CN113109178B - 一种温控式直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温控式直剪仪，涉及直剪测试领域。温控式直剪仪包括底座、垂直反力架、水平反力架、垂直加载机构、剪切加载机构以及剪切盒组件，水平反力架移动安装在底座上；垂直反力架的下侧设有活动通道，水平反力架的一端设有挡止结构，剪切加载机构设置在水平反力架的另一端，且剪切加载机构的加载端与挡止结构之间形成供剪切盒组件安装的容置空间；剪切盒组件包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒与挡止结构挡止配合，垂直加载机构的下端还设有加载板，剪切加载机构的加载端与下剪切盒顶压配合。水平反力架整体移出可向剪切盒组件中填装土体或清理取出土体，不被上方的垂直加载机构干涉影响，避免了装样和取出困难的情况。

Description

一种温控式直剪仪

技术领域

本发明涉及直剪测试技术领域，特别是涉及一种温控式直剪仪。

背景技术

冻土是指在冻结温度以下且含有冰的岩土。对冻土区的道路工程而言，温度是影响路面材料性能的关键因素，深入认识极端天气对路面材料的影响，可为改善道路工程的设计提供重要参考。

直剪仪是应用于岩土材料的抗剪强度的测试仪器，如授权公告号为CN205844108U、授权公告日为2016.12.28的中国实用新型专利公开了一种粗颗粒土直剪试验设备，并具体公开了该粗颗粒土直剪试验设备包括反力钢架、固定系统、加载系统、剪切盒组件、滑动装置、开缝装置和量测系统，加载系统包括水平加载系统、垂直加载系统；水平加载系统通过水平加荷固定装置固定在反力钢架上；垂直加载系统通过法向加荷固定装置固定在反力钢架上；剪切盒组件包括上筒和下筒，上筒和下筒之间安装有开缝装置，上筒顶部有传压板，上筒通过上剪切盒组件固定装置固定在反力钢架上，传压板位于垂直加载系统下方；下筒侧壁上安装有传力环，传力环位置与水平加载系统相对；下筒底部放置在滑动装置上。

现有技术中的粗颗粒土直剪试验设备将上筒通过上剪切盒组件固定装置固定在反力钢架上，利用水平加载系统对土体进行竖向加压，利用垂直加载系统使下筒在水平荷载下产生滑移剪切。但是，由于上筒固定在垂直加载系统的正下方，试验前后需填装土体和清理土体时，工作人员难以深入垂直加载系统的下方操作，造成了装样和取出困难的问题；另外，现有直剪试验装置不能精准地模拟出环境温度变化的过程，无法测试变温条件下冻融土体的应力特性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种温控式直剪仪，以解决试验前后需填装土体和清理土体时，工作人员难以深入垂直加载系统的下方操作，造成了装样和取出困难的问题；而且，现有直剪试验装置不能精准地模拟出环境温度变化的过程，无法测试变温条件下冻融土体的应力特性的问题。

本发明的温控式直剪仪的技术方案为：

温控式直剪仪包括底座、垂直反力架、水平反力架、安装在所述垂直反力架上的垂直加载机构、安装在所述水平反力架上的剪切加载机构，以及剪切盒组件，所述垂直反力架固定安装在所述底座上，所述水平反力架沿平行于所述底座的方向移动安装在所述底座上；

所述垂直反力架的下侧设有供所述水平反力架移动进出的活动通道，所述水平反力架的一端设有挡止结构，所述剪切加载机构设置在所述水平反力架的另一端，且所述剪切加载机构的加载端与所述挡止结构之间形成供所述剪切盒组件安装的容置空间；

所述剪切盒组件包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒与所述挡止结构挡止配合，所述垂直加载机构的下端还设有与所述上剪切盒间隙配合的加载板，所述剪切加载机构的加载端与所述下剪切盒顶压配合，所述上剪切盒和下剪切盒中均设有换热流道。

进一步的，所述底座上设置有导轨，所述水平反力架移动安装在所述导轨上，且所述水平反力架的底部设有与所述导轨导向配合的滚轮。

进一步的，所述底座上还设有水平驱动机构，所述水平驱动机构与所述水平反力架传动连接，且所述水平驱动机构的传动方向平行于所述导轨的延伸方向。

进一步的，所述水平反力架包括反力架座板、固定设置在所述反力架座板上的第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和第二侧板间隔布置，所述上剪切盒上设有与所述第一侧板内侧面相对应的第一支座，所述第一侧板构成所述挡止结构；

