一种简易伺服控制的土剪切流变仪的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种土剪切流变仪，属于岩土工程技术领域。
【背景技术】
[0002]流变特性是岩土体重要的力学特性之一，众多的工程实践表明，岩土工程的失稳破坏不是发生在投入使用的开始，而是在运营期随着时间变化，微小损伤从出现、积累，进而到重大损伤的形成从而造成工程的失稳。因此研究岩土体流变特性研究就越来越引起人们的重视。特别是对于土、软岩、软弱夹层等岩土材料，由于其自身的物理特性及结构特点，具有明显的蠕变效应。这种蠕变效应对含软弱夹层的高陡矿山边坡、水库大坝、隧道等岩土工程的稳定性起着决定性的作用。因此对软岩或土开展剪切流变试验，研究其蠕变特性显得尤为重要，由此也很大程度上促进了蠕变试验仪的研制与发展。
[0003]对岩土体开展剪切流变基本步骤是:(I)将野外采集的岩土体样本加工成标准试样，置于特定的剪切盒中；(2)对剪切盒施加一定的轴向应力，轴向应力的大小一般根据取样所在地点的地应力大小来确定；(3)分等级施加剪应力于剪切盒上，并读取剪应力施加的瞬时变形值及在一定时间间隔内测读剪切蠕变值，直至岩样在某一级剪应力下发生破坏。
[0004]现有的岩土体剪切试验仪一般具有以下特点:(I)剪切盒竖直方向堆叠放置，并在竖直方向上施加轴向应力；(2)剪切盒下半部分固定，并将剪应力施加于上剪切盒上；(3)岩样变形的读取方式通常采用千分尺或采用在岩样表明贴位移应变片的方式，但是采用千分尺读数主观因素影响太大，且不能进行自动化采集，不适用于蠕变时间较长的场合;而采用位移应变片的方式，则测试结果受干扰因素太多，如应变片的位置、分布方式等，且受岩样本身的缺陷影响比较大；(4)大型的剪切仪器存在油路稳压系统及机械结构复杂、造价昂贵等缺点，一些小型的剪切仪器则存在施加应力不稳定、变形数据多靠人工读取且难以自动存储等缺点。
[0005]在剪切流变试验中，随着时间的发展和蠕变变形的增加，如何维持各级剪应力的稳定性成为关系到蠕变试验结果成败的决定因素。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种水平方向加载法向力、竖直方向加载剪切力的简易伺服控制的土剪切流变仪，其施加的剪应力水平稳定、变形测量精度较高且可实现数据自动化采集。
[0007]实现本发明目的所采用的技术方案为，一种简易伺服控制的土剪切流变仪，包括底板、控制器、信号采集电路、位移检测模块、剪切盒单元、法向力加载装置和剪切力加载装置，法向力加载装置沿水平方向固定于底板上;所述剪切盒单元包括沿水平方向顺序安装并且均竖直放置的前剪切盒、后剪切盒和隔板，前剪切盒固定于底板上并且与后剪切盒的开口相对，隔板固定于法向力加载装置的加载端并且抵紧后剪切盒，隔板与后剪切盒之间设有沿竖直方向设置的滑动装置;所述剪切力加载装置包括支架、电动机、吊绳、定滑轮和弹簧，所述支架固定于底板上，定滑轮安装于支架上并且位于后剪切盒的正上方，所述吊绳穿过定滑轮、其两端分别连接电动机的转轴与弹簧，弹簧的另一端固定于后剪切盒的顶部；所述位移检测模块安装于前剪切盒和后剪切盒上，位移检测模块通过信号采集电路连接控制器的输入端，电动机连接控制器的输出端。
[0008]所述位移检测模块为差分式红外位移传感器，差分式红外位移传感器包括红外发射装置、红外接收装置和挡光片，红外发射装置和红外接收装置均安装于前剪切盒上，挡光片固定于后剪切盒上并且其端部位于红外发射装置与红外接收装置之间，所述红外接收装置包括两片红外硅光接收元件，两片红外硅光接收元件沿竖直方向顺序固定于支撑板上，两片红外硅光接收元件通过信号采集电路连接控制器的输入端。
[0009]所述滑动装置包括滑轮组和两组滑道，两组滑道分别沿竖直方向开设于隔板与后剪切盒向相近的表面上，滑轮组嵌于两组滑道中。
[0010]所述滑轮组包括四个滑轮，每组滑道中滑道的数量均为两条，四个滑轮两两分布于两条相对的滑道中，四个滑轮通过四根连杆连接构成框型结构。
[0011 ]由上述技术方案可知，本发明提供的简易伺服控制的土剪切流变仪，改变现有剪切流变仪的布置方位，两个剪切盒沿水平方向顺序放置并且均竖直安装，其中前剪切盒安装于底板上固定不动，后剪切盒放置底板上、通过前剪切盒和安装于法向力加载装置的加载端的隔板夹紧，因此后剪切盒在竖直方向上无约束、可沿竖直方向上下自由移动，隔板与后剪切盒之间设有沿竖直方向设置的滑动装置，水平安装的法向力加载装置通过隔板和滑动装置对后剪切盒施加水平方向的法向载荷;剪切力加载方向为竖直方向，通过电动机转动牵引吊绳，吊绳另一端与弹簧连接，弹簧与后剪切盒固连，为后剪切盒提供竖直向上的剪切力;安装于两个剪切盒上的位移检测模块用于检测两个剪切盒之间在竖直方向上的相对位移，并将检测信号通过信号采集电路反馈至控制器中；根据虎克定律，弹簧的弹力与弹簧自身的变形量成正比，因此，基于伺服控制原理，控制器控制电动机旋转一角度，使得弹簧始终维持同一长度，以此确保施加的剪切力的恒定和稳定性。
[0012]本发明提供的简易伺服控制的土剪切流变仪中，位移检测模块为差分式红外位移传感器，差分式红外位移传感器包括红外发射装置、红外接收装置和挡光片，红外接收装置包括两片沿竖直方向顺序固定于支撑板上的红外硅光接收元件，红外发射装置和红外接收装置均安装于前剪切盒上，挡光片固定于后剪切盒上并且其端部位于红外发射装置与红外接收装置之间，当在岩样在剪应力的作用下发生竖直方向的剪切变形时，挡光片位置的改变就引起了红外发射装置发射的红外光照射在两片红外硅光接收元件的位置的变化，由于光通量的不同，两片红外硅光接收元件输出一个差分信号，经过信号采集电路，即可测量剪切变形的变化量。
[0013]与现有技术相比，本发明提供的简易伺服控制的土剪切流变仪的优点在于:
[0014]1、采用了差分式红外位移传感器进行剪切位移的测量，保证剪切变形测量具有较高的精度；
[0015]2、通过测量剪切变形量来控制得电动机的转动，使得岩样发生应变时，弹簧的变形量不发生变化，从而使剪应力保持稳定；
[0016]3、伺服控制技术和弹簧虎克定律得应用的应用保证弹簧处于同一长度，从而使该剪切流变仪在剪切蠕变试验中剪应力水平稳定程度较高；
[0017]4、采用双滑道和框型定滑轮结构，确保后剪切盒在竖直方向上的位移精度和运动平稳性。
【附图说明】
[0018]图1为本发明提供的简易伺服控制的土剪切流变仪