CN112697577A - 一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，包括支撑箱，工作台的上端中部设置有冷浴装置，上剪切盒和下剪切盒均位于冷浴装置的中部，冷浴装置的内部分别设置有上剪切盒和下剪切盒，法向板的内部设置有与螺栓柱相配合的同步调节装置，支撑轴的上端设置有若干与连动齿轮相配合的承接齿轮，承接齿轮均远离连动齿轮的一端均设置有转动齿轮，转动齿轮的中部设置有与螺栓柱相配合的螺纹筒。有益效果：具有加荷稳定、方便、测量数据直观的特点。计算机数据采集，显示试验数据和曲线，以便于输出试验数据，使得在螺栓柱进行同步高度的升降，有效减少降低法向的压力误差，达到同步运动的效果。
Description
技术领域
本发明涉及岩土环剪测试技术领域，具体来说，涉及一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置。
背景技术
土体的力学特征和受到外力时的变形状态是岩土力学领域的基础课题，也是岩土工程建设中最为关心的条件之一。为此人们开发出直剪试验、三轴试验、单剪试验、环剪试验等多种仪器设备来探究上述内容，并有着以材料力学为基础的力学模型进行分析，其最终目标是尽可能模拟实际情况下土体的应力应变特征，从而获得其强度参数。
直接剪切实验是一种测定地基土在垂直压力作用下抗剪强度指标的室内模型试验，主要仪器为直剪仪，核心部分为剪切盒。常规的剪切盒主要由上盒、下盒组成，其可以测定土样在不同荷载、有侧限条件下土样的排水或者不排水抗剪强度指标。剪切试样在剪切变形过程中受到较少的限制、应力分布和剪切带状态时，其加荷稳定、方便、测量数据直观的特点不足，不能很好的通过数据采集。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，包括支撑箱，所述支撑箱的上端设置有工作台，所述支撑箱的内部设置有静音空气压缩机，所述工作台的上端中部设置有冷浴装置，所述上剪切盒和所述下剪切盒均位于所述冷浴装置的中部，所述冷浴装置的内部分别设置有上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒位于所述下剪切盒的上端，所述下剪切盒通过试验导轨与所述冷浴装置连接，所述工作台的上端两侧分别设置有支撑块一和支撑块二，所述支撑块一的一端设置有穿插所述冷浴装置的剪切推动装置，所述工作台的上方设置有与所述冷浴装置连接的法向加载装置，所述法向加载装置包括所述工作台的上端两侧分别设置有加载框杆一和加载框杆二，所述加载框杆一和所述加载框杆二的上端之间设置有法向板，所述加载框杆一和所述加载框杆二下端之间设置有横杆，所述法向板和所述横杆的中部设置有螺纹杆，所述螺纹杆位于所述法向板的上端设置有连接把手，所述法向板的下端两侧均设置有若干与所述静音空气压缩机连接的滚动膜片气缸，所述滚动膜片气缸与所述横杆之间设置有弹簧，所述弹簧与所述滚动膜片气缸之间设置有法向荷载传感器，所述法向板通过若干螺栓柱与所述加载框杆一和所述加载框杆二，所述法向板的内部设置有与所述螺栓柱相配合的同步调节装置，所述同步调节装置包括位于所述法向板中部的承接块，所述承接块的下端设置有涡轮，所述涡轮的一侧设置有相配合的蜗杆，所述蜗杆的一端设置有穿插所述法向板的转动杆，所述转动杆远离所述法向板的一端设置有转动把手，所述转动杆位于所述定位板的内部且靠近所述蜗杆的两侧均设置有轴承块，所述涡轮的上端设置有穿插所述承接块中部的转动筒，所述螺纹杆穿插所述转动筒的中部，所述转动筒的上端设置有连动齿轮，所述法向板的内腔中部设置有若干支撑轴，所述支撑轴的上端设置有若干与所述连动齿轮相配合的承接齿轮，所述承接齿轮均远离所述连动齿轮的一端均设置有转动齿轮，所述转动齿轮的中部设置有与所述螺栓柱相配合的螺纹筒。
进一步的，所述上剪切盒和所述下剪切盒均包括盒体，所述盒体的一端均设置有连接块，所述盒体的中部均设置有放置槽，所述放置槽的底端设置有环槽，所述放置槽内设置有与所述环槽连接的套环，所述套环的中部设置有刀盘，所述刀盘上设置有若干斜槽，所述盒体位于所述放置槽的中部设置有与所述刀盘连接的轴孔。
进一步的，所述上剪切盒和所述下剪切盒的材料均由不锈钢材料制成，所述上剪切盒和所述下剪切盒的联接采用保证间隙的滚动方式结构。
