專利名稱：大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種在凍土一結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)行為研究中使用的大型多功能凍土 -結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，屬于巖土工程室內(nèi)模型試驗中的低溫接觸面剪切器設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前的剪切設(shè)備多是針對常溫土的各種力學(xué)性能研制和使用的，而用于研究凍土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)行為的大型多功能低溫循環(huán)直剪儀未見報道。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型提出的是一種大型多功能凍土 -結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其目的旨在進(jìn)一步深入研究凍土一結(jié)構(gòu)接觸面及界面層的力學(xué)特性及影響因素，建立實用的凍土 -結(jié)構(gòu)接觸面本構(gòu)模型及評估方法，探討凍土一結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的基本強度指標(biāo)以及在各因素下的變化規(guī)律。本實用新型的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)是伺服電機的輸出軸與減速機相接，升降機位于伺服電機的下部，用于調(diào)節(jié)伺服電機的豎向位置，升降機右側(cè)依次連接拉壓力傳感器和傳力棒，其中傳力棒的右側(cè)通過螺栓連接試樣盒，手輪下部連接稱重傳感器，稱重傳感器通過拉力棒和結(jié)構(gòu)面板相連；滾動膜片氣缸上部固定在主支架上部，滾動膜片氣缸下部與法向荷載傳感器連接，法向荷載傳感器下部連接上翼板，上翼板左右兩邊分別設(shè)有A移動支架，A移動支架能在豎導(dǎo)軌中實現(xiàn)上下滑動，上翼板下部是調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置，調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置的下方是結(jié)構(gòu)面板。本實用新型的優(yōu)點能實現(xiàn)O _20°C范圍內(nèi)對接觸面溫度的精確控制；能精確施加常剛度、常位移和常應(yīng)力三種法向邊界條件；能夠模擬多種粗糙度的接觸面；能實現(xiàn)循環(huán)剪切和單調(diào)剪切兩種剪切形式；應(yīng)力施加及位移控制精準(zhǔn)。

附圖I是大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是圖I的側(cè)視圖。圖中的I是A移動支架；2是上翼板；3是伺服電機；4是減速機；5是豎導(dǎo)軌；6是傳力棒；7是拉壓力傳感器；8是升降機；9是手輪；10是稱重傳感器；11是滾動膜片氣缸；12是法向荷載傳感器；13是法向位移傳感器；14是彈簧；15是B移動支架；16是擋土板；17是結(jié)構(gòu)面板；18是試樣盒；19是保溫層；20是溫度傳感器；21是制冷孔；22是水平導(dǎo)軌；23是水平位移傳感器；24是機架。
具體實施方式
對照附圖1、2，其結(jié)構(gòu)是伺服電機3的輸出軸與減速機4相接，升降機8位于伺服電機3的下部，用于調(diào)節(jié)伺服電機3的豎向位置，升降機8右側(cè)依次連接拉壓力傳感器7和傳力棒6，其中傳力棒6的右側(cè)通過螺栓連接試樣盒18，試樣盒18的右側(cè)設(shè)置水平位移傳感器23 ;試樣盒18的四個側(cè)面和底面由保溫層19緊密圍繞，在試樣盒18的側(cè)壁和底面內(nèi)分布著相互連通的制冷孔21，同時試樣盒內(nèi)設(shè)置了溫度傳感器20，試樣盒利用其下部的滾輪在水平導(dǎo)軌22內(nèi)實現(xiàn)左右運動，在試樣盒18的左右側(cè)面上部設(shè)有擋土板16 ;手輪9下部連接稱重傳感器10，稱重傳感器通過拉力棒和結(jié)構(gòu)面板17相連；滾動膜片氣缸11上部固定在支架上，滾動膜片氣缸11下部與法向荷載傳感器12連接，法向荷載傳感器下部連接上翼板2，上翼板左右兩邊分別設(shè)有移動支架A，移動支架A能在豎導(dǎo)軌5中實現(xiàn)上下滑動，上翼板下部是調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置(其中包括調(diào)節(jié)接觸面法向剛度條件的彈簧14)，再往下是結(jié)構(gòu)面板17，結(jié)構(gòu)面板上設(shè)有法向位移傳感器13，結(jié)構(gòu)面板左右與移動支架B 15相連，移動支架B也能在豎導(dǎo)軌5中實現(xiàn)上下滑動；大型多功能凍土 -結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀放置在機架24之上。