用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀及其測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，包括：支架、設(shè)置在該支架上的控制開關(guān)、固定在所述支架底板上的升降機(jī)構(gòu)、壓在所述升降機(jī)構(gòu)頂部的測(cè)力環(huán)、固定在所述支架頂板上的容器、通過傳壓螺釘壓在該容器上部的杠桿、通過平衡桿固定在所述杠桿后端的平衡錘以及掛在所述杠桿前端的砝碼。應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)連接容器中的推進(jìn)桿。本發(fā)明能保證試驗(yàn)過程中測(cè)量范圍內(nèi)土與結(jié)構(gòu)物接觸面積恒定不變；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變片組中各應(yīng)變片的形變，能測(cè)出土與圓柱形結(jié)構(gòu)物界面上的真實(shí)法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。
【專利說明】用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，用于土壤與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性常用技術(shù)主要有兩種類型:直剪型和單剪型，直剪型通常利用土壤體直剪儀，將土壤體剛性下盒替換成結(jié)構(gòu)物塊體，剛性上盒盛土壤，通過進(jìn)行不同法向應(yīng)力作用下的直接剪切試驗(yàn)，測(cè)得土壤與結(jié)構(gòu)面之間的抗剪強(qiáng)度，從而計(jì)算出土壤與結(jié)構(gòu)接觸面之間的摩擦角和粘聚力參數(shù)。單剪型的測(cè)試方法與直剪型的測(cè)試方法類似，但將剛性上盒替換成疊環(huán)型柔性剪切盒，使土壤體的變形更為均勻。直剪型儀器系統(tǒng)及試驗(yàn)操作都比較簡(jiǎn)單，但存在試驗(yàn)過程中土壤與結(jié)構(gòu)接觸面面積逐步減少等問題；單剪型能保證試驗(yàn)過程中接觸面積不變，但在邊角處土壤體容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致最終結(jié)論不準(zhǔn)確。此外，直剪型和單剪型測(cè)量?jī)x器都只能測(cè)量土壤體與平面型結(jié)構(gòu)物之間的力學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，測(cè)試土壤與圓柱形結(jié)構(gòu)物界面的剪切力學(xué)特性，測(cè)試過程中土壤與接觸物的接觸面積不變，測(cè)試更準(zhǔn)確，結(jié)論更可靠。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，包括:支架、設(shè)置在該支架上的控制開關(guān)、固定在所述支架底板上的升降機(jī)構(gòu)、壓在所述升降機(jī)構(gòu)頂部的測(cè)力環(huán)、固定在所述支架頂板上的容器、通過傳壓螺釘壓在該容器上部的杠桿、通過平衡桿固定在所述杠桿后端的平衡錘以及掛在所述杠桿前端的砝碼；其中，所述容器中裝有土壤，所述容器包括底座、設(shè)置在該底座上的側(cè)壁、壓在土壤上表面的加壓蓋、扣在所述側(cè)壁上端的固定圈、同時(shí)壓住所述加壓蓋和所述固定圈的導(dǎo)向套以及從所述底座的底部插入所述土壤中的推進(jìn)桿；螺桿穿過底座、固定圈和導(dǎo)向套，將容器鎖緊；所述推進(jìn)桿的底部壓在所述測(cè)力環(huán)的頂部，所述推進(jìn)桿中空，該推進(jìn)桿的側(cè)面有應(yīng)變片組，該應(yīng)變片組連接應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；所述控制開關(guān)連接所述升降機(jī)構(gòu)；所述頂板上有百分表，該百分表的測(cè)量頭壓在所述加壓蓋的頂部。測(cè)試之前，先在容器底部放上濾紙，再裝入土樣，將土樣上表面刮平。然后裝上導(dǎo)向套，裝上加壓蓋，鎖緊螺桿，將杠桿通過傳壓螺釘壓在加壓蓋頂部的凹陷中。測(cè)試時(shí)，將力學(xué)測(cè)試儀接通電源，打開力學(xué)測(cè)試儀上的控制開關(guān)，設(shè)定應(yīng)變速率。將開關(guān)撥至剪切位，推進(jìn)桿按應(yīng)變速率上升，記錄推進(jìn)過程推動(dòng)力的數(shù)值，以及推進(jìn)桿的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，最終得到土壤與推進(jìn)桿界面的力學(xué)特性曲線。將推進(jìn)桿從土壤的底部垂直向上推進(jìn)，在密閉的容器中，能保證試驗(yàn)過程中測(cè)量范圍內(nèi)土與結(jié)構(gòu)物接觸面積恒定不變；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變片組中各應(yīng)變片的形變，能測(cè)出土與圓柱形結(jié)構(gòu)物界面上的真實(shí)法向應(yīng)力，也能測(cè)量壓入和拔出過程土與結(jié)構(gòu)物界面的力學(xué)特性。[0005]進(jìn)一步地，所述升降機(jī)構(gòu)內(nèi)部有電機(jī)，所述控制開關(guān)連接所述電機(jī)?？刂崎_關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、停止以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度。電機(jī)帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的上升和下降，間接控制推進(jìn)桿的上升和下降。便于測(cè)量推進(jìn)桿在推進(jìn)過程中所受的總阻力。
