專利名稱：凍土—結構直剪儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種在凍土一結構接觸面力學行為研究中使用的凍土一結構直剪儀。屬于凍土一結構室內模型試驗儀器技術領域。
背景技術：
直剪儀直接應用在凍土一結構接觸面力學行為研究中，目前尚未有報導。 發(fā)明內容本實用新型提出的是一種凍土一結構直剪儀，其目的旨在為進一步深入研究凍土一結構接觸面力學特性，建立凍土-結構接觸面Τ-F關系曲線及相關參數(shù)，探討凍土一結構接觸面力學特性的基本強度指標、本構關系以及在各因素下的變化規(guī)律。本實用新型的技術解決方案凍土一結構直剪儀的結構是步進電機的輸出軸與水平推進器中的齒輪軸相接，位移傳感器安裝在水平推進器上；位移傳感器的信號采集端與上剪切盒對應設置，位移傳感器的信號輸出端連接CPU的信呈輸入端，A水平滾珠導軌裝在上剪切盒上，垂直壓力傳力桿連接在水平滾珠導軌上，上剪切盒與水平推進器中的推進桿對應相接，上剪切盒與下剪切盒間設有熱電偶，下剪切盒底部裝有半導體制冷塊，下剪切盒的下方連接B水平滾珠導軌，荷重傳感器與下剪切盒對應設置，荷重傳感器固定在水平端固定裝置，低溫恒溫槽內的冷卻液輸送管連接半導體制冷塊；應變速率控制器的信號控制端連接水平推進器的信號輸入端，水平承臺的下方與杠桿端固定裝置相固定，杠桿與杠桿端固定裝置活動相接，杠桿的左側上旋接配重砝碼，砝碼吊掛在杠桿的右側。本實用新型的優(yōu)點適用于研究低溫條件下不同材料接觸面之間的力學特性。本儀器可根據(jù)試驗要求，提供不同的法向應力和溫度作用于材料接觸面，當不同材料接觸面上的凍結情況達到相應要求后，在選定的剪切速率下對接觸面施加剪切力，直至試樣接觸面產生破壞，測定剪應力與剪切位移的關系曲線。

附圖1是凍土一結構直剪儀的結構示意圖。圖中的1是水平推進器；2是步進電機；3是位移傳感器；4是垂直壓力傳力桿；5 是水平滾珠導軌；6是上剪切盒；7是熱電偶；8是下剪切盒；9是半導體制冷塊；10是荷重傳感器；11是水平端固定裝置；12是冷卻液輸送管；13是低溫恒溫槽；14是應變速率控制器；15是配重砝碼；16是杠桿端固定裝置；17是水平承臺；18是杠桿；19是砝碼。
具體實施方式
對照附圖1，凍土一結構直剪儀的結構是步進電機2的輸出軸與水平推進器1中的齒輪軸相接，位移傳感器3安裝在水平推進器1上；位移傳感器3的信號采集端與上剪切盒 6對應設置，采集上剪切盒6的位移信號，位移傳感器3的信號輸出端連接CPU，A水平滾珠導軌5裝在上剪切盒6上，垂直壓力傳力桿4連接在水平滾珠導軌5上，上剪切盒6與水平推進器1中的推進桿對應相接，上剪切盒6與下剪切盒8間設有熱電偶7，下剪切盒8底部裝有半導體制冷塊9，下剪切盒8的下方連接B水平滾珠導軌5，荷重傳感器10與下剪切盒 8對應設置，荷重傳感器10固定在水平端固定裝置11，低溫恒溫槽13內的冷卻液輸送管12 連接半導體制冷塊9 ；應變速率控制器14的信號控制端連接水平推進器1的信號輸入端， 水平承臺17的下方與杠桿端固定裝置16相固定，杠桿18與杠桿端固定裝置16活動相接， 杠桿18的左側上旋接配重砝碼15，砝碼19吊掛在杠桿18的右側。使用方法，將土樣設在105 110°C溫度下烘干8小時，烘干后將土樣碾散并通過0. 5mm蹄， 按原土樣的含水率配置重塑土，充分攪勻后裝入塑料袋內浸潤M小時作為重塑土，重塑土的含水率與原土樣含水率之差控制在士 1% ；將重塑土分3層填入容積100X60X40mm的長方體模具中，并將模具兩端面修平，測定重塑土密度，重塑土與原土樣密度之差控制在士0.01g/cm3；將制備好的重塑土作為試樣放入低溫恒溫箱中，按試驗規(guī)劃的各個負溫條件下恒溫養(yǎng)護4小時；取出試樣放入凍土一結構直剪儀的下剪切盒中，在試樣表面規(guī)定的位置處鑿開兩道淺槽，槽的深度5mm，將熱電偶放入淺槽中掩蓋壓實，將試樣表面修平整；將浸水潤濕后的板材放入上剪切盒并固定好；上下剪切盒按要求放置并用保溫材料填充上下剪切盒之間的空隙；啟動半導體制冷塊9，同時調整砝碼19上重量，改變上剪切盒6、下剪切盒8 內的不同材料的接觸面的法向應力，讀取接觸面溫度，讀取頻率1次/min，當接觸面溫度達到設計溫度要求并在1小時內溫差小于0. 