CN103175742A

CN103175742A - 一种冻土动载荷直剪仪

Info

Publication number: CN103175742A
Application number: CN2013100704679A
Authority: CN
Inventors: 刘建坤; 崔颖辉; 田亚护; 吕鹏; 李旭; 沈宇鹏; 刘景宇
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: CN103175742B

Abstract

本发明公开了一种冻土动载荷直剪仪，包括剪切盒，剪切盒包括上剪切盒与下剪切盒，上剪切盒的右侧外部设有顶头座，工作台的右侧端部固定有固定座，固定座上固定有顶头，顶头与上剪切盒的顶头座配合，固定住上剪切盒的右端，上剪切盒的左端通过设置在工作台上的固定装置固定；下剪切盒的左侧外部设有推动头，推动头通过插销与加载头的作动轴连接，加载头通过作动轴为下剪切盒提供水平动载荷，加载头通过固定板固定在工作台的左侧，加载头与油泵连接；作动轴上安装有一位移计顶板，位移计顶板与位移计配合用于测量下剪切盒的实时位移；作动轴上还安装有一力反馈器；位移计和力反馈器通过数据采集仪与数字测控系统以及计算机系统连接。

Description

一种冻土动载荷直剪仪

技术领域

本发明涉及土木工程设备领域，具体的说，本发明涉及一种数字控制冻土动荷载直剪仪。

背景技术

地球上多年冻土、季节冻土和瞬时(短暂)冻土区的面积约占陆地面积的70%，其中多年冻土面积占陆地面积的20%．我国的多年冻土面积占国土面积的21.5%，在全世界占第三位，季节冻土区约占国土面积的53.5%，其中高海拔多年冻土面积居世界之最。随着西部大开发的来临，国家投资在青藏高原冻土地区建设包括青藏铁路在内的多项基础设施建设项目；而青藏高原地区是我国强震多发区之一，仅1980年以来在该地区就有14次6.0～6．9级地震，2次7．0～8．5级地震发生。特别是2001年l1月14日昆仑山口西8.1级地震在冻土区形成了规模宏大的地表形变，并对震区铁路、公路、地下管线、通信等工程设施造成了一定破坏，因此开展青藏高原冻土区的动剪切强度仪器的研究成为当务之急。

青藏铁路沿线的高温冻土(温度高于-1℃低于0℃)区面积占多年冻土区面积的一半以上，平均温度为-1.0℃左右。九度地震区超过100km。近年来，青藏高原几次较大的地震，对地面建筑和基础造成不同程度的破坏和影响。铁路列车、工程施工等对铁路路基产生持续的振动荷载，也使得土体受小尺度扰动而加速破坏。

目前，国内外进行直接剪切试验所采用的直剪仪一般都是由上、下剪切盒、垂直力加载系统、水平力加载系统、测定垂直向和水平向位移装置、以及提供反力的装置等部分组成。而常规的剪切盒无法提供动荷载。同时，常规剪切由于剪切盒的尺寸限制要求试样中的土体颗粒尺寸必须小于粗砂级别。

因此，需要发明一台直剪仪，它能提供一定频率下的动荷载、具有温控的装置并具备测试粗颗粒试样等要求，用于测试冻土动荷载下的抗剪强度。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种解决了技术背景中所述的传统直剪仪无法测试土在动荷载下的力学参数，无法测定粒径大于细沙级别的重塑土样的问题，成功测得细沙及以下级别的土样在动荷载下的各种力学性质的一种数字控制动荷载直剪仪，填补了以往直剪仪只能测定土样静力学参数的空白。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种冻土动载荷直剪仪，包括设置在固定架上的工作台，工作台上设有由承压辊、承压滚轮组成的导轨，导轨上设有剪切盒，剪切盒包括上剪切盒与下剪切盒，上剪切盒为固定，下剪切盒可在导轨上移动；剪切盒内有传压板，传压板与杠杆系统和配重块配合，为剪切盒内的试样提供竖向载荷，所述的上剪切盒的右侧外部设有顶头座，工作台的右侧端部固定有固定座，固定座上固定有顶头，顶头与上剪切盒的顶头座配合，固定住上剪切盒的右端，上剪切盒的左端通过设置在工作台上的固定装置固定；下剪切盒的左侧外部设有推动头，推动头通过插销与加载头的作动轴连接，加载头通过作动轴为下剪切盒提供水平动载荷，加载头通过固定板固定在工作台的左侧，加载头与油泵连接；作动轴上安装有一位移计顶板，位移计顶板与位移计配合用于测量下剪切盒的实时位移；作动轴上还安装有一力反馈器；位移计和力反馈器通过数据采集仪与数字测控系统以及计算机系统连接。

