CN111198138A - 便携式全过程直剪仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及剪切强度测量技术。本发明公开了一种便携式全过程直剪仪，包括实验平台及其配置的剪切盒、竖向作用力施加系统、横向作用力施加系统、测量系统；所述剪切盒由上盒和下盒组成，所述上盒下表面与下盒上表面对接；所述横向作用力施加系统用于对剪切盒施加水平作用力，使上盒和下盒产生相对位移；所述竖向作用力施加系统用于对试验样品施加垂直作用力；所述测量系统用于测量试验样品受力参数；下盒上表面积大于上盒下表面积；所述横向作用力施加系统由手摇螺旋推进装置构成，所述竖向作用力施加系统由在竖向托盘内添加重力砝码构成。本发明具有测量数据准确完整，试验设备结构简单的特点，非常适合野外进行现场测量。

Description

便携式全过程直剪仪
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，特别涉及土木工程材料剪切强度测量技术，具体而言，涉及便携式全过程直剪仪。
背景技术
土木工程材料主要包括岩、土、砂、石及其混合物等，统称为岩土。剪切强度试验是测量材料抗剪切能力的重要手段，现在常用的试验装置通常又称为直剪仪，是在室内测定岩土抗剪强度的仪器。
一种典型的直剪仪结构如图1所示，包括剪切盒1、竖向作用力施加系统2、横向作用力施加系统3、测量系统4。
剪切盒1由上盒12和下盒11组成，上盒12下表面与下盒11上表面对接，形成一个高度为h1+h2，直径为q的圆柱体，用于存放试验样品，如图1和图2所示。
测定时将试验样品置于直剪仪剪切盒1中，竖向作用力施加系统2通过传压板121(也是上盒的顶板)对样品10施以一定的垂直压力，然后横向作用力施加系统3对下盒11施加水平推力，使下盒11在滚珠5上面移动一段距离s，使上盒和下盒产生相对位移，剪切盒中试验样品水平接触面发生剪切位移直至破坏，如图3所示。
试验中，测量系统对试验样品受力参数，如横向作用力和竖向作用力大小、横向剪切位移距离等，然后根据试验样品剪切面的大小(也就是剪切盒中试验样品对接面积的大小)，就可以得到试验样品的剪切应力参数。
这种直剪试验最早在一百多年前就被用于边坡稳定性研究。早期的直剪仪均为应力控制式，第一台现代的直剪仪是在1932年在哈佛大学设计的。1936年麻省理工学院将位移控制引入到直剪仪中，从而可以得到岩土材料较为准确的应力-位移关系和峰值强度特征。
目前常规的室内直剪仪一般都是应变控制式，试验时用环刀切出一定厚度的圆形土饼，将土饼推入剪切盒内，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏，求得破坏时的剪切应力，根据库伦定律确定样品的抗剪强度参数：内摩擦角和粘聚力。直剪仪测试的试验样品抗剪强度，在工程应用中具有重要的参考价值。
上述传统的直剪仪存在以下典型缺点：
(1)剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积进行计算。
(2)剪切试验只能做到峰值强度时刻，即试样剪切破坏的最大剪力时刻，也就只能确定试样的峰值强度指标。由于岩土体除了峰值强度之外，还存在残余强度，但传统直剪仪测试不出此相关指标。
(3)只能得到在峰值强度之前的剪应力-剪切位移曲线，得不到残余强度阶段的剪应力-剪切位移曲线，因而无法获得试验的全过程剪应力-剪切位移曲线。
(4)直剪仪结构复杂，特别是竖向作用力施加系统和横向作用力施加系统，通常包括复杂的电力设备、机械设备，不适合在野外进行现场测量。
发明内容
本发明的主要目的在于提供便携式全过程直剪仪，以解决现有技术直剪仪测量数据不准确与不完整，尤其不适合野外进行现场测量的问题。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种便携式全过程直剪仪，包括实验平台及其配置的剪切盒、竖向作用力施加系统、横向作用力施加系统、测量系统；所述剪切盒由上盒和下盒组成，用于存放试验样品，所述上盒下表面与下盒上表面对接；所述横向作用力施加系统用于对剪切盒施加水平作用力，使上盒和下盒产生相对位移；所述竖向作用力施加系统用于对试验样品施加垂直作用力；所述测量系统用于测量试验样品受力参数；所述下盒上表面积大于上盒下表面积；其特征在于，所述横向作用力施加系统由手摇螺旋推进装置构成，所述竖向作用力施加系统由在竖向托盘内添加重力砝码构成。
