CN109374443A - 一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及试验仪器技术领域，特别是涉及一种滨海相软黏土浆‑土界面剪切参数测量仪及测量方法，包括可沿支撑板滑动的剪切仓、剪切动力系统、数据测量系统和控制系统；所述剪切仓具有可变尺寸的内腔，所述内腔用于容纳待测试试样，所述剪切仓包括可相对滑动的固定部和平移部，所述固定部位于平移部的上方且固定部和平移部的接触面水平设置。本发明能够解决传统剪切仪只能粗略测量界面宏观抗剪强度，需要手动加载、记录的问题。

Description

一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于试验仪器技术领域，具体涉及一种滨海相软黏土浆-土界面剪切 参数测量仪及测量方法。

背景技术

我国大陆海岸线长达1.8万公里，位居世界第四位，滨海海洋工程构筑物建 设正大规模开展，但其下覆地基常发育有较厚的软黏土层(最深可达十几米)， 受沉积环境和组成成分等因素的影响，滨海软黏土具有强度弱、含水率高、渗透 性低、压缩性强和稳定性差等显著特点，若不能实施有效的加固处理，将会诱发 上部结构出现沉降、倾斜、甚至整体失稳破坏等严重问题，给构筑物安全造成严 重威胁。

实践证明，注浆方法通过提高软弱介质的抗渗性和承载能力，可以成为加固 滨海相软黏土的有效手段。由于注浆过程涉及被注软黏土和注入浆液结石体两种 材料组成的复合体，这决定了必然会存在两种材料物理力学性质的渐进变异区， 即浆-土界面，界面的物理力学性能特别是剪切性能在很大程度上决定了复合体 的强度，有关浆-土界面剪切性能的研究目前已经成为了热点。

对于浆-土界面剪切性能的试验研究主要借助剪切仪实现，而传统剪切仪只 能粗略测量界面宏观抗剪强度，且试验过程需要手动加载、手动记录，导致效率 低、误差大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参 数测量仪，能够解决传统剪切仪只能粗略测量界面宏观抗剪强度，需要手动加载、 记录的问题。

本发明采用下述技术方案：一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪， 包括可沿支撑板滑动的剪切仓、剪切动力系统、数据测量系统和控制系统。

所述剪切仓具有可变尺寸的内腔，所述内腔用于容纳待测试试样，所述剪切 仓包括可相对滑动的固定部和平移部，所述固定部位于平移部的上方且固定部和 平移部的接触面水平设置；

采用可变尺寸的内腔，剪切仓可以测量不同尺寸规格的待测试样，使用者能 够通过多组交叉试验来获得待测试样浆-土分界面的剪切性能，能够降低误差。

所述剪切动力系统包括与支架固定连接的剪力驱动部及应力施加部，所述剪 力驱动部用于驱动平移部沿支撑板的水平滑动，所述应力施加部与支撑板连接并 向支撑板施加竖直向下的压力；

采用剪力驱动部驱动平移部，能够采用自动的方式实现剪切仓剪切动力的加 载，避免人手动加载剪切力造成的操作繁琐及精度低的情况。

所述数据测量系统包括剪切应力传感器、剪切位移传感器及竖向位移传感器， 所述剪切位移传感器设置于平移部远离剪力驱动部的一侧并用于检测平移部的 位移，所述剪切应力传感器设置于固定部远离剪力驱动部的一侧并用于检测待测 试样受到的剪力；所述竖向位移传感器用于检测待测试样在竖直方向的位移；

采用多个传感器同时检测待测试样在受到剪切应力及竖向应力情况下的变 形情况，能够根据传感器的数据分析待测试样浆-土分界面的剪切性能。

所述控制系统用于读取数据测量系统采集的数据并用于控制剪力驱动部的 运动速度。

通过控制系统设定驱动部的运动速度能够实现待测试样的定量、定速加载， 避免因为手动加载的不精确造成浆-土界面性能参数的测量误差以及试验效率的 低下。

进一步，所述平移部与固定部中分别设有安装槽，两个安装槽形成内腔，所 述平移部的一端与剪力驱动部接触，所述固定部的上端设有密封顶盖，密封顶盖 的上表面设有凹槽，所述凹槽中设有应力施加部的压力杆，所述压力杆的顶端设 有横梁，所述横梁的顶端设有竖向位移传感器的测量探头。

