专利名称：便携式现场和室内两用直剪试验仪及其取样测试方法
技术领域：
本发明涉及一种土体强度测试的直剪试验仪器及其直剪试验的取样测试方法。该仪器特别是能在现场方便、快捷地测试自然土坡、填方土坡、各种地基表面的强度参数。
二.
背景技术：
直剪试验仪器分为室内试验直剪仪和现场试验直剪仪。常规的室内直剪试验仪有上、下两个剪切盒，试样放入剪切盒后，在试样顶部施加一定的垂直压力，推动剪切盒，使试样受剪至破坏，从而得到土体的强度参数。由于用推动剪切盒的方法来使试样受剪，剪切盒与量力环之间必定是刚性连接。在剪切过程中，若试样发生体积变化，会在其接触点处产生摩擦力，而该摩擦力在试验中无法测定，从而使得剪切面上的正应力与实际外加的正应力不一致，影响了土体强度的正确测试。现场试验直剪仪大多只是将室内试验直剪仪的尺寸加大，同样存在刚性连接点处的摩擦影响问题。室内试验的原状样，通常是在现场用套筒取得，然后用千斤顶将试样压入剪切盒中，或先卸下套筒，然后放入剪切盒。这种方式得到的原状样极易受扰动，不能完全反映现场土体的实际状态。
三.
发明内容
本发明的目的在于解决常规直剪试验仪中刚性连接点处的摩擦影响问题及取原状样的挠动问题，而提供一种便携式现场和室内两用直剪试验仪及其取样测试方法，采用的技术方案是将试样受剪方式由刚性顶推方式改为柔性张拉方式；将取样装置直接作为下剪切盒，可直接在现场进行试验；且该直剪仪也可以在室内做原状样或重塑样直剪试验。整套仪器装置可装入一个箱型框内，搬运方便。
一种便携式现场和室内两用直剪试验仪，包括取样设备、垂直加荷系统，其特征是它还包括水平张拉受剪系统，其中取样设备由剪切框(2)与刚性框(3)组成，剪切框(2)置于刚性框(3)的上部，垂直加荷系统是可移动式的，其中两根横梁支柱(18)分别固定连接在滚轮系统(30)的两个滑枕(34)上，滑轮系统是由两根滚轮导轨(31)，两个滚轮(32)镶嵌在滚轮导轨(31)的U型槽中，滚轮轴承(33)将滚轮(32)与滑枕(34)相连接；水平张拉受剪系统中的两根链条(12)的一端分别连接在剪切框(2)上的链条挂钩(11)上，另一端连接在连接件(14)一端的钢圆环上，连接件(14)的另一端通过螺纹连接在拉力传感器(13)上，拉力传感器(13)的另一端与具有螺纹的手轮推动杆(15)连接，手轮(16)与手轮推动杆(15)相连接，当转动手轮(16)时手轮推动杆(15)可前进或后退，水平张拉受剪系统通过螺栓(17)固定在箱型框架(7)上。
上述的剪切框(2)为“十”字型架(28)的方形框，剪切框(2)的一侧面上有两个链条挂钩(11)，其中央部位架设有水平位移计(6)；所述的刚性框(3)净尺寸与剪切框(2)相同，二者下端外部四个面均为刀口形状，将刚性框(3)放置在刚性框底座(4)内，用螺钉(8)固定，刚性框底座(4)再用螺栓(27)固定在箱型框架(7)上。
上述的垂直加荷系统中的传力柱(10)的下端固定在传力板(9)上，二者的中心在同一垂直直线上，且二者的中心线通过试样(1)的中心，传力板(9)的底面尺寸与剪切框(2)的平面尺寸相同，传力板(9)的上部装有垂直位移计(5)，传力柱(10)的另一端通过杠杆轴承(19)与杠杆(24)和支点端盖(20)相连接，杠杆(24)的末端为吊盘(25)，吊盘下端为砝码(26)，支柱(29)具有螺纹，它的下端螺进支点端盖(20)里，并用支柱螺母I(21)固定，支柱(29)上端放置在横梁(23)的中心孔内，并可上下移动，这样就可使传力板(9)、传力柱(10)在垂直方向上根据需要上下调整高度，高度调整好之后，支柱(29)由支柱螺母II(22)固定在横梁(23)上，横梁(23)由两根横梁支柱(18)支撑，并由螺母(35)固定，横梁支柱(18)另一端有螺纹，它螺进滑枕(34)里，滑枕(34)套在滚轮导轨(31)外，滚轮导轨(31)有上、下两块，下滚轮导轨固定在箱型框架(7)上，两块滚轮导轨(31)的两端由固定上、下滚轮导轨的螺栓(36)固定。
