CN113790983A - 一种多功能剪切侧压力试验仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能剪切侧压力试验仪及其工作方法，包括剪切板、驱动剪切板向下运动的钎锤机构以及驱动剪切板转动的转动机构，剪切板由若干中心处开设有凹槽的叶片组成，叶片的凹槽处安装有内侧设有应变片的薄钢片，应变片同外部应变采集仪连接。本发明的优点是：在剪切板进入待测土体深度后，借助叶片上薄钢片测试土体侧压力，相比由室内土工试验得到的泊松比或摩擦角计算侧压力系数更加直接；通过第二电机、涡轮、涡杆和紧固环的配合，可以使圆管转动，进而带动探杆、板头杆和剪切板转动，以便进行不同深度的剪切试验。

Description

一种多功能剪切侧压力试验仪及其工作方法

技术领域

本发明涉及土体原位测试的技术领域，尤其是一种多功能剪切侧压力试验仪及其工作方法。

背景技术

工程勘察、基础设计中，软粘土不排水抗剪强度是重要参数之一，室内测试需要从现场运土回实验室，采用室内仪器如直剪仪测试抗剪强度，但土样在运输、保存及取出检测过程中易受扰动，而检测时需要样品尽可能保持原状，抗剪强度出现微小偏差将对岩土工程问题的安全、造价带来较大影响。静止侧压力系数即土体原始应力状态下的水平向主应力和竖向主应力之比，在计算静止侧压力、桩侧摩阻力和地下结构物设计中均需要准确的静止侧压力系数。通过弹性理论公式或经验公式得到的侧压力系数数值相差较大，其它各类有关静止侧压力系数的土体参数测量设备又多是以现场取样的原状土为实验对象，存在土样易受扰动或是生产应用中操作复杂等问题，考虑到获得竖向压力手段的多样性和便捷性，现场测试侧压力系数工作重心在于得到准确的侧向压力。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种多功能剪切侧压力试验仪，在剪切板的薄钢片内侧设置应变片，用于测试土体侧压力；通过设置钎锤机构和转动机构，以驱动剪切板插入土体和驱动剪切板在土体内旋转。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：包括剪切板、驱动所述剪切板向下运动的钎锤机构以及驱动所述剪切板转动的转动机构，所述剪切板由若干中心处开设有凹槽的叶片组成，所述叶片的凹槽处安装有内侧设有应变片的薄钢片，所述应变片同外部应变采集仪连接。

所述钎锤机构包括两侧各设有一滚轮的滑动板、若干安装在所述滑动板上的限位柱、重锤以及安装在所述滑动板上且位于所述重锤中心处中空空间内的第一电机，两所述滚轮分别安装在两支架板的滑槽内，所述滑槽沿所述支架板内侧高度方向设置，两所述支架板相对设置在平台板的两侧；所述重锤上开设有数量同所述限位柱数量相对应的安装孔，所述限位柱安装在所述安装孔内；所述重锤的中空空间内壁上安装有齿条，所述第一电机输出端设有同所述齿条啮合的缺齿齿轮。

所述转动机构包括安装在所述平台板中心处通孔内的圆锥滚子轴承、安装在所述圆锥滚子轴承内的圆管、套设在所述圆管外壁的涡轮以及第二电机，所述第二电机输出端设有同所述涡轮啮合的涡杆，所述第二电机安装在一侧的所述支架板上。

