专利名称：二维切削仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二维切削仪，属于土木工程和疏浚工程技术领域。
背景技术：
目前，用来测量土强度的仪器有直剪仪、单剪仪，图1是直剪仪的结构示意图，实验时，剪力盒5内盛放土样4后，沿接触面施加反向剪应力，通过相对位移，建立剪应力与位移的关系，以反映接触面的性质。但是存在试样剪应变不均勻、不能控制排水条件以及预先规定剪破面等缺点。图2是叠环式单剪仪的结构示意图，单剪仪对直剪仪做了改进，试样侧向用橡皮膜包裹，外套若干重叠铝环，或者用绕有琴弦的橡皮膜包裹或者装上可以转动的侧板，来限制试样受压后侧向膨胀。总体来说，直剪仪、单剪仪的剪切速率较低，不适合测量剪切强度较低的高含水率饱和软土。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种切削速度快，可以测量高含水率土样强度的二维切削仪。为实现上述的技术目的，本发明采用了以下的技术方案二维切削仪，包括土槽，土槽底部设有一个以上的排水孔，排水孔连接排水管，排水管上设有阀门；土槽底部铺设砂垫层，砂垫层砂子的粒径从上往下依次增大，砂垫层上面铺设土层；土槽的上方设有移动小车，小车前方设置切削刀，切削刀与传感器连接，传感器固定在三角形支架的前面，传感器与动态电阻应变仪、数据采集仪、数据处理装置连接。前述的二维切削仪，在传感器前方设置一挡板，所述的传感器是八角环传感器；小车与电机传动系统连接，且小车底部安装车轮。前述的二维切削仪，切削刀与水平线的夹角是0-90°范围内除0°的任意角度， 切削刀片的下端部位于土槽土层高度的1/3-2/3。本发明可以用来测量高含水率、高相对运动速度条件下，各种土样的法向压应力与切向剪切强度，并通过几组不同切削角度的二维切削试验得出界面抗剪直线得土的粘聚力C和摩擦角Φ这两个土的强度指标，也可以测量不同条件下(不同切削角度、刀面形状)刀片切削土体时的切削力。
图1是直剪仪的结构示意图；图2是叠环式单剪仪的结构示意图；图3本发明切削仪的结构示意图；图4是本发明切削仪各部分连接关系示意图5是切削刀在土样的示意图；图6是切削刀的正视图；图7是图6的左视
图8是传感器受力图；图9是切削刀受力分析图；图10是铰刀刀面切向阻力Ft曲线图；
图11是施加水平方向力Fx后的标定曲线。附图中主要部件的说明1-土槽、2-支架、3-传感器、4-切削刀、5-挡板、6-土样、 7_砂垫层。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。图3本发明二维切削仪的结构示意图，图4是切削刀在二维切削仪布置状态的示意图，参照图3、4所示，二维切削仪，包括土槽1，土槽的上方设有移动小车，小车的结构包括与竖直面呈45°夹角的切削刀4，切削刀片与传感器3连接，传感器3固定在三角形支架2的前面，且传感器前方设置一挡板5防止切削过程中堆积土过多而触碰到传感器及导线。传感器与动态电阻应变仪、数据采集仪、数据处理装置连接。所述的传感器是八角环传感器，可以同时测量水平和竖直两个方向的受力。小车与电机传动系统连接以控制小车的速度。动态电阻应变仪的电桥连接器固定到小车上，这样小车在切削过程中的扰动就只有电桥连接器和动态电阻应变仪之间的连线，受到扰动时对数据的影响可以忽略不计。土槽1的材料是Icm厚的聚甲醛板，规格是长1000mm，宽230mm，高150mm。为了充分排水并且收集排出的水，土槽底部每间隔IOcm开孔，孔径1cm，共19个孔，每个孔外侧均连接排水管，排水管上设置阀门以控制排水量。使用时，先用土工布挡住槽底出水孔，防止砂土随水流出，然后土槽底部铺设砂垫层7作为反滤层，砂子的粒径从上往下依次加大。小车的底座材质是有机玻璃，规格是270mmX230mmX15mm。底座安装车轮减小推车的阻力。参照图5、6、7所示，切削刀大小根据土槽大小设定，本仪器刀片大小设计为 IOOmmX 100mm,刀片下边缘打磨锋利，与水平线的夹角是45°，切削刀片的下端部位于土槽土的中部。具体操作步骤(1) 土槽内装入待测土体，土体堆积到不超过土槽高度的2/3为宜，搅拌、整平， 在土样上加盖板，在盖板上加载，两小时内排水量小于IOml即可进行试验或者加下一级荷载，粘土每级加载12h，粉土、砂土加载时间可以根据实际情况减少。加载时土槽和收集排水的水桶用塑料薄膜覆盖，减少水分蒸发。(2)达到加载时间后，卸载，取出盖板，将土体表面泌出的水收集到量桶中。(3)刀片插入土体，(刀片的下端部基本处于土样中部)，控制小车勻速向前移动， 开始切削实验。(4)小车切削土体结束，保存采集到的数据并且转换为excel数据表格格式，以备分析。将粘附在刀面的土样刮下放回土槽，加入因为加载排出的水分，搅拌均勻，尽量使土恢复到初始状态。
