CN203259425U

CN203259425U - 一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备

Info

Publication number: CN203259425U
Application number: CN 201320231288
Authority: CN
Inventors: 孔维耀; 刘斯宏; 王子健; 周斌; 王怡舒
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2023-04-28

Abstract

一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备。近年来，随着人们对粗粒料工程特性的不断研究，粗粒料已经广泛的应用于土石坝、铁路、桥梁、建筑等工程领域。但在粗粒料的力学特性方面仍存在不少问题需要解决。本大型叠环式水平循环单剪设备主要由自反力架，剪切盒，水平向电机和竖向电机制成，底盒置于刚性底板上，刚性底板与底盒之间安装滚轮，底盒通过刚性连接杆与水平向电机连接。利用本设备进行试验时，将粗粒料装入剪切盒内，上剪切环通过固定于侧边保护板上的挡板固定。本实用新型不仅可以进行大型单剪试验，而且可以进行大型压缩和水平循环剪切试验，研究粗粒料的压缩和静动力强度变形特性。

Description

一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备

一、技术领域

本实用新型属于测试粗粒料力学特性的技术领域，具体是涉及一种测试粗粒料单切条件下静力强度变形特性，压缩过程中压缩特性和水平循环剪切条件下动力强度变形特性以及利用该设备进行测试的试验方法。

二、背景技术

粗粒料在自然界分布广泛、储量丰富。由于粗粒料具有压实性能好、透水性强、填筑密度较大、抗剪强度高、沉陷变形较小、承载力较高及地震荷载作用下不易产生液化等优良工程特性，粗粒料在工程建设中尤其在土石坝工程中得到了广泛应用。目前我国在土石坝建设方面取得了巨大成就，然而由于粗粒料高压下存在颗粒破碎，在本质上说是不连续的，其力学性质非常复杂，至今没有一个公认的可用于粗粒料的本构模型和破坏准则，在粗粒料的力学特性方面仍有很多问题需要解决。目前常用的粗粒料力学性质测试方法有（1）大型静动三轴试验仪，该仪器是研究粗粒料工程特性较理想的试验设备。缺点有：不能反应中主应力的作用，实测值会比平面应变仪和真三轴仪偏低，并且试样制作及实际操作较复杂且费用较高。（2）大型直剪仪，该仪器本身具有结构简单、仪器刚度大、传力明确、操作简单、固结块、省时、费用低等优点，在实际工程中常利用直剪仪量测土体抗剪强度参数。主要缺点有：剪应力存在集中区、剪切面并非实际剪切面及实验过程不能严格控制排水等。（3）扭转剪切仪，扭转剪切仪可以在一个方向上产生无限大的位移，且剪切面积始终保持不变。其缺点有：试样尺寸一般较小，存在明显的尺寸效应，且扭剪仪是环向剪切，与试样的制备方向不同，存在一个剪切方向上的差异。

三、发明内容

本实用新型针对上述测试仪器存在的缺点：存在尺寸效应，破坏面单一，剪应力存在集中区，试样制作及实际操作较复杂且费用较高。本实用新型提供一种既能单剪，又能压缩和水平循环剪切，避免尺寸效应和破坏面固定，且试样制作及实际操作简单的大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备及利用该仪器进行测试的试验方法。

为解决以上的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备，其特征在于该设备由自反力架1，剪切盒2，上剪切环3，叠环组4，底盒5，刚性底板6，滚轮7，侧边保护板8，挡板9，顶盖10，刚性连接杆11，水平向拉压力传感器12，水平向位移传感器13，水平向电机14，竖向压力传感器15，竖向电机16，竖向位移传感器17，电机伺服控制器18，数据采集器19，定位孔20，可拆卸式滚轮21所制成；其中刚性底板6、水平向电机14和竖向电机16分别用螺栓固定安装在自反力架1上，水平向电机14和竖向电机16分别用导线与电机伺服控制器18相连接，剪切盒2由上剪切环3，叠环组4，底盒5组成，由八块叠环组成的叠环组4置于上剪切环3和底盒5之间，底盒5与刚性底板6之间安装滚轮7，剪切盒2的四个边角用四块L型的侧边保护板8分别用螺栓固定在刚性底板6上，四块挡板9用螺栓分别固定在四块侧边保护板8上，竖向电机16与竖向压力传感器15相连接，竖向位移传感器17用螺栓固定在竖向电机16上，顶盖10上表面与竖向位移传感器17的工作端相接触，水平向拉压力传感器12两端设有螺纹分别与刚性连接杆11的一端和水平向电机14相连，刚性连接杆11的另一端焊接在底盒5上，叠环组4侧边与四个水平向位移传感器13的工作端接触，水平向位移传感器13用螺栓固定在自反力架1上，水平向拉压力传感器12、水平向位移传感器13、竖向压力传感器15和竖向位移传感器17分别用数据线与数据采集器19相连，上剪切环3的一个侧壁、叠环组4中每块叠环的一个侧壁和底盒5的一个侧壁沿竖向均设有一个相应的定位孔20，叠环组4中八块叠环的两侧顶面和底盒5的两侧顶面均设有可拆卸式滚轮21。

