一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置的制作方法

1.本发明涉及粗粒土实验设备技术领域，具体涉及一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置。


背景技术：

2.根据新规范《gbt50145-2007土的工程分类标准》，试样中粗粒组(0.075mm《d《60mm)含量大于50％的土称粗粒类，其中砾粒组含量大于砂粒组含量的土称砾类土，砾粒组含量不大于砂粒组含量的土称砂类土，其是一种优质的筑坝材料；高土石坝筑坝技术近年来在我国快速发展，目前最高坝高已经达到三百米级；我国在这方面已经走在世界的最前沿，掌握了最先进的技术和经验；随着高土石坝技术的发展，大坝安全成为业内关注的焦点问题；坝体渗透变形成为坝体结构安全的重要影响因素；为此水利部2018年将渗透临界坡降列为岩土甲级资质必备参数；因此粗粒土粗粒土在渗透后的剪切变形实验成为高土石坝筑坝技术中重要的一项试验，为大坝安全评估提供直接的参数；
3.在实验室中，现有的剪切试验机只能模拟某一含水量粗粒土的状态，不能模拟自然条件下粗粒土反复受雨水浸泡，又受太阳辐射影响的情况，导致得出的试验结果只能表明单一状态下粗粒土的力学性能，较为片面，不能准确反映出自然条件下粗粒土的力学特性；同时只能做单一剪切面的粗粒土剪切试验，但是自然状态下粗粒土的受力状态是复杂多样的，剪切面的位置也就多种多样，所得出的结果就不具较强代表性，不能研究同一粗粒土在相同条件时不同高度剪切面的破坏机理和该粗粒土在此剪切面的力学性能；
4.因此亟需设计一种能够满足不同温度环境、剪切高度的粗粒土剪切蠕变的实验装置。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置，本装置通过将剪切机构安装在环境箱内，能实现在环境箱内不同温度和粗粒土含水率的情况下的粗粒土剪切蠕变实验；同时通过设置可转动的试样台，在使用时能够实现对于粗粒土试样的不同位置进行剪切，以实现多剪切面剪切的实验要求，得到的剪切数据能够较好的反映粗粒土试样的破坏机理和该粗粒土在此剪切面的力学性能，具有功能多样、适用范围广、自动化程度高和使用便利的特点。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置，包括环境箱、采集机构和加压机构；
8.所述环境箱为温度控制箱，且在环境箱内侧的安装腔内安装有剪切机构，所述剪切机构与采集机构连接，通过采集机构对剪切机构进行控制，并对粗粒土试样的蠕变情况进行采集；
9.所述加压机构设置在环境箱外，且通过加压控制机构与剪切机构连接，给剪切机构提供动力，控制剪切机构动作，所述加压控制机构还与采集机构连接，利用采集机构对加
压控制机构进行控制；
10.所述采集机构为电脑pc端，且在电脑内安装有上位机控制软件，通过上位机控制软件对剪切机构和加压控制机构进行控制；
11.所述剪切机构包括试样固定架，设置在试样固定架上的垂直加载组件和水平剪切组件。
12.优选的，所述的试样固定架包括底板、承台、试样台、导向杆、第一液压件和横梁，所述底板通过设置在安装腔底板上的第一固定件与环境箱连接，所述承台通过设置在底板上的棱形限位柱固嵌在底板上的嵌槽内，所述试样台通过第一转动连接件与设置在限位柱上的连轴转动连接；所述第一液压件对称设置在底板上，且其活塞杆端与横梁固定连接，所述导向杆设置在第一液压件的内侧，且穿过横梁，与横梁活动连接，且导向杆的上端部通过固定柱与安装腔的顶壁连接，所述固定柱焊设在安装腔的顶壁上。
13.优选的，所述的试样台包括载样盘和限位盘，所述载样盘设置在限位盘的上侧，且在载样盘内设置有第一限位槽，所述第一限位槽与粗粒土试样下端的下剪切盒配合使用；所述限位盘通过滚珠转动安装在承台上的卡槽的上侧，且在限位盘的外周设置有若干第一弧形槽，所述第一弧形槽与设置在承台内侧的第二弧形槽配合使用，且所述第一弧形槽和第二弧形槽均与限位销配合使用。
