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專利名稱：一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試儀，更具體說是涉及一種基于貝氏儀測試原理的土壤力學(xué)特性測試儀器一一種土壤承壓和剪切特性試驗(yàn)測試儀。屬于測試設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
土壤的物理力學(xué)特性對車輛的牽引控制性能有著很大的影響，對土壤物理力學(xué)特性的研究，有助于評估車輛的路面通過性，優(yōu)化其驅(qū)動性能并進(jìn)行安全的路徑規(guī)劃。為了深入分析土壤的物理力學(xué)特性，需要對土壤的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，土壤的物理參數(shù)主要包括粒級配、顆粒比重、容重和孔隙比等，這些參數(shù)可通過土力學(xué)的方法較為直觀地測量并計算出來。土壤的力學(xué)特性參數(shù)主要包括內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角f、剪切變形模量K、沉陷指數(shù)η、內(nèi)聚力變形模量kc以及摩擦變形模量~等，其中c#和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、鈿和η主要用于表征土壤的承壓特性，但是以上這些參數(shù)都無法利用土力學(xué)工具直接測出，必須通過對土壤進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)后間接計算獲得。而在對土壤的特性分析中，我們直接觀測到的是土壤的物理特性，土壤物理參數(shù)的變化又會影響到土壤的力學(xué)特性，t匕如土壤孔隙比e的變化就可直接影響土壤內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角f的數(shù)值，因此，土壤的物理和力學(xué)特性參數(shù)之間存在著關(guān)聯(lián)，相互關(guān)系也比較復(fù)雜。土壤的力學(xué)參數(shù)對車輛的牽引特性產(chǎn)生直接的影響，而土壤的物理參數(shù)則通過改變土壤的力學(xué)特性間接影響車輛的牽引特性。采用室內(nèi)土工試驗(yàn)的方法測量土壤的物理力學(xué)特性不僅可以避免一些外界因素的影響(如雨、雪等)，而且還可以重復(fù)快速地獲得試驗(yàn)結(jié)果，成本也相對低廉，因此常采用或設(shè)計相應(yīng)的土力學(xué)測試工具來進(jìn)行土壤特性的測試。其中，應(yīng)用最廣泛的設(shè)備是貝氏儀(Bevameter)，除了貝氏儀之外，通常還采用其它的土壤測試方法，如直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，除此之外，美國陸軍水道試驗(yàn)站采用圓錐貫入試驗(yàn)來分析土壤的可行駛性。以下分別介紹這幾種試驗(yàn)所用的儀器及測量方法。在各種土力學(xué)測試儀器中，貝氏儀(Bevameter)是一種通過模擬車輛行走機(jī)構(gòu)與土壤表面之間的的垂直載荷與剪切力來獲取土壤承壓、剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的工具。相對于其他各種土壤力學(xué)特性測試工具，貝氏儀最為突出的特點(diǎn)是簡單高效，它以經(jīng)典土力學(xué)公式為基礎(chǔ)，借助簡單的加載機(jī)構(gòu)與測量系統(tǒng)即可快整獲得土壤的承壓剪切特性曲線。除了典型的貝氏儀，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)也設(shè)計完成了不同類型的貝氏儀。直剪試驗(yàn)是一種簡單，實(shí)用的平動剪切試驗(yàn)。在目前存在的各種剪切測試方法中，直剪試驗(yàn)是最早開始使用的土壤特性測試方法之一。直剪試驗(yàn)是屬于“線性二維”測試方法，在試驗(yàn)過程中需選用4飛個試樣，在直剪儀預(yù)定剪切面上施加不同法向應(yīng)力和剪切力，直至破壞來測定土體本身、土體軟弱面和地基土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角f)的技術(shù)操作。直剪試驗(yàn)在類干沙土壤中的測試結(jié)果較為準(zhǔn)確。直剪試驗(yàn)一般采用應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種方式進(jìn)行；剪切方式分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三種；試驗(yàn)需要的儀器有直剪儀、測力計、環(huán)刀、切土刀等；其中剪切儀主要由垂直加載裝置、水平推力(拉力)裝置、剪切盒、水平及垂直位移計等組成。
三軸試驗(yàn)通常用于確定排水控制條件下土壤的應(yīng)力-應(yīng)變特性，雖然試驗(yàn)系統(tǒng)相對復(fù)雜，但相對直剪試驗(yàn)來講，三軸試驗(yàn)可在試驗(yàn)室內(nèi)以一種更為逼真的方式再現(xiàn)就位土壤的初始有效應(yīng)力及其變化。三軸試驗(yàn)是一種精確預(yù)測土壤最大剪切阻力，獲取土壤剪切失效時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測量方法。三軸試驗(yàn)一般采用3 4個圓柱形試樣，分別在不同的圍壓σ 3下，對試樣施加軸向壓力(即主應(yīng)力差Ol — σ 3)直至試樣破壞，計算抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C，內(nèi)摩擦角￠0的技術(shù)操作。三軸壓縮試驗(yàn)通常利用三軸壓縮儀來進(jìn)行測試。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測系統(tǒng)等組成。