本發(fā)明涉及一種用于測量砂土側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的試驗(yàn)裝置，用于地基土體和和填方土料測試。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)，采用砂土作為建筑材料的填方工程正逐日增多，在砂土地基上修建的道路橋梁、土石壩、海洋油氣等工程廣泛出現(xiàn)。地基砂土的力學(xué)性質(zhì)直接影響上部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，地基砂土流變性質(zhì)顯著影響建筑結(jié)構(gòu)的后期安全，尤其對深厚砂層地基，縱然砂土發(fā)生較小應(yīng)力應(yīng)變變化，累積效應(yīng)仍可能造成建基面大幅變形，增大工程失事風(fēng)險(xiǎn)。與之相反，開挖砂土環(huán)節(jié)更期望良好的塑性流動(dòng)特性。但無論何種應(yīng)用場景，對砂土流變性質(zhì)的準(zhǔn)確掌握均極為重要。

2、砂土是典型的密度和應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)材料，即剪切黏度（剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率的比值）隨干密度的變化而變化、隨應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，為保障砂土地基工程的長期安全，有必要準(zhǔn)確測量砂土在各種密度和應(yīng)力狀態(tài)下的剪切黏度。

3、旋轉(zhuǎn)剪切流變儀是測試剪切黏度的重要工具，按旋轉(zhuǎn)部件可分為雙板式、十字板葉片式、同心圓錐筒式、錐板式，但已有旋轉(zhuǎn)流變儀僅適用于薄層流體或膏體，在測量砂土剪切黏度時(shí)存在如下問題:（1）僅能實(shí)現(xiàn)剪切，無法控制壓力與密度；（2）無法區(qū)分設(shè)備摩擦與材料摩擦；（3）對剪切狀態(tài)控制較差；（4）測量黏度范圍小、量值低；（5）試樣小，無法滿足尺寸要求。

4、以雙板式旋轉(zhuǎn)剪切流變儀為例，試樣置于兩塊尺寸相同的平行板之間，通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)平行板帶動(dòng)板間試料旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)板與固定板之間形成旋轉(zhuǎn)剪切梯度，試樣若受豎向壓力，則大量試樣將從側(cè)向擠出，改變試樣密度。因此，若測量受壓狀態(tài)下的剪切黏度，需對雙板間試樣施加側(cè)向約束，但側(cè)限約束在避免擠出的同時(shí)，由于側(cè)限約束與試樣接觸面間摩擦導(dǎo)致的抵抗扭矩存在，會(huì)引起對試樣旋轉(zhuǎn)的嚴(yán)重切向干擾。雙板間距越大，側(cè)限約束對旋轉(zhuǎn)切向干擾越嚴(yán)重，這是導(dǎo)致現(xiàn)有雙板式旋轉(zhuǎn)剪切流變儀試樣尺寸過小的根本所在。在實(shí)際填方工程、基礎(chǔ)工程中涉及的含礫砂土的最大顆粒粒徑達(dá)20mm，為滿足尺寸效應(yīng)要求的徑徑比大于5原則，需保證平行板直徑及板間距離不小于100mm。

5、綜上所述，為實(shí)現(xiàn)側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下砂土剪切黏度的測量，需在雙板式旋轉(zhuǎn)剪切流變儀的基礎(chǔ)上，克服側(cè)限約束對旋轉(zhuǎn)的切向干擾，即亟需一種避免側(cè)限約束對旋轉(zhuǎn)切向干擾的大尺寸剪切黏度測量裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于測量砂土側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的試驗(yàn)裝置，在雙板式旋轉(zhuǎn)剪切流變儀的基礎(chǔ)上，采用軸承疊環(huán)式側(cè)壁和環(huán)套結(jié)構(gòu)，在避免試樣側(cè)向擠出的同時(shí)，也避免了側(cè)限約束對旋轉(zhuǎn)的切向干擾問題，實(shí)現(xiàn)砂土在側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的測定。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：

3、一種用于測量砂土側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的試驗(yàn)裝置，包括在機(jī)架上設(shè)置的豎向壓力/位移施加系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)、土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒，所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)對試樣筒內(nèi)的土樣施加可控應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的豎向壓力，在控制豎向應(yīng)力的同時(shí)測量豎向應(yīng)變，或控制豎向應(yīng)變的同時(shí)測量豎向應(yīng)力；所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)對試樣筒內(nèi)土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，在施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的同時(shí)測量扭矩，或在施加可控扭矩和扭矩變速的同時(shí)測量轉(zhuǎn)角；所述土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒在所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)和所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)的共同作用下，提供一個(gè)約束土樣整體側(cè)向變形和控制豎向應(yīng)力或應(yīng)變的扭轉(zhuǎn)變形試驗(yàn)條件，并約束同一平面內(nèi)的土樣整體繞中軸旋轉(zhuǎn)。