上述的水平张拉受剪系统中的链条(12)为两根钢链条或钢丝绳，每根长约15cm。
一种便携式现场和室内两用直剪试验仪的取样测试方法，其特征在于取样测试步骤如下 试样制备 现场试验在试验现场选择较为平整的场地，先将一刚性框3埋入地基中，图5(a)；待刚性框埋入至地基表面时，图5(b)，将刚性框外侧部分，即37内的土体挖出；将十字型剪切框(2)放在刚性框(3)上，再将二者一起压入地基中直至十字型剪切框(2)表面略低于地基表面，图5(c)；最后把包含刚性框(3)和十字型剪切框(2)的土体沿着轮廓线(38)整体挖出，剥掉二者外侧的土体，并用钢丝锯沿刚性框底面(39)把试样锯平，形成图5(d)所示的试样。这样就完成了现场试验的取样； 室内试验对于已取回实验室的大体积原状样，试样制备与现场试验同。对于重塑样，先将刚性框(3)放入刚性框底座(7)里，剪切框(2)放在刚性框(3)的上面，把所需的一定质量的土样均匀压入二者内，这样就制备了一个重塑样； 所取得包含刚性框(3)的土样放入固定在箱型框架7上的刚性框底座(7)里，并用刚性框固定螺钉(8)顶紧刚性框(3)，图1； 将杠杆(24)安装在横梁(23)上，根据试验压力需要在吊盘(25)上加一定的砝码(26)； 安装量测设备在传力板(9)上架设位移计(5)，量测垂直位移；在剪切框(2)沿受剪方向中央部位或传力板(9)沿受剪方向中央部位上架设位移计(6)，量测剪切位移；把拉力传感器(13)一端连接在手轮推动杆(15)上，另一端连接在连接件(14)上，量测水平拉力，链条(12)一端连在连接件(14)上，另一端连接在链条挂钩(11)上； 把位移计(5)、(6)和拉力传感器(13)分别连接到数据转换箱上，数据转换箱连接到微机上，设置好数据采集的参数，以均匀的速率摇动手轮(16)，进行剪切，试验过程中实现数据的自动采集； 试验结束后，旋动支柱螺母II(22)，把包含传力板(9)、传力柱(10)及杠杆(24)的整体加压设备提起，松动刚性框固定螺钉(8)，拿出包含刚性框(3)和剪切框(2)的试样； 数据整理剪切面上的正应力σ、剪应力τ按下式计算 其中G1为传力板(9)与传力柱(10)的总重量，G2为所加砝码(26)的重量，σl为杠杆自重对试样产生的压力，T为拉力传感器(13)量测的水平拉力，A为剪切面面积。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案(1)取样方式a.在做现场试验时，在试验现场，先将一刚性框埋入地基中，待刚性框埋入至地表面时，将十字型剪切框放在刚性框上，再将二者一起压入地基中直至十字型剪切框表面略低于地基表面，最后把包含刚性框和剪切框的土体整体挖出，剥掉二者外侧的土体，并用钢丝锯把刚性框的底面土样锯平，完成原状土的取样。这样的取样方法对试样的扰动较小。b.在做室内试验时，对于取回实验室的大体积原状样，制样方式与现场试验相同；对于重塑试样，先将刚性框放入刚性框底座里，剪切框放在刚性框的上面，把所需的一定质量的土样压入二者内，这样就制备了一个重塑样。(2)测试方法在现场所取得包含刚性框的土样放入刚性框底座里，刚性框底座固定于箱型框架上。通过安装在箱型框架上移动式垂直加荷系统，然后采用柔性绳链张拉剪切框，使试样受剪。室内试验的试验过程与现场试验相同。试验过程中，试样在垂直方向的体积不会受到柔性绳链的限制。本试验仪原理简单，操作简便，可快速地测定现场土体及室内原状样、重塑样的抗剪强度。整套装置可装入箱型框内，搬运方便。
本发明的有益效果是1)整套设备结构简单，操作方便，便于携带；2)克服了常规直剪试验刚性接触剪切盒所产生的摩擦力对测试结果的影响，能真实反映土体受剪时的体积变化情况；3)现场试验能整体取样，扰动较小，直接而且方便地测出土体强度参数；4)兼有现场、室内两用的优点；5)采用移动式垂直加荷系统施加垂直力，确保试验过程中垂直压力不会偏心。
四.
