CN109946173A

CN109946173A - 土工压缩、大变形循环环剪仪

Info

Publication number: CN109946173A
Application number: CN201910297665.6A
Authority: CN
Inventors: 张其一; 王树青; 吴玿璇; 刘志杰
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: CN109946173B

Abstract

本发明涉及一种土工压缩、大变形环剪仪，包括仪器底板，仪器底板上表面上设置有水平线性导轨；仪器底板上部设有土样底座；土样底座上部设有第一扭转加固环；第一扭转加固环上部设有第一透水石；第一透水石外部设有试验土环；第一透水石上部设有第二透水石；第二透水石上部设有e‑p试验下压盖板；e‑p试验下压盖板上部设有第一线性位移传感器和第一联轴器；第一线性位移传感器上部设有第二扭转加固环。该发明是一项多功能土工试验设备，能够进行海洋工程领域内的土工模型试验，计算机控制***采用双闭环自动化控制。该土工试验仪通过计算机操作伺服电机，试验过程中更加方便，效果更好。

Description

土工压缩、大变形循环环剪仪

技术领域

本发明属于土木测试仪器技术领域，具体涉及一种土工压缩、大变形循环环剪仪。

背景技术

土木工程中，需要针对样品进行多样化测试。一般的设备测试较为麻烦，且不能实现多样化测量，因此，有必要根据需要进行改进，便于更好地开展测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土工压缩、大变形环剪仪，便于更好地用于土木测量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种土工压缩、大变形环剪仪，包括仪器底板，仪器底板上表面上设置有水平线性导轨；仪器底板上部设有土样底座；土样底座上部设有第一扭转加固环；第一扭转加固环上部设有第一透水石；第一透水石外部设有试验土环；第一透水石上部设有第二透水石；第二透水石上部设有e-p试验下压盖板；e-p试验下压盖板上部设有第一线性位移传感器和第一联轴器；第一线性位移传感器上部设有第二扭转加固环；第二扭转加固环上部设有固定桁架；固定桁架上部设有第二联轴器；第二联轴器上部设有固定钢片；固定钢片外部设有第二扭转加固环，第二扭转加固环上部设有第二线性位移传感器和固定钢片；第二扭转加固环内部设有第八联轴器和转角传感器；第二扭转加固环上部设有圆形转盘，圆形转盘上部设有线性轴承，线性轴承上部设有圆环线性导轨，圆环线性导轨内部设有扭转齿轮和第三联轴器；第三联轴器上部设有扭转传感器和第四联轴器；第四联轴器上部设有扭转电动支撑平台；扭转电动支撑平台上设有螺帽；扭转电动支撑平台上部设有第一伺服电机；螺帽下部侧面设有第二伺服电机、减速器和配重平衡块；配重平衡块下部设有第五联轴器，第五联轴器外部设有平移导块、线性导轨和第六联轴器；第六联轴器下部设有线性模阻和拉压传感器；拉压传感器下部设有第一轴向滑动分离器；第一轴向滑动分离器下部设有内转螺丝和内转螺母；内转螺母下部设有第七联轴器、第二轴向滑动分离器和第三伺服电机；第三伺服电机外部设有第三扭转加固环，第三扭转加固环下部设有扭转刀片。

该土工压缩、大变形环剪仪还包括出水控制器和进水控制器，出水控制器设置在进水控制器上部位置；出水控制器左侧连接有真空管，真空管上设有接头阀和第一水量监测仪；真空管左端连接有磁感线圈，磁感线圈上部设有微型拉压传感器；磁感线圈下部连接有土样；土样右侧的管道上连接有第二水量监测仪和控水阀；土样底部设有水管单向阀；土样内部的上部设有第二透水石，土样内部的底部设有水塞。

本发明实施例中的土工压缩、大变形环剪仪，能够实现如下功能：①环状土样e-p压缩试验；②土样孔隙比试验；③环状土样大变形静力、循环扭剪试验。该设备包括：(1)反力支撑架，支撑架上设置有伺服电机和扭矩传感器，分别测量土样扭剪过程中的荷载与角位移；(2)固定于支撑架上的竖向线性模组与伺服电机，分别测量e-p压缩过程中，环形土样的正压力与压缩位移；(3)圆柱土样及其顶部电磁吸力***与测量***；(4)水压加载与负压测量***。