2°C時進行剪切試驗；采集溫度、壓力、位移，其采集頻率調節(jié)至1次/s，啟動步進電機進行剪切，試驗采用恒應變增量加載方式加載，并通過應變速率控制器14控制，當應力達到峰值后，(1)繼續(xù)增加位移應變值直至應力穩(wěn)定，(2) 再增加2%的位移應變值，停止試驗；通過采集得到的壓力、位移的變化量獲得剪切應力Γ 與剪切位移Δ 的曲線；機卸載，取下試樣，記錄試樣接觸面破壞后的情況，并分層測定土樣含水率，獲取土樣表層含水率以及深度方向上的水分遷移情況。
實施例支架外形尺寸長750 X高860 X寬250mm，水平承臺17尺寸長750 X寬250mm。 支架底部裝有滾輪，以方便移動。剪切盒系統(tǒng)位于水平承臺17的中部，由上剪切盒6和下剪切盒8兩部分組成，具體位置如圖1所示。上剪切盒、下剪切盒外側均附著保溫材料。上剪切盒容積為長120mmX 寬70mmX高30mm，可以方便地更換結構材料，以模擬在工程領域可能遇到的各種結構面， 如混凝土、金屬等。下剪切盒用于放置土樣，模具容積為為長IOOmmX寬60mmX高40mm，試樣剪切面積為100mmX60mm。下剪切盒8底部是封閉的半導體制冷塊9。剪切盒系統(tǒng)在水平方向上(接觸面切向)是自由的，在豎直方向上(接觸面法向)不發(fā)生位移，模擬結構面的材料可在水平步進電機系統(tǒng)驅動下做水平(接觸面切向)運動，實現(xiàn)接觸面上凍土與結構的相對切向運動。加載系統(tǒng)包括水平推力裝置(水平推進器1、步進電機2)，應變速率控制器14，法向壓力裝置(垂直壓力傳力桿4、配重砝碼15、杠桿端固定裝置16、杠桿18、砝碼19)三部分。水平推力裝置位于水平承臺右端、剪切盒左端；法向壓力裝置位于剪切盒垂線位置；應變速率控制器可以自由放置。水平推力裝置施加剪切荷載，其最大剪切力為30kN，精度1. 5% ；應變速率控制器控制剪切速率。剪切速率為無級變速，范圍0. 01 4. 99mm/min，誤差5% ；通過杠桿式法向應力裝置(現(xiàn)有的)施加法向荷載，荷載等級為12. 5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa。制冷系統(tǒng)制冷采用半導體制冷，將半導體制冷塊9鑲嵌于下剪切盒8底部的空腔內，通過半導體制冷塊對土樣進行單向制冷凍結，最低制冷溫度-30° C，確?？蓪崿F(xiàn)接觸面溫度0 一 15° C，精度士0.1° C。通過埋設在土體表面(土樣表面以下5mm處)和制冷塊表面的熱電偶7檢測溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括荷重傳感器10、位移傳感器3、熱電偶7和datataker DT80G采集儀。荷重傳感器10位于剪切盒系統(tǒng)右側，位移傳感器3位于剪切盒系統(tǒng)左側，熱電偶7位于剪切盒系統(tǒng)內部；三者最終經過datataker DT80G采集儀將采集得到的數(shù)據(jù)傳到CPU計算機中。其中，荷重傳感器綜合精度0.5%FS;非線性誤差彡0.5%FS，使用溫度范圍-30 700C，量程0 30kN。位移傳感器線性度0. 3%FS，量程0 25mm。測量參數(shù)包括剪切應力、剪切位移、溫度和剪切速率，剪切荷載、剪切位移、溫度， 分別采用拉壓式負荷傳感器8、位移傳感器、熱電偶進行測量。