CN108613884A - 一种可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，包括机架、剪切系统、扭力装置、液压加载系统等；剪切系统包括上、下剪切盒及刚度调节装置，该刚度调节装置设于上剪切盒上方，液压加载系统、扭力装置分设于剪切系统上、下方，液压加载系统与刚度调节装置相连用于向剪切系统施加应力，扭力装置用于向下剪切盒提供扭矩；与现行的环剪仪相比，本发明通过调控刚度调节装置的刚度状态，结合液压加载系统的加载情况可实现在常刚度、常体积、常应力三种不同约束条件下的剪切状态。通过一个实验装置便可实现土与界面不同接触类型的剪切试验测试；并且可以获得多项力学参数指标，可以为工程设计安装提供参数，指导工程实践。

Description

一种可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪

技术领域

本发明涉及一种环剪仪，尤其涉及一种可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，可用于测定不同土体(砂土、粘土、粉土等)与界面(钢界面、混凝土界面等)在不同接触条件下剪切特性的实验装置，即可以考虑常刚度、常体积和常应力等多种约束条件下的界面剪切行为。

背景技术

土与结构界面的相互作用对结构的安装和服役有重要作用，比如重力式基础受到水平力时土与界面的剪切行为直接决定了基础的稳定性；挤土桩在打入过程中土与桩的界面剪切直接影响着桩的贯入阻力和打入难度；桩基的承载能力也取决于土与界面相互，尤其是桩基受到竖向荷载时。因而对土与界面剪切作用的研究一直以来是岩土工程一个重要的课题。

一般来说，土与结构界面的剪切相互作用有三种类型，即常应力、常体积和常刚度。常应力是指土与界面的法向应力在剪切过程中保持不变，可用于模拟实际工程中重力式基础底面与土的相互作用；常体积是指界面周围的土体的体积在剪切过程中保持不变，可用于模拟打入桩在安装过程中的界面剪切行为；常刚度是指在剪切过程中周围土体的刚度不变，可用于模拟桩在受到竖向荷载时的界面行为。

目前用于测试土与结构相互作用的实验装置有直剪仪、单剪仪和环剪仪。直剪仪和单剪仪只能施加有限的剪切位移，且界面边界效应的影响较大，因而使用范围受限；而环剪仪由于可实现无限位移的剪切且边界影响较小而备受亲睐。但是目前的环剪仪只能考虑常应力和常体积的约束条件而无法实现常刚度的控制条件，而且常刚度的条件实现起来相比更加复杂，因而设计出能同时模拟三种控制条件下的界面剪切行为的实验装置将是很大的技术创新和改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可同时考虑常刚度常体积常应力的环剪仪。该装置的特点是：能在一台仪器上实现常刚度常体积常应力的环剪仪，与传统的环剪界面剪切仪相比，该装置可以模拟多种约束条件下的土与结构界面剪切行为。

本发明采取以下技术方案：

一种可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，包括机架、剪切系统、扭力装置、液压加载系统、传感检测系统；剪切系统包括均呈环状的上、下剪切盒，分别盛装土样、结构界面以模拟界面剪切行为，还包括刚度调节装置，该刚度调节装置设于上剪切盒上方，液压加载系统、扭力装置分设于剪切系统上、下方，液压加载系统与刚度调节装置相连用于向剪切系统施加应力，扭力装置用于向下剪切盒提供扭矩，所述的传感检测系统用于检测土与界面间的竖向力、土与界面间的剪切力及土体的竖向位移。

上述技术方案中，进一步的，所述的刚度调节装置包括上板、环形的下板及设于上下板之间的可调单元；可调单元包括若干均匀分布的弹簧螺杆和若干均匀分布的螺纹杆，弹簧螺杆与螺纹杆下端均与下板固定，上端贯穿上板并分别由弹簧螺母、上螺母限位，在上下板之间，弹簧螺杆上套置有弹簧，螺纹杆上设有下螺母，上板与液压加载系统固定，下板压于上剪切盒内土样上。该刚度调节装置可以通过螺纹杆和弹簧的不同组合调节上板处于不同工作状态，结合液压加载系统共同实现土体在不同边界条件(常刚度、常体积、常应力)下的桩-土剪切面特征：