4、方案進(jìn)一步是：所述土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒放置在機(jī)架平臺(tái)上，土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒包括外層剛性筒和內(nèi)層豎向相疊的多層軸承，軸承外環(huán)與外層剛性筒連接固定，受力旋轉(zhuǎn)的軸承內(nèi)環(huán)圍繞約束土樣，在土樣上端設(shè)置有上壓板，上壓板用于由所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)向土樣豎向施壓，在土樣下端設(shè)置有下托板，下托板用于由所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)對土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；相疊的多層軸承內(nèi)環(huán)為土樣提供了限制整體側(cè)向變形和控制豎向應(yīng)力或應(yīng)變的扭轉(zhuǎn)變形試驗(yàn)條件，通過下托板在土樣底部提供中軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，以及相疊的多層軸承內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)約束同一平面內(nèi)的土樣整體繞中軸旋轉(zhuǎn)。

5、方案進(jìn)一步是：所述多層軸承的軸承與軸承之間通過隔環(huán)隔開相疊設(shè)置，隔環(huán)墊在相疊軸承外環(huán)之間，在每層所述軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)連接設(shè)置有環(huán)套，環(huán)套與軸承內(nèi)環(huán)連為一體隨軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)形成內(nèi)環(huán)組合體，相鄰軸承的內(nèi)環(huán)組合體封閉住軸承與軸承之間所述隔環(huán)形成的間隙，上下相鄰內(nèi)環(huán)組合體之間通過滾珠相對滾動(dòng)密封連接，所述滾珠相對滾動(dòng)密封連接將相鄰層軸承內(nèi)環(huán)之間端面的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜弻虞S承內(nèi)環(huán)組合體之間滾珠點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸。

6、方案進(jìn)一步是：所述軸承內(nèi)環(huán)組合體外側(cè)的一端設(shè)置有擋簾，擋簾覆蓋住內(nèi)環(huán)組合體與內(nèi)環(huán)組合體之間的縫隙。

7、方案進(jìn)一步是：所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)包括在機(jī)架上設(shè)置的加載移動(dòng)梁，加載移動(dòng)梁通過加載臂推動(dòng)沿導(dǎo)軌垂直上下移動(dòng)，對土樣上端設(shè)置的上壓板施加壓力，在加載臂與加載移動(dòng)梁之間設(shè)置有垂直加載力傳感器，實(shí)現(xiàn)在對試樣筒內(nèi)的土樣施加可控應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的豎向壓力。

8、方案進(jìn)一步是：所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)包括在所述平臺(tái)之下設(shè)置的扭轉(zhuǎn)減速機(jī)，扭轉(zhuǎn)減速機(jī)向上的轉(zhuǎn)軸通過扭矩傳感器連接有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸定位在平臺(tái)中間設(shè)置的通孔中，所述下托板與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸連接，由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)對土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

9、方案進(jìn)一步是：所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸與平臺(tái)通過止推軸承傳遞動(dòng)力，使加載移動(dòng)梁的下壓力經(jīng)上壓板、土樣、下托板、由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸作用在了止推軸承上。

10、方案進(jìn)一步是：所述上壓板和下托板與土樣的接觸面分別設(shè)置有凸起的輻射式楞條，輻射式楞條嵌入土樣上下端面，防止上壓板和下托板相對于土樣出現(xiàn)滑動(dòng)。

11、本發(fā)明的有益效果為：采用疊環(huán)式側(cè)壁，解決了側(cè)限約束在避免側(cè)向擠出的同時(shí)引起的對旋轉(zhuǎn)的切向干擾問題，實(shí)現(xiàn)砂土在側(cè)限應(yīng)力下剪切黏度的測定。

