一种环形剪切实验设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种环形剪切实验设备，包括支撑座、位于支撑座上的剪切盒总成、以及对剪切盒总成内的土样施加载荷的加载装置，所述加载装置包括垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置，所述环形剪切实验设备还包括用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置。垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置可施加不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响，更有利于模拟实际的受力情况，有利于揭示振动荷载作用下土体剪切试验过程中所发生的应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象等，进而从力学性状揭示滑坡等地质灾害的发生和运动机制。
【专利说明】
一种环形剪切实验设备
【背景技术】
[0001]本实用新型属于岩土工程实验设备技术领域，具体涉及一种环形剪切实验设备。 【背景技术】
[0002]我国是世界上遭受滑坡灾害最严重的国家之一。滑坡灾害的发生是一个复杂的力学过程并受多种因素的影响和控制，其中地震等动荷载作用是最主要的影响因素之一，我们对此进行了立项研究(国家自然科学基金资助41572259，41272341)。目前，有关滑坡灾害中土的力学性质研究主要集中于对滑带土工程特性和强度参数测定方面。采用现场原位测试和室内常规土工试验等，利用统计、类比和反演分析等方法测定滑带土的基本强度参数并用于滑坡稳定性评价。
[0003]环形剪切实验设备是岩土工程领域室内实验仪器的一种，主要用于测定岩土运动剪切强度的参数，尤其是研究土体在大剪切位移条件下力学特性的重要土工试验设备。作为一种主要用于研究土在大剪切位移条件下力学特性的土工试验设备，环形剪切实验装置具有其独特的设计构造和试验功能。环剪实验是将士样装入环形试样盒中，通过上部加压板对试样施加垂直压力，在此基础上给土样施加一定的扭转剪力使其发生破坏的过程。目前常用环形剪切实验装置包括单环式环剪仪和双环式环剪仪。这些环剪仪具有两个共同的优点，即在试验过程中可以保持剪切面面积不变和土样可在连续的位移条件下进行剪切。
[0004]对于由地震、爆破等动荷载作用引起的滑坡灾害，土体强度参数的测定不仅需要较长的剪切位移，而且需要模拟其在受到振动荷载作用的情况，这样所测定的试验参数才能更加真实地反映实际滑坡土体的受力情况。但目前现有的环剪试验设备仅能满足土体的连续大剪切位移条件，无法模拟动荷载作用对于土体强度参数的影响。【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供一种环形剪切实验设备，通过设置垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置可施加不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响。
[0006]为达到上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案实现:
[0007]—种环形剪切实验设备，包括支撑座、位于支撑座上的剪切盒总成、以及对剪切盒总成内的土样施加载荷的加载装置，所述加载装置包括垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置，所述环形剪切实验设备还包括用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置。
[0008]进一步的，所述载荷控制装置控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置所输出的载荷的频率和振幅。
[0009]进一步的，所述载荷控制装置包括控制单元、设置在所述垂直振动加载装置与控制单元之间的第一信号转换器、以及用于检测所述垂直振动加载装置输出的载荷的第一应力传感器。
[0010]进一步的，所述载荷控制装置包括控制单元、设置在所述水平剪切振动加载装置与控制单元之间的第二信号转换器、以及用于检测所述水平剪切振动加载装置输出的载荷的第二应力传感器。