圓錐貫入試驗(yàn)是一種經(jīng)驗(yàn)性的測試方法，該方法是由美國陸軍水道試驗(yàn)站(WaterwaysExperiment Station)由純經(jīng)驗(yàn)建立的，又稱WES法。由于WES法主要是把影響土壤支承能力和土壤推進(jìn)力的力學(xué)性質(zhì)結(jié)合在一起(不計承載面積的影響)組成一個度量值，稱為“圓錐指數(shù)(Cl)”，因此這種測試方法又叫做圓錐指數(shù)法。WES法測試簡單，實(shí)用方便，是一種判斷土壤可行駛性和車輛可通過性的快速測定法，已為世界上許多國家所采用。圓錐貫入試驗(yàn)的另一個特點(diǎn)就是解決由傳統(tǒng)剪切試驗(yàn)所帶來得典型問題，利用傳統(tǒng)的剪切特性試驗(yàn)(如貝氏儀)數(shù)據(jù)預(yù)測土壤可通過性時，對承壓條件下土壤的應(yīng)力狀態(tài)缺乏一定的認(rèn)識，而出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代的精確應(yīng)力理論由于過于復(fù)雜而極少被應(yīng)用于土壤特性的測試及通過性研究中，因此圓錐貫入試驗(yàn)得到了較好的發(fā)展，圓錐貫入儀也得到不斷的改進(jìn)。為了擴(kuò)展傳統(tǒng)圓錐貫入試驗(yàn)的測量范圍，進(jìn)一步分析土壤的力學(xué)特性，葉片-圓錐測試儀應(yīng)運(yùn)而生，該儀器不僅可進(jìn)行傳統(tǒng)圓錐貫入試驗(yàn)，更增加了土壤剪切特性的測試方法，試驗(yàn)過程中，葉片錐在一定的垂直壓力下貫入土壤至特定的深度，然后旋轉(zhuǎn)，對土壤進(jìn)行剪切。葉片-圓錐貫入試驗(yàn)常用于測量粘土材料的力學(xué)特性。還有一種與圓錐貫入儀相類似的土壤測試儀器-葉片剪切貫入儀。該儀器僅能用于測試粘土的剪切應(yīng)力。該儀器不僅可用于室內(nèi)土工測試，也可以在野外進(jìn)行測試。儀器下端的剪切頭由四個尺寸相同的薄葉片焊接在剛性扭矩連接桿上，組成剪切葉片，另外一種使用時間較長的剪切特性測試儀器是Cohron剪切應(yīng)力記錄儀。該儀器主要用于測試就位土壤的剪切應(yīng)力。儀器下端裝有一個用光滑橡膠或金屬表 面的扭轉(zhuǎn)剪切頭，剪切頭通過螺旋彈簧與數(shù)據(jù)記錄桿相聯(lián)。研究車輛車輪與土壤相互作用的力學(xué)特性，就必須掌握模擬土壤力學(xué)特性。與探測車行駛相關(guān)的原位模擬土壤參數(shù)的測量并沒有通用儀器可供使用，而且相關(guān)的測試儀器較少。因此，要對模擬土壤的貫入特性、承壓特性和剪切特性進(jìn)行就位測量，就必須設(shè)計一套專用的土壤承壓/剪切特性測試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的:結(jié)合以上情況并參考各類貝氏儀及其他土壤測試儀器，本發(fā)明的目的是提供一種基于貝氏儀測試原理的土壤力學(xué)特性測試儀器一一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀，利用該儀器可分別測量土壤的承壓特性和剪切特性，對得到的的承壓特性曲線和剪切特性曲線進(jìn)行處理后，可獲得土壤的主要力學(xué)參數(shù)。2、技術(shù)方案:(I)本發(fā)明一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀，它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、破碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、破碼座、上滑動軸、壓/扭組合傳感器、下滑動軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架。其位置連接關(guān)系是:該測試儀器主體采用三角架支撐，三角架裝于支撐座上，試驗(yàn)時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架的長度和張合度，支撐座上裝有對稱分布的兩個壓耳，當(dāng)剪切環(huán)在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時，通過手扶壓耳可保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測量精度；砝碼座套于支撐座的外套筒上并可沿其上下滑動，砝碼座底部的圓盤主要用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼，試驗(yàn)時通過添加砝碼來增加剪切環(huán)/壓板上的垂直載荷。位移傳感器外殼導(dǎo)軌安裝于破碼座上，主要用于固定位移傳感器的外殼，為避免干涉，所有砝碼上均加工有U型開口槽，砝碼加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌正好位于所有砝碼的開口槽內(nèi)。位移傳感器的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座上，而位移傳感器外殼則隨砝碼座上下移動，實(shí)時測量壓板的下陷量。U型座安裝于砝碼座的頂部，主要用于固定角位移傳感器的外殼。支撐座中心套筒上裝有限位螺栓，用于限定上滑動軸在垂直方向的位置，支撐座頂部和底部孔端均裝有軸套，用于定位上滑動軸，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時上滑動軸可在軸套中上下滑動并自由旋轉(zhuǎn)。上滑動軸頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器與角位移傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器相連，上滑動軸的軸肩處裝有卡圈，卡圈上裝有推力球軸承，砝碼座置于推力球軸承之上，其承受的重量可通過軸承、卡圈及上滑動軸傳至壓/扭組合傳感器上，上滑動軸的上方還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對上滑動軸施加扭矩。