CN1529144A - 一种粗粒土直剪仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试粗粒土的抗剪强度的应变控制式和应力控制式的大型粗粒土直剪仪，它包括底座、下剪盒、上剪盒、传压板、滚动支撑、水平加载装置和安装在横梁上的垂直加载装置，所述垂直加载装置加载的载荷由测量下剪盒或/和上剪盒位移的位移传感器控制。利用该位移量的测量值即间接得到了剪切面积的减小值，用以控制垂直加载装置的加载力的大小，即可使垂直正应力动态的保持恒定。由于采用了上述方式，使得垂直正应力可以动态的保持恒定，其试验的基本条件与理论要求的库伦抗剪强度定律的条件一致，使试验结果中由于垂直正应力不恒定产生的失真和误差被消除，直剪试验可以比较真实的反映岩、土的实际抗剪特性。

Description

一种粗粒土直剪仪

技术领域

本发明涉及一种测试粗粒土的抗剪强度的装置，尤其是应变控制式和应力控制式的大型粗粒土直剪仪。

背景技术

目前，直剪试验是岩石、土等的抗剪强度参数测试的传统技术手段。然而由于传统的粗粒土直剪仪一般上、下剪盒中的一个是固定的(通常是上盒)，另一个是活动的。当使用传统的粗粒土直剪仪进行岩石、土等的抗剪强度的测试时，在试验过程中随着剪切位移的发生和发展，剪切位移逐步增大，活动剪盒逐渐偏离原位，剪切面中心移位且剪切面面积逐步缩小，而此时垂直加载装置的位置没有发生变化，施加在上剪盒上的垂直正应力的中心位置和垂直加载力的大小也没有改变，也就是说为了满足试验过程中正应力保持不变的条件，传统的方法是恒定垂直荷载，但试验过程中剪切面的逐渐缩小必然导致正应力的相应增高。移动后的剪切面的减小造成单位面积的正应力的值逐步升高而并非为一个恒定值，这与库伦抗剪强度定律的基本条件严重不符，并使试验结果产生失真和误差。因此现今的直剪试验技术手段、技术设备与理论要求的条件有一定差距，可以说以往的直剪试验不能完全真实的反映岩、土的实际抗剪特性。虽然当剪切位移比较小的时候剪切面积的减少不多，引起的失真和误差可以接受，并且这一手段仍然为工程所应用，但失真和误差是存在的。在使用超大型直剪仪时，要求最大剪切位移较大如达到50cm以上或大剪盒边长的一半时，问题尤为突出。这时如果再使用传统的设计理念和技术方法去制造设备，去进行试验，引起的误差将十分巨大，这已经成为制约直剪试验这种传统技术手段发展和工程应用的重大技术难题。另外，剪切移动后造成的剪切面中心与垂直加载装置加载的垂直正应力的中心不重合也是造成试验结果失真和误差大的一个重要的原因。此外，传统的粗粒土直剪仪的上、下剪盒之间的支撑为在上、下剪盒的侧壁板内加工出安装滚子的沟槽，将滚子安装在沟槽内用于支撑上剪盒，但这样的支撑结构无法在滚子上加装滚子保持架，使得滚子之间的距离容易随着滚子的移动而改变，从而使各个滚子的受力不均匀。还因为试验用的岩石、岩土等容易从上、下剪盒之间的缝隙处进入滚道而阻塞滚子，故使用和维护相当麻烦和不便。

发明内容

为了克服现有粗粒土直剪仪在试验过程中随着剪切位移的发生其剪切面积逐步减小，导致了垂直正应力随着剪切面积的减小而逐步增大的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种在试验过程中垂直正应力保持恒定的粗粒土直剪仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种粗粒土直剪仪，包括底座、下剪盒、上剪盒、传压板、滚动支撑、水平加载装置和安装在横梁上的垂直加载装置，所述垂直加载装置加载的载荷由测量下剪盒或/和上剪盒位移的位移传感器控制。当仅仅是上剪盒或下剪盒中的一个为活动时，上述位移传感器只需测量活动的上剪盒或下剪盒的位移量即可；当上剪盒和下剪盒均为活动的，则需要测量上剪盒与下剪盒之间的相对位移量；当上剪盒和下剪盒均为活动的且上剪盒和下剪盒的位移大小相等方向相反时，既可以只测量上剪盒或下剪盒的位移量，也可以测量上剪盒与下剪盒之间的相对位移量。利用该位移量的测量值即间接得到了剪切面积的减小值，用以控制垂直加载装置的加载力的大小，即可使垂直正应力动态的保持恒定。

本发明的有益效果是，由于采用了通过位移传感器间接测量剪切面积的减小值并用该测量值来控制垂直加载装置的加载力的大小的方式，使得垂直正应力可以动态的保持恒定，其试验的基本条件与理论要求的库伦抗剪强度定律的条件一致，使试验结果中由于垂直正应力不恒定产生的失真和误差被消除，直剪试验可以比较真实的反映岩、土的实际抗剪特性。

