CN107101899B - 一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述激振器用以施加机械振动力。本发明还提供了一种所述土体高频振动直剪仪的使用方法，包括以下步骤：获取土体试样；将土体试样推入上剪切盒和下剪切盒中，装载砝码，使土体试样进行固结；利用步进电机进行振动剪切试验；启动激振器，继续进行振动剪切试验；关闭步进电机；重置砝码的重量，绘制振动应力‑应变曲线；获取土体试样的振动抗剪强度指标。本发明的土体高频振动直剪仪能精确监测水平加速度。

Description

一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法。

背景技术

随着城市轨道交通和地下深基坑工程的兴建，越来越多的工程项目建立在黏土、粉土和砂土地层之上，特别是软黏土，由于其具有触变性，在振动荷载作用下，软黏土的结构性被破坏，其抗剪强度急剧下降。饱和粉土和砂土在振动荷载作用下，由于孔隙水压力骤然升高，有效应力下降，粉土和砂土出现液化的现象，导致抗剪强度变得非常低。现有的《土工试验方法标准GBT50123-1999》或《土工试验规程SL237-1999》建议采用动三轴试验来研究土体在动荷载作用下的抗剪强度，但是目前市场上成熟的三轴试验仪最高的动荷载频率约为20Hz，远不能满足施工现场振动频率约为50-100Hz的机械振动。50-100Hz的机械振动使软黏土、粉土或砂土在物理、力学性质上呈现极端的不均匀性与非线性，特别是会引起软黏土的触变性和饱和砂土的快速液化。对于城市地下工程来讲，一旦软黏土或砂土地层由于触变性或液化导致过大地面沉降，势必严重影响环境建设。因此，需要研制适合较高振动频率和能够精确采集加速度的新型仪器，用来量测在振动荷载作用下土体峰值强度或残余强度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种制作简单、测量准确的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，还提供了一种步骤简便的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法。

本发明提供一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述杠杆位于支撑架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷载传感器位于上剪切盒的上方，所述加速度计设置在上剪切盒上，所述位移传感器连接在支撑架上，所述步进电机与下剪切盒连接，所述上剪切盒和激振器分别与水平荷载传感器连接，所述激振器用以施加机械振动力，所述位移传感器用以测量土体试样的固结位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，所述加速度计用以精确监测土体试样受到的水平加速度。

进一步地，所述激振器通过传力杆与水平荷载传感器的一端连接，所述上剪切盒通过螺纹接头和第一螺柱与水平荷载传感器的另一端连接，所述上剪切盒与第一螺柱的一端连接，所述第一螺柱的另一端和水平荷载传感器的另一端均与螺纹接头连接。

进一步地，所述激振器产生的机械振动力经传力杆传送至水平荷载传感器，然后经水平荷载传感器传送至上剪切盒。

进一步地，所述垂直荷载传感器的上端通过金属球连接一框架，在所述框架的上方放置位移传感器，所述杠杆垂直穿过框架的下端，所述杠杆的右侧挂有砝码，所述杠杆的左侧配有平衡锤。

进一步地，所述砝码产生一个垂直向下的重力，该重力经杠杆和框架传递到垂直荷载传感器后转换为对土体试样施加的垂向压力。

进一步地，所述步进电机通过第二螺柱与下剪切盒连接，所述步进电机通过第一螺栓固定连接在支撑架上。

进一步地，所述水平荷载传感器与激振器之间设有导向支撑装置，所述导向支撑装置水平穿过水平荷载传感器的一端，所述激振器与支撑架之间设有一底座，所述底座通过第二螺栓固定在支撑架上。

进一步地，所述下剪切盒上设有排水孔，所述下剪切盒的下端连接有第一导轨，所述支撑架上固定有第二导轨，所述第一导轨与第二导轨相接触，所述第一导轨为水平滚珠导轨，所述上剪切盒和下剪切盒上均开有小孔，所述位移传感器为垂直LVDT位移传感器。

本发明还提供一种上述监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法，包括以下步骤：

S101，获取土体试样，称量土体试样的重量，然后计算土体试样的体积和密度；

S102，将土体试样推入上剪切盒和下剪切盒中，装载砝码，使土体试样在一定的垂直压力下进行固结；

S103，利用步进电机进行振动剪切试验；

S104，启动激振器，控制步进电机继续进行振动剪切试验；

S105，当振动剪切试验过程中的水平剪切位移达到一定值时关闭步进电机；

S106，重置砝码的重量，重复步骤S102-S105，根据土体试样的振动应力和剪切应变绘制振动应力-应变曲线；

S107，根据振动应力-应变曲线可以得到土体试样的峰值强度，利用不同土体试样在不同固结压力条件下的峰值强度绘制摩尔-库伦强度包络线，获取土体试样的振动抗剪强度指标。