所述圆锥滚子轴承包括依次设置的外环、圆锥滚子以及内环，所述外环安装在所述平台板中心处通孔内，所述内环与所述圆管间为螺纹连接。

所述滑动板同探杆一端连接，所述探杆另一端穿过所述圆管的通孔延伸至所述平台板下方，所述探杆通过从上至下直径逐渐减小的板头杆同所述剪切板连接。

所述限位柱数量为四个且其呈方形布置。

所述探杆上设有长度刻度，所述探杆两端通过紧固环同所述圆管固定。

所述叶片数量为三个，每两相邻所述叶片间夹角为120°，所述叶片底部带有锋利边缘；所述薄钢片通过螺栓同所述叶片固定连接。

所述应变片同端子连接导线一端连接，所述端子连接导线另一端依次经所述叶片、所述板头杆以及所述探杆的导孔同所述外部应变采集仪连接。

一种多功能剪切侧压力试验仪的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：

将平台板固定在场地的上方，并将连接好的剪切板、板头杆以及探杆经所述平台板中心处的通孔放置在待测土体的上方；

将外壁带有涡轮的圆管与固定在所述平台板上的圆锥滚子轴承间进行螺纹连接，并将所述探杆安装在所述圆管的通孔内；

调节第二电机和涡杆的位置，使所述涡杆和所述涡轮啮合，并将钎锤机构的滚轮安装在支架板的滑槽内；

启动第一电机，通过缺齿齿轮与齿条的啮合，所述第一电机驱动重锤上升一定高度后自由下落，以冲击滑动板，使所述探杆、所述板头杆以及所述剪切板被压入所述待测土体内，以此循环，直至所述剪切板被压入所述待测土体的测量深度；

在所述剪切板插入所述待测土体的测量深度后静置一定时间，通过外部应变采集仪和应变片测试采集薄钢片上的应力应变数据；

通过紧固环将所述探杆两端同所述圆管固定，启动所述第二电机，所述第二电机驱动所述剪切板转动，以进行剪切试验。

本发明的优点是：剪切板相比传统十字剪切板少一个叶片，较小的体积可以降低对土的扰动；经削切处理的叶片边缘锋利，在剪切试验中，可以有效控制剪切破环带的范围，尽可能接近破坏计算模型，提高抗剪强度测试、计算精度；在剪切板进入待测土体深度后，借助叶片上薄钢片测试土体侧压力，相比由室内土工试验得到的泊松比或摩擦角计算侧压力系数更加直接；通过第二电机、涡轮、涡杆和紧固环的配合，可以使圆管转动，进而带动探杆、板头杆和剪切板转动，以便进行不同深度的剪切试验。

附图说明

图1为本发明多功能剪切侧压力试验仪的结构示意图；

图2为本发明钎锤机构的结构示意图；

图3为本发明剪切板的结构示意图；

图4为本发明圆锥滚子轴承的爆炸图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-4所示，图中标记1-30分别表示为: 剪切板1、叶片2、锋利边缘3、凹槽4、薄钢片5、应变片6、螺栓7、端子连接导线8、板头杆9、探杆10、长度刻度11、平台板12、支架板13、滑槽14、圆锥滚子轴承15、外环16、圆锥滚子17、内环18、圆管19、涡轮20、涡杆21、第二电机22、滑动板23、滚轮24、限位柱25、重锤26、中空空间27、齿条28、缺齿齿轮29、第一电机30。

实施例：如图1-4所示，本实施例涉及一种多功能剪切侧压力试验仪，其主要包括剪切板1、钎锤机构以及转动机构，钎锤机构驱动剪切板1向下运动，以使剪切板1插入土体内，转动机构驱动剪切板1旋转，以使剪切板1在土体内旋转。本实施例中，剪切板1由三个叶片2组成，每两相邻叶片2间夹角为120°，相比传统十字剪切板少一个叶片，较小的体积可以降低对土的扰动。叶片2底部经过削切形成锋利边缘3，在剪切试验中，可以有效控制剪切破环带的范围，尽可能接近破坏计算模型，提高抗剪强度测试、计算精度。叶片2中心处开设有凹槽4，凹槽4处安装有薄钢片5，薄钢片5通过螺栓7固定在叶片2上，并且薄钢片5的内侧（朝向凹槽4的一侧）贴设有应变片6，应变片6同外部应变采集仪连接，其中，应变片6同端子连接导线8一端连接，端子连接导线8另一端依次经叶片2、板头杆9以及探杆10的导孔同外部应变采集仪连接，当外界压力使薄钢片5产生变形时，贴在薄钢片5内侧的应变片6一同产生应变，端子连接导线8将应变片6变化前后的电阻或电压等电信号，经由叶片2、板头杆9以及探杆10的导孔传送至外部应变采集仪，进而由标定系数算得测点位置处土体侧压力。

