CN210513962U - 一种直剪蠕变仪剪应力控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其主要包括液体容器、砝码容器、多个应力控制容器，砝码容器置于液体容器内部，液体容器底通过管路与多个应力控制容器串联联通，相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有切断及连通的机构以改变液体容器内底面积与串联联通的各应力控制器的内底面积之和。本实用新型作为直剪蠕变仪的附属装置使用，随着剪切的发生，砝码容器会与液体容器产生相对位移，有效剪力会减小，通过控制不同的应力控制容器与液体容器的联通来控制不同的液面上升速率，以满足不同剪应力下，浮力的增加值(即有效剪力的减小值)等于有效面积减小值与剪应力的乘积，进而控制土样在剪切过程中剪应力恒定。

Description

一种直剪蠕变仪剪应力控制装置

技术领域

本实用新型涉及土工室内试验技术领域。

背景技术

直剪蠕变试验是在某一特定面上剪切土的试样，保持剪应力恒定，测定剪切位移随时间变化的试验。目前常用的直剪蠕变试验仪则是在某一特定剪切面上，通过施加砝码，测试在一定剪力F下土的应变随时间的变化，来研究土的蠕变性质。但是蠕变是指剪应力不变(剪应力＝剪力/受剪面积：T＝F/S)情况下应变随时间的变化，因此传统直剪蠕变仪是建立在有效受剪面积不变的前提之下。其试验装置主要由剪切盒、加力系统及测量系统组成，原理清晰、操作简单，试验仪器如图1所示。

但是在实际情况下，随着剪切的发生，上下剪切盒相互错开，土样有效受剪面积会逐渐减小，而剪力是砝码质量提供的，不会随剪切位移的发生而变化，剪应力就随着剪切位移的发生而不断增大。因此，传统的直剪蠕变仪严格来讲不符合蠕变试验的前提。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种确保试验过程中剪应力保持不变而准确测量剪切位移的试验装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其包括液体容器、砝码容器和多个应力控制容器，液体容器内盛装有液体，作为蠕变试验中剪应力砝码放置于砝码容器内，砝码容器置于液体容器的液体中在重力及浮力的作用下保持直立地上浮及下沉，液体容器底部通过管路与多个应力控制容器串联联通，相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有切断及连通的机构，改变所述机构的切断或连通的状态，使液体容器内底面积与串联联通的各应力控制容器的内底面积之和S_有效满足

S_砝码为砝码容器外底面积；L为蠕变试验中方形剪切盒垂直于剪切方向的边长，τ为剪应力；ρ为液体密度；g为重力加速度。

作为优选方案，液体容器内盛装的液体为硅油。

所述砝码容器置于液体容器内部，砝码容器外壁四周上部均布有多个导轮，导轮与液体容器内部滚动接触以限定砝码容器在上浮及下沉过程中保持直立。

相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有橡胶管用于连通，橡胶管上设有夹子用于切断管路。

本实用新型作为直剪蠕变仪的附属装置使用，砝码容器用于为剪切试验提供剪切力，随着剪切的发生，砝码容器会在液体容器内下沉，液体容器中的硅油液面会随之升高，砝码容器受到的浮力会随之增大，有效剪力会减小。通过控制不同的应力控制容器与液体容器的联通来控制不同的液面上升速率，以满足不同剪力下，浮力的增加值(即有效剪力的减小值)等于有效面积减小值与剪应力的乘积，进而控制土样在剪切过程中剪应力恒定。本实用新型通过附加装置的方式，操作简单，可行性强，解决了传统直剪蠕变仪剪应力不恒定的缺陷。

附图说明

现结合说明书附图，对本实用新型的技术方案作进一步地描述。

图1为传统直剪蠕变仪的侧视图；

图2为本实用新型的直剪蠕变仪剪应力控制装置的结构示意图；

图3为加上本实用新型的直剪蠕变仪剪应力控制装置后的直剪蠕变仪的侧视图；

图4为硅油液面上升示意图；

图5为一种直剪蠕变仪剪应力控制装置的顶视图。

其中：1.下剪切盒、2.轴压杆、3.压力盖、4.土样、5.上剪切盒、6钢环、7、百分表、8.百分表、9.滑轮、10.钢绞线、11.砝码、212.砝码容器、213.液体容器、214.导轮、215.应力控制容器、216.剪切力砝码、217.夹子、218.硅油、219.橡胶管

具体实施方式

以下仅为本实用新型的实施范例，不能以此限定本实用新型的范围。即但凡依本实用新型申请专利范围所作的非实质性变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

如图2所示为本实用新型的一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，包括了液体容器213、砝码容器212和多个应力控制容器215，液体容器213内盛装有液体，其作用是使砝码容器在其中上浮及下沉。为了保证砝码容器在液体容器内的直立上浮及下沉，砝码容器外壁四周上部均布有导轮214与液体容器内壁滚动接触。液体容器中盛装的液体可以是水或其它试剂，但要注意避免液体的蒸发(如在水的表层覆盖一层不易蒸发的油)，优选使用硅油218。液体容器213底通过管路与多个应力控制容器215串联联通，相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有橡胶管219进行连通，橡胶管通过夹子217的夹紧及放松切断或连通。

