剪切面积不变的圆柱形直剪仪的制作方法

本实用新型涉及一种土力学试验技术，尤其涉及一种测试土体抗剪强度系数的剪切面积不变的圆柱形直剪仪。

背景技术：

众所周知，直剪仪是一种用于测定土样在静载条件下抗剪强度的仪器，由于其简单易行，所以推广度较高。

直剪仪主要应用于测量土壤的抗剪切强度参数，通过剪切力和位移之间的关系得到内摩擦角和粘聚力的值。理论依据为：摩尔—库伦破坏理论=（σ）=σ+C，其中为土体破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度；σ为作用在剪切面上面的法向应力；φ为土的内摩擦角度；C为土的粘聚力。传统的直剪仪的测量方法是通过剪应力与剪切位移的关系曲线以及绘制抗剪强度线的拟合曲线得到粘聚力和内摩擦角；如图1和图2所示。

在确定不同法向应力作用下抗剪强度时，采用公式 ，可知传统直剪仪存在以下缺点：现有的直剪仪是通过水平推动上剪切盒，下剪切盒与上剪切盒之间发生了错动，直剪面积变化了，由于剪切上下盒的错动，剪切过程中试样的有效面积逐渐减小，使试样中的应力分布不均匀，主应力方向发生变化，而公式仍然假设A不变，这就导致误差的产生。当剪切面变形较大时，这一缺陷表现得更为突出。如图3所示。

申请号为201110079021.3的中国专利申请公布了一种温控式直剪仪及安装方法。该专利申请，包括剪切盒、水平力加载装置、将试件置于恒定温度下的测试水箱、水温检测单元和测量机构。该专利能简便实现弹塑性材料的剪切试验。但是该专利申请并没有保证直剪面积不变；其次，通过剪应力与剪切位移的关系曲线以及绘制抗剪强度线的拟合曲线得到粘聚力和内摩擦角的精确度低。

申请号为201410139777.6 的中国专利申请公布了一种手动等应变直剪仪。该专利申请包括支撑台架和设置在支撑台架上的水平加荷装置、竖直加压装置、剪切盒以及水平剪力测量装置。该专利使剪切盒中的试样在试验过程中受到的竖直方向上的压力变得均匀，提高传压效果。但是该专利申请并没有保证直剪面积不变；其次，通过剪应力与剪切位移的关系曲线以及绘制抗剪强度线的拟合曲线得到粘聚力和内摩擦角的精确度低。

申请号为201410216856.2的中国专利申请公布了一种恒定剪切面直剪。该专利申请包括试验台、上剪切盒、下剪切盒、垂直荷载加载机构，及水平荷载加载机构。该专利使土样的剪切面积始终保持恒定，正应力也不发生变化。但是该专利申请仍旧通过剪应力与剪切位移的关系曲线以及绘制抗剪强度线的拟合曲线得到粘聚力和内摩擦角，装置复杂，操作难度大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种剪切面积不变的圆柱形直剪仪，采用该直剪仪可以在保证直剪面积不变以及在保证直剪面积不变的情况下测量出剪切角度，进而得出土壤的抗剪切强度参数，即试样的内摩擦角和粘聚力的值。这种直剪仪体积适中，便于随车携带，其数据直接录入终端，便于对实验数据进行快速处理。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种剪切面积不变的圆柱形直剪仪，包括实验平台和设置于所述实验平台上的下剪切盒及上剪切盒，下剪切盒通过固定装置固定于实验平台上，上剪切盒对应设置于下剪切盒上，且能在下剪切盒上转动，转动时，上剪切盒与下剪切盒之间保持稳定，两者之间不发生位移变化，上剪切盒和下剪切盒配合构成用于容纳试样的圆柱形剪切盒；

所述下剪切盒的侧面上套装有刻度盘，上剪切盒侧面上设置有与所述刻度盘上的刻线匹配的刻度标尺，刻度盘套在下剪切盒侧面，因此刻度标尺在读数时可以起到矫正刻度盘调零的作用。

所述上剪切盒上部中心处固定设置一根L型转动杆，所述转动杆的上端与伺服电机输出轴相连，转动杆的水平部分末端下部设置有读数仪器，且读数仪器的读数部件与刻度标尺及刻度盘相对应，用于读取刻度标尺对应的刻度盘上的刻线值，伺服电机工作时，驱动转动杆带动上剪切盒和读数仪器同步转动。

