CN110987660A - 一种环剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于岩土检测技术领域，提供了一种环剪试验装置，包括：试样容纳机构，用于通过装配式的结构组成容置待检测试样，并实现待检测试样件的活动；扭矩传递机构，用于驱使试样容纳机构的各部分形成相对活动；扭矩感应机构，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力；竖向载荷机构，用于产生沿试样容纳机构中待检测试样接触面竖直方向的载荷；竖向位移感应机构，用于感应试样剪切造成的状态变化形成的位移。本发明中应用范围和实验条件广泛；可模拟不同荷载及变形情况下的接触面强度关系，贴近工程实际，所得数据真实可信；可以同时得到剪切位移‑剪切应力关系以及剪切位移‑法向位移关系。

Description

一种环剪试验装置

技术领域

本发明属于岩土检测技术领域，尤其涉及一种环剪试验装置。

背景技术

结构物与土的相互接触问题在各个岩土工程中都无法避免。由于土和结构物在强度和物理特性上具有巨大的差异，在外部荷载的作用下二者产生的接触面往往较土体和结构物自身更容易出现破坏，对工程的安全稳定产生影响。

对土与不同结构物之间接触面的相关力学参数进行室内试验测定，揭示不同工况下接触面变形过程中的荷载传递机制及力学特性变化十分重要。建筑结构体在较大外部荷载的作用下常常承受循环荷载的作用，会使结构物-土界面出现抗力退化现象，极大的降低建筑物的稳定性。这种抗力的退化现象是由于结构体附近土体在循环剪切作用下的颗粒破碎，导致径向收缩，法向应力退化引起的。

现有技术中，传统环剪试验仪一般只能够实现固定竖向荷载下的接触面试验，无法同时进行定法向刚度下的接触面循环环剪试验。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种环剪试验装置，旨在解决传统环剪试验仪一般只能够实现固定竖向荷载下的接触面试验，无法同时进行定法向刚度下的接触面循环环剪试验的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种环剪试验装置，包括：

试样容纳机构，用于通过装配式的结构组成容置待检测试样，并实现待检测试样件的活动；

扭矩传递机构，支撑设置在试样容纳机构的一侧，用于驱使试样容纳机构的各部分形成相对活动；

扭矩感应机构，固定连接在试样容纳机构相对扭矩传递机构的一侧，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力；

