CN103808573B - 一种大型高精度单剪仪结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利土木工程技术领域，具体为一种大型高精度单剪仪结构，包括基础平台，基础平台上设有一块金属平板，金属平板上表面一体连接有导向板，导向板之间设有滚轴，该排滚轴上方预置有混凝土块，混凝土块上部有叠板，叠板上开有定位孔并配有定位螺栓，式样置放仓还配有一块传压板，跨过基础平台还设有支撑架，支撑架包括两根支撑柱，支撑柱之间固定有横跨基础平台并位于叠板上方的支撑横杆，支撑横杆下表部靠中心位置固定有竖向千斤顶，位于基础平台靠导向通道其中一端的一侧设有横向千斤顶，叠板背对所述横向千斤顶一侧设有水平荷重传感器和位移计，最上方的叠板的上方设有法向荷重传感器，结构稳固、运行稳定、操作方便、试验精度高。

Description

一种大型高精度单剪仪结构

技术领域

本发明涉及水利土木工程技术领域，具体为一种大型高精度单剪仪结构。

背景技术

目前，在研究土、土与结构接触面力学特性时，多采用单剪仪进行测试，如公开号为 102269676A 的中国发明专利公开了一种高精度土工单剪仪及使用方法，在上部剪切叠环组内每个剪切环外侧壁设置凹槽，水平向位移传感器盒内设置多个水平向位移传感器与下剪切盒、上部剪切叠环组相连；在加载顶盖上放置两个竖向位移传感器；水平向电磁激振器通过千斤顶固定在底座上；在连接下剪切盒和水平向电磁激振器的水平向传力杆上布置水准管。使用时，通过千斤顶调节和水准管监测保证剪切力沿水平方向施加；通过水平向位移传感器盒采集下剪切盒、上部剪切叠环组内各个剪切环产生的剪切位移；通过两个竖向位移传感器采集上部剪切叠环组内试样在循环剪切力作用下产生法向位移，该结构简单，易于实现对土与结构物接触面的变形特性的测量，特别是在地震研究中的砂垫层滑移摩擦静力试验时，需要很大的实验作用力，该结构在使用时，会产生诸多影响测量结果的干扰因素，如下剪切盒造成的晃动、与内结构物位置在受到剪切力时产生位偏以及与叠环之间的作用力的干扰、叠环本身的设计使得水平或者竖直方向对位时产生的误差和受力过程中受力不均匀产生的误差、上下叠环之间的摩擦阻力在测量过程中影响测量结果、测试过程中由于仪器本身结构的问题造成例如法向压力、水平方向剪切力偏转等问题从而影响测量结果，等等诸多不因素，最终产生的误差会较大，精度不够高，而且由于仪器本身结构的设计，运行会有不稳定现象，容易出现损伤，从而减短使用寿命；另外，该结构本身尺寸较小，不能放置很大的建筑结构物和大量的土试样，比较适合小型剪切试验，而不适合大型剪切试验。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构稳固、运行稳定、操作方便、试验精度高的大型高精度单剪仪结构。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种大型高精度单剪仪结构，包括基础平台，所述基础平台上设有一块矩形的金属平板，所述金属平板上表面一体连接有两块平行的形成导向通道的导向板，两块所述导向板之间设有一排滚轴，该排所述滚轴上方预置有长方体状的混凝土块，所述混凝土块上部层叠有多个叠板，所述叠板为框状板且内框和外框均呈矩形状，所有的叠板和所述混凝土块围成一个长方体状的试样置放仓，所述叠板上开有定位孔并配有定位螺栓，所述试样置放仓还配有一块与其仓体截面形状相吻合且用于置入所述试样置放仓的传压板，跨过所述基础平台还设有支撑架，所述支撑架包括两根位于所述基础平台靠所述导向通道的导通方向两侧的支撑柱，所述支撑柱之间固定有横跨所述基础平台并位于所述叠板上方的支撑横杆，所述支撑横杆下表部靠中心位置固定有竖直方向作用至试样置放仓的中心位置的竖向千斤顶，位于所述基础平台靠所述导向通道其中一端的一侧设有横向作用于所述混凝土块的横向千斤顶，所述横向千斤顶固定于一水平台上，所述叠板背对所述横向千斤顶一侧设有水平荷重传感器和位移计，最上方的叠板的上方设有作用于所述传压板的法向荷重传感器，所述水平荷重传感器、所述法向荷重传感器和所述位移计均连接至数据采集控制***。

