一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用机械应力测试固体材料特性领域，尤其涉及一种手持式常刚度环剪 仪及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 环剪仪在20世纪20年代开始被研制，之后的几十年，环剪仪的发展几乎停止，直 到20世纪60年代残余强度研宄的兴起才使得环剪仪的研宄复燃，继而研宄和开发出了各 种在室内实验室使用的环剪仪。
[0003]目前室内环剪仪按其结构特征可分为两种类型：单环式环剪仪和双环式环剪仪。 与其他土工试验方法相比，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 切面面积不变和试样可在连续的位移条件下进行剪切。单环式环剪仪在试验过程中将土样 装入圆筒形试样盒中，通过上部加压板对试样施加垂向压力和扭转剪力。此类型环剪仪的 主要优点是在剪切试验过程中，不会发生土样渗漏问题。双环式环剪仪使土样沿上下各自 独立的环状剪切盒中部的预设面进行剪切，以期达到减少试验过程中沿剪切面处应力与应 变分布的不均匀性、减少土样与剪切环间阻力以及消除剪切环边缘应力集中的目的。
[0004] 随着技术手段的进步，现代室内环剪仪能够通过伺服控制系统和剪切环间缝传感 器保证各种试验条件下剪切过程中不排水状态的实现，并能够保证排水和不排水试验条件 的实施和转换，同时计算机控制和高感度记录设备的应用也使得试验数据的分析处理更加 方便快捷。但随着现代环剪试验系统日益复杂化和精密化，环剪仪的制造成本和使用成本 逐渐增加，仪器的日常维护和保养费用变得日益昂贵。而且，现有的环剪仪设备复杂，体积 大，只能在室内实验室使用，不能在野外现场使用，只能输出恒定压力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种手持式常刚度环剪仪及其使用方法，用于在野外现场对 土样在常刚度条件下的抗剪切力和剪切过程中的体变进行测定。仪器携带方便、操作简单、 经济实用，输出压力可调。
[0006] 本发明的一个技术方案是一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内 的环形钢框，所述钢框顶部扣合有环形上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直 设置有一转轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板通过螺纹固定，所述转轴顶端固定有 扳手，该扳手上嵌有数显表；所述底座的侧壁上通过螺纹固定有弹簧支架，该弹簧支架下方 垂直固定有弹簧导杆，该弹簧导杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹簧导杆上套 设有弹簧，该弹簧下端压有滑块，该滑块搁置在所述传压板上；所述弹簧的上端和传压板之 间连接有第一夹具，该第一夹具上安装有第一百分表；所述底座的侧壁上还固定有百分表 支架，该百分表支架通过第二夹具与所述传压板连接，所述第二夹具上安装有第二百分表； 所述手持式常刚度环剪仪的整体尺寸为200mmX 120mmX 240mm。使用时，先将钢框中装好土 样，调试好各部件，记下数显表、第一百分表和第二百分表的初始读数。转动扳手，所述数显 表上的读数随着变化，所述转轴带动所述传压板和上盖转动，土样被逐渐压紧，上盖带动传 压板下降，初始压缩状态下的弹簧即时向下伸展，所述弹簧拉伸所述第一夹具，该第一夹具 的拉伸使第一百分表的读数产生变化。随着所述传压板的下降，所述第二夹具也会向下拉 伸，使第二百分表的度数产生变化。根据所述数显表的读数、环形土样的内径和外径，可以 算出土样上的平均剪应力。根据弹簧的根数、弹簧的刚度系数、第一百分表的读数、环形土 样的内径和外径可以算出土样上的平均法向应力。根据第二百分表的读数可以知道土样高 度的变化，再结合土样的内径和外径，可以算出土样体积的变化。
[0007] 本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，只有2kg，费用低，便于野 外现场使用；利用弹簧施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧初 始压缩量，可进行不同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧，可进行不同刚度 下的常刚度环剪实验。
[0008] 进一步地，所述转轴套设在轴承中，该轴承垂直固定在所述底座中央。所述转轴在 轴承中转动，摩擦力小，转动灵活。
[0009] 进一步地，钢框底部有限位粧，所述底座内限位槽，所述限位粧位于所述限位槽 内，防止钢框在底座内水平滑动。
[0010] 进一步地，所述底座外侧有手柄。便于固定仪器，也便于转动手柄。
[0011] 进一步地，滑块上部有圆形的垫片，该垫片与弹簧下端接触，当传压板转动时，传 压板上的环形的滑块位置不变，只在传压板表面滑动，所述圆形的垫片始终位于弹簧的正 下方，避免弹簧发生弯折。
[0012] 本发明的另一个技术方案是一种手持式常刚度环剪仪的使用方法，包括如下步 骤：
[0013] S1、将刚性框取出，均匀装入土样；土样装完后，将土样面刮平，使土样高度达到要 求，将刚性框放入仪器底座中；
[0014] S2、盖上上盖，将滑块放在传压板上，将垫片放在所述滑块上；
[0015] S3、安装弹簧支架、弹簧导杆、限位螺母、弹簧，并确保与弹簧连接的弹簧垫片置于 传压板上的环形滑块上；
[0016] S4、调节限位螺母，使土样处于预压状态；
[0017] S5、安装弹簧支架、第一百分表和第一夹具，记录第一百分表的初始读数；安装百 分表支架、第二百分表和第二夹具，记录第二百分表的初始读数；
