CN114002079A - 大型界面剪切设备及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大型界面剪切设备及其实施方法，通过将法向压力加载系统、水平伺服推拉系统、平台装置以及上、下剪切盒组装形成界面剪切设备。测试过程中，将强度较大的材料放入下剪切盒、强度较低的材料放入上剪切盒，随后开启空气压缩机并调节气压增压缸阀门控制法向压力值，待其稳定后进一步启动水平伺服推力系统对上剪切盒施加水平推力，从而实现界面剪切。整个剪切过程中，通过设备控制系统实现水平伺服推力、水平位移以及法向压力的全过程数据采集并得到不同材料之间的界面剪切特性曲线。该设备剪切接触面积大，并且具有法向压力稳压功能及竖向压力数据实时采集功能，更能准确获得不同材料界面剪切特性，具有重要的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种土工试验设备，具体涉及一种大型界面剪切设备及其实施方法。
背景技术
直剪设备已经广泛地应用于岩土工程中的土工试验，以确定各类土工材料的剪切强度和确定各材料之间的界面剪切特性，有操作简单且数据准确等特性，是对于各类颗粒土样强度指标的确定的主要试验方法。然而，由于当前制造的小型直剪设备尺寸过小不能消除土体边界受力条件的影响，而大型直剪设备法向压力的施加使用千斤顶不能准确的得出压应力的变化情况且在剪切试验开始时法向压力掉压严重的情况不能解决，这就造成法向应力的精准测定比较困难，从而导致了应用对象在设计时过于保守，造成了大量的人力物力资源的浪费。
随着社会经济的发展，地基基础的尺寸规模越来越大，传统界面剪切试验因剪切界面过小而带来的变异性对设计的影响也越来越显著；同时，随着设计理论水平的提升，结构物-地基土体之间的界面剪切和摩擦设计已由传统定工况恒定载荷控制逐渐向全过程动态荷载控制转变，此时结构物-地基土体之间的界面法向压力也随之不断不换，这就使得大型基底剪切试验设备的应用前景非常的广阔。如果我们能够解决上段提出的技术瓶颈，那么会使得大尺度地基基础的设计更加合理，对于推进我国基础设施的建设与发展有着很大的益处，社会经济效益显著。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种大型界面剪切设备，该设备能够实现准确获得不同材料之间的界面剪切特性。
本发明的另一目的是提供一种采用上述大型界面剪切设备开展不同材料界面剪切试验的实施方法。
技术方案：本发明所述的一种大型界面剪切设备，包括：
平台装置，其具有支撑槽和滑轨装置；
剪切盒装置，其包括下剪切盒和上剪切盒，所述下剪切盒设置于所述支撑槽内，所述上剪切盒安装在所述滑轨装置上并通过所述滑轨装置支撑于所述下剪切盒的上方水平滑动；
法向压力加载装置，其安装在所述上剪切盒上，包括气压增压缸、压力加载板和法向压力传感器；所述气压增压缸连接所述压力加载板，通过所述压力加载板向所述上剪切盒施加法向压力；
水平伺服推拉装置，其设置于所述平台装置上并连接所述上剪切盒，包括伺服电缸和水平力传感器，所述伺服电缸用于向所述上剪切盒内部施加方向与所述滑轨装置滑动方向一致的水平驱动力；
气压传输系统，其为所述气压增压缸提供动力源；
控制系统，其控制所述法向压力加载装置和所述水平伺服推拉装置，接收并处理所述法向压力加载装置和所述水平伺服推拉装置的数据。
在一种实施方式中，所述平台装置包括平台框架，所述平台框架的顶部下凹形成所述支撑槽。
其中，所述滑轨装置包括两条轨道和滑动设置在所述轨道上的滑块，所述两条轨道设置在所述平台框架的顶部并分别位于所述支撑槽的两侧，所述上剪切盒连接在所述滑块上。
所述平台装置还包括用于固定所述伺服电缸的反力挡板，所述反力挡板安装于所述平台框架的顶部。
所述法向压力加载装置还包括用于固定所述气压增压缸的反力架，所述反力架可拆卸地连接在所述上剪切盒的两侧。
所述滑轨装置的滑动方向为所述下剪切盒和所述上剪切盒的长度方向，所述下剪切盒的长度较所述上剪切盒的长度长。
所述气压传输系统包括空气压缩机、气压调节阀以及连接气管，所述空气压缩机通过所述连接气管给所述气压增压缸输送压缩空气，并通过所述气压调节阀调节输气的压力。
