可视化土工直剪切装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及土工直剪切装置的【技术领域】，公开了可视化土工直剪切装置，直剪切装置包括具有内腔的剪切盒以及加载机构；所述剪切盒包括上剪切盒及下剪切盒，加载机构包括用于对非饱和土体施加竖向作用力的竖向加载机构，以及施加方向相反水平作用力的水平加载机构；透明侧壁标示有控制区域，剪切盒外设有摄像头；剪切盒的侧壁设有吸力孔，吸力孔中插设有用于监测非饱和土体吸力变化的吸力量测传感器。在直剪切过程，得到非饱和土体的抗剪强度，通过摄像头及透明侧壁，得到控制区域中非饱和土体的位移变化，通过吸力量测传感器，得到非饱和土体的吸力变化，实现对非饱和土体宏观以及微观力学性能的量测，其结构简单，操作也便捷。
【专利说明】
可视化土工直剪切装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及土工直剪切装置的【技术领域】，尤其涉及可视化土工直剪切装置。
【背景技术】
[0002]土体的破坏形式主要是由于剪切破坏引起的，因此准确测定土体的剪切强度参数在岩土工程中具有重要意义。
[0003]现有技术中，在试验室测定土体的抗剪强度参数，一般采用直剪仪进行剪切试验，在垂直压力下，对土体施加水平力进行剪切，以求得土体破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土体的抗剪强度参数、内摩擦角以及凝聚力等参数。
[0004]但是，在自然界和实际工程中，遇到的土体通常是非饱和土体，非饱和土体的抗剪强度的理论研究也已有近半个多世纪的历史。对于饱和土体来说，土体强度受有效应力控制，而对非饱和土体来说，被公认的基质吸力对非饱和土体2变形和抗剪强度的贡献很大，基质吸力所产生的抗剪强度对于非饱和土体的稳定性有很大的影响，因此，研究何种因素影响非饱和土体的基质吸力变化，以及非饱和土体在剪切过程中吸力的变化，有着非常重要的意义。
[0005]天然土体颗粒材料具有剪胀性、压硬性和各向异性等特殊的力学性质，且这些力学性质都受控于土体内部的微细结构及其演化，因此，对土体宏观及微观参数进行量化，对于深入研究土体变形机制和力学特性尤为重要。但是，现时，常规的实验室直剪切试验只能测定土体的抗剪强度参数，也就是内摩擦角及凝聚力，其不能实时监测剪切过程基质吸力的变化，也不能直观量测剪切带附近土体的位移，也就是说，现时的直剪切试验不能对非饱和土体同时进行宏观和微观力学性能的联合测量。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供可视化土工直剪切装置，旨在解决现有技术中的直剪切试验不能同时对非饱和土体进行宏观及微观力学性能的联合测量的问题。
[0007]本实用新型是这样实现的，可视化土工直剪切装置，用于对非饱和土体进行直剪切试验，包括具有内腔的剪切盒以及加载机构；
[0008]所述剪切盒包括分别呈中空状的上剪切盒及下剪切盒，所述上剪切盒叠设于所述下剪切盒上，两者的内部之间形成所述内腔；
[0009]所述加载机构包括用于对所述内腔中的非饱和土体施加竖向作用力的竖向加载机构，以及分别给所述上剪切盒及下剪切盒施加方向相反水平作用力的水平加载机构；
[0010]所述上剪切盒和/或下剪切盒的一侧壁采用透明材料制成，形成透明侧壁，所述透明侧壁标示有控制区域，所述剪切盒外设有用于拍摄与所述控制区域对应的非饱和土位移变化的摄像头；
[0011]所述剪切盒的侧壁设有吸力孔，所述吸力孔中插设有用于监测所述内腔中的非饱和土体吸力变化的吸力量测传感器。
[0012]进一步地，所述上剪切盒的下端面与下剪切盒的上端面相向叠设布置，其分别涂设有润滑层。
[0013]进一步地，所述竖向加载机构包括设于所述上剪切盒上方且用于压制所述剪切盒内非饱和土体的加载板，以及连接于所述加载板且施加竖向作用力的竖向施力件。
[0014]进一步地，所述加载板的下表面为平面，其上表面为锥形面，所述竖向施力件连接于所述锥形面的顶点处。
[0015]进一步地，所述水平加载机构包括连接于所述上剪切盒侧壁的刚性顶头以及连接于所述下剪切盒侧壁且用于施加水平作用力的水平施力件，所述刚性顶头与水平施力件相对布置。
[0016]进一步地，所述上剪切盒与下剪切盒的接合处形成剪切带区域，所述吸力孔设有多个，且多个所述吸力孔分别设于所述上剪切盒和/或下剪切盒侧壁的上下两侧。