采用两个安装槽围合形成内腔的方式，平移部和固定部可以分离以实现待测 试样的安装，密封顶盖上的凹槽能够实现剪切仓与竖向位移传感器测量探头的精 准接触，能够避免测量误差。

进一步，所述内腔中设有滤水石，所述剪切仓可通过改变滤水石的数量来调 整内腔的大小，具体实现方式为滤水石的放置可以改变内腔高度，从而调节试样 的尺寸，所述内腔中放置有待测试样，固定部和平移部的接触面形成剪切面，所 述待测试样的分界面与剪切面平齐。

采用了滤水石来实现剪切仓中内腔规格的调整，没有机械结构，调节方便简 单。

进一步，所述剪力驱动部包括步进马达，所述步进马达的驱动轴与动力转换 装置连接，所述动力转换装置具有动力输出杆，所述动力转换装置用于将步进马 达输出的旋转运动转化成动力输出杆的往复直线运动，所述动力输出杆与平移部 的侧面接触。

进一步，所述支撑板上设有滑动钢珠，所述平移部设置于滑动钢珠的上表面。 所述支撑板固定设于支架上表面。

采用滑动钢珠与平移部配合使用的方式，滑动钢珠可以减少平移部与支撑板 之间的摩擦力，使得平移部沿着支撑板的滑动更流畅。

进一步，所述支架的上端设有位置调节装置，所述位置调节装置与竖向位移 传感器固定连接，所述位置调节装置可调节竖向位移传感器在空间的位置。

采用位置调节装置来调节竖向位移传感器的位置，使用者在使用不同规格的 剪切仓及待测试样时，竖向位移传感器均能够放置在横梁上表面。

进一步，所述支架的上端设有固定支座，所述固定支座与剪切仓之间设有固 定卡位，所述固定卡位中设有所述剪切应力传感器，所述剪切应力传感器的一端 与固定部的侧面接触，另一端与固定支座接触。

采用固定支座，固定支座能够实现剪切应力传感器的轴向定位，通过固定支 座与固定卡位的配合使用，方便剪切应力传感器的拆装。

进一步，所述应力施加部包括杠杆系统，所述杠杆系统的受力部分为砝码， 所述杠杆系统的力臂的一端安装有砝码，另一端与竖直杆铰接，所述竖直杆与支 架固定连接；所述力臂靠近竖直杆的一侧铰接有平板，所述平板的两端固定有施 力杆，所述施力杆的顶端与横梁固定连接。

通过杠杆系统中的砝码可以方便的调节待测试样受到的竖向应力。

本发明还提供了一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数的测量方法，包括以 下步骤：

步骤1：设置不同的注浆参数条件和软黏土参数条件，利用外部高压注浆系 统向滨海相软黏土原状土或者重塑土样注入浆液，在浆液凝结之后形成滨海相软 黏土浆-土界面，使用可变尺寸环刀获得不同尺寸的待测试样；所述的分界面即 为滨海相软黏土浆-土界面；

步骤2：将待测试样设置于剪切仓，放置滤水石和密封顶盖，并确保剪切面 与待测试样的分界面重合；

步骤3：使用杠杆和砝码施加既定竖向应力，分别调节位置调节装置、固定 卡位和固定支座，确保竖向位移传感器、剪切应力传感器和剪切位移传感器与剪 切仓的接触精度，使用控制系统进行传感器校准；

步骤4：使用控制系统设定剪切速率，开始剪切试验，竖向位移、剪切应力 和剪切位移的数据实时储存、转换传输至控制系统，控制系统自动获取实时应力 -应变曲线，直至剪切过程结束，复位剪切仓；

通过多组交叉剪切测试，最终获得不同条件下滨海相软黏土浆-土界面粘聚 力和内摩擦角，以及其他重要剪切参数；

进一步，所述注浆参数条件包括注浆压力、注浆速率、材料选用和浆液配比； 所述软黏土参数条件包括密实度和含水率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可同时测竖向位移、剪切位移、剪切应力及残余强度，有助于全面分 析界面剪切性能，且仪器可实现全自动加载和数据记录，效率和准确性均可大幅 提高，还可进行不同尺寸试样的剪切测试，消除偶然误差。

解决了浆-土复合体性能变异区的测试问题，可以获得平直的滨海相软黏土 浆-土界面试样的剪切参数。该仪器可实现全自动加载和数据记录，效率和准确 性均可大幅提高，突破了传统剪切仪需要手动加载、手动记录，导致效率低、误 差大的局限。该仪器可同时测试竖向位移、剪切位移、剪切应力及残余强度，数 据直接显示在电子计算机上，直观且精确，节省分析时间。