附图说明

图1是本发明的控制原理方框图。

图2是本发明的一种具体实施方式的控制原理方框图。

图3是本发明的粗粒土直剪仪的主视图。

图4是图3的左视图。

图5是图3A处的局部放大图。

图6是图4B处的局部放大图。

图7是图4C处的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明的粗粒土直剪仪，包括底座1、下剪盒2、上剪盒3、传压板4、滚动支撑5、水平加载装置9和安装在横梁6上的垂直加载装置7，所述垂直加载装置7加载的载荷由测量下剪盒2、上剪盒3的绝对位移或下剪盒2与上剪盒3之间的相对位移的传感器31控制。当仅仅是上剪盒或下剪盒中的一个为活动时，上述位移传感器只需测量活动的上剪盒或下剪盒的位移量即可；当上剪盒和下剪盒均为活动的，则需要测量上剪盒与下剪盒之间的相对位移量；当上剪盒和下剪盒均为活动的且上剪盒和下剪盒的位移大小相等方向相反时，既可以只测量上剪盒或下剪盒的位移量，也可以测量上剪盒与下剪盒之间的相对位移量。利用该位移量的测量值即间接得到了剪切面积的减小值，用以控制垂直加载装置的加载力的大小，即可使垂直正应力动态的保持恒定。

上述位移传感器31可以是变阻器、感应变压器、感应同步器、光栅、磁栅、容栅、球栅中的任意一种。所述位移传感器31设置在检测下剪盒2和上剪盒3之间的相对移动的表面上，其检测的位置可以是下剪盒2和上剪盒3的外表面之间，也可以是与下剪盒2和上剪盒3位移同步的其他表面之间，只要能够准确方便的测量出上述位移量即可。

所述位移传感器31测量到的位移量信号通过现有的信号处理电路32运算和处理并经放大电路33放大后，送到垂直加载装置7的控制电路34用于控制垂直加载装置7的加载力的大小。垂直加载装置7可以是液压油缸、步进电机、伺服电机或其他机械加载装置，当垂直加载装置7采用液压油缸时，上述控制电路34为液压控制电路，位移传感器31测量到的位移量信号通过现有的信号处理电路32运算和处理并经放大电路33放大后，与液压控制电路中的电液比例压力阀35电连接，用以控制电液比例压力阀35的开启比例，通过电液比例压力阀35与垂直加载装置7的液压油缸之间的油路连接来达到控制垂直加载装置7的加载力的大小的目的。

本发明的粗粒土直剪仪，其所述传压板4与上剪盒3之间设置有上滚轴排8，下剪盒2和上剪盒3分别与加载力的方向相反的水平加载装置9连接。下剪盒2和上剪盒3均为活动的，通过水平加载装置9施加在下剪盒2和上剪盒3上的方向相反的水平加载力，下剪盒2和上剪盒3做相反方向的移动；当水平加载装置9施加在下剪盒2和上剪盒3上的水平加载力比例适当时，即可达到下剪盒2和上剪盒3的绝对位移量相等而位移方向相反，因而其剪切面中心即可不产生偏移，这样即锁定了剪切面中心位置。

所述水平加载装置9可以是分别作用于下剪盒2和上剪盒3的加载装置，如采用惯常使用的伺服装置控制的两个油缸来分别与下剪盒2和上剪盒3连接，用以推动下剪盒2和上剪盒3作方向相反但绝对位移量相同的运动；也可以利用作用力和反作用力大小相等而方向相反的原理，采用丝杠螺母副、液压油缸等动力装置来作为水平加载装置9。当采用液压油缸作为水平加载装置9时，所述液压油缸的缸体10和活塞杆11分别与下剪盒2、上剪盒3相连，从而使得下剪盒2与上剪盒3受到大小相等、方向相反的作用力和反作用力的作用，从而减小了随剪切位移的发生而产生的剪切面中心偏移，如图3所示。

为了进一步的锁定剪切面中心位置，所述下剪盒2与上剪盒3之间还设置有使下剪盒2和上剪盒3位移量相等而方向相反的同步位移装置12。该同步位移装置12可以通过常用的闭环控制的伺服装置、液压随动装置等实现，也可以通过机械的方式实现，如图3所示。