所述控制系统包括电气控制柜、数据传输线、数据接收与处理设备，所述电气控制柜分别控制法向压力加载装置与水平伺服推拉装置工作，并将采集的数据通过数据传输线传输给数据接收与处理设备。
所述反力架上设置有用于搬运所述法向力加载装置的抬杆；所述平台装置还包括托架装置，所述托架装置安装在所述平台框架的顶部。
对应于上述大型界面剪切设备，本发明提供的一种采用上述设备开展不同材料界面剪切试验的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将界面剪切试验材料中强度较大的材料放入下剪切盒；
(2)将界面剪切试验材料中强度较弱的材料放入上剪切盒；
(3)通过气压传输系统为所述气压增压缸提供压缩空气，气压增压缸驱动压力加载板对上剪切盒中材料施加压力；这个过程中，根据需要调整法向压力至所需值或者实时动态调整法向压力值；
(4)伺服电缸工作并对上剪切盒施加水平驱动力，并通过控制系统将法向压力传感器、水平力传感器以及伺服电缸数据汇总传输至数据接收与处理设备，最终获得界面剪切试验结果。
有益效果：与现有技术相比，本发明将界面剪切设备大型化，能有效的改善边界效应对于剪切试验数据的影响，且能做到超长距离的单向剪切和双向循环剪切。本发明采用气压增压缸施加法向压力荷载，在剪切过程中当法向压力出现下降时，气压增压缸会根据设定压力值自动进行补压，弥补了传统油压千斤顶施加法向压力出现掉压而不能补压的不足；同时，该设备的不仅能实时监控法向压力反馈值，还可以在剪切试验过程中动态调整法向压力荷载，进而模拟实际工程的全过程荷载工况，使得采用该设备所开展的界面剪切试验更具有实用价值。
此外，与现有试验设备设置限位凹槽加滚珠的方法连接上、下剪切盒相比，该设备的上、下剪切盒是通过滑轨装置进行连接，极大地降低了剪切过程中的上剪切盒滑动摩擦力。并且滑轨装置也可以实现双向循环剪切功能，这是传统方式所不具备的，使得该设备通用性更好。
本发明的大型界面剪切设备制作原理简单，操作便利，自动化程度高，节约大量的测试时间，且无安全隐患。为大型界面剪切测试及其特性研究提供了一种全新的土工试验设备，所开展的界面剪切试验工况类型丰富，可满足常规及特殊工程的土工试验需求，推广应用潜力巨大。
附图说明
图1是本发明大型界面剪切设备的示意图；
图2是本发明大型界面剪切设备的平台装置正视图；
图3是本发明大型界面剪切设备的平台装置俯视图；
图4是本发明大型界面剪切设备的下剪切盒俯视图；
图5是本发明大型界面剪切设备的上剪切盒俯视图；
图6是本发明大型界面剪切设备中法向压力装置与剪切盒装置连接示意图；
图7是本发明大型界面剪切设备中水平伺服推拉装置与剪切盒装置连接示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本实施例公开一种大型界面剪切设备，包括平台装置1、剪切盒装置2、法向压力加载装置3、水平伺服推拉装置4、控制系统5、气压传输系统6。
具体的，平台装置1包括平台框架10、设置于平台框架10顶部的滑轨装置11、托架装置12以及与平台框架10底部相连的滚轮装置13。剪切盒装置2包括上剪切盒20、下剪切盒21。法向压力加载装置3包括气压增压缸30、法向压力传感器31、压力加载板32、用于连接上剪切盒装置20与气压增压缸30的反力架33、以及设置于反力架32上的抬杆34。水平伺服推拉装置4包括伺服电缸40、水平力传感器41。控制系统5包括电气控制柜50、数据传输线51、数据接收与处理设备52。气压传输系统6包括空气压缩机61、气压调节阀62、连接气管63。
一并参阅图2和图3所示，平台框架10主体为框架结构，全部采用强度等级为Q345及以上的方形钢管焊接而成，其顶层横梁101、中间横梁102、角立柱103以及顶层立柱104所形成的空间刚好能嵌入下剪切盒21。在下剪切盒21底部投影长边方向的中间横梁102上均匀焊接一系列托底横梁105，托底横梁105与中间横梁102垂直，且数量至少为2道，其目的是为了下剪切盒21嵌入平台框架10时更加稳固。