图1为便携式现场和室内两用直剪试验仪的结构示意图； 图2为便携式现场和室内两用直剪试验仪的平面示意图； 图3为便携式现场和室内两用直剪试验仪的侧面示意图； 图4为便携式现场和室内两用直剪试验仪的滚轴系统示意图； 图5为现场试验的取样过程示意图。
图6为重塑砂土室内直剪试验的峰值剪应力与垂直压力的关系图。
附图标记1.试样，2.剪切框，3.刚性框，4.刚性框底座，5.垂直位移计，6.水平位移计，7.箱型框架，8.刚性框固定螺钉，9.传力板，10.传力柱，11.链条挂钩，12.链条，13.拉力传感器，14.连接件，15.手轮推动杆，16.手轮，17.手轮固定螺栓，18.横梁支柱，19.杠杆轴承，20.支点端盖，21.支柱螺母I，22.支柱螺母II，23.横梁，24.杠杆，25.吊盘，26.砝码，27.螺栓，28.剪切框内“十”字架，29.支柱，30.滚轮系统(见图4)，31.滚轮导轨，32.滚轮，33.滚轮轴承，34.滑枕，35.螺母，36.固定上、下滚轮导轨的螺栓，37.取样盒外需要挖出的土体，38.整体取样的取样线，39.刚性框底面。
五.
具体实施例方式 结合附图对本发明做进一步说明。
如图1至图5，本发明的便携式现场和室内两用直剪试验仪，主要包括取样设备(剪切框(2)和刚性框(3))、水平张拉受剪系统(链条(12)、手轮(16)、拉力传感器(13)等)、移动式垂直加荷系统(滚轮系统(30)、横梁支柱(18)、横梁(23)、支柱(29)、传力板(9)、传力柱(10)、杠杆(24)等)及箱型框架(7)、刚性框底座(4)和位移量测设备(垂直位移计(5)、水平位移计(6))。在现场将取好的试样或者在室内制备的试样放入刚性框底座(4)内，通过安装在箱型框架(7)上的移动式垂直加荷系统施加一定的垂直荷载，摇动手轮(16)，由链条(12)张拉剪切框(2)，剪切过程中，垂直加荷系统与剪切框(2)同步移动，保证剪切过程中垂直压力不会偏心。
上述的剪切框(2)为十字型架(28)的方形框，这样可以使得试样在剪切过程中应变较没有十字型剪切框的应变更为均匀；剪切框(2)的一侧面上有两个链条挂钩(11)，其中央装有水平位移计(6)，对于做粘性土及细沙的试验，剪切框(2)的净尺寸为长×宽＝141mm×141mm，高为20mm，对于做颗粒粒径较大的土石料试验，其尺寸可以适当放大；所述的刚性框(3)净尺寸与剪切框(2)相同，二者下端外部四个面均为刀口形状，将刚性框(3)放置在刚性框底座(4)内，用螺钉(8)固定，刚性框底座(4)再固定在箱型框架(7)上。
上述的移动式垂直加荷系统中的传力柱(10)的下端固定在传力板(9)上，二者的中心在同一垂直直线上，且二者的中心线通过试样(1)的中心，传力板(9)的底面尺寸与剪切框(2)的平面尺寸相同，传力板(9)的上部装有垂直位移计(5)，传力柱(10)的另一端通过杠杆轴承(19)与杠杆(24)和支点端盖(20)相连接，支柱(29)具有螺纹，它的下端螺进支点端盖(20)里，并用支柱螺母I(21)固定，支柱(29)上端放置在横梁(23)的中心孔内，并可上下移动，这样就可使传力板(9)、传力柱(10)在垂直方向上根据需要上下调整高度，高度调整好之后，支柱(29)由支柱螺母II(22)固定在横梁(23)上，横梁(23)由两根横梁支柱(18)支撑，并由螺母(35)固定，横梁支柱(18)另一端有螺纹，它螺进滑枕(34)里，滑枕(34)套在滚轮导轨(31)外，滚轮导轨(31)有上、下两块，下滚轮导轨固定在箱型框架(7)上，两块滚轮导轨(31)的两端由固定上、下滚轮导轨的螺栓(36)固定。