工作时先将下螺母旋至最上端将上板锁紧，此时刚度调节装置为一刚性体，控制液压加载系统施加预应力达到预定值，使土体变形直至逐渐稳定，模拟土体固结状态；

①保持刚度调节装置不变，控制液压加载系统施加的应力变化为0，启动扭力装置进行环剪，研究常应力条件下的土与界面剪切性能。

②控制液压加载系统保持不变，将下螺母旋到螺纹杆的最底端，使得上板可上下运动压缩弹簧，启动扭力装置进行环剪，研究常刚度条件下的土与界面剪切性能。

③保持刚度调节装置不变，控制液压加载系统使其位移变化为0，启动扭力装置进行环剪，研究常体积条件下的土与界面剪切性能。

进一步的，所述的液压加载系统包括油缸、伺服加载装置，油缸固定于机架上部，伺服加载装置设于剪切系统正上方，上部与油缸的活塞固连，下部与刚度调节装置固连，伺服加载装置可沿机架竖向移动。

进一步的，所述的扭力装置包括伺服电机、扭剪小齿轮、传动大齿轮，扭剪小齿轮设于机架上，传动大齿轮与下剪切盒固定，伺服电机驱动扭剪小齿轮转动，扭剪小齿轮与传动大齿轮相啮合。

进一步的，所述的下剪切盒侧壁开有排水孔，上剪切盒顶部及下剪切盒底部均设有凸起钢片用以固定土体和桩体。

本发明的环剪仪可以实现不同桩-土剪切状态的测量，在一台装置上即可实现考虑常刚度，常体积或常应力条件下的桩-土剪切特性，实现测量不同边界条件下的环向剪切位移、竖向位移与施加的扭矩变化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(正面图)；

图2是本发明的结构示意图(剖面图)；

图3是是剪切系统的放大图；

图4是剪切系统俯视图；

其中，1.上横梁、2.油缸、3.伺服加载装置、4.轴力传感器、5.扭矩传感器、6.弹簧螺杆、7.上板、8.弹簧、9.螺纹杆、10.水平支架、11.竖向支架、12.扭剪小齿轮、13.伺服电机、14.液压控制电机、15.下横梁、16.基座桌面、17.传动大齿轮、18.排水孔、19.下板、20.位移计水平支架、21.立柱、22.LVDT位移传感器、23.下螺母、24.上剪切盒、25.下剪切盒、26.凸起钢片。

具体实施方式

参照图1-4，本发明的可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，包括机架、剪切系统、扭力装置、液压加载系统、传感检测系统；

机架包括上横梁1、下横梁15、基座桌面16、立柱21、水平支架10、竖向支架11、位移计水平支架20等，各部分焊为一体。

剪切系统包括均呈环状的上剪切盒24、下剪切盒25，分别盛装土体、结构界面以模拟界面剪切行为，上剪切盒顶部及下剪切盒底部均设有凸起钢片用以固定土体和桩体，上剪切盒24由有机玻璃做成，便于利用CCD摄像机直接观察剪切过程中土颗粒和结构的变化情况，下剪切盒25侧壁还开有排水孔18，此外，剪切系统还包括刚度调节装置，该刚度调节装置设于上剪切盒上方，包括上板7、环形的下板19及设于上、下板之间的可调单元；可调单元包括均匀分布的若干根弹簧螺杆6(本实例中为4根)和均匀分布的若干根螺纹杆9(本实例中为2根)，弹簧螺杆6与螺纹杆9下端均与下板固定，上端贯穿上板并分别由弹簧螺母、上螺母限位，在上下板之间，弹簧螺杆上套置有弹簧8，螺纹杆上设有下螺母，上板与液压加载系统固定，下板压于上剪切盒内土样上。

