CN109374441B - 一种基于tsz全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置(1)、机架(2)、空心环剪盒装置(3)、扭剪动力装置(4)；其中机架(2)固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部，空心环剪盒装置(3)和扭剪动力装置(4)设置在机架(2)与TSZ升降动力装置(1)之间，且空心环剪盒装置(3)位于TSZ升降动力装置(1)的上方，扭剪动力装置(4)位于空心环剪盒装置(3)的上方。本发明充分利用TSZ全自动试验机提供精准的轴压力，提供应力应变控制式的稳定力源，同时采用封闭的空心环剪盒装置，解决了环剪过程中溢漏试样的难题，测量强度值更为精确。

Description

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使 用方法

技术领域

本发明涉及一种多功能环剪仪，具体涉及一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法，适用于土、石等颗粒材料在不同轴压、不同剪切速率下，开展土样残余强度和蠕变力学性质试验，属于岩土工程领域。

背景技术

近年来研究岩土体的残余强度和蠕变性质已成为热点领域，传统上做这类试验所用的仪器主要是直剪仪和三轴仪器，由于这两类仪器受剪切行程限制，土样无法达到残余状态，所以很难模拟滑带土处于真实的残余状态下的剪切响应，测出的强度破坏临界值与真实值相差甚远，对工程滑坡预测不准，往往造成严重的地质灾害。

目前，由于直剪仪尺寸较小，所以是通过反复剪切使试样达到残余状态下后再开展蠕变试验，并且试样代表性差，精确较低，并且与实际滑坡体变形—强度—时间关系不完全符合。三轴试验机是土工试验最先进的仪器之一，电子技术、自动化技术、传感自动技术和计算机集成一体，自动化程度高，可以开展UU、CU、CD等压缩试验、固结试验、多种应力路径三轴试验、抗剪强度试验等。而TSZ全自动三轴仪，升降动力装置采用的是步进式电机，所以控制精度高，可以等速、加速等位移控制，是理想的动力资源，但是目前的TSZ全自动三轴仪，只能做小试样的压缩试验和强度试验，所以无法做大位移条件下的残余强度试验和蠕变试验，并且试样破坏面与真实滑坡体的剪切面不是一回事，因此这将大大降低TSZ全自动三轴仪的适用性。

环剪仪是一种研究土体在大剪切位移条件下力学特性的土工设备，在开展土样残余强度测试及分析残余状态下的相关力学性质方面具有独特优势。尽管现有的环剪仪都是基于Bromhead和Bishop原理设计，但其设计上仍存在严重不足。其一环剪仪存在溢漏试样的问题；其二基于Bishop类型的环剪仪，试样压缩性需较小；其三测试功能比较单一，无法做饱和试验，不能测空隙压力值和剪切面温度变化，对残余强度和蠕变性质的某些机理解释不清；其四溢漏试样或摩擦力的存在，测量的强度值不准确。在这样一个背景下，发明一种高精度的多功能环剪仪势在必行。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷和不足，本发明按Bromhead基本原理，提出一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法。该设备及方法利用已有试验机提供高精准的加载力源，同时采用封闭的空心环剪盒装置有效解决了试验过程中溢漏试样的问题，封闭的空心环剪盒装置还能做饱和试验和测量空隙压力值，设备功能的多样性可满足不同试验条件下的要求；此外，该设备剪切面位置设有高精度的温度传感器，模拟快速滑坡体剪切面温度的响应，为滑坡体的剪切带机理分析提供新途径。

根据本发明的第一种实施方案，提供一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备：

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置、机架、空心环剪盒装置、扭剪动力装置。其中机架固定在TSZ升降动力装置的顶部，空心环剪盒装置和扭剪动力装置设置在机架与TSZ升降动力装置之间，且空心环剪盒装置位于TSZ升降动力装置的上方，扭剪动力装置位于空心环剪盒装置的上方。

在本发明中，所述机架包括2根立柱和反力梁。2根立柱分别固定在TSZ升降动力装置的顶部两侧，反力梁与2根立柱的上部垂直连接。

优选的是，TSZ升降动力装置与空心环剪盒装置之间还设有底座、柱式拉压力传感器和方桌形底盘。其中底座设置在TSZ升降动力装置的升降轴上，底座的中间设有柱式拉压力传感器，底座的上部连接方桌形底盘；作为优选，底座的上部边缘设有伸缩孔。

在本发明中，所述空心环剪盒装置包括复合底盘、钢环套、加载板。其中复合底盘包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘设置在方桌形底盘的顶部。钢环套套设在复合底盘的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套的内壁与复合底盘的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室。加载板包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触。