竖向载荷机构，所述竖向载荷机构的输出端和扭矩感应机构活动相抵，且所述竖向载荷机构的法向刚度可调，用于产生沿试样容纳机构中待检测试样接触面竖直方向的载荷；以及

竖向位移感应机构，所述竖向位移感应机构感应端和扭矩感应机构活动相抵，用于感应试样剪切造成的状态变化形成的位移。

本发明实施例的另一目的在于，所述扭矩感应机构包括：

支撑连接结构，弹性支撑在试样容纳机构的上方，一侧和竖向载荷机构的输出端活动连接，另一侧连接有扭矩感应结构；

扭矩感应结构，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力。

本发明实施例的另一目的在于，所述支撑连接结构上和竖向载荷机构的输出端活动连接的一侧还活动相抵在竖向位移感应机构的感应端。

本发明实施例的另一目的在于，所述竖向载荷机构包括：

载荷传动结构，活动相抵支撑连接结构，用于输出载荷；

载荷发生结构，输出端和载荷传动结构相连，用于驱动载荷传动结构运动。

本发明实施例的另一目的在于，所述竖向位移感应机构包括感应端和支撑连接结构伸缩相抵的感应器，所述感应器固定支撑在支撑连接结构侧方。

本发明实施例的另一目的在于，所述试样容纳机构包括：

固定容纳结构，一侧和扭矩感应机构连接固定，用于容置检测样品；

剪切容纳结构，一侧和固定容纳结构适配，且连接处的剪切方向活动连接，另一侧和扭矩传递机构传动连接，用于容置配合检测样品的标准化样品。

本发明实施例的另一目的在于，所述标准化样品和检测样品呈活动套接，且接触面活动贴合。

本发明实施例的另一目的在于，所述扭矩传递机构包括：

扭矩驱动结构，用于提供扭矩驱动力；

扭矩传动结构，活动配合连接在剪切容纳结构下方，且和扭矩驱动结构连接传动，用于通过扭矩传动结构使剪切容纳结构产生固定角速度的环向转动。

本发明实施例提供的一种环剪试验装置，可以通过法向刚度可调的竖向载荷机构实现法向荷载的应力控制和应变控制，实现环剪试验不同工程场景的土体及接触面强度及变形实验测定，应用范围和实验条件广泛；通过装配式的试样容纳机构设计，可模拟不同荷载及变形情况下的接触面强度关系，贴近工程实际，所得数据真实可信；可以同时得到剪切位移-剪切应力关系以及剪切位移-法向位移关系。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种环剪试验装置的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种环剪试验装置中试样容纳机构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种环剪试验装置中第二剪切盒的仰视图。

附图中：1、第一位移感应器；2、应力感应器；3、定刚度连接件；4、施力杆；5、第一活动螺组；6、气缸；7、载荷传递板；8、扭力传递齿轮组； 9、电机；10、读数针；11、土样；12、结构体；13、第一剪切盒；14、第二剪切盒；141、固定销钉；15、连杆；16、扭矩感应器；17、第二活动螺组； 18、第二位移感应器；19、载荷传递杆；20、固定架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明一个实施例提供的一种环剪试验装置，包括：

试样容纳机构，用于通过装配式的结构组成容置待检测试样，并实现待检测试样件的活动；

扭矩传递机构，支撑设置在试样容纳机构的一侧，用于驱使试样容纳机构的各部分形成相对活动；

扭矩感应机构，固定连接在试样容纳机构相对扭矩传递机构的一侧，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力；

竖向载荷机构，所述竖向载荷机构的输出端和扭矩感应机构活动相抵，且所述竖向载荷机构的法向刚度可调，用于产生沿试样容纳机构中待检测试样接触面竖直方向的载荷；以及

竖向位移感应机构，所述竖向位移感应机构感应端和扭矩感应机构活动相抵，用于感应试样剪切造成的状态变化形成的位移。

在本发明实施例中，优选的，扭矩传递机构设置在支架上，且试样容纳机构位于扭矩传递机构上，启动竖向载荷机构后，竖向载荷机构的输出端和扭矩感应机构活动相抵并带动扭矩感应机构对试样容纳机构的不同部分产生压力载荷，通过竖向位移感应机构可以感应试样剪切造成的状态变化形成的位移，同时，这样在启动扭矩传递机构后，试样容纳机构的各部分形成相对活动，容纳在试样容纳机构中的不同检测样之间相对摩擦，并产生相互作用力，扭矩感应机构可以感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述扭矩感应机构包括：

支撑连接结构，弹性支撑在试样容纳机构的上方，一侧和竖向载荷机构的输出端活动连接，另一侧连接有扭矩感应结构；

扭矩感应结构，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力。

所述支撑连接结构上和竖向载荷机构的输出端活动连接的一侧还活动相抵在竖向位移感应机构的感应端。

所述竖向位移感应机构包括感应端和支撑连接结构伸缩相抵的感应器，所述感应器固定支撑在支撑连接结构侧方。

在本发明实施例中，优选的，支撑连接结构包括水平设置的安置板以及两组伸缩支撑在安置板下方两侧的伸缩杆，伸缩杆通过花键配合或套筒滑杆的套接配合组成，伸缩杆上端滑动贯穿安置板，并通过套设在伸缩杆末端的第二活动螺组17固定位置，第二活动螺组17通过螺纹配合活动调节在伸缩杆末端的位置，并通过分别设置在伸缩杆末端相对安置板的两侧，起到支撑安置板的效果。

在本发明实施例中，优选的，安置板上端设有球面凹槽，与竖向载荷机构的输出端活动连接配合，安置板远离球面凹槽的一侧还通过扭矩感应结构和试样容纳机构之间相连。

在本发明实施例中，优选的，扭矩感应结构包括连接在安置板上的扭矩感应器16以及连接扭矩感应器16和试样容纳机构的连杆15，所述连杆15设有多组，且均采用如套筒伸缩件的伸缩结构，这样既能够伸缩运动，也能够有限的传递扭矩。