14.优选的，所述的底板的四个角上均设置有螺纹孔，所述螺纹孔与第一螺接连接件配合使用，所述第一螺接连接件与转接连接件的上端连接套管配合使用，所述转接连接件的下端螺纹连接杆与第一固定件配合使用；所述导向杆的上端设置有螺接段，所述螺接段与固定柱配合使用，且所述螺接段与固定柱通过螺纹套管连接。
15.优选的，所述的垂直加载组件包括垂直液压加压件和垂直变形传感器，所述垂直变形传感器设置在垂直液压加压件的活塞杆下端，与粗粒土试样上端的上剪切盒配合使用。
16.优选的，所述的水平剪切组件对称设置在底板的两侧，包括支撑立架、电机、l形支板和水平液压加压件，所述支撑立架安装在底板上，且在支撑立架上设置有第一导向槽、高度调节齿槽和第二限位槽，所述电机通过导向板安装在支撑立架的外侧，且在导向板上设置有第一导向滑轨与第二限位槽配合使用，所述l形支板滑动安装在支撑立架的内侧，且在l形支板上设置有第二导向滑轨与第一导向槽配合使用，所述电机的传动杆外还设置有齿轮，所述齿轮与高度调节齿槽内的卡齿相互啮合，所述传动杆内侧还通过第二转动连接件与l形支板尾部的连接杆连接，所述水平液压加压件固定安装在l形支板上，且在水平液压加压件的活塞杆末端设置有水平变形传感器，所述水平变形传感器与粗粒土试样腰部的剪切环配合使用。
17.优选的，所述的剪切环由若干结构相同的剪切单元组成，所述剪切单元包括外环弧和内环弧，所述外环弧设置在内环弧的外侧，通过连接组件与内环弧连接，且在外环弧的两端均设置有弧槽和弧板，相邻的两个外环弧之间的弧槽与弧板配合使用，且通过固定栓固定，将两个相邻的外环弧连接，且在外环弧的外侧设置限位圆孔，所述限位圆孔与水平变形传感器配合使用；所述内环弧的内侧还设置有乳胶片，所述乳胶膜与粗粒土试样配合使用。
18.优选的，所述的连接组件包括调节部分和加固部分，所述调节部分对称设置在加
固部分的上下两端，包括螺栓件和第一螺接柱，所述螺栓件的外螺纹与外环弧上的螺纹孔上的内螺纹配合使用，且在螺栓件上设置有螺接孔，所述螺接孔的内螺纹与第一螺接柱的外螺纹配合使用；所述加固部分包括加固连接件和第二螺接柱，所述第一螺接柱对称设置在第二螺接柱的上下两侧，且第二螺接柱与加固连接件螺纹连接，所述加固连接件的前端部还设置有球形压头，所述球形压头与外环弧的内侧面配合使用。
19.优选的，所述的安装腔外侧还设置有活动门，所述活动门转动设置在安装腔的外侧，且在安装腔的外侧开口处还设置有密封圈，所述密封圈与活动门配合使用。
20.本发明的有益效果是：本发明公开了一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：
21.(1)本发明设计了一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置，包括环境箱、采集机构和加压机构，所述环境箱内设置有剪切机构，在使用过程中，利用采集机构控制剪切机构和加压机构工作，来实现对粗粒土试样的自动剪切、自动烘干、自动加压和数据的自动采集等功能，自动化程度高、且使用简单方便；
22.(2)同时，在使用时，通过环境箱的温控作用来对温度进行控制，实现在环境箱内不同温度和粗粒土含水率的情况下的粗粒土剪切蠕变实验，能够有效模拟粗粒土在自然条件中反复受雨水浸泡、又受太阳辐射影响的情况下的受力情况，准确的反映自然条件下粗粒土的力学特性；
23.(3)本装置还设置有垂直加载组件和水平剪切组件，所述垂直加载组件能够用于测试粗粒土试样在竖向静载作用下的固接直剪情况，水平剪切组件在使用时，通过电机转动调节水平液压加压件与粗粒土试样的相对高度，对粗粒土试样进行加压，以实现不同高度位置的粗粒土试样剪切面加压情况；同时通过转动试样台，在使用时能够实现对于粗粒土试样的不同位置进行剪切，以实现多剪切面剪切的实验要求，得到的剪切数据能够较好的反映粗粒土试样的破坏机理和该粗粒土在此剪切面的力学性能，具有功能多样、适用范围广、自动化程度高和使用便利的优点。