[0006]進(jìn)一步地，所述升降機(jī)構(gòu)通過測(cè)力計(jì)螺母連接所述測(cè)力環(huán)的底部。
[0007]進(jìn)一步地，頂板上有調(diào)節(jié)桿，該調(diào)節(jié)桿頂在杠桿的底部。調(diào)節(jié)桿防止杠桿前端突然下降，砸到頂板上。
[0008]進(jìn)一步地，應(yīng)變片組包括第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片以及第四應(yīng)變片。應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片以及第四應(yīng)變片的形變，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，便于測(cè)量土壤與推進(jìn)桿之間的法向應(yīng)力和平均剪應(yīng)力；所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片沿推進(jìn)桿的軸向排列，且所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片都是豎直設(shè)置。推進(jìn)桿在土壤中做垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片受到土壤的阻力，通過測(cè)量第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片受到的阻力，便于得出土壤與推進(jìn)桿之間的平均剪應(yīng)力；所述第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片沿推進(jìn)桿的軸向排列，且所述第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片都是水平設(shè)置。土壤給第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片施加沿推進(jìn)桿徑向的擠壓力，通過測(cè)量第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片受到的擠壓力，便于得出土壤與推進(jìn)桿之間的法向應(yīng)力。
[0009]進(jìn)一步地，加壓蓋和導(dǎo)向套上有排氣孔，該排氣孔中有排氣螺釘。螺桿將容器鎖緊后，再安裝排氣螺釘，容器內(nèi)外氣壓平衡，避免推進(jìn)桿受容器內(nèi)氣壓的影響，保證應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，最終得到準(zhǔn)確的土壤與推進(jìn)桿之間的法向應(yīng)力和平均剪應(yīng)力。
[0010]本發(fā)明還提供一種技術(shù)方案，用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試方法，包括如下步驟:
[0011]S1、將容器從力學(xué)測(cè)試儀上取出，放入濾紙；推入推進(jìn)桿，均勻裝入土壤；土壤裝完后，將土壤面刮平，測(cè)量土壤的高度，松開排氣螺釘，套上導(dǎo)向套，使用蓋形螺母固緊，擰緊排氣螺釘；
[0012]S2、將容器安裝到力學(xué)測(cè)試儀上，調(diào)節(jié)傳壓螺釘?shù)奈恢茫瑢⒃搨鲏郝葆攭涸诩訅荷w頂部；
[0013]S3、裝上百分表，調(diào)整百分表的位置，對(duì)零。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿，施加第一級(jí)砝碼，根據(jù)時(shí)間系列記錄土壤變形數(shù)據(jù)；
[0014]S4、逐級(jí)施加砝碼，紀(jì)錄土壤變形數(shù)據(jù)和推進(jìn)桿的徑向應(yīng)變；
[0015]S5、將力學(xué)測(cè)試儀接通電源，打開力學(xué)測(cè)試儀上的控制開關(guān)，設(shè)定應(yīng)變速率。將開關(guān)撥至剪切位，推進(jìn)桿按應(yīng)變速率上升，記錄推進(jìn)過程推動(dòng)力的數(shù)值，以及推進(jìn)桿的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變；
[0016]S6、試驗(yàn)結(jié)束后，拆除容器，數(shù)據(jù)處理，得到土壤與推進(jìn)桿界面的力學(xué)特性曲線。
[0017]進(jìn)一步地，步驟S4和S5中，使用應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量并顯示推進(jìn)桿的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0018]進(jìn)一步地，土壤與推進(jìn)桿之間的平均剪應(yīng)力計(jì)算公式為:
[0020]式中，為設(shè)定距離上土壤與推進(jìn)桿之間的平均剪應(yīng)力，D為推進(jìn)桿的外徑，L為第一應(yīng)變片與第二應(yīng)變片的距離，Na表示第一應(yīng)變片受到的軸向力，Nb表示第二應(yīng)變片受到的軸向力，π取3.14。
[0021]進(jìn)一步地，土壤與推進(jìn)桿之間的法向應(yīng)力計(jì)算公式為:

2T
[0022]Pi =—
[0023]式中，T為沿推進(jìn)桿軸向單位長(zhǎng)度上的環(huán)向力，D為推進(jìn)桿的外徑。
[0024]有益效果:將推進(jìn)桿從土壤的底部垂直向上推進(jìn)，在密閉的容器中，能保證試驗(yàn)過程中測(cè)量范圍內(nèi)土與結(jié)構(gòu)物接觸面積恒定不變；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變片組中各應(yīng)變片的形變，能測(cè)出土與圓柱形結(jié)構(gòu)物界面上的真實(shí)法向應(yīng)力，也能測(cè)量壓入和拔出過程土與結(jié)構(gòu)物界面的力學(xué)特性。測(cè)試更準(zhǔn)確，結(jié)論更可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明一種實(shí)施例中推進(jìn)桿的縱向剖面圖；
[0028]圖4是本發(fā)明一種實(shí)施例中推進(jìn)桿的橫向剖面圖；
[0029]圖5是本發(fā)明一種實(shí)施例中土壤與推進(jìn)桿界面的力學(xué)特性曲線圖。
[0030]圖中標(biāo)記:1-支 架；2_控制開關(guān)；3_升降機(jī)構(gòu)；4_測(cè)力計(jì)螺母；5_測(cè)力環(huán)；6-容器；7-應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；8-杠桿；9_平衡桿；10-平衡錘；11-調(diào)節(jié)桿；12_破碼；13-底座；14-側(cè)壁；15_ 土壤；16_固定圈；17_導(dǎo)向套；18_加壓蓋；19_推進(jìn)桿；20_第一應(yīng)變片；21-第二應(yīng)變片；22_第三應(yīng)變片；23_第四應(yīng)變片；24_排氣螺釘；25_頂板；26_底板；27-傳壓螺釘。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0032]參見圖1至4，一種用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，包括:支架1、設(shè)置在該支架
I上的控制開關(guān)2、固定在所述支架I底板26上的升降機(jī)構(gòu)3、壓在所述升降機(jī)構(gòu)3頂部的測(cè)力環(huán)5、固定在所述支架I頂板25上的容器6、通過傳壓螺釘27壓在該容器6上部的杠桿8、通過平衡桿9固定在所述杠桿8后端的平衡錘10以及掛在所述杠桿8前端的砝碼12 ；其中，所述容器6中裝有土壤15，所述容器6包括底座13、設(shè)置在該底座13上的側(cè)壁14、壓在土壤15上表面的加壓蓋18、扣在所述側(cè)壁14上端的固定圈16、同時(shí)壓住所述加壓蓋18和所述固定圈16的導(dǎo)向套17以及從所述底座13的底部插入所述土壤15中的推進(jìn)桿19 ；螺桿穿過底座13、固定圈16和導(dǎo)向套17，將容器6鎖緊；所述推進(jìn)桿19的底部壓在所述測(cè)力環(huán)5的頂部，所述推進(jìn)桿19中空，該推進(jìn)桿19的側(cè)面有應(yīng)變片組，該應(yīng)變片組連接應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)7 ;所述控制開關(guān)2連接所述升降機(jī)構(gòu)3 ;所述頂板25上有百分表，該百分表的測(cè)量頭壓在所述加壓蓋18的頂部。測(cè)試之前，先在容器6底部放上濾紙，再裝入土樣，將土樣上表面刮平。然后裝上導(dǎo)向套17，裝上加壓蓋18，鎖緊螺桿，將杠桿8通過傳壓螺釘27壓在加壓蓋18頂部的凹陷中。測(cè)試時(shí)，將力學(xué)測(cè)試儀接通電源，打開力學(xué)測(cè)試儀上的控制開關(guān)2，設(shè)定應(yīng)變速率。將開關(guān)撥至剪切位，推進(jìn)桿19按應(yīng)變速率上升，記錄推進(jìn)過程推動(dòng)力的數(shù)值，以及推進(jìn)桿19的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，最終得到土壤15與推進(jìn)桿19界面的力學(xué)特性曲線。將推進(jìn)桿19從土壤15的底部垂直向上推進(jìn)，在密閉的容器6中，能保證試驗(yàn)過程中測(cè)量范圍內(nèi)土與結(jié)構(gòu)物接觸面積恒定不變；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)7測(cè)量應(yīng)變片組中各應(yīng)變片的形變，能測(cè)出土與圓柱形結(jié)構(gòu)物界面上的真實(shí)法向應(yīng)力，也能測(cè)量壓入和拔出過程土與結(jié)構(gòu)物界面的力學(xué)特性。
