪切装置包括多个剪切筒，剪切筒包括上筒体和与上筒体适配的下筒体，上筒体与下筒体相连，下筒体与驱动组件相连，多个剪切筒的高度相同，不同剪切筒上的上筒体与下筒体的高度比例不同。

在本发明的较佳的实施例中，上筒体在所上筒体与下筒体的接触面处设有卡接槽，下筒体包括与卡接槽适配的卡接块。

一种冻土旋转剪切装置，包括温度梯度发生组件和旋转剪切组件；所述温度梯度发生组件包括用于供冷媒剂通过的冷媒管，旋转剪切组件包括剪切筒、台架和驱动组件；所述剪切筒为截面为环形的圆筒，围成环形圆柱状的剪切空间，所述剪切空间用于容置土体试样，所述剪切筒一端与所述台架固定相连，所述台架用于向所述土体试样施加压力，所述剪切筒另一端与所述驱动组件相连并可随所述驱动组件转动；所述冷媒管包括多个分管，所述分管的延伸方向垂直于所述剪切筒的固定端到所述剪切筒的转动端的延伸线，所述冷媒管套设于所述剪切筒外侧或置于所述剪切筒内环中。

在本发明的较佳的实施例中，所述温度梯度发生组件包括隔热件，所述隔热件覆盖于所述剪切筒表面。

在本发明的较佳的实施例中，所述隔热件包括多个隔热块，多个所述隔热块在所述分管的延伸线上间隔分布。

在本发明的较佳的实施例中，所述隔热块的间隔处设有加热件。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的冻土旋转剪切装置包括了温度梯度发生组件，可在剪切土体试样之前冷冻土体试样，以实现对冻土土体试样的模拟，并在土体试样中产生温度梯度；冷冻及温度梯度的实现在剪切之前进行，确保达到预定的冷冻效果，从而进行冻土的抗剪性能分析，使实验结果贴近于冻土施工的工程实际。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式中实施例一提供的冻土旋转剪切装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式中实施例一提供的剪切筒的剖视图；

图3是本发明实施方式中实施例一提供的剪切筒与冷媒管和隔热件的连接示意图；

图4是本发明实施方式中实施例一提供的加热件的结构示意图；

图5是本发明实施方式中实施例一提供的加压件的结构示意图；

图6是本发明实施方式中实施例二提供的冷媒管与剪切筒在第一视角下的结构示意图；

图7是本发明实施方式中实施例二提供的冷媒管与剪切筒在第二视角下的结构示意图；

图8是本发明实施方式中实施例二提供的冷媒管与剪切筒和隔热件的连接示意图；

图9是本发明实施方式中实施例二提供的加热件的结构示意图。

图标：1-冻土旋转剪切装置；200-旋转剪切组件；100-温度梯度发生组件；210-剪切筒；230-台架；250-驱动组件；232-顶板；239-立柱；234-滑动板；236-剪切基板；238-底座；212-上筒体；214-下筒体；2122-上剪切外壁；2124-上剪切内壁；2126-卡接槽；2142-下剪切外壁；2144-下剪切内壁；2146-卡接块；2147-底壁；2148-凸起；216-剪切空间；2322-伸缩件；2342-加压件；252-动力源件；254-涡轮；256-蜗杆；110-冷媒管；112-分管；114-输入端；116-输出端；130-隔热件；132-隔热块；150-加热件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一。

本实施例提供了一种冻土旋转剪切装置1，请参阅图1，这种冻土旋转剪切装置1包括旋转剪切组件200和温度梯度发生组件100。

旋转剪切组件200包括剪切筒210、与剪切筒210相连的台架230和驱动组件250。

请参阅图1及图2，剪切筒210围成环形圆柱状的剪切空间216，剪切筒210包括上筒体212和下筒体214。上筒体212包括呈圆柱面结构的上剪切外壁2122和上剪切内壁2124，下筒体214包括呈环状平面结构的底壁2147和呈圆柱面结构的下剪切外壁2142和下剪切内壁2144。上剪切外壁2122与下剪切外壁2142相连，上剪切内壁2124与下剪切内壁2144相连，下剪切内壁2144和下剪切外壁2142通过底壁2147相连。上剪切外壁2122和上剪切内壁2124上设有卡接槽2126，下剪切外壁2142和下剪切内壁2144上设有卡接块2146。卡接槽2126与卡接块2146适配，卡接槽2126与卡接块2146的接触表面上有润滑油，以在下筒体214相对上筒体212转动的过程中减小阻力。下剪切外壁2142和下剪切内壁2144的相对设置的壁面上以及底壁2147上设有多个凸起2148。