在某些实施例中，所述对接面积是宽度为a2，长度为b2的矩形面。
在某些实施例中，所述下盒是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体，所述上盒是宽度为a2，长度为b2，高度为h2的中空立方体，其中a1＝a2，b1＞b2。
在某些实施例中，所述下盒与上盒接触面是直径为D1的圆形面。
在某些实施例中，所述上盒是内径为D1，外径为D2，高度为h2的中空圆柱体，所述下盒是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体，其中a1＝D1，b1＞D2。
在某些实施例中，试验时剪切盒容积保持不变。
在某些实施例中，所述下盒上表面设置有盒盖，所述盒盖能够在下盒上表面滑动。
在某些实施例中，所述手摇螺旋推进装置包括螺杆、螺母、推力轴承和手摇把手，述螺杆与螺母匹配连接，螺母固定于实验平台上，螺杆一端设置手摇把手，螺杆另一端通过推力轴承与上盒相连。
在某些实施例中，所述测量系统包括高精度标尺和压力传感器，所述高精度标尺与上盒连接，用于测量上盒位移数据，所述压力传感器安装在推力轴承和上盒之间，用于测量手摇螺旋推进装置施力数据。
在某些实施例中，所述实验平台和手摇螺旋推进装置为不锈钢部件。
本发明的有益效果是，直剪仪结构简单，不需要复杂的电力或机械设备，非常适合较低应力水平(100kPa以下)下的岩土剪切特性的现场测量。本发明的直剪仪，剪切过程中试样剪切面积始终保持不变，可以模拟试验样品的整个剪切过程，包括峰值强度和残余强度阶段，得到试验样品剪切过程中起始阶段、峰值时刻、残余阶段的剪切试验数据，在确定峰值强度与残余强度参数的同时，还可确定试样全过程剪应力-剪切位移关系曲线。进一步的，通过设置盒盖，可以防止剪切过程中试验样品被挤出，使试验样品在试验过程中体积保持不变，测试结果更符合实际岩土剪切过程，试验结果更加精确，全过程试验可行性大幅提高。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
附图中：
图1是现有技术直剪仪结构示意图；
图2是图1中剪切盒的俯视图；
图3是图1所示直剪仪剪切过程中下盒运动一段距离s后剪切盒状态示意图；
图4是实施例1剪切盒结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是图4的N-N剖视图；
图7是实施例1剪切过程中下盒运动一段距离s后剪切盒状态示意图；
图8是实施例2下盒的N-N剖视图；
图9是实施例3剪切盒俯视图；
图10是实施例4的直剪仪结构示意图；
图11是图10的俯视图；
图12是图11的Ⅰ-Ⅰ剖视图；
图13是图11的Ⅱ-Ⅱ剖视图(不含标尺)；
图14是图11的Ⅲ-Ⅲ剖视图(不含标尺)。
其中：
1为剪切盒；
2为竖向作用力施加系统；
3为横向作用力施加系统；
4为测量系统；
10为试验样品；
11为下盒；
12为上盒；
13为盒盖；
111为卡槽；
112为滑槽；
121为上盒的顶板(传压板)；
300为实验平台；
301为螺杆；
303为支撑臂；
305为螺母；
306为手摇把手；
307为推力轴承；
308为螺孔；
309为托盘；
310为重力砝码；
312为压力传感器；
313为托板；
317为高精度标尺；
318为托盘立柱；
319为标尺滑动游码；
a1为下盒宽度；
a2为上盒宽度；
b1为下盒长度；
b2为上盒长度；
h1为下盒高度；
h2为上盒高度；
D1为上盒内径；
D2为上盒外径。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的便携式全过程直剪仪结构包括剪切盒1、竖向作用力施加系统2、横向作用力施加系统3和测量系统4，参见图1。
本发明的剪切盒也是由上盒12和下盒11对接组成的，上盒12下表面与下盒11上表面对接。剪切盒1的内部空间用于存放试验样品10。
