專利名稱：巖土力學(xué)直剪實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種剪切系統(tǒng)，具體地說，涉及一種巖土力學(xué)試驗領(lǐng)域中直剪實驗系統(tǒng)，可用于測定細粒土、粗粒土及軟巖的峰值、殘余抗剪強度，為工程設(shè)計及巖土體的穩(wěn)定性分析提供強度參數(shù)。
背景技術(shù)：
地基和巖土建筑物的破壞絕大多數(shù)屬于剪切破壞，因此，準確確定巖土體的抗剪強度參數(shù)在巖土工程建設(shè)中具有重要意義。巖土工程的失穩(wěn)破壞都伴隨著剪切位移的發(fā)展，因此，近年來通過施加剪切力或剪切位移對巖土體強度進行試驗的方法在全世界范圍內(nèi)又重新受到了重視，其中，直接剪切試驗由于其操作簡便、適用范圍廣(適用于多種巖土材料)而應(yīng)用最為普遍。而且在某些情況下，由于條件的限制，直剪試驗可能是唯一可行的剪切試驗方案如某些滑坡的現(xiàn)場試驗、一些材料的接觸強度試驗等。
直剪試驗已經(jīng)成功地應(yīng)用了一個多世紀，分為現(xiàn)場原位直剪試驗和室內(nèi)直剪試驗兩大類。室內(nèi)試驗由于實驗條件靈活而應(yīng)用較多，但對巖土體的擾動較大，而且試驗的尺寸較小(一般為直徑61.8mm、高20mm的環(huán)刀樣)，適用范圍受到限制?，F(xiàn)場原位試驗可較大程度地避免對巖土體的擾動，因此其測試結(jié)果能更加真實地反映巖土體的強度特性，對于重大工程一般要求進行現(xiàn)場原位測試?，F(xiàn)場試驗在人、財、力等方面耗費較大，其應(yīng)用有限，目前國內(nèi)進行現(xiàn)場原位剪切試驗時一般采用簡單的應(yīng)力控制式加載方法，不能反映巖土體完整的變形過程，也不能得到其殘余抗剪強度。因此，研制一種適用范圍廣、能全面反映巖土體抗剪強度特性的新型直剪系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點和不足，而提供一種巖土力學(xué)直剪實驗系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的由圖1可知，本發(fā)明由外框架a、水平加載系統(tǒng)b、垂直加載系統(tǒng)c、剪切盒d、測量系統(tǒng)e組成；水平加載系統(tǒng)b、垂直加載系統(tǒng)c、剪切盒d分別固定在外框架a上；水平加載系統(tǒng)b、垂直加載系統(tǒng)c、測量系統(tǒng)e分別與剪切盒d連接。
具體地說，1、外框架a如圖2所示，外框架為長方形框架，供固定及現(xiàn)場安裝水平加載系統(tǒng)b、垂直加載系統(tǒng)c、剪切盒d用。
由工字鋼、方鋼、鋼板及螺栓組成，工字鋼及方鋼端部焊接在鋼板上，鋼板之間通過螺栓連接而構(gòu)成整體框架。
2、水平加載系統(tǒng)b由變頻器1、變頻電機2、單級渦輪渦桿減速箱3、二級渦輪渦桿減速箱4、螺桿5、傳感器座6、水平荷載傳感器7、鉸鏈8組成；變頻器1、變頻電機2、單級渦輪渦桿減速箱3、二級渦輪渦桿減速箱4、螺桿5、傳感器座6、鉸鏈8依次連接；傳感器座6與水平荷載傳感器7連接；鉸鏈8連接到上剪切盒15上。
水平力的施加是通過變頻電機2帶動減速箱3、4轉(zhuǎn)軸，并通過該轉(zhuǎn)軸推動螺桿5來完成的。
3、垂直加載系統(tǒng)c由油泵9、液壓千斤頂10、垂直荷載傳感器11、上傳壓板12、滾軸排13、下傳壓板14組成；油泵9、液壓千斤頂10、垂直荷載傳感器11、上傳壓板12、滾軸排13、下傳壓板14依次連接。
法向壓力由液壓千斤頂10產(chǎn)生，自上而下通過垂直荷載傳感器11、上傳壓板12、滾軸排13、下傳壓板14而作用到試樣上表面。
4、剪切盒d
由上剪切盒15、滾珠16、下剪切盒17組成；在下剪切盒17的兩側(cè)上表面有滾珠槽，滾珠16置于滾珠槽內(nèi)，上剪切盒15與下剪切盒17之間通過滾珠16進行連接。
5、測量系統(tǒng)e由水平荷載傳感器7、垂直荷載傳感器11、水平位移傳感器18、垂直位移傳感器19、滲壓計20、數(shù)據(jù)自動采集儀21組成；水平荷載傳感器7、垂直荷載傳感器11、水平位移傳感器18、垂直位移傳感器19、滲壓計20分別與數(shù)據(jù)自動采集儀21連接。
本發(fā)明工作原理將試樣放入剪切盒d中，通過垂直加載系統(tǒng)c對試樣施加法向壓力，待試樣在法向壓力作用下固結(jié)穩(wěn)定后，通過水平加載系統(tǒng)b推動上剪盒15而對試樣施加水平剪力直至試樣破壞。試驗過程中水平剪力與法向壓力由荷載傳感器7、11測量，試樣的水平位移和法向位移由位移傳感器18、19測量，試樣剪切面處孔隙水壓力由滲壓計20測量，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)自動采集儀21采集并貯存。