所述的传压板上开设有孔，温度探头通过该孔进入上剪切盒插入至冻土试样中，温度探头与数据采集仪连接。

所述的固定上剪切盒的左端的固定装置包括设置在工作台前侧的前支架和设置在工作台后侧的后支架，前支架和后支架的上端分别固定有前丝杆和后丝杆；一角钢，角钢的两端开设有孔，角钢两端的孔分别套在前丝杆和后丝杆上；前丝杆和后丝杆上分别旋装有螺纹螺母；螺纹螺母与角钢配合用于固定上剪切盒的左端。

所述的上剪切盒为150mm×150mm×40mm的上、下通透的柱体，所述的下剪切盒为150mm×150mm×30mm的上端开口并具有密封底部的柱体。

所述加载头提供的水平动载荷的最大负载为20kN，频率范围为0～6Hz，典型工况频率为2Hz，最大剪切位移的范围为-30mm～45mm。

所述的上剪切盒与传压板之间还设有一用于增加试样承压高度的塑料板。

本发明的有益效果是：

本发明解决了传统直剪仪只能测试土样的静力学参数，无法测试土样在动荷载下的力学参数的问题，同时也解决了传统直剪仪因其尺寸较小，而无法测试细颗粒土的问题，将可测试的颗粒范围提升到了4.5mm，且测试过程中可以时时监控土样温度，也用于冻土的研究，为寒冷或高寒地区土建与交通工程提供合理的参数。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明总体结构示意图。

具体实施方式

以下参照图对本发明的实施例进行说明。

参照附图1，本发明的一种冻土动载荷直剪仪，包括设置在固定架1上的工作台2，工作台2上设有由承压辊、承压滚轮组成的导轨3，导轨3上设有剪切盒，剪切盒内有传压板6，传压板6与杠杆系统7和配重块8配合，为剪切盒内的试样提供竖向载荷，传压板6上开设有孔（图中未示出），温度探头28通过该孔进入上剪切盒4插入至冻土试样中，温度探头28与数据采集仪25连接。

剪切盒包括上剪切盒4与下剪切盒5，上剪切盒4为150mm×150mm×40mm的上、下通透的柱体，上剪切盒4的右侧外部设有顶头座9，工作台2的右侧端部固定有固定座10，固定座10上固定有顶头11，顶头11与上剪切盒4的顶头座9配合，固定住上剪切盒4的右端，上剪切盒4的左端通过设置在工作台2上的固定装置固定，固定上剪切盒4的左端的固定装置包括设置在工作台2前侧的前支架12和设置在工作台2后侧的后支架（图中未示出），前支架12和后支架的上端分别固定有前丝杆13和后丝杆（图中未示出）；一角钢14，角钢14的两端开设有孔（图中未示出），角钢14两端的孔分别套在前丝杆13和后丝杆上；前丝杆13和后丝杆上分别旋装有螺纹螺母15；螺纹螺母15与角钢14配合用于固定上剪切盒4的左端。

下剪切盒5为150mm×150mm×30mm的上端开口并具有密封底部的柱体，下剪切盒5的左侧外部设有推动头16，推动头16通过插销17与加载头18的作动轴19连接，加载头18通过作动轴19为下剪切盒5提供水平动载荷，加载头18通过固定板20固定在工作台2的左侧，加载头18与油泵21连接；作动轴19上安装有一位移计顶板22，位移计顶板22与位移计23配合用于测量下剪切盒5的实时位移；作动轴19上还安装有一力反馈器24；位移计23和力反馈器24通过数据采集仪25与数字测控系统26以及计算机系统27连接。

本实施例的加载头18提供的水平动载荷的最大负载为20kN，频率范围为0～6Hz，典型工况频率为2Hz，最大剪切位移的范围为-30mm～45mm。

上剪切盒3与传压板6之间还设有一用于增加试样承压高度的塑料板29。

应用上述动荷载直剪仪测试土样在动荷载抗剪强度的步骤为：

1、通过试验计划，确定土样的颗粒大小，将粗颗粒碾细，过筛，放入烘土箱中烘干6-12个小时备用。

利用土样制样盒制备试样，制样盒内部尺寸为150mm×150mm×80mm，竖向在60mm处有标记，可以制备、测试细粒土及以下尺寸的土样，测试颗粒的最大直径为剪切盒的1/35。土样压实在60mm标记处即可。制样盒由五部分组成，分别由螺丝、螺母组合在一起，竖向2颗直径8mm的螺丝，水平向8颗6mm的螺丝，制样盒在版内均工有螺纹。组合制样盒时在内部抹上凡士林，以便取样时不破坏土样。压制土样过程中，注意土样要均匀放置、分层砸实，每层之间用土工刀刮毛，以便使土样不会产生分层效应。