在試驗(yàn)過程中，上滑動軸既可上下滑動傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動傳遞扭矩。壓/扭組合傳感器底端連接下滑動軸，下滑動軸同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板，試驗(yàn)時，剪切環(huán)/壓板承受的土壤反作用力將通過下滑動軸傳遞至壓/扭組合傳感器，壓/扭組合傳感器不僅能夠測量剪切環(huán)/壓板承受的垂直載荷，也可對剪切環(huán)承受的反向剪切力矩進(jìn)行測量。然后，用無紙記錄儀對測得的傳感器信號進(jìn)行采集、顯示、記錄和存儲。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并存儲完畢后，利用KLC0M100數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時生成報表導(dǎo)出。所述角位移傳感器聯(lián)軸器是定制或市購的圓柱形聯(lián)軸器；所述U型座是板材彎制的C形件；所述位移傳感器、壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，其測量范圍根據(jù)試驗(yàn)要求選定，可按照要求在市場上選購；所述砝碼是根據(jù)此儀器配合設(shè)計的試驗(yàn)所需的壓力來源，是圓柱形并其上開有U型槽的自制件；所述位移傳感器外殼導(dǎo)軌是固定位移傳感器的并其上開有U型槽的自制件；所述砝碼座是圓管與板材垂直連接的倒T形件；所述上滑動軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺階軸；所述下滑動軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺階軸；所述剪切環(huán)/壓板是圓盤形零件，剪切環(huán)上設(shè)置有矩形齒；所述扭轉(zhuǎn)板手套是心部及圓周中部設(shè)直有圓孔的圓柱形件；所述推力球軸承是型號為51202GB/T301-1995的市購件；所述卡圈是圓柱形的自制件；
所述支撐座是T型的自制件；所述限位螺栓是市購連接件；所述壓耳是圓鋼煨制的C形件；所述軸套是按預(yù)定尺寸制造的圓形套管件；所述三角架是可伸縮的按預(yù)定尺寸制造或外購的三角形支架。所述無紙記錄儀，可自制或市場上選購；本發(fā)明的工作原理及流程簡介如下:本發(fā)明的工作原理:土壤物理力學(xué)特性的研究，有助于評估車輛的路面通過性，優(yōu)化其驅(qū)動性能并進(jìn)行安全的路徑規(guī)劃。為了深入分析土壤的物理力學(xué)特性，需要對土壤的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，土壤的物理參數(shù)主要包括粒級配、顆粒比重、容重和孔隙比等，這些參數(shù)可通過土力學(xué)的方法較為直觀地測量并計算出來。土壤的力學(xué)特性參數(shù)主要包括內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角P、剪切變形模量K、沉陷指數(shù)η、內(nèi)聚力變形模量kc以及摩擦變形模量鄉(xiāng)等，其中cj和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、~和η主要用于表征土壤的承壓特性。在承壓試驗(yàn)中，通過壓/扭組合傳感器和位移傳感器，我們能得到在承壓變化時，壓板的下陷量。在剪切試驗(yàn)中，通過壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，我們能得到在一定壓力下，扭矩與角位移的關(guān)系。然后根據(jù)其與Coulomb公式r =C +P&11^與Bekker承壓公式Inp=lnkp+nlnz的關(guān)系得到土壤力學(xué)參數(shù)。本發(fā)明的工作流程:在開展土壤承壓特性試驗(yàn)時，首先利用限位螺栓調(diào)整上滑動軸的位置，使其逐步下降，通過觀察，當(dāng)壓板的底部端面剛好與土壤表面相接觸接觸時(此時壓板承受的垂直載荷仍然為零)，記錄此時位移傳感器的顯示數(shù)值，作為測量零點(diǎn)，然后松開限位螺栓，使壓板在土壤表面下陷，然后逐步添加砝碼，并同時記錄壓板承壓力和下陷量數(shù)據(jù)，繪制壓力-下陷量曲 線。為減小測量誤差，在同一尺寸的壓板下進(jìn)行3次以上相同的試驗(yàn)，取測量結(jié)果的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；在開展土壤剪切特性試驗(yàn)時，首先加載砝碼直至剪切環(huán)承受的垂直載荷達(dá)到預(yù)定值，然后順時針緩慢扳動扭轉(zhuǎn)手柄進(jìn)行土壤剪切，同時記錄角位移傳感器和壓/扭傳感器測得的角度及扭矩數(shù)據(jù)，當(dāng)角位移傳感器的輸出角度顯示為180°時停止扭轉(zhuǎn)，儲存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系換算，繪制預(yù)定垂直載荷下土壤的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。為了保持測量精度，應(yīng)選取4個以上、數(shù)值間隔明顯的垂直載荷進(jìn)行試驗(yàn)。(2) 一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀的測試方法，該方法具體步驟如下:試驗(yàn)注意事項(xiàng):此試驗(yàn)是在松軟地面或室內(nèi)土槽內(nèi)進(jìn)行；附近須能提供220V電壓；由于儀器本身帶有多種傳感器，所以要避免儀器承受沖擊力。