附图说明
24.图1为本发明粗粒土剪切蠕变装置的结构示意图。
25.图2为本发明环境箱的结构示意图。
26.图3为本发明剪切机构的主视图。
27.图4为本发明剪切机构的侧视图。
28.图5为本发明支撑立架的结构示意图。
29.图6为本发明支撑立架的剖视图。
30.图7为本发明转接连接件的剖视图。
31.图8为本发明试样台俯视角度的剖视图。
32.图9为本发明试样台主视角度的剖视图
33.图10为本发明剪切环的结构示意图。
34.图11为本发明连接组件的结构示意图。
35.其中：1.环境箱，11.活动门，12.安装腔，13.第一固定件，14.密封圈，15.第一固定件，16.第一螺接连接件，17.固定柱，18.螺纹套管，2.采集机构，3.加压控制机构，4.加压机
构，5.剪切机构，51.底板，511.连轴，512.限位柱，513.嵌槽，52.承台，521.第二弧形槽，522.卡槽，53.试样台，531.限位盘，532.第一弧形槽，533.限位销，534.第一转动连接件，535.滚珠，536.第一限位槽，537.载样盘，54.导向杆，541.螺接段，55.第一液压件，56.横梁，57.垂直加载组件，571.垂直液压加压件，572.垂直变形传感器，58.支撑立架，581.第一导向槽，5810.电机，5811.传动杆，582.高度调节齿槽，583.第二限位槽，584.导向板，585.第一导向滑轨，586.l形支板，587.第二导向滑轨，588.连接杆，589.第二转动连接件，580.齿轮，59.水平液压加压件，50.水平变形传感器，6.粗粒土试样，61.下剪切盒，62.下剪切盒，63.剪切环，631.外环弧，632.内环弧，633.弧槽，634.弧板，635.固定栓，636.限位圆孔，637.乳胶膜，638.第一螺接柱，6381.第二螺接柱，639.螺栓件，6391.螺接孔，630.加固连接件。
具体实施方式
36.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
37.参照附图1-11所示的一种具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置，包括环境箱1、采集机构2和加压机构4；
38.所述环境箱1为温度控制箱，且在环境箱1内侧的安装腔12内安装有用于剪切试样的剪切机构5，所述剪切机构5与采集机构2通过导线连接，所述采集机构2用于对剪切机构5进行控制，并在控制的同时对粗粒土试样6的蠕变情况进行采集和记录；
39.所述加压机构4设置在环境箱1外，且通过加压控制机构3与剪切机构5连接，通加压机构4给剪切机构5提供可控的液压动力，控制剪切机构5动作，所述加压控制机构3还通过导线与采集机构2连接，利用采集机构2对加压控制机构3进行控制，达到自动控制液压大小的目的；
40.所述采集机构2为电脑pc端，且在电脑内安装有上位机控制软件，通过上位机控制软件对剪切机构5和加压控制机构3进行控制；
41.所述加压机构4为液压泵，所述加压控制机构3为液压控制箱；
42.所述剪切机构5包括试样固定架，设置在试样固定架上的垂直加载组件57和水平剪切组件，所述垂直加载组件57和水平剪切组件分别用于对粗粒土试样6进行垂直和水平剪力。
43.优选的，所述的试样固定架包括底板51、承台52、试样台53、导向杆54、第一液压件55和横梁56，所述底板51通过设置在安装腔12底板上的第一固定件13与环境箱1连接，所述承台52通过设置在底板51上的棱形限位柱512固嵌在底板51上的嵌槽513内，实现底板51与承台52的固定连接，所述试样台53通过第一转动连接件534与设置在限位柱512上的连轴511转动连接，即实现试样台53的转动连接；所述第一液压件55对称设置在底板51上，且其活塞杆端与横梁56固定连接，所述导向杆54设置在第一液压件55的内侧，且穿过横梁56，与横梁56活动连接，对横梁56的运动进行导向，所述垂直加载组件57设置在横梁56上，使用时，通过第一液压件55的升降来对垂直加载组件57的高度进行调整，以使其适用于不同规格大小的粗粒土试样6。