大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀試驗操作方法，包括如下操作工藝步驟一、配置重塑土，將土樣在105 110°C溫度下烘干8小時，烘干后將土樣碾散并通過O. 5_篩，按原土樣的含水率配置重塑土，充分?jǐn)噭蚝笱b入塑料袋內(nèi)浸潤24小時作為重塑土。重塑土的含水率與原土樣含水率的誤差須控制在±1%以內(nèi)；將重塑土分3層填入容積200X100X75mm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誤差控制在±0. 01g/cm3以內(nèi)；二、將制備好的重塑土試樣放入低溫恒溫箱中，按試驗規(guī)劃的負(fù)溫條件恒溫養(yǎng)護(hù)4小時；三、把養(yǎng)護(hù)好的土樣放入銅制土樣盒中，并將試樣表面修平整；將試驗所需粗糙度的鋼板用內(nèi)置螺栓固定在結(jié)構(gòu)面板下部，并用濕布擦拭粗糙面，啟動氣缸將試驗預(yù)定的法向邊界條件施加在結(jié)構(gòu)面板上；啟動制冷裝置“低溫(恒溫)攪拌反應(yīng)浴”，制冷液開始在試樣盒的制冷孔中高速流動對土樣實施降溫，高精度溫度傳感器實時記錄土樣溫度并同步反饋給溫度自穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)土樣溫度降到設(shè)定的數(shù)值，溫度自穩(wěn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保溫模式；四、當(dāng)接觸面溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并穩(wěn)定后，且長期(30min)擺動幅度小于±0. 3 °C時，啟動水平剪切系統(tǒng)按照試驗設(shè)定的剪切速率，進(jìn)行單調(diào)或循環(huán)剪切試驗；溫度、壓力、位移數(shù)據(jù)的采集頻率調(diào)節(jié)至10次/s (本儀器是這么多嗎？，應(yīng)該突出其循環(huán)加載)；單調(diào)剪切時，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，I)繼續(xù)剪切直至應(yīng)力穩(wěn)定，2)再增加2%的位移應(yīng)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(yīng)力T與剪切位移的T-曲線;循環(huán)剪切時，將剪切速度調(diào)為O. lmm/s (因為剪切幅度為20mm,故一個剪切周期為400s)，往復(fù)剪切直至試驗設(shè)定次數(shù)，在此過程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集接觸面應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；五、水平剪切結(jié)束后，關(guān)閉水平加載系統(tǒng)和豎向加載系統(tǒng)，提升結(jié)構(gòu)面板，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及土體破壞情況(尤其是接觸帶的厚度)。
實施例I)儀器外形尺寸支架尺寸長2000X高700X寬800mm，儀器外形尺寸長1500 X 高 900 X 寬 500mm。2)水平往復(fù)剪切由伺服電機3、蝸輪蝸桿減速機4、拉壓力傳感器7、傳力棒6、水平位移傳感器23和升降機8完成。水平往復(fù)剪切源動力由伺服電機(功率I. IkW)實現(xiàn)，為確保試驗設(shè)定的剪切速度，在伺服電機和土盒連桿之間設(shè)置了減速機(減速比為I :15)，同時在連桿和減速機之間設(shè)置拉壓力傳感器以實現(xiàn)對水平剪切荷載的實時監(jiān)控，升降機(推動速比為I :24)安裝在伺服電機下部以實現(xiàn)對伺服電機豎直方向上位置的精確控制，水平位移傳感器安裝在土樣盒右側(cè)以實現(xiàn)對土盒水平位移的監(jiān)測。該模塊能實現(xiàn)對往復(fù)循環(huán)剪切速率的無級變速控制，剪切速率控制范圍為l-20mm/min，剪切幅度為20mm(即一個剪切周期40mm)，剪切速度誤差為±3%，最大水平剪切力為IOOkN (5MPa)。常規(guī)直剪儀剪切過程中，隨著剪切位移的逐漸增大，試樣與材料塊體的接觸面積逐漸減小，接觸面內(nèi)的壓力分布會發(fā)生變化，造成測量結(jié)果出現(xiàn)偏差；而在本剪切儀中，上部結(jié)構(gòu)面板的尺寸大于土樣盒的尺寸，在下部試樣盒往復(fù)剪切的過程中，其與結(jié)構(gòu)面板的接觸面積始終保持恒定。3)法向邊界加載功能由滾動膜片氣缸11、氣源及氣壓控制器等配套裝置、法向載荷傳感器12、法向位移傳感器13、剛度控制彈簧14、包含粗糙鋼板的結(jié)構(gòu)面板17、手輪9和稱重傳感器10實現(xiàn)。