上述技术方案中，整个结构的稳定性更高，在千斤顶工作时，整个结构可以很好地承受各种力的作用而保持各个部件稳定的运行，导向通道的导通方向即为剪切方向，横向千斤顶剪切作用下，叠板和叠板之间、叠板和混凝土块之间形成的多层剪切破坏面上的受力方向基本能保持一致并处于同一剪切方向，水平荷重传感器能测得的位移变化数值比较精准，而且该仪器可以制成的体型较大，特别适合在地震研究中砂垫层摩擦滑移减灾技术的砂垫层滑移摩擦静力试验，可以精确地得到土与结构物之间、土与土之间的剪应变变化规律以及土体积变化规律等试验数据，砂垫层摩擦滑移减灾其实就是在地震作用下利用砂粒自身的大幅度变形和砂垫层与结构物接触面的相对摩擦滑移来消耗能量来减少地震对上覆建筑的影响，所以静力试验对该技术的研究发展具有很重要的意义。该单剪仪中，不采用下剪切盒的结构，可以直接采用大型的混凝土块并通过千斤顶较大的水平剪切力的剪切进行试验，有效避免了下剪切盒所造成的试验误差，根据不同建筑结构物不同的接触面，可以选用相近粗糙程度的混凝土块，操作方便，使用灵活，另外，金属平板、混凝土块、叠板、传压板等均采用矩形状的结构，使得受力更加均匀，线性程度更好，还可以方便校准对位，对提高试验精度具有很大帮助，支撑架的作用可以有效保证将竖向千斤顶法向载荷在试验中的偏移大大减少以提高试验精度，试验过程通过传感器和位移计测得的数据传送至数据采集控制***并由其进行计算机模拟运算、分析得到试验数据、试验图形等，更加精确、直观将试验结果呈现出来。

作为对本发明的优选，最上方的叠板作为第一块板并往下依次计数，从第 N+1 块叠板开始至最下方的叠板中的所有叠板处于横向千斤顶作用方向的两个外侧部上固定有电磁体，所述电磁体连接有通电线圈， N ≥ 1 。通过将通电线圈中通电可以使得电磁体带有磁性，容易得到相同的磁性，因此上下层之间的叠板产生斥力而可以有效减小叠板之间摩擦力，减少各层之间摩擦力在试验中的影响，而且可以通过控制电流大小而控制磁力的大小使得叠板之间不仅可以减少摩擦力，同时也可以有效防止土试样颗粒进入叠板重叠的部位由于斥力过大造成间隙大而有土试样进入间隙处而增加不利于试验的摩擦力导致影响测试结果，还有很重要的一点，通过控制磁力来控制上下叠板间的间隙使得间隙小于土试样颗粒的尺寸又很接近与土试样颗粒的尺寸，既不会让土试样颗粒增加不利的摩擦阻力，而且可以使得各层叠板间形成的各个剪切破坏面的应变过程更加符合实际情况，从而提高试验精度。

作为对本发明的优选， N+1 的数值与所有叠板总数的数值之比≥ 1/5 。使得最上方的几块叠板作为一个整体有效保证最上方的几块叠板的刚度，确保与竖向千斤顶、传压板之间的结构稳定性，以保证最上方土试样的刚度、稳定性和法向压力施加的平稳程度一提高测试精度，最上方的几块叠板就像是一个固定盖，几乎是不怎么动的。

作为对本发明的优选，第 N+1 块叠板与最下方的叠板之间的所有叠板处于横向千斤顶作用方向的两个外侧部上的每个外侧部上均设有两个上下并行设置的电磁体。采用的电磁体应该是单面产生磁力的，即上下叠板之间相邻相对的电磁体相对的一面产生相同磁性的磁力，从而来实现消除叠板间的摩擦阻力，如果设置单个电磁体上下面通电产生磁力，也是可行的，但是上下相邻电磁体的间距增加，所需的电能更大，稳定性会有所下降，所以该优选可以保证磁场的稳定性以及受力的均匀程度，而且也比较操作。

