一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置，涉及巖土力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)。本實(shí)用新型通過對巖土體試樣施加法向荷載，并通過施加水平剪切力，使試樣在擬定的剪切面上發(fā)生剪切破壞，并通過自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過程中的剪應(yīng)力、位移等相關(guān)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)裝置包括試樣（00）、剪切盒（10）、反力系統(tǒng)（20）、垂向壓力系統(tǒng)（30）、傳力系統(tǒng)（40）、切向壓力系統(tǒng)（50）、滾軸排（60）和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（70）。本實(shí)用新型采用應(yīng)變控制，測量精度高，穩(wěn)定性好；具有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；使用應(yīng)力控制使用輪輻傳感器，使應(yīng)力的測量更加精確；所有部件可拆卸，方便運(yùn)輸，便于安裝。
【專利說明】一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及巖土力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)，尤其涉及一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土工程的失穩(wěn)絕大多數(shù)是由于巖土體的剪切破壞引起的，因此準(zhǔn)確測定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在巖土工程建設(shè)中具有重要意義。在巖土力學(xué)研究過程中，通過施加剪切力(或剪切位移)對巖土體進(jìn)行試驗(yàn)的方法一直受到重視，直剪試驗(yàn)為其中一種方法。
[0003]由于巖土體直剪試驗(yàn)原理方法簡單，并積累了大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是室內(nèi)直剪，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用；但對于大顆粒、現(xiàn)場大尺寸樣品的測試工作一直很難較好開展。目前國內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場剪切試驗(yàn)時(shí)多數(shù)采用簡單的應(yīng)力控制式加載試驗(yàn)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(qiáng)度。況且，目前使用的巖土直剪設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作主要是人工手動(dòng)讀數(shù)和記錄，加上普通傳感器和儀表式位移計(jì)自身精度的不足，很難做到準(zhǔn)確測定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的主要在于解決了現(xiàn)有原位巖土直剪設(shè)備存在的無法自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果精度差的問題，提供一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置。
[0005]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本試驗(yàn)裝置包括試樣、剪切盒、反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、切向壓力系統(tǒng)、滾軸排和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0007]其連接關(guān)系是:
[0008]試樣置于剪切盒內(nèi)；
[0009]反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、滾軸排和試樣依次連接，將垂向壓力施加于試樣；
[0010]切向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)和試樣O依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣；
[0011]自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四個(gè)垂向位移計(jì)、兩個(gè)切向位移計(jì)和數(shù)據(jù)采集箱組成；
[0012]四個(gè)垂向位移計(jì)位于垂向壓力板的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣的垂向位移；
[0013]兩個(gè)切向位移計(jì)位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣的切向位移；
[0014]垂向位移計(jì)和切向位移計(jì)分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測垂向位移和切向位移；
[0015]垂向壓力系統(tǒng)的垂向壓力傳感器和切向壓力系統(tǒng)的切向壓力傳感器分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測垂向壓力和切向壓力。
[0016]本實(shí)用新型工作原理[0017]在開挖的探坑或試驗(yàn)平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動(dòng)具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，在試樣上套入剪切盒，將剪切盒與試樣之間的縫隙填滿細(xì)砂，通過垂向壓力系統(tǒng)對試樣施加垂向壓力，待試樣在垂向壓力作用下固結(jié)穩(wěn)定后，通過切向壓力系統(tǒng)推動(dòng)剪切盒而對原位試樣施加水平剪力直至試樣破壞。試驗(yàn)過程中水平剪力與垂向壓力由切向壓力傳感器、垂向壓力傳感器測量，試樣的水平位移和垂向位移由切向位移計(jì)、垂向位移計(jì)測量，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)。
[0018]本實(shí)用新型具體操作步驟:
[0019]①將原位巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體并套入剪切盒；
[0020]②安裝垂向壓力系統(tǒng)和反力系統(tǒng)；
[0021]③安裝切向壓力系統(tǒng)和傳力系統(tǒng)；
[0022]④安裝 位移計(jì)和壓力傳感器，并將位移計(jì)、壓力傳感器和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序即可開始試驗(yàn)；
[0023]⑤將垂向荷載加至預(yù)定值，穩(wěn)壓；
[0024]⑥分級施加水平剪力，控制剪切速率直至試樣破壞；
[0025]⑦實(shí)驗(yàn)完畢后將自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)
笪
ο
[0026]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0027]①采用應(yīng)變控制，測量精度高，穩(wěn)定性好；
[0028]②具有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，避免了人工讀數(shù)的繁瑣和誤差，能夠準(zhǔn)確地得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)能夠得出試樣的剪切殘余強(qiáng)度；