台架230包括顶板232、立柱239、滑动板234、剪切基板236和底座238。顶板232、滑动板234、剪切基板236和底座238自上而下地平行设置。立柱239依次与顶板232、滑动板234、剪切基板236和底座238相连。其中，顶板232、剪切基板236和底座238与立柱239固定相连。滑动板234与立柱239滑动相连，滑动板234可相对于立柱239沿立柱239的长度方向滑动。

顶板232与滑动板234之间设有伸缩件2322。在本发明实施例中，伸缩件2322为液压油缸。伸缩件2322一端与滑动板234相连，伸缩件2322另一端与顶板232相连。

滑动板234与剪切基板236之间设有剪切筒210。下筒体214设于剪切基板236上。下筒体214远离剪切基板236的一端与上筒体212相连。滑动板234远离伸缩件2322的一侧设有加压件2342。在本发明实施例中，加压件2342为环形柱状凸台结构(请参阅图5)。加压件2342可伸进剪切空间216中，直接对土体试样进行加压。加压件2342用于与土体试样接触的端面上设有多个凸起2148。

剪切基板236与底座238之间设有驱动组件250。在本发明实施例中，驱动组件250包括动力源件252、涡轮254和蜗杆256。动力源件252用于输出扭矩，动力源件252的输出轴与蜗杆256相连并可带动蜗杆256转动，涡轮254与蜗杆256啮合。剪切基板236上设有通孔，涡轮254转轴穿过剪切基板236上的通孔与下筒体214固定相连。涡轮254转轴可带动下筒体214转动。

温度梯度发生组件100包括冷媒管110、隔热件130和加热件150。

冷媒管110用于供冷媒剂通过。冷媒管110包括输入端114和输出端116。输入端114用于与冷媒剂源相连，输出端116用于与冷媒剂回收装置相连。在本发明实施例中，冷媒管110为螺旋形管。冷媒管110套设于剪切筒210外侧并与前接筒相连。输入端114位于剪切筒210上靠近滑动板234的一端，输出端116位于剪切筒210上靠近剪切基板236的一端。冷媒剂可以为低温气体。

请参阅图3，隔热件130包括多个隔热块132。在本发明实施例中，隔热块132为环状结构，隔热块132套设于剪切筒210和冷媒管110外侧。多个隔热块132在上筒体212至下筒体214的延伸方向上间隔分布。

请参阅图4，加热件150设于多个隔热块132间的间隔中。在本发明实施例中，加热件150中设有电阻丝。

本发明实施例的工作原理在于：将环状的土体试样置于剪切空间216中，使土体试样一端置于下筒体214中并使下筒体214上的凸起2148嵌入土体试样中，使土体试样另一端置于上筒体212。使伸缩件2322伸长，滑动板234将在伸缩件2322的推动下沿立柱239向剪切筒210滑动，加压件2342将与上筒体212中的土体试样接触并对土体试样施加压力，加压件2342上的凸起2148嵌入土体试样中。开动动力源件252，动力源件252输出的转速经过涡轮254蜗杆256的减速后，传递至下筒体214，下筒体214开始转动。由于下筒体214底壁2147上的凸起2148嵌入土体试样中，下筒体214的转动将带动土体试样位于下筒体214中的一端转动。

上筒体212中的土体试样在加压件2342施加的压力的作用下不发生转动，下筒体214中的土体试样在下筒体214的带动下随下筒体214一起转动。因此，土体试样将在上筒体212和下筒体214的连接处被剪切，剪切面即为上筒体212与下筒体214的连接面。