[0011]进一步的，所述支撑座上设有可升降的横梁，所述垂直振动加载装置包括设置在所述横梁上的气缸、用于给所述气缸提供动力的气动加压罐，所述气动加压罐通过导气管与所述气缸连通;所述气缸包括固定在所述横梁上的缸体、位于所述缸体内的活塞、以及与所述活塞连接并用于输出载荷的活塞杆。
[0012]进一步的，所述缸体内的空间被所述活塞分隔成上腔和下腔，所述缸体上开设有分别与上腔和下腔相连通的第一气孔和第二气孔，所述导气管的端部还设置有与所述载荷控制装置电连接的导气阀，所述第一气孔与所述导气阀之间设置有第一导气支管，所述第二气孔与所述导气阀之间设置有第二导气支管。
[0013]进一步的，所述横梁上设有升降电机。
[0014]进一步的所述水平剪切振动加载装置包括剪切盘齿轮、与所述剪切盘齿轮啮合的传动齿轮、与传动齿轮连接的转动轴、以及用于提供动力的伺服电机，所述伺服电机与转动轴之间设置有齿轮箱，所述转动轴为齿轮箱的输出轴。
[0015]进一步的，当所述环形剪切实验设备进行实验时，所述下剪切盒在所述水平剪切振动加载装置带动下扭转。
[0016]进一步的，所述剪切盒总成包括剪切盒上盖，所述支撑座上具有用于固定所述剪切盒上盖的卡柱，所述剪切盒上盖的边缘开设有卡槽，所述卡柱的一端固定在所述支撑座上，另一端卡合在所述卡槽内。
[0017]进一步的，所述剪切盒总成包括上剪切盒、下剪切盒、剪切盒上盖、与所述垂直振动加载装置输出端接触的加压板、位于所述上剪切盒内并对土样加载的载荷板、以及连接所述加压板与载荷板的至少两根传力杆。
[0018]进一步的，所述加压板的中心处设有固定块，所述固定块的顶部开设有与所述垂直振动加载装置的输出端相匹配的凹槽
[0019]进一步的，剪切盒上盖上开设有用于所述传力杆穿过的第一上盖孔。
[0020]进一步的，所述载荷板尺寸与所述上剪切盒的内腔相匹配。
[0021]进一步的，所述环形剪切实验设备还包括间隙保持装置，所述间隙保持装置包括间隙电机、以及由所述间隙电机带动可上下移动的顶杆，所述顶杆位于所述剪切盒总成的轴线上，所述剪切盒总成包括圆环形的上剪切盒和下剪切盒、以及剪切盒上盖，所述剪切盒上盖的中心开设有用于所述顶杆上端穿过的第二上盖孔，所述顶杆还设有与所述剪切盒上盖的下表面接触的圆盘;通过所述间隙电机带动所述顶杆的上下移动保证所述上剪切盒与下剪切盒之间的间距。
[0022]进一步的，所述支撑座包括底座和用于放置所述剪切盒的平台，所述平台上开设有用于所述顶杆穿过的第一平台孔，所述间隙保持装置还包括套装在所述顶杆外侧的套筒、以及用于固定所述套筒的支架，所述支架固定在所述平台上。
[0023]进一步的，所述支撑座包括底座、用于放置所述剪切盒的平台、以及设在所述底座与平台之间的下层支柱。
[0024]本实用新型提供的环形剪切实验设备，通过设置垂直振动加载装置、水平剪切振动加载装置、以及用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置，使得垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置可施加不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响，更有利于模拟实际的受力情况，填补了目前环形剪切实验设备不能进行动力载荷试验的缺陷和不足，有利于揭示振动荷载作用下土体剪切试验过程中所发生的应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象等，进而从力学性状揭示滑坡等地质灾害的发生和运动机制。
[0025]结合附图阅读本实用新型的【具体实施方式】后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。【附图说明】
[0026]图1为本实用新型所提出的环形剪切实验设备的一个实施例的结构示意图；
[0027]图2为图1中气缸处的放大结构示意图；
[0028]图3为图1中剪切盒总成处的放大结构示意图；
[0029]图4为剪切盒总成的放大结构示意图；
[0030]图5为环形剪切实验设备的一种试验方法的流程图。【具体实施方式】
