CN113109172A - 一种冻融土体的扭剪试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冻融土体的扭剪试验装置，涉及扭剪测试领域。冻融土体的扭剪试验装置包括机座、机架、试验组件、扭转加载机构和垂直加载机构，扭转加载机构安装在机座上，垂直加载机构安装在机架上，试验组件设置在扭转加载机构和垂直加载机构之间；试验组件包括基板、旋转座和试样盒，旋转座绕垂直加载方向转动安装在基板上，试样盒安装在旋转座上，试样盒上设有温控结构；试样盒的上部还安装有顶压板，顶压板与垂直加载机构之间还设有压力检测元件；试样盒包括至少两个叠设的扭转环体，相邻两个扭转环体之间同轴转动配合，扭转加载机构与旋转座传动连接。可反映出试样在主应力轴偏转情况下的冻融土体的变化特性，测试结果的准确性更高。
Description
技术领域
本发明涉及扭剪测试技术领域，特别是涉及一种冻融土体的扭剪试验装置。
背景技术
在冻土地质下施工建设时，由于冻土本身对环境温度敏感，会出现融化沉降和冻胀的变化过程，严重地影响了整个工程的可靠性和耐久性。只有深入了解冻融土体的力学特性才能更好地完成施工，而扭剪试验是研究冻融土体力学性质的重要方式。
如申请公布号为CN108732057A、申请公布日为2018.11.02的中国发明专利申请公开了一种土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备及其试验方法，并具体公开了该环剪试验设备包括反力架、竖向加载装置、旋转驱动装置、剪切盒组件、冻融循环设备、阳光模拟系统、低温冷风系统和电脑；剪切盒组件包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒和下剪切盒上下叠放形成剪切室；竖向加载装置包括气压室、位移感应器、竖向加载环板和隔板，竖向加载环板的下端穿过上剪切盒嵌合于剪切室的环形试验空间内，可对试样施加竖向的压力；旋转驱动装置包括旋转平台和中部支撑轴，旋转平台与驱动装置传动连接，下剪切盒固定在旋转平台上，旋转平台对下剪切盒起支撑作用，并通过中部支撑轴对下剪切盒传递旋转动力，下剪切盒随中部支撑轴一起转动。
采用现有技术中的土体冻融循环及风化环境下环剪试验设备进行冻土测试时，竖向加载装置在土体上部施加垂直荷载，旋转平台给土体施加扭矩，土体于上剪切盒和下剪切盒之间的剪切裂缝所在平面上形成剪破裂面。但是，由于现有环剪试验依赖于中部支撑轴来传递旋转动力，不能反映出试样在主应力轴偏转情况下的冻融土体的变化特性，试验环境与实际情况差别较大，测试结果的准确性低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种冻融土体的扭剪试验装置，以解决现有环剪试验不能反映出试样在主应力轴偏转情况下的冻融土体的变化特性，试验环境与实际情况差别较大，测试结果的准确性低的问题。
本发明的冻融土体的扭剪试验装置的技术方案为：
冻融土体的扭剪试验装置包括机座、机架、试验组件、扭转加载机构和垂直加载机构，所述机架固定连接在所述机座的上侧，所述扭转加载机构安装在所述机座上，所述垂直加载机构安装在所述机架上，所述试验组件设置在所述扭转加载机构和所述垂直加载机构之间；
所述试验组件包括基板、旋转座和试样盒，所述旋转座绕垂直加载方向转动安装在所述基板上，所述试样盒安装在所述旋转座上，所述试样盒上设有用于制冷或加热内部试样的温控结构；所述试样盒的上部还安装有顶压板，所述顶压板与所述垂直加载机构之间还设有压力检测元件；
所述试样盒包括至少两个叠设的扭转环体，相邻两个所述扭转环体之间同轴转动配合，所述扭转加载机构与所述旋转座传动连接，所述扭转加载机构与所述旋转座之间还设有扭矩检测元件。
进一步的，所述旋转座的下侧同轴设有传动轴，所述传动轴与所述扭转加载机构传动连接，所述扭矩检测元件设置在所述旋转座与所述传动轴之间。
进一步的，所述基板上开设有通孔，所述通孔处固定有中空的法兰座，所述传动轴穿装于所述通孔中并延伸至所述法兰座的下端，所述扭转加载机构安装在所述法兰座上，所述扭转加载机构的输出端与所述传动轴连接。
进一步的，所述基板和所述旋转座之间还安装有转动轴承，所述转动轴承与所述旋转座的转动轴线同轴布置。
进一步的，所述机座上设置有滑轨，所述滑轨上导向安装有滑动块，所述滑动块固定设置在所述基板的下侧。
进一步的，所述基板上固定有反扭杆，所述顶压板上下活动安装在所述反扭杆上。