进一步地，步骤S103中，振动剪切试验采用应变控制的方式或采用应力控制的方式；步骤S105中，水平剪切位移达到6mm时关闭步进电机。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的高频振动直剪仪制作简单，操作方便；利用本发明提供的高频振动直剪仪测量得到的加速度值精度高，可满足不同振动频率条件下软黏土、粉土和砂土的振动剪切试验要求，能够实现采用应变控制或应力控制的方式进行振动剪切试验；本发明采用能够产生高频振动力的激振器，可以准确测量土体在20Hz～15kHz下的抗剪强度，为工程实践提供对应的抗剪强度指标参数。

附图说明

图1是本发明一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的结构示意图。

图2是本发明一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的正视图。

图3是本发明一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的激振器的示意图。

图4是本发明一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的上剪切盒和下剪切盒的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

参考图1至图4，本发明的实施例提供了一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架10、杠杆11、激振器12、水平荷载传感器13、垂直荷载传感器14、上剪切盒15、下剪切盒16、位移传感器17、步进电机18和加速度计19，激振器12、水平荷载传感器13、下剪切盒16和步进电机18均位于支撑架10上，杠杆11位于支撑架10的下方，上剪切盒15位于下剪切盒16的上方，垂直荷载传感器14位于上剪切盒15的上方，激振器12通过传力杆20与水平荷载传感器13的一端连接，上剪切盒15通过螺纹接头21和第一螺柱22与水平荷载传感器13的另一端连接，加速度计19设置在上剪切盒15上，位移传感器17通过支杆23与支撑架10连接，支杆23与位移传感器17之间通过导向杆34连接，加速度计19用以精确监测土体试样受到的水平加速度，位移传感器17用以测量土体试样的固接位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，激振器12用以施加机械振动力，机械振动力经传力杆20传送至水平荷载传感器13，然后经水平荷载传感器13传送至上剪切盒15，一实施例中，支撑架10由不锈钢材料制得，位移传感器17为垂直LVDT(Linear Variable Differential Transformer)位移传感器。

上剪切盒15与第一螺柱22的一端连接，第一螺柱22的另一端和水平荷载传感器13的另一端均与螺纹接头21连接，一实施例中，螺纹接头21为正反丝扣型螺纹接头，第一螺柱22为双头螺柱。

步进电机18通过第二螺柱24与下剪切盒16连接，步进电机18通过第一螺栓(图中未示)固定连接在支撑架10上，第一螺栓为内六角螺栓。

垂直荷载传感器14的上端通过金属球25连接一框架26，在框架26的上方放置位移传感器17，杠杆11垂直穿过框架26的下端，杠杆11的右侧挂有砝码27，杠杆11的左侧配有平衡锤28，砝码27产生一个垂直向下的重力，该重力经杠杆11和框架26传递到垂直荷载传感器14后转换为对土体试样施加的垂向压力。

水平荷载传感器13与激振器12之间设有导向支撑装置29，导向支撑装置29水平穿过水平荷载传感器13的一端。

下剪切盒16上设有排水孔30，排水孔30用以排出剪切试验过程中土体试样受固结和剪切产生的水，下剪切盒16的下端连接有第一导轨31，支撑架10上固定有第二导轨(图中未示)，第一导轨31与第二导轨相接触，上剪切盒15和下剪切盒16上均开设有小孔(图中未示)，一实施例中，上剪切盒15与下剪切盒16均为长方体结构，第一导轨为水平滚珠导轨。

激振器12与支撑架10之间设有一底座32，底座32通过第二螺栓33固定在支撑架上。

本发明还提供了一种上述土体高频振动直剪仪的使用方法，包括以下步骤：

S101，利用环刀获取4～6个土体试样，称量土体试样的重量，然后计算土体试样的体积和密度；土体包括软黏土、粉土和饱和砂土。

S102，利用脱模器将土体试样推入上剪切盒15和下剪切盒16中，装载砝码27，使土体试样在一定的垂直压力下进行固结。

具体地，步骤S102中，首先调整下剪切盒16的位置保证上剪切盒15和下剪切盒16的小孔对齐，在下剪切盒16中放置一透水石和一滤纸，然后将装有土体试样的环刀卡在上剪切盒15的顶部，利用脱模器将土体试样推入上剪切盒15和下剪切盒16中，在土体试样的上部放置滤纸和透水石，待杠杆11平衡后，将位移传感器17放置在框架26上，装载砝码27，使土体试样在一定的垂直压力下进行固结，待位移传感器17的数值不再变化时，固结过程结束。

S103，利用步进电机18进行振动剪切试验。

具体地，步骤S103中，振动剪切试验采用应变控制的方式或采用应力控制的方式；

采用应变控制的方式进行振动剪切试验的过程为：设置步进电机18使其以0.1-2mm/min的速率进行剪切，当水平荷载传感器13的数值达到最大值时，保持步进电机18的位置不变；

