CN113916648B - 一种孔内用环形平面变径装置 - Google Patents
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Abstract
一种孔内用环形平面变径装置，属于土壤原位力学测试领域。包括平面变径系统、变径驱动系统、连接扩展板、连接柱，所述平面变径系统包括中间圆盘、大平面支撑板、小平面支撑板、大平面支撑板连杆、小平面支撑板连杆、大平面支撑板滑块、小平面支撑板滑块、平面连接板，所述变径驱动系统包括内活塞杆、外活塞杆、内活塞杆弹簧。该装置可适用于多种平面变径场景中，可快速形成完整的支撑平面，且使用清洁无污染的压缩空气作为动力源，装置结构简单且安全可靠，节省生产成本，并能够承受更大的支撑载荷。
Description
技术领域
本发明属于土壤原位力学测试技术领域，涉及一种孔内用环形平面变径装置，用于实现孔内土壤原位剪切力测试。
背景技术
岩土体的剪切测试参数是工民建工程设计与地质灾害治理与防治的关键力学参数，原位测试和室内试验是获取岩土体力学参数的两种重要基本手段。直剪试验是室内试验常用的方法，直剪试验所使用的仪器称为直剪仪，按加荷方式的不同，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，应变控制式是以等速水平推动试样产生位移并测定相应的剪应力；应力控制式则是对试样分级施加水平剪应力，同时测定相应的位移。目前常用的是应变控制式直剪仪。试验时，垂直压力由杠杆系统通过加压活塞和透水石传给土样，水平剪应力则由轮轴推动活动的下盒施加给土样。土体的抗剪强度可由量力环测定，剪切变形由百分表测定。在施加每一级法向应力后，匀速增加剪切面上的剪应力，直至试件剪切破坏。室内剪切试验的缺点有，一是剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏；二是剪切面上剪应力分布不均匀；三是在剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而在计算抗剪强度时仍按土样的原截面积计算；四是试验时不能严格控制排水条件，并且不能量测孔隙水压力，相比室内试验测试来说，原位测试具有代表性强，对土壤的扰动性小，基本保持土壤的天然结构，天然含水量以及天然应力状态，能真实反映工程实际情况等优点，能够极大满足工程设计及灾害治理的需求。目前，原位剪切测试手段主要包括现场大型直剪试验和孔内剪切试验，但是在测试过程中还存在一些不足，关于岩土体孔内原位剪切测试的装置仍需完善，以反映真实的岩土体剪切过程和获取真实的剪切力学参数。
现场大型直剪试验只能用于测量浅表层的原位土体的剪切强度参数，难以反映深部岩土体的真实情况；而现有的孔内剪切测试，采用加压板直接对土体加压并剪切，该方式实际反映的剪切力为加载板与土体的剪切强度，并非真正意义上的土体本体的剪切强度。孔内剪切试验仪器的技术难点是在孔内加压板对应的土环上下添加支撑板装置。支撑板装置必须可以在孔内实现变径，变径后可以形成一个完整的平面圆环。
授权公布号为CN103728188A，授权公告日为2014.04.16的中国发明专利公开了一种土壤原位剪切及静载荷试验仪，提供了一种原位剪切试验设备，但该设备采用托杆支撑的摆块形状的圆盘来对土体剪切，这种机械式的控制方法无法保证摆块的均匀打开，进而对周围土体可能会存在局部剪切，无法获得可靠的实验数据，摆块在推出时会产生相互干涉，并且推出操作复杂繁琐并不方便，也是由于摆块的推迟机构过于复杂此装置只能适用于浅层孔内土壤力学试验，对深层孔内土壤的力学试验不能完成，而且遇到中、强风化残疾土时，破碎岩块很可能卡住托杆，使摆块无法正常收回，以及会使支撑杆和托杆无法收紧而导致试验失败。
授权公布号为CN104458445A，授权公告日为2015.03.25的中国发明专利公开了一种原位土体孔内剪切试验装置及试验方法，提供了一种原位剪切试验设备，但该设备通过充满氮气的气瓶利用减压阀和调压阀输出气压鼓胀气囊的方式，使剪切筒外围的剪切刀插入土体中完成土体的力学性能试验，但是此发明中的剪切刀插入土体时会对土体自然结构进行破坏，影响土体力学性能的真实性，由于原位土壤存在破坏，所以此装置测得的数据存在很大的误差。
