专利名称：一种高精度土工单剪仪及使用方法
技术领域：
本发明属于土木水利工程技术领域，特别涉及一种高精度土工单剪仪及使用方法。
背景技术：
土石坝、路基等工程中存在较多的土与结构物接触面，研究土与结构接触面力学特性对工程的稳定性有重要意义。目前国内外学者就土与结构物接触面力学特性进行了诸多研究，在试验方面研究所使用的仪器主要有直剪仪、单剪仪、动三轴仪和扭剪仪等。由于单剪仪具有在剪切过程中接触面积保持不变、土体的状态更加接近Ktl状态、剪切破坏面既可以发生在接触面上又可以发生在剪切环间等优点，更加适合研究土、土与结构接触面力学特性。在本发明之前，中国专利(专利号ZL200320114794. 1)公开了一种测试粗粒土的抗剪强度的大型直剪仪、中国专利(专利号ZL02131066. 1)公开了一种测试土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪等用来分析土的剪切特性等，该类仪器结构合理、误差�。� 能够反映土、土与结构物接触面的抗剪强度等特性，其存在的不足之处有1)直剪仪规定了上下盒的接触面即为破坏面，不符合工程实际；2)虽可以测得接触面处的剪应变变化规律， 但无法得到试样的整体剪切变形规律；3)不能保证剪应力沿水平方向施加；4)无法直观的测得接触面厚度。此外，中国专利(专利号ZL200920047^3. 2)公开了一种可以研究土与结构物接触面的力学特性的叠环式直剪单剪两用剪切仪，该仪器叠环组是由六个厚度为20mm的叠环组成，由于叠环厚度较大，不能保证破坏面发生在最薄弱面上，不能较好的反映土与结构物接触面的真实破坏时的特征；由于叠环厚度较厚，无法得到接触面厚度；不能调节剪应力施加位置，无法保证剪应力沿水平方向施加。在使用单剪仪研究土与接触面的试样破坏位置、接触面厚度等问题时，使用厚度小的叠环可以更好的模拟工程实际，但由于位移传感器直径较大，在每个剪切环上连接位移传感器不易实现。
发明内容
本发明的目的在于克服已有单剪仪的不足，提供一种高精度土工单剪仪及使用方法。本发明解决技术问题所采用的技术方案是一种高精度土工单剪仪，其结构包括下剪切盒、上部剪切叠环组、水平电磁激振器、水平向位移传感器盒、位移传感器连接杆、竖向位移传感器、水准管、千斤顶，其特征在于上部剪切叠环组内的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、上部剪切叠环组内的剪切环相连；在加载顶盖上放置两个竖向位移传感器；在连接水平向电磁激振器和下剪切盒的传力杆上设置水准管；水平向电磁激振器通过千斤顶固定在底座上。所述上部剪切叠环组的每个剪切环外侧壁设置直径不超过剪切环高度一半、深度不超过剪切环壁厚一半的凹槽，并通过位移传感器连接杆与水平向位移传感器盒相连；所述水平向位移传感器盒内设置多个水平向位移传感器，其中最下侧一个位移传感器输入端与下剪切盒相连，测量下剪切盒的剪切位移，其余各位移传感器输入端通过位移传感器连接杆分别与上部剪切叠环组内对应的一个剪切环凹槽处相连，测量对应剪切环的剪切位移；
所述加载顶盖上的两个竖向位移传感器沿剪切力施加方向放置。本发明还涉及以上所述的一种高精度土工单剪仪的使用方法，包括以下技术步骤
1、将制好的结构物和土试样分别放置在下剪切盒和上部剪切叠环组内；
2、将水平向电磁激振器和下剪切盒通过传力杆相连，传力杆上设置水准管，通过千斤顶调节水平向电磁激振器的位置，直至水准管内气泡位于中间位置；施加竖向力；
3、将水平向位移传感器盒通过磁力表座固定在上部剪切叠环组的一侧，并将其最下侧一个位移传感器输入端与下剪切盒相连，其余各位移传感器输入端通过位移传感器连接杆分别与上部剪切叠环组内对应的剪切环凹槽相连；将两个竖向位移传感器沿剪切力施加方向依次放置在加载顶盖上；