①土壤承壓特性試驗(yàn)步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)；步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時用水平尺對測試儀進(jìn)行校正，保證測試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時，對壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓，手動調(diào)整剪切環(huán)/壓板的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板底部與土壤剛剛接觸時，擰緊限位螺栓，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時位移傳感器的測試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板下陷量的零點(diǎn)。步驟三:松開限位螺栓，使剪切環(huán)/壓板陷入模擬土壤，記下此時剪切環(huán)/壓板的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器的初始讀數(shù)；對儀器逐步加載砝碼，同時觀察壓/扭組合傳感器和位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)砝碼總重為60kg左右時，停止加載。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測試儀，并檢查各部件的完好程度。步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，并利用軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板的壓力-下陷量曲線。對同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測量值取平均。更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測量結(jié)果。②土壤剪切特性試驗(yàn)步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)儀器的測量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)。步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時用水平尺對測試儀進(jìn)行校正，保證測試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時松開限位螺栓,扳動扭轉(zhuǎn)扳手套，同時觀察角位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器的讀數(shù)為180度左右時停止扳動，對壓/扭組合傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后使剪切環(huán)/壓板緩緩下行直至陷入模擬土壤，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時壓/扭組合傳感器的初始值。步驟三:對儀器加載砝碼，直至剪切環(huán)/壓板上的垂直壓力達(dá)到預(yù)定值。然后順時針扳動扭轉(zhuǎn)扳手套，使剪切環(huán)/壓板旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行土壤剪切，同時觀察并記錄角位移傳感器和壓/扭組合傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器讀數(shù)顯示為O度時，停止旋轉(zhuǎn)剪切環(huán)/壓板。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測試儀，并檢查各部件的完好程度。步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，并利用軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)剪切力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線。重復(fù)步驟，在步驟三中更改垂直壓力的預(yù)定值，然后重復(fù)步驟，在整合試驗(yàn)過程中，預(yù)定值的設(shè)定次數(shù)不少于3次。3、優(yōu)點(diǎn)及功效:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:該參數(shù)測量儀可以提供兩種不同的運(yùn)動方式來分別滿足多種測量方式的需要。它不僅能夠供承壓儀和貫入儀所需要的直線運(yùn)動，還可以提供剪切時的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，而且測量準(zhǔn)確，易于攜帶安裝，具備較好的穩(wěn)定性與可靠性適用于車輛整車試驗(yàn)時原位探測土壤的各種力學(xué)性能。


圖1本發(fā)明土壤承壓/剪切特性試驗(yàn)測試儀剖視圖；圖2為本發(fā)明土壤承壓/剪切試驗(yàn)測試儀立體 圖3 (a)承壓試驗(yàn)流程3(b)剪切試驗(yàn)流程4 (a)位移傳感器導(dǎo)軌正視4 (b)位移傳感器導(dǎo)軌俯視5(a)支撐座正視5(b)支撐座俯視中符號說明如下:1.角位移傳感器聯(lián)軸器；2.U型座；3.位移傳感器；4.砝碼；5.位移傳感器外殼導(dǎo)軌；6.砝碼座；7.上滑動軸；8.壓/扭組合傳感器；9.下滑動軸；10.剪切環(huán)/壓板；11.角位移傳感器；12.扭轉(zhuǎn)扳手套；13.推力球軸承；14.卡圈；15.支撐座；16.限位螺栓；17.壓耳；18.軸套；19.三角架；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，整個測量儀器包括角位移傳感器聯(lián)軸器1，U型座