[0031]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0032]在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]参阅图1-图5,是本实用新型所提出的环形剪切实验设备的一个实施例，环形剪切实验设备包括支撑座、剪切盒总成100、以及对剪切盒总成100内的土样施加载荷的加载装置，其中加载装置包括垂直振动加载装置和水平剪切振动加载装置，也就是垂直振动加载装置能够输出垂直方向的振动载荷，也能输出垂直方向的定载荷，水平剪切振动加载装置能够输出使得土样扭转的振动剪切力，也能输出定剪切力，载荷控制装置控制垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的力，例如力的大小、振幅、频率等。
[0034]本实施例中，通过设置垂直振动加载装置、水平剪切振动加载装置、以及用于控制所述垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置，使得垂直振动加载装置和/或水平剪切振动加载装置可施加双向不同频率和振幅的振动载荷，有利于研究动荷载作用对于土体强度参数的影响，更有利于模拟实际的受力情况，填补了目前环形剪切实验设备不能进行动力载荷试验的缺陷和不足，有利于揭示振动荷载作用下土体剪切试验过程中所发生的应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象等，进而从力学性状揭示滑坡等地质灾害的发生和运动机制。[〇〇35]本实施例中，参见图1所示，支撑座包括底座60和位于底座60上方的平台61，其中水平剪切振动加载装置设置在底座60上，或者说是位于底座60与平台61之间；剪切盒总成100位于平台61上，在平台61的上方还具有可升降的横梁8,上层支柱7固定平台61上，在横梁8在上层支柱7上升降，横梁8在电机9的带动下实现升降。
[0036]本实施例中，参见图1和图2所示，说明垂直振动加载装置的结构，包括设置在横梁 8上的气缸1、用于给气缸1提供动力的气动加压罐10,其中气动加压罐10通过导气管21与气缸1连通;气缸1包括固定在横梁8上的缸体、位于缸体1内的活塞2、以及与活塞2连接并用于输出载荷的活塞杆3。缸体内的空间被活塞2分隔成上腔20和下腔30，缸体上开设有分别与上腔和下腔相连通的第一气孔201和第二气孔202。在导气管21的端部还设置有与载荷控制装置电连接的导气阀18,在第一气孔201与导气阀18之间设置有第一导气支管181，第二气孔202与导气阀18之间设置有第二导气支管182。这样当导气阀18依据输入的电控信号控制，通过第一导气支管181向上腔20内充气时，活塞2向下移动，下腔30被压缩；同时导气阀 18控制通过第二导气支管182排气，这样通过设置第一气孔201和第二气孔202有利于增加气缸1灵活性，有利于振动力的输出。通过导气阀18控制第一导气支管181和第二导气支管 182充气或排气、以及冲排气的速度和频率，能够使得活塞杆3输出设定的频率和振幅的振动力。[〇〇37]本实施例中，导气阀18的动作是载荷控制装置发出的，载荷控制装置控制单元19、 设置在垂直振动加载装置与控制单元19之间的第一信号转换器161、以及用于检测垂直振动加载装置输出的载荷的第一应力传感器171。在施加垂直振动荷载时，控制单元19输出具有不同频率和振幅的垂直荷载数据指令，经由信号转换器161转化成相应的电控信号;导气阀18依据输入的电控信号控制第一气孔201和第二气孔202的进出气量，进而调节活塞2上下面的压力差，产生具有不同频率和振幅的垂直压力。
[0038] 本实施例中，参见图3和图4所示，剪切盒总成100包括上剪切盒101、下剪切盒102、 剪切盒上盖25、与垂直振动加载装置输出端接触的加压板4、位于上剪切盒101内对土样加载的载荷板6、以及连接加压板4与载荷板6的至少两根传力杆5。在剪切盒上盖101上开设有用于传力杆5穿过的第一上盖孔，载荷板6的尺寸与上剪切盒101的内腔相匹配，对上剪切盒 101内的土样施加垂直方向的压力。[〇〇39]在加压板4的中心处设有固定块41，固定块4的顶部开设有与垂直振动加载装置的输出端相匹配的凹槽411，也就是活塞杆3的下端位于凹槽411内。