进一步的，所述套环的两端均设置有若干安装孔，所述套环的斜对称的两端均设置有穿插所述安装孔并与所述盒体连接的螺栓。
进一步的，所述支撑块一的上端中部设置有与所述剪切推动装置相配合的剪切位移传感器。
进一步的，所述支撑块二与所述上剪切盒之间设置有水平荷载传感器。
进一步的，所述横杆的上端一侧设置有法向位移传感器，所述滚动膜片气缸上设置有电气比例阀。
进一步的，所述冷浴装置包括位于所述上剪切盒和所述下剪切盒外部的冷浴盒，所述支撑箱内部的循环泵，所述上剪切盒和所述下剪切盒内设置有剪切循环管道，所述循环泵通过连接管与所述剪切循环管道连接。
进一步的，所述支撑箱的下端均设置有若干承载块，所述承载块的数量为四个，所述承载块的底端均设置有万向轮。
进一步的，所述承接齿轮接所述转动齿轮的数量均为四个，所述螺纹筒与所述法向板相配合连接。
本发明的有益效果为：通过多功能结构面冻融循环剪切系统用于测量结构物与土界面在等应力、等刚度法向加载条件下的直剪摩擦特性。系统采用滚动膜片气缸施加法向力，电机伺服控制等应变或等应力方式施加剪切力。具有加荷稳定、方便、测量数据直观的特点。计算机数据采集，显示试验数据和曲线，以便于输出试验数据，通过同步调节装置可使得螺栓柱进行连接时，进行同步向下运动，四个螺栓柱的同样的压力，避免四个螺栓柱不同方向的压力误差，有效减少降低误差的效果，使得在螺栓柱进行同步高度的升降，有效减少降低法向的压力误差，达到同步运动的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的冻融循环剪切装置示意图；
图2是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的剪切盒示意图一；
图3是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的剪切盒示意图二；
图4是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的剪切盒示意图三；
图5是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的刀盘示意图一；
图6是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的工作台俯视图；
图7是根据本发明实施例的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置的同步调节装置示意图。
图中：
1、上剪切盒；2、下剪切盒；3、盒体；4、连接块；5、放置槽；6、环槽；7、套环；8、刀盘；9、斜槽；10、轴孔；11、安装孔；12、螺栓；13、支撑箱；14、工作台；15、静音空气压缩机；16、冷浴装置；17、试验导轨；18、支撑块一；19、支撑块二；20、剪切推动装置；21、法向加载装置；22、剪切位移传感器；23、水平荷载传感器；24、加载框杆一；25、加载框杆二；26、法向板；27、横杆；28、螺纹杆；29、连接把手；30、滚动膜片气缸；31、弹簧；32、法向荷载传感器；33、法向位移传感器；34、承载块；35、万向轮；36、螺栓柱；37、同步调节装置；38、承接块；39、涡轮；40、蜗杆；41、转动杆；42、转动把手；43、轴承块；44、转动筒；45、连动齿轮；46、支撑轴；47、承接齿轮；48、转动齿轮；49、螺纹筒。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置。
如图1-7所示，根据本发明实施例的可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，包括支撑箱13，所述支撑箱13的上端设置有工作台14，所述支撑箱13的内部设置有静音空气压缩机15，所述工作台14的上端中部设置有冷浴装置16，所述上剪切盒1和所述下剪切盒2均位于所述冷浴装置16的中部，所述冷浴装置16的内部分别设置有上剪切盒1和下剪切盒2，所述上剪切盒1位于所述下剪切盒2的上端，所述下剪切盒2通过试验导轨17与所述冷浴装置16连接，所述工作台14的上端两侧分别设置有支撑块一18和支撑块二19，所述支撑块一18的一端设置有穿插所述冷浴装置16的剪切推动装置20，所述工作台14的上方设置有与所述冷浴装置16连接的法向加载装置21，所述法向加载装置21包括所述工作台14的上