氣源及氣壓控制器通過滾動膜片氣缸提供試驗所設(shè)定的豎向荷載，法向載荷傳感器設(shè)置在滾動膜片氣缸下部實時測量豎向荷載，法向位移傳感器探頭頂在粗糙鋼板上部以檢測粗糙鋼板的豎向位移，剛度控制彈簧能夠提供不同的恒定法向剛度，粗糙鋼板能夠模擬不同粗糙的結(jié)構(gòu)界面。該模塊能提供三種法向邊界條件和數(shù)種粗糙面首先常應(yīng)力法向邊界的應(yīng)力為50kPa、100kPa、200kPa或400kPa，控制精度為±1% ;法向恒定位移邊界有1mm、2mm、3mm或4mm四種選擇；常剛度法向邊界的剛度有三個800kg/cm(4根彈簧)，1200kg/cm(6根彈簧)，1600kg/cm(8根彈簧)，試驗時彈簧的壓縮量為20mm ;接觸面鋼板粗糖度 Ra=O. 3mm、0. 7mm、1mm、I. 5mm 或 3mm。4)溫控由銅制土樣盒18、低溫(恒溫)攪拌反應(yīng)浴及制冷孔21、整體灌注式聚氨酯保溫層19和溫度傳感器20組成。銅制土樣盒傳熱性能優(yōu)良，且五個面內(nèi)部由直徑為12mm的冷卻管道環(huán)繞，管道內(nèi)部充滿制冷液；銅制土樣盒外部設(shè)置整體灌注式聚氨酯保溫層(厚度為40mm)以防止熱量的大量喪失來維持溫度的恒定；溫度傳感器實時測量土樣的溫度。溫控模塊的試驗參數(shù)如下最低控制溫度_20°C，試驗溫度區(qū)間為0°C _15°C，試驗擬采用溫度為0°C、-5°C、-10°C、-15°C，溫度控制精度為±0. 3°C。5)數(shù)據(jù)采集及自穩(wěn)功能由水平荷載傳感器7、水平位移傳感器23、豎向荷載傳感器12、豎向位移傳感器13、溫度傳感器20、傳感線路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理軟件和計算機完成；其主要作用是對荷載、位移和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄和采集并同步的反饋給相關(guān)系統(tǒng)以實現(xiàn)某個指標(biāo)的恒定。試驗工程中，計算機能根據(jù)設(shè)定的試驗參數(shù)自行的對試驗數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行記錄和調(diào)整。法向荷載傳感器、水平荷載傳感器、水平荷載傳感器和溫度傳測量精度為±1%;法向位移傳感器的精度為±0. 06%。6)支架部分由外部框架24、水平導(dǎo)軌22、豎直導(dǎo)軌5、提升手輪9、上翼板2、結(jié)構(gòu)面板17、擋土板16和防翹機構(gòu)等組 成。其主要作用是保持整套設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運行方便精準(zhǔn)。其中豎向?qū)к壞軌虼_保上翼板和結(jié)構(gòu)面板只能在豎直方向上運動，水平導(dǎo)軌則確保剪切盒只能在水平方向左右運動，防翹機構(gòu)可消除剪切過程中由剪切力矩引起土樣盒上翹現(xiàn)象，而且其摩擦力為滾動摩擦，這樣就使由防翹機構(gòu)引起的摩擦降到可以忽略的范圍之內(nèi)。擋土板在豎直方向上的剛度很小，在水平方向的剛度極大，這樣就能有效地防止土樣在試驗過程中的側(cè)漏現(xiàn)象。試驗發(fā)現(xiàn)在制冷開始時立刻加載法向應(yīng)力和制冷開始一段時間后再加載法向應(yīng)力得到的接觸面最大剪切力差異很大，前者遠(yuǎn)大于后者，經(jīng)過分析認(rèn)為，制冷開始時立刻加載法向應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力的方式進(jìn)行試驗。大型多功能凍土 -結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀的技術(shù)指標(biāo)試樣尺寸100mm*200mm*75mm;最大法向力20kN (IMPa);出力精度± 1% ; 法向最大行程20mm ；最大水平剪切力IOOkN (5MPa)；剪切速率l-20mm/min，剪切幅度20mm(即一個剪切周期40mm)，循環(huán)次數(shù)20次，
剪切速度誤差誤差±3% ；常剛度法向邊界的剛度有三個800kg/cm (4根彈簧)，1200 kg/cm (6根彈簧)，1600kg/cm(8根彈簧)。每根彈簧的勁度系數(shù)為200kg/cm，試驗時彈簧的壓縮量為20mm ；常應(yīng)力控制方式能實現(xiàn)計算機閉環(huán)控制的恒定法向應(yīng)力，如法向應(yīng)力50kPa、100kPa、200kPa 或 400kPa，控制精度:± 1% ；法向恒定位移控制，如1mm、2mm、3mm或4mm ；儀器外形尺寸長1500mm*高900mm*寬500mm ;溫控系統(tǒng)最低溫度_20°C，試驗溫度區(qū)間為O °C -15 °C，溫度控制精度為±0. 