44.优选的，为对剪切机构5在安装腔12内的位置进行进一步的固定，在所述导向杆54
的上端设置有螺接段541，所述安装腔12的顶壁上还焊接有固定柱17，所述螺接段541与固定柱17配合使用，且所述螺接段541与固定柱17通过螺纹套管18连接，在安装后对剪切机构5在安装腔12内的位置进行进一步的固定，且方便剪切机构5的拆卸和更换。
45.优选的，所述的试样台53包括载样盘537和限位盘531，所述载样盘537设置在限位盘531的上侧，且在载样盘537内设置有第一限位槽536，所述第一限位槽536与实验过程中安装在粗粒土试样6下端的下剪切盒61配合使用，对下剪切盒61进行限位；所述限位盘531通过滚珠535转动安装在承台52上的卡槽522的上侧，且在限位盘531的外周设置有若干第一弧形槽532，所述第一弧形槽532与设置在承台52内侧的第二弧形槽521配合使用，且所述第一弧形槽532和第二弧形槽521均与限位销533配合使用，利用限位销533对试样台53进行限位，防止试样台53转动，即在使用时，先转动试样台53，使得粗粒土试样6的水平剪切面达到要求，并在调节完毕后，插入限位销533，对试样台53进行固定。
46.优选的，所述的底板51的四个角上均设置有螺纹孔，所述螺纹孔与第一螺接连接件16配合使用，所述第一螺接连接件16与转接连接件15的上端连接套管配合使用，所述转接连接件15的下端螺纹连接杆与第一固定件13配合使用，利用第一螺接连接件16和转接连接件15将底板51安装在安装腔12内，使用转接连接件15的目的在于将底板51架起和起到调平底板51的作用，使其与安装腔12的底壁分开。
47.优选的，为对粗粒土试样6进行垂直加载，所述的垂直加载组件57包括垂直液压加压件571和垂直变形传感器572，所述垂直变形传感器572设置在垂直液压加压件571的活塞杆下端，与粗粒土试样6上端的上剪切盒62配合使用，用于检测在垂直加载作用下的粗粒土试样6的蠕变变形情况，并在采集机构中进行记录分析。
48.优选的，为对粗粒土试样6施加水平荷载，所述的水平剪切组件对称设置在底板51的两侧，包括支撑立架58、电机5810、l形支板586和水平液压加压件59，所述支撑立架58垂直安装在底板51上，且在支撑立架58上设置有第一导向槽581、高度调节齿槽582和第二限位槽583，所述电机5810通过导向板584安装在支撑立架58的外侧，且在导向板584上设置有第一导向滑轨585与第二限位槽583配合使用，即第一导向滑轨585卡在第二限位槽583内运动，所述l形支板586滑动安装在支撑立架58的内侧，且在l形支板586上设置有第二导向滑轨587与第一导向槽581配合使用，即第二导向滑轨587卡合在第一导向槽581内运动，所述电机5810的传动杆5811外还设置有齿轮580，所述齿轮580与高度调节齿槽582内的卡齿相互啮合，所述传动杆5811内侧还通过第二转动连接件589与l形支板586尾部的连接杆588连接，即在使用时，通过电机5810工作带动l形支板586沿着高度调节齿槽582运动，对l形支板586的高度进行调节；所述水平液压加压件59固定安装在l形支板586上，且在水平液压加压件59的活塞杆末端设置有水平变形传感器50，所述水平变形传感器50与粗粒土试样6腰部的剪切环63配合使用，对粗粒土试样6施加水平剪力。
49.优选的，为保证在施加水平剪切力的过程中，是整面受力而不是局部受力，所述的剪切环63设计为由若干结构相同的剪切单元组成，所述剪切单元包括外环弧631和内环弧632，所述外环弧631设置在内环弧632的外侧，对内环弧632进行保护，外环弧631通过连接组件与内环弧632连接，且为便于相邻两块外环弧631的连接，在外环弧631的两端均设置有弧槽633和弧板634，相邻的两个外环弧631之间的弧槽633与弧板634配合使用，即将相邻的两个外环弧631上的弧槽633与弧板634插接连接，且通过固定栓635固定，实现两个相邻的