优选的是，加载板一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口，复合底盘的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口，复合底盘的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口。且复合底盘的上部内槽结构内安装有旋转接头，旋转接头的上部通过输液管连接反压进液口，旋转接头的下部连接底盘反压进液口。底盘输液进口通过三通阀连接孔压传感器，可以施加反压饱和和测量空隙压力。所述旋转接头可以360度旋转。作为优选，所述空心环剪盒装置还包括第一铜芯透水石、第二铜芯透水石。其中第一铜芯透水石固定在加载板的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石放置在钢环套与复合底盘形成的环形腔室的底部。

优选的是，所述空心环剪盒装置还包括温度传感器。温度传感器穿过加载板的下部“工”形结构和第一铜芯透水石。优选，温度传感器为无线PT100温度传感器。

作为优选，所述空心环剪盒装置还包括第一摩擦传感器和第二摩擦传感器。其中，第一摩擦传感器穿过钢环套并固定在钢环套的上部。第二摩擦传感器穿过复合底盘的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。

优选的是，钢环套的顶部连接有T型杆，T型杆的顶部设有位移传感器，且位移传感器的上部固定在机架的立柱伸出的横杆上。位移传感器用于测量试样压缩变形。

优选的是，加载板的下部“工”形结构的外围设有凹形槽，凹形槽内设有O型密封圈，如此设置可保证空心环剪盒装置的密封性。作为优选，加载板的下部“工”形结构的底部设有多道相通环形槽。多道相通环形槽的设置，可保证试验过程中施加的反压液均匀地分布给试样。其中，多道相通环形槽优选为3道相通环形槽。

作为优选，复合底盘的下部盘状结构上开设有环形槽，且环形槽位于钢环套与复合底盘形成的环形腔室的底部。优选，环形槽内设有橡胶垫圈。橡胶垫圈的设置可以防止复合底盘漏水。

在本发明中，所述扭剪动力装置包括钢架套、伺服电机、调距套筒、伸缩器。其中伺服电机设置在空心环剪盒装置的加载板上，钢架套设置在伺服电机的上部外侧，钢架套的顶部中间安装有调距套筒，钢架套的顶部两侧分别设有伸缩器，调距套筒和伸缩器的上端与机架的反力梁连接。

其中，调距套筒的设置可以微调加载板以上的高度。伺服电机(通过螺栓)固定在钢架套内，钢架套顶面设置2个伸缩器，以保持伺服电机的扭转轴在竖向中心轴线方位上。

优选的是，钢架套的一侧下部接有固位杆。伺服电机的扭转轴(竖直)设置在空心环剪盒装置的加载板上。扭转轴上安装有角位移传感器和扭矩传感器，角位移传感器和扭矩传感器的一侧均固定在固位杆上，且扭矩传感器设置在角位移传感器的上方。所述固位杆为高强度刚性固位杆。

在本发明中，该设备还包括测控系统。所述测控系统包括反压控制器、孔压采集器、伺服电机驱动器、信息采集器、第一计算机、第二计算机。其中，底盘反压进液口和三通阀与反压控制器连接。孔压传感器与孔压采集器连接。伺服电机与伺服电机驱动器连接。温度传感器、第一摩擦传感器、第二摩擦传感器、位移传感器、角位移传感器、扭矩传感器和柱式拉压力传感器均与信息采集器连接。反压控制器、孔压采集器和TSZ升降动力装置均与第一计算机连接。伺服电机驱动器和信息采集器与第二计算机连接。

其中，底盘反压进液口和三通阀通过橡胶管与反压控制器连接。伺服电机与伺服电机驱动器通过伺服电机信号线连接。

根据本发明的第二种实施方案，提供一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验方法：

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验方法或使用上述设备的方法，该方法包括以下步骤：

1)将底座上的螺柱置于升降轴中，将柱式拉压力传感器的下端置于底座的中心并拧紧，再将方桌形底盘套进于底座中，同时方桌形底盘中心的套筒将柱式拉压力传感器的上端套住并紧固；

2)组合安装空心环剪盒装置，将橡胶垫圈放置在复合底盘的环形槽中，钢环套套在复合底盘上，并采用多组螺栓与复合底盘拧紧固定，将第二铜芯透水石放置在钢环套与复合底盘形成的环形腔室的底部，然后将试样装填在第二铜芯透水石的上部并压实，第一铜芯透水石固定在加载板的下部“工”形结构内，并位于试样的上部，然后将装好试样的空心环剪盒装置套在方桌形底盘上；

其中，装试样的高度应符合国家标准，试样表面要平整；

3)安装第一摩擦传感器和第二摩擦传感器并紧固，安装温度传感器，然后把O型密封圈套进加载板的凹形槽内，再沿O型密封圈外层涂上润滑油，通过扭转调距套筒，使加载板的下边缘与钢环套和复合底盘形成的环形腔室的上端口内壁相贴合；

