专利名称：岩土力学直剪实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种剪切系统，具体地说，涉及一种岩土力学试验领域中直剪实验系统，可用于测定细粒土、粗粒土及软岩的峰值、残余抗剪强度，为工程设计及岩土体的稳定性分析提供强度参数。
背景技术：
地基和岩土建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏，因此，准确确定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。岩土工程的失稳破坏都伴随着剪切位移的发展，因此，近年来通过施加剪切力或剪切位移对岩土体强度进行试验的方法在全世界范围内又重新受到了重视，其中，直接剪切试验由于其操作简便、适用范围广(适用于多种岩土材料)而应用最为普遍。而且在某些情况下，由于条件的限制，直剪试验可能是唯一可行的剪切试验方案如某些滑坡的现场试验、一些材料的接触强度试验等。
直剪试验已经成功地应用了一个多世纪，分为现场原位直剪试验和室内直剪试验两大类。室内试验由于实验条件灵活而应用较多，但对岩土体的扰动较大，而且试验的尺寸较小(一般为直径61.8mm、高20mm的环刀样)，适用范围受到限制。现场原位试验可较大程度地避免对岩土体的扰动，因此其测试结果能更加真实地反映岩土体的强度特性，对于重大工程一般要求进行现场原位测试。现场试验在人、财、力等方面耗费较大，其应用有限，目前国内进行现场原位剪切试验时一般采用简单的应力控制式加载方法，不能反映岩土体完整的变形过程，也不能得到其残余抗剪强度。因此，研制一种适用范围广、能全面反映岩土体抗剪强度特性的新型直剪系统具有现实意义。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种岩土力学直剪实验系统。
本发明的目的是这样实现的由图1可知，本发明由外框架a、水平加载系统b、垂直加载系统c、剪切盒d、测量系统e组成；水平加载系统b、垂直加载系统c、剪切盒d分别固定在外框架a上；水平加载系统b、垂直加载系统c、测量系统e分别与剪切盒d连接。
具体地说，1、外框架a如图2所示，外框架为长方形框架，供固定及现场安装水平加载系统b、垂直加载系统c、剪切盒d用。
由工字钢、方钢、钢板及螺栓组成，工字钢及方钢端部焊接在钢板上，钢板之间通过螺栓连接而构成整体框架。
2、水平加载系统b由变频器1、变频电机2、单级涡轮涡杆减速箱3、二级涡轮涡杆减速箱4、螺杆5、传感器座6、水平荷载传感器7、铰链8组成；变频器1、变频电机2、单级涡轮涡杆减速箱3、二级涡轮涡杆减速箱4、螺杆5、传感器座6、铰链8依次连接；传感器座6与水平荷载传感器7连接；铰链8连接到上剪切盒15上。
水平力的施加是通过变频电机2带动减速箱3、4转轴，并通过该转轴推动螺杆5来完成的。
3、垂直加载系统c由油泵9、液压千斤顶10、垂直荷载传感器11、上传压板12、滚轴排13、下传压板14组成；油泵9、液压千斤顶10、垂直荷载传感器11、上传压板12、滚轴排13、下传压板14依次连接。
法向压力由液压千斤顶10产生，自上而下通过垂直荷载传感器11、上传压板12、滚轴排13、下传压板14而作用到试样上表面。
4、剪切盒d
由上剪切盒15、滚珠16、下剪切盒17组成；在下剪切盒17的两侧上表面有滚珠槽，滚珠16置于滚珠槽内，上剪切盒15与下剪切盒17之间通过滚珠16进行连接。
5、测量系统e由水平荷载传感器7、垂直荷载传感器11、水平位移传感器18、垂直位移传感器19、渗压计20、数据自动采集仪21组成；水平荷载传感器7、垂直荷载传感器11、水平位移传感器18、垂直位移传感器19、渗压计20分别与数据自动采集仪21连接。