冷媒管110用于使冷媒剂通过，冷媒剂从输入端114进入冷媒管110，从输出端116排出冷媒管110。冷媒剂在通过冷媒管110的过程中，由于设置了隔热件130，冷媒剂将仅仅与土体试样产生热量交换，土体试样的温度高于冷媒剂，使得冷媒剂吸收土体试样的热量，土体试样的温度降低。研究人员或工程人员可以借此实现对冻土的旋转剪切模拟。

冷媒剂在吸收土体试样的热量后，温度逐渐升高。故在冷媒剂通过冷媒管110的过程中，冷媒剂对土体试样的冷却作用逐渐减弱，土体试样的温度将在上筒体212到下筒体214的延伸方向上产生梯度。

在对土体试样冷冻后，进行土体试样的剪切试验，即可以模拟进行冻土的抗剪性能分析。土体试样沿上筒体212与下筒体214的连接面破坏时，研究人员或工程人员可以收集驱动组件250的输出力矩、土体试样的尺寸、剪切阻力、下筒体214的位移和下筒体214的转速等数据进行土体试样抗剪强度的计算。

本发明实施例中还设置了加热件150，加热件150置于隔热块132之间的间隔中，加热件150中含有电阻丝。当对加热件150通电后，加热件150产生热量，其热量传递至冷媒剂，使得冷媒剂在每通过一次加热件150后即实现依次温升，在冷媒管110中的各段处，冷媒剂的温度差异被进一步扩大，从而使土体试样上产生较大的温度梯度，以更接近于实际的冻土结构中的温度分布情况。

在本发明中，还可以设置多个高度相同的剪切筒210，在各剪切筒210中，上筒体212与下筒体214的高度比例不同。研究人员或工程人员可以通过多个剪切筒210进行以剪切面位置为变量的多次旋转剪切实验，从而观测剪切面位置对实验结果的影响。

本发明实施例的有益效果在于：本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1中包括了温度梯度发生组件100，可在剪切土体试样的之前冷冻土体试样，以实现对冻土土体试样的模拟；冷冻后即可立即对土体试样进行剪切，土体试样的温度受外界的影响小，确保较佳的冷冻效果，从而进行冻土的抗剪性能分析，使实验结果贴近于冻土施工的工程实际。

本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1，冷媒管110呈螺旋形的套设于剪切筒210，使得冷媒剂和土体试样的热量交换充分，对土体试样具有较佳的冷冻效果。

本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1，其温度梯度发生组件100结构简单，只需使冷媒剂在冷媒管110中流通，即可实现对土体的冷冻。

本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1，通过由伸缩件2322驱动的滑动板234向下运动对上筒体212中的土体试样加压，使得上筒体212中的土体试样受压均匀，有利于测试结果的稳定。

本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1，剪切筒210上设置有卡接块2146和卡接槽2126结构，在土体试样受到压力时，卡接块2146和卡接槽2126结构可以避免土体试样从上筒体212和下筒体214的接触面处挤出，从而提高测量结果的精确度。

本发明实施例提供的冻土旋转剪切装置1，可以包括多个剪切筒210，研究人员或工程人员可以通过多个剪切筒210进行多次旋转剪切实验，从而得出剪切面位置对实验结果的影响。

需要说明的是，冷媒管110的作用是实现土体试样的冷冻，在本发明的其他实施方式中，冷媒管110的数量不限于一个，冷媒管110还可以连接于剪切筒210内部或同时连接于剪切筒210内部或剪切筒210外部；在本发明的其他实施方式中，伸缩件2322还可以为千斤顶、与顶板232转动相连并配合的螺杆等结构；润滑油的作用是减小上筒体212和下筒体214之间的阻力，从而得到更精确的实验结果，在本发明的其他的实施方式中，还可以采用轴承等方式实现减阻作用。

实施例二。

本发明实施例提供了一种冻土旋转剪切装置1。本发明实施例二所提供的冻土旋转剪切装置1与实施例一种所提供的冻土旋转剪切装置1的结构基本相同。其区别在于：温度梯度发生组件100的结构不同。