采用应力控制的方式进行振动剪切试验的过程为：设置步进电机18以一定的剪力进行剪切，当水平荷载传感器13的数值达到稳定值时，保持步进电机18的位置不变。

S104，启动激振器12，控制步进电机18继续进行振动剪切试验。

具体地，步骤S104中，当水平荷载传感器13的数值达到最大值或稳定值后，启动激振器12，对激振器12设置一定的振动频率和振幅，激振器12产生的机械振动力传送至上剪切盒15，加速度计19检测记录土体试样的水平加速度值，同时，控制步进电机18，使其继续以应变控制或应力控制的方式进行振动剪切试验。

S105，当振动剪切试验过程中的水平剪切位移达到6mm时关闭步进电机18，得到土体试样的振动残余强度或振动蠕变强度；振动剪切试验开始前，上剪切盒15和下剪切盒16呈对齐状态，进行振动剪切试验时，上剪切盒15保持不动，下剪切盒16向前或向后移动，这个过程称为水平剪切位移。

S106，重置砝码27的重量，重复步骤S102-S105，根据土体试样的振动应力和剪切应变绘制振动应力-应变曲线。

S107，根据振动应力-应变曲线可以得到土体试样的峰值强度，利用4～6个土体试样在不同固结压力条件下的峰值强度绘制摩尔-库伦强度包络线，然后利用作图法或曲线拟合法获取土体试样的振动抗剪强度指标。

本发明提供的高频振动直剪仪制作简单，操作方便；利用本发明提供的高频振动直剪仪测量得到的加速度值精度高，可满足不同振动频率条件下软黏土、粉土和砂土的振动剪切试验要求，能够实现采用应变控制或应力控制的方式进行振动剪切试验；本发明采用能够产生高频振动力的激振器12，可以准确测量土体在20Hz～15kHz下的抗剪强度，为工程实践提供对应的抗剪强度指标参数。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述杠杆位于支撑架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷载传感器位于上剪切盒的上方，所述加速度计设置在上剪切盒上，所述位移传感器连接在支撑架上，所述步进电机与下剪切盒连接，所述上剪切盒和激振器分别与水平荷载传感器连接，所述激振器用以施加机械振动力，所述位移传感器用以测量土体试样的固结位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，所述加速度计用以精确监测土体试样受到的水平加速度，所述激振器通过传力杆与水平荷载传感器的一端连接，所述上剪切盒通过螺纹接头和第一螺柱与水平荷载传感器的另一端连接，所述上剪切盒与第一螺柱的一端连接，所述第一螺柱的另一端和水平荷载传感器的另一端均与螺纹接头连接；所述垂直荷载传感器的上端通过金属球连接一框架，在所述框架的上方放置位移传感器，所述杠杆垂直穿过框架的下端，所述杠杆的右侧挂有砝码，所述杠杆的左侧配有平衡锤；所述砝码产生一个垂直向下的重力，该重力经杠杆和框架传递到垂直荷载传感器后转换为对土体试样施加的垂向压力。

2.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述激振器产生的机械振动力经传力杆传送至水平荷载传感器，然后经水平荷载传感器传送至上剪切盒。

3.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述步进电机通过第二螺柱与下剪切盒连接，所述步进电机通过第一螺栓固定连接在支撑架上。

4.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述水平荷载传感器与激振器之间设有导向支撑装置，所述导向支撑装置水平穿过水平荷载传感器的一端，所述激振器与支撑架之间设有一底座，所述底座通过第二螺栓固定在支撑架上。

5.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述下剪切盒上设有排水孔，所述下剪切盒的下端连接有第一导轨，所述支撑架上固定有第二导轨，所述第一导轨与第二导轨相接触，所述第一导轨为水平滚珠导轨，所述上剪切盒和下剪切盒上均开有小孔，所述位移传感器为垂直LVDT位移传感器。

6.一种权利要求1-5任一项所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，获取土体试样，称量土体试样的重量，然后计算土体试样的体积和密度；

S102，将土体试样推入上剪切盒和下剪切盒中，装载砝码，使土体试样在一定的垂直压力下进行固结；

S103，利用步进电机进行振动剪切试验；

S104，启动激振器，控制步进电机继续进行振动剪切试验；

S105，当振动剪切试验过程中的水平剪切位移达到一定值时关闭步进电机；

S106，重置砝码的重量，重复步骤S102-S105，根据土体试样的振动应力和剪切应变绘制振动应力-应变曲线；

S107，根据振动应力-应变曲线可以得到土体试样的峰值强度，利用不同土体试样在不同固结压力条件下的峰值强度绘制摩尔-库伦强度包络线，获取土体试样的振动抗剪强度指标。

7.如权利要求6所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法，其特征在于，步骤S103中，振动剪切试验采用应变控制的方式或采用应力控制的方式；步骤S105中，水平剪切位移达到6mm时关闭步进电机。

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