进一步的，所述顶压板上还设有垂直加载分布结构，所述垂直加载分布结构包括上受力板和至少三个传力柱，至少三个所述传力柱固定设置在所述上受力板的下侧，所述上受力板与所述垂直加载机构顶压配合，至少三个所述传力柱与所述顶压板顶压配合。
进一步的，所述基板上位于所述旋转座的外侧还设有支座，所述支座上活动连接有调节板，所述垂直加载分布结构上下移动安装在所述调节板上。
进一步的，所述机架包括至少三个反力杆和横梁，至少三个所述反力杆固定连接在所述机座上，且所述横梁固定连接在至少三个所述反力杆上，所述垂直加载机构安装在所述横梁上。
进一步的，所述扭转环体的内部设有供换热液流通的内流道，所述扭转环体上还设有进液接口和出液接口，所述进液接口、出液接口分别与所述内流道连通，所述内流道构成所述用于制冷或加热内部试样的温控结构。
有益效果：该冻融土体的扭剪试验装置采用了在扭转加载机构和垂直加载机构之间设置试验组件的设计形式，将冻融土体的试样加入试样盒中，利用垂直加载机构对试样盒上方的顶压板施加竖向加载作用力，模拟出试样顶部承压的受力条件；利用扭转加载机构带动旋转座和试样盒绕垂直加载方向转动，并且试样盒包括至少两个叠设的扭转环体，相邻两个扭转环体之间同轴转动配合，试样在试样盒中发生扭转运动，从而模拟出试样承受扭剪载荷的受力条件；试样盒上设有用于制冷或加热内部试样的温控结构，通过温控结构对内部试样进行制冷，模拟出土体冻结的过程，通过温控结构对内部试样进行加热，模拟出土体融化的过程。
在冻结或融化过程中，同时对试样施加竖向加载作用力和扭剪载荷，模拟了冻融土体在复杂应力条件下发生的变化；更为关键的是，相比于现有技术中的环剪试验装置省去了中部支撑轴，仅借助于试样盒中试样来传递旋转动力，可反映出试样在主应力轴偏转情况下的冻融土体的变化特性，试验环境与实际情况差别更小，测试结果的准确性更高。
附图说明
图1为本发明的冻融土体的扭剪试验装置的具体实施例1中扭剪试验装置(加载状态时)的横向剖视图；
图2为本发明的冻融土体的扭剪试验装置的具体实施例1中扭剪试验装置(安装状态时)的横向剖视图；
图3为图1中扭剪试验装置的纵向剖视图；
图4为图3中试验组件的局部放大示意图。
图中：1－机架、10－机座、11－横梁、12－反力杆、13－滑轨、14－滑动块、2－试验组件、20－基板、21－旋转座、22－试样盒、220－扭转环体、221－内流道、23－反扭杆、24－顶压板、25－传动轴、26－法兰座、27－转动轴承、3－垂直加载分布结构、30－上受力板、31－支座、32－调节板、33－传力柱、4－扭转加载机构、40－扭矩检测元件、5－垂直加载机构、50－压力检测元件、6－试样。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的冻融土体的扭剪试验装置的具体实施例1，如图1至图4所示，冻融土体的扭剪试验装置包括机座10、机架1、试验组件2、扭转加载机构4和垂直加载机构5，机架1固定连接在机座10的上侧，扭转加载机构4安装在机座10上，垂直加载机构5安装在机架1上，试验组件2设置在扭转加载机构4和垂直加载机构5之间；试验组件2包括基板20、旋转座21和试样盒22，旋转座21绕垂直加载方向转动安装在基板20上，试样盒22安装在旋转座21上，试样盒22上设有用于制冷或加热内部试样的温控结构；试样盒22的上部还安装有顶压板24，顶压板24与垂直加载机构5之间还设有压力检测元件50；试样盒22包括至少两个叠设的扭转环体220，相邻两个扭转环体220之间同轴转动配合，扭转加载机构4与旋转座21传动连接，扭转加载机构4与旋转座21之间还设有扭矩检测元件40。
该冻融土体的扭剪试验装置采用了在扭转加载机构4和垂直加载机构5之间设置试验组件2的设计形式，将冻融土体的试样6加入试样盒22中，利用垂直加载机构5对试样盒22上方的顶压板24施加竖向加载作用力，模拟出试样6顶部承压的受力条件；利用扭转加载机构4带动旋转座21和试样盒22绕垂直加载方向转动，并且试样盒22包括至少两个叠设的扭转环体220，相邻两个扭转环体220之间同轴转动配合，试样6在试样盒22中发生扭转运动，从而模拟出试样6承受扭剪载荷的受力条件；试样盒22上设有用于制冷或加热内部试样的温控结构，通过温控结构对内部试样进行制冷，模拟出土体冻结的过程，通过温控结构对内部试样进行加热，模拟出土体融化的过程。