如图1所示，剪切板1通过板头杆9同探杆10连接，并且板头杆9的直径从上至下逐渐减小。通过设置板头杆9粗细，可以控制探杆10对剪切板1周围土体的扰动程度。剪切板1、板头杆9和探杆10三者的导孔依次联通，便于引出薄钢片5上端子连接导线8至外部应变采集仪。

如图1和图2所示，钎锤机构包括滑动板23、限位柱25、重锤26以及第一电机30，本实施例中，限位柱25数量为四个且其呈方形布置，限位柱25固定在滑动板23上，滑动板23同探杆10连接，重锤26上开设有数量、大小、形状、深度和设置位置均满足限位柱25安装要求的安装孔，即重锤26上设有四个圆孔，滑动板23上的四个限位柱25可分别安装在重锤26的四个圆孔内，并且重锤26通过圆孔可沿限位柱25的高度方向进行上下运动。重锤26中心处设有中空空间27，第一电机30固定于滑动板23上并且第一电机30位于重锤26的中空空间27内，重锤26的中空空间27内壁上安装有齿条28，第一电机30输出端设有同齿条28啮合的缺齿齿轮29，第一电机30驱动缺齿齿轮29转动，以带动齿条28向上运动，从而使重锤26上升。滑动板23两侧各设有一滚轮24，两个滚轮24分别安装在两个支架板13的滑槽14内，滑槽14沿支架板13内侧高度方向设置，滚轮24可以在滑槽14内进行上下运动，并且两个支架板13相对设置在平台板12的两侧。此外，探杆10安装在转动机构的圆管19通孔内，并且探杆10可沿圆管19通孔深度方向进行上下移动，探杆10顶部设有长度刻度11，长度刻度11可以显示剪切板1被压入待测土体内的深度，用于控制剪切板1插入待测土体内的深度，并且当剪切板1的插入土体深度达到要求时，探杆10两端可通过紧固环同圆管19固定，便于后续转动机构驱动剪切板1的转动。钎锤机构的工作原理为：第一电机30驱动缺齿齿轮29转动，以带动齿条28向上运动，从而使重锤26上升，在重锤26上升一定高度后自由下落，冲击滑动板23，使探杆10、板头杆9以及剪切板1向下运动，接着再使重锤26上升一定高度后自由下落，冲击滑动板23，以此循环，直至剪切板1被压入土体的对应深度。

如图1和图4所示，转动机构包括圆锥滚子轴承15、圆管19、涡轮20、涡杆21以及第二电机22，圆锥滚子轴承15安装在平台板12中心处通孔内，圆管19安装在圆锥滚子轴承15内，涡轮20套设在圆管19外壁，第二电机22安装在一侧的支架板13上，第二电机22输出端设有同涡轮20啮合的涡杆21，并且探杆10安装在圆管19的通孔内。第二电机22驱动涡杆21转动，以带动涡轮20转动，从而带动圆管19转动，最终带动剪切板1转动。本实施例中，圆锥滚子轴承15包括依次设置的外环16、圆锥滚子17以及内环18，外环16安装在平台板12中心处通孔内，内环18与圆管19间为螺纹连接，通过设置圆锥滚子轴承15，能够在圆管19相对平台板12转动的同时，平台板12能够承受来自圆管19轴向的力。

如图1-4所示，本实施例还具有以下工作方法：

1、首先在试验位置预钻孔，用于剪切板1的定位，在平整场地后，将平台板12固定在场地的上方，将连接好的剪切板1、板头杆9以及探杆10经平台板12中心处的通孔放置在待测土体的上方。

2、将外壁带有涡轮20的圆管19与固定在平台板12上的圆锥滚子轴承15间进行螺纹连接，并将探杆10安装在圆管19的通孔内。

3、调节第二电机22和涡杆21的位置，使涡杆21和涡轮20啮合，将钎锤机构的滑动板23同探杆10连接，并将钎锤机构的滚轮24安装在支架板13的滑槽14内。

4、确认设备完成安装调试后，启动第一电机30，通过缺齿齿轮29与齿条28的啮合，第一电机30驱动重锤26上升一定高度后自由下落，冲击滑动板23，使探杆10、板头杆9以及剪切板1被压入待测土体内，以此循环，直至剪切板1被压入待测土体的测量深度。