本发明工作原理将试样放入剪切盒d中，通过垂直加载系统c对试样施加法向压力，待试样在法向压力作用下固结稳定后，通过水平加载系统b推动上剪盒15而对试样施加水平剪力直至试样破坏。试验过程中水平剪力与法向压力由荷载传感器7、11测量，试样的水平位移和法向位移由位移传感器18、19测量，试样剪切面处孔隙水压力由渗压计20测量，测量数据通过数据自动采集仪21采集并贮存。
本发明主要功能可用于各种细粒土、粗粒土及软岩的大型现场原位直剪试验及室内直剪试验，能测定试样的峰值、残余抗剪强度及试验过程中剪切面处的孔隙水压力变化。
本发明具体操作步骤①将试样放入剪切盒d；②根据试样最大粒径选择合适的剪切缝；③安装荷载传感器7、11，位移传感器18、19及渗压计20；④将传感器7、11、18、19及渗压计20与数据采集仪21连接好，设定好采样频率并调零，即可开始自动采样；⑤将垂直荷载加至预定值，稳压；⑥用变频器1调节好剪切速率，施加水平荷载至试样破坏；⑦试验完毕后将数据自动采集仪21中的数据导入计算机中即可绘制出该试样剪切破坏全过程曲线。
该曲线见图4。
本发明主要特色
①具有整体可拆卸式外框架结构。框架整体外形几何尺寸为长×宽×高＝2759mm×1336mm×1619mm，该结构保证了系统的整体性和安全性，水平剪力与垂直荷载的施加都不需要特定的反力装置，而是转化为系统的内力由整体框架承受。
②属于应变控制式大型直剪系统。与应力控制直剪仪相比，本发明最大剪切位移可达150mm，能反映岩土体变形的全过程。本发明实现了对水平位移的严格控制，可根据需要调整剪切速率，使水平向(即剪切向)位移按照一定的速度匀速增加，保证了剪切过程中试样受剪速率的恒定。同时本发明可对试样进行推、拉双向试验。
③适用范围广。结构的可拆卸性保证了既可进行现场试验又可进行室内试验；剪切缝根据实验对象的不同可设置为小于10mm的任意宽度，并同时保持剪切中心线恒定，因此可对最大粒径小于等于50mm的试样进行剪切试验。
④剪切变形更加均匀。剪切过程中下剪切盒固定，上剪切盒只能平动，不能转动，因此，剪切缝不会由于试样的剪胀作用而发生改变，从而使试样的变形较传统的直剪仪更加均匀。
⑤测量数值更加精确。试验中的全部测量数据实现了自动采集，使用的测量仪器的精度较高；同时由于试验过程中剪切缝保持恒定，避免了试样与剪切盒、上剪切盒与下剪切盒之间存在的不必要的摩擦作用，测定的水平剪力更加准确。
本发明具有以下优点和积极效果①测量精度高，稳定性好。
②所有试验数据自动采集，减小了人工读数误差，能准确地得到试样的剪切破坏峰值；能作反复剪切从而得出试样的剪切残余强度；能准确测定试样剪切面处孔隙水压力在剪切过程中的变化。
③室内试验时通过整体框架可将法向压力及水平剪力转化为系统内力，从而无需外加反力装置。
④采用变频电机，在保证剪切速率稳定的前提下，降低了制造成本。
⑤所有部件可拆卸方便运输，便于安装。
图1-本发明组成框图；图2-外框架结构图，包括图2.1-主视图，图2.2-俯视图，图2.3-右视图；图3-本发明结构图，包括图3.1-主视图，图3.2-俯视图，图3.3-右视图，图3.4-剖视图；图4-本发明干砂样实测剪切曲线图。
其中a-外框架 b-水平加载系统c-垂直加载系统d-剪切盒e-测量系统1-变频器2-变频电机3-单级涡轮涡杆减速箱4-二级涡轮涡杆减速箱 5-螺杆6-传感器座7-水平荷载传感器8-铰链9-油泵10-液压千斤顶 11-垂直荷载传感器12-上传压板 13-滚轴排14-下传压板 15-上剪切盒16-滚珠 17-下剪切盒18-水平位移传感器 19-垂直位移传感器20-渗压计 21-数据自动采集仪22-圆螺母M64×3 23-传感器连接座24-传力块 25-螺栓M30×8026-螺尾锥销20×12027-直线导轨28-下框支撑柱 29-液压千斤顶安装板30-螺栓M20×800 31-铰链座A32-铰链轴 33-铰链座B具体实施方式