滚轮导轨长为40cm，保证滑枕(34)在其上有5 cm的移动位移。这样的垂直加荷系统的结构特点是由于滚轮的滚动摩擦力很小，在试样剪切过程中，剪切框(2)移动会带动传力板(9)、传力柱(10)、杠杆(24)、横梁(23)、横梁支柱(18)、滑枕(34)、滚轮(32)一起移动，这样就实现了剪切过程中剪切框(2)与垂直加荷系统同步移动，保证了试验过程中垂直力不会偏心。
上述的水平张拉受剪系统中链条(12)为两根钢链条或钢丝绳(这里以链条代替)，每根长约15cm，两根链条(12)的一端分别连接在剪切框(2)上的链条挂钩(11)上；两根链条的另一端连接在连接件(14)的一端上，这一端为可以自由旋转的钢圆环；连接件(14)的另一端通过螺纹连接在拉力传感器(13)上，拉力传感器(13)的另一端与具有螺纹的手轮推动杆(15)连接，手轮(16)与手轮推动杆(15)相连接。转动手轮(16)，手轮推动杆(15)可前进或后退。手轮(16)与常规室内直剪仪的手轮相同，它通过手轮固定螺栓(17)固定在箱型框架(7)上。
所述垂直位移计(5)、水平位移计(6)为传感器设备，前者的触头架设于传力板(9)上，测试试样在试验过程中的垂直位移；后者的触头架设于剪切方向剪切框(2)正面的中央部位或是剪切方向传力板(9)正面的中央部位，测试试样在试验过程中的剪切位移。
结合在室内对重塑砂土所作的试验，该便携式现场和室内两用直剪试验仪的操作步骤及取样测试步骤如下 试样制备先将刚性框(3)放入刚性框底座(7)里，并用刚性框固定螺钉(8)顶紧刚性框(3)，再剪切框(2)放在刚性框(3)的上面，把所需的一定质量(1963g)的砂土均匀压入二者内，这样就制备了一个重塑的砂土试样； 将杠杆(24)安装在横梁(23)上，根据试验压力需要在吊盘(25)上加砝码(26)； 安装量测设备在传力板(9)上架设位移计(5)，量测垂直位移；在剪切框(2)沿受剪方向中央部位或传力板(9)沿受剪方向中央部位上架设位移计(6)，量测剪切位移；把拉力传感器(13)一端连接在手轮推动杆(15)上，另一端连接在连接件(14)上，量测水平拉力，链条(12)连在连接件(14)上和链条挂钩(11)上； 把位移计(5)、(6)和拉力传感器(13)连接到数据转换箱上，数据转换箱连到微机上，设置好数据采集的参数，以一定的速率(4转/分钟)摇动手轮(16)，进行剪切，试验过程中实现数据的自动采集； 试验结束后，旋动支柱螺母II(22)，把包含传力板(9)、传力柱(10)及杠杆(24)的整体加压设备提起，松动刚性框固定螺钉(8)，取出包含刚性框(3)、剪切框(2)和砂土试样； 数据整理剪切面上的正应力σ、剪应力τ按下式计算 抗剪强度τf由强度指标即凝聚力c和内摩擦角 表示，由下式得到 τf＝c+σtanφ(3) 其中G1为传力板(9)与传力柱(10)的总重量2.5kg，G2为所加砝码(26)的重量，σl为杠杆(24)自重对试样产生的压力23.8kPa，T为拉力传感器(13)测量的平拉力，A为剪切面面积200cm2。对该砂土共做四组试验，所加的砝码(26)的质量G2为别为4.25kg、2.125kg、1.275kg、0kg，根据公式(1)计算得到相应的垂直压力分别为75kPa、50kPa、40kPa、25kPa；测的剪切面上在相应的垂直压力下所得的峰值拉力T分别为1000N、712N、545N、360N，根据公式(2)计算得到剪切面上相应的峰值剪应力分别为50kPa、35.6kPa、27.25kPa、18kPa。绘制峰值剪应力与垂直压力的关系图，如图6，由公式(3)得该砂土的强度指标为c＝0，＝34.3o。