[0029]③使用應(yīng)力控制使用輪輻傳感器，使應(yīng)力的測量更加精確；
[0030]④所有部件可拆卸，方便運(yùn)輸，便于安裝。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；
[0032]圖2是本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]其中:
[0034]00—試樣；
[0035]IO—剪切盒；
[0036]20—反力系統(tǒng)，
[0037]21—反力梁，22—連接桿，23—地錨器；
[0038]3O—垂向壓力系統(tǒng)，
[0039]31—垂向壓力千斤頂，32—垂向壓力傳感器，
[0040]33—垂向壓力板，
[0041]331—上垂向壓力板，332—下垂向壓力板；
[0042]40—傳力系統(tǒng)，
[0043]41一傳力筒，42—垂向傳力板，43—切向傳力筒，44一切向傳力板；
[0044]50—切向壓力系統(tǒng)；
[0045]51—切向壓力千斤頂，52—切向壓力傳感器，53—切向壓力板；[0046]60—滾軸排；
[0047]70 —自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，
[0048]71—垂向位移計(jì)，72—切向位移計(jì)，73—數(shù)據(jù)采集箱。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明:
[0050]一、試驗(yàn)裝置
[0051]1、總體
[0052]如圖1、2，本試驗(yàn)裝置包括試樣00、剪切盒10、反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、切向壓力系統(tǒng)50、滾軸排60和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70 ；
[0053]其連接關(guān)系是:
[0054]試樣00置于剪切盒10內(nèi)；
[0055]反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、滾軸排60和試樣00依次連接,將垂向壓力施加于試樣00 ；
[0056]切向壓力系統(tǒng)50、傳力系統(tǒng)40和試樣00依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣00 ；
[0057]自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由四個(gè)垂向位移計(jì)71、兩個(gè)切向位移計(jì)72和數(shù)據(jù)采集箱73組成；
[0058]四個(gè)垂向位移計(jì)71位于垂向壓力板33的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣00的垂向位移；
[0059]兩個(gè)切向位移計(jì)72位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣00的切向位移；
[0060]垂向位移計(jì)71和切向位移計(jì)72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測垂向位移和切向位移；
[0061]垂向壓力系統(tǒng)30的垂向壓力傳感器32和切向壓力系統(tǒng)50的切向壓力傳感器52分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測垂向壓力和切向壓力。
[0062]工作機(jī)理:
[0063]在切削完成的原位巖土體的試樣00上，扣入剪切盒10，之上安裝垂向壓力板33，在兩個(gè)垂向壓力板33之間放置有滾軸排60，在垂向壓力板33的上面安裝垂向壓力傳感器32，垂向壓力傳感器32上部依次為垂向壓力千斤頂31、垂向傳力板42和垂向傳力筒41，傳力系統(tǒng)40接收垂向壓力千斤頂31的作用力并傳遞作用于反力系統(tǒng)20以提供垂向壓力；
[0064]切向壓力系統(tǒng)50利用探坑坑壁作反力底座，切向壓力千斤頂51和切向壓力傳感器52、切向壓力板53和切向傳力板44、切向傳力筒43結(jié)合作用于剪切盒10側(cè)面提供切向壓力；
[0065]量測試樣00垂向變形的位移計(jì)71，安裝在垂向壓力板33的四角上；量測試樣00剪切變形的位移計(jì)72，安裝在剪力受力面的另一側(cè)；位移計(jì)70好壓力傳感器72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連；啟動(dòng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70，施加垂向壓力，固結(jié)一定時(shí)間后，分級施加切向壓力，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0066]2、功能部件
[0067]I)剪切盒 10[0068]如圖2，剪切盒是一種方形容器，
[0069]內(nèi)壁的長X寬X高=31.6cmX 31.6cmX32cm,采用1.5cm厚鋼板焊接而成，最大切向承載壓力為50kN。
[0070]2)反力系統(tǒng)20
[0071]如圖2，反力系統(tǒng)20由依次連接的反力梁21、連接桿22和地錨器23組成，地錨器23與灌漿水泥柱聯(lián)合使用時(shí)將提供更大反力。
[0072]3)垂向壓力系統(tǒng)30
[0073]如圖2，垂向壓力系統(tǒng)30由依次連接的垂向壓力千斤頂31、垂向壓力傳感器32和垂向壓力板33組成；
[0074]垂向壓力千斤頂31為手動(dòng)油壓千斤頂，最大量程為500kN ；
[0075]垂向壓力傳感器32采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器32與數(shù)據(jù)采集箱73相連，垂向壓力傳感器32導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
[0076]垂向壓力板33包括上垂向壓力板331和下垂向壓力板332 ;在上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間安放有滾軸排50 ;垂向壓力板33的存在確保了垂向壓力均勻分布于試樣00的頂面上。
[0077]4)傳力系統(tǒng)40
[0078]傳力系統(tǒng)40由垂向傳力筒41、垂向傳力板42、切向傳力筒43和切向傳力板44組成；
[0079]垂向傳力筒41、垂向傳力板42和垂向壓力千斤頂3I依次連接，切向傳力筒43、切向傳力板44和切向壓力千斤頂51依次連接；
[0080]傳力筒和傳力板用于調(diào)節(jié)反力系統(tǒng)20與壓力系統(tǒng)40之間的距離。
[0081]5)切向壓力系統(tǒng)50
[0082]切向壓力系統(tǒng)50由依次連接的切向壓力千斤頂51、切向壓力傳感器52和切向壓力板53組成；
[0083]切向壓力千斤頂51為手動(dòng)油壓千斤頂，最大量程為300kN ；
[0084]切向壓力傳感器52采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器52和數(shù)據(jù)采集箱73相連，切向壓力傳感器52導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
[0085]切向壓力板53的存在使切向壓力均勻分布于剪切盒10側(cè)面上，避免由于切向壓力的集中而導(dǎo)致剪切盒10的破壞。
[0086]6)滾軸排 60
[0087]滾軸排60位于上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間，滾軸排60內(nèi)置滾珠，試驗(yàn)時(shí)隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板33表面滾動(dòng)，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
