专利名称：双杠杆加载原位土直剪仪的制作方法
技术领域：
土力学试验技术领域背景技术现有的土力学原位剪切试验主要有两种一种是十字板剪切试验；另外一种是现场土体大型推剪试验。十字板剪切试验是用不锈钢的矩形十字板或倒角十字板压进钻孔底(或是地面)的粘土中，在十字板上作用一个力矩，使十字板发生转动，土体发生剪切破坏，根据十字板直径、高度与转距计算完全饱和粘土的不排水抗剪强度τf，但是不能测出土体粘聚力C、摩擦角φ值。
现场土体大型推剪试验没有固定标准的设备，一般使用液压泵、千斤顶、木板、钢板等，法向压力装置常采用反力架或试坑支反力梁。该方法能够得出土体粘聚力C、摩擦角φ值，但缺点是经费、时间和人工耗费较多，设备笨重，操作性不强。
总之，上述目前两种土力学原位试验的两种方法，前者只能测试饱和软粘土的不排水抗剪强度，但不能测出土体粘聚力C、摩擦角φ值；后者测试设备笨重，费时费力，操作性较差。两种方法均不能满足大量精确的土力学原位试验要求。
发明内容
本发明提供一种简便且精确的野外双杠杆加载原位土体直剪仪。使用环刀切样，采用双杠杆系统施加法向力，支于滑轮架上的双杠杆施压系统能在试样发生剪切位移时保证法向力的垂直，且法向力施加均匀；采用单杠杆加螺杆系统施加切向力，与环刀外拉力环相连的滑轮能保证单杠杆加螺杆系统施加剪切力方向水平，且切向力连续平稳。法向加力系统无需反力系统，杠杆长度小，所需砝码重量轻。切向加力系统只用人力，加力平稳，操作性强。法向加力系统和切向加力系统均采用装配式，便于野外操作。这种试验装置能够进行原位土的快剪，排水固结快剪与慢剪试验，且简便精确、操作性强。
基本原理与技术根据土力学剪切试验原理，试样法向压力必须恒定且始终垂直，切向力连续平稳且要保持水平。采用双杠杆法向加压系统和单杠杆加螺杆切向加压系统可以保证以上要求。
双杠杆法向加压系统分为二级杠杆，杠杆支撑转轴14固定，一级杠杆8设计力臂比为1∶5，二级杠杆9设计力臂比为1∶6，则双杠杆可提供力臂比为1∶30，试样采用20cm2的环刀切取，设计砝码最大质量6Kg(58.84N)即能达到18Mpa的法向压力。双杠杆施压系统支于滑轮架上，滑轮架与环刀相连，当试样发生剪切位移时，双杠杆施压系统与试样一起运动，保证了法向力的垂直。
单杠杆加螺杆切向加压系统包括单杠杆和螺杆，母螺杆18和杠杆支撑转轴14固定，单杠杆设计力臂比为1∶5，螺杆力臂比为1∶10，单杠杆加螺杆系统可提供力臂比为1∶50，当T字型旋转螺杆施加21.1N(2.15Kg)的力时，则可得到2110N(215.16Kg)的剪切力。单杠杆加螺杆系统与拉力环4相连，拉力环4套在环刀1上，拉力环4与环刀1之间有应力计5，拉力环4和拉杆7之间有可垂向移动的滑轮21，当单杠杆加螺杆系统加力发生转动时，滑轮21垂向滑动，使剪切力始终水平。
法向力可由砝码重量与双杠杆力臂比算出，切向力由应力计读出，水平位移可由百分表读出。
1环刀；2试件；3顶部带轴的试件压力盖；4套在环刀外带上下移动小轮的拉力环；5位于环刀与拉力环间的应力计；6百分表或千分表；7两端带转轴孔钢拉杆；8一级法向压力杠杆；9二级增益天平式杠杆；10切向拉力杠杆；11滑轮与导轨滑轮与支架的连接；12滑轮与导轨；13砝码；14杠杆支撑转轴；15轴孔；16两端带孔拉力杆；17带旋转手柄的螺旋拉力杆；18固定于支架的有水平转轴的母螺杆；19带水平转轴与螺杆17插孔的承拉头；20可调高的杠杆支柱；21与拉力环相连可垂向运动的滑轮具体实施方式
1.装好仪器后，在砝码盘上加砝码，对法向施压二级杠杆系统先进行调平。
2.根据试验要求的某级压力在砝码盘上放置砝码13。砝码13通过杠杆9和杠杆8对土样施加法向压力。