2,位移傳感器3,破碼4,位移傳感器外殼導(dǎo)軌5,破碼座6,上滑動軸7,壓/扭組合傳感器8,下滑動軸9，剪切環(huán)/壓板10，角位移傳感器11，.扭轉(zhuǎn)扳手套12，推力球軸承13，卡圈14，支撐座15，限位螺栓16，壓耳17，軸套18和三角架19。其位置連接關(guān)系是:該測試儀器主體采用三角架19支撐，三角架19裝于支撐座15上，試驗(yàn)時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架19的長度和張合度，支撐座15上裝有對稱分布的兩個壓耳17，當(dāng)剪切環(huán)10在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時，通過手扶壓耳17可保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測量精度；砝碼座6套于支撐座15的外套筒上并可沿其上下滑動，砝碼座6底部的圓盤主要用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼4，試驗(yàn)時通過添加石去碼4來增加壓板或剪切環(huán)10上的垂直載荷。位移傳感器外殼導(dǎo)軌5安裝于破碼座6上，主要用于固定位移傳感器3的外殼，為避免干涉，所有砝碼4上均加工有U型開口槽，砝碼4加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌5正好位于所有破碼4的開口槽內(nèi)。位移傳感器3的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座15上，而位移傳感器3外殼則隨砝碼座6上下移動，實(shí)時測量壓板/剪切環(huán)10的下陷量。U型座2安裝于砝碼座6的頂部，主要用于固定角位移傳感器11的外殼。支撐座15中心套筒上裝有限位螺栓16，用于限定上滑動軸7在垂直方向的位置，支撐座15頂部和底部孔端均裝有軸套18，用于定位上滑動軸7，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時上滑動軸7可在軸套18中上下滑動并自由旋轉(zhuǎn)。上滑動軸7頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器I與角位移傳感器11的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器8相聯(lián)，上滑動軸9的軸肩處裝有卡圈14，卡圈14上裝有推力球軸承13，砝碼座6置于推力球軸承13之上，其承受的重量可通過推力球軸承13、卡圈14及上滑動軸7傳至壓/扭組合傳感器8上，上滑動軸7的上還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套12，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對上滑動軸7施加扭矩。在試驗(yàn)過程中，上滑動軸7既可上下滑動傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動傳遞扭矩。壓/扭組合傳感器8底端連接下滑動軸9，下滑動軸9同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板10，試驗(yàn)時，壓板/剪切環(huán)10承受的土壤反作用力將通過下滑動軸9傳遞至壓/扭組合傳感器8，壓/扭組合傳感器8不僅能夠測量壓板/剪切環(huán)10承受的垂直載荷，也可對剪切環(huán)10承受的反向剪切力矩進(jìn)行測量。圖4(a)、圖4(b)分別為位移傳感器導(dǎo)軌的正視圖和俯視圖；圖5(a)、圖5(b)分別為支撐座的正視圖和俯視圖。見圖3 (a)、圖3 (b)，一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀的測試方法，該方法具體測量步驟如下:承壓試驗(yàn):①:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)；②:調(diào)整儀器三角架19的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架19底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時用水平尺對測試儀進(jìn)行校正，保證測試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時，對壓力傳感器8的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓16，手動調(diào)整剪切環(huán)/壓板10的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板10底部與土壤剛剛接觸時，擰緊限位螺栓16，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時位移傳感器3的測試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板10下陷量的零點(diǎn)。③:松開限位螺栓16，使剪切環(huán)/壓板10陷入模擬土壤，記下此時剪切環(huán)/壓板10的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器8的初始讀數(shù)；對儀器逐步加載砝碼4，同時觀察壓/扭組合傳感器8和位移傳感器3的讀數(shù)，當(dāng)砝碼4總重為60kg左右時，停止加載。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼4從砝碼座6上逐步卸下，擰緊限位螺栓16并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測試儀，并檢查各部件的完好程度。④:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，并利用軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板10的壓力-下陷量曲線。對同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板10進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測量值取平均。更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板10，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測量結(jié)果。表I為硅的承壓試驗(yàn)表；(無紙記錄儀對測得的傳感器信號進(jìn)行采集所得的原始數(shù)據(jù))
