CN108489827A - 一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，包括步进电动机、剪切盒、垂向荷载装置、量力环、位移传感器、电源、数据采集卡和控制器；剪切盒的两侧分别与步进电动机、量力环连接，剪切盒分为上剪切盒和下剪切盒两个部分，下剪切盒与步进电动机输出轴连接，上剪切盒与量力环连接，上剪切盒顶部设有垂向荷载装置，量力环内部安装有位移传感器，位移传感器通过数据传输线与数据采集卡电连接，数据采集卡与控制器电连接，位移传感器、数据采集卡和控制器均与电源电连接。本发明可以实现对软岩、土试样的自动剪切试验，自动记录、呈现数据，同时对整组试验进行自动分析，提供岩体的抗剪强度参数，减少人员投入，提高土工试验效率。

Description

一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法

技术领域

本发明涉及一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，尤其适用于土、软岩试样抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)的快速、智能、准确测定，可以有效的减少本试验需要投入的人员数量，提高试验效率。

背景技术

边坡工程和地基基础工程等研究领域需要进行大量的土工试验和岩石力学试验以测定岩、土体的物理力学参数，并用于边坡和地基的稳定性评价。对于软岩和土构成边坡或地基，其岩/土体的抗剪强度参数是决定边坡或地基稳定性的关键。目前，土工直剪试验是测定软岩和土体抗剪强度参数的基本方法，所采用的主要设备为应变控制式土工直剪仪。该设备操作简单、携带方便、应用成本较低，但是，需要有两名人员同时参与、协同合作才能完成试验，而且整个设备的智能化较低，目前还未实现数据的自动采集和参数的自动分析。对于软岩边坡地质勘探所采取的岩芯抗剪强度的测定不及时，随着岩芯数量的不同，存在不同程度的滞后性，而软岩抗剪强度参数的实时准确测定则决定着边坡稳定性评价的准确性和可靠性。因此，必须要提高土工直剪仪的工作效率，实现智能采集和分析。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，应用成本低、节省实验人数、操作简单等优点，更具有推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种智能应变控制式土工直剪仪，包括步进电动机、剪切盒、垂向荷载装置、量力环、位移传感器、电源、数据采集卡和控制器；

剪切盒的两侧分别与步进电动机、量力环连接，剪切盒分为上剪切盒和下剪切盒两个部分，下剪切盒与步进电动机输出轴连接，上剪切盒与量力环连接，上剪切盒顶部设有垂向荷载装置，量力环内部安装有位移传感器，位移传感器通过数据传输线与数据采集卡电连接，数据采集卡与控制器电连接，位移传感器、数据采集卡和控制器均与电源电连接。

进一步的，所述的位移传感器设置在靠近上剪切盒一侧的量力环的内壁上。

一种土工直剪数据采集分析方法，包括以下步骤：

a.步进电动机以固定转速驱动下剪切盒运动，与上剪切盒形成错动以剪切试样；

b.位移传感器实时将量力环形变数据信号传输给数据采集卡，数据采集卡将采集的变形信号传输到控制器中；

c.控制器对变形信号实验进程中的数据进行统计分析，采用max函数从数据列表中选择最大值S_max，然后用该最大值S_max乘以量力环的变形系数ω，得到该实验岩样的剪切强度τ，即τ＝S_max·ω；

d.进行n个不同垂向荷载σ条件下的剪切实验，得到n个剪切强度τ，采用线性回归分析得到垂向荷载σ与剪切强度τ的摩尔-库伦函数关系：其中C为岩样的黏聚力，为岩样的内摩擦角；

线性回归分析的方程为：

其中，a为黏聚力C，kPa；b为

e.由摩尔-库伦函数关系式：提取C值作为岩样的黏聚力；提取的值，并进行三角变换，得到的角度值。

与现有技术相比本发明对量力环变形量或剪切力的自动获取，可以实现对软岩、土试样的自动剪切试验，自动记录并呈现试验数据，同时对整组试验进行自动分析，提供岩体的抗剪强度参数，减少人员投入，提高土工试验的效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明机械部分的剖面图；

图3为本发明电子部分的示意图；

图中：1、步进电动机，2、剪切盒，3、上剪切盒，4、下剪切盒，5、垂向荷载装置，6、量力环，7、位移传感器，8、电源，9、数据传输线，10、数据采集卡，11、控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括步进电动机1、剪切盒2、垂向荷载装置5、量力环6、位移传感器7、电源8、数据采集卡10和控制器11；