在冻结或融化过程中，同时对试样6施加竖向加载作用力和扭剪载荷，模拟了冻融土体在复杂应力条件下发生的变化；更为关键的是，相比于现有技术中的环剪试验装置省去了中部支撑轴，仅借助于试样盒22中试样6来传递旋转动力，可反映出试样6在主应力轴偏转情况下的冻融土体的变化特性，试验环境与实际情况差别更小，测试结果的准确性更高。
在本实施例中，旋转座21的下侧同轴设有传动轴25，传动轴25与扭转加载机构4传动连接，扭矩检测元件40设置在旋转座21与传动轴25之间。具体的，基板20上开设有通孔，基板20的通孔处固定有中空的法兰座26，传动轴25穿装于通孔中并延伸至法兰座26的下端，扭转加载机构4安装在法兰座26上，扭转加载机构4的输出端与传动轴25连接。扭转加载机构4固定在基板20下方的法兰座26上，传动轴25将扭转加载机构4的扭矩传递至旋转座21上，再由旋转座21带动试样盒22中的试样6产生扭剪运动，通过扭矩检测元件40实时检测出扭转力矩并将其转化为电信号发送至控制系统，由控制系统记录循环扭剪过程中扭剪力的大小。
其中，在基板20和旋转座21之间还安装有转动轴承27，转动轴承27与旋转座21的转动轴线同轴布置，设置转动轴承27保证了旋转座21能稳定、可靠地承受竖向压力作用，提高了旋转座21的转动精度。而且，为了方便填装土体和清理土体，在机座10上设置有滑轨13，滑轨13上导向安装有滑动块14，滑动块14固定设置在基板20的下侧。试验前，将基板20以及整个试验组件2滑动平移至机架1的外侧，可顺利地向试样盒22中填装土体，避免了因上方的机架1和垂直加载机构5而干涉操作，填装完成后，将整个试验组件2滑动移至垂直加载机构5的正下方即可。
在基板20上固定有反扭杆23，顶压板24上下活动安装在反扭杆23上，在垂直加载机构5朝下对顶压板24施压过程中，顶压板24始终保持周向位置不变，而是仅在土体融沉或冻胀时发生上下移动，确保了试样6所受的竖向压力恒定不变。并在，顶压板24上还设有垂直加载分布结构3，垂直加载分布结构3包括上受力板30和至少三个传力柱33，至少三个传力柱33固定设置在上受力板30的下侧，上受力板30与垂直加载机构5顶压配合，至少三个传力柱33与顶压板24顶压配合。具体的，垂直加载分布结构3的传力柱33共设有四个，四个传力柱33分布在方形上受力板30的顶角位置，通过垂直加载分布结构3将竖向加载力平衡地传递顶压板24上，借助顶压板24进而对试样盒22中的试样6产生更为均衡的压力作用。
在本实施例中，基板20上位于旋转座21的外侧还设有支座31，支座上31活动连接有调节板32，垂直加载分布结构3上下移动安装在调节板32上。具体的，调节板32可翻动连接在支座31上，可根据试验需求，朝上翻起调节板32和垂直加载分布结构3以使试样盒22的上口完全敞开。
而且，机架1包括至少三个反力杆12和横梁11，至少三个反力杆12固定连接在机座10上，且横梁11固定连接在至少三个反力杆12上，垂直加载机构5安装在横梁11上。具体的，横梁11的形状为厚板结构，机架1的反力杆12共设有四个，四个反力杆12对应布置在横梁11的四个顶点位置，反力杆12的上端与横梁11采用螺母紧固连接，反力杆12的下端与机座10也采用螺母紧固连接，通过四个反力杆12来抵消垂直加载机构5对机架1产生的反作用力。
另外，在扭转环体220的内部设有供换热液流通的内流道221，扭转环体220上还设有进液接口和出液接口，进液接口、出液接口分别与内流道221连通。其中，内流道221构成用于制冷或加热内部试样的温控结构，通过扭转环体220的壁面与试样6传递热量，以便于更加有效地产生制冷或加热作用。需要说明的是，在本实施例中，垂直加载机构5为固定安装在横梁11上的液压油缸，压力检测元件50为压力传感器，扭转加载机构4为扭转摆动油缸，扭矩检测元件40为扭矩传感器。在其他实施例中，为了满足不同使用需求，可将垂直加载机构5设计成气缸或者丝杠电机，同样能够对试样6产生试验所需的竖向加载力。
试验时，根据测试标准制备冻融土体的试样6；在旋转座21上叠设相应数量的扭转环体220构成试样盒22，各扭转环体220的上、下侧面设置有滚珠槽，滚珠槽中滚动安装有滚珠，扭转环体220上下叠装到位后可发生周向转动，并且，相邻两个扭转环体220之间预留为微小缝隙，以便于融化的水分向外渗漏排出。然后，在试样盒22中依次放入透水板和滤纸，将制备好的试样6放置在滤纸上，在试样6的顶部在铺上滤纸和透水板，压上顶压板24并翻动垂直加载分布结构3至顶压板24的上方，调整垂直加载机构5对试样6施加1KPa的预压力。