在本发明实施例中，优选的，竖向位移感应机构的感应器可以采用第二位移感应器18，第二位移感应器18通过支撑杆连接支撑在伸缩杆一侧的支架上，第二位移感应器18和感应端电连接，感应端采用伸缩结构，一端和安置板活动相抵，另一端安装在第二位移感应器18下方，感应端的伸缩被第二位移感应器18感应并具体量化，从而感应试样剪切造成的状态变化形成的位移。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述竖向载荷机构包括：

载荷传动结构，活动相抵支撑连接结构，用于输出载荷；

载荷发生结构，输出端和载荷传动结构相连，用于驱动载荷传动结构运动。

在本发明实施例中，优选的，载荷发生结构可以采用固定在扭矩传递机构安置位置下方的气缸6，气缸6通过连接在支架上的固定架20辅助稳定，气缸6的输出端连接设置有载荷传递板7，载荷传递板7上安装设置有载荷传动结构。

在本发明实施例中，优选的，载荷传动结构包括固定在载荷传递板7两侧的载荷传递杆19，载荷传递杆19穿过用于安置气缸6的支架，并伸至安置板上方，载荷传递杆19的末端贯穿施力杆4，施力杆4和安置板平行设置，施力杆4通过多组配合套设在载荷传递杆19末端外围的第一活动螺组5支撑固定，并且通过第一活动螺组5的调整可以活动调整拆卸施力杆4，施力杆4 靠近安置板一侧还通过应力感应器2连接设置有连接组件，连接组件靠近安置板一侧设有和球面凹槽活动适配的球面凸起。

在本发明实施例中，优选的，连接组件可以采用定刚度连接体3两端对称连接固定第一位移感应器1组成，一侧的第一位移感应器1和应力感应器2 连接固定，另一端的第一位移感应器1通过球面凸起和球面凹槽相连，两组第一位移感应器1电性连通，从而感应定刚度连接体3的位移，定刚度连接体3可以采用弹性件，如弹簧、弹簧片等，也可以采用刚性连接体。

在本发明实施例中，优选的，选取装入试验所需的定刚度连接体3，并将定刚度连接体3、第一位移感应器1、应力感应器2以及施力杆4组合后一起通过第一活动螺组5沿载荷传递杆19装载，控制第一位移感应器1下的球面凸起刚好接触安置板上的球面凹槽后将第一活动螺组5锁死。

在本发明实施例中，优选的，通过应力感应器2反馈的竖向应力来调节气缸6的升降达到所需的竖向应力P，竖向应力P是在计算机软件内通过式1 将竖向荷载F换算而成

式中，S为接触面面积。

如图2和3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述试样容纳机构包括：

固定容纳结构，一侧和扭矩感应机构连接固定，用于容置检测样品；

剪切容纳结构，一侧和固定容纳结构适配，且连接处的剪切方向活动连接，另一侧和扭矩传递机构传动连接，用于容置配合检测样品的标准化样品。

所述标准化样品和检测样品呈活动套接，且接触面活动贴合。

在本发明实施例中，优选的，固定容纳结构可以采用第一剪切盒13，剪切容纳结构可以采用第二剪切盒14，第一剪切盒13和第二剪切盒14可以采用活动卡接配合或者活动套接配合，也可以采用活动相抵的方式相连，二者的容纳尺寸均为外径读数针100mm，内径60mm，高度固定架20mm。其中第二剪切盒14中装载有具有不同粗糙程度表面的结构体12，结构体12优选采用钢环，以实现不同粗糙度结构面，结构体12通过固定销钉141固定于第二剪切盒14内。结构体12不同粗糙度表面采用环氧树脂胶结不同粒径的石英砂砾实现，采用粗糙度仪对粗糙度进行量化。第一剪切盒13中装载已制成试验用的土样11，土样11在第一剪切盒13上部通过刀刃固定，第一剪切盒 13的顶部采用带空隙的透水板，实现土体的排水固结。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述扭矩传递机构包括：