4、通过水平向电磁激振器施加循环剪切力，试验开始；
5、试验过程中，下剪切盒在循环剪切力作用下沿水平向往返运动，并使上部剪切叠环组内的土试样受到循环剪切力作用；在循环剪切力作用下，各个剪切环产生振幅大小不同的循环剪切位移，该循环剪切位移通过与上部剪切叠环组相连的水平向位移传感器采集并传输到数据采集处理系统中；在循环剪切力作用下，上部剪切叠环组内的土试样产生法向位移，该位移由两个竖向位移传感器采集并传输到数据采集处理系统中；
6、当剪应变达到破坏标准时试验停止；可得到土与结构物接触面处剪应变变化规律、 沿试样高度的剪应变变化规律、体应变变化规律、接触面厚度等。本发明的优点和效果在于
通过水平向位移传感器盒可以测量试验过程中上部剪切叠环组内每个剪切环和下剪切盒的剪切位移变化规律，从而可得到在静、动力荷载作用下试样沿高度的整体剪切变形规律、接触面剪切变形规律、接触面厚度等；
水平向位移传感器盒内位移传感器的个数可根据试样的高度调节，从而满足不同土的试验要求；
通过两个竖向位移传感器可以测量试验过程中法向位移变化规律，从而可得到在静、 动力荷载作用下试样的体积变形规律；
通过千斤顶调节和水准管的检验，可以保证剪切力沿水平方向施加。本发明结构简单，在已有单剪仪的基础上进行改造，易于实现，费用低，可高精度测量土与结构物接触面的变形特性。本发明的优点和效果将在具体实施方式
中进一步描述。
图1本发明的结构示意图； 图2图1的B-B线剖视图3图1中A位置局部放大4图4图1中4的剖视图5本发明的上部剪切叠环组及一个剪切环的示意图。1 一下剪切盒；2—上部剪切叠环组；3—水平向电磁激振器；4一水平向位移传感器盒；5—位移传感器连接杆；6—竖向位移传感器；7—水准管；8—千斤顶。
具体实施例方式
如图广5所示，一种高精度土工单剪仪，其结构是在已有单剪仪下剪切盒(1)、上部剪切叠环组(2)、水平向电磁激振器(3)的基础上增加水平向位移传感器盒(4)、位移传感器连接杆(5)、竖向位移传感器(6)、水准管(7)、千斤顶(8)，所述上部剪切叠环组(2)放置在下剪切盒(1)上，其内部的每个剪切环外侧壁设置凹槽，水平向位移传感器盒(4)内设置多个位移传感器，其中最下侧一个位移传感器输入端与下剪切盒(1)相连，用于测量试验过程中下剪切盒(1)的剪切位移，其余各传感器输入端通过位移传感器连接杆( 与上部剪切叠环组O)内对应剪切环凹槽相连，用于测量试验过程中各个剪切环的剪切位移；所述两个竖向位移传感器(6)沿剪切力施加方向依次放置在加载顶盖上，用于测量试验过程中试样发生的法向位移；水平向电磁激振器C3)通过千斤顶(8)固定在底座上，千斤顶(8)可调节水平向电磁激振器(3)的高度；在连接水平向电磁激振器C3)与下剪切盒(1)的传力杆上设置水准管(7)，通过千斤顶(8)上下调节水平向电磁激振器C3)高度以及水准管(7) 的监测保证剪切力沿水平方向施加到下剪切盒(1)上。一种高精度土工单剪仪的使用方法，包括以下技术步骤
1、在下剪切盒(1)内放置结构物，将剪切盒(1)通过滚动支撑放置在底座上；将上部剪切叠环组(2)放置在下剪切盒(1)上，内部放置土试样，放置加载顶盖；
2、水平向电磁激振器(3)通过千斤顶(8)放置在底座上，将水平向电磁激振器(3)和下剪切盒(1)通过传力杆相连，传力杆上设置水准管(7)；通过千斤顶(8)调节水平向电磁激振器(3)的位置，直至水准管(7)内气泡位于中间位置；
3、通过放置加载砝码将法向力施加至加载顶盖上；
4、将水平向位移传感器盒(4)通过磁力表座固定在上部剪切叠环组(2)的一侧，并将最下侧一个位移传感器输入端与下剪切盒(1)相连，其余各位移传感器输入端通过位移传感器连接杆(5)分别与上部剪切叠环组(2)内对应的剪切叠环凹槽相连；将两个竖向位移传感器(6)沿剪切力施加方向依次放置在加载顶盖上；