如图2所示，剪切盒2的两侧分别与步进电动机1、量力环6连接，剪切盒2分为上剪切盒3和下剪切盒4两个部分，下剪切盒4与步进电动机1输出轴连接，上剪切盒3与量力环6连接，上剪切盒3顶部设有垂向荷载装置5，量力环6内部安装有位移传感器7，如图3所示，位移传感器7通过数据传输线9与数据采集卡10电连接，数据采集卡10与控制器11电连接，位移传感器7、数据采集卡10和控制器11均与电源8电连接。

需要对土工进行剪切试验时，先将试样放在剪切盒2中，然后调整垂向荷载装置5的载荷量，启动步进电动机1以固定转速驱动下剪切盒4运动，下剪切盒4与上剪切盒3形成错动以剪切试样；上剪切盒3与量力环6连接，上剪切盒3所受剪切力传递给量力环6，为了提高测量的位移量的精度，位移传感器7设置在靠近上剪切盒3一侧的量力环6的内壁上，位移传感器7实时将量力环6形变数据信号传输给数据采集卡10，数据采集卡10将采集的变形信号传输到控制器11中；

控制器11对变形信号实验进程中的数据进行统计分析，采用max函数从数据列表中选择最大值S_max，然后用该最大值S_max乘以量力环6的变形系数ω，得到该实验岩样的剪切强度τ，即τ＝S_max·ω；

一组直剪实验一般包括4个试样，即常规进行4个不同垂向荷载σ条件下的实验，但并不局限于4个；特殊情况下可以做3个，也可以做5个或者更多个实验，实验样本数越多，结果越准确，进行n个不同垂向荷载σ条件下的剪切实验，得到n个剪切强度τ，采用回归分析得到垂向荷载σ与剪切强度τ的摩尔-库伦函数关系：其中C为岩样的黏聚力，为岩样的内摩擦角；

线性回归分析的方程为：

其中，a为黏聚力C，kPa；b为由摩尔-库伦函数关系式：提取C值作为岩样的黏聚力；提取的值，并进行三角变换，得到的角度值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能应变控制式土工直剪仪，其特征在于，包括步进电动机(1)、剪切盒(2)、垂向荷载装置(5)、量力环(6)、位移传感器(7)、电源(8)、数据采集卡(10)和控制器(11)；

剪切盒(2)的两侧分别与步进电动机(1)、量力环(6)连接，剪切盒(2)分为上剪切盒(3)和下剪切盒(4)两个部分，

下剪切盒(4)与步进电动机(1)输出轴连接，上剪切盒(3)与量力环(6)连接，上剪切盒(3)顶部设有垂向荷载装置(5)，量力环(6)内部安装有位移传感器(7)，

位移传感器(7)通过数据传输线(9)与数据采集卡(10)电连接，数据采集卡(10)与控制器(11)电连接，位移传感器(7)、数据采集卡(10)和控制器(11)均与电源(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能应变控制式土工直剪仪，其特征在于，所述的位移传感器(7)设置在靠近上剪切盒(3)一侧的量力环(6)的内壁上。

3.一种土工直剪数据采集分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.步进电动机(1)以固定转速驱动下剪切盒(4)运动，与上剪切盒(3)形成错动以剪切试样；

b.位移传感器(7)实时将量力环(6)形变数据信号传输给数据采集卡(10)，数据采集卡(10)将采集的变形信号传输到控制器(11)中；

c.控制器(11)对变形信号实验进程中的数据进行统计分析，采用max函数从数据列表中选择最大值S_max，然后用该最大值S_max乘以量力环(6)的变形系数ω，得到该实验岩样的剪切强度τ，即τ＝S_max·ω；

d.进行n个不同垂向荷载σ条件下的剪切实验，得到n个剪切强度τ，采用线性回归分析得到垂向荷载σ与剪切强度τ的摩尔-库伦函数关系：其中C为岩样的黏聚力，为岩样的内摩擦角；

线性回归分析的方程为：

其中，a为黏聚力C，kPa；b为

e.由摩尔-库伦函数关系式：提取C值作为岩样的黏聚力；提取的值，并进行三角变换，得到的角度值。