上述的原位土体孔内剪切试验装置存在着结构上的设计缺陷，即试验装置在孔内展开动作复杂繁琐，存在无法回收装置的风险、以及试验时装置会对原位土体自然结构产生破坏等缺陷。
发明内容
针对上述现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种孔内用环形平面变径装置，解决现有技术中虹膜机构变径装置不能提供一个向外变径的完整的平面和装置回收困难的技术问题。尤其是在孔内较为狭窄的空间实现变径尤为突出。同时，本发明装置采用气压缸进行驱动，可以实现快速动作，提供更大的支撑反力，提高装置工作时的可靠度。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种孔内用环形平面变径装置，包括平面变径系统、变径驱动系统、连接扩展板；
所述平面变径系统包括中间圆盘、大平面支撑板、小平面支撑板、大平面支撑板连杆、小平面支撑板连杆、大平面支撑板滑块、小平面支撑板滑块、平面连接板，所述大平面支撑板和小平面支撑板均在中间圆盘的滑轨上滑动，所述大平面支撑板连杆和小平面支撑板连杆均通过铰接的方式与大平面支撑板和小平面支撑板以及大平面支撑板滑块和小平面支撑板滑块连接实现自由转动，所述平面连接板通过四个螺栓与中间圆盘进行连接，平面连接板主要功能是用于实现与其他设备进行连接工作；
所述变径驱动系统包括一双活塞杆单独运动的气压缸，所述双活塞杆单独运动的气压缸的两个活塞杆通过固定连接的方式与平面变径系统的大平面支撑板滑块和小平面支撑板滑块连接，实现驱动孔内变径系统装置的动作；
所述连接扩展板包括一个多孔金属连接板，所述金属连接板通过四个连接支撑柱与变径驱动系统和平面变径系统的中间圆盘用螺栓的方式进行连接，金属连接板可以通过焊接，螺栓连接等方式与其他设备进行连接，实现与其他设备的配合工作或单独工作。
本发明所具有的技术特征：
所述的平面变径系统通过变径驱动系统的动作实现展开和收紧动作，可实现在展开状态时形成一个完整的支撑平面用于工作。
所述的变径驱动系统是一双活塞杆的气压缸或液压缸，可以实现两个活塞杆单独动作或同时动作。
本发明与现有的技术相比，有益的技术效果是：
可以在孔内实现标准的圆环面变径，满足土壤剪切力学性能参数的环切要求，在深孔内实现真正的土壤剪切动作；
采用所述装置可在深孔内实现圆环形受力面和支撑面，结构简单和可靠，便于机构展开和收回控制；
本发明使用气压缸或液压缸进行驱动可提供更大的支撑力，但本发明不仅仅限于使用气压缸或液压缸进行驱动，也可以使用电机配合丝杠进行驱动或者直线电机驱动，驱动部分更换方便快捷。
附图说明
图1是本发明孔内用环形平面变径装置示意图
图2是本发明变径系统展开状态示意图
图3是本发明变径系统收紧状态示意图
图4是平面变径系统结构图
图5是大平面支撑板结构图
图6是小平面支撑板结构图
图7是中间圆盘结构图
图8是小平面支撑板滑块结构图
图9是平面扩径装置系统结构配合关系
图10是变径驱动系统结构图
图11是连接板结构图
图中各标号的含义是：1-平面变径系统，2-变径驱动系统，3-连接扩展板、4-连接柱、0000-深孔；
101-平面连接板、102-大平面支撑板、103-小平面支撑板、104-连接转轴、105-中间圆盘、106-小平面支撑板连杆、107-大平面支撑板连杆、108-大平面支撑板滑块、109-小平面支撑板滑块；
1021-大平面支撑板转轴孔、1022-大平面支撑板滑轨；
1031-小平面支撑板转轴孔、1032-小平面支撑板滑块；
1051-螺纹孔、1052-T型滑轨、1053-凹形滑轨；
1091-L型倒钩、1092-小平面支撑板滑块转轴孔；
201-内活塞弹簧、202-内活塞杆、203-外活塞杆、204-活塞缸体；
2041-外活塞杆上进气口、2042-外活塞杆下进气口、2043-内活塞杆下进气口；
301-连接板螺纹孔
具体实施方法
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。并不是把本发明的实施范围局限于此。凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