此处沿O型密封圈外层涂润滑油的作用是减小加载板与环形腔室侧壁的摩擦力；

4)连接各路通信线路，开启TSZ升降动力装置和伺服电机的电源，开启测控系统；

5)测控系统控制启动TSZ升降动力装置的升降轴，缓慢地把加载板压进由钢环套和复合底盘形成的环形腔室内，待柱式拉压力传感器的数值突变时，立即暂停升降轴，将所有采集系统数据调零，输入剪切速率或剪切力，开始试验，直到实现试样的环形剪切破坏，结束试验；

此处“待柱式拉压力传感器的数值突变时”，便于判断加载板的下边缘与试样上表面刚好接触；

6)试样测试完成后，降下升降轴，取下空心环剪盒装置，把空心环剪盒装置内的试样清理干净，再做下一组试样，重复前述步骤2-5，按照要求依次完成不同试验组；

7)将设备中各仪器记录的数据导出，进行整理后绘制成力学曲线图。

其中，测量的扭矩值需要减去摩擦力值换算后的扭矩值。

优选的是，上述方法的步骤5)中，当试验要求需要饱和试样时，将所有采集系统数据调零后，通过施加反压饱和的方式使试样达到饱和，输入剪切速率或剪切力，开始试验。

在本发明中，孔压传感器与孔压采集器连接；温度传感器、第一摩擦传感器、第二摩擦传感器、位移传感器、角位移传感器、扭矩传感器和柱式拉压力传感器均与信息采集器连接。在本发明的试验方法中，所需要测得的数据包括环剪位移、轴向位移、空隙压力、剪切面温度、剪切阻力和时间等。本发明试验设备中各仪器测得各数据后，孔压采集器和信息采集器分别通过第一计算机和第二计算机将数据导出整理，并绘制成相关曲线图。此处的曲线图主要包括：不同轴压下环剪试验的剪力与剪切位移的曲线图；各级剪力下的蠕变曲线图；剪切阻力与剪切位移的曲线图。

在本发明中，TSZ升降动力装置为剪切单元提供稳定、均匀的轴向力。设置在空心环剪盒装置上部的扭剪动力装置，则提供剪切力，试验过程通过测控系统进行控制。

机架的2根立柱的下端紧固在TSZ升降动力装置的台面上，反力梁固定在2根立柱的上部，例如可通过螺母进行固定，同时反力梁可自由调节其所在位置的高度。

TSZ升降动力装置与空心环剪盒装置之间还设有底座、柱式拉压力传感器和方桌形底盘。其中底座的上部边缘设有伸缩孔，因此，方桌形底盘可以自由伸缩。而底座的中间安装有柱式拉压力传感器，用于监测试验过程中的轴向压力。

在本发明中，空心环剪盒装置的复合底盘包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构。其中下部盘状结构的外侧边缘，其厚度小于盘状结构的中间部位，同时外侧边缘上设有螺栓孔，钢环套套设在复合底盘的下部盘状结构的外侧边缘时，可通过螺栓与复合底盘紧固。由此，钢环套的内壁与复合底盘的上部内槽结构的外壁形成一个空心的环形腔室。空心环剪盒装置的加载板包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，加载板的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触，当空心环剪盒装置中装好试样时，加载板的下边缘与试样上表面接触。第一铜芯透水石固定在加载板的底面内，即固定在加载板的下部“工”形结构内，此处同样可通过螺栓等方法进行固定。空心环剪盒装置还包括温度传感器，温度传感器穿过加载板和第一铜芯透水石，并且该温度传感接触面与第一铜芯透水石的底面保持在同一水平面上，用于监测快剪条件下剪切面的温度变化(慢剪条件不需要使用温度传感器)。作为优选，温度传感器为无线PT100温度传感器。空心环剪盒装置还包括第一摩擦传感器和第二摩擦传感器。其中第一摩擦传感器穿过钢环套并固定在钢环套的上部，且第一摩擦传感器接触面与钢环套内壁保持在同一曲面上。第二摩擦传感器穿过复合底盘的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部，且第二摩擦传感器接触面与复合底盘的上部内槽结构的外壁保持在同一曲面上。

在本发明中，空心环剪盒装置中各部件作用：第一铜芯透水石和第二铜芯透水石可以使试样内部空隙的水与外界进行交换。加载板用于满足试验施加轴向应力的需求。复合底盘与钢环套形成环形腔室，用于装填试样。O型密封圈可以使加载板与环形腔室边壁隔绝密封，满足测量空隙水压力的条件，同时也防止环剪过程中溢漏试样。橡胶垫圈可以防止环形腔室底部漏水漏气。温度传感器的安装用于检测剪切面温度的变化规律。摩擦传感器用于测加载板与环形腔室侧壁的摩擦阻力，即剪切阻力的测量；其中，安装第一摩擦传感器和第二摩擦传感器这两个摩擦传感器的目的，是为了最后取测量数据的均值。凹形槽是放置O型密封圈的作用。方桌形底盘用于固定复合底盘，是保持整个空心环剪盒装置稳定的重要部件。T型杆属于位移传感器测量轴向位移的过度部件。旋转接头可360度旋转，满足结构设计的需求，因试验中加载板需转动，复合底盘不能旋转，旋转接头可保证反压进液口的液体顺利流入。