所述剪切加载机构安装在所述第二侧板上，所述下剪切盒上设有与所述剪切加载机构相对应的第二支座，所述第二支座与所述剪切加载机构的加载端顶压配合。

进一步的，所述反力架座板上还设置有滚子板，所述剪切盒组件安装在所述滚子板上。

进一步的，所述第一侧板上还设有剪切位移检测元件，所述剪切位移检测元件与所述下剪切盒相对布置。

进一步的，所述垂直反力架包括横梁和两个反力杆，两个所述反力杆固定设置在所述水平反力架的外侧，所述横梁连接在两个所述反力杆之间，所述垂直加载机构固定安装在所述横梁上。

进一步的，所述剪切加载机构包括驱动电机和丝杠螺母机构，所述驱动电机的输出端与所述丝杠螺母机构之间传动连接有减速机，且所述丝杠螺母机构的活动端设有力传感器，所述丝杠螺母机构的活动端构成所述剪切加载机构的加载端；

所述垂直加载机构与所述剪切加载机构的结构相同，也包括驱动电机和丝杠螺母机构，所述加载板设置在所述垂直加载机构的丝杠螺母机构的活动端。

进一步的，所述底座上设有中部承台和升降驱动件，所述升降驱动件与所述导轨传动连接，所述升降驱动件用于带动所述导轨上下移动，以高出或低于所述中部承台的上表面。

进一步的，所述剪切盒组件还包括底板，所述底板和所述加载板上均设有换热流道，所述底板、所述加载板、所述上剪切盒和下剪切盒均设有进液接口和出液接口，所述进液接口和出液接口分别与所述换热流道连通。

有益效果：该温控式直剪仪采用了在垂直反力架的下侧设有活动通道的结构设计，水平反力架可沿平行于底座的方向在活动通道中移动进出，剪切加载机构和剪切盒组件均安装在水平反力架上；当需要填装或清理土体时，通过控制整个水平反力架移出，然后可向剪切盒组件中填装土体或清理取出土体，而不会被上方的垂直加载机构干涉影响，操作更加方便，避免了装样和取出困难的情况。

在土体填装到位后，控制水平反力架移动至垂直反力架的下方，通过挡止结构对剪切盒组件的上剪切盒起到挡止限位作用，启动剪切加载机构并通过剪切加载机构的加载端对剪切盒组件的下剪切盒起到水平剪切作用力，挡止结构对上剪切盒的挡止作用和剪切加载机构对下剪切盒的水平作用力方向相对，二者构成了对土体的剪切载荷，同时启动垂直加载机构通过其下端的加载板对土体形成压紧作用力，真实地模拟出了土体的剪切受力情况。

由于上剪切盒和下剪切盒中均设有换热流道，通过向换热流道中通入相应的换热液，利用侧壁与土体发生热量交换，从而对剪切盒组件中土体起到加热升温和制冷降温的作用；正是利用传导换热来实现加热和制冷目的，热量的传递更加直接且快速，能够精准地模拟出环境温度变化的过程，进而可测试出变温条件下冻融土体的应力特性。

附图说明

图1为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中温控式直剪仪的横剖示意图；

图2为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中温控式直剪仪的左视示意图；

图3为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中温控式直剪仪的立体示意图；

图4为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中剪切盒组件的主视示意图；

图5为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中剪切盒组件的右视示意图；

图6为本发明的温控式直剪仪的具体实施例1中剪切盒组件的立体示意图。

图中：1－底座、10－水平驱动机构、11－导轨、12－升降驱动件、2－垂直反力架、20－横梁、21－反力杆、3－水平反力架、30－反力架座板、31－第一侧板、32－第二侧板、33－滚轮、34－剪切位移检测元件、4－垂直加载机构、40－驱动电机、41－丝杠螺母机构、42－减速机、43－力传感器、5－剪切加载机构、6－剪切盒组件、60－加载板、61－上剪切盒、610－换热流道、611－进液接口、612－出液接口、62－下剪切盒、63－第一支座、64－第二支座、65－底板、66－滚子板。

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。

本发明的温控式直剪仪的具体实施例1，如图1至图6所示，温控式直剪仪包括底座1、垂直反力架2、水平反力架3、安装在垂直反力架2上的垂直加载机构4、安装在水平反力架3上的剪切加载机构5，以及剪切盒组件6，垂直反力架2固定安装在底座1上，水平反力架3沿平行于底座1的方向移动安装在底座1上；垂直反力架2的下侧设有供水平反力架3移动进出的活动通道，水平反力架3的一端设有挡止结构，剪切加载机构5设置在水平反力架3的另一端，且剪切加载机构5的加载端与挡止结构之间形成供剪切盒组件6安装的容置空间；剪切盒组件6包括上剪切盒61和下剪切盒62，上剪切盒61与挡止结构挡止配合，垂直加载机构4的下端还设有与上剪切盒61间隙配合的加载板60，剪切加载机构5的加载端与下剪切盒62顶压配合，上剪切盒61和下剪切盒62中均设有换热流道610。