该发明的有益效果在于：该发明是一项多功能土工试验设备，能够进行海洋工程领域内的土工模型试验，计算机控制***采用双闭环自动化控制，嵌入了自主推导的环形土样往复扭剪受力分析公式，对常规十字板扭剪试验进行了改进，能够对粘土进行循环剪切试验，能够自动控制土样法向与环形应力状态；同时能够自动测定土样的e-p压缩特性；另外，利用设备测得孔隙比与密度后，利用推导的公式，给出其余物理力学指标。该土工试验仪通过计算机操作伺服电机，试验过程中更加方便，效果更好。

附图说明

图1是本发明实施例中所使用设备整体效果图。

图2本发明实施例中所使用设备剖面示意图。

图3是本发明实施例中所使用设备扭转***部分结构示意图。

图4是本发明实施例中所使用设备压缩部分结构示意图。

图5是本发明实施例中所使用设备中的e-p压缩部件装配图。

图6是本发明实施例中所使用设备中的动扭剪部件装配图。

图7是本发明实施例中所使用设备中的孔隙比试验装配图。

图8是本发明实施例中所使用设备中的孔隙比试验中土样剖面图。

图中标记说明：1、出水控制器；2、进水控制器；3、第一水量监测仪；4、控水阀；5、第二水量监测仪；6、土样；7、磁感线圈；8、微型拉压传感器；9、第一伺服电机；10、螺帽；11、扭转电动支撑平台；12、第四联轴器；13、扭转传感器；14、第三联轴器；15、扭转齿轮；16、圆环线性导轨；17、线性轴承；18、圆形转盘；19、第二扭转加固环；20、第二伺服电机；21、减速器；22、配重平衡块；23、第五联轴器；24、平移导块；25、线性导轨；26、第六联轴器；27、线性模阻；28、拉压传感器；29、第一轴向滑动分离器；30、内转螺丝；31、第七联轴器；32、第二轴向滑动分离器；33、第三伺服电机；34、扭转刀片；35、第三扭转加固环；36、第二扭转加固环；37、e-p试验下压盖板；38、第二透水石；39、试验土环；40、第一透水石；41、第一扭转加固环；42、土样底座；43、仪器底板；44、水平线性导轨；45、第八联轴器；46、转角传感器；47、第二线性位移传感器；48、固定钢片；49、第二联轴器；50、固定桁架；51、第一线性位移传感器；52、第一联轴器；53、接头阀；54、水管单向阀；55、真空管；56、第二透水石；57、水塞；58、内转螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

如图1-8所示的土工压缩、大变形环剪仪，包括仪器底板43，仪器底板43上表面上设置有水平线性导轨44；仪器底板43上部设有土样底座42；土样底座42上部设有第一扭转加固环41；第一扭转加固环41上部设有第一透水石40；第一透水石40外部设有试验土环39；第一透水石40上部设有第二透水石38；第二透水石38上部设有e-p试验下压盖板37；e-p试验下压盖板37上部设有第一线性位移传感器51和第一联轴器52；第一线性位移传感器51上部设有第二扭转加固环36；第二扭转加固环36上部设有固定桁架50；固定桁架50上部设有第二联轴器49；第二联轴器49上部设有固定钢片48；固定钢片48外部设有第二扭转加固环19，第二扭转加固环19上部设有第二线性位移传感器47和固定钢片48；第二扭转加固环19内部设有第八联轴器45和转角传感器46；第二扭转加固环19上部设有圆形转盘18，圆形转盘18上部设有线性轴承17，线性轴承17上部设有圆环线性导轨16，圆环线性导轨16内部设有扭转齿轮15和第三联轴器14；第三联轴器14上部设有扭转传感器13和第四联轴器12；第四联轴器12上部设有扭转电动支撑平台11；扭转电动支撑平台11上设有螺帽10；扭转电动支撑平台11上部设有第一伺服电机9；螺帽10下部侧面设有第二伺服电机20、减速器21和配重平衡块22；配重平衡块22下部设有第五联轴器23，第五联轴器23外部设有平移导块24、线性导轨25和第六联轴器26；第六联轴器26下部设有线性模阻27和拉压传感器28；拉压传感器28下部设有第一轴向滑动分离器29；第一轴向滑动分离器29下部设有内转螺丝30和内转螺母58；内转螺母58下部设有第七联轴器31、第二轴向滑动分离器32和第三伺服电机33；第三伺服电机33外部设有第三扭转加固环35，第三扭转加固环35下部设有扭转刀片34。