[0040]为了保证上剪切盒101和下剪切盒102之间的间隙，环形剪切实验设备还设有间隙保持装置。间隙保持装置包括间隙电机23、以及由间隙电机23带动可上下移动的顶杆24,并且顶杆24位于剪切盒总成100的轴线上;剪切盒上盖25的中心开设有用于顶杆24上端穿过的第二上盖孔251，顶杆24还设有与剪切盒上盖25的下表面接触的圆盘241;通过间隙电机 23带动顶杆24的上下移动，使得圆盘241推动剪切盒上盖25的上下移动，并且剪切盒上盖25 与上剪切盒101之间为可拆卸固定结构，实验过程中剪切盒上盖25与上剪切盒101是固定的，保证上剪切盒101与下剪切盒102之间的间距。在平台61上开设有用于顶杆穿过的第一平台孔，上剪切盒101和下剪切盒102都为圆环形，也就是中心是空心的，这样顶杆24穿过第一平台孔后穿入上剪切盒101和下剪切盒102的空心中，并且圆盘241与剪切盒上盖25下表面接触，为了顶杆24与剪切盒上盖25之间的固定稳定，在剪切盒上盖25的中心开设有用于顶杆24上端穿过的第二上盖孔251。[〇〇41]为了避免顶杆24晃动，间隙保持装置还包括套装在顶杆24外侧的套筒27、以及用于固定套筒的支架611，支架611固定在平台61的下表面上。通过设置套筒27和支架611，增加顶杆24的稳定性，保证顶杆24给予剪切盒上盖25垂直向上的力。[〇〇42]在实验时，水平剪切振动加载装置带动下剪切盒102转动，使得土样受到水平剪切力，为了保证上剪切盒101的固定，在平台61上设置卡柱612,剪切盒上盖25的边缘开设有卡槽252,卡柱612的一端固定在平台61上，另一端卡合在卡槽252内。其中，卡柱612具有与平台61固定的竖直段和与卡槽252卡合的水平段。这样通过在下剪切盒102转动跟随水平剪切振动加载装置转动时，卡柱612卡合剪切盒上盖25上，使得剪切盒上盖25和上剪切盒101固定。
[0043]本实施例中，参见图1和图3所示，水平剪切振动加载装置包括剪切盘齿轮11、与剪切盘齿轮11啮合的传动齿轮12、与传动齿轮12连接的转动轴13、以及用于提供动力的伺服电机15，在伺服电机15与转动轴13之间设置有齿轮箱14,伺服电机15与齿轮箱14之间设有传动带22,其中转动轴13为齿轮箱14的输出轴。其中下剪切盒102固定在剪切盘齿轮11上， 伺服电机15通过驱动齿轮箱14,进而带动转动轴13和传动齿轮12,对剪切盒总成100的剪切盘齿轮11施加转动力矩。
[0044]本实施例中，载荷控制装置还包括设置在水平剪切振动加载装置与控制单元19之间的第二信号转换器162、以及用于检测水平剪切振动加载装置输出的载荷的第二应力传感器172。在施加水平振动荷载时，控制单元19输出具有不同频率和振幅的数据指令，经由信号转换器162转化成相应的电控信号;伺服电机15依据输入的电控信号，驱动齿轮箱14， 进而带动转动轴13和传动齿轮12,对剪切盒总成100的剪切盘齿轮11施加顺时针和逆时针方向的具有不同频率和振幅的水平转动力矩，进而使剪切盒总成100内的土体发生水平方向往复转动变化以模拟水平振动作用。
[0045]参见图5所示，说明本实施例中的环形剪切实验设备的实验方法，具体包括下述步骤:[〇〇46]S1、装载土样，并固定剪切盒总成100。
[0047]S2、载荷控制装置控制垂直振动加载装置输出设定的频率和振幅的振动力，振动力垂直作用在剪切盒总成内的土样上；同时载荷控制装置控制水平剪切振动加载装置输出设定的频率和振幅的剪切力，剪切力扭转作用在剪切盒总成内的土样上。[0〇48]这样对土样施加了双向振动载荷，具体的，在施加垂直振动荷载时，控制单元19输出具有不同频率和振幅的垂直荷载数据指令，经由信号转换器161转化成相应的电控信号； 导气阀18依据输入的电控信号控制第一气孔201和第二气孔202的进出气量，进而调节活塞 2上下面的压力差，产生具有不同频率和振幅的垂直压力。并且通过加压板4、传力杆5、以及载荷板6将载荷施加到土样上。
[0049]在施加水平振动荷载时，控制单元19输出具有不同频率和振幅的数据指令，经由信号转换器162转化成相应的电控信号;伺服电机15依据输入的电控信号，驱动齿轮箱14， 进而带动转动轴13和传动齿轮12,对剪切盒总成100的剪切盘齿轮11施加顺时针和逆时针方向的具有不同频率和振幅的水平转动力矩，进而使剪切盒总成100内的土体发生水平方向往复转动变化以模拟水平振动作用。
[0050]S3、在实验过程中对于应力变化、孔隙水压力变化、土体局部破坏以及液化现象的检测。