5、通过水平向电磁激振器施加剪切力，试验开始；
6、试验过程中，水平向电磁激振器(3)通过传力杆将循环剪切力施加至下剪切盒(1) 上，下剪切盒(1)在循环剪切力作用下沿水平向往返运动，并使上部剪切叠环组(2)内的土试样受到循环剪切力作用；在循环剪切力作用下，上部剪切叠环组(2)内的各个剪切环产生振幅大小不同的循环剪切位移，该循环剪切位移通过与剪切环相连的水平向位移传感器盒4采集并输入到数据采集处理系统；
8、试验过程中，上部剪切叠环组内试样受循环剪切力作用产生法向位移，该位移由两个竖向位移传感器(6)采集并输入到数据采集处理系统；
9、当剪应变达到破坏标准时试验停止；可得到土与结构物接触面处剪应变变化规律、 沿试样高度的剪应变变化规律、体应变变化规律、接触面厚度等。
权利要求
1.一种高精度土工单剪仪，其结构包括下剪切盒、上部剪切叠环组、水平向电磁激振器、水平向位移传感器盒、位移传感器连接杆、竖向位移传感器、水准管、千斤顶，其特征在于上部剪切叠环组内的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、上部剪切叠环组内的剪切环相连；在加载顶盖上设置两个竖向位移传感器；在连接水平向电磁激振器和下剪切盒的传力杆上设置水准管；水平向电磁激振器通过千斤顶固定在底座上。
2.根据权利要求1所述的一种高精度土工单剪仪，其特征在于上部剪切叠环组的每个剪切环外侧壁设置直径不超过剪切环高度一半、深度不超过剪切环壁厚一半的凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种高精度土工单剪仪，其特征在于水平向位移传感器盒内设置多个水平向位移传感器，其中最下侧一个位移传感器输入端与下剪切盒相连，其余各位移传感器输入端通过位移传感器连接杆分别与上部剪切叠环组内对应的一个剪切环凹槽处相连。
4.一种根据权利要求1所述的高精度土工单剪仪的使用方法，其步骤为(1)将制好的结构物和土试样分别放置在下剪切盒和上部剪切叠环组内；(2)将水平向电磁激振器和下剪切盒通过传力杆相连，传力杆上设置水准管，通过千斤顶调节水平向电磁激振器的位置，直至水准管内气泡位于中间位置；施加竖向力；(3)将水平位移传感器盒最下侧一个位移传感器与下剪切盒相连，其余各位移传感器通过位移传感器连接杆与上部剪切叠环组内对应剪切环凹槽相连；沿剪切力施加方向将两个竖向位移传感器依次放置在加载顶盖上；(4)通过水平向电磁激振器施加循环剪切力，试验开始；(5)试验过程中，在循环剪切力作用下下剪切盒、上部剪切叠环组内各个剪切环产生振幅大小不同的剪切位移，该剪切位移通过水平向位移传感器盒采集；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，该位移通过两个竖向位移传感器采集；(6)当剪应变达到破坏标准时试验停止；可得到土与结构物接触面处剪应变变化规律、 沿试样高度的剪应变变化规律、体应变变化规律、接触面厚度等。
全文摘要
本发明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。本发明结构简单，易于实现，可高精度测量土与结构物接触面的变形特性。
文档编号G01N3/24GK102269676SQ20111012225
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者丁选明, 刘平, 刘汉龙, 杨贵 申请人:河海大学
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