用於土壤與結構面的力學測試儀及其測試方法
2023-07-26 06:36:21 1
用於土壤與結構面的力學測試儀及其測試方法
【專利摘要】本發明公開了用於土壤與結構面的力學測試儀，包括：支架、設置在該支架上的控制開關、固定在所述支架底板上的升降機構、壓在所述升降機構頂部的測力環、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槓桿、通過平衡杆固定在所述槓桿後端的平衡錘以及掛在所述槓桿前端的砝碼。應變測量系統連接容器中的推進杆。本發明能保證試驗過程中測量範圍內土與結構物接觸面積恆定不變；應變測量系統測量應變片組中各應變片的形變，能測出土與圓柱形結構物界面上的真實法向應力和剪應力。
【專利說明】用於土壤與結構面的力學測試儀及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械應力測試領域，尤其涉及用於土壤與結構面的力學測試儀及其測試方法。
【背景技術】
[0002]目前，用於土壤與結構接觸面力學特性常用技術主要有兩種類型: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構物塊體，剛性上盒盛土壤，通過進行不同法向應力作用下的直接剪切試驗，測得土壤與結構面之間的抗剪強度，從而計算出土壤與結構接觸面之間的摩擦角和粘聚力參數。單剪型的測試方法與直剪型的測試方法類似，但將剛性上盒替換成疊環型柔性剪切盒，使土壤體的變形更為均勻。直剪型儀器系統及試驗操作都比較簡單，但存在試驗過程中土壤與結構接觸面面積逐步減少等問題；單剪型能保證試驗過程中接觸面積不變，但在邊角處土壤體容易出現應力集中，導致最終結論不準確。此外，直剪型和單剪型測量儀器都只能測量土壤體與平面型結構物之間的力學特性。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種用於土壤與結構面的力學測試儀，測試土壤與圓柱形結構物界面的剪切力學特性，測試過程中土壤與接觸物的接觸面積不變，測試更準確，結論更可靠。
[0004]本發明的技術方案是一種用於土壤與結構面的力學測試儀，包括:支架、設置在該支架上的控制開關、固定在所述支架底板上的升降機構、壓在所述升降機構頂部的測力環、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槓桿、通過平衡杆固定在所述槓桿後端的平衡錘以及掛在所述槓桿前端的砝碼；其中，所述容器中裝有土壤，所述容器包括底座、設置在該底座上的側壁、壓在土壤上表面的加壓蓋、扣在所述側壁上端的固定圈、同時壓住所述加壓蓋和所述固定圈的導向套以及從所述底座的底部插入所述土壤中的推進杆；螺杆穿過底座、固定圈和導向套，將容器鎖緊；所述推進杆的底部壓在所述測力環的頂部，所述推進杆中空，該推進杆的側面有應變片組，該應變片組連接應變測量系統；所述控制開關連接所述升降機構；所述頂板上有百分表，該百分表的測量頭壓在所述加壓蓋的頂部。測試之前，先在容器底部放上濾紙，再裝入土樣，將土樣上表面刮平。然後裝上導向套，裝上加壓蓋，鎖緊螺杆，將槓桿通過傳壓螺釘壓在加壓蓋頂部的凹陷中。測試時，將力學測試儀接通電源，打開力學測試儀上的控制開關，設定應變速率。將開關撥至剪切位，推進杆按應變速率上升，記錄推進過程推動力的數值，以及推進杆的軸向應變和徑向應變，最終得到土壤與推進杆界面的力學特性曲線。將推進杆從土壤的底部垂直向上推進，在密閉的容器中，能保證試驗過程中測量範圍內土與結構物接觸面積恆定不變；應變測量系統測量應變片組中各應變片的形變，能測出土與圓柱形結構物界面上的真實法向應力，也能測量壓入和拔出過程土與結構物界面的力學特性。[0005]進一步地，所述升降機構內部有電機，所述控制開關連接所述電機。控制開關控制電機的轉動、停止以及轉動速度。電機帶動升降機構的上升和下降，間接控制推進杆的上升和下降。便於測量推進杆在推進過程中所受的總阻力。
[0006]進一步地，所述升降機構通過測力計螺母連接所述測力環的底部。
[0007]進一步地，頂板上有調節杆，該調節杆頂在槓桿的底部。調節杆防止槓桿前端突然下降，砸到頂板上。
[0008]進一步地，應變片組包括第一應變片、第二應變片、第三應變片以及第四應變片。應變測量系統根據第一應變片、第二應變片、第三應變片以及第四應變片的形變，得出相應的數據，便於測量土壤與推進杆之間的法向應力和平均剪應力；所述第一應變片和第二應變片沿推進杆的軸向排列，且所述第一應變片和第二應變片都是豎直設置。推進杆在土壤中做垂直方向運動時，第一應變片和第二應變片受到土壤的阻力，通過測量第一應變片和第二應變片受到的阻力，便於得出土壤與推進杆之間的平均剪應力；所述第三應變片和第四應變片沿推進杆