在本发明中，第一计算机和第二计算机通过安装相关的软件控制本发明的环剪仪设备。第一计算机中安装Delphi语言编写的数据采集系统，第二计算机中可直接使用安装的TgWin数据采集处理系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1、本发明充分利用TSZ全自动试验机提供精准的轴压力，提供应力应变控制式的稳定力源；

2、本发明采用封闭的空心环剪盒装置，解决了环剪过程中溢漏试样的难题，测量强度值更为精确；

3、本发明中封闭的空心环剪盒装置可以做饱和试验和测量孔隙压力值，仪器设备功能的多样性可满足不同试验条件的要求；

4、本发明设备的剪切面位置设有高精度的温度传感器，模拟快速滑坡体剪切面温度的响应，为滑坡体的剪切带机理分析提供新途径。

综上，本发明的基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备自动化程度高，稳定性好，测量精度高，结构设计紧凑，占地空间小，方便组装，易于推广。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备的结构示意图；

图3为本发明空心环剪盒装置的结构示意图；

图4为本发明复合底盘的结构示意图；

图5为本发明钢环套的结构示意图；

图6为本发明加载板的结构示意图；

图7为本发明底座的结构示意图；

图8为本发明实施例3中不同轴压下环剪试验的剪力与剪切位移的曲线图；

图9为本发明实施例3中各级剪力下的蠕变曲线图；

图10为本发明实施例3中剪切阻力与剪切位移的曲线图。

附图标记：

1：TSZ升降动力装置；101：升降轴；2：机架；201：立柱；202：反力梁；203：横杆；3：空心环剪盒装置；301：复合底盘；30101：环形槽；30102：橡胶垫圈；302：钢环套；303：加载板；30301：凹形槽；30302：O型密封圈；30303：相通环形槽；304：反压进液口；305：底盘输液进口；306：底盘反压进液口；307：旋转接头；308：三通阀；309：孔压传感器；310：第一铜芯透水石；311：第二铜芯透水石；312：温度传感器；313：第一摩擦传感器；314：第二摩擦传感器；315：T型杆；316：位移传感器；4：扭剪动力装置；401：钢架套；402：伺服电机；40201：扭转轴；403：调距套筒；404：伸缩器；405：固位杆；406：角位移传感器；407：扭矩传感器；5：底座；501：伸缩孔；6：柱式拉压力传感器；7：方桌形底盘；L：输液管；

K：测控系统；8：反压控制器；9：孔压采集器；10：伺服电机驱动器；11：信息采集器；12：第一计算机；13：第二计算机；

14：试样。

具体实施方式

根据本发明的第一种实施方案，提供一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备：

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置1、机架2、空心环剪盒装置3、扭剪动力装置4。其中机架2固定在TSZ升降动力装置1的顶部，空心环剪盒装置3和扭剪动力装置4设置在机架2与TSZ升降动力装置1之间，且空心环剪盒装置3位于TSZ升降动力装置1的上方，扭剪动力装置4位于空心环剪盒装置3的上方。

在本发明中，所述机架2包括2根立柱201和反力梁202。2根立柱201分别固定在TSZ升降动力装置1的顶部两侧，反力梁202与2根立柱201的上部垂直连接。

优选的是，TSZ升降动力装置1与空心环剪盒装置3之间还设有底座5、柱式拉压力传感器6和方桌形底盘7。其中底座5设置在TSZ升降动力装置1的升降轴101上，底座5的中间设有柱式拉压力传感器6，底座5的上部连接方桌形底盘7；作为优选，底座5的上部边缘设有伸缩孔501。

在本发明中，所述空心环剪盒装置3包括复合底盘301、钢环套302、加载板303。其中复合底盘301包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘301设置在方桌形底盘7的顶部。钢环套302套设在复合底盘301的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套302的内壁与复合底盘301的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室。加载板303包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板303的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触。

优选的是，加载板303一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口304，复合底盘301的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口305，复合底盘301的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口306。且复合底盘301的上部内槽结构内安装有旋转接头307，旋转接头307的上部通过输液管L连接反压进液口304，旋转接头307的下部连接底盘反压进液口306。底盘输液进口305通过三通阀308连接孔压传感器309。

作为优选，所述空心环剪盒装置3还包括第一铜芯透水石310、第二铜芯透水石311。其中第一铜芯透水石310固定在加载板303的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石311放置在钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部。

优选的是，所述空心环剪盒装置3还包括温度传感器312。温度传感器312穿过加载板303的下部“工”形结构和第一铜芯透水石310。优选，温度传感器312为无线PT100温度传感器。