如图1至图11所示为本发明的整体结果图和零件结构图，本实例所示的是一种孔内用环形平面变径装置，该装置深孔内实现快速变径形成一个完整的平面，具备在深孔内完成变径并可以承受一定的载荷的作用的功能。该装置主要包括平面变径系统1、变径驱动系统2、连接扩展板3、连接柱4。所述平面变径系统1、变径驱动系统2、连接扩展板3通过连接柱4连接到一起工作。
所述平面变径系统1包括平面连接板101、大平面支撑板102、小平面支撑板103、连接转轴104、中间圆盘105、小平面支撑板连杆106、大平面支撑板连杆107、大平面支撑板滑块108-、小平面支撑板滑块109，所述平面连接板101通过螺纹孔1051使用四个螺栓固定在一起，所述大平面支撑板102通过大平面支撑板滑轨1022和中间圆盘105上的T型滑轨1052配合实现滑动动作，所述小平面支撑板103通过小平面支撑板滑块1032和中间圆盘105上的凹形滑轨1053配合实现滑动动作，所述小平面支撑板连杆106的一端与小平面支撑板103上的小平面支撑板转轴孔1031通过连接转轴104连接实现绕轴104转动动作，另一端与小平面支撑板滑块109上的小平面支撑板滑块转轴孔1092通过连接转轴104有相同的连接结构实现绕轴104转动，所述大平面支撑板连杆107的一端与大平面支撑板102上的大平面支撑板转轴孔1021通过连接转轴104连接实现绕轴104转动的动作，另一端与大平面支撑板滑块108通过连接转轴104有相同的连接结构实现绕轴104转动；
所述变径驱动系统2包括内活塞弹簧201、内活塞杆202、外活塞杆203、活塞缸体204，所述内活塞弹簧201与内活塞杆202同轴配合，并装配在活塞缸体204内层活塞缸中，实际上是一单作用活塞缸，所述外活塞杆203装配在活塞缸体204的外层活塞缸中，实际上是一双作用活塞缸；
所述平面变径系统1和变径驱动系统2通过大平面支撑板滑轨1022与内活塞杆202使用固定连接的方式连接到一起，实现内活塞杆202动作带动大平面支撑板滑轨1022动作，以及通过小平面支撑板滑块1032与外活塞杆203使用固定连接的方式连接到一起，实现外活塞杆203动作带动小平面支撑板滑轨1032动作。
作为本实例的一种优选方案，本装置采用简单的连杆滑块原理实现支撑板的收紧和展开动作，相比齿轮结构、虹膜机构结构更简单且更可靠，装置整体更加轻便，并减少在工作时的故障率。
作为本实例的一种优选方案，在平面变径系统1中的大平面支撑板102和小平面支撑板103在收紧状态时可实现完全收进平面连接板101最大半径以内，实现进入较小的深孔内部。
作为本实例的一种优选方案，在平面变径系统1中的大平面支撑板102和小平面支撑板103在展开状态时可实现形成一个完整的圆形平面，完成平面支撑工作，此装置也可承受较大的载荷作用。
本发明的装置在使用时，
第一步，将处于收紧状态的平面变径装置放入事先在地面打好的深孔内，放置到预定位置；
第二步，在平面变径系统初始为收紧状态时，首先在内活塞杆下进气口2043通入高压气体，使内活塞杆202在高压气体的推动下向外伸出带动大平面支撑板滑块108和大平面支撑板连杆107动作，使得大平面支撑板102在大平面支撑板滑轨1022上向外做展开动作，当内活塞杆202到达极限位置时会停止动作，此时大平面支撑板102到达最大展开位置完成展开动作，此时内活塞杆下进气口2043持续通入高压气体不间断；
第三步，在大平面支撑板102到达最大展开位置后，在外活塞杆下进气口2042同样通入高压气体，使外活塞杆203在高压气体的作用下向外推出并带动小平面支撑板滑块109和小平面支撑板连杆106动作，使得小平面支撑板103沿着凹形滑轨1053斜向下伸展出，当外活塞杆203到达极限位置时会停止运动，此时小平面支撑板103也到达最终位置与大平面支撑板102形成一个完整的平面圆环，此时外活塞杆下进气口2042持续通入高压气体不间断，形成的完整平面圆环可以在深孔0000内完成支撑工作，并可以承受较大的载荷作用；
第四步，在完成支撑工作后需要将大平面支撑板102和小平面支撑板103收回原来的收紧状态，此时只需要同时断开外活塞杆下进气口2042和内活塞杆下进气口2043的高压气体，并在外活塞杆上进气口2041通入高压气体，此时由于外活塞杆203有杆腔受到高压气体的作用，外活塞杆203向回动作，并带动小平面支撑板103沿着凹形滑轨1053斜向上收回，同时小平面支撑板滑块109上的L型倒钩1091会带动大平面支撑板滑块108向收回的方向动作，当外活塞杆203到达收回的极限位置时大平面支撑板102并没有完全到达收紧状态，此时在内活塞弹簧201作用下带动内活塞杆202向收回的方向动作，从而带动大平面支撑板102到达收紧状态，完成大平面支撑板102和小平面支撑板103的从展开状态到收紧状态的动作，并在深孔内收回装置，完成既定工作。