该土工压缩、大变形环剪仪还包括出水控制器1和进水控制器2，出水控制器1设置在进水控制器2上部位置；出水控制器1左侧连接有真空管55，真空管55上设有接头阀53和第一水量监测仪3；真空管55左端连接有磁感线圈7，磁感线圈7上部设有微型拉压传感器8；磁感线圈7下部连接有土样6；土样6右侧的管道上连接有第二水量监测仪5和控水阀4；土样6底部设有水管单向阀54；土样6内部的上部设有第二透水石56，土样6内部的底部设有水塞57。

左边第一伺服电机9为环剪作用提供动力，螺帽10用来固定圆环线性导轨16，伺第一伺服电机9与扭转传感器13通过第四联轴器12相连接，扭转传感器13用来记录建立大小，相应数据会通过数据采集***传送到数据处理***中。扭转齿轮15通过第三联轴器14与上部构建相连接，在第一伺服电机9的带动下部构建转动，转动机制如下：线性轴承17内嵌有两排滚珠，并受圆环线性导轨16、圆形转盘18的约束，这样就可使其实现扭转齿轮15带动圆形转盘18转动。另外，圆形转盘18、圆环线性导轨16都有相应的滚珠凹槽，目的是使线性轴承17滚动更加平滑，不会发生错位；而线性轴承17滚珠用钢片连接，目的防止装置多次使用后，部分滚珠由于磨损不在滚动而发生锁死。圆形转盘18下方设计了一短轴，目的是使转角传感器46与其通过第八联轴器45相连来记录其扭剪转动角度。第二线性位移传感器47用来测量e-p试验下压盖板37下压量，固定钢片48固定第二线性位移传感器47，第二联轴器49连接第二线性位移传感器47与e-p试验下压盖板37，第二扭转加固环19、第二扭转加固环36等使其扭剪压缩更稳定，加强构建的受力特性。第二线性位移传感器47上有设计有孔洞，用来排水，其下部设计有放置第二透水石38的凹槽；试验土环39用来约束土样，之所以设计成多层层叠状，是方便根据不同实验需求，满足环剪实验不同扭剪角度的需要；土样底座42用来盛置土样，和排出压缩产生的水，内部设计有排水孔以及进水孔洞；水平线性导轨44当实验结束或者更换土体样本；可方便人力抽拉更换，方便实施；仪器底板43支撑整个实验装置。右边第二伺服电机20提供压缩动力；减速器21改变电机转动方向；配重平衡块22调整装置中心位置；第五联轴器23联接减速器21、线性导轨25；平移导块24、线性导轨25为线性模组的组成构建，平移导块24随电机转动而转动，带动线性导轨25向下移动；拉压传感器28传送拉压力大小；第一轴向滑动分离器29、第二轴向滑动分离器32是使扭转刀片34、e-p试验下压盖板37受力同担与分离的构建，初始时扭转刀片34、e-p试验下压盖板37共同向下运动使土样进行压缩，待土样固结完成后。扭转刀片34在第三伺服电机33的带动下使与e-p试验下压盖板37分离，下切入土体，从而进行后续的环剪实验；扭转刀片34剪切土体。

本仪器集土样e-p压缩试验、动力环剪试验、土样三项指标试验为一体，具体如下：

(1)土样e-p压缩曲线试验过程中，能够通过计算机控制伺服电机精确完成。竖向伺服电机加载过程中，通过力传感器和位移传感器实现双向耦合闭环控制，能够绘制连续的e-p压缩曲线，较传统的离散描点绘制压缩曲线更合理(传统压缩曲线一般求解正压力为50kPa、100kPa、200kPa、400kPa情况下孔隙比的离散点)。e-p压缩部件装配图如图5所示。