该仪器可通过步进式马达提供恒定的剪切速率，可由数据采集与控制仪自由 设定，马达可以提供较大的剪切力。该仪器操作较为简单，可以在短时间内完成 多次试验，利于交叉条件下界面剪切性能测试与分析。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图主视图；

图2是本发明的中剪切仓的结构示意图；

图3是本发明中第一规格的待测试样的结构示意图；

图4是本发明中第二规格的待测试样的结构示意图；

图5是本发明中浆液结石体与滨海相软黏土样的结构示意图；

图6是本发明中图5中A部分的待测试样结构图；

图7是本发明中数据采集与控制仪的结构示意图；

图8是本发明中计算机的结构示意图。

图中：1、运动转换机构；1A、步进马达；2、动力输出杆；3、回转把手；4、 密封顶盖；5、滤水石；6、待测试样；7、分界面；8、位置调节装置；9、竖向 位移传感器；10、剪切仓；11、调节旋钮；12、滑动钢珠；13、固定卡位；14 剪切位移传感器；15、剪切应力传感器；16、固定支座；17、支撑装置；18、 杠杆；18A、力臂；18B、竖直杆；18C、施力杆；19、砝码；20、数据采集与控 制仪；21、传输线接口；22、计算机；23、浆液结石体；24、滨海相软黏土样； 25、高压注浆系统；26、可变尺寸环刀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。

本发明中左、右、前、后等指示方位的词语是基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或部件必 须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。 同时第一、第二等词语仅仅是方便区分结构相似或相同的两个结构，并不代表该 结构在装置中的重要性。

本申请的一种典型实施方式，如图1-8所示，一种滨海相软黏土浆-土界面 剪切参数测量仪，包括可沿支撑板滑动的剪切仓10、剪切动力系统、数据测量 系统和控制系统。

所述剪切仓10具有可变尺寸的内腔，所述内腔用于容纳待测试试样，所述 剪切仓10包括可相对滑动的固定部和平移部，所述固定部位于平移部的上方且 固定部和平移部的接触面水平设置；

所述剪切动力系统包括与支架固定连接的剪力驱动部及应力施加部，所述剪 力驱动部用于驱动平移部沿支撑板的水平滑动，所述应力施加部与支撑板连接并 向支撑板施加竖直向下的压力；

所述数据测量系统包括剪切应力传感器15、剪切位移传感器14及竖向位移 传感器9，所述剪切位移传感器14设置于平移部远离剪力驱动部的一侧并用于 检测平移部的位移，所述剪切应力传感器15设置于固定部远离剪力驱动部的一 侧并用于检测待测试样6受到的剪力；所述竖向位移传感器9用于检测待测试样 6在竖直方向的位移；

所述控制系统用于读取数据测量系统采集的数据并用于控制剪力驱动部的 运动速度。

所述平移部与固定部中分别设有安装槽，两个安装槽形成内腔，所述平移部 的一端与剪力驱动部接触，所述固定部的上端设有密封顶盖4，密封顶盖4的上 表面设有凹槽，所述凹槽中设有应力施加部的压力杆9，所述压力杆9的顶端设 有横梁，所述横梁的顶端设有竖向位移传感器9的测量探头。

所述内腔中设有滤水石5，所述剪切仓可通过改变滤水石5的数量来调整内 腔的大小，所述内腔中放置有待测试样6，固定部和平移部的接触面形成剪切面， 所述待测试样6的分界面7与剪切面平齐。

具体的，所述剪切仓的尺寸可以选择φ61.8×20mm和φ61.8×40mm两种， 通过调整滤水石的数量实现，所述密封顶盖置于剪切仓上部，所述界面试样置于 剪切仓中心位置，确保剪切面与浆-土界面重合。

所述剪力驱动部包括步进马达1A，所述步进马达1A的驱动轴与动力转换装 置1连接，所述动力转换装置1具有动力输出杆2，所述动力转换装置1用于将 步进马达1A输出的旋转运动转化成动力输出杆2的往复直线运动，所述动力输 出杆与平移部的侧面接触。动力转换装置提供0.02-2.4mm/min范围内恒定剪切 速率，可提供剪切力最大可达5kN。