如图3所示，将本实用新型的直剪蠕变仪剪应力控制装置安装于直剪蠕变仪上，土样剪切盒使用方形土样剪切盒，则有效受剪面积即为线性减小，不需要进行简化。剪切盒采用方形，垂直于剪切方向的边长为L，剪切位移为x时，土样的有效受剪面积会减小Δ_S＝xL，为保证剪应力τ不变，剪力需要减小Δ_F＝τΔ_S。现将装置简化为两部分，一部分为提供剪力的砝码容器，设砝码容器的外底面积为S_砝，一部分为有效的液体容器，设有效液体容器底面积为S_有效，随着剪切的发生，砝码容器下降x，液面会上升h，如图3所示：根据硅油的体积不变，则

为控制剪应力恒定，则：Δ_F＝Δ_浮力＝(x+h)S_砝ρg，式中ρ为硅油密度，g为重力加速度，带入

Δ_F＝τΔ_S、Δ_S＝xL，可约去x得到

其中ρ、g为常数，S_砝确定后，在一个剪应力蠕变试验中，就可以计算出一个S_有效来确保剪切试验过程中剪应力保持恒定。

为了能满足多个剪应力下的试验要求，将S_有效分为两部分，一部分为液体容器，一部分为应力控制容器，通过底部的橡胶管进行串联。则联通中的应力控制容器内底面积和为S_控制＝S_有效-S_液，S_液指的是液体容器内底面积。不同的剪应力蠕变试验只需要将对应的橡胶管夹住，阻断一部分联通即可。

改变夹子对橡胶管的夹紧或放松状态，使液体容器内底面积与串联联通的各应力控制容器的内底面积之和S_有效满足

S_砝为砝码容器外底面积；L为蠕变试验中正方形剪切盒的边长，τ为剪应力；ρ为液体密度；g为重力加速度。

本实用新型的实施步骤如下：

1)确定应力控制容器的底面积：按实验所需的剪应力，从大剪应力到小剪应力，结合公式

(式中S_砝为砝码容器外底面积(cm²)；S_有效为液体容器内底面积与串联中的应力控制容器内底面积之和(cm²)；τ为剪应力(kPa)；ρ为硅油密度(kg/m³)；g为重力加速度(m/s²))，计算出各个剪应力所需S_有效后，从大剪应力到小剪应力，依次计算出需要增加的内底面积，进而确定每个应力控制容器的内底面积。

2)连接应力控制容易：根据实验要求的剪应力，从大到小依次将各个应力控制容器与液体容器串联。

3)装样：将土样装入剪切盒，并施加相应的轴压。

4)装入硅油：将砝码容器置于液体容器内，倒入液体容器内，直至硅油接触砝码容器底，检查各应力控制容器内是有联通，硅油是否流入。

5)加载：向砝码容器内放置砝码加载，进行蠕变试验。

6)记录：根据试验要求在相应的时间内记录剪切变形量。

例如：进行剪应力分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa的蠕变试验，定砝码容器外地面积为S_砝＝1600cm²，剪切盒垂直于剪切方向的边长为6cm，硅油密度为0.963g/cm³，重力加速度取10N/kg，通过公式

计算可得S_有效分别应为3289.5cm²、2152.9cm²、1930.5cm²、1835.7cm²、1783.2cm²、1749.8cm²。取液体容器的内底面积为1700cm²，则进行300kPa蠕变试验时，需连接1个应力控制容器，其内底面积为1749.8cm²-1700cm²＝49.8cm²。进行250kPa蠕变试验时，需在联通第1个应力控制容器的基础上增加第2个应力控制容器，第2个应力控制容器内底面积为1783.2cm²-1749.8cm²＝33.4cm²，进行200kPa蠕变试验时，需在联通第1个、第2个应力控制容器的基础上，增加第3个应力控制容器，第3个应力控制容器内底面积为1835.7cm²-1783.2cm²＝52.5cm²，依次类推可得其他应力控制容器内底面积分别为94.8cm²、222.4cm²、1136.6cm²。详情见表1

表1

由此可计得，各应力控制容器所采用的内底面积如表2：

表2

开始试验时，从50kPa剪应力开始，将所有应力控制容器全部串联并联通，使得S_控制＝49.8+33.4+52.5+94.8+222.4+1136.6＝1589.5，

即S_有效＝S_液+S_控制＝1589.5+1700＝3289.5，满足

进行100kPa剪应力试验时，用夹子将最外一个应力控制容器夹住，中断其连接，此时S_控制＝49.8+33.4+52.5+94.8+222.4＝452.9，即S_有效＝S_液+S_控制＝452.9+1700＝2152.9，满足

进行其他剪应力试验时依次类推。

Claims (4)

1.一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其特征在于：包括液体容器、砝码容器和多个应力控制容器，液体容器内盛装有液体，作为蠕变试验中剪应力砝码放置于砝码容器内，砝码容器置于液体容器的液体中在重力及浮力的作用下保持直立地上浮及下沉，液体容器底部通过管路与多个应力控制容器串联联通，相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有切断及连通的机构，改变所述机构的切断或连通的状态，使液体容器内底面积与串联联通的各应力控制容器的内底面积之和S_有效满足

S_砝码为砝码容器外底面积；L为蠕变试验中方形剪切盒垂直于剪切方向的边长，τ为剪应力；ρ为液体密度；g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其特征在于：液体容器内盛装的液体为硅油。

3.根据权利要求2所述的一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其特征在于：所述砝码容器置于液体容器内部，砝码容器外壁四周上部均布有多个导轮，导轮与液体容器内部滚动接触以限定砝码容器在上浮及下沉过程中保持直立。

4.根据权利要求1所述的一种直剪蠕变仪剪应力控制装置，其特征在于：相邻的应力控制容器之间及液体容器与应力控制容器之间设置有橡胶管用于连通，橡胶管上设有夹子用于切断管路。

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