[0017]进一步地，所述下剪切盒置于滑板上，所述滑板的底部设有多个滚轮。
[0018]与现有技术相比，利用本实用新型中的直剪切装置，可以对放置在剪切盒中的非饱和土体进行直剪切，且在直剪切过程中，可以得到非饱和土体的抗剪强度，通过摄像头以及剪切盒的透明侧壁，可以观察到控制区域中非饱和土体的位移变化，通过吸力量测传感器，则可以得到非饱和土体在直剪切过程中的吸力变化，这样，该直剪切装置，可以实现对非饱和土体宏观以及微观力学性能的量测，其结构简单，操作也便捷。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本实用新型实施例提供的可视化土工直剪切装置的剖切示意图；
[0020]图2是本实用新型实施例提供的可视化土工直剪切装置的局部立体示意图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0022]以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。
[0023]如图1?2所示，为本实用新型提供的较佳实施例。
[0024]本实施例提供的可视化土工直剪切装置1，用于对非饱和土体2在直剪切过程中的吸力及位移进行量测，其包括具有内腔的剪切盒11，该剪切盒11包括上剪切盒111及下剪切盒112，上剪切盒111与下剪切盒112分别呈中空状，上剪切盒111中设有上通腔，下剪切盒112中设有下通腔；上剪切盒111活动叠设在下剪切盒112上，且上通腔连通下通腔，从而，上通腔与下通腔之间一体，两者的内部形成上述剪切盒11的通腔，且上剪切盒111与下剪切盒112之间的结合处形成剪切带区域113。
[0025]当上述的直剪切装置I需要对非饱和土体2进行直剪切试验时，待直剪切试验的非饱和土体2则填充在整个剪切盒11的内腔中，并且，通过上剪切盒111与下剪切盒112之间的错位移动，从而实现对剪切盒11内非饱和土体2的直剪切操作。
[0026]可视化土工直剪切装置I还包括加载机构，该加载机构包括竖向加载机构12以及水平加载机构，其中，竖向加载机构12用于给装置在剪切盒11内的非饱和土体2加载竖向作用力；水平加载机构则分别作用在上剪切盒111及下剪切盒112上方向相反的水平作用力，以使上剪切盒111与下剪切盒112之间错位移动，从而实现对剪切盒11内非饱和土体2直剪切。
[0027]当然，在非饱和土体2被直剪切的过程中，处于剪切带的非饱和土体2的截面发生相对错位移动。
[0028]上述上剪切盒111和/或下剪切盒112的一侧面采用透明材料制成，形成透明侧壁1121，该透明侧面内标示有控制区域1123，且在剪切盒11外设有摄像头，其用于对与该控制区域1123对应的非饱和土体2的位移进行数据采集。
[0029]在上述的剪切盒11的侧壁中设有吸力孔1122，该吸力孔1122中插设有吸力量测传感器，当非饱和土体2在直剪切的过程中，该吸力量测传感器可以对处于该吸力孔1122处的非饱和土体2的吸力进行量测。
[0030]当直剪切装置I在对放置在其内的非饱和土体2进行直剪切的过程中，水平记载机构所施加的水平作用力可以直接得到，进而得到非饱和土体2的抗剪强度参数，也就是非饱和土体2的宏观力学性能量测；同时，通过剪切盒11上设置的透明侧壁1121以及摄像头，可以直接观察到非饱和土体2在直剪切过程中，土体的位移变化，并转化为数据处理，另外，利用吸力量测传感器，则可以量测非饱和土体2中的吸力变化，也就是现实非饱和土体2的微观力学性能的量测；这样，本实施例提供的直剪切装置1，可以同时实现非饱和土体2的宏观及微观力学性能的量测，且通过透明侧壁1121，实现可视化操作，其结构简单，操作也简便。
[0031]具体地，上述的上剪切盒111及下剪切盒112呈方形环状，当然，根据实际需要，且也可以设置为其他异性状，并不仅限制于本实施例中的形状。
[0032]当上剪切盒111与下剪切盒112相向叠设在一起时，上剪切盒111的下端面叠设在下剪切盒112的上端面上，这样，为了便于上剪切盒111与下剪切盒112之间相对错位移动较为平滑，上剪切盒111的下端面与下剪切盒112的上端面上分别涂设有润滑层，通过该润滑层的润滑作用，避免两者直接叠加后，且摩擦力的大小直接影响水平作用力的大小，从而影响非饱和土体2的抗剪强度量测。
