CN1254669C - 双杠杆加载原位土直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种简便且精确的野外双杠杆加载原位土体直剪仪。使用环刀切样，采用双杠杆系统施加法向力，支于滑轮架上的双杠杆施压系统能在试样发生剪切位移时保证法向力的垂直，且法向力施加均匀；采用单杠杆加螺杆系统施加切向力，与环刀外拉力环相连的滑轮能保证单杠杆加螺杆系统施加剪切力方向水平，且切向力连续平稳。法向加力系统无需反力系统，杠杆长度小，所需砝码重量轻。切向加力系统只用人力，加力平稳，操作性强。法向加力系统和切向加力系统均采用装配式，便于野外操作。这种试验装置能够进行原位土的快剪，排水固结快剪与慢剪试验，且简便精确、操作性强。

Description

双杠杆加载原位土直剪仪

技术领域  土力学试验技术领域

背景技术  现有的土力学原位剪切试验主要有两种：一种是十字板剪切试验；另外一种是现场土体大型推剪试验。十字板剪切试验是用不锈钢的矩形十字板或倒角十字板压进钻孔底(或是地面)的粘土中，在十字板上作用一个力矩，使十字板发生转动，土体发生剪切破坏，根据十字板直径、高度与转距计算完全饱和粘土的不排水抗剪强度τ_f，但是不能测出土体粘聚力C、摩擦角值。

现场土体大型推剪试验没有固定标准的设备，一般使用液压泵、千斤顶、木板、钢板等，法向压力装置常采用反力架或试坑支反力梁。该方法能够得出土体粘聚力C、摩擦角值，但缺点是经费、时间和人工耗费较多，设备笨重，操作性不强。

总之，上述目前两种土力学原位试验的两种方法，前者只能测试饱和软粘土的不排水抗剪强度，但不能测出土体粘聚力C、摩擦角值；后者测试设备笨重，费时费力，操作性较差。两种方法均不能满足大量精确的土力学原位试验要求。

发明内容  本发明提供一种简便且精确的野外双杠杆加载原位土体直剪仪。使用环刀切样，采用双杠杆系统施加法向力，支于滑轮架上的双杠杆施压系统能在试样发生剪切位移时保证法向力的垂直，且法向力施加均匀；采用单杠杆加螺杆系统施加切向力，与环刀外拉力环相连的滑轮能保证单杠杆加螺杆系统施加剪切力方向水平，且切向力连续平稳。法向加力系统无需反力系统，杠杆长度小，所需砝码重量轻。切向加力系统只用人力，加力平稳，操作性强。法向加力系统和切向加力系统均采用装配式，便于野外操作。这种试验装置能够进行原位土的快剪，排水固结快剪与慢剪试验，且简便精确、操作性强。

双杠杆加载原位土直剪仪，其由如下几部分组成：原位土体试样部分，由环刀1、试件2、法向压力盖3、拉力环4、应力计5和百分表6组成，试验时首先装好上述部分和仪器支架；双杠杆法向加压系统，由一级法向压力杠杆8、二级增益天平式杠杆9、拉力杆16和砝码盘组成，以转轴置于杠杆支柱20上；单杠杆加螺杆切向加压系统，由T型旋转螺旋拉力杆17、水平转轴母螺杆18、水平转轴承拉头19、切向拉力杠杆10和钢拉杆7构成，其中水平转轴母螺杆18以水平轴固定于支架上，切向拉力杠杆10通过杠杆支撑转轴14固定于支架上；双杠杆滑轮架部分，滑轮架位于滑轮导轨12上，所述滑轮架由滑轮组11-11和两根高度可调节的杠杆支柱20构成，滑轮架近土样一端用连接装置与拉力环连接，拉力环外设置可垂向移动的滑轮21，以使剪切力保持水平。

基本原理与技术：根据土力学剪切试验原理，试样法向压力必须恒定且始终垂直，切向力连续平稳且要保持水平。采用双杠杆法向加压系统和单杠杆加螺杆切向加压系统可以保证以上要求。

双杠杆法向加压系统分为二级杠杆，杠杆支撑转轴14固定，一级法向压力杠杆8设计力臂比为1∶5，二级增益天平式杠杆9设计力臂比为1∶6，则双杠杆可提供力臂比为1∶30，试样采用20cm²的环刀切取，设计砝码最大质量6Kg(58.84N)即能达到18Mpa的法向压力。双杠杆施压系统支于滑轮架上，滑轮架与环刀相连，当试样发生剪切位移时，双杠杆施压系统与试样一起运动，保证了法向力的垂直。

单杠杆加螺杆切向加压系统包括单杠杆和螺杆，水平转轴母螺杆18和杠杆支撑转轴14固定，单杠杆设计力臂比为1∶5，螺杆力臂比为1∶10，单杠杆加螺杆系统可提供力臂比为1∶50，当T型旋转螺旋拉力杆17施加21.1N(2.15Kg)的力时，则可得到2110N(215.16Kg)的剪切力。单杠杆加螺杆系统与拉力环4相连，拉力环4套在环刀1上，拉力环4与环刀1之间有应力计5，拉力环4和钢拉杆7之间有可垂向移动的滑轮21，当单杠杆加螺杆系统加力发生转动时，滑轮21垂向滑动，使剪切力始终水平。