2、土样制备完毕后，若需进行冻土试验，则用膜将整个制样盒封好，放入冷冻箱中，冻至目标温，土样完全冻结大约需要36～40个小时。

3、动荷载剪切试验

将制备好的土样从制样盒中取出，放入本发明的剪切盒内，在传压板6上插入温度探头28，由数据采集仪25采集土样的温度变化，经过测量，可将温度探头28较为精准的放置于剪切面处，在实验过程中采集土样的温度变化。

在工作平台上将上剪切盒4在前后方向固定好，使其在实验过程中保持稳定，下剪切盒5与动荷载加载头18用销钉17连接好。

启动数字测控系统26、数据采集仪25，若为冻土试验，待试样温度升至目标温度时，按照试验计划开始加载动荷载。

剪切盒上竖向荷载由配重块8、杠杆系统7组成。通过在放置不同数量的配重块8，实现上覆荷载50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa的变化。直剪仪的竖向力加载系统为一个1:24的杠杆系统。在做剪切试验时，作用于剪切盒上的竖向力通过导轨3传递到工作台2上，导轨3在水平方向较为顺滑，以消除垂直力作用于剪切盒上，剪切盒与导轨间的摩擦力影响。

4、通过数字测控系统26、16通道的数据采集仪25、力反馈器24采集力反馈、位移、试验温度、测试频率等试验数据，数据输出有应力—时间，位移—时间和温度—时间，数据传输至计算机系统27进行进一步的处理。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种冻土动载荷直剪仪，包括设置在固定架上的工作台，工作台上设有由承压辊、承压滚轮组成的导轨，导轨上设有剪切盒，剪切盒包括上剪切盒与下剪切盒，上剪切盒为固定，下剪切盒可在导轨上移动；剪切盒内有传压板，传压板与杠杆系统和配重块配合，为剪切盒内的试样提供竖向载荷，其特征在于：

所述的上剪切盒的右侧外部设有顶头座，工作台的右侧端部固定有固定座，固定座上固定有顶头，顶头与上剪切盒的顶头座配合，固定住上剪切盒的右端，上剪切盒的左端通过设置在工作台上的固定装置固定；下剪切盒的左侧外部设有推动头，推动头通过插销与加载头的作动轴连接，加载头通过作动轴为下剪切盒提供水平动载荷，加载头通过固定板固定在工作台的左侧，加载头与油泵连接；作动轴上安装有一位移计顶板，位移计顶板与位移计配合用于测量下剪切盒的实时位移；作动轴上还安装有一力反馈器；位移计和力反馈器通过数据采集仪与数字测控系统以及计算机系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种冻土动载荷直剪仪，其特征在于：所述的传压板上开设有孔，温度探头通过该孔进入上剪切盒插入至冻土试样中，温度探头与数据采集仪连接。

3.根据权利要求1所述的一种冻土动载荷直剪仪，其特征在于：所述的固定上剪切盒的左端的固定装置包括设置在工作台前侧的前支架和设置在工作台后侧的后支架，前支架和后支架的上端分别固定有前丝杆和后丝杆；一角钢，角钢的两端开设有孔，角钢两端的孔分别套在前丝杆和后丝杆上；前丝杆和后丝杆上分别旋装有螺纹螺母；螺纹螺母与角钢配合用于固定上剪切盒的左端。

4.根据权利要求1所述的一种冻土动载荷直剪仪，其特征在于：所述的上剪切盒为150mm×150mm×40mm的上、下通透的柱体，所述的下剪切盒为150mm×150mm×30mm的上端开口并具有密封底部的柱体。

5.根据权利要求1所述的一种冻土动载荷直剪仪，其特征在于：所述加载头提供的水平动载荷的最大负载为20kN，频率范围为0～6Hz，典型工况频率为2Hz，最大剪切位移的范围为-30mm～45mm。

6.根据权利要求1所述的一种冻土动载荷直剪仪，其特征在于：所述的上剪切盒与传压板之间还设有一用于增加试样承压高度的塑料板。