所述伺服电机的壳体与连接杆一端固定连接，连接杆另一端通过轴套活动套装在竖杆上，伺服电机及连接杆能够在竖杆上自动上下滑动，竖杆下端固定在试验平台上，能起到把上剪切盒固定的作用。这样能够保证剪切盒转动时，剪切面积固定。

所述伺服电机顶部设置有竖直加载装置，所述竖直加载装置包括设置于伺服电机上部顶部开口的容器，容器中放置对应的砝码。 加上砝码之后通过电机、转动杆将重力传递到上剪切盒上面。

所述固定装置包括L型销钉，实验平台的前后左右两侧设有四个L型销钉孔，所述下剪切盒上设有与所述L型销钉孔对应的 L型销钉，所述L型销钉穿过所述L型销钉孔并插入其中，固定下剪切盒。

所述四个L型销钉孔对称开设于实验平台上，且相对的两个孔间距大于下剪切盒的直径。

所述刻度盘的精度为0.01°，量程360°。

所述实验平台上沿下剪切盒周边对应设置有0°、90°、180°和270°刻线及相应标识。

所述读数仪器与外部计算机相连，用于将读取数据传输至计算机，由计算机处理显示结果。

所述上剪切盒与下剪切盒之间啮合连接，且两者之间能够相互自由转动。

利用剪切面积不变的圆柱形直剪仪的测试方法，包括以下步骤：

首先将下剪切盒通过L型销钉在固定在试验平台，上剪切盒通过竖杆的作用，可以保证剪切盒转动时，剪切面积固定，然后在下剪切盒和上剪切盒的有效剪切面积中添加剪切试样；

其次在调整好读数仪器和伺服电机的使用情况后，将上剪切盒、读数仪器和伺服电机通过连接轴连接；

然后将所述上剪切盒与下剪切盒啮合完全，并且在竖直加载装置加载载荷后准备剪切；

最后打开读数仪器和伺服电机的开关，开始试验并录入微型计算机。

本实用新型中的读数仪器是现有的设备，在市场中可以购买到，在此不再赘述。

本实用新型的上剪切盒和下剪切盒配合构成用于容纳试样的圆柱形剪切盒；下剪切盒的侧面上安装刻度盘，通过伺服电机转动上剪切盒，得出试样的剪切角度。数据采集通过读数仪器的可编程控制器把实验数据传输到微型计算机，并通过人机界面交互操作；利用计算机实现试验结果的直接输出，可保证受剪切面积不变的情况下，所测量土壤的抗剪切强度参数更加符合实际的状况，并且使得到的内摩擦角和粘聚力值具真实性。

本实用新型可以在保证直剪面积不变以及在保证直剪面积不变的情况下测量出剪切角度，进而得出土壤的抗剪切强度参数, 即试样的内摩擦角和粘聚力的值。能够保证内摩擦角和粘聚力的准确性，不受有效剪切面积逐渐变化的影响。这种直剪仪体积适中，便于随车携带，其数据直接录入终端，便于对实验数据进行快速处理，是一种工作效率更高的直剪仪。

与现有的直剪相比较的优点：1、现在直剪仪都是通过测量位移来获取实验数据，本实用新型是通过角度来获取试验数据；2、现在直剪仪的位移没有保证直剪面积不变，但是计算的时候都是假设不变来完成的，本实用新型是实际操作中就保证了不变，所以获得数据更精确。

本实用新型提供的直剪仪的结构简单，操作方法简单，不同于传统直剪仪实验一般需要测量剪切盒的水平位移来得到抗剪强度指标，本实用新型提供的直剪仪进行实验时，通过测量剪切角度来得到抗剪强度系数。

附图说明

图1是现有技术中剪应力与剪切位移关系曲线图；

图2是现有技术中抗剪强度线图；

图3是现有技术中试样受剪情况图；

图4是本实用新型直剪仪的结构示意图；

图5是本实用新型中下剪切盒上面刻度盘结构示意图；

图6是本实用新型剪应力与剪切角度关系曲线图；

图7是本实用新型抗剪强度线图；

图8是本实用新型中试样受剪情况图；

其中，1 ：实验平台；2 ：下剪切盒；3 ：L型销钉；4 ：读数仪器；5 ：转动杆； 6 ：上剪切盒；7 ：伺服电机； 8 ：竖直加载装置； 9 ：刻度盘； 10 ：刻度标尺，11：连接杆；12：竖杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图4 、图5所示，本实施例所述的一种剪切面积不变的圆柱形直剪仪，包括实验平台1和设置于所述实验平台上的下剪切盒2、上剪切盒6，所述实验平台1上设有L型销钉孔 可通过前、后、左、右的L型销钉3将下剪切盒2固定于所述实验平台上，上剪切盒6对应设置于下剪切盒2上，且能在下剪切盒2上转动，转动时，上剪切盒6与下剪切盒2之间保持稳定，两者之间不发生位移变化（如图8所示）。所述上剪切盒6和下剪切盒2配合构成用于容纳试样的圆柱形剪切盒。