[0033]在试验的前期准备中，上剪切盒111叠设在下剪切盒112上，并往剪切盒11内的内腔填充非饱和土体2，在该过程中，为了保证上剪切盒111与下剪切盒112之间发生错位，本实施例中，上剪切盒111与下剪切盒112之间设有可拆卸的固定机构，利用该固定机构，可以将上剪切盒111与下剪切盒112之间相对固定，当然，当需要将上剪切盒111与下剪切盒112之间发生错位移动时，可以直接将该固定机构拆除，使得其脱离对上剪切盒111与下剪切盒112之间的限制。
[0034]具体地，上述的固定机构包括设置在下剪切盒112上端面上的插孔17、贯穿上剪切盒111侧壁中的通孔以及插销，该通孔与插孔17对齐连通，插销插设在通孔中，并穿设至插孔17中，从而将上剪切盒111与下剪切盒112相对固定。
[0035]当然，作为其它实施例，上述的固定机构还可以是其它的结构，例如连接布置在剪切盒11剪切带区域113外的卡勾等，该卡勾的两端分别与上剪切盒111与下剪切盒112连接，从而实现上剪切盒111与下剪切盒112之间的固定连接。
[0036]本实施例中，竖向加载机构12包括设置在上剪切盒111上方的加载板121以及竖向施力件123，该加载板121可以直接叠加在上剪切盒111内的非饱和土体2上，该竖向施力件123连接在加载板121上，其可以给加载板121施加竖向的作用力，从而给剪切盒11内的非饱和土体2施加法向作用力。
[0037]竖向施力件123通过呈竖向延伸布置，其可以是气缸等等。
[0038]为了使得竖向施力件123所施加的竖向作用力可以通过加载板121较为平均的分布在非饱和土体2的各处，本实施例中，加载板121的下表面呈平面状，其上表面呈锥形面122，且上述的竖向施力件123连接在加载板121锥形面122的顶点处，当然，该锥形面122的顶点也为该加载板121的中心点。
[0039]水平加载机构包括连接在上剪切盒111侧壁的刚性顶头114、连接在下剪切盒112侧壁的水平施力件14，并且，刚性顶头114与水平施力件14分别分布在剪切盒11的两对立侧壁，两者相对布置，这样，当水平施力件14对下剪切盒112时间水平作用力时，在刚性顶头114的作用下，上剪切盒111保持不同，通过下剪切盒112的水平移动，从而实现上剪切盒111与下剪切盒112之间的错位移动，也就是对剪切盒11内的非饱和土体2实现直剪切。
[0040]具体地，水平施力件14可以是气缸等，也可以是其它所有可以施加水平作用力的动力件，具体可视实际需要而定。
[0041]上述的刚性顶头114与上剪切盒111之间固定连接，且刚性顶头114固定布置，这样，则保持上剪切盒111可以固定不动；水平施力件14连接有载荷传感器13，其可以用于量测水平施力件14的作用力，这样，通过该载荷传感器13得到的数据，以及剪切盒11的形状及大小，则可以较为方便的得到非饱和土体2的抗剪强度等参数。
[0042]为了便于下剪切盒112相对于上剪切盒111之间的移动，本实施例中，剪切盒11放置在滑动板16上，也就是下剪切盒112的下端放置在滑动板16上，该滑动板16的下端设置有多个滚轮17，该多个滚轮17可以直接放置在试验平台上，这样，下剪切盒112则置于上剪切盒111与滑板之间，从而便于其移动。
[0043]在上述滑板的外侧设有位移传感器15，其可以对滑板16的位移进行量测，这样，通过该位移传感器15的量测，可以间接得到下剪切盒112相对于上剪切盒111之间的移动数据，进而为非饱和土体2其它参数计算提供数据。
[0044]本实施例中，可以在上剪切盒111及下剪切盒112都形成有透明侧壁1121，并且，分别在上剪切盒111及下剪切盒112的透明侧壁1121上标示控制区域1123，当然，也可以在上剪切盒111或下剪切盒112其中之一形成透明侧壁1121，具体设置可视实际情况而定。
[0045]而对于吸力量测方面，为了监测剪切盒11内非饱和土体2的多个位置的吸力变化，本实施例中，在上剪切盒111及下剪切盒112中分别设置有多个吸力孔1122，多个吸力孔1122分别设置在上剪切盒111或下剪切盒112侧壁的上下两侧，也就是靠近剪切盒11的剪切带区域113及偏离剪切盒11的剪切带区域113。
[0046]根据上述提供的可视化土工直剪切装置1，本实施例还提供了可视化土工直剪切方法，其包括以下步骤:
[0047]I)、将上剪切盒111放置在下剪切盒112上，上剪切盒111与下剪切盒112形成具有内腔的剪切盒11;