[0051] S4、根据步骤S3中的检测数据分析滑坡等地质灾害的发生和运动机制。[〇〇52]当然，在其他实验方法中，可以加载垂直定载荷和水平振动载荷，或者加载垂直振动载荷和水平定载荷等，可以模拟多种力的形式的组合，用于研究土样在不同力的作用下的变化，有利于研究需要。[〇〇53]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种环形剪切实验设备，包括支撑座、位于支撑座上的剪切盒总成、以及对剪切盒总 成内的土样施加载荷的加载装置，其特征在于，所述加载装置包括垂直振动加载装置和水 平剪切振动加载装置，所述环形剪切实验设备还包括用于控制所述垂直振动加载装置和/ 或水平剪切振动加载装置加载的载荷控制装置。2.根据权利要求1所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述载荷控制装置包括控制 单元、设置在所述垂直振动加载装置与控制单元之间的第一信号转换器、用于检测所述垂 直振动加载装置输出的载荷的第一应力传感器、设置在所述水平剪切振动加载装置与控制 单元之间的第二信号转换器、以及用于检测所述水平剪切振动加载装置输出的载荷的第二 应力传感器。3.根据权利要求1所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述支撑座上设有可升降的 横梁，所述垂直振动加载装置包括设置在所述横梁上的气缸、用于给所述气缸提供动力的 气动加压罐，所述气动加压罐通过导气管与所述气缸连通;所述气缸包括固定在所述横梁 上的缸体、位于所述缸体内的活塞、以及与所述活塞连接并用于输出载荷的活塞杆。4.根据权利要求3所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述缸体内的空间被所述活 塞分隔成上腔和下腔，所述缸体上开设有分别与上腔和下腔相连通的第一气孔和第二气 孔，所述导气管的端部还设置有与所述载荷控制装置电连接的导气阀，所述第一气孔与所 述导气阀之间设置有第一导气支管，所述第二气孔与所述导气阀之间设置有第二导气支 管。5.根据权利要求1所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述水平剪切振动加载装置 包括剪切盘齿轮、与所述剪切盘齿轮啮合的传动齿轮、与传动齿轮连接的转动轴、以及用于 提供动力的伺服电机，所述伺服电机与转动轴之间设置有齿轮箱，所述转动轴为齿轮箱的 输出轴。6.根据权利要求1至5任一项所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述剪切盒总成 包括剪切盒上盖，所述支撑座上具有用于固定所述剪切盒上盖的卡柱，所述剪切盒上盖的 边缘开设有卡槽，所述卡柱的一端固定在所述支撑座上，另一端卡合在所述卡槽内。7.根据权利要求1至5任一项所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述剪切盒总成 包括上剪切盒、下剪切盒、剪切盒上盖、与所述垂直振动加载装置输出端接触的加压板、位 于所述上剪切盒内并对土样加载的载荷板、以及连接所述加压板与载荷板的至少两根传力 杆。8.根据权利要求7所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述加压板的中心处设有固 定块，所述固定块的顶部开设有与所述垂直振动加载装置的输出端相匹配的凹槽。9.根据权利要求1至5任一项所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述环形剪切实 验设备还包括间隙保持装置，所述间隙保持装置包括间隙电机、以及由所述间隙电机带动 可上下移动的顶杆，所述顶杆位于所述剪切盒总成的轴线上，所述剪切盒总成包括圆环形 的上剪切盒和下剪切盒、以及剪切盒上盖，所述剪切盒上盖的中心开设有用于所述顶杆上 端穿过的第二上盖孔，所述顶杆还设有与所述剪切盒上盖的下表面接触的圆盘;通过所述 间隙电机带动所述顶杆的上下移动保证所述上剪切盒与下剪切盒之间的间距。10.根据权利要求9所述的环形剪切实验设备，其特征在于，所述支撑座包括底座和用 于放置所述剪切盒的平台，所述平台上开设有用于所述顶杆穿过的第一平台孔，所述间隙保持装置还包括套装在所述顶杆外侧的套筒、以及用于固定所述套筒的支架，所述支架固 定在所述平台上。
【文档编号】G01N3/24GK205656069SQ201620245265
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年3月28日 公开号201620245265.2, CN 201620245265, CN 205656069 U, CN 205656069U, CN-U-205656069, CN201620245265, CN201620245265.2, CN205656069 U, CN205656069U
【发明人】洪勇
【申请人】青岛理工大学