(2)环形土样动力扭剪试验过程中，能够通过计算机控制伺服电机完成不同正压力、不同剪切频率、不同剪切应变情况下的循环剪切试验。环向伺服电机施加扭矩荷载过程中，通过扭力传感器和角位移传感器实现双向耦合闭环控制；同时通过竖向伺服电机施加给圆环土样相应的正压力；环形土样一方面可以利用上下表面施加透水石来模拟透水边界，另一方面可以利用特制的橡胶薄膜包裹环形土样，来模拟土样的不透水边界。通过改变环形土样竖向正压力，可以模拟环形土样循环荷载作用下的动强度和动剪切模量。本环状扭剪土样试验过程中，为了降低土样扭转过程中环刀边界对土样的约束，沿着环状土样轴线方向，将环刀分为多个光滑圆环。动扭剪部件装配图如图6所示。

(3)圆柱土样孔隙比测定试验：利用环刀将圆柱状土样装入试验盒内，通过电磁铁将试验土样吸附于拉力传感器，通过拉力求得土样容重；然后，通过水压力设备利用负压原理将圆柱土样进行饱和，再次测量圆柱土样的饱和容重；最后，通过土力学三项指标换算公式，求得土样孔隙比，以及推导出相应的其余土力学物理参数。孔隙比试验装配图如6、图8所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种土工压缩、大变形环剪仪，其特征在于：包括仪器底板，所述仪器底板上表面上设置有水平线性导轨；所述仪器底板上部设有土样底座；所述土样底座上部设有第一扭转加固环；所述第一扭转加固环上部设有第一透水石；所述第一透水石外部设有试验土环；所述第一透水石上部设有第二透水石；所述第二透水石上部设有e-p试验下压盖板；所述e-p试验下压盖板上部设有第一线性位移传感器和第一联轴器；所述第一线性位移传感器上部设有第二扭转加固环；所述第二扭转加固环上部设有固定桁架；所述固定桁架上部设有第二联轴器；所述第二联轴器上部设有固定钢片；所述固定钢片外部设有第二扭转加固环，所述第二扭转加固环上部设有第二线性位移传感器和固定钢片；所述第二扭转加固环内部设有第八联轴器和转角传感器；所述第二扭转加固环上部设有圆形转盘，所述圆形转盘上部设有线性轴承，所述线性轴承上部设有圆环线性导轨，所述圆环线性导轨内部设有扭转齿轮和第三联轴器；所述第三联轴器上部设有扭转传感器和第四联轴器；所述第四联轴器上部设有扭转电动支撑平台；所述扭转电动支撑平台上设有螺帽；所述扭转电动支撑平台上部设有第一伺服电机；所述螺帽下部侧面设有第二伺服电机、减速器和配重平衡块；所述配重平衡块下部设有第五联轴器，所述第五联轴器外部设有平移导块、线性导轨和第六联轴器；所述第六联轴器下部设有线性模阻和拉压传感器；所述拉压传感器下部设有第一轴向滑动分离器；所述第一轴向滑动分离器下部设有内转螺丝和内转螺母；所述内转螺母下部设有第七联轴器、第二轴向滑动分离器和第三伺服电机；所述第三伺服电机外部设有第三扭转加固环，所述第三扭转加固环下部设有扭转刀片。

2.根据权利要求1所述的一种土工压缩、大变形环剪仪，其特征在于：该土工压缩、大变形环剪仪还包括出水控制器和进水控制器，出水控制器设置在进水控制器上部位置；出水控制器左侧连接有真空管，真空管上设有接头阀和第一水量监测仪；真空管左端连接有磁感线圈，磁感线圈上部设有微型拉压传感器；磁感线圈下部连接有土样；土样右侧的管道上连接有第二水量监测仪和控水阀；土样底部设有水管单向阀；土样内部的上部设有第二透水石，土样内部的底部设有水塞。