1、外框架a
如图2所示，外框架a由16根长短各异的25#工字钢和2根方钢组合而成，工字钢及方钢端部焊接在钢板上，钢板之间通过螺栓连接而构成整体可拆卸式外框架。外框架a通过螺栓连接、固定；拆卸方便，便于运输及现场安装。
2、水平加载系统b变频器1选用型号VS-606V7；变频电机2选用型号YVP100L-4；单级涡轮涡杆减速箱3选用型号RV130-100-F2-B7；二级涡轮涡杆减速箱4选用型号RV130-100-F2-B7。
变频电机2转速由变频器1调节，水平力的施加是通过变频电机2带动减速箱3、4转轴，并通过该转轴推动螺杆5来完成。螺杆螺距12mm，每旋转1周移动量为4.2mm，经单级涡轮涡杆减速箱3、二级涡轮涡杆减速箱4减速后剪切速率为0.06mm/s，再经变频器1调节后剪切速率为0.006-0.06mm/s。传感器座6置于直线导轨上，传感器座6与直线导轨27起支撑水平荷载传感器7的作用。螺杆5、水平荷载传感器7、铰链8的轴线与剪切面中心线在同一直线上。该系统最大设计水平剪力200kN，最大剪切位移为150mm，可以实现对试样的匀速剪切，剪切速率可以根据需要进行调整。
3、垂直加载系统c油泵9选用型号HPS63-3；液压千斤顶10选用型号HJD100-100；上传压板12即一种45mm厚钢板，长×宽＝500mm×500mm；滚轴排13即由15-20根、直径18-22mm的滚轴组成；下传压板14即一种45mm厚钢板，长×宽＝500mm×500mm。
垂直加载系统c可施加的最大法向压力为200kN，试样上相应承受的最大法向压应力为800kPa。
4、剪切盒d剪切盒是由45mm厚钢板组成的方框形可拆卸式结构，上剪切盒15尺寸为长×宽×高＝500mm×500mm×250mm，下剪切盒17尺寸为长×宽×高＝500mm×500mm×150mm。
上剪切盒15通过铰链8与水平加载系统b连接，下剪切盒17通过螺栓固定在外框架a上。上剪切盒15与下剪切盒17之间的最大开缝宽度为10mm，为了满足不同试样的要求，在保证剪切中心面不变的前提下通过在上、下剪切盒15、17之间安装不同厚度的高强度钢压条调节剪切缝开缝宽度，开缝宽度可在0～10mm之间任意调节。在室内试验时下剪切盒17的底板通过4根钢拉杆与框架横梁连接，这样垂直压力就转化为框架的内力，而不需要额外的反力装置。
5、测量系统e水平荷载传感器7选用型号TML PCT5B；垂直荷载传感器11选用型号TML PCT20；水平位移传感器18选用型号TML CDP100；垂直位移传感器19选用型号TML CDP50；渗压计20选用型号BGK4500S；数据自动采集仪21选用型号TML TDS303。
水平剪力与法向压力通过荷载传感器7、11测量，荷载传感器7、11的测量精度为0.02kN；试样的水平位移和法向位移由位移传感器18、19测量，测量精度为0.0002mm；试样剪切面处孔隙水压力在剪切过程中的变化由渗压计20测量，量测精度为0.01kPa。以上测量结果通过数据自动采集仪21采集和贮存，数据采集的频率可以在0.0002秒/通道-1800秒/通道间任意设置。
权利要求