液压加载系统、扭力装置分设于剪切系统上、下方，液压加载系统包括油缸2、伺服加载装置3，油缸2固定于机架上部上横梁1上，伺服加载装置3设于剪切系统正上方，上部与油缸2的活塞固连，下部依次与轴向传感器4、扭矩传感器5、以及刚度调节装置的上板7固连，伺服加载装置可沿机架立柱21竖向移动，油缸活塞带动伺服加载装置向剪切系统施加应力，扭力装置包括伺服电机13、扭剪小齿轮13、传动大齿轮17，扭剪小齿轮13设于机架上，传动大齿轮17与下剪切盒25固定，扭剪小齿轮与传动大齿轮相啮合，伺服电机驱动扭剪小齿轮13转动从而带动传动大齿轮17转动，向下剪切盒25提供扭矩；LVDT位移传感器22固定与位移计水平支架20上用于检测上剪切盒中土体的竖向位移，轴力传感器4用于检测土与界面间的竖向力，扭矩传感器5用于检测土与界面间的剪切力，共同构成传感器检测系统。

此外，该环剪仪还可以包括软件及数据采集系统，如计算机、数据采集仪等，数据采集仪连接各个传感器进行数据采集，计算机对数据进行分析处理并根据用户设置发布指令。

下面以砂土试样为例简述采用本发明装置的试验过程：

工作时，在下剪切盒内安装环形钢管结构界面，在上剪切盒内安装砂土，保证砂土水平，并通过凸起钢片固定位置，先将下螺母旋至最上端将上板锁紧，此时刚度调节装置为一刚性体，控制液压加载系统施加预应力达到预定值，使土体变形直至逐渐稳定，模拟土体固结状态；

①保持刚度调节装置不变，控制液压加载系统施加的应力变化为0，启动扭力装置施加连续的环向剪切，实时记录各传感器数据，如环向剪切位移、竖向位移、扭矩变化，环剪至扭矩值趋于稳定后停止；研究常应力条件下的土与界面剪切性能。

②控制液压加载系统保持不变，将下螺母旋到螺纹杆的最底端，使得上板可上下运动压缩弹簧，启动扭力装置施加连续的环向剪切，实时记录各传感器数据，如环向剪切位移、竖向位移、扭矩变化，环剪至扭矩值趋于稳定后停止；研究常刚度条件下的土与界面剪切性能。

③保持刚度调节装置不变，控制液压加载系统使其位移变化为0，启动扭力装置施加连续的环向剪切，实时记录各传感器数据，如环向剪切位移、竖向位移、扭矩变化，环剪至扭矩值趋于稳定后停止；研究常体积条件下的土与界面剪切性能。

试验后，仔细清理上下剪切盒，准备下一组试验。

Claims (5)

1.可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，其特征在于，包括机架、剪切系统、扭力装置、液压加载系统、传感检测系统；剪切系统包括均呈环状的上、下剪切盒，分别盛装土样、结构界面以模拟界面剪切行为，还包括刚度调节装置，该刚度调节装置设于上剪切盒上方，液压加载系统、扭力装置分设于剪切系统上、下方，液压加载系统与刚度调节装置相连用于向剪切系统施加应力，扭力装置用于向下剪切盒提供扭矩，所述的传感检测系统用于检测土与界面间的竖向力、土与界面间的剪切力及土体的竖向位移。

2.根据权利要求1所述的可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，其特征在于，所述的刚度调节装置包括上板、环形的下板及设于上下板之间的可调单元；可调单元包括若干均匀分布的弹簧螺杆和若干均匀分布的螺纹杆，弹簧螺杆与螺纹杆下端均与下板固定，上端贯穿上板并分别由弹簧螺母、上螺母限位，在上下板之间，弹簧螺杆上套置有弹簧，螺纹杆上设有下螺母，上板与液压加载系统固定，下板压于上剪切盒内土样上。

3.根据权利要求1所述的可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，其特征在于，所述的液压加载系统包括油缸、伺服加载装置，油缸固定于机架上部，伺服加载装置设于剪切系统正上方，上部与油缸的活塞固连，下部与刚度调节装置固连，伺服加载装置可沿机架竖向移动。

4.根据权利要求1所述的可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，其特征在于，所述的扭力装置包括伺服电机、扭剪小齿轮、传动大齿轮，扭剪小齿轮设于机架上，传动大齿轮与下剪切盒固定，伺服电机驱动扭剪小齿轮转动，扭剪小齿轮与传动大齿轮相啮合。

5.根据权利要求1所述的可考虑常刚度常体积常应力的环剪仪，其特征在于，所述的下剪切盒侧壁开有排水孔，上剪切盒顶部及下剪切盒底部均设有凸起钢片用以固定土体和桩体。