作为优选，所述空心环剪盒装置3还包括第一摩擦传感器313和第二摩擦传感器314。其中，第一摩擦传感器313穿过钢环套302并固定在钢环套302的上部。第二摩擦传感器314穿过复合底盘301的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。

优选的是，钢环套302的顶部连接有T型杆315，T型杆315的顶部设有位移传感器316，且位移传感器316的上部固定在机架2的立柱201伸出的横杆203上。

优选的是，加载板303的下部“工”形结构的外围设有凹形槽30301，凹形槽30301内设有O型密封圈30302。作为优选，加载板303的下部“工”形结构的底部设有多道相通环形槽30303。

作为优选，复合底盘301的下部盘状结构上开设有环形槽30101，且环形槽30101位于钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部。优选，环形槽30101内设有橡胶垫圈30102。

在本发明中，所述扭剪动力装置4包括钢架套401、伺服电机402、调距套筒403、伸缩器404。其中伺服电机402设置在空心环剪盒装置3的加载板303上，钢架套401设置在伺服电机402的上部外侧，钢架套401的顶部中间安装有调距套筒403，钢架套401的顶部两侧分别设有伸缩器404，调距套筒403和伸缩器404的上端与机架2的反力梁202连接。

优选的是，钢架套401的一侧下部接有固位杆405。伺服电机402的扭转轴40201(竖直)设置在空心环剪盒装置3的加载板303上。扭转轴上安装有角位移传感器406和扭矩传感器407，角位移传感器406和扭矩传感器407的一侧均固定在固位杆405上，且扭矩传感器407设置在角位移传感器406的上方。

在本发明中，该设备还包括测控系统K。所述测控系统K包括反压控制器8、孔压采集器9、伺服电机驱动器10、信息采集器11、第一计算机12、第二计算机13。其中，底盘反压进液口306和三通阀308与反压控制器8连接。孔压传感器309与孔压采集器9连接。伺服电机402与伺服电机驱动器10连接。温度传感器312、第一摩擦传感器313、第二摩擦传感器314、位移传感器316、角位移传感器406、扭矩传感器407和柱式拉压力传感器6均与信息采集器11连接。反压控制器8、孔压采集器9和TSZ升降动力装置1均与第一计算机12连接。伺服电机驱动器10和信息采集器11与第二计算机13连接。

根据本发明的第二种实施方案，提供一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验方法：

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验方法或使用上述设备的方法，该方法包括以下步骤：

1)将底座5上的螺柱置于升降轴101中，将柱式拉压力传感器6的下端置于底座5的中心并拧紧，再将方桌形底盘7套进于底座5中，同时方桌形底盘7中心的套筒将柱式拉压力传感器6的上端套住并紧固；

2)组合安装空心环剪盒装置3，将橡胶垫圈30102放置在复合底盘301的环形槽30101中，钢环套302套在复合底盘301上，并与复合底盘301拧紧固定，将第二铜芯透水石311放置在钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部，然后将试样14装填在第二铜芯透水石311的上部并压实，第一铜芯透水石310固定在加载板303的下部“工”形结构内，并位于试样14的上部，然后将装好试样14的空心环剪盒装置3套在方桌形底盘7上；

3)安装第一摩擦传感器313和第二摩擦传感器314并紧固，安装温度传感器312，然后把O型密封圈30302套进加载板303的凹形槽30301内，再沿O型密封圈30302外层涂上润滑油，通过扭转调距套筒403，使加载板303的下边缘与钢环套302和复合底盘301形成的环形腔室的上端口内壁相贴合；

4)连接各路通信线路，开启TSZ升降动力装置1和伺服电机402的电源，开启测控系统K；

5)测控系统K控制启动TSZ升降动力装置1的升降轴101，缓慢地把加载板303压进由钢环套302和复合底盘301形成的环形腔室内，待柱式拉压力传感器6的数值突变时，立即暂停升降轴101，将所有采集系统数据调零，输入剪切速率或剪切力，开始试验，直到实现试样14的环形剪切破坏，结束试验；

6)试样14测试完成后，降下升降轴101，取下空心环剪盒装置3，把空心环剪盒装置3内的试样14清理干净，再做下一组试样14，重复前述步骤2-5，按照要求依次完成不同试验组；

7)将设备中各仪器记录的数据导出，进行整理后绘制成力学曲线图。

优选的是，上述方法的步骤5)中，当试验要求需要饱和试样14时，将所有采集系统数据调零后，通过施加反压饱和的方式使试样14达到饱和，输入剪切速率或剪切力，开始试验。

实施例1

如图2-7所示，一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置1、机架2、空心环剪盒装置3、扭剪动力装置4。其中机架2固定在TSZ升降动力装置1的顶部，空心环剪盒装置3和扭剪动力装置4设置在机架2与TSZ升降动力装置1之间，且空心环剪盒装置3位于TSZ升降动力装置1的上方，扭剪动力装置4位于空心环剪盒装置3的上方。