[0018] S6、一只手握住底座手柄，另一只手通过扳手施加扭矩转动转轴，转轴带动传压板 和上盖转动，在土样上表面产生剪应力对土样进行剪切；在此过程中，记录第一百分表、第 二百分表和数显表的读数；
[0019] S7、试验结束后，拆除土样，根据第一百分表、第二百分表和数显表的读数，计算出 作用在土样上的平均剪应力和平均法向应力。
[0020] 本技术方案中的手持式常刚度环剪仪体积小，质量轻便，便于野外现场使用；利用 弹簧施加竖向力，无需外接压力源或加荷设备；通过设置不同的弹簧初始压缩量，可进行不 同初始压力下的环剪实验；通过配置不同刚度的弹簧，可进行不同刚度下的常刚度环剪实 验。
[0021] 进一步地，所述步骤S7中，预设环形土样的内径为R1，外径为R2，假定土样上的剪 应力τ是均匀分布的，在加载过程中由数显表的读数可知作用在土样上的扭矩M，根据静 力平衡条件，土样上的平均剪应力满足下列公式：
【主权项】
1. 一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内的环形钢框，其特征在于： 所述钢框顶部扣合有环形上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直设置有一转 轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板固定，所述转轴顶端固定有扳手，该扳手上嵌有数 显表；所述底座的侧壁上固定有弹黃支架，该弹黃支架下方垂直固定有弹黃导杆，该弹黃导 杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹黃导杆上套设有弹黃，该弹黃下端压有滑块， 该滑块搁置在所述传压板上；所述弹黃的上端和传压板之间连接有第一夹具，该第一夹具 上安装有第一百分表；所述底座的侧壁上还固定有百分表支架，该百分表支架通过第二夹 具与所述传压板连接，所述第二夹具上安装有第二百分表；所述手持式常刚度环剪仪的整 体尺寸为 200mmX120mmX240mm。
2. 根据权利要求1所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：所述转轴套设在轴承中， 该轴承垂直固定在所述底座中央。
3. 根据权利要求2所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：钢框底部有限位粧，所述 底座内限位槽，所述限位粧位于所述限位槽内。
4. 根据权利要求3所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：所述底座外侧有手柄。
5. 根据权利要求4所述的手持式常刚度环剪仪，其特征在于：滑块上部有圆形的垫片， 该垫片与弹黃下端接触。
6. 根据权利要求5所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，包括如下步 骤： 51、 将刚性框取出，均匀装入±样；±样装完后，将±样面刮平，使±样高度达到要求， 将刚性框放入仪器底座中； 52、 盖上上盖，将滑块放在传压板上，将垫片放在所述滑块上； 53、 安装弹黃支架、弹黃导杆、限位螺母、弹黃，并确保与弹黃连接的弹黃垫片置于传压 板上的环形滑块上； 54、 调节限位螺母，使±样处于预压状态； 55、 安装弹黃支架、第一百分表和第一夹具，记录第一百分表的初始读数；安装百分表 支架、第二百分表和第二夹具，记录第二百分表的初始读数； 56、 一只手握住底座手柄，另一只手通过扳手施加扭矩转动转轴，转轴带动传压板和上 盖转动，在±样上表面产生剪应力对±样进行剪切；在此过程中，记录第一百分表、第二百 分表和数显表的读数； 57、 试验结束后，拆除±样，根据第一百分表、第二百分表和数显表的读数，计算出作用 在±样上的平均剪应力和平均法向应力。
7. 根据权利要求6所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，所述步骤S7 中，预设环形±样的内径为Ri，外径为R2,假定±样上的剪应力T是均匀分布的，在加载过 程中由数显表的读数可知作用在±样上的扭矩M，根据静力平衡条件，±样上的平均剪应力 满足下列公式：
公式中，T是平均剪应力，M表示作用在±样上的扭矩，Ri为环形±样的内径，R2为环 形±样的外径，31取3. 14。
8.根据权利要求6所述的手持式常刚度环剪仪的使用方法，其特征在于，所述步骤S7 中，根据第一百分表的读数计算得到弹黃的压缩量X，作用在±样上的法向应力F满足下列 公式： F=n?k?X 上式中，F表示法向应力，k为弹黃的刚度系数，n为弹黃的根数； 由法向应力F计算得±样上的平均法向应力0。；
上式中，0。表示平均法向应力，F表示法向应力，Ri为环形±样的内径，R2为环形±样 的外径，31取3. 14。
【专利摘要】本发明公开了一种手持式常刚度环剪仪，包括底座和套设在该底座内的环形钢框，所述钢框顶部扣合有上盖，该上盖上部固定有传压板，所述底座中央垂直设置有一转轴，该转轴穿过所述传压板并与该传压板固定，所述转轴顶端固定有扳手，该扳手上嵌有数显表；所述底座的侧壁上固定有弹簧支架，该弹簧支架下方垂直固定有弹簧导杆，该弹簧导杆上端套设有限位螺母，该限位螺母下方的弹簧导杆上套设有弹簧，该弹簧下端压有滑块，该滑块搁置在所述传压板上；所述弹簧的上端和传压板之间连接有第一夹具，该第一夹具上安装有第一百分表。携带方便、操作简单、经济实用，用于在野外现场对土样在常刚度条件下的抗剪切力和剪切过程中的体变进行测定。
【IPC分类】G01N3-24
【公开号】CN104792629
【申请号】CN201510212883
【发明人】苏栋
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月29日