3.根据具体试验要求，旋转T字型螺杆手柄，使杠杆10转动，产生水平拉力，通过拉杆7作用在拉力环4上。杠杆10转动，拉力环外滑轮21作垂向运动使拉力保持水平。环刀外的应力计5记下读数，百分表6读出相应剪切力的位移值。拉力环移动带动滑轮导轨12，使法向压力始终垂直。逐渐旋转T型螺杆，施加越来越大的剪应力并读出相应位移，直至应力值不变或下降时，表明试件已被剪断。其最大拉力即为剪断时的拉力与滑轮导轨12摩擦力之和，利用事先测得的轮轨摩擦系数，可算出摩擦力，从而算出剪应力。
4.由于杠杆10转动，两端力矩都在变化，其上端要装三向活动承拉头19，并与能两向活动的母螺杆18相配套；下端则需要与拉力环相连可垂向移动的滑轮，以保持剪切力的水平。
5.剪断后反向旋转T型螺杆使杠杆10复位，卸除法向荷载，并将土样置于原位，重置原法向荷载，进行残余强度试验。
权利要求
1.双杠杆加载原位土直剪仪是由如下几部分组成原位土体试样部分。由环刀1、土样2、法向压力盖3、拉力环4、应力计5和百分表6组成。试验时首先装好上述部分和仪器支架(图中略去)；双杠杆法向加压系统。由杠杆8、杠杆9，连接杆16和砝码盘组成，以转轴置于支柱20上；单杠杆加螺杆切向加压系统。由T型旋转螺杆17、水平转轴母螺杆18、水平转轴承压头19、杠杆10和拉杆7构成，其中18以水平轴固定于支架上，杠杆10通过轴14固定于支架上；双杠杆滑轮架部分。滑轮架位于滑轮导轨12上，它由滑轮组11-11和两根杠杆支柱20(可进行高度调节)构成，滑轮架近土样一端用连接装置与拉力环连接。
2.根据权利要求1所述，原位土2在环刀1中受压力盖3承接双杠杆法产生的法向压力，压力盖3与环刀1间有细微缝隙，不直接接触，当环刀受拉移动时、不会产生拉动法向力系统的拉力距。压力盖盖顶有轴孔与杠杆8相连，使杠杆转动产生的力垂直作用在试件上。环刀1与拉力环4之间放有应力计5，环刀与百分表6的测头接触。拉力环与滑轮架有连接装置，其高度与拉力基本保持一致。环刀受拉位移时，连接装置拉动滑轮架同时移动。
3.根据权利要求1所述，双杠杆法向加压系统由一级杠杆8和二级天平式调平杠杆9组成、两者由拉力杆16通过轴孔15连接，杠杆8、9均置于支柱20上，由转轴14支撑。8另一端有轴孔连接于压力盖3上，9另一端挂有砝码盘，可先在其上放置砝码，将双杠杆系统进行调平，然后再放置砝码、施加法向压力。
4.根据权利要求1所述，单杠杆加螺杆切向加压系统由T型手柄螺杆17、固定于支架上的杠杆10、水平转轴母螺杆18、固定于10一端的水平转轴承拉头19和拉力杆7组成。旋转螺杆17的手柄，承拉头19受母螺杆18牵引绕水平轴运动，使杠杆10转动，拉杆7产生剪切力，拉力环4外可垂向移动的滑轮21，可使剪切力保持水平。
5.根据权利要求1所述，双杠杆滑轮架部分有4个滑轮11，前后各两个，放于两条导轨12上，可在导轨上移动。滑轮架前后各有一根支柱20，支柱高度可由螺丝杆调节高度，支柱顶端有轴孔可插入杠杆支撑转轴14。
全文摘要
本发明提供一种简便且精确的野外双杠杆加载原位土体直剪仪。使用环刀切样，采用双杠杆系统施加法向力，支于滑轮架上的双杠杆施压系统能在试样发生剪切位移时保证法向力的垂直，且法向力施加均匀；采用单杠杆加螺杆系统施加切向力，与环刀外拉力环相连的滑轮能保证单杠杆加螺杆系统施加剪切力方向水平，且切向力连续平稳。法向加力系统无需反力系统，杠杆长度小，所需砝码重量轻。切向加力系统只用人力，加力平稳，操作性强。法向加力系统和切向加力系统均采用装配式，便于野外操作。这种试验装置能够进行原位土的快剪，排水固结快剪与慢剪试验，且简便精确、操作性强。
文档编号G01N3/24GK1570595SQ200410037718
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月9日 优先权日2004年5月9日
发明者李晓, 张年学, 李守定 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所, 李晓, 张年学, 李守定