權(quán)利要求
1.一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀，其特征在于:它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、砝碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、砝碼座、上滑動軸、壓/扭組合傳感器、下滑動軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架；該測試儀器主體采用三角架支撐，三角架裝于支撐座上，試驗(yàn)時根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架的長度和張合度，支撐座上裝有對稱分布的兩個壓耳，當(dāng)剪切環(huán)在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時，通過手扶壓耳保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測量精度；砝碼座套于支撐座的外套筒上并可沿其上下滑動，砝碼座底部的圓盤用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼，試驗(yàn)時通過添加砝碼來增加剪切環(huán)/壓板上的垂直載荷；位移傳感器外殼導(dǎo)軌安裝于砝碼座上，用于固定位移傳感器的外殼，為避免干涉，所有砝碼上均加工有U型開口槽，破碼加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌正好位于所有破碼的開口槽內(nèi)；位移傳感器的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座上，而位移傳感器外殼則隨砝碼座上下移動，實(shí)時測量壓板的下陷量；U型座安裝于砝碼座的頂部，用于固定角位移傳感器的外殼，支撐座中心套筒上裝有限位螺栓，用于限定上滑動軸在垂直方向的位置，支撐座頂部和底部孔端均裝有軸套，用于定位上滑動軸，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時上滑動軸在軸套中上下滑動并自由旋轉(zhuǎn)；上滑動軸頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器與角位移傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器相連，上滑動軸的軸肩處裝有卡圈，卡圈上裝有推力球軸承，砝碼座置于推力球軸承之上，其承受的重量通過軸承、卡圈及上滑動軸傳至壓/扭組合傳感器上，上滑動軸的上方還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對上滑動軸施加扭矩；在試驗(yàn)過程中，上滑動軸既可上下滑動傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動傳遞扭矩；壓/扭組合傳感器底端連接下滑動軸，下滑動軸同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板，試驗(yàn)時，剪切環(huán)/壓板承受的土壤反作用力將通過下滑動軸傳遞至壓/扭組合傳感器，壓/扭組合傳 感器不僅能夠測量剪切環(huán)/壓板承受的垂直載荷，也對剪切環(huán)承受的反向剪切力矩進(jìn)行測量；然后，用無紙記錄儀對測得的傳感器信號進(jìn)行采集、顯示、記錄和存儲；試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并存儲完畢后，利用KLC0M100數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時生成報表導(dǎo)出； 所述角位移傳感器聯(lián)軸器是定制或市購的圓柱形聯(lián)軸器； 所述U型座是板材彎制的C形件； 所述位移傳感器、壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，其測量范圍根據(jù)試驗(yàn)要求選定；所述砝碼是根據(jù)此儀器配合設(shè)計的試驗(yàn)所需的壓力來源，是圓柱形并其上開有U型槽的自制件； 所述位移傳感器外殼導(dǎo)軌是固定位移傳感器的并其上開有U型槽的自制件； 所述砝碼座是圓管與板材垂直連接的倒T形件； 所述上滑動軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺階軸； 所述下滑動軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺階軸； 所述剪切環(huán)/壓板是圓盤形零件，剪切環(huán)上設(shè)置有矩形齒； 所述扭轉(zhuǎn)扳手套是心部及圓周中部設(shè)置有圓孔的圓柱形件； 所述推力球軸承的型號為51202GB/T301-1995 ； 所述卡圈是圓柱形的自制件； 所述支撐座是T型的自制件；所述限位螺栓是市購連接件； 所述壓耳是圓鋼煨制的C形件； 所述軸套是按預(yù)定尺寸制造的圓形套管件； 所述三角架是可伸縮的按預(yù)定尺寸制造或外購的三角形支架； 所述無紙記錄儀，可自制或市場上選購。