该温控式直剪仪采用了在垂直反力架2的下侧设有活动通道的结构设计，水平反力架3可沿平行于底座1的方向在活动通道中移动进出，剪切加载机构5和剪切盒组件6均安装在水平反力架3上；当需要填装或清理土体时，通过控制整个水平反力架3移出，然后可向剪切盒组件6中填装土体或清理取出土体，而不会被上方的垂直加载机构4干涉影响，工作人员的操作更加方便，避免了装样和取出困难的情况。在土体填装到位后，控制水平反力架3移动至垂直反力架2的下方，通过挡止结构对剪切盒组件6的上剪切盒61起到挡止限位作用，启动剪切加载机构5并通过剪切加载机构5的加载端对剪切盒组件6的下剪切盒62起到水平剪切作用力，挡止结构对上剪切盒61的挡止作用和剪切加载机构5对下剪切盒62的水平作用力方向相对，二者构成了对剪切盒组件6中土体的剪切载荷，同时启动垂直加载机构4并其下端的加载板60对土体形成压紧作用力，真实地模拟出了土体的剪切受力情况。

由于上剪切盒61和下剪切盒62中均设有换热流道610，通过向换热流道610中通入相应的换热液，利用侧壁与土体发生热量交换，从而对剪切盒组件6中土体起到加热升温和制冷降温的作用；正是利用传导换热来实现加热和制冷目的，热量的传递更加直接且快速，能够精准地模拟出环境温度变化的过程，进而可测试出变温条件下冻融土体的应力特性。

在本实施例中，在底座1上设置有导轨11，水平反力架3移动安装在导轨11上，且水平反力架3的底部设有与导轨11导向配合的滚轮33。并且，在底座1上还设有水平驱动机构10，水平驱动机构10与水平反力架3传动连接，且水平驱动机构10的传动方向平行于导轨11的延伸方向。具体的，水平驱动机构10为气缸，该气缸的推杆端与水平反力架3的下端连接，通过水平驱动机构10带动水平反力架3、剪切加载机构5以及剪切盒组件6整体沿着导轨11平移运动，以便于工作人员进行填装和清理取出土体的操作。

其中，水平反力架3包括反力架座板30、固定设置在反力架座板30上的第一侧板31和第二侧板32，第一侧板31和第二侧板32间隔布置，上剪切盒31上设有与第一侧板31内侧面相对应的第一支座63，水平反力架3的第一侧板31构成挡止结构；剪切加载机构5安装在第二侧板32上，下剪切盒62上设有与剪切加载机构5相对应的第二支座64，第二支座64与剪切加载机构5的加载端顶压配合。

并且，在反力架座板30上还设置有滚子板66，剪切盒组件6安装在滚子板65上，当剪切加载机构5对下剪切盒62施加水平作用力时，确保剪切盒组件6的下剪切盒62能够发生自由平移运动，进而可确定出下剪切盒62相对于上剪切盒61的剪切位移量。在第一侧板31上还设有剪切位移检测元件34，剪切位移检测元件34与下剪切盒62相对布置，利用剪切位移检测元件34来准确地测量出下剪切盒62在水平作用下产生的剪切位移量。

在本实施例中，垂直反力架2包括横梁20和两个反力杆21，两个反力杆21固定设置在水平反力架3的外侧，横梁20连接在两个反力杆21之间，垂直加载机构4固定安装在横梁20上。其中，剪切加载机构5包括驱动电机40和丝杠螺母机构41，驱动电机40的输出端与丝杠螺母机构41之间传动连接有减速机42，且丝杠螺母机构41的活动端设有力传感器43，丝杠螺母机构41的活动端构成剪切加载机构5的加载端。并且，垂直加载机构4与剪切加载机构5的结构相同，垂直加载机构4也包括驱动电机40和丝杠螺母机构41，加载板60设置在垂直加载机构4的丝杠螺母机构41的活动端。

另外，在底座1上设有中部承台和升降驱动件12，升降驱动件12与导轨11传动连接，升降驱动件12用于带动导轨11上下移动，以高出或低于中部承台的上表面。需要推出或移入水平反力架3时，启动升降驱动件12带动导轨11向上移动高出中部承台的上表面，然后利用水平驱动机构10带动水平反力架3沿着导轨11运动；需要剪切测试时，启动升降驱动件12带动导轨11向下移动低于中部承台的上表面，利用中部承台直接承托水平反力架3，保证剪切盒组件6可稳定地承受较大的压紧作用力，提高了剪切测试的可靠性。

并且，剪切盒组件6还包括底板65，底板65和加载板60上均设有换热流道610，底板65、加载板60、上剪切盒61和下剪切盒62均设有进液接口611和出液接口612，进液接口611和出液接口612分别与换热流道610连通。