[0033]本實(shí)施例中，相應(yīng)參數(shù)見下表:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于，包括:支架、設(shè)置在該支架上的控制開關(guān)、固定在所述支架底板上的升降機(jī)構(gòu)、壓在所述升降機(jī)構(gòu)頂部的測(cè)力環(huán)、固定在所述支架頂板上的容器、通過傳壓螺釘壓在該容器上部的杠桿、通過平衡桿固定在所述杠桿后端的平衡錘以及掛在所述杠桿前端的砝碼；其中，所述容器中裝有土壤，所述容器包括底座、設(shè)置在該底座上的側(cè)壁、壓在土壤上表面的加壓蓋、扣在所述側(cè)壁上端的固定圈、同時(shí)壓住所述加壓蓋和所述固定圈的導(dǎo)向套以及從所述底座的底部插入所述土壤中的推進(jìn)桿；螺桿穿過底座、固定圈和導(dǎo)向套，將容器鎖緊；所述推進(jìn)桿的底部壓在所述測(cè)力環(huán)的頂部，所述推進(jìn)桿中空，該推進(jìn)桿的側(cè)面有應(yīng)變片組，該應(yīng)變片組連接應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；所述控制開關(guān)連接所述升降機(jī)構(gòu)；所述頂板上有百分表，該百分表的測(cè)量頭壓在所述加壓蓋的頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于:所述升降機(jī)構(gòu)內(nèi)部有電機(jī)，所述控制開關(guān)連接所述電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于:所述升降機(jī)構(gòu)通過測(cè)力計(jì)螺母連接所述測(cè)力環(huán)的底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于:頂板上有調(diào)節(jié)桿，該調(diào)節(jié)桿頂在杠桿的底部。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于:應(yīng)變片組包括第一應(yīng)變片、第二應(yīng)變片、第三應(yīng)變片以及第四應(yīng)變片；所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片沿推進(jìn)桿的軸向排列，且所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片都是豎直設(shè)置；所述第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片沿推進(jìn)桿的軸向排列，且所述第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片都是水平設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試儀，其特征在于:加壓蓋和導(dǎo)向套上有排氣孔，該排氣孔中有排氣螺釘。
7.用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、將容器從力學(xué)測(cè)試儀上取出，放入濾紙；推入推進(jìn)桿，均勻裝入土壤；土壤裝完后，將土壤面刮平，測(cè)量土壤的高度，松開排氣螺釘，套上導(dǎo)向套，使用蓋形螺母固緊，擰緊排氣螺釘； 52、將容器安裝到力學(xué)測(cè)試儀上，調(diào)節(jié)傳壓螺釘?shù)奈恢?，將該傳壓螺釘壓在加壓蓋頂部; 53、裝上百分表，調(diào)整百分表的位置，對(duì)零。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿，施加第一級(jí)砝碼，根據(jù)時(shí)間系列記錄土壤變形數(shù)據(jù)； 54、逐級(jí)施加砝碼，紀(jì)錄土壤變形數(shù)據(jù)和推進(jìn)桿的徑向應(yīng)變； 55、將力學(xué)測(cè)試儀接通電源，打開力學(xué)測(cè)試儀上的控制開關(guān)，設(shè)定應(yīng)變速率。將開關(guān)撥至剪切位，推進(jìn)桿按應(yīng)變速率上升，記錄推進(jìn)過程推動(dòng)力的數(shù)值，以及推進(jìn)桿的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變； 56、試驗(yàn)結(jié)束后，拆除容器，數(shù)據(jù)處理，得到土壤與推進(jìn)桿界面的力學(xué)特性曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試方法，其特征在于，步驟S4和S5中，使用應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量并顯示推進(jìn)桿的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試方法，其特征在于，土壤與推進(jìn)桿之間的平均剪應(yīng)力計(jì)算公式為:
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于土壤與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)測(cè)試方法，其特征在于，土壤與推進(jìn)桿之間的法向應(yīng)力計(jì)算公式為:
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK103487329SQ201310442073
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】蘇棟, 明海燕, 茅加峰 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)