2.一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀的測試方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: ①土壤承壓特性試驗(yàn) 步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)； 步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時用水平尺對測試儀進(jìn)行校正，保證測試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時，對壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓，手動調(diào)整剪切環(huán)/壓板的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板底部與土壤剛剛接觸時，擰緊限位螺栓，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時位移傳感器的測試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板下陷量的零點(diǎn)；步驟三:松開限位螺栓，使剪切環(huán)/壓板陷入模擬土壤，記下此時剪切環(huán)/壓板的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器的初始讀數(shù)；對儀器逐步加載砝碼，同時觀察壓/扭組合傳感器和位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)砝碼總重為60kg左右時，停止加載；利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測試儀，并檢查各部件的完好程度； 步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入 計算機(jī)中，并利用軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板的壓力-下陷量曲線，對同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測量值取平均；更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測量結(jié)果; ②土壤剪切特性試驗(yàn) 步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)儀器的測量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)； 步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時用水平尺對測試儀進(jìn)行校正，保證測試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時松開限位螺栓，扳動扭轉(zhuǎn)扳手套，同時觀察角位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器的讀數(shù)為180度左右時停止扳動，對壓/扭組合傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后使剪切環(huán)/壓板緩緩下行直至陷入模擬土壤，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時壓/扭組合傳感器的初始值；步驟三:對儀器加載砝碼，直至剪切環(huán)/壓板上的垂直壓力達(dá)到預(yù)定值；然后順時針扳動扭轉(zhuǎn)扳手套，使剪切環(huán)/壓板旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行土壤剪切，同時觀察并記錄角位移傳感器和壓/扭組合傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器讀數(shù)顯示為O度時，停止旋轉(zhuǎn)剪切環(huán)/壓板；利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測試儀，并檢查各部件的完好程度；步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，并利用軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)剪切力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線；重復(fù)步驟，在步驟三中更改垂直壓力的預(yù)定值，然后重復(fù)步驟，在整合試 驗(yàn)過程中，預(yù)定值的設(shè)定次數(shù)不少于3次。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于貝氏儀測試原理的土壤力學(xué)特性測試儀器—一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測試儀，它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、砝碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、砝碼座、上滑動軸、壓/扭組合傳感器、下滑動軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架。其測量方法有四大步驟，利用該儀器可分別測量土壤的承壓特性和剪切特性，對得到的的承壓特性曲線和剪切特性曲線進(jìn)行處理后，可獲得土壤的主要力學(xué)參數(shù)。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，而且測量精確，易于攜帶安裝，具有較好的穩(wěn)定性與可靠性。
文檔編號G01N3/34GK103115832SQ20131002883
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者高峰, 崔瑩, 徐國艷, 丁能根, 丁青, 解曉琳, 李萌 申請人:北京航空航天大學(xué)