横向作用力施加系统2用于对剪切盒施加水平作用力，使上盒和下盒产生相对位移。通常为了简化结构，下盒11一般处于固定状态，横向作用力施加系统2只对上盒12进行水平方向的推动。竖向作用力施加系统2通过上盒的顶板(也称为传压板，可以在垂直方向上下运动)对试验样品10施加垂直作用力。
测量系统4通过测量横向作用力和竖向作用力大小、上盒移动位移(或称之为横向剪切位移)、剪切面积，也就是上盒与下盒试样对接面积等试验样品受力参数，就可以得到试验样品的剪切应力数据及抗剪强度参数。
本发明的剪切盒与现有技术剪切盒不同的是，下盒11与上盒12对接面上，下盒11上表面面积大于上盒12下表面面积，使得下盒与上盒相对运动时，上盒底面始终处于下盒顶面中，剪切盒中试验样品对接面积保持不变。这样以剪切面积为基础测量得到的剪切应力数据才更准确，也更接近实际岩土剪切应力发生过程，测量数据更具有实际意义。
实施例1
本例便携式全过程直剪仪，剪切盒结构如图4、图5和图6所示。
本例剪切盒1的下盒11是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体。上盒是宽度为a2，长度为b2，高度为h2的中空立方体。
本例上盒12和下盒11宽度是相同的，即a1＝a2。
本例剪切面是宽度为a2，长度为b2的矩形，也就是下盒11与上盒12接触面形状，如图4、图5所示。
图4中，下盒11的长度b1＞上盒12的长度b2，使得下盒11的上表面面积＞上盒12的下表面面积，即a1×b1＞a2×b2。
剪切过程中，上盒12沿水平方向从左向右运动时，试验样品剪切面始终处于下盒11上表面中，不会发生变化。
由图4可见，本例下盒11设置有盒盖13，盒盖13固定在上盒12底部，并且盒盖13超出下盒s长度。剪切过程中，上盒12运动距离不超过s，剪切盒中试样体积与试验样品剪切面积均保持不变，试验样品也不会溢出，如图7所示。
本例盒盖13通过卡槽111与下盒11连接，盒盖13可以在卡槽111中滑动，如图6所示。
这种结构的剪切盒，剪切过程中试验样品体积和剪切面积都保持不变，与实际工程中发生的剪切过程更加吻合，试验数据更具有实际意义，也更加准确。
实施例2
本例便携式全过程直剪仪，剪切盒与实施例1的剪切盒的区别是卡槽111结构不同，其卡槽111是通过在下盒11两个侧壁开槽实现盒盖13与下盒11连接的，如图8所示。这种卡槽加工更方便，成本更低。本例剪切盒其他结构参见实施例1的描述。
实施例3
本例剪切盒1的上盒12是内径为D1，外径为D2，高度为h2的中空圆柱体，参见图9。下盒11是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体，下盒宽度a1等于上盒内径D1，并且下盒长度b1大于上盒外径D2。
明显的，本例下盒11上表面面积＞上盒12下表面面积。
这种结构的剪切盒，下盒11与上盒12接触面是直径为D1的圆形面，相应的剪切面也是直径为D1的圆形面。
本例便携式全过程直剪仪，剪切过程中，下盒运动时同样能够保证剪切盒容积与试验样品剪切面积均保持不变。本例剪切盒还具有结构简单，加工方便的特点。
实施例4
本例便携式全过程直剪仪，结构如图10所示，包括实验平台300及其配置的剪切盒、竖向作用力施加系统、横向作用力施加系统和测量系统。
本例剪切盒由上盒12和下盒11组成，用于存放试验样品。上盒12下表面与下盒11上表面对接，下盒11固定在实验平台300上，如图13所示。
本例横向作用力施加系统由手摇螺旋推进装置构成，用于对剪切盒施加水平作用力，使上盒12和下盒11产生相对位移。
本例竖向作用力施加系统由重力砝码310构成，用于对试验样品施加垂直作用力。
本例测量系统包括压力传感器312和高精度标尺317，用于测量试验样品受力参数。
本例下盒上表面积大于上盒下表面积，下盒11上设置有盒盖13，在螺旋推进装置作用下，上盒12可以在下盒11对接面上沿滑槽112滑动，盒盖13则在卡槽111中跟随上盒12一起滑动，使得剪切盒中试验样品10在上盒和下盒中的对接面积在整个试验过程中保持不变，而且试验样品10也不会溢出。参见图13和图14。
本例横向作用力施加系统由手摇螺旋推进装置构成，手摇螺旋推进装置包括螺杆301、手摇把手306、托板313、螺母305和推力轴承307，如图10所示。螺杆301与螺母305上的螺孔308配合连接，螺母305固定在托板313上，托板313固定在试验平台300上，如图 12所示。试验时，通过转动手摇把手306，带动推力轴承307转动产生推力，对试验样品10 提供横向作用力。