[0048]2)、往剪切盒11的内腔中分层放置非饱和土体2，并采用竖向加载机构12对非饱和土体2施加竖向作用力，使得非饱和土体2固结稳定；
[0049]3)、将吸力量测传感器插设在剪切盒11侧壁的吸力孔1122中，并等待吸力量测传感器的吸力数据平衡；
[0050]4)、利用水平加载机构给上剪切盒111及下剪切盒112施加方向相反的水平作用力，从而上剪切盒111与下剪切盒112之间在水平方向发生错位移动，剪切盒11内腔中的非饱和土体2发生直剪切；
[0051]5)、在剪切盒11的内腔中非饱和土体2发生直剪切的过程中，利用摄像头拍摄剪切盒11透明侧壁1121上控制区域1123处非饱和土体2的位移变化，也就是非饱和土体2的变形过程，并通过吸力量测传感器监测非饱和土体2的吸力变化。
[0052]在上述的可视化土工直剪切方法中，其通过对上剪切盒111及下剪切盒112施加方向相反的水平作用力，可以实现上剪切盒111与下剪切盒112之间的错位移动，从而可以得到非饱和土体2的抗剪强度参数；利用摄像头拍摄透明区域的控制区域1123处的非饱和土体2，可以直观的观察非饱和土体2的位移变化，另外，吸力量测传感器则可以监测非饱和土体2的吸力变化，且同时实现对非饱和土体2的宏观以及微观力学性能监测，且可视化，结构简单，且操作也便捷。
[0053]在上述的步骤I)中，将上剪切盒111放置在下剪切盒112上前，可以在上剪切盒111的下端面与下剪切盒112的上端面上分别涂设润滑层。
[0054]在上述的步骤I)与步骤2)之间，利用可拆卸的固定机构将上剪切盒111与下剪切盒112之间固定，待利用水平加载机构对上剪切盒111与下剪切盒112时间方向相反的水平作用力前，将该固定机构拆除，使得上剪切盒111与下剪切盒112之间可以相对错位移动。
[0055]本实施例中，吸力量测传感器、载荷传感器13、位移传感器以及摄像头等可以直接与外部的控制设备连接，从而利用该控制设备对其数据处理、储存等，从而实现整个直剪切过程中，数据的自动化处理以及直剪切操作的自动化运行。当然，也可以各自设置控制元件，各自自行进行数据处理及储存等，具体可视实际需要而定。
[0056]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.可视化土工直剪切装置，其特征在于，用于对非饱和土体进行直剪切试验，包括具有内腔的剪切盒以及加载机构； 所述剪切盒包括分别呈中空状的上剪切盒及下剪切盒，所述上剪切盒叠设于所述下剪切盒上，两者的内部之间形成所述内腔； 所述加载机构包括用于对所述内腔中的非饱和土体施加竖向作用力的竖向加载机构，以及分别给所述上剪切盒及下剪切盒施加方向相反水平作用力的水平加载机构； 所述上剪切盒和/或下剪切盒的一侧壁采用透明材料制成，形成透明侧壁，所述透明侧壁标示有控制区域，所述剪切盒外设有用于拍摄与所述控制区域对应的非饱和土位移变化的摄像头； 所述剪切盒的侧壁设有吸力孔，所述吸力孔中插设有用于监测所述内腔中的非饱和土体吸力变化的吸力量测传感器； 所述竖向加载机构包括设于所述上剪切盒上方且用于压制所述剪切盒内非饱和土体的加载板，以及连接于所述加载板且施加竖向作用力的竖向施力件；所述加载板的下表面为平面，其上表面为锥形面，该锥形面的顶点为所述加载板的中心点，所述竖向施力件连接于所述锥形面的顶点处。
2.如权利要求1所述的可视化土工直剪切装置，其特征在于，所述上剪切盒的下端面与下剪切盒的上端面相向叠设布置，其分别涂设有润滑层。
3.如权利要求1或2所述的可视化土工直剪切装置，其特征在于，所述水平加载机构包括连接于所述上剪切盒侧壁的刚性顶头以及连接于所述下剪切盒侧壁且用于施加水平作用力的水平施力件，所述刚性顶头与水平施力件相对布置。
4.如权利要求1或2所述的可视化土工直剪切装置，其特征在于，所述上剪切盒与下剪切盒的接合处形成剪切带区域，所述吸力孔设有多个，且多个所述吸力孔分别设于所述上剪切盒和/或下剪切盒侧壁的上下两侧。
5.如权利要求1或2所述的可视化土工直剪切装置，其特征在于，所述下剪切盒置于滑板上，所述滑板的底部设有多个滚轮。
【文档编号】G01N3/24GK204044002SQ201420199287
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】陆钊, 左人宇, 陈晓亮, 陈锐, 林雪辉, 高健康, 左文荣 申请人:深圳市工勘岩土集团有限公司