作为对本发明的优选，电磁体呈扁平的矩形长条板状结构，同一外侧部上设有两个电磁体的叠板在该外侧部位于两个电磁体的上下位置之间设有一条横向的磁屏蔽件。由于在试验过程中，相隔的叠板上的电磁体的磁场试验前，特别在试验中叠板横向位置会发生变化导致电磁***置变化时，都会产生磁场的干扰，从而影响受力的平衡，造成叠板运行会不稳定从而影响试验精度。

作为对本发明的优选，磁屏蔽件的长度和宽度均大于电磁体的长度和宽度。有效提高叠板的稳定性，保证试验精度。

作为对本发明的优选，最下方的叠板下表面与混凝土块上表面之间位于导向通道的导通方向的位置设有水平滚针。一方面是减少叠板与混凝土块之间的摩擦阻力以提高试验精度，另外，由于在试验前需要将试样土装入试样置放仓内，此时叠板是一层一层压着的，电磁体是不工作的，形成一个稳定的仓体，保证试样土装入位置的精度和密实度，所以所有叠板的重力会压在混凝土块上，如果要装土过程中调整位置，由于叠板压着造成其与混凝土块之间具有很大的摩擦力，不容易移动，而水平滚针不仅可以使得调整位置省力，而且也能够承受上方所有叠板的重力，如果采用上述电磁的结构形式，可能需要达不到这个载荷能力，而且所有叠板的重力是很大的，很容易造成磁场的斥力不够稳定，造成试样置放仓的结构不稳定从而影响装试样土的效果以致影响试验精度。

作为对本发明的优选，横向千斤顶的作用端固定有横向推进板，所述推进板包括直接作用到混凝土块一侧面的主板以及与所述主板两侧水平方向一体固定连接并垂直于所述主板的侧板，所述主板和所述侧板形成一个紧贴、包覆住所述混凝土块的矩形限位槽。不仅可以有效传导剪切力，而且可以防止推进过程的偏小扭转效应，使得混凝土块的行进方向是笔直的，就会在试验时使得上方的各层的剪切都是具有很好的传力以及线性的剪切，提高试验精度。

作为对本发明的优选，竖向千斤顶的作用端固定有竖向下压平板。保证法向压力的施加到试样土上的平整性和均匀性。

作为对本发明的优选，沿着叠板的内框面上开设有水平方向的条状弧形槽。在试验中，实际上会有边缘效应，土试样变形会比较复杂，土试样边缘的应变较大，该结构设计，使得边缘效应的影响降低，从而提高试验的精度。

本发明的有益效果： 1 、该单剪仪结构稳固，减少了结构本身对测试精度的影响，而且使用寿命更长，定位精确、运行稳定，减少了在测试过程中由于仪器本身不稳定带来的较多影响测试结果的不良因素，对不利于测试精度的额外摩擦阻力等问题都作了有效解决，特别适合如地震研究中砂垫层摩擦滑移减灾技术的砂垫层滑移摩擦静力试验等较为大型剪切试验；

2 、试验中可以根据土试样颗粒的尺寸进行剪切面的最佳选择使得试验精度大大提高，同时还可以根据要求对不同类别的土、土与结构物接触面的变形特性的测量；

3 、安装调试更加方便，操作起来也比较简单，不需要花费很大的精力，减小了试验难度。

附图说明

图 1 是本发明实施例 1 的立体结构示意图；

图 2 是图 1 中 I 处的局部放大图；

图 3 是本发明实施例 2 中叠板的立体结构示意图。

图中： 1 、基础平台， 2 、金属平板， 3 、导向板， 30 、滚轴， 4 、混凝土块， 5 、叠板， 6 、试样置放仓， 70 、定位孔， 7 、定位螺栓， 8 、传压板， 91 、支撑柱， 92 、支撑横杆， 60 、竖向千斤顶， 40 、横向千斤顶， 50 、电磁体， 55 、磁屏蔽件， 450 、水平滚针， 401 、横向推进板， 4011 、主板， 4012 、侧板， 601 、竖向下压平板， 150 、条状弧形槽。