本例竖向作用力施加系统由重力砝码310构成，参见图10和图13。重力砝码放置于托盘309上，托盘309置于托盘立柱318顶端。重力砝码310的压力通过托盘立柱318和上盒的顶板121传递到试验样品10上，产生竖向作用力，参见图13。
本例便携式全过程直剪仪，为了降低重量，除了螺杆301、手摇把手306、螺母305和实验平台300采用不锈钢部件，其他大部分零配件都采用铝合金部件。
本例便携式全过程直剪仪在进行剪切应力试验时，可以将其置于平整的地面或结实的桌面上，保证实验平台水平放置。
本例便携式全过程直剪仪试验过程中如下：
1、打开上盒的顶板121并推开下盒11的盒盖13装填岩土试验样品，然后关闭顶板121 和盒盖13。
2、按照试验要求放置重力砝码310产生相应大小的竖向作用力。
3、转动手摇把手306产生合适大小的横向作用力。
4、根据压力传感器312读取的数据和高精度标尺317指示的位移距离以及重力砝码310 的重量，通过计算得到试验样品的剪切数据。

Claims (10)

1.便携式全过程直剪仪，包括实验平台及其配置的剪切盒、竖向作用力施加系统、横向作用力施加系统、测量系统；所述剪切盒由上盒和下盒组成，用于存放试验样品，所述上盒下表面与下盒上表面对接；所述横向作用力施加系统用于对剪切盒施加水平作用力，使上盒和下盒产生相对位移；所述竖向作用力施加系统用于对试验样品施加垂直作用力；所述测量系统用于测量试验样品受力参数；所述下盒上表面积大于上盒下表面积；其特征在于，所述横向作用力施加系统由手摇螺旋推进装置构成，所述竖向作用力施加系统由重力砝码构成。
2.根据权利要求1所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述对接面积是宽度为a2，长度为b2的矩形面。
3.根据权利要求2所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述下盒是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体，所述上盒是宽度为a2，长度为b2，高度为h2的中空立方体，其中a1＝a2，b1＞b2。
4.根据权利要求1所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述下盒与上盒接触面是直径为D1的圆形面。
5.根据权利要求4所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述上盒是内径为D1，外径为D2，高度为h2的中空圆柱体，所述下盒是宽度为a1，长度为b1，高度为h1的中空立方体，其中a1＝D1，b1＞D2。
6.根据权利要求1所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，试验时剪切盒容积保持不变。
7.根据权利要求6所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述下盒上表面设置有盒盖，所述盒盖能够在下盒上表面滑动。
8.根据权利要求1～7所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述手摇螺旋推进装置包括螺杆、螺母、推力轴承和手摇把手，所述螺杆与螺母匹配连接，螺母固定于实验平台上，螺杆一端设置手摇把手，螺杆另一端通过推力轴承与上盒相连。
9.根据权利要求8所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述测量系统包括高精度标尺和压力传感器，所述高精度标尺与上盒连接，用于测量上盒位移数据，所述压力传感器安装在推力轴承和上盒之间，用于测量手摇螺旋推进装置施力数据。
10.根据权利要求8所述的便携式全过程直剪仪，其特征在于，所述实验平台和手摇螺旋推进装置为不锈钢部件。
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