对于现场试验，取样方法为在试验现场选择较为平整的场地，先将一刚性框3埋入地基中，图5(a)；待刚性框埋入至地基表面时，图5(b)，将刚性框外侧部分，即(37)内的土体挖出；将十字型剪切框(2)放在刚性框(3)上，再将二者一起压入地基中直至十字型剪切框(2)表面略低于地基表面，图5(c)；最后把包含刚性框(3)和十字型剪切框(2)的土体沿着轮廓线(38)整体挖出，剥掉二者外侧的土体，并用钢丝锯沿刚性框底面(39)把试样锯平，形成图5(d)所示的试样，这样就完成了现场试验的取样。现场试样的测试方法与上述室内重塑砂土测试方法相同。于已取回实验室的大体积原状样，试样制备及测试方法与现场试样相同。
权利要求
1.一种便携式现场和室内两用直剪试验仪，包括取样设备、垂直加荷系统，其特征是它还包括水平张拉受剪系统，其中取样设备由剪切框(2)与刚性框(3)组成，剪切框(2)置于刚性框(3)的上部，垂直加荷系统是移动式的，其中两根横梁支柱(18)分别固定连接在滚轮系统(30)的两个滑枕(34)上，滑轮系统是由两根滚轮导轨(31)，两个滚轮(32)镶嵌在滚轮导轨(31)的U型槽中，滚轮轴承(33)将滚轮(32)与滑枕(34)相连接；水平张拉受剪系统中的两根链条(12)的一端分别连接在剪切框(2)上的链条挂钩(11)上，另一端连接在连接件(14)一端的钢圆环上，连接件(14)的另一端通过螺纹连接在拉力传感器(13)上，拉力传感器(13)的另一端与具有螺纹的手轮推动杆(15)连接，手轮(16)与手轮推动杆(15)相连接，当转动手轮(16)时手轮推动杆(15)可前进或后退，水平张拉受剪系统通过螺栓(17)固定在箱型框架(7)上。
2.根据权利要求1所述的便携式现场和室内两用直剪试验仪，其特征在于所述的剪切框(2)为“十”字型架(28)的方形框，剪切框(2)的一侧面上有两个链条挂钩(11)，其中央部位架设有水平位移计(6)；所述的刚性框(3)净尺寸与剪切框(2)相同，二者下端外部四个面均为刀口形状，将刚性框(3)放置在刚性框底座(4)内，用螺钉(8)固定，刚性框底座(4)再用螺栓(27)固定在箱型框架(7)上。
3.根据权利要求1所述的便携式现场和室内两用直剪试验仪，其特征在于所述的垂直加荷系统中的传力柱(10)的下端固定在传力板(9)上，二者的中心在同一垂直直线上，且二者的中心线通过试样(1)的中心，传力板(9)的底面尺寸与剪切框(2)的平面尺寸相同，传力板(9)的上部装有垂直位移计(5)，传力柱(10)的另一端通过杠杆轴承(19)与杠杆(24)和支点端盖(20)相连接，杠杆(24)的末端为吊盘(25)，吊盘下端为砝码(26)，支柱(29)具有螺纹，它的下端螺进支点端盖(20)里，并用支柱螺母I(21)固定，支柱(29)上端放置在横梁(23)的中心孔内，并可上下移动，这样就可使传力板(9)、传力柱(10)在垂直方向上根据需要上下调整高度，高度调整好之后，支柱(29)由支柱螺母II(22)固定在横梁(23)上，横梁(23)由两根横梁支柱(18)支撑，并由螺母(35)固定，横梁支柱(18)另一端有螺纹，它螺进滑枕(34)里，滑枕(34)套在滚轮导轨(31)外，滚轮导轨(31)有上、下两块，下滚轮导轨固定在箱型框架(7)上，两块滚轮导轨(31)的两端由固定上、下滚轮导轨的螺栓(36)固定。