5、在剪切板1插入待测土体的测量深度后静置两分钟，通过外部应变采集仪和应变片6测试采集薄钢片5上的应力应变数据。

6、通过紧固环将探杆10两端同圆管19固定，启动第二电机22，第二电机22驱动剪切板1转动，以进行剪切试验。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (10)

1.一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：包括剪切板、驱动所述剪切板向下运动的钎锤机构以及驱动所述剪切板转动的转动机构，所述剪切板由若干中心处开设有凹槽的叶片组成，所述叶片的凹槽处安装有内侧设有应变片的薄钢片，所述应变片同外部应变采集仪连接。

2.如权利要求1所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述钎锤机构包括两侧各设有一滚轮的滑动板、若干安装在所述滑动板上的限位柱、重锤以及安装在所述滑动板上且位于所述重锤中心处中空空间内的第一电机，两所述滚轮分别安装在两支架板的滑槽内，所述滑槽沿所述支架板内侧高度方向设置，两所述支架板相对设置在平台板的两侧；所述重锤上开设有数量同所述限位柱数量相对应的安装孔，所述限位柱安装在所述安装孔内；所述重锤的中空空间内壁上安装有齿条，所述第一电机输出端设有同所述齿条啮合的缺齿齿轮。

3.如权利要求2所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述转动机构包括安装在所述平台板中心处通孔内的圆锥滚子轴承、安装在所述圆锥滚子轴承内的圆管、套设在所述圆管外壁的涡轮以及第二电机，所述第二电机输出端设有同所述涡轮啮合的涡杆，所述第二电机安装在一侧的所述支架板上。

4.如权利要求3所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述圆锥滚子轴承包括依次设置的外环、圆锥滚子以及内环，所述外环安装在所述平台板中心处通孔内，所述内环与所述圆管间为螺纹连接。

5.如权利要求3所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述滑动板同探杆一端连接，所述探杆另一端穿过所述圆管的通孔延伸至所述平台板下方，所述探杆通过从上至下直径逐渐减小的板头杆同所述剪切板连接。

6.如权利要求2所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述限位柱数量为四个且其呈方形布置。

7.如权利要求5所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述探杆上设有长度刻度，所述探杆两端通过紧固环同所述圆管固定。

8.如权利要求1所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述叶片数量为三个，每两相邻所述叶片间夹角为120°，所述叶片底部带有锋利边缘；所述薄钢片通过螺栓同所述叶片固定连接。

9.如权利要求5所述的一种多功能剪切侧压力试验仪，其特征在于：所述应变片同端子连接导线一端连接，所述端子连接导线另一端依次经所述叶片、所述板头杆以及所述探杆的导孔同所述外部应变采集仪连接。

10.一种涉及权利要求1-9任一所述的多功能剪切侧压力试验仪的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：

将平台板固定在场地的上方，并将连接好的剪切板、板头杆以及探杆经所述平台板中心处的通孔放置在待测土体的上方；

将外壁带有涡轮的圆管与固定在所述平台板上的圆锥滚子轴承间进行螺纹连接，并将所述探杆安装在所述圆管的通孔内；

调节第二电机和涡杆的位置，使所述涡杆和所述涡轮啮合，并将钎锤机构的滚轮安装在支架板的滑槽内；

启动第一电机，通过缺齿齿轮与齿条的啮合，所述第一电机驱动重锤上升一定高度后自由下落，以冲击滑动板，使所述探杆、所述板头杆以及所述剪切板被压入所述待测土体内，以此循环，直至所述剪切板被压入所述待测土体的测量深度；

在所述剪切板插入所述待测土体的测量深度后静置一定时间，通过外部应变采集仪和应变片测试采集薄钢片上的应力应变数据；

通过紧固环将所述探杆两端同所述圆管固定，启动所述第二电机，所述第二电机驱动所述剪切板转动，以进行剪切试验。

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