[0088]7)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70
[0089]自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由山東省濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)。
[0090]自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由垂向位移計(jì)71、兩個(gè)切向位移計(jì)72和數(shù)據(jù)采集箱73組成；
[0091]垂向位移計(jì)71和切向位移計(jì)72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，位移計(jì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
[0092]①四個(gè)垂向位移計(jì)71采用VWD-50振弦式位移計(jì)，分別置于垂向壓力板33的四角，用于量測試驗(yàn)過程中試樣OO的垂向位移，位移計(jì)最大量程50mm，精度為0.1mm ；
[0093]②兩個(gè)切向位移計(jì)72采用VWD-50振弦式位移計(jì)，分別置于剪力受力面另一側(cè)的上下部，用于量測切向位移；
[0094]③數(shù)據(jù)采集箱73包括集成PXI總線和PC機(jī)
[0095]由此可見，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70實(shí)現(xiàn)了位移和應(yīng)力變化數(shù)據(jù)的自動(dòng)瞬時(shí)采集記錄。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于: 包括試樣(00)、剪切盒(10)、反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、切向壓力系統(tǒng)(50)、滾軸排(60)和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70); 其連接關(guān)系是: 試樣(00)置于剪切盒(10)內(nèi)； 反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、滾軸排(60)和試樣(00)依次連接，將垂向壓力施加于試樣(00)； 切向壓力系統(tǒng)(50)、傳力系統(tǒng)(40)和試樣(00)依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣(00)； 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由四個(gè)垂向位移計(jì)(71)、兩個(gè)切向位移計(jì)(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 四個(gè)垂向位移計(jì)(71)位于垂向壓力板(33)的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣(00)的垂向位移； 兩個(gè)切向位移計(jì)(72)位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測試驗(yàn)過程中試樣(00)的切向位移； 垂向位移計(jì)(71)和切向位移計(jì)(72)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測垂向位移和切向位移； 垂向壓力系統(tǒng)(30)的垂向壓力傳感器(32)和切向壓力系統(tǒng)(50)的切向壓力傳感器(52)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測垂向壓力和切向壓力。
2.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的反力系統(tǒng)(20)由依次連接的反力梁(21)、連接桿(22)和地錨器(23)組成。
3.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的垂向壓力系統(tǒng)(30)由依次連接的垂向壓力千斤頂(31)、垂向壓力傳感器(32)和垂向壓力板(33)組成； 垂向壓力千斤頂(31)為手動(dòng)油壓千斤頂； 垂向壓力傳感器(32)采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器(32)與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連； 垂向壓力板(33)包括上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332);在上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間安放有滾軸排(50)。
4.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的傳力系統(tǒng)(40)由垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)、切向傳力筒(43)和切向傳力板(44)組成； 垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)和垂向壓力千斤頂(31)依次連接，切向傳力筒(43)、切向傳力板(44)和切向壓力千斤頂(51)依次連接。
5.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的切向壓力系統(tǒng)(50)由依次連接的切向壓力千斤頂(51)、切向壓力傳感器(52)和切向壓力板(53)組成； 切向壓力千斤頂(51)為手動(dòng)油壓千斤頂； 切向壓力傳感器(52)采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器(52)和數(shù)據(jù)采集箱(73)相連。
6.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的滾軸排(60)內(nèi)置滾珠，位于上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間，試驗(yàn)時(shí)隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板(33)表面滾動(dòng)，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
7.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由垂向位移計(jì)(71)、兩個(gè)切向位移計(jì)(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 垂向位移計(jì)(71)和切向位移計(jì)(72 )分別與數(shù)據(jù)采集箱(73 )相連； 垂向位移計(jì)(71)采用VWD-50振弦式位移計(jì)； 切向位移計(jì)(72)采用VWD-50振弦式位移計(jì)； 數(shù)據(jù)采集箱(73)包 括集成PXI總線和PC機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK203551406SQ201320689683
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】郭長寶, 張瑞端, 張永雙, 宋海軍, 侯春堂, 付曉曉, 周能娟, 姚鑫 申請人:中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所