4.根据权利要求1所述的便携式现场和室内两用直剪试验仪，其特征在于所述的水平张拉受剪系统中的链条(12)为两根钢链条或钢丝绳，每根长约15cm。
5.一种便携式现场和室内两用直剪试验仪的取样测试方法，其特征在于取样测试步骤如下
A.试样制备
a.现场试验在试验现场选择较为平整的场地，先将一刚性框(3)埋入地基中，待刚性框埋入至地基表面时，将刚性框外侧部分，即(37)内的土体挖出；将十字型剪切框(2)放在刚性框(3)上，再将二者一起压入地基中直至十字型剪切框(2)表面略低于地基表面，最后把包含刚性框(3)和十字型剪切框(2)的土体沿着轮廓线(38)整体挖出，剥掉二者外侧的土体，并用钢丝锯沿刚性框底面(39)把试样锯平，这样就完成了现场试验的取样；
b.室内试验对于已取回实验室的大体积原状样，试样制备与现场试验同，对于重塑样，先将刚性框(3)放入刚性框底座(4)里，剪切框(2)放在刚性框(3)的上面，把所需的一定质量的土样均匀压入二者内，这样就制备了一个重塑样；
B.所取得包含剪切框(2)和刚性框(3)的土样放入固定在箱型框架(7)上的刚性框底座(4)里，并用刚性框固定螺钉(8)顶紧刚性框(3)；
C.将杠杆(24)安装在横梁(23)上，根据试验压力需要在吊盘(25)上加一定的砝码(26)；
D.安装量测设备在传力板(9)上架设垂直位移计(5)，量测垂直位移；在剪切框(2)沿受剪方向中央部位或传力板(9)沿受剪方向中央部位上架设水平位移计(6)，量测剪切位移；把拉力传感器(13)一端连接在手轮推动杆(15)上，另一端连接在连接件(14)上，量测水平拉力，链条(12)一端连在连接件(14)上另一端连接在链条挂钩(11)上；
E.把位移计(5)、(6)和拉力传感器(13)分别连接到数据转换箱上，再把数据转换箱连接到微机上，设置好数据采集的参数，以均匀的速率摇动手轮(16)，进行剪切，试验过程中实现数据的自动采集；
F.试验结束后，旋动支柱螺母II(22)，把包含传力板(9)、传力柱(10)及杠杆(24)的整体加压设备提起，松动刚性框固定螺钉(8)，拿出包含刚性框(3)和剪切框(2)的试样；
G.数据整理剪切面上的正应力σ、剪应力τ按下式计算
其中G1为传力板(9)与传力柱(10)的总重量，G2为所加砝码(26)的重量，σl为杠杆自重对试样产生的压力，T为拉力传感器(13)量测的水平拉力，A为剪切面面积。
全文摘要
便携式现场和室内两用直剪试验仪及取样测试方法。该试验仪包括取样设备，移动垂直加荷系统和水平张拉受剪系统，是将刚性框和十字型剪切框一同埋入需要试验的现场土体中，再把包含刚性框和剪切框的土体整体挖出，取得扰动较小的整体性试样，把所取得的整体性试样放入固定于箱型框架上的刚性框底座里，通过安装在箱型框架上的移动式垂直加荷系统施加垂直力，采用张拉剪切框测试土体的强度，试验过程中不会限制试样垂直方向的体积变化；该仪器结构简单，操作方便，便于搬运；该测试方法将受剪方式由刚性顶推改为柔性张拉方式，克服了摩擦问题和取样的挠动问题，采用移动式垂直加压系统确保试验过程中垂直压力不会偏心，从而提高测试精度。
文档编号E02D1/04GK101105433SQ200710025380
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月26日 优先权日2007年7月26日
发明者刘斯宏, 臧德记 申请人:河海大学