具体的，步进马达的输出轴与丝杠连接，所述丝杠与动力转换装置中的螺母 配合，螺母通过导向件进行导向。螺母与动力输出杆固定连接，所述步进马达的 旋转运动可转换成动力输出杆的往复直线运动。动力转换装置的侧面设有回转把 手回转把手与回转轴固定连接，回转轴伸入动力转换装置中，所述回转轴的末端 设有第一锥齿轮，丝杠靠近步进马达输出轴的一端固定环套有第二锥齿轮，第一 锥齿轮与第二锥齿轮啮合，通过旋转回转把手可以使得丝杠旋转，进而使得动力 输出杆复位。

所述支撑板上设有滑动钢珠12，所述平移部设置于滑动钢珠12的上表面。 所述支撑板固定设于支架上表面。

所述支架的上端设有位置调节装置8，所述位置调节装置8与竖向位移传感 器9固定连接，所述位置调节装置8可调节竖向位移传感器9在空间的位置。

同时，所述支架下端通过支撑装置17支撑。

具体的，所述的位置调节装置8由多根互相铰接的连杆组合形成，通过多根 连杆的相互转动可以调节末端竖向位移传感器在空间中的位置，至于位置调节装 置的具体结构，此处不再赘述，本领域技术人员可以自行设置。

所述支架的上端设有固定支座16，所述固定支座16与剪切仓之间设有固定 卡位13，所述固定卡位13中设有所述剪切应力传感器15，所述剪切应力传感器 15的一端与固定部的侧面接触，另一端与固定支座16接触。

所述应力施加部包括杠杆系统，所述杠杆系统的受力部分为砝码19，所述杠 杆系统的力臂18A的一端安装有砝码，另一端与竖直杆18B铰接，所述竖直杆与 支架固定连接；所述力臂靠近竖直杆的一侧铰接有平板，所述平板的两端固定有 施力杆18C，所述施力杆的顶端与横梁固定连接。

具体的，在竖直杆的一侧固定设有配重块，所述配重块的连接杆穿过竖直杆 后与挂钩连接，力臂靠近竖直杆的一端设有固定环，所述挂钩与固定环连接。固 定环设置于力臂的上端面。

具体的，所述控制系统包括计算机和数据采集与控制仪20，所述的数据采集 与控制仪通过数据线和传输线接口21与多个传感器信号连接，数据采集与控制 仪控制步进马达提供恒定的剪切速率并对获得的传感器数据进行储存和转换。

所述数据采集与控制仪通过数据线与计算机22信号连接。所述竖向位移传 感器、剪切位移传感器及剪切应力传感器通过数据采集与控制仪进行校准，所述 计算机用于接收数据采集与控制仪的数据并进行数据处理，获得实时的剪切应力 和位移变化的曲线。

本发明还提供了一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数的测量方法，包括以 下步骤：

步骤1：设置不同的注浆参数条件和软黏土参数条件，利用外部高压注浆系 统25向滨海相软黏土原状土或者重塑土样注入浆液，在浆液凝结之后形成平直、 规则的滨海相软黏土浆-土界面，使用可变尺寸环刀26获得不同尺寸的待测试样 6；所述的分界面7即为滨海相软黏土浆-土界面；此处的可变尺寸环刀指的是可 以安装不同尺寸的刀片，此处不再赘述，本领域技术人员可以自行设置。

步骤2：将待测试样6设置于剪切仓10，放置滤水石5和密封顶盖4，并确 保剪切面与待测试样6的分界面7重合；

步骤3：使用杠杆和砝码19施加既定竖向应力，分别调节位置调节装置8、 固定卡位13和固定支座16，确保竖向位移传感器9、剪切应力传感器15和剪切 位移传感器14与剪切仓10的接触精度，使用控制系统进行传感器校准；

步骤4：使用控制系统设定剪切速率，开始剪切试验，竖向位移、剪切应力 和剪切位移的数据实时储存、转换传输至控制系统，控制系统自动获取实时应力 -应变曲线，直至剪切过程结束，复位剪切仓10；

步骤5：通过多组交叉剪切测试，最终获得不同条件下滨海相软黏土浆-土界 面粘聚力和内摩擦角，以及其他重要剪切参数；

所述注浆条件包括注浆压力、注浆速率、材料选用和浆液配比；所述被注介 质条件包括密实度。

此处的待测试验可以采用两种不同大小规格，第一种规格为另一种为

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保 护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本 领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的 保护范围以内。