所述机架2包括2根立柱201和反力梁202。2根立柱201分别固定在TSZ升降动力装置1的顶部两侧，反力梁202与2根立柱201的上部垂直连接。

TSZ升降动力装置1与空心环剪盒装置3之间还设有底座5、柱式拉压力传感器6和方桌形底盘7。其中底座5设置在TSZ升降动力装置1的升降轴101上，底座5的中间设有柱式拉压力传感器6，底座5的上部连接方桌形底盘7。底座5的上部边缘设有伸缩孔501。

所述空心环剪盒装置3包括复合底盘301、钢环套302、加载板303。其中复合底盘301包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘301设置在方桌形底盘7的顶部。钢环套302套设在复合底盘301的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套302的内壁与复合底盘301的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室。加载板303包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板303的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触。

加载板303一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口304，复合底盘301的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口305，复合底盘301的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口306。且复合底盘301的上部内槽结构内安装有旋转接头307，旋转接头307的上部通过输液管L连接反压进液口304，旋转接头307的下部连接底盘反压进液口306。底盘输液进口305通过三通阀308连接孔压传感器309。

所述空心环剪盒装置3还包括第一铜芯透水石310、第二铜芯透水石311。其中第一铜芯透水石310固定在加载板303的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石311放置在钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部。

所述空心环剪盒装置3还包括温度传感器312。温度传感器312穿过加载板303的下部“工”形结构和第一铜芯透水石310。温度传感器312为无线PT100温度传感器。

所述空心环剪盒装置3还包括第一摩擦传感器313和第二摩擦传感器314。其中，第一摩擦传感器313穿过钢环套302并固定在钢环套302的上部。第二摩擦传感器314穿过复合底盘301的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。

钢环套302的顶部连接有T型杆315，T型杆315的顶部设有位移传感器316，且位移传感器316的上部固定在机架2的立柱201伸出的横杆203上。

加载板303的下部“工”形结构的外围设有凹形槽30301，凹形槽30301内设有O型密封圈30302。加载板303的下部“工”形结构的底部设有3道相通环形槽30303。

复合底盘301的下部盘状结构上开设有环形槽30101，且环形槽30101位于钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部。环形槽30101内设有橡胶垫圈30102。

所述扭剪动力装置4包括钢架套401、伺服电机402、调距套筒403、伸缩器404。其中伺服电机402设置在空心环剪盒装置3的加载板303上，钢架套401设置在伺服电机402的上部外侧，钢架套401的顶部中间安装有调距套筒403，钢架套401的顶部两侧分别设有伸缩器404，调距套筒403和伸缩器404的上端与机架2的反力梁202连接。

钢架套401的一侧下部接有固位杆405。伺服电机402的扭转轴40201竖直设置在空心环剪盒装置3的加载板303上。扭转轴上安装有角位移传感器406和扭矩传感器407，角位移传感器406和扭矩传感器407的一侧均固定在固位杆405上，且扭矩传感器407设置在角位移传感器406的上方。

实施例2

如图1所示，重复实施例1，只是该设备还包括测控系统K。所述测控系统K包括反压控制器8、孔压采集器9、伺服电机驱动器10、信息采集器11、第一计算机12、第二计算机13。其中，底盘反压进液口306和三通阀308与反压控制器8连接。孔压传感器309与孔压采集器9连接。伺服电机402与伺服电机驱动器10连接。温度传感器312、第一摩擦传感器313、第二摩擦传感器314、位移传感器316、角位移传感器406、扭矩传感器407和柱式拉压力传感器6均与信息采集器11连接。反压控制器8、孔压采集器9和TSZ升降动力装置1均与第一计算机12连接。伺服电机驱动器10和信息采集器11与第二计算机13连接。

实施例3

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验方法，使用实施例2中的试验设备，该方法包括以下步骤：

1)将底座5上的螺柱置于升降轴101中，将柱式拉压力传感器6的下端置于底座5的中心并拧紧，再将方桌形底盘7套进于底座5中，同时方桌形底盘7中心的套筒将柱式拉压力传感器6的上端套住并紧固；

2)组合安装空心环剪盒装置3，将橡胶垫圈30102放置在复合底盘301的环形槽30101中，钢环套302套在复合底盘301上，并与复合底盘301拧紧固定，将第二铜芯透水石311放置在钢环套302与复合底盘301形成的环形腔室的底部，然后将试样14装填在第二铜芯透水石311的上部并压实，第一铜芯透水石310固定在加载板303的下部“工”形结构内，并位于试样14的上部，然后将装好试样14的空心环剪盒装置3套在方桌形底盘7上；

3)安装第一摩擦传感器313和第二摩擦传感器314并紧固，安装温度传感器312，然后把O型密封圈30302套进加载板303的凹形槽30301内，再沿O型密封圈30302外层涂上润滑油，通过扭转调距套筒403，使加载板303的下边缘与钢环套302和复合底盘301形成的环形腔室的上端口内壁相贴合；