30C ；接觸面粗糖度R=O. 3謹(jǐn)，O. 7謹(jǐn)，I謹(jǐn)，I. 5謹(jǐn)，3謹(jǐn)；能夠?qū)蓚€法向位移傳感器、四個法向荷載傳感器、6個溫度傳感器、剪切位移傳感器、剪切力載荷傳感器數(shù)據(jù)采集，測量精度±1% ;支架尺寸長2000mm* 高 700mm* 寬 800mm。水平往復(fù)剪切源動力由伺服電機實現(xiàn)，為確保試驗設(shè)定的剪切速度，在伺服電機和土盒連桿之間設(shè)置了減速機，同時在連桿和減速機之間設(shè)置拉壓力傳感器以實現(xiàn)對水平剪切荷載的實時監(jiān)控，升降機安裝在伺服電機下部以實現(xiàn)對伺服電機豎直方向上位置的精確控制，水平位移傳感器安裝在土樣盒右側(cè)以實現(xiàn)對土盒水平位移的監(jiān)測。氣源及氣壓控制器通過滾動膜片氣缸提供試驗所設(shè)定的豎向荷載，法向載荷傳感器設(shè)置在滾動膜片氣缸下部實時測量豎向荷載，法向位移傳感器探頭頂在粗糙鋼板上部以檢測粗糙鋼板的豎向位移，剛度控制彈簧能夠提供不同的恒定法向剛度，粗糙鋼板能夠模擬不同粗糙的結(jié)構(gòu)界面。銅制土樣盒傳熱性能優(yōu)良，且五個面內(nèi)部由直徑為12mm的管道環(huán)繞，管道內(nèi)部充滿制冷液；銅制土樣盒外部設(shè)置整體灌注式聚氨酯保溫層以防止熱量的大量喪失來維持溫度的恒定；溫度傳感器實時測量土樣的溫度。為消除剪切過程中由剪切力矩引起土樣盒上翹現(xiàn)象，設(shè)置了防翹系統(tǒng)，其摩擦力為滾動摩擦，這樣就使由防翹機構(gòu)引起的摩擦降到可以接受的范圍之內(nèi)。數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)在試驗過程中對荷載、位移和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄和采集并同步 反饋給相關(guān)系統(tǒng)以實現(xiàn)某個指標(biāo)的恒定。
權(quán)利要求1.大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其特征是伺服電機的輸出軸與減速機相接，升降機位于伺服電機的下部，升降機右側(cè)依次連接拉壓力傳感器和傳力棒，其中傳力棒的右側(cè)通過螺栓連接試樣盒，手輪下部連接稱重傳感器，稱重傳感器通過拉力棒和結(jié)構(gòu)面板相連；滾動膜片氣缸上部固定在主支架上部，滾動膜片氣缸下部與法向荷載傳感器連接，法向荷載傳感器下部連接上翼板，上翼板左右兩邊分別設(shè)有A移動支架，A移動支架能在豎導(dǎo)軌中實現(xiàn)上下滑動，上翼板下部是調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置，調(diào)節(jié)接觸面法向邊界裝置的下方是結(jié)構(gòu)面板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其特征是試樣盒的右側(cè)設(shè)置水平位移傳感器；試樣盒的四個側(cè)面和底面由保溫層緊密圍繞，在試樣盒的側(cè)壁和底面內(nèi)分布著相互連通的制冷孔，同時試樣盒內(nèi)設(shè)置了溫度傳感器，在試樣盒的左右側(cè)面上部設(shè)有擋土板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其特征是上翼板下部是調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置，包括調(diào)節(jié)接觸面法向剛度條件的彈簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其特征是結(jié)構(gòu)面板上設(shè)有法向位移傳感器，結(jié)構(gòu)面板左右與B移動支架相連。
專利摘要本實用新型是大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀，其特征是傳力棒的右側(cè)通過螺栓連接試樣盒，手輪下部連接稱重傳感器，稱重傳感器通過拉力棒和結(jié)構(gòu)面板相連；滾動膜片氣缸上部固定在主支架上部，滾動膜片氣缸下部與法向荷載傳感器連接，法向荷載傳感器下部連接上翼板，上翼板左右兩邊分別設(shè)有A移動支架，上翼板下部是調(diào)節(jié)接觸面法向邊界的裝置，調(diào)節(jié)接觸面法向邊界裝置的下方是結(jié)構(gòu)面板。優(yōu)點能實現(xiàn)0～-20℃范圍內(nèi)對接觸面溫度的精確控制；能精確施加常剛度、常位移和常應(yīng)力三種法向邊界條件；能夠模擬多種粗糙度的接觸面；能實現(xiàn)循環(huán)剪切和單調(diào)剪切兩種剪切形式；應(yīng)力施加及位移控制精準(zhǔn)。
文檔編號G01N3/24GK202720165SQ201220372488
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者楊平, 趙聯(lián)楨, 王海波, 何文龍, 張婷 申請人:南京林業(yè)大學(xué)