法向力可由砝码重量与双杠杆力臂比算出，切向力由应力计读出，水平位移可由百分表读出。

附图说明  1：环刀；2：试件；3：顶部带轴的试件法向压力盖；4：套在环刀外带上下移动小轮的拉力环；5：位于环刀与拉力环间的应力计；6：百分表或千分表；7：两端带转轴孔钢拉杆；8：一级法向压力杠杆；9：二级增益天平式杠杆；10：切向拉力杠杆；11：滑轮与导轨滑轮与支架的连接；12：滑轮导轨；13：砝码；14：杠杆支撑转轴；15：轴孔；16：两端带孔拉力杆；17：带旋转手柄的螺旋拉力杆；18：固定于支架的有水平转轴的母螺杆；19：带水平转轴与螺杆17插孔的承拉头；20：可调高的杠杆支柱；21：与拉力环相连可垂向运动的滑轮

具体实施方式  1.装好仪器后，在砝码盘上加砝码，对法向施压二级杠杆系统先进行调平。

2.根据试验要求的某级压力在砝码盘上放置砝码13。砝码13通过二级增益天平式杠杆9和一级法向压力杠杆8对土样施加法向压力。

3.根据具体试验要求，旋转T型旋转螺旋拉力杆17手柄，使切向拉力杠杆10转动，产生水平拉力，通过钢拉杆7作用在拉力环上。切向拉力杠杆10转动，拉力环4外滑轮21作垂向运动使拉力保持水平。环刀外的应力计5记下读数，百分表6读出相应剪切力的位移值。拉力环4移动带动滑轮导轨12，使法向压力始终垂直。逐渐旋转T型旋转螺旋拉力杆17手柄，施加越来越大的剪应力并读出相应位移，直至应力值不变或下降时，表明试件已被剪断。其最大拉力即为剪断时的拉力与滑轮导轨12摩擦力之和，利用事先测得的轮轨摩擦系数，可算出摩擦力，从而算出剪应力。

4.由于切向拉力杠杆10转动，两端力矩都在变化，其上端要装三向活动承拉头19，并与能两向活动的水平转轴母螺杆18相配套；下端则需要与拉力环相连可垂向移动的滑轮，以保持剪切力的水平。

5.剪断后反向旋转T型旋转螺旋拉力杆17手柄使切向拉力杠杆10复位，卸除法向荷载，并将土样置于原位，重置原法向荷载，进行残余强度试验。

Claims (5)

1.双杠杆加载原位土直剪仪，其由如下几部分组成：原位土体试样部分，由环刀(1)、试件(2)、法向压力盖(3)、拉力环(4)、应力计(5)和百分表(6)组成，试验时首先装好上述部分和仪器支架；双杠杆法向加压系统，由一级法向压力杠杆(8)、二级增益天平式杠杆(9)、拉力杆(16)和砝码盘组成，以转轴置于杠杆支柱(20)上；单杠杆加螺杆切向加压系统，由T型旋转螺旋拉力杆(17)、水平转轴母螺杆(18)、水平转轴承拉头(19)、切向拉力杠杆(10)和钢拉杆(7)构成，其中水平转轴母螺杆(18)以水平轴固定于支架上，切向拉力杠杆(10)通过杠杆支撑转轴(14)固定于支架上；双杠杆滑轮架部分，滑轮架位于滑轮导轨(12)上，所述滑轮架由滑轮组(11-11)和两根高度可调节的杠杆支柱(20)构成，滑轮架近土样一端用连接装置与拉力环(4)连接，拉力环(4)外设置可垂向移动的滑轮(21)，以使剪切力保持水平。

2.根据权利要求1所述的双杠杆加载原位土直剪仪，试件(2)在环刀(1)中受法向压力盖(3)承接双杠杆产生的法向压力，法向压力盖(3)与环刀(1)间有细微缝隙，不直接接触，当环刀(1)受拉移动时，不会产生拉动法向力系统的拉力矩；压力盖盖顶有轴孔与一级法向压力杠杆(8)相连，使杠杆转动产生的力垂直作用在试件上；环刀(1)与拉力环(4)之间放有应力计(5)，环刀(1)与百分表(6)的测头接触；拉力环(4)与滑轮架有连接装置，连接装置高度与拉力环(4)高度保持一致，拉力环(4)受拉位移时，连接装置拉动滑轮架同时移动。

3.根据权利要求1所述的双杠杆加载原位土直剪仪，双杠杆法向加压系统由一级法向压力杠杆(8)和二级增益天平式杠杆(9)组成，两者由拉力杆(16)通过轴孔(15)连接，一级法向压力杠杆(8)和二级增益天平式杠杆(9)均置于杠杆支柱(20)上，由杠杆支撑转轴(14)支撑；二级增益天平式杠杆(9)另一端挂有砝码盘，可先在其上放置砝码，将双杠杆系统进行调平，然后再放置砝码，施加法向压力。

4.根据权利要求1所述的双杠杆加载原位土直剪仪，单杠杆加螺杆切向加压系统由T型旋转螺旋拉力杆(17)、固定于支架上的切向拉力杠杆(10)、水平转轴母螺杆(18)、固定于切向拉力杠杆(10)一端的水平转轴承拉头(19)和钢拉杆(7)组成，旋转T型旋转螺旋拉力杆(17)的手柄，水平转轴承拉头(19)受水平转轴母螺杆(18)牵引绕水平轴运动，水平转轴承拉头(19)为三向活动承拉头，使切向拉力杠杆(10)转动，钢拉杆(7)产生剪切力。

5.根据权利要求1所述的双杠杆加载原位土直剪仪，双杠杆滑轮架部分有4个滑轮(11)，前后各两个，放于两条滑轮导轨(12)上，其可在导轨上移动，滑轮架前后各有一根杠杆支柱(20)，支柱高度可由螺丝杆调节高度，支柱顶端有轴孔可插入杠杆支撑转轴(14)。

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