端两侧分别设置有加载框杆一24和加载框杆二25，所述加载框杆一24和所述加载框杆二25的上端之间设置有法向板26，所述加载框杆一24和所述加载框杆二25下端之间设置有横杆27，所述法向板26和所述横杆27的中部设置有螺纹杆28，所述螺纹杆28位于所述法向板26的上端设置有连接把手29，所述法向板26的下端两侧均设置有若干与所述静音空气压缩机15连接的滚动膜片气缸30，所述滚动膜片气缸30与所述横杆27之间设置有弹簧31，所述弹簧31与所述滚动膜片气缸30之间设置有法向荷载传感器32，所述法向板26通过若干螺栓柱36与所述加载框杆一24和所述加载框杆二25，所述法向板26的内部设置有与所述螺栓柱36相配合的同步调节装置37，所述同步调节装置37包括位于所述法向板26中部的承接块38，所述承接块38的下端设置有涡轮39，所述涡轮39的一侧设置有相配合的蜗杆40，所述蜗杆40的一端设置有穿插所述法向板26的转动杆41，所述转动杆41远离所述法向板26的一端设置有转动把手42，所述转动杆41位于所述定位板的内部且靠近所述蜗杆40的两侧均设置有轴承块43，所述涡轮39的上端设置有穿插所述承接块38中部的转动筒44，所述螺纹杆28穿插所述转动筒44的中部，所述转动筒44的上端设置有连动齿轮45，所述法向板26的内腔中部设置有若干支撑轴46，所述支撑轴46的上端设置有若干与所述连动齿轮45相配合的承接齿轮47，所述承接齿轮47均远离所述连动齿轮45的一端均设置有转动齿轮48，所述转动齿轮48的中部设置有与所述螺栓柱36相配合的螺纹筒49。
借助于上述技术方案，通过多功能结构面冻融循环剪切系统用于测量结构物与土界面在等应力、等刚度法向加载条件下的直剪摩擦特性。系统采用滚动膜片气缸施加法向力，电机伺服控制等应变或等应力方式施加剪切力。具有加荷稳定、方便、测量数据直观的特点。计算机数据采集，显示试验数据和曲线，以便于输出试验数据，通过同步调节装置37可使得螺栓柱36进行连接时，进行同步向下运动，四个螺栓柱36的同样的压力，避免四个螺栓柱36不同方向的压力误差，有效减少降低误差的效果，使得在螺栓柱36进行同步高度的升降，有效减少降低法向的压力误差，达到同步运动的效果。
实施例一：
所述上剪切盒1和所述下剪切盒2均包括盒体3，所述盒体3的一端均设置有连接块4，所述盒体3的中部均设置有放置槽5，所述放置槽5的底端设置有环槽6，所述放置槽5内设置有与所述环槽6连接的套环7，所述套环7的中部设置有刀盘8，所述刀盘8上设置有若干斜槽9，所述盒体3位于所述放置槽5的中部设置有与所述刀盘8连接的轴孔10。所述上剪切盒1和所述下剪切盒2的材料均由不锈钢材料制成，所述上剪切盒1和所述下剪切盒2的联接采用保证间隙的滚动方式结构。所述套环7的两端均设置有若干安装孔11，所述套环7的斜对称的两端均设置有穿插所述安装孔11并与所述盒体3连接的螺栓12。
实施例二：
所述支撑块一18的上端中部设置有与所述剪切推动装置相配合的剪切位移传感器22。所述支撑块二19与所述上剪切盒1之间设置有水平荷载传感器23。所述横杆27的上端一侧设置有法向位移传感器33，所述滚动膜片气缸30上设置有电气比例阀。
实施例三：
所述冷浴装置16包括位于所述上剪切盒1和所述下剪切盒2外部的冷浴盒，所述支撑箱13内部的循环泵，所述上剪切盒1和所述下剪切盒2内设置有剪切循环管道，所述循环泵通过连接管与所述剪切循环管道连接。所述支撑箱13的下端均设置有若干承载块34，所述承载块34的数量为四个，所述承载块34的底端均设置有万向轮35。所述承接齿轮47接所述转动齿轮48的数量均为四个，所述螺纹筒49与所述法向板26相配合连接。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。
在实际应用时，通过法向加载装置21由加载框架、四个1吨的滚动膜片气缸30、四个1吨法向荷载传感器32和5kN的弹簧31等组成，保证提供40kN的最大法向载荷。法向载荷由内置静音空气压缩机15提供动力源，采用电气比例阀调制气缸压力，达到试验要求的压力；设置四个0.5T的弹簧31和附件，实现等刚度施加法向载荷。滚动膜片气缸30结构特点是活塞与缸体使用滚动隔膜隔离，活塞与缸体为滚动摩擦，能够保证气缸气压力与力之间的线性关系；