采用机械的方式时，可以将所述同步位移装置12设置在与下剪盒2和上剪盒3运动方向平行的下剪盒2和上剪盒3的侧面13，可以只是在一个侧面13上设置，但最好同时在两个侧面13上均设置，这样有利于作用力的平衡。该同步位移装置12包括固定在上剪盒3上的上齿条14、固定在下剪盒2上的下齿条15以及同时与上齿条14和下齿条15啮合的齿轮16，齿轮16空套在固定轴17上，固定轴17固定在侧粱18上，该侧粱18与横梁6以及底座1连接为一个整体，因而当上齿条14或下齿条15中的任意一个齿条移动时，都会通过与其啮合的齿轮16使另一个齿条向相反的方向移动同样的距离，故达到了上剪盒3与下剪盒2同步反向位移的目的，如图3、图4、图5、图6所示。

所述滚动支撑5设置在与下剪盒2和上剪盒3运动方向平行的下剪盒2和上剪盒3的两个侧面13上，它包括固定在上剪盒3上的上支撑19、固定在下剪盒2上的下支撑20以及滚子21；上支撑19、下支撑20沿其运动方向相对平行布置，在上支撑19、下支撑20相对的面上设置有与滚子21适配的滚道槽23、24，在一个滚道槽内至少设置有两个滚子21，一般是按一定的长度排放的多个滚子。所述滚子21上设置有滚子保持架22，滚子保持架22为惯常采用的薄板结构，其上设置有与滚子21的数量相当的、按一定的距离间隔排列的矩形孔，矩形孔的长度略大于滚子21的长度，矩形孔的宽度略小于滚子21的直径。这样，将滚子保持架22放在滚子上，使滚子穿过其上的矩形孔，使得滚子21与滚子21之间的距离通过滚子保持架22保持恒定，从而使各个滚子21的受力均匀，如图3、图4、图5、图6所示。

此外，为了降低局部侧向分力对上剪盒3和下剪盒2的运动方向的干扰和影响，本发明的粗粒土直剪仪还设置有导向限位装置25，所述导向限位装置25固定在侧粱18上并通过滚轮26与上支撑19或下支撑20的侧面接触。通过滚轮26与上支撑19或下支撑20的侧面接触，来起到限位和导向的作用，如图6所示。

所述上滚轴排8由设置在上、下支撑板上的两道滚轴槽29、30内的两排上滚子27组成，上、下支撑板与滚子27形成上滚轴排8。每排上滚子27上均设置有上滚子保持架28，上滚子保持架28也为惯常采用的薄板结构，其上设置有与上滚子27的数量相当的、按一定的距离间隔排列的矩形孔，矩形孔的长度略大于上滚子27的长度，矩形孔的宽度略小于上滚子27的直径。这样，将上滚子保持架28放在上滚子27上，使上滚子27穿过其上的矩形孔，使得上滚子27之间的距离通过上滚子保持架28保持恒定，从而使各个上滚子27的受力均匀，如图7所示。

实施例：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明的粗粒土直剪仪，包括底座1、下剪盒2、上剪盒3、传压板4、滚动支撑5、水平加载装置9和安装在横梁6上的垂直加载装置7，所述垂直加载装置7加载的载荷由测量下剪盒2与上剪盒3之间的相对位移的传感器31控制。利用该位移量的测量值即间接得到了剪切面积的减小值，用以控制垂直加载装置的加载力的大小，即可使垂直正应力动态的保持恒定。

垂直加载装置7采用液压油缸，位移传感器31测量到的位移量信号通过现有的信号处理电路32运算和处理并经放大电路33放大后，与液压控制电路中的电液比例压力阀35电连接，用以控制电液比例压力阀35的开启比例，通过电液比例压力阀35与垂直加载装置7的液压油缸之间的油路连接来达到控制垂直加载装置7的加载力的大小的目的。

本发明的粗粒土直剪仪，所述传压板4与上剪盒3之间设置有上滚轴排8，下剪盒2和上剪盒3分别与加载力的方向相反的水平加载装置9连接。下剪盒2和上剪盒3均为活动的，通过水平加载装置9施加在下剪盒2和上剪盒3上的方向相反的水平加载力，下剪盒2和上剪盒3做相反方向的移动。

所述水平加载装置9采用液压油缸，所述液压油缸的缸体10和活塞杆11分别与下剪盒2、上剪盒3相连，上述位移传感器31采用感应变压器，所述位移传感器31设置缸体10和活塞杆11之间的表面上，如图3所示。

所述下剪盒2与上剪盒3之间还设置有使下剪盒2和上剪盒3位移量相等而方向相反的同步位移装置12。所述同步位移装置12设置在与下剪盒2和上剪盒3运动方向平行的下剪盒2和上剪盒3的侧面13上，且同时在两个侧面13上均设置。该同步位移装置12包括固定在上剪盒3上的上齿条14、固定在下剪盒2上的下齿条15以及同时与上齿条14和下齿条15啮合的齿轮16，齿轮16空套在固定轴17上，固定轴17固定在侧粱18上，该侧粱18与横梁6以及底座1连接为一个整体，如图3、图4、图5、图6所示。