扭矩驱动结构，用于提供扭矩驱动力；

扭矩传动结构，活动配合连接在剪切容纳结构下方，且和扭矩驱动结构连接传动，用于通过扭矩传动结构使剪切容纳结构产生固定角速度的环向转动。

在本发明实施例中，优选的，扭矩驱动结构可以采用电机9，扭矩传动结构，采用扭力传递齿轮组8，扭力传递齿轮组8上还安装设置有读数针10，电机9固定安装在支架上，并且输出端和扭力传递齿轮组8采用活动装配连接传动，电机9剪切角度读数针读数针10组成。计算机控制电机9以固定转速转动单向转动或者顺时针逆时针已固定周期交替循环转动，通过扭力传递齿轮组8使第二剪切盒14产生固定角速度的环向转动，转动角度可通过读数针10进行确定。

在本发明实施例中，优选的，第二剪切盒14与扭力传递齿轮组8连接转动产生环向剪切位移，第一剪切盒13通过连杆15与扭矩感应器16相连，并通过第二活动螺组17使其只能产生竖直方向的滑动，在水平方向上固定。连杆15接收来自第一剪切盒13中土样11所受的扭矩通过扭矩感应器16传递至计算机中并通过相应的公式换算为剪切应力作为整体接触面所受的剪切应力。

在本发明实施例中，优选的，在计算机上设置剪切速率

及循环周期参数 (循环剪切位移，循环剪切次数)，剪切时第一剪切盒13固定不动、第二剪切盒14转动，记录整个试验过程中时间t所对应的扭矩M和法向位移，得到平均剪应力τ-平均剪切位移S以及法向位移-平均剪切位移S的关系曲线。在环形旋转剪切土样11中，水平面的剪切变形随半径变化。因此，采用平均剪应力τ和平均剪切位移S，计算公式为

式中：M为扭矩；R₁和R₂分别为土样11的内半径和外半径；

为平均剪切速率； t为剪切时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环剪试验装置，其特征在于，包括：

试样容纳机构，用于通过装配式的结构组成容置待检测试样，并实现待检测试样件的活动；

扭矩传递机构，支撑设置在试样容纳机构的一侧，用于驱使试样容纳机构的各部分形成相对活动；

扭矩感应机构，固定连接在试样容纳机构相对扭矩传递机构的一侧，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力；

竖向载荷机构，所述竖向载荷机构的输出端和扭矩感应机构活动相抵，且所述竖向载荷机构的法向刚度可调，用于产生沿试样容纳机构中待检测试样接触面竖直方向的载荷；以及

竖向位移感应机构，所述竖向位移感应机构感应端和扭矩感应机构活动相抵，用于感应试样剪切造成的状态变化形成的位移。

2.根据权利要求1所述的环剪试验装置，其特征在于，所述扭矩感应机构包括：

支撑连接结构，弹性支撑在试样容纳机构的上方，一侧和竖向载荷机构的输出端活动连接，另一侧连接有扭矩感应结构；

扭矩感应结构，用于感应扭矩传递机构驱使试样容纳机构各部分之间产生的剪切应力。

3.根据权利要求2所述的环剪试验装置，其特征在于，所述支撑连接结构上和竖向载荷机构的输出端活动连接的一侧还活动相抵在竖向位移感应机构的感应端。

4.根据权利要求3所述的环剪试验装置，其特征在于，所述竖向载荷机构包括：

载荷传动结构，活动相抵支撑连接结构，用于输出载荷；

载荷发生结构，输出端和载荷传动结构相连，用于驱动载荷传动结构运动。

5.根据权利要求3所述的环剪试验装置，其特征在于，所述竖向位移感应机构包括感应端和支撑连接结构伸缩相抵的感应器，所述感应器固定支撑在支撑连接结构侧方。

6.根据权利要求2所述的环剪试验装置，其特征在于，所述试样容纳机构包括：

固定容纳结构，一侧和扭矩感应机构连接固定，用于容置检测样品；

剪切容纳结构，一侧和固定容纳结构适配，且连接处的剪切方向活动连接，另一侧和扭矩传递机构传动连接，用于容置配合检测样品的标准化样品。

7.根据权利要求6所述的环剪试验装置，其特征在于，所述标准化样品和检测样品呈活动套接，且接触面活动贴合。

8.根据权利要求6所述的环剪试验装置，其特征在于，所述扭矩传递机构包括：

扭矩驱动结构，用于提供扭矩驱动力；

扭矩传动结构，活动配合连接在剪切容纳结构下方，且和扭矩驱动结构连接传动，用于通过扭矩传动结构使剪切容纳结构产生固定角速度的环向转动。

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