具体实施方式

以下具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例 1 ，如图 1 、 2 所示，一种大型高精度单剪仪结构，包括基础平台 1 ，基础平台 1 上设有一块矩形的金属平板 2 ，金属平板 2 上表面一体连接有两块平行的形成导向通道的导向板 3 ，两块导向板 3 之间设有一排滚轴 30 ，该排滚轴 30 上方预置有长方体状的混凝土块 4 ，混凝土块 4 上部层叠有多个叠板 5 ，叠板 5 为框状板且内框和外框均呈矩形状，所有的叠板 5 和所述混凝土块 4 围成一个长方体状的试样置放仓 6 ，叠板 5 上开有定位孔 70 并配有定位螺栓 7 ，试样置放仓 6 还配有一块与其仓体截面形状相吻合且用于置入试样置放仓 6 的传压板 8 ，跨过基础平台 1 还设有支撑架，支撑架包括两根位于基础平台 1 靠导向通道的导通方向两侧的支撑柱 91 ，支撑柱 91 之间固定有横跨基础平台 1 并位于叠板 5 上方的支撑横杆 92 ，支撑横杆 92 下表部靠中心位置固定有竖直方向作用至试样置放仓 6 的中心位置的竖向千斤顶 60 ，支撑横杆 92 可以采用“工”字形柱，其中靠近竖直部的中心处安装竖向千斤顶 60 ，位于基础平台 1 靠导向通道其中一端的一侧设有横向作用于混凝土块 4 的横向千斤顶 40 ，横向千斤顶 40 固定于一水平台上，叠板 5 背对横向千斤顶 40 一侧设有水平荷重传感器和位移计，最上方的叠板 5 的上方设有作用于传压板 8 的法向荷重传感器，水平荷重传感器、法向荷重传感器和位移计均连接至数据采集控制***。

最上方的叠板 5 作为第一块板并往下依次计数，从第 N+1 块叠板 5 开始至最下方的叠板 5 中的所有叠板 5 处于横向千斤顶 40 作用方向的两个外侧部上固定有电磁体 50 ，电磁体 50 连接有通电线圈， N ≥ 1 ， N+1 的数值与所有叠板 5 总数的数值之比≥ 1/5 ，例如采用 15 块叠板 5 ，从第 4 块开始设有电磁体 50 ，第 N+1 块叠板 5 与最下方的叠板 5 之间的所有叠板 5 处于横向千斤顶 40 作用方向的两个外侧部上的每个外侧部上均设有两个上下并行设置的电磁体 50 。电磁体 50 呈扁平的矩形长条板状结构，同一外侧部上设有两个电磁体 50 的叠板 5 在该外侧部位于两个电磁体 50 的上下位置之间设有一条横向的磁屏蔽件 55 ，磁屏蔽件 55 可以采用磁屏蔽铁壳，磁屏蔽件 55 的长度和宽度均大于电磁体 50 的长度和宽度。最下方的叠板 5 下表面与混凝土块 4 上表面之间位于导向通道的导通方向的位置设有水平滚针 450 。横向千斤顶 40 的作用端固定有横向推进板 401 ，推进板 401 包括直接作用到混凝土块 4 一侧面的主板 4011 以及与主板 4011 两侧水平方向一体固定连接并垂直于主板 4011 的侧板 4012 ，主板 4011 和侧板 4012 形成一个紧贴、包覆住混凝土块 4 的矩形限位槽。竖向千斤顶 60 的作用端固定有竖向下压平板 601 。

使用方法如下，先将混凝土块 4 放置到滚轴 30 上并初步调整其与横向千斤顶 40 和竖向千斤顶 60 之间的位置，然后将水平滚针 450 放置到混凝土块 4 上，然后再在水平滚针 450 放置最下方的叠板 5 ，然后进行多个叠板 5 的依次放置，在此过程中可以边放入土试样，也可以等所有叠板 5 放置好后再进行土试样的填充和压制，可以根据实际试验需求来选择，填装时可以使用平板振动器以提高填充的效果，同时在叠板 5 的放置时，通过定位孔 70 并配有定位螺栓 7 进行有效定位，保证试样置放仓 6 的稳定性，确保其是一个很工整的长方体状试样置放仓 6 ，当土试样填充完后，需确保顶面平整，然后放上传压板 8 ，可用水平尺量测试其水平度后再进行调整，在微调叠板 5 的位置，使得竖向千斤顶 60 放置到传压板 8 的中心位置，以及微调叠板 5 与横向千斤顶 40 之间的位置，然后让横向推进板 401 包住混凝土块 4 ，叠板 5 另一侧，放置位移计与对应的叠板 5 轻微接触、水平荷重传感器与混凝土块 4 轻微接触，同样的，将法向荷重传感器放置到传压板 8 上并轻微接触，竖向千斤顶 60 施加法向压力至传压板 8 上到预定数值后停止，静置一段时间，待法向压力不再发生变化时，拔去叠板 5 上的定位螺栓 7 ，然后开始通过横向千斤顶 40 施加水平剪力，同时开始记录各种试验数据，将数据传送至数据采集控制***并由其进行计算机模拟运算、分析得到试验数据、试验图形等，更加精确、直观将试验结果呈现出来，可以精确地得到土与结构物之间、土与土之间的剪应变变化规律以及土体积变化规律等。