所述两个滚动支撑5设置在与下剪盒2和上剪盒3运动方向平行的下剪盒2和上剪盒3的两个侧面13上，它包括固定在上剪盒3上的上支撑19、固定在下剪盒2上的下支撑20以及滚子21；上支撑19、下支撑20沿其运动方向相对平行布置，在上支撑19、下支撑20相对的面上设置有与滚子21适配的滚道槽23、24，在一个滚道槽内设置有按一定的长度排放的多个滚子。所述滚子21上设置有滚子保持架22，滚子保持架22为惯常采用的薄板结构，其上设置有与滚子21的数量相当的、按一定的距离间隔排列的矩形孔，矩形孔的长度略大于滚子21的长度，矩形孔的宽度略小于滚子21的直径。这样，将滚子保持架22放在滚子上，使滚子穿过其上的矩形孔，使得滚子21与滚子21之间的距离通过滚子保持架22保持恒定，从而使各个滚子21的受力均匀，如图3、图4、图5、图6所示。

本发明的粗粒土直剪仪还设置有导向限位装置25，所述导向限位装置25固定在侧粱18上并通过滚轮26与上支撑19或下支撑20的侧面接触。通过滚轮26与上支撑19或下支撑20的侧面接触，来起到限位和导向的作用，如图6所示。

所述上滚轴排8由设置在上、下支撑板上的两道滚轴槽29、30内的两排上滚子27组成，上、下支撑板与滚子27形成上滚轴排8。每排上滚子27上均设置有上滚子保持架28，上滚子保持架28也为惯常采用的薄板结构，其上设置有与上滚子27的数量相当的、按一定的距离间隔排列的矩形孔，矩形孔的长度略大于上滚子27的长度，矩形孔的宽度略小于上滚子27的直径。这样，将上滚子保持架28放在上滚子27上，使上滚子27穿过其上的矩形孔，使得上滚子27之间的距离通过上滚子保持架28保持恒定，从而使各个上滚子27的受力均匀，如图7所示。

Claims (10)

1、一种粗粒土直剪仪，包括底座(1)、下剪盒(2)、上剪盒(3)、传压板(4)、滚动支撑(5)、水平加载装置(9)和安装在横梁(6)上的垂直加载装置(7)，其特征是：所述垂直加载装置(7)加载的载荷由测量下剪盒(2)或/和上剪盒(3)位移的位移传感器(31)控制。

2、如权利要求1所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述位移传感器(31)设置在检测下剪盒(2)和上剪盒(3)之间的相对移动的表面上。

3、如权利要求1或2所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述位移传感器(31)通过信号处理电路(32)、放大电路(33)与垂直加载装置(7)的控制电路(34)电连接。

4、如权利要求3所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述垂直加载装置(7)为液压油缸，所述控制电路(34)为液压控制电路，位移传感器(31)通过信号处理电路(32)、放大电路(33)与液压控制电路中的电液比例压力阀(35)电连接，电液比例压力阀(35)与垂直加载装置(7)的液压油缸之间油路连接。

5、如权利要求1所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述位移传感器(31)为变阻器、感应变压器、感应同步器、光栅、磁栅、容栅、球栅中的任意一种。

6、如权利要求1所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述传压板(4)与上剪盒(3)之间设置有上滚轴排(8)，所述上滚轴排(8)由设置在两道滚轴槽(29、30)内的两排上滚子(27)组成，下剪盒(2)和上剪盒(3)分别与加载力的方向相反的水平加载装置(9)连接。

7、如权利要求6所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述水平加载装置(9)为液压油缸，所述液压油缸的缸体(10)和活塞杆(11)分别与下剪盒(2)、上剪盒(3)相连。

8、如权利要求6或7所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述下剪盒(2)与上剪盒(3)之间还设置有使下剪盒(2)和上剪盒(3)位移量相等而方向相反的同步位移装置(12)。

9、如权利要求8所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述同步位移装置(12)设置在与下剪盒(2)和上剪盒(3)运动方向平行的下剪盒(2)和上剪盒(3)的侧面(13)，它包括固定在上剪盒(3)上的上齿条(14)、固定在下剪盒(2)上的下齿条(15)以及同时与上齿条(14)和下齿条(15)啮合的齿轮(16)，齿轮(16)空套在固定轴(17)上，固定轴(17)固定在侧粱(18)上。

10、如权利要求1所述的粗粒土直剪仪，其特征是：所述滚动支撑(5)设置在与下剪盒(2)和上剪盒(3)运动方向平行的下剪盒(2)和上剪盒(3)的两个侧面(13)上，它包括固定在上剪盒(3)上的上支撑(19)、固定在下剪盒(2)上的下支撑(20)以及滚子(21)，上支撑(19)、下支撑(20)相对应的面上设置有与滚子(21)适配的滚道槽(23、24)，在一个滚道槽内至少设置有两个滚子(21)。

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