本發(fā)明主要功能可用于各種細粒土、粗粒土及軟巖的大型現(xiàn)場原位直剪試驗及室內(nèi)直剪試驗，能測定試樣的峰值、殘余抗剪強度及試驗過程中剪切面處的孔隙水壓力變化。
本發(fā)明具體操作步驟①將試樣放入剪切盒d；②根據(jù)試樣最大粒徑選擇合適的剪切縫；③安裝荷載傳感器7、11，位移傳感器18、19及滲壓計20；④將傳感器7、11、18、19及滲壓計20與數(shù)據(jù)采集儀21連接好，設(shè)定好采樣頻率并調(diào)零，即可開始自動采樣；⑤將垂直荷載加至預(yù)定值，穩(wěn)壓；⑥用變頻器1調(diào)節(jié)好剪切速率，施加水平荷載至試樣破壞；⑦試驗完畢后將數(shù)據(jù)自動采集儀21中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中即可繪制出該試樣剪切破壞全過程曲線。
該曲線見圖4。
本發(fā)明主要特色
①具有整體可拆卸式外框架結(jié)構(gòu)。框架整體外形幾何尺寸為長×寬×高＝2759mm×1336mm×1619mm，該結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)的整體性和安全性，水平剪力與垂直荷載的施加都不需要特定的反力裝置，而是轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)力由整體框架承受。
②屬于應(yīng)變控制式大型直剪系統(tǒng)。與應(yīng)力控制直剪儀相比，本發(fā)明最大剪切位移可達150mm，能反映巖土體變形的全過程。本發(fā)明實現(xiàn)了對水平位移的嚴格控制，可根據(jù)需要調(diào)整剪切速率，使水平向(即剪切向)位移按照一定的速度勻速增加，保證了剪切過程中試樣受剪速率的恒定。同時本發(fā)明可對試樣進行推、拉雙向試驗。
③適用范圍廣。結(jié)構(gòu)的可拆卸性保證了既可進行現(xiàn)場試驗又可進行室內(nèi)試驗；剪切縫根據(jù)實驗對象的不同可設(shè)置為小于10mm的任意寬度，并同時保持剪切中心線恒定，因此可對最大粒徑小于等于50mm的試樣進行剪切試驗。
④剪切變形更加均勻。剪切過程中下剪切盒固定，上剪切盒只能平動，不能轉(zhuǎn)動，因此，剪切縫不會由于試樣的剪脹作用而發(fā)生改變，從而使試樣的變形較傳統(tǒng)的直剪儀更加均勻。
⑤測量數(shù)值更加精確。試驗中的全部測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)了自動采集，使用的測量儀器的精度較高；同時由于試驗過程中剪切縫保持恒定，避免了試樣與剪切盒、上剪切盒與下剪切盒之間存在的不必要的摩擦作用，測定的水平剪力更加準確。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果①測量精度高，穩(wěn)定性好。
②所有試驗數(shù)據(jù)自動采集，減小了人工讀數(shù)誤差，能準確地得到試樣的剪切破壞峰值；能作反復(fù)剪切從而得出試樣的剪切殘余強度；能準確測定試樣剪切面處孔隙水壓力在剪切過程中的變化。
③室內(nèi)試驗時通過整體框架可將法向壓力及水平剪力轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)力，從而無需外加反力裝置。
④采用變頻電機，在保證剪切速率穩(wěn)定的前提下，降低了制造成本。
⑤所有部件可拆卸方便運輸，便于安裝。


圖1-本發(fā)明組成框圖；圖2-外框架結(jié)構(gòu)圖，包括圖2.1-主視圖，圖2.2-俯視圖，圖2.3-右視圖；圖3-本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖，包括圖3.1-主視圖，圖3.2-俯視圖，圖3.3-右視圖，圖3.4-剖視圖；圖4-本發(fā)明干砂樣實測剪切曲線圖。
其中a-外框架 b-水平加載系統(tǒng)c-垂直加載系統(tǒng)d-剪切盒e-測量系統(tǒng)1-變頻器2-變頻電機3-單級渦輪渦桿減速箱4-二級渦輪渦桿減速箱 5-螺桿6-傳感器座7-水平荷載傳感器8-鉸鏈9-油泵10-液壓千斤頂 11-垂直荷載傳感器12-上傳壓板 13-滾軸排14-下傳壓板 15-上剪切盒16-滾珠 17-下剪切盒18-水平位移傳感器 19-垂直位移傳感器20-滲壓計 21-數(shù)據(jù)自動采集儀22-圓螺母M64×3 23-傳感器連接座24-傳力塊 25-螺栓M30×8026-螺尾錐銷20×12027-直線導(dǎo)軌28-下框支撐柱 29-液壓千斤頂安裝板30-螺栓M20×800 31-鉸鏈座A32-鉸鏈軸 33-鉸鏈座B具體實施方式