利用上述大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备进行试验，其方法步骤如下：

1）将配好的粗粒料装入剪切盒2内，其中粗粒料最大粒径不超过60mm，将顶盖10置于粗粒料顶部；

2）装上水平向位移传感器13和竖向位移传感器17，将水平向位移传感器13工作端与叠环组4侧边相接触，将竖向位移传感器17的工作端与顶盖10上表面相接触，连接电机伺服控制器18和数据采集器19，检查它们能否正常工作；

3）通过电机伺服控制器18设定竖向电机16所施加的竖向压力，其值根据试验要求而定，通过电机伺服控制器，设定水平向剪切速度和剪切幅值，开始试验；

4）试验过程中，通过数据采集器19记录下水平循环剪切过程中的水平剪切力，水平位移和竖向位移随时间的变化。

通过以上技术方案，可实现以下有益效果：

（1）可以进行多种试验，既可以进行单剪试验，也可以进行压缩试验，还能进行水平循环剪切试验，模拟地震工况下水平剪切波作用，能够测试粗粒料的压缩和静动力强度变形特性；

（2）本实用新型由上剪切环、多个叠环和下剪切盒组成，环与环层面间均设有滚轮以减小摩擦，测试过程中环与环可以相互错动，避免破坏面固定在单一剪切面上；

（3）水平向拉压力传感器、竖向压力传感器、水平向位移传感器和竖向位移传感器与数据采集器相连，数据可以被直接记录下，可以得到粗粒料在测试过程中的应力应变关系及破坏规律；

（4）试样制作及测试操作简单，试样尺寸较大，可以忽略尺寸效应。

四、附图说明

图1 一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备结构示意图；

图2 本实用新型的剪切盒俯视图；

图3 本实用新型的剪切盒侧视图。

附图标记：1—自反力架；2—剪切盒；3—上剪切环；4—叠环；5—底盒；6—刚性底板；7—滚轮；8—侧边保护板；9—挡板；10—顶盖；11—刚性连接杆；12—水平向拉压力传感器；13—水平向位移传感器；14—水平向电机；15—竖向压力传感器；16—竖向电机；17—竖向位移传感器；18—电机伺服控制器；19—数据采集器；20—定位孔；21—可拆卸式滚轮。

五、具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

实施例1.

其中：

1）自反力架1由12块角钢焊接制成，其中上下两面为长方形，用2块长1.2m，宽0.6m的角钢焊接制成，竖向用4根长1.2m的角钢与上面两个长方形方框焊接，再用8块三角形钢板分别焊接在8个角上加固制成；

2）上剪切环3由一个边长为360mm正方形钢板制成，厚度为60mm，中央有一个直径为300mm的圆孔；

3）叠环组4共由8块叠环均由边长为360mm，厚度为20mm的正方形钢板制成，中央有一个直径为300mm的圆孔，每个叠环上表面两侧均开槽，槽深2mm，长360mm，宽15mm；

4）底盒5由边长为360mm，厚度为80mm的正方形钢板制成，中央有一个直径为300mm的圆孔，盒底厚20mm，上表面两侧开槽，槽深2mm，长360mm，宽15mm；

5）刚性底板6由钢板制成，厚25mm，长500mm，宽400mm；

6）滚轮7由钢柱切割制成，直径40mm，高20mm；

7）侧边保护板8共有四块，每块由两块钢板焊接成L型，一块钢板厚20mm，长320mm，宽100mm，另一块钢板厚20mm，长60mm，宽40mm，上面设有两个螺栓孔，孔间距25mm，孔径10mm；