进一步的，在底层横梁106的外端延长焊接一根方形钢管，并在该延长钢管的一侧均匀焊接3个长度较短方形钢管、在另外一侧焊接一根斜向方形钢管与平台框架10连接，进而形成悬挑载重架107，目的是为了稳固放置电气控制柜50。
进一步的，在平台框架10短边方向的中间位置安装一个反力挡板108，反力挡板采用强度等级Q345及以上钢板，分别与上层短边横梁109及中间短边横梁110连接，同时上层短边横梁109与反力挡板108进一步焊接一对三角形加劲肋板，该反力挡板108主要用于固定伺服电缸40。
进一步的，在顶层横梁101表面安装滑轨装置11，其目的为了与上剪切盒连接。同时，在顶层横梁101表面还安装托架装置12，该托架装置由两个竖向钢管和一个水平钢板构成，其目的是用于临时摆放法向压力加载装置3。
再一并参阅图1、图4和图5所示，剪切盒装置2包括上剪切盒20、下剪切盒21，均为强度等级Q345及以上钢板拼接而成的矩形箱体结构。其中，上剪切盒20顶面与底面均敞开，而下剪切盒21顶面敞开，设有底板。两者宽度一致，但下剪切盒21比上剪切盒20至少长10cm。同时，上剪切盒20两侧下边缘安装有一对水平放置的固定翼板201，固定翼板201为强度等级Q345及以上钢板，且预留螺栓孔以便于通过螺栓连接方式与滑轨装置11的滑块固定。
如图6所示，在上剪切盒20中固定翼板201上方，通过螺栓连接方式分别设置一对定位搁板202，定位搁板202长度略大于反力架33底部长度即可，其材质与固定翼板201一致。
进一步参阅图6和图7，反力架33是类似门式刚架结构，由上下矩形、中间梯形过渡形式的两块侧面钢板与顶面矩形钢板拼接而成，钢板强度等级为Q345及以上。同时，在反力架33的两侧面钢板处各分别设置一对钢棒组成的抬杆34，用于将法向压力加载装置3搬运至所述托架装置12上。
其中，反力架33的底部水平放置于定位搁板202上后，两侧面钢板通过螺栓与上剪切盒20两侧固定连接，同时其顶面钢板与气压增压缸30固定连接。进一步的，气压增压缸30的顶杆与法向压力传感器31一端连接，而法向压力传感器31的另外一端与压力加载板32相连。
如图1和图7所示，伺服电缸40水平放置于平台框架10表面并与反力挡板108通过螺栓连接固定。进一步的，伺服电缸40的顶杆与水平力传感器41一端连接，而水平力传感器41的另外一端与上剪切盒20侧壁加劲垫板42连接，加劲垫板42位于上剪切盒20侧壁中间位置，其目的是为了上剪切盒20侧壁受力均匀，避免应力集中而产生较大的局部变形从而影响相对位移的监测。
如图1所示，气压传输系统6为气压增压缸30输入压缩空气以保证具备法向压力输出，电气控制柜50分别控制法向压力加载装置3与水平伺服推拉装置4工作，并将采集的数据通过数据传输线51传输给数据接收与处理设备52。
本实施例还提供一种采用上述大型界面剪切设备开展不同材料界面剪切试验的实施方法，包括如下步骤：
(1)通过抬杆将法向压力加载装置整体搬运至托架装置上；
(2)将界面剪切试验材料中强度较大的材料放入下剪切盒；
(3)通过抬杆再次将法向压力加载装置从托架装置上搬运并放置在定位搁板上，并通过螺栓与上剪切盒连接并固定；
(4)将界面剪切试验材料中强度较弱的材料放入上剪切盒；
(5)开启空气压缩机为气压增压缸输入压缩空气，随后气压增压缸工作并通过压力加载板对上剪切盒中材料施加压力；这个过程中，可以通过气压调节阀门将法向压力调整至所需值；此外，试验过程中也可以实时动态调整法向压力值。
(6)伺服电缸工作并对上剪切盒施加水平推力，通过电气控制柜将压力传感器、水平力传感器以及伺服电缸数据汇总并通过数据传输线传输至数据接收与处理设备，最终获得界面剪切试验结果。
Claims (10)
1.一种大型界面剪切设备，其特征在于，包括：
平台装置(1)，其具有支撑槽和滑轨装置(11)；
剪切盒装置(2)，其包括下剪切盒(21)和上剪切盒(20)，所述下剪切盒(21)设置于所述支撑槽内，所述上剪切盒(20)安装在所述滑轨装置(11)上并通过所述滑轨装置(11)支撑于所述下剪切盒(20)的上方水平滑动；