4)连接各路通信线路，开启TSZ升降动力装置1和伺服电机402的电源，开启测控系统K；

5)测控系统K控制启动TSZ升降动力装置1的升降轴101，缓慢地把加载板303压进由钢环套302和复合底盘301形成的环形腔室内，待柱式拉压力传感器6的数值突变时，立即暂停升降轴101，将所有采集系统数据调零，输入剪切速率，开始试验，直到实现试样14的环形剪切破坏，结束试验；

6)试样14测试完成后，降下升降轴101，取下空心环剪盒装置3，把空心环剪盒装置3内的试样14清理干净，再做下一组试样14，重复前述步骤2-5，按照要求依次完成不同试验组；

7)将设备中各仪器记录的数据导出，进行整理后绘制成力学曲线图，如图8-10所示。

实施例4

重复实施例3，只是步骤5)中，当试验要求需要饱和试样14时，将所有采集系统数据调零后，通过施加反压饱和的方式使试样14达到饱和，输入剪切速率，开始试验。

Claims (12)

1.一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置(1)、机架(2)、空心环剪盒装置(3)、扭剪动力装置(4)；其中机架(2)固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部，空心环剪盒装置(3)和扭剪动力装置(4)设置在机架(2)与TSZ升降动力装置(1)之间，且空心环剪盒装置(3)位于TSZ升降动力装置(1)的上方，扭剪动力装置(4)位于空心环剪盒装置(3)的上方；

TSZ升降动力装置(1)与空心环剪盒装置(3)之间还设有底座(5)、柱式拉压力传感器(6)和方桌形底盘(7)；其中底座(5)设置在TSZ升降动力装置(1)的升降轴(101)上，底座(5)的中间设有柱式拉压力传感器(6)，底座(5)的上部连接方桌形底盘(7)；

所述空心环剪盒装置(3)包括复合底盘(301)、钢环套(302)、加载板(303)；其中复合底盘(301)包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘(301)设置在方桌形底盘(7)的顶部；钢环套(302)套设在复合底盘(301)的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套(302)的内壁与复合底盘(301)的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室；加载板(303)包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板(303)的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触；

加载板(303)一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口(304)，复合底盘(301)的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口(305)，复合底盘(301)的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口(306)，且复合底盘(301)的上部内槽结构内安装有旋转接头(307)，旋转接头(307)的上部通过输液管(L)连接反压进液口(304)，旋转接头(307)的下部连接底盘反压进液口(306)，底盘输液进口(305)通过三通阀(308)连接孔压传感器(309)；加载板(303)的下部“工”形结构的外围设有凹形槽(30301)，凹形槽(30301)内设有O型密封圈(30302)；加载板(303)的下部“工”形结构的底部设有多道相通环形槽(30303)；

钢环套(302)的顶部连接有T型杆(315)，T型杆(315)的顶部设有位移传感器(316)，且位移传感器(316)的上部固定在机架(2)的立柱(201)伸出的横杆(203)上；

所述扭剪动力装置(4)包括钢架套(401)、伺服电机(402)、调距套筒(403)、伸缩器(404)；其中伺服电机(402)设置在空心环剪盒装置(3)的加载板(303)上，钢架套(401)设置在伺服电机(402)的上部外侧，钢架套(401)的顶部中间安装有调距套筒(403)，钢架套(401)的顶部两侧分别设有伸缩器(404)，调距套筒(403)和伸缩器(404)的上端与机架(2)的反力梁(202)连接；钢架套(401)的一侧下部接有固位杆(405)，伺服电机(402)的扭转轴(40201)竖直设置在空心环剪盒装置(3)的加载板(303)上，扭转轴上安装有角位移传感器(406)和扭矩传感器(407)，角位移传感器(406)和扭矩传感器(407)的一侧均固定在固位杆(405)上，且扭矩传感器(407)设置在角位移传感器(406)的上方。

2.根据权利要求1所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述机架(2)包括2根立柱(201)和反力梁(202)，2根立柱(201)分别固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部两侧，反力梁(202)与2根立柱(201)的上部垂直连接；和/或

底座(5)的上部边缘设有伸缩孔(501)。

3.根据权利要求1所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述空心环剪盒装置(3)还包括第一铜芯透水石(310)、第二铜芯透水石(311)，其中第一铜芯透水石(310)固定在加载板(303)的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石(311)放置在钢环套(302)与复合底盘(301)形成的环形腔室的底部。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述空心环剪盒装置(3)还包括温度传感器(312)；温度传感器(312)穿过加载板(303)的下部“工”形结构和第一铜芯透水石(310)。

5.根据权利要求4所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：温度传感器(312)为无线PT100温度传感器。