测试试验时，按照试验要求分层填土、夯实，在土体高度达到上剪切盒61和下剪切盒62的中心位置时，放置芯部温度触感器，将土体填实到距上剪切盒62的上边缘50mm时停止填土并整平，将剪切盒组件6的顶盖放置载体土体的上平面，完成整个试样的制备。利用温控系统向底板65、加载板60、上剪切盒61和下剪切盒62的换热流道610通入换热液，设定所需温度并对试样进行加热或制冷，记录试样芯部和剪切盒组件6的温度，待试样芯部的温度、剪切盒组件6的温度均达到设定温度时，即可进行下一步试验。

控制软件对剪切盒组件6中的试样竖向压紧作用力到所需值，设置水平加载方式、加载速率、停机保护等条件后，控制试验开始，试验过程中实时显示出加载曲线，并自动记录数据，试验结束后保存数据。然后，卸载水平加载及垂直加载的载荷，操作控制柜按钮，使得升降驱动件12上升至高出中部承台的上表面，利用水平驱动机构10带动水平反力架3移出；拆除剪切位移检测元件34，将剪切盒组件6吊装出水平反力架3，清理水平反力架3中的残余的土渣和积水等。需要说明的是，剪切盒组件6的上剪切盒61可单独吊装出来，便于观察试样的剪切面形状，记录所需的图片、数据后将土体清理干净。

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 (7)

1.一种温控式直剪仪，其特征是，包括底座、垂直反力架、水平反力架、安装在所述垂直反力架上的垂直加载机构、安装在所述水平反力架上的剪切加载机构，以及剪切盒组件，所述垂直反力架固定安装在所述底座上，所述水平反力架沿平行于所述底座的方向移动安装在所述底座上；

所述垂直反力架的下侧设有供所述水平反力架移动进出的活动通道，以在填装或清理土体时，控制整个水平反力架移出；

所述水平反力架的一端设有挡止结构，所述剪切加载机构设置在所述水平反力架的另一端，且所述剪切加载机构的加载端与所述挡止结构之间形成供所述剪切盒组件安装的容置空间；

所述剪切盒组件包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒与所述挡止结构挡止配合，所述垂直加载机构的下端还设有与所述上剪切盒间隙配合的加载板，所述剪切加载机构的加载端与所述下剪切盒顶压配合，所述上剪切盒和下剪切盒中均设有换热流道；

所述底座上设置有导轨，所述水平反力架移动安装在所述导轨上，且所述水平反力架的底部设有与所述导轨导向配合的滚轮；所述底座上还设有水平驱动机构，所述水平驱动机构与所述水平反力架传动连接，且所述水平驱动机构的传动方向平行于所述导轨的延伸方向；

所述底座上设有中部承台和升降驱动件，所述升降驱动件与所述导轨传动连接，所述升降驱动件用于带动所述导轨上下移动，以高出或低于所述中部承台的上表面。

2.根据权利要求1所述的温控式直剪仪，其特征是，所述水平反力架包括反力架座板、固定设置在所述反力架座板上的第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和第二侧板间隔布置，所述上剪切盒上设有与所述第一侧板内侧面相对应的第一支座，所述第一侧板构成所述挡止结构；

所述剪切加载机构安装在所述第二侧板上，所述下剪切盒上设有与所述剪切加载机构相对应的第二支座，所述第二支座与所述剪切加载机构的加载端顶压配合。

3.根据权利要求2所述的温控式直剪仪，其特征是，所述反力架座板上还设置有滚子板，所述剪切盒组件安装在所述滚子板上。

4.根据权利要求2所述的温控式直剪仪，其特征是，所述第一侧板上还设有剪切位移检测元件，所述剪切位移检测元件与所述下剪切盒相对布置。

5.根据权利要求1所述的温控式直剪仪，其特征是，所述垂直反力架包括横梁和两个反力杆，两个所述反力杆固定设置在所述水平反力架的外侧，所述横梁连接在两个所述反力杆之间，所述垂直加载机构固定安装在所述横梁上。

6.根据权利要求1所述的温控式直剪仪，其特征是，所述剪切加载机构包括驱动电机和丝杠螺母机构，所述驱动电机的输出端与所述丝杠螺母机构之间传动连接有减速机，且所述丝杠螺母机构的活动端设有力传感器，所述丝杠螺母机构的活动端构成所述剪切加载机构的加载端；

所述垂直加载机构与所述剪切加载机构的结构相同，也包括驱动电机和丝杠螺母机构，所述加载板设置在所述垂直加载机构的丝杠螺母机构的活动端。

7.根据权利要求1所述的温控式直剪仪，其特征是，所述剪切盒组件还包括底板，所述底板和所述加载板上均设有换热流道，所述底板、所述加载板、所述上剪切盒和下剪切盒均设有进液接口和出液接口，所述进液接口和出液接口分别与所述换热流道连通。

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