1、外框架a
如圖2所示，外框架a由16根長短各異的25#工字鋼和2根方鋼組合而成，工字鋼及方鋼端部焊接在鋼板上，鋼板之間通過螺栓連接而構(gòu)成整體可拆卸式外框架。外框架a通過螺栓連接、固定；拆卸方便，便于運輸及現(xiàn)場安裝。
2、水平加載系統(tǒng)b變頻器1選用型號VS-606V7；變頻電機2選用型號YVP100L-4；單級渦輪渦桿減速箱3選用型號RV130-100-F2-B7；二級渦輪渦桿減速箱4選用型號RV130-100-F2-B7。
變頻電機2轉(zhuǎn)速由變頻器1調(diào)節(jié)，水平力的施加是通過變頻電機2帶動減速箱3、4轉(zhuǎn)軸，并通過該轉(zhuǎn)軸推動螺桿5來完成。螺桿螺距12mm，每旋轉(zhuǎn)1周移動量為4.2mm，經(jīng)單級渦輪渦桿減速箱3、二級渦輪渦桿減速箱4減速后剪切速率為0.06mm/s，再經(jīng)變頻器1調(diào)節(jié)后剪切速率為0.006-0.06mm/s。傳感器座6置于直線導(dǎo)軌上，傳感器座6與直線導(dǎo)軌27起支撐水平荷載傳感器7的作用。螺桿5、水平荷載傳感器7、鉸鏈8的軸線與剪切面中心線在同一直線上。該系統(tǒng)最大設(shè)計水平剪力200kN，最大剪切位移為150mm，可以實現(xiàn)對試樣的勻速剪切，剪切速率可以根據(jù)需要進行調(diào)整。
3、垂直加載系統(tǒng)c油泵9選用型號HPS63-3；液壓千斤頂10選用型號HJD100-100；上傳壓板12即一種45mm厚鋼板，長×寬＝500mm×500mm；滾軸排13即由15-20根、直徑18-22mm的滾軸組成；下傳壓板14即一種45mm厚鋼板，長×寬＝500mm×500mm。
垂直加載系統(tǒng)c可施加的最大法向壓力為200kN，試樣上相應(yīng)承受的最大法向壓應(yīng)力為800kPa。
4、剪切盒d剪切盒是由45mm厚鋼板組成的方框形可拆卸式結(jié)構(gòu)，上剪切盒15尺寸為長×寬×高＝500mm×500mm×250mm，下剪切盒17尺寸為長×寬×高＝500mm×500mm×150mm。
上剪切盒15通過鉸鏈8與水平加載系統(tǒng)b連接，下剪切盒17通過螺栓固定在外框架a上。上剪切盒15與下剪切盒17之間的最大開縫寬度為10mm，為了滿足不同試樣的要求，在保證剪切中心面不變的前提下通過在上、下剪切盒15、17之間安裝不同厚度的高強度鋼壓條調(diào)節(jié)剪切縫開縫寬度，開縫寬度可在0～10mm之間任意調(diào)節(jié)。在室內(nèi)試驗時下剪切盒17的底板通過4根鋼拉桿與框架橫梁連接，這樣垂直壓力就轉(zhuǎn)化為框架的內(nèi)力，而不需要額外的反力裝置。
5、測量系統(tǒng)e水平荷載傳感器7選用型號TML PCT5B；垂直荷載傳感器11選用型號TML PCT20；水平位移傳感器18選用型號TML CDP100；垂直位移傳感器19選用型號TML CDP50；滲壓計20選用型號BGK4500S；數(shù)據(jù)自動采集儀21選用型號TML TDS303。
水平剪力與法向壓力通過荷載傳感器7、11測量，荷載傳感器7、11的測量精度為0.02kN；試樣的水平位移和法向位移由位移傳感器18、19測量，測量精度為0.0002mm；試樣剪切面處孔隙水壓力在剪切過程中的變化由滲壓計20測量，量測精度為0.01kPa。以上測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)自動采集儀21采集和貯存，數(shù)據(jù)采集的頻率可以在0.0002秒/通道-1800秒/通道間任意設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種巖土力學(xué)直剪實驗系統(tǒng)，其特征是由外框架(a)、水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、剪切盒(d)、測量系統(tǒng)(e)組成；水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、剪切盒(d)分別固定在外框架(a)上；水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