Claims (10)

1.一种滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，包括，

可沿支撑板滑动的剪切仓，所述剪切仓具有可变尺寸的内腔，所述内腔用于容纳待测试试样，所述剪切仓包括可相对滑动的固定部和平移部，所述固定部位于平移部的上方且固定部和平移部的接触面水平设置；

剪切动力系统，所述剪切动力系统包括与支架固定连接的剪力驱动部及应力施加部，所述剪力驱动部用于驱动平移部沿支撑板的水平滑动，所述应力施加部与支撑板连接并向支撑板施加竖直向下的压力；

数据测量系统，所述数据测量系统包括剪切应力传感器、剪切位移传感器及竖向位移传感器，所述剪切位移传感器设置于平移部远离剪力驱动部的一侧并用于检测平移部的位移，所述剪切应力传感器设置于固定部远离剪力驱动部的一侧并用于检测待测试样受到的剪力；所述竖向位移传感器用于检测待测试样在竖直方向的位移；

控制系统，所述控制系统用于读取数据测量系统采集的数据并用于控制剪力驱动部的运动速度。

2.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述平移部与固定部中分别设有安装槽，两个安装槽形成内腔，所述平移部的一端与剪力驱动部接触，所述固定部的上端设有密封顶盖，密封顶盖的上表面设有凹槽，所述凹槽中设有应力施加部的压力杆，所述压力杆的顶端设有横梁，所述横梁的顶端设有竖向位移传感器的测量探头。

3.如权利要求2所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述内腔中设有滤水石，所述剪切仓可通过改变滤水石的数量来调整内腔的大小，所述内腔中放置有待测试样，固定部和平移部的接触面形成剪切面，所述待测试样的分界面与剪切面平齐。

4.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述剪力驱动部包括步进马达，所述步进马达的驱动轴与动力转换装置连接，所述动力转换装置具有动力输出杆，所述动力转换装置用于将步进马达输出的旋转运动转化成动力输出杆的往复直线运动，所述动力输出杆与平移部的侧面接触。

5.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述支撑板上设有滑动钢珠，所述平移部设置于滑动钢珠的上表面，所述支撑板固定设于支架上表面。

6.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述支架的上端设有位置调节装置，所述位置调节装置与竖向位移传感器固定连接，所述位置调节装置可调节竖向位移传感器在空间的位置。

7.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述支架的上端设有固定支座，所述固定支座与剪切仓之间设有固定卡位，所述固定卡位中设有所述剪切应力传感器，所述剪切应力传感器的一端与固定部的侧面接触，另一端与固定支座接触。

8.如权利要求1所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪，其特征是，所述应力施加部包括杠杆系统，所述杠杆系统的受力部分为砝码，所述杠杆系统的力臂的一端安装有砝码，另一端与竖直杆铰接，所述竖直杆与支架固定连接；所述力臂靠近竖直杆的一侧铰接有平板，所述平板的两端固定有施力杆，所述施力杆的顶端与横梁固定连接。

9.利用如权利要求1-9中任意一项所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数测量仪的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：设置不同的注浆条件和被注介质条件，利用外部高压注浆系统向滨海相软黏土原状土或者重塑土样注入浆液，在浆液凝结之后形成滨海相软黏土浆-土界面，使用可变尺寸环刀获得不同尺寸的待测试样；所述的分界面即为滨海相软黏土浆-土界面；

步骤2：将待测试样设置于剪切仓，放置滤水石和密封顶盖，并确保剪切面与待测试样的分界面重合；

步骤3：使用杠杆和砝码施加既定竖向应力，分别调节位置调节装置、固定卡位和固定支座，确保竖向位移传感器、剪切应力传感器和剪切位移传感器与剪切仓的接触精度，使用控制系统进行传感器校准；

步骤4：使用控制系统设定剪切速率，开始剪切试验，竖向位移、剪切应力和剪切位移的数据实时储存、转换传输至控制系统，控制系统自动获取实时应力-应变曲线，直至剪切过程结束，复位剪切仓；

通过多组交叉剪切测试，最终获得不同条件下滨海相软黏土浆-土界面粘聚力和内摩擦角。

10.如权利要求9所述的滨海相软黏土浆-土界面剪切参数的测量方法，其特征是，所述注浆条件包括注浆压力、注浆速率、材料选用和浆液配比；所述被注介质条件包括密实度。