请参阅图9，本发明实施例二中，温度梯度发生组件100包括冷媒管110、隔热件130和加热件150。

请参阅图6及图7，冷媒管110包括输入端114、输出端116和多个分管112。多个分管112并排相连，剪切筒210套设于多个分管112围成的空间中。输入端114和输出端116通过并排的多个分管112相连。输入端114用于与冷媒剂源相连，输出端116用于与冷媒剂回收装置相连。多个分管112的延伸方向垂直或接近垂直于上筒体212至下筒体214的延伸方向，冷媒剂通过输入端114进入冷媒剂后，同时途径多个分管112从输出端116排出冷媒管110。

请参阅图8，隔热件130包括多个隔热块132。多个隔热块132间隔地连接于剪切筒210外侧。多个隔热块132沿垂直于上筒体212和下筒体214的连线的方向间隔分布。

请参阅图9，加热件150设于隔热件130的间隔处，加热件150中设有电阻丝。

本发明实施例二提供的冻土旋转剪切装置1的工作原理与本发明实施例一提供的冻土旋转剪切装置1的工作原理基本相同。其区别在于：本发明实施例二提供的温度梯度发生组件100为土体试样提供的温度梯度的方向与实施例一中的不同。本发明实施例一中，土体试样上的温度梯度方向为上筒体212到下筒体214的延伸方向；本发明实施例二中，土体试样的温度梯度方向为垂直于上筒体212到下筒体214的延伸方向。

本发明实施例二提供的冻土旋转剪切装置1的有益效果与实施例一种的基本相同。其区别在于：可以提供垂直于上筒体212到下筒体214的延伸方向上的温度梯度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冻土旋转剪切装置，其特征在于，包括温度梯度发生组件和旋转剪切组件；

所述温度梯度发生组件包括用于供冷媒剂通过的冷媒管，所述旋转剪切组件包括剪切筒、台架和驱动组件；

所述剪切筒为截面为环形的圆筒，围成环形圆柱状的剪切空间，所述剪切空间用于容置土体试样，所述剪切筒一端与所述台架固定相连，所述台架用于向所述土体试样施加压力，所述剪切筒另一端与所述驱动组件相连并可随所述驱动组件转动；

所述冷媒管呈螺旋状，所述冷媒管与所述剪切筒相连，所述冷媒管套设于所述剪切筒外侧或置于所述剪切筒内环中。

2.根据权利要求1所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述温度梯度发生组件包括隔热件，所述冷媒管置于所述隔热件与所述剪切筒之间。

3.根据权利要求2所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述隔热件包括多个环状隔热块，多个所述隔热块在所述剪切筒的固定端到所述剪切筒的转动端的延伸线上间隔分布。

4.根据权利要求3所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，相邻的两个所述隔热块之间的间隔处设有加热件。

5.根据权利要求1所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述旋转剪切装置包括多个所述剪切筒，所述剪切筒包括上筒体和与上筒体适配的下筒体，所述上筒体与所述下筒体相连，所述下筒体与所述驱动组件相连，多个所述剪切筒的筒体高度相同，多个所述剪切筒上的上筒体与下筒体的高度比例不同。

6.根据权利要求5所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述上筒体在所述上筒体与所述下筒体的接触面处设有卡接槽，所述下筒体包括与所述卡接槽适配的卡接块。

7.一种冻土旋转剪切装置，其特征在于，包括温度梯度发生组件和旋转剪切组件；

所述温度梯度发生组件包括用于供冷媒剂通过的冷媒管，所述旋转剪切组件包括剪切筒、台架和驱动组件；

所述剪切筒为截面为环形的圆筒，围成环形圆柱状的剪切空间，所述剪切空间用于容置土体试样，所述剪切筒一端与所述台架固定相连，所述台架用于向所述土体试样施加压力，所述剪切筒另一端与所述驱动组件相连并可随所述驱动组件转动；

所述冷媒管包括多个分管，所述分管的延伸方向垂直于所述剪切筒的固定端到所述剪切筒的转动端的延伸线，所述冷媒管套设于所述剪切筒外侧或置于所述剪切筒内环中。

8.根据权利要求7所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述温度梯度发生组件包括隔热件，所述隔热件覆盖于所述剪切筒表面。

9.根据权利要求8所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，所述隔热件包括多个隔热块，多个所述隔热块在所述分管的延伸线上间隔分布。

10.根据权利要求9所述的冻土旋转剪切装置，其特征在于，相邻的两个所述隔热块的间隔处设有加热件。