、測量系統(tǒng)(e)分別與剪切盒(d)連接；所述的外框架(a)為長方形框架，由工字鋼、方鋼、鋼板及螺栓組成，工字鋼及方鋼端部焊接在鋼板上，鋼板之間通過螺栓連接而構(gòu)成整體框架；所述的水平加載系統(tǒng)(b)由變頻器(1)、變頻電機(2)、單級渦輪渦桿減速箱(3)、二級渦輪渦桿減速箱(4)、螺桿(5)、傳感器座(6)、水平荷載傳感器(7)、鉸鏈(8)組成；變頻器(1)、變頻電機(2)、單級渦輪渦桿減速箱(3)、二級渦輪渦桿減速箱(4)、螺桿(5)、傳感器座(6)、鉸鏈(8)依次連接；所述的垂直加載系統(tǒng)(c)由油泵(9)、液壓千斤頂(10)、垂直荷載傳感器(11)、上傳壓板(12)、滾軸排(13)、下傳壓板(14)組成；油泵(9)、液壓千斤頂(10)、垂直荷載傳感器(11)、上傳壓板(12)、滾軸排(13)、下傳壓板(14)依次連接；所述的剪切盒(d)由上剪切盒(15)、滾珠(16)、下剪切盒(17)組成；在下剪切盒(17)的兩側(cè)上表面有滾珠槽，滾珠(16)置于滾珠槽內(nèi)，上剪切盒(15)與下剪切盒(17)之間通過滾珠(16)進行連接；所述的測量系統(tǒng)(e)由水平荷載傳感器(7)、垂直荷載傳感器(11)、水平位移傳感器(18)、垂直位移傳感器(19)、滲壓計(20)、數(shù)據(jù)自動采集儀(21)組成；水平荷載傳感器(7)、垂直荷載傳感器(11)、水平位移傳感器(18)、垂直位移傳感器(19)、滲壓計(20)分別與數(shù)據(jù)自動采集儀(21)連接。
2.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是水平加載系統(tǒng)(b)變頻器(1)選用型號VS-606V7；變頻電機(2)選用型號YVP100L-4；單級渦輪渦桿減速箱(3)選用型號RV130-100-F2-B7；二級渦輪渦桿減速箱(4)選用型號RV130-100-F2-B7；
3.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是垂直加載系統(tǒng)(c)油泵(9)選用型號HPS63-3；液壓千斤頂(10)選用型號HJD100-100；
4.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是剪切盒(d)是由45mm厚鋼板組成的方框形可拆卸式結(jié)構(gòu)上剪切盒(15)尺寸為長×寬×高＝500mm×500mm×250mm，下剪切盒(17)尺寸為長×寬×高＝500mm×500mm×150mm。
5.按權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是測量系統(tǒng)(e)水平荷載傳感器(7)選用型號TML PCT5B；垂直荷載傳感器(11)選用型號TML PCT20；水平位移傳感器(18)選用型號TML CDP100；垂直位移傳感器(19)選用型號TML CDP50；滲壓計(20)選用型號BGK4500S；數(shù)據(jù)自動采集儀(21)選用型號TML TDS303。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖土力學(xué)直剪實驗系統(tǒng)，涉及一種剪切系統(tǒng)。本發(fā)明由外框架(a)、水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、剪切盒(d)、測量系統(tǒng)(e)組成；水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、剪切盒(d)分別固定在外框架(a)上；水平加載系統(tǒng)(b)、垂直加載系統(tǒng)(c)、測量系統(tǒng)(e)分別與剪切盒(d)連接。本發(fā)明測量精度高，穩(wěn)定性好；所有試驗數(shù)據(jù)自動采集，減小了人工讀數(shù)誤差；采用變頻電機，在保證剪切速率穩(wěn)定的前提下，降低了制造成本；所有部件可拆卸，方便運輸，便于安裝?？捎糜跍y定細粒土、粗粒土及軟巖的峰值、殘余抗剪強度，為工程設(shè)計及巖土體的穩(wěn)定性分析提供強度參數(shù)。
文檔編號G01N7/10GK1641336SQ20041006135
公開日2005年7月20日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者閔弘, 魏進兵, 鄧建輝, 劉小麗 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所