外环弧631连接，且在外环弧631的外侧设置若干限位圆孔636，所述限位圆孔636与水平变形传感器50配合使用；所述内环弧632的内侧还设置有乳胶片637，用于增强剪切面的整体性，所述乳胶膜637与粗粒土试样6配合使用。
50.优选的，为便于外环弧631与内环弧632的连接，所述的连接组件包括调节部分和加固部分，所述调节部分对称设置在加固部分的上、下两端，包括螺栓件639和第一螺接柱638，所述螺栓件639的外螺纹与外环弧631上的螺纹孔上的内螺纹配合使用，且在螺栓件639上设置有螺接孔(6391)，所述螺接孔6391的内螺纹与第一螺接柱638的外螺纹配合使用，即在使用时，通过转动螺栓件639将外环弧631与内环弧632连接，且通过转动螺栓件639与第一螺接柱638的连接深度，调整外环弧631与内环弧632之间的相对距离，使其适用于不同直径的粗粒土试样6。
51.优选的，为增强外环弧631与内环弧632的整体性，避免在外力作用下造成外环弧631或内环弧632的变形，所述加固部分包括加固连接件630和第二螺接柱6381，所述第一螺接柱638对称设置在第二螺接柱6381的上下两侧，且第二螺接柱6381与加固连接件630螺纹连接，所述加固连接件630的前端部还设置有球形压头，所述球形压头与外环弧631的内侧面配合使用，即通过手动调节加固连接件630，使其球形压头紧压在外环弧631的内侧面上，对外环弧631进行加固。
52.优选的，上述粗粒土试样6在加载过程中的技术参数为：
53.(1)粗粒土试样6的尺寸为直径61.8mm、高20mm；
54.(2)垂直加荷分级：50，100，200，300，400kpa；
55.(3)最大水平剪切载荷：10kn；
56.(4)剪切速率：0.001-10mm，也可任意设置；
57.(5)垂直位移：0-20mm；
58.(6)剪切位移：0-10mm，(可设)
59.(7)电源：220v
±
10％50hz
±
2hz；
60.优选的，所述环境箱1的技术参数为：
61.(1)电源电压：220v，50hz；
62.(2)环境箱内部尺寸：长500mm*宽500mm*高700mm。分三层隔每层层高180mm，大件试件可取下隔板；
63.(3)温控表型号：ai518/518p；
64.(4)控温范围：-20℃～100℃；
65.(5)控温精度：
±
0.1℃；
66.(6)加热功率：800w；
67.(7)制冷功率：1.2p；
68.(8)可设置温度程序段：1～30段，可设置每段程序运行时间；
69.(9)环境箱外部尺寸：长950mm*宽700mm*高1440mm。
70.本发明所述具有高低温功能的粗粒土剪切蠕变装置的使用方法包括：
71.步骤一：将剪切机构5安装在环境箱1内，并通过转动转接连接件15，将仪器工作面调平；
72.步骤二：将粗粒土试样6、透水石、传压活塞放入下剪切盒61内，再安装上剪切盒
62，并将粗粒土试样6放在第一限位槽536内，在粗粒土试样6上贴应变片，打开控制器电源开关、电子万能控制器开关和软件，调节垂直变形传感器即可，启动试验前将位移、变形、力值显示窗口全部清零；
73.步骤三：调节环境箱1内的温度，把箱体放在室内干燥处的地面或平面上，并处于水平状态，接通电源，打开电源开关再打开加热、制冷、风机开关；根据需要，设定温度参数；
74.步骤四：根据需要设置恒位移、恒力值、程控；恒位移：设置位移的保持量，按照规定的速度(mm/min)达到设置的位移量来恒定，恒力值：点击“负荷”设置力保持目标，设置速率(n/s)达到设置的力值进行恒定，记录剪切位移量。
75.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。