剪切推动装置20的控制模式为伺服控制方式。由0.75kW的三菱伺服电机提供动力，经减速后，驱动升降机对试样施加水平载荷，通过剪切位移传感器22反馈控制伺服电机实现等应力控制或等应变方式加载，实现直剪流变试验或等应变直剪试验；
剪切盒分上下两个部分，即上剪切盒1和下剪切盒2，上剪切盒1和下剪切盒2中部的刀盘8转动，转动的方向不同，达到的参数不同，转动可以检测不同的参数，剪切盒由不锈钢材料制造，上剪切盒1与下剪切盒2的联接采用保证间隙的滚动方式结构，减小摩擦阻力。设置滚动轴承的导轨机构，使剪切盒在导轨上保持小的摩擦阻力。设置与外界隔离的保温箱体，通过观察窗看到剪切状态。剪切盒内设循环管道，外置的冷浴内的循环泵将热液体或冷液体通过剪切循环管道将试样升温或降温，测定内置试样的温度传感器，控制循环泵，达到控制试样温度的要求；
采用量测控制，采用法向载荷、法向位移、剪切力、剪切位移传感器22经信号调制，A/D转换，由采集卡数据采集并传输到计算机采集处理，计算机发出指令经过采集卡对法向载荷、剪切伺服电机控制；
计算机软件完成数据采集，剪切速率设定，启动电机快进、快退、剪切等功能，实时显示剪切力和剪切位移数据，实时显示剪切力与剪切位移曲线，试验结束后以Excel格式输出试验数据；
法向载荷的测试时，需将法向板26通过螺栓柱36与加载框杆一24、加载框杆二25连接，通过同步调节装置37可使得螺栓柱36进行连接时，进行同步向下运动，通过四个螺栓柱36的同样的压力，避免四个螺栓柱36不同方向的压力误差，有效减少降低误差的效果，通过同步调节装置37上对转动把手42的运动，使得转动把手42带动转动杆41并连动蜗杆40运动，蜗杆40与蜗轮39连动并使得蜗轮39上端的转动筒44运动，转动筒44连动上端的连动齿轮45，使得连动齿轮45啮合四个边角的承接齿轮47进行转动，承接齿轮47同时与转动齿轮48啮合同步进行一同运动，随着转动齿轮48的运动，进而带动上端插接的螺栓柱36可同步的升降调节，在螺栓柱36进行同步高度的升降，有效减法向的压力误差，达到同步运动的效果。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过多功能结构面冻融循环剪切系统用于测量结构物与土界面在等应力、等刚度法向加载条件下的直剪摩擦特性。系统采用滚动膜片气缸施加法向力，电机伺服控制等应变或等应力方式施加剪切力。具有加荷稳定、方便、测量数据直观的特点。计算机数据采集，显示试验数据和曲线，以便于输出试验数据，通过同步调节装置37可使得螺栓柱36进行连接时，进行同步向下运动，四个螺栓柱36的同样的压力，避免四个螺栓柱36不同方向的压力误差，有效减少降低误差的效果，使得在螺栓柱36进行同步高度的升降，有效减少降低法向的压力误差，达到同步运动的效果。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，包括支撑箱(13)，所述支撑箱(13)的上端设置有工作台(14)，所述支撑箱(13)的内部设置有静音空气压缩机(15)，所述工作台(14)的上端中部设置有冷浴装置(16)，所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)均位于所述冷浴装置(16)的中部，所述冷浴装置(16)的内部分别设置有上剪切盒(1)和下剪切盒(2)，所述上剪切盒(1)位于所述下剪切盒(2)的上端，所述下剪切盒(2)通过试验导轨(17)与所述冷浴装置(16)连接，所述工作台(14)的上端两侧分别设置有支撑块一(18)和支撑块二(19)，所述支撑块一(18)的一端设置有穿插所述冷浴装置(16)的剪切推动装置(20)，所述工作台(14)的上方设置有与所述冷浴装置(16)连接的法向加载装置(21)，所述法向加载装置(21)包括所述工作台(14)的上端两侧分别设置有加载框杆一(24)和加载框杆二(25)，所述加载框杆一(24)和所述加载框杆二(25)的上端之间设置有法向板(26)，所述加载框杆一(24)和所述加载框杆二(25)下端之间设置有横杆(27)，所述法向板(26)和所述横杆(27)的中部设置有螺纹杆(28)，所述螺纹杆(28)位于所述法向板(26)的上端设置有连接把手(29)，所述法向板(26)的下端两侧均设置有若干与所述静音空气压缩机(15)连接的滚动膜片气缸(30)，所述滚动膜片气缸(30)与所述横杆(27)之间设置有弹簧(31)，所述弹簧(31)与所述滚动膜片气缸(30)之