法向压力加载装置(3)，其安装在所述上剪切盒(20)上，包括气压增压缸(30)、压力加载板(32)和法向压力传感器(31)；所述气压增压缸(30)连接所述压力加载板(32)，通过所述压力加载板(32)向所述上剪切盒(20)内部施加法向压力；
水平伺服推拉装置(4)，其设置于所述平台装置(1)上并连接所述上剪切盒(20)，包括伺服电缸(40)和水平力传感器(41)，所述伺服电缸(40)用于向所述上剪切盒(20)施加方向与所述滑轨装置(11)滑动方向一致的水平驱动力；
气压传输系统(6)，其为所述气压增压缸(30)提供动力源；
控制系统(5)，其控制所述法向压力加载装置(3)和所述水平伺服推拉装置(4)，接收并处理所述法向压力加载装置(3)和所述水平伺服推拉装置(4)的数据。
2.根据权利要求1所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述平台装置(1)包括平台框架(10)，所述平台框架(10)的顶部下凹形成所述支撑槽。
3.根据权利要求2所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述滑轨装置(11)包括两条轨道和滑动设置在所述轨道上的滑块，所述两条轨道设置在所述平台框架(10)的顶部并分别位于所述支撑槽的两侧，所述上剪切盒连接在所述滑块上。
4.根据权利要求2所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述平台装置(1)还包括用于固定所述伺服电缸(40)的反力挡板(108)，所述反力挡板(108)安装于所述平台框架(10)的顶部。
5.根据权利要求1所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述法向压力加载装置(3)还包括用于固定所述气压增压缸(30)的反力架(33)，所述反力架(33)可拆卸地连接在所述上剪切盒(20)的两侧。
6.根据权利要求1所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述滑轨装置(11)的滑动方向为所述下剪切盒(21)和所述上剪切盒(20)的长度方向，所述下剪切盒(21)的长度较所述上剪切盒(20)的长度长。
7.根据权利要求1所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述气压传输系统(6)包括空气压缩机(61)、气压调节阀(62)以及连接气管(63)，所述空气压缩机(61)通过所述连接气管(63)给所述气压增压缸(30)输送压缩空气，并通过所述气压调节阀(62)调节输气的压力。
8.根据权利要求1所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述控制系统(5)包括电气控制柜(50)、数据传输线(51)、数据接收与处理设备(52)，所述电气控制柜(50)分别控制法向压力加载装置(3)与水平伺服推拉装置(4)工作，并将采集的数据通过数据传输线(51)传输给数据接收与处理设备(52)。
9.根据权利要求5所述的大型界面剪切设备，其特征在于，所述反力架(33)上设置有用于搬运所述法向力加载装置(3)的抬杆(34)；所述平台装置(1)还包括托架装置(12)，所述托架装置(12)安装在所述平台框架(10)的顶部。
10.一种采用权利要求1所示的大型界面剪切设备开展不同材料界面剪切试验的实施方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将界面剪切试验材料中强度较大的材料放入下剪切盒；
(2)将界面剪切试验材料中强度较弱的材料放入上剪切盒；
(3)通过气压传输系统为所述气压增压缸提供压缩空气，气压增压缸驱动压力加载板对上剪切盒中材料施加压力；这个过程中，根据需要调整法向压力至所需值或者实时动态调整法向压力值；
(4)伺服电缸工作并对上剪切盒施加水平驱动力，并通过控制系统将法向压力传感器、水平力传感器以及伺服电缸数据汇总传输至数据接收与处理设备，最终获得界面剪切试验结果。
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