8）挡板9共四块，由钢板制成，厚20mm，长宽均为40mm，上面设有两个螺栓孔，孔间距20mm，孔径12mm；

9）顶盖10由钢板制成，厚20mm，直径300mm，顶部焊接有一块圆钢板，厚20mm，直径

50mm；

10）刚性连接杆11由直径为40mm的不锈钢柱制成，左端焊接在底盒5上，右端设有螺纹与水平向拉压力传感器12相连接；

11）水平向拉压力传感器12和竖向压力传感器15均为BLR-1型称重传感器，最大称量10t，NH精度等级D0.2；

12）水平向电机14和竖向电机16均为功率750W的三菱电机；

13）水平向位移传感器13和竖向位移传感器17均为TKA-50-11直滑式导电塑料电位器，阻值5K欧姆，独立线性度0.1%；

14）定位孔20的直径为10mm。

实施例2，大型粗粒料叠环式水平循环单剪试验：

1）将配好的质量为36kg，密度为1.98g/cm³的粗粒料装入剪切盒2内，其中粗粒料最大粒径不超过60mm，将顶盖10置于粗粒料顶部；

3）通过电机伺服控制器18设定竖向电机16所施加的竖向压力，根据试验要求其值为28.26kN，通过电机伺服控制器，设定水平向剪切速率1mm/min，剪切幅值10mm，开始试验；

4）试验过程中，通过数据采集器19记录下水平循环剪切过程中的水平剪切力，水平位移和竖向位移随时间的变化；

5）当循环次数达到10次时，试验终止。

实施例3，大型粗粒料叠环式单剪试验：

1）、2）与实施例2相同；

3）通过电机伺服控制器18设定竖向电机16所施加的竖向压力，根据试验要求其值为28.26kN，通过电机伺服控制器，设定水平向剪切速率0.5mm/min，剪切位移35mm，开始试验；

4）试验过程中，通过数据采集器19记录下剪切过程中的水平剪切力，水平位移和竖向位移随时间的变化；

5）当剪切位移达到35mm时，试验终止。

实施例4，大型粗粒料压缩试验：

1）同实施例1；

2）装上竖向位移传感器17，将竖向位移传感器17的工作端与顶盖10上表面相接触，连接电机伺服控制器18和数据采集器19，检查它们能否正常工作；

3）通过电机伺服控制器18控制竖向电机16分级施加竖向力，分别为7.07kN、14.13kN、28.26kN和56.52kN，试验开始；

4）通过数据采集器20，测定并记录各级加压后不同时间的压缩变形，直至各级压力下各级变形量变化不大于0.1mm时，试验终止。

Claims

1.一种大型粗粒料叠环式水平循环单剪设备，其特征在于该设备由自反力架（1），剪切盒（2），上剪切环（3），叠环组（4），底盒（5），刚性底板（6），滚轮（7），侧边保护板（8），挡板（9），顶盖（10），刚性连接杆（11），水平向拉压力传感器（12），水平向位移传感器（13），水平向电机（14），竖向压力传感器（15），竖向电机（16），竖向位移传感器（17），电机伺服控制器（18），数据采集器（19），定位孔（20），可拆卸式滚轮（21）所制成；其中刚性底板（6）、水平向电机（14）和竖向电机（16）分别用螺栓固定安装在自反力架（1）上，水平向电机（14）和竖向电机（16）分别用导线与电机伺服控制器（18）相连接，剪切盒（2）由上剪切环（3），叠环组（4），底盒（5）组成，由八块叠环组成的叠环组（4）置于上剪切环（3）和底盒（5）之间，底盒（5）与刚性底板（6）之间安装滚轮（7），剪切盒（2）的四个边角用四块L型的侧边保护板（8）分别用螺栓固定在刚性底板（6）上，四块挡板（9）用螺栓分别固定在四块侧边保护板（8）上，竖向电机（16）与竖向压力传感器（15）相连接，竖向位移传感器（17）用螺栓固定在竖向电机（16）上，顶盖（10）上表面与竖向位移传感器（17）的工作端相接触，水平向拉压力传感器（12）两端设有螺纹分别与刚性连接杆（11）的一端和水平向电机（14）相连，刚性连接杆（11）的另一端焊接在底盒（5）上，叠环组（4）侧边与四个水平向位移传感器（13）的工作端接触，水平向位移传感器（13）用螺栓固定在自反力架（1）上，水平向拉压力传感器（12）、水平向位移传感器（13）、竖向压力传感器（15）和竖向位移传感器（17）分别用数据线与数据采集器（19）相连，上剪切环（3）的一个侧壁、叠环组（4）中每块叠环的一个侧壁和底盒（5）的一个侧壁沿竖向均设有一个相应的定位孔（20），叠环组（4）中八块叠环的两侧顶面和底盒（5）的两侧顶面均设有可拆卸式滚轮（21）。