12、下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對發(fā)明作一詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種用于測量砂土側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的試驗(yàn)裝置，包括在機(jī)架上設(shè)置的豎向壓力/位移施加系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)、土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒，所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)對試樣筒內(nèi)的土樣施加可控應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的豎向壓力，在控制豎向應(yīng)力的同時(shí)測量豎向應(yīng)變，或控制豎向應(yīng)變的同時(shí)測量豎向應(yīng)力；所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)對試樣筒內(nèi)土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，在施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的同時(shí)測量扭矩，或在施加可控扭矩和扭矩變速的同時(shí)測量轉(zhuǎn)角；其特征在于，所述土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒在所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)和所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)的共同作用下，提供一個(gè)約束土樣整體側(cè)向變形和控制豎向應(yīng)力或應(yīng)變的扭轉(zhuǎn)變形試驗(yàn)條件，并約束同一平面內(nèi)的土樣整體繞中軸旋轉(zhuǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒放置在機(jī)架平臺(tái)上，土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒包括外層剛性筒和內(nèi)層豎向相疊的多層軸承，軸承外環(huán)與外層剛性筒連接固定，受力旋轉(zhuǎn)的軸承內(nèi)環(huán)圍繞約束土樣，在土樣上端設(shè)置有上壓板，上壓板用于由所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)向土樣豎向施壓，在土樣下端設(shè)置有下托板，下托板用于由所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)對土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；相疊的多層軸承內(nèi)環(huán)為土樣提供了限制整體側(cè)向變形和控制豎向應(yīng)力或應(yīng)變的扭轉(zhuǎn)變形試驗(yàn)條件，通過下托板在土樣底部提供中軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，以及相疊的多層軸承內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)約束同一平面內(nèi)的土樣整體繞中軸旋轉(zhuǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述多層軸承的軸承與軸承之間通過隔環(huán)隔開相疊設(shè)置，隔環(huán)墊在相疊軸承外環(huán)之間，在每層所述軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)側(cè)連接設(shè)置有環(huán)套，環(huán)套與軸承內(nèi)環(huán)連為一體隨軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)形成內(nèi)環(huán)組合體，相鄰軸承的內(nèi)環(huán)組合體封閉住軸承與軸承之間所述隔環(huán)形成的間隙，上下相鄰內(nèi)環(huán)組合體之間通過滾珠相對滾動(dòng)密封連接，所述滾珠相對滾動(dòng)密封連接將相鄰層軸承內(nèi)環(huán)之間端面的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸，轉(zhuǎn)變?yōu)橄噜弻虞S承內(nèi)環(huán)組合體之間滾珠點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述軸承內(nèi)環(huán)組合體外側(cè)的一端設(shè)置有擋簾，擋簾覆蓋住內(nèi)環(huán)組合體與內(nèi)環(huán)組合體之間的縫隙。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)包括在機(jī)架上設(shè)置的加載移動(dòng)梁，加載移動(dòng)梁通過加載臂推動(dòng)沿導(dǎo)軌垂直上下移動(dòng)，對土樣上端設(shè)置的上壓板施加壓力，在加載臂與加載移動(dòng)梁之間設(shè)置有垂直加載力傳感器，實(shí)現(xiàn)在對試樣筒內(nèi)的土樣施加可控應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的豎向壓力。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)包括在所述平臺(tái)之下設(shè)置的扭轉(zhuǎn)減速機(jī)，扭轉(zhuǎn)減速機(jī)向上的轉(zhuǎn)軸通過扭矩傳感器連接有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸定位在平臺(tái)中間設(shè)置的通孔中，所述下托板與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸連接，由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)對土樣底部施加可控轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸與平臺(tái)通過止推軸承傳遞動(dòng)力，使加載移動(dòng)梁的下壓力經(jīng)上壓板、土樣、下托板、由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸作用在了止推軸承上。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述上壓板和下托板與土樣的接觸面分別設(shè)置有凸起的輻射式楞條或輻射式圓弧條，輻射式楞條或輻射式圓弧條嵌入土樣上下端面，防止上壓板和下托板相對于土樣出現(xiàn)滑動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于測量砂土側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下剪切黏度的試驗(yàn)裝置，包括土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒、豎向壓力/位移施加系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)。所述土樣側(cè)限扭轉(zhuǎn)變形試樣筒為內(nèi)外三層結(jié)構(gòu)，包括外層剛性筒、中層環(huán)向摩擦控制疊環(huán)軸承、內(nèi)層豎向摩擦控制疊環(huán)套和內(nèi)層疊環(huán)間滾珠，內(nèi)層豎向摩擦控制疊環(huán)與中層疊環(huán)軸承的內(nèi)圈加工為整體；所述豎向壓力/位移施加系統(tǒng)，包括設(shè)有導(dǎo)軌的機(jī)架、加載液壓缸、加載臂、兩側(cè)卡固在導(dǎo)軌上的移動(dòng)加載梁、豎向力傳感器、豎向位移傳感器、試樣上壓板和試樣下托板，試樣上壓板、下托板與土樣接觸面刻有徑向凸起；所述扭轉(zhuǎn)變形/扭矩施加系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、減速機(jī)、轉(zhuǎn)軸、扭矩傳感器和與下托板連接的耦合器。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧剛,孫向軍,張茵琪,張延億,陳含,蘇羽,侯偉亞,劉磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國水利水電科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19