保持试样6的竖向受力大小不变，通过扭转加载机构4对试样6底部施加设定大小的扭转力，调节通入内流道221中的换热液的温度，对试样6进行加热升温使之逐渐融化。随着试样6发生融沉时开始记录其竖向变化量，直至变形量小于0.05mm/2h为止，测量记录试样6的总变形量。待融沉变形稳定后，停止向内流道221中通入换热液，通过垂直加载机构5开始进行竖向加载试验，选取不同等级的加载载荷；施加每级载荷24h后为稳定标准，测量记录相应的压缩变形量，直至最后一级载荷压缩稳定为止。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，包括机座、机架、试验组件、扭转加载机构和垂直加载机构，所述机架固定连接在所述机座的上侧，所述扭转加载机构安装在所述机座上，所述垂直加载机构安装在所述机架上，所述试验组件设置在所述扭转加载机构和所述垂直加载机构之间；
所述试验组件包括基板、旋转座和试样盒，所述旋转座绕垂直加载方向转动安装在所述基板上，所述试样盒安装在所述旋转座上，所述试样盒上设有用于制冷或加热内部试样的温控结构；所述试样盒的上部还安装有顶压板，所述顶压板与所述垂直加载机构之间还设有压力检测元件；
所述试样盒包括至少两个叠设的扭转环体，相邻两个所述扭转环体之间同轴转动配合，所述扭转加载机构与所述旋转座传动连接，所述扭转加载机构与所述旋转座之间还设有扭矩检测元件。
2.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述旋转座的下侧同轴设有传动轴，所述传动轴与所述扭转加载机构传动连接，所述扭矩检测元件设置在所述旋转座与所述传动轴之间。
3.根据权利要求2所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述基板上开设有通孔，所述通孔处固定有中空的法兰座，所述传动轴穿装于所述通孔中并延伸至所述法兰座的下端，所述扭转加载机构安装在所述法兰座上，所述扭转加载机构的输出端与所述传动轴连接。
4.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述基板和所述旋转座之间还安装有转动轴承，所述转动轴承与所述旋转座的转动轴线同轴布置。
5.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述机座上设置有滑轨，所述滑轨上导向安装有滑动块，所述滑动块固定设置在所述基板的下侧。
6.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述基板上固定有反扭杆，所述顶压板上下活动安装在所述反扭杆上。
7.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述顶压板上还设有垂直加载分布结构，所述垂直加载分布结构包括上受力板和至少三个传力柱，至少三个所述传力柱固定设置在所述上受力板的下侧，所述上受力板与所述垂直加载机构顶压配合，至少三个所述传力柱与所述顶压板顶压配合。
8.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述基板上位于所述旋转座的外侧还设有支座，所述支座上活动连接有调节板，所述垂直加载分布结构上下移动安装在所述调节板上。
9.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述机架包括至少三个反力杆和横梁，至少三个所述反力杆固定连接在所述机座上，且所述横梁固定连接在至少三个所述反力杆上，所述垂直加载机构安装在所述横梁上。
10.根据权利要求1所述的冻融土体的扭剪试验装置，其特征是，所述扭转环体的内部设有供换热液流通的内流道，所述扭转环体上还设有进液接口和出液接口，所述进液接口、出液接口分别与所述内流道连通，所述内流道构成所述用于制冷或加热内部试样的温控结构。
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- 2021-03-26 CN CN202110330121.2A patent/CN113109172A/zh active Pending
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