需说明的是，以上所述的实施方式是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域的普通技术人员的等同替换或根据现有的技术而做的其它修改只要没有超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利和范围之内。
Claims (5)
1.一种基于连杆滑块机构的孔内用环形平面变径装置，其特征在于，包括平面变径系统(1)、变径驱动系统(2)、连接扩展板(3)、连接柱(4)；所述平面变径系统(1)包括平面连接板(101)、大平面支撑板(102)、小平面支撑板(103)、连接转轴(104)、中间圆盘(105)、小平面支撑板连杆(106)、大平面支撑板连杆(107)、大平面支撑板滑块(108)、小平面支撑板滑块(109)，所述大平面支撑板(102)在中间圆盘(105)的T型滑轨(1052)上滑动，所述小平面支撑板(103)在中间圆盘(105)的凹形滑轨(1053)上滑动，所述大平面支撑板连杆(107)的一端通过铰接的方式用连接转轴(104)与大平面支撑板转轴孔(1021)连接实现自由转动，大平面支撑板连杆(107)的另一端通过铰接的方式使用连接转轴(104)与大平面支撑板滑块(108)连接实现自由转动，所述小平面支撑板连杆(106)一端通过铰接的方式用连接转轴(104)与小平面支撑板转轴孔(1031)连接实现自由转动，小平面支撑板连杆(106)的另一端通过铰接的方式使用连接转轴(104)与小平面支撑板滑块(109)连接实现自由转动，所述平面连接板(101)通过四个螺栓与中间圆盘(105)的螺纹孔(1051)进行固定连接；所述变径驱动系统(2)包括内活塞弹簧(201)、内活塞杆(202)、外活塞杆(203)、活塞缸体(204)，所述内活塞弹簧(201)安装在内活塞杆(202)的有杆腔，所述内活塞杆(202)安装在活塞缸体(204)的内层活塞缸内，所述外活塞杆(203)安装在活塞缸体(204)的外层活塞缸内；所述连接扩展板(3)包括一个多孔金属连接板，所述金属连接板通过四个连接支撑柱(4)与变径驱动系统(2)和平面变径系统(1)的中间圆盘(105)用螺栓的方式进行固定连接，连接板扩展板(3)的另一端面可以通过焊接或螺栓连接方式与其他设备进行连接，实现与其他设备的配合工作或单独工作。
2.如权利要求1所述的基于连杆滑块机构的孔内用环形平面变径装置，其特征在于，所述平面变径系统(1)由四块大平面支撑板(102)和四块小平面支撑板(103)共同完成平面拼接工作。
3.如权利要求1所述的基于连杆滑块机构的孔内用环形平面变径装置，其特征在于，所述平面变径系统(1)中的大平面支撑板(102)、大平面支撑板连杆(107)和大平面支撑板滑块(108)组成连杆滑块机构，通过变径驱动系统(2)的内活塞杆(202)的伸出和收回动作完成大平面支撑板(102)的展开和收紧动作，小平面支撑板(103)、小平面支撑板连杆(106)和小平面支撑板滑块(109)组成连杆滑块机构，通过变径驱动系统(2)的外活塞杆(203)的伸出和收回动作完成小平面支撑板(103)的展开和收紧动作。
4.如权利要求1所述的基于连杆滑块机构的孔内用环形平面变径装置，其特征在于，所述内活塞杆(202)、内活塞弹簧(201)和活塞缸体(204)组成单作用内活塞缸，所述外活塞杆(203)与活塞缸体(204)组成双作用外活塞缸，单作用内活塞缸与双作用外活塞缸组成一个双活塞杆的活塞缸，但两个活塞杆的工作互不干扰。
5.如权利要求1所述的基于连杆滑块机构的孔内用环形平面变径装置，其特征在于，所述变径驱动系统(2)可以使用气压缸或液压缸进行驱动，也可以使用电机配合丝杠进行驱动或者直线电机驱动。
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