实验平台1的前后左右两侧设有四L型销钉孔3，所述下剪切盒2上设有与所述L型销钉孔对应的L型销钉，所述L型销钉穿过所述L型销钉孔并插入所述L型销钉孔，起到固定下剪切盒2的作用。四个L型销钉孔3对称开设于实验平台上，且相对的两个孔间距大于下剪切盒2的直径。

实验平台1上沿下剪切盒周边对应设置有0°、90°、180°和270°刻线及相应标识。

下剪切盒2的侧面上套装有刻度盘9，上剪切盒6侧面上设置有与所述刻度盘9上的刻线匹配的刻度标尺10，通过转动上剪切盒6，得出试样的剪切角度。

上剪切盒6上部中心处固定设置一L型转动杆5，所述转动杆5的上端与伺服电机7输出轴相连，转动杆5的水平部分末端下部设置有读数仪器4，数仪器4用于获取圆柱形剪切盒内的试样的实验数据，且读数仪器4的读数部件与刻度标尺10及刻度盘9相对应，用于读取刻度标尺10对应的刻度盘9上的刻线值，伺服电机7工作时，驱动转动杆5带动上剪切盒6和读数仪器4同步转动。上剪切盒6 施加转动力，施加转动力的机构可以为任何能够施加转动力的机构，如调速伺服电机等；

伺服电机7的壳体与连接杆11一端固定连接，连接杆11另一端通过轴套活动套装在竖杆12上，伺服电机7及连接杆11能够在竖杆12上自动上下滑动，竖杆12下端固定在试验平台1上，能起到把上剪切盒固定的作用。这样能够保证剪切盒转动时，剪切面积固定。

伺服电机7顶部设置有竖直加载装置8，竖直加载装置8提供竖直方向的荷载力。所述竖直加载装置8包括设置于伺服电机7上部顶部开口的容器，容器中放置对应的砝码。加上砝码之后通过伺服电机7、转动杆5将重力传递到上剪切盒6上面。

如图5所示，下剪切盒2上安装的刻度盘9，得到试样剪切角度。刻度盘的精度为0.01°，量程360°.

如图4所示，读数仪器4、上剪切盒6和伺服电机7通过转动杆5连接，竖直加载装置8位于伺服电机7的上表面。其中转动杆5的一端连接读数仪器4，另一端端连接伺服电机7，第三端连接上剪切盒6，使得读数仪器4、上剪切盒6和伺服电机7具有相同的转动频率。读数仪器4与外部计算机相连，用于将读取数据传输至计算机，由计算机处理显示结果。

本实用新型的使用方法是：首先将下剪切盒2通过L型销钉3在固定在试验平台1之后，在下剪切盒2和上剪切盒6的有效剪切面积中添加剪切试样。其次在调整好读数仪器4和伺服电机7的使用情况后，将6上剪切盒、读数仪器4和伺服电机7通过连接轴连接。然后将所述上剪切盒6与下剪切盒2啮合完全，并且在竖直加载装置8加载载荷后准备剪切。最后打开读数仪器4和伺服电机7的开关，开始试验并录入微型计算机。

如图6、图7所示，根据土力学直剪实验原理，直剪试样大小固定，直剪面积不变，由摩尔—库伦破坏理论：=（σ）=σ+C，其中为土体破坏面上的剪应力，即土的抗剪强度；σ为作用在剪切面上面的法向应力；φ为土的内摩擦角度；C为土的粘聚力。剪切面积不变的圆柱形直剪仪解决了传统直剪仪直剪面积变化以及由直剪面积变化测量出的剪切位移不精确的问题，本实用新型通过保证直剪面积不变以及在保证直剪面积不变的情况下测量出剪切角度的方法，最终得出精确度更高的抗剪强度参数。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。