6.根据权利要求1-3、5中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述空心环剪盒装置(3)还包括第一摩擦传感器(313)和第二摩擦传感器(314)，其中，第一摩擦传感器(313)穿过钢环套(302)并固定在钢环套(302)的上部，第二摩擦传感器(314)穿过复合底盘(301)的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。

7.根据权利要求1-3、5中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：复合底盘(301)的下部盘状结构上开设有环形槽(30101)，且环形槽(30101)位于钢环套(302)与复合底盘(301)形成的环形腔室的底部。

8.根据权利要求7所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：环形槽(30101)内设有橡胶垫圈(30102)。

9.根据权利要求1-3、5、8中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：该设备还包括测控系统(K)；所述测控系统(K)包括反压控制器(8)、孔压采集器(9)、伺服电机驱动器(10)、信息采集器(11)、第一计算机(12)、第二计算机(13)；其中，底盘反压进液口(306)和三通阀(308)与反压控制器(8)连接；孔压传感器(309)与孔压采集器(9)连接；伺服电机(402)与伺服电机驱动器(10)连接；温度传感器(312)、第一摩擦传感器(313)、第二摩擦传感器(314)、位移传感器(316)、角位移传感器(406)、扭矩传感器(407)和柱式拉压力传感器(6)均与信息采集器(11)连接；反压控制器(8)、孔压采集器(9)和TSZ升降动力装置(1)均与第一计算机(12)连接；伺服电机驱动器(10)和信息采集器(11)与第二计算机(13)连接。

10.根据权利要求4所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：该设备还包括测控系统(K)；所述测控系统(K)包括反压控制器(8)、孔压采集器(9)、伺服电机驱动器(10)、信息采集器(11)、第一计算机(12)、第二计算机(13)；其中，底盘反压进液口(306)和三通阀(308)与反压控制器(8)连接；孔压传感器(309)与孔压采集器(9)连接；伺服电机(402)与伺服电机驱动器(10)连接；温度传感器(312)、第一摩擦传感器(313)、第二摩擦传感器(314)、位移传感器(316)、角位移传感器(406)、扭矩传感器(407)和柱式拉压力传感器(6)均与信息采集器(11)连接；反压控制器(8)、孔压采集器(9)和TSZ升降动力装置(1)均与第一计算机(12)连接；伺服电机驱动器(10)和信息采集器(11)与第二计算机(13)连接。

11.一种使用权利要求1-10中任一项所述设备的方法，该方法包括以下步骤：

1)将底座(5)上的螺柱置于升降轴(101)中，将柱式拉压力传感器(6)的下端置于底座(5)的中心并拧紧，再将方桌形底盘(7)套进于底座(5)中，同时方桌形底盘(7)中心的套筒将柱式拉压力传感器(6)的上端套住并紧固；

2)组合安装空心环剪盒装置(3)，将橡胶垫圈(30102)放置在复合底盘(301)的环形槽(30101)中，钢环套(302)套在复合底盘(301)上，并与复合底盘(301)拧紧固定，将第二铜芯透水石(311)放置在钢环套(302)与复合底盘(301)形成的环形腔室的底部，然后将试样(14)装填在第二铜芯透水石(311)的上部并压实，第一铜芯透水石(310)固定在加载板(303)的下部“工”形结构内，并位于试样(14)的上部，然后将装好试样(14)的空心环剪盒装置(3)套在方桌形底盘(7)上；

3)安装第一摩擦传感器(313)和第二摩擦传感器(314)并紧固，安装温度传感器(312)，然后把O型密封圈(30302)套进加载板(303)的凹形槽(30301)内，再沿O型密封圈(30302)外层涂上润滑油，通过扭转调距套筒(403)，使加载板(303)的下边缘与钢环套(302)和复合底盘(301)形成的环形腔室的上端口内壁相贴合；

4)连接各路通信线路，开启TSZ升降动力装置(1)和伺服电机(402)的电源，开启测控系统(K)；

5)测控系统(K)控制启动TSZ升降动力装置(1)的升降轴(101)，缓慢地把加载板(303)压进由钢环套(302)和复合底盘(301)形成的环形腔室内，待柱式拉压力传感器(6)的数值突变时，立即暂停升降轴(101)，将所有采集系统数据调零，输入剪切速率或剪切力，开始试验，直到实现试样(14)的环形剪切破坏，结束试验；

6)试样(14)测试完成后，降下升降轴(101)，取下空心环剪盒装置(3)，把空心环剪盒装置(3)内的试样(14)清理干净，再做下一组试样(14)，重复前述步骤2) -5) ，按照要求依次完成不同试验组；

7)将设备中各仪器记录的数据导出，进行整理后绘制成力学曲线图。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：当试验要求需要饱和试样(14)时，将所有采集系统数据调零后，通过施加反压饱和的方式使试样(14)达到饱和，输入剪切速率或剪切力，开始该步骤5)。

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