实施例 2 ，如图 3 所示，其与实施例 1 的区别在于，沿着叠板 5 的内框面上开设有水平方向的条状弧形槽 150 ，可以设置一条或者一条以上，根据实际要求和试验总结进行调整。

Claims (1)

1.一种大型高精度单剪仪结构，其特征在于：包括基础平台（1），所述基础平台（1）上设有一块矩形的金属平板（2），所述金属平板（2）上表面一体连接有两块平行的形成导向通道的导向板（3），两块所述导向板（3）之间设有一排滚轴（30），该排所述滚轴（30）上方预置有长方体状的混凝土块（4），所述混凝土块（4）上部层叠有多个叠板（5），所述叠板（5）为框状板且内框和外框均呈矩形状，所有的叠板（5）和所述混凝土块（4）围成一个长方体状的试样置放仓（6），所述叠板（5）上开有定位孔（70）并配有定位螺栓（7），所述试样置放仓（6）还配有一块与其仓体截面形状相吻合且用于置入所述试样置放仓（6）的传压板（8），跨过所述基础平台（1）还设有支撑架，所述支撑架包括两根位于所述基础平台（1）靠所述导向通道的导通方向两侧的支撑柱（91），所述支撑柱（91）之间固定有横跨所述基础平台（1）并位于所述叠板（5）上方的支撑横杆（92），所述支撑横杆（92）下表部靠中心位置固定有竖直方向作用至试样置放仓（6）的中心位置的竖向千斤顶（60），位于所述基础平台（1）靠所述导向通道其中一端的一侧设有横向作用于所述混凝土块（4）的横向千斤顶（40），所述横向千斤顶（40）固定于一水平台上，所述叠板（5）背对所述横向千斤顶（40）一侧设有水平荷重传感器和位移计，最上方的叠板（5）的上方设有作用于所述传压板（8）的法向荷重传感器，所述水平荷重传感器、所述法向荷重传感器和所述位移计均连接至数据采集控制***，最上方的叠板（5）作为第一块板并往下依次计数，从第N+1块叠板（5）开始至最下方的叠板（5）中的所有叠板（5）处于横向千斤顶（40）作用方向的两个外侧部上固定有电磁体（50），所述电磁体（50）连接有通电线圈，N≥1， N+1的数值与所有叠板（5）总数的数值之比≥1/5，第N+1块叠板（5）与最下方的叠板（5）之间的所有叠板（5）处于横向千斤顶（40）作用方向的两个外侧部上的每个外侧部上均设有两个上下并行设置的电磁体（50），电磁体（50）呈扁平的矩形长条板状结构，同一外侧部上设有两个电磁体（50）的叠板（5）在该外侧部位于两个电磁体（50）的上下位置之间设有一条横向的磁屏蔽件（55），磁屏蔽件（55）的长度和宽度均大于电磁体（50）的长度和宽度，竖向千斤顶（60）的作用端固定有竖向下压平板（601），沿着叠板（5）的内框面上开设有水平方向的条状弧形槽（150），最下方的叠板（5）下表面与混凝土块（4）上表面之间位于导向通道的导通方向的位置设有水平滚针（450），横向千斤顶（40）的作用端固定有横向推进板（401），所述推进板（401）包括直接作用到混凝土块（4）一侧面的主板（4011）以及与所述主板（4011）两侧水平方向一体固定连接并垂直于所述主板（4011）的侧板（4012），所述主板（4011）和所述侧板（4012）形成一个紧贴、包覆住所述混凝土块（4）的矩形限位槽。