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將有關數(shù)據(jù)傳到計算機中自動采集。試驗表明常規(guī)直剪儀剪切過程中，由于剪切位移逐漸增大，試樣與材料塊體的接觸面積逐漸減小，接觸面內的壓力分布會發(fā)生變化，引起測量結果的誤差，凍土一結構直剪儀土樣剪切面積為IOOmmX 60mm，而結構板面積為120mmX70mm。由于凍土與結構接觸面直剪實驗中試樣破壞的應變小于0. 03，因此實驗過程中，可以保證接觸面面積不變。試驗發(fā)現(xiàn)在制冷開始時立刻加載法向應力和制冷開始一段時間后再加載法向應力得到的接觸面最大剪切力差異很大，前者遠大于后者，經過分析認為，制冷開始時立刻加載法向應力更符合實際情況，同時由于制冷過程中，土樣表面各處的凍脹率不一致，會使得土樣表面凹凸不平，為保證凍土與結構接觸面有效的接觸面積。因此最終采用制冷開始時立刻加載法向應力的方式進行試驗。由于土樣放置于不銹鋼制成的模具中，同時結構板面積大于土樣剪切面積，在法向壓力作用下，結構板有與模具接觸的可能，進而分散了作用于土樣剪切面上的法向應力。 首先在下剪切盒位于模具下方處刻出一道4mm深的槽，使得模具在豎直方向上是自由的， 同時，充分利用凍土的凍脹特性，使得結構板和模具脫離。根據(jù)最終凍土一結構接觸面滑動摩阻力與法向應力的關系可知，壓力完全加到試樣表面。達到的技術指標(1)試樣剪切面積100 X 60mm ；(2)最大法向應力400kPa，杠桿式加荷結構，1 12的杠桿比；(3)最大剪切力:30kN,出力精度1. 5% ；(4)剪切速率0. 01 4. 99mm/min。步進電機驅動，無級變速，誤差5% ；(5)剪切位移0 25mm;(6)半導體制冷塊最低制冷溫度-30° C，確?？蓪崿F(xiàn)接觸面溫度0 一 15° C，精度士 0.1° C；[0031] (7)儀器外形尺寸長750X高860X寬250mm。
權利要求1.凍土一結構直剪儀，其特征是步進電機的輸出軸與水平推進器中的齒輪軸相接，位移傳感器安裝在水平推進器上；位移傳感器的信號采集端與上剪切盒對應設置，位移傳感器的信號輸出端連接CPU的信呈輸入端，A水平滾珠導軌裝在上剪切盒上，垂直壓力傳力桿連接在水平滾珠導軌上，上剪切盒與水平推進器中的推進桿對應相接，上剪切盒與下剪切盒間設有熱電偶，下剪切盒底部裝有半導體制冷塊，下剪切盒的下方連接B水平滾珠導軌， 荷重傳感器與下剪切盒對應設置，荷重傳感器固定在水平端固定裝置，低溫恒溫槽內的冷卻液輸送管連接半導體制冷塊；應變速率控制器的信號控制端連接水平推進器的信號輸入端，水平承臺的下方與杠桿端固定裝置相固定，杠桿與杠桿端固定裝置活動相接，杠桿的左側上旋接配重砝碼，砝碼吊掛在杠桿的右側。
專利摘要本實用新型是一種凍土—結構直剪儀。其結構包括水平推進器；步進電機；位移傳感器；垂直壓力傳力桿；水平滾珠導軌；上剪切盒；熱電偶；下剪切盒；半導體制冷塊；荷重傳感器；水平端固定裝置；冷卻液輸送管；低溫恒溫槽；應變速率控制器；配重砝碼；杠桿端固定裝置；水平承臺；杠桿；砝碼。優(yōu)點適用于研究低溫條件下不同材料接觸面之間的力學特性。本儀器可根據(jù)試驗要求，提供不同的法向應力和溫度作用于材料接觸面，當不同材料接觸面上的凍結情況達到相應要求后，在選定的剪切速率下對接觸面施加剪切力，直至試樣接觸面產生破壞，測定凍土—結構接觸面的剪應力與剪切位移的關系曲線。
文檔編號G01N3/24GK202133592SQ20112023410
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2011年7月5日
發(fā)明者何文龍, 楊平, 王海波, 趙聯(lián)楨, 陳紅斌 申請人:南京林業(yè)大學