参照图8、9所示，实验采集到的数据为传感器法向及切向(即铰刀水平方向和竖直方向)在切削过程中的电压变化，通过标定曲线转换为铰刀水平方向力Fx向和竖直方向力Fy。标 定曲线的获得过程如下用弹簧秤对铰刀刀片施加水平方向拉力Fx(即八角环传感器法向)和竖直方向拉力(即八角环传感器切向)Fy，记录动态电阻应变仪两个通道显示的电压值。以荷载(即拉力N)为横坐标，电压值为纵坐标，拟合得到标定曲线，如图11。卞艮ig&gFn = Fx sin 450 +Fy cos 450 ，Ft = Fx cos 450 _Fysin450 ， 将Fx、Fy换算为刀片表面的法向力Fn及切向力Ft。45°是切削刀与水平面的夹角，仅为举例。由于整个切削过程中，动态电阻应变仪实时记录传感器法向及切向(即铰刀水平方向和竖直方向)在切削过程中的电压变化。两个方向的电压变化值分别是一组上千个数据的数组。由此得到的Fx、Fy和Ft、Fn，也分别是由上千个数据组成的数组。这些数据表明了在整个切削过程中Fx、Fy和Ft、Fn随着时间的变化过程。例如，刀面切向阻力Ft的大小变化过程如图10。刀面切向阻力Ft曲线可以分为5部分初始平稳阶段、迅速增长阶段、切削时的相对平稳阶段、迅速减少阶段、结束平稳阶段。去除未进行切削的初始平稳段和结束平稳段以及受力数据不稳定的迅速增长阶段和迅速减小阶段，对于剩下的切削时相对平稳阶段，取其所有数据的平均值，作为该次试验铰刀刀面的切向阻力值。刀面法向压力 Fn值取方法根据刀面切向阻力的取值，直接取与之相应数据段的平均值作为此次试验的刀面法向压力值。传感器的水平方向受力Fx即刀片的切削力，切削力的研究在许多行业中具有重要意义，如疏浚工程中绞吸式挖泥船铰刀切削土体。刀面切削阻力Fx取值方法与刀面法向压力值取方法相似，根据刀面切向阻力的取值，直接取与之相应数据段的平均值作为此次试验的刀面切削阻力。通过改变切削角度，重复以上实验过程，得到另外几组刀片表面的法向压力及切向阻力。根据公式τ= Ft/s P = Fn/s获得切削刀切向的抗剪强度τ和法向的垂直压强P，以τ为纵坐标，P为横坐标， 获得切削刀表面的抗剪强度直线。由该直线获得土样强度指标，粘聚力c和摩擦角Φ。上述具体实施方式
不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
权利要求
1.二维切削仪，包括土槽，其特征在于土槽底部设有一个以上的排水孔，排水孔连接排水管，排水管上设有阀门；土槽底部铺设砂垫层，砂垫层砂子的粒径从上往下依次增大， 砂垫层上面铺设土层；土槽的上方设有移动小车，小车前方设置切削刀，切削刀与传感器连接，传感器固定在三角形支架的前面，传感器与动态电阻应变仪、数据采集仪、数据处理装置连接。
2.根据权利要求1所述的二维切削仪，其特征在于在传感器前方设置一挡板。
3.根据权利要求1所述的二维切削仪，其特征在于所述的传感器是八角环传感器。
4.根据权利要求1所述的二维切削仪，其特征在于小车与电机传动系统连接，且小车底部安装车轮。
5.根据权利要求1所述的二维切削仪，其特征在于切削刀与水平线的夹角是0-90°范围内除0°的任意角度，切削刀片的下端部位于土槽土层高度的1/3-2/3。
全文摘要
本发明涉及二维切削仪，包括土槽，土槽底部设有一个以上的排水孔，排水孔连接排水管，排水管上设有阀门；土槽底部铺设砂垫层，砂垫层砂子的粒径从上往下依次增大，砂垫层上面铺设土层；土槽的上方设有小车，小车前方设置切削刀，切削刀与传感器连接，传感器与动态电阻应变仪、数据采集仪、数据处理装置连接，传感器固定在支架的前面，在传感器前方设置一挡板，传感器是八角环传感器；小车与电机传动系统连接，且小车底部安装车轮。切削刀与水平线的夹角是0-90°范围内除0°的任意角度，切削刀片的下端位于土槽土层高度的1/3-2/3。本发明可以测量高含水率，高相对运动速度条件下的材料与土的界面剪切强度,且构造简单，受力明确。
文档编号G01N3/24GK102323164SQ20111015558
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者倪福生, 刘文彬, 王保田 申请人:河海大学