间设置有法向荷载传感器(32)，所述法向板(26)通过若干螺栓柱(36)与所述加载框杆一(24)和所述加载框杆二(25)，所述法向板(26)的内部设置有与所述螺栓柱(36)相配合的同步调节装置(37)，所述同步调节装置(37)包括位于所述法向板(26)中部的承接块(38)，所述承接块(38)的下端设置有涡轮(39)，所述涡轮(39)的一侧设置有相配合的蜗杆(40)，所述蜗杆(40)的一端设置有穿插所述法向板(26)的转动杆(41)，所述转动杆(41)远离所述法向板(26)的一端设置有转动把手(42)，所述转动杆(41)位于所述定位板的内部且靠近所述蜗杆(40)的两侧均设置有轴承块(43)，所述涡轮(39)的上端设置有穿插所述承接块(38)中部的转动筒(44)，所述螺纹杆(28)穿插所述转动筒(44)的中部，所述转动筒(44)的上端设置有连动齿轮(45)，所述法向板(26)的内腔中部设置有若干支撑轴(46)，所述支撑轴(46)的上端设置有若干与所述连动齿轮(45)相配合的承接齿轮(47)，所述承接齿轮(47)均远离所述连动齿轮(45)的一端均设置有转动齿轮(48)，所述转动齿轮(48)的中部设置有与所述螺栓柱(36)相配合的螺纹筒(49)。
2.根据权利要求1所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)均包括盒体(3)，所述盒体(3)的一端均设置有连接块(4)，所述盒体(3)的中部均设置有放置槽(5)，所述放置槽(5)的底端设置有环槽(6)，所述放置槽(5)内设置有与所述环槽(6)连接的套环(7)，所述套环(7)的中部设置有刀盘(8)，所述刀盘(8)上设置有若干斜槽(9)，所述盒体(3)位于所述放置槽(5)的中部设置有与所述刀盘(8)连接的轴孔(10)。
3.根据权利要求2所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)的材料均由不锈钢材料制成，所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)的联接采用保证间隙的滚动方式结构。
4.根据权利要求3所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述套环(7)的两端均设置有若干安装孔(11)，所述套环(7)的斜对称的两端均设置有穿插所述安装孔(11)并与所述盒体(3)连接的螺栓(12)。
5.根据权利要求4所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述支撑块一(18)的上端中部设置有与所述剪切推动装置相配合的剪切位移传感器(22)。
6.根据权利要求5所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述支撑块二(19)与所述上剪切盒(1)之间设置有水平荷载传感器(23)。
7.根据权利要求6所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述横杆(27)的上端一侧设置有法向位移传感器(33)，所述滚动膜片气缸(30)上设置有电气比例阀。
8.根据权利要求7所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述冷浴装置(16)包括位于所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)外部的冷浴盒，所述支撑箱(13)内部的循环泵，所述上剪切盒(1)和所述下剪切盒(2)内设置有剪切循环管道，所述循环泵通过连接管与所述剪切循环管道连接。
9.根据权利要求8所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述支撑箱(13)的下端均设置有若干承载块(34)，所述承载块(34)的数量为四个，所述承载块(34)的底端均设置有万向轮(35)。
10.根据权利要求9所述的一种可降低法向压力误差的冻融循环冻土剪切装置，其特征在于，所述承接齿轮(47)接所述转动齿轮(48)的数量均为四个，所述螺纹筒(49)与所述法向板(26)相配合连接。
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