1.一种岩土力学直剪实验系统，其特征是由外框架(a)、水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、剪切盒(d)、测量系统(e)组成；水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、剪切盒(d)分别固定在外框架(a)上；水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、测量系统(e)分别与剪切盒(d)连接；所述的外框架(a)为长方形框架，由工字钢、方钢、钢板及螺栓组成，工字钢及方钢端部焊接在钢板上，钢板之间通过螺栓连接而构成整体框架；所述的水平加载系统(b)由变频器(1)、变频电机(2)、单级涡轮涡杆减速箱(3)、二级涡轮涡杆减速箱(4)、螺杆(5)、传感器座(6)、水平荷载传感器(7)、铰链(8)组成；变频器(1)、变频电机(2)、单级涡轮涡杆减速箱(3)、二级涡轮涡杆减速箱(4)、螺杆(5)、传感器座(6)、铰链(8)依次连接；所述的垂直加载系统(c)由油泵(9)、液压千斤顶(10)、垂直荷载传感器(11)、上传压板(12)、滚轴排(13)、下传压板(14)组成；油泵(9)、液压千斤顶(10)、垂直荷载传感器(11)、上传压板(12)、滚轴排(13)、下传压板(14)依次连接；所述的剪切盒(d)由上剪切盒(15)、滚珠(16)、下剪切盒(17)组成；在下剪切盒(17)的两侧上表面有滚珠槽，滚珠(16)置于滚珠槽内，上剪切盒(15)与下剪切盒(17)之间通过滚珠(16)进行连接；所述的测量系统(e)由水平荷载传感器(7)、垂直荷载传感器(11)、水平位移传感器(18)、垂直位移传感器(19)、渗压计(20)、数据自动采集仪(21)组成；水平荷载传感器(7)、垂直荷载传感器(11)、水平位移传感器(18)、垂直位移传感器(19)、渗压计(20)分别与数据自动采集仪(21)连接。
2.按权利要求1所述的系统，其特征是水平加载系统(b)变频器(1)选用型号VS-606V7；变频电机(2)选用型号YVP100L-4；单级涡轮涡杆减速箱(3)选用型号RV130-100-F2-B7；二级涡轮涡杆减速箱(4)选用型号RV130-100-F2-B7；
3.按权利要求1所述的系统，其特征是垂直加载系统(c)油泵(9)选用型号HPS63-3；液压千斤顶(10)选用型号HJD100-100；
4.按权利要求1所述的系统，其特征是剪切盒(d)是由45mm厚钢板组成的方框形可拆卸式结构上剪切盒(15)尺寸为长×宽×高＝500mm×500mm×250mm，下剪切盒(17)尺寸为长×宽×高＝500mm×500mm×150mm。
5.按权利要求1所述的系统，其特征是测量系统(e)水平荷载传感器(7)选用型号TML PCT5B；垂直荷载传感器(11)选用型号TML PCT20；水平位移传感器(18)选用型号TML CDP100；垂直位移传感器(19)选用型号TML CDP50；渗压计(20)选用型号BGK4500S；数据自动采集仪(21)选用型号TML TDS303。
全文摘要
本发明公开了一种岩土力学直剪实验系统，涉及一种剪切系统。本发明由外框架(a)、水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、剪切盒(d)、测量系统(e)组成；水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、剪切盒(d)分别固定在外框架(a)上；水平加载系统(b)、垂直加载系统(c)、测量系统(e)分别与剪切盒(d)连接。本发明测量精度高，稳定性好；所有试验数据自动采集，减小了人工读数误差；采用变频电机，在保证剪切速率稳定的前提下，降低了制造成本；所有部件可拆卸，方便运输，便于安装。可用于测定细粒土、粗粒土及软岩的峰值、残余抗剪强度，为工程设计及岩土体的稳定性分析提供强度参数。
文档编号G01N7/10GK1641336SQ20041006135
公开日2005年7月20日 申请日期2004年12月15日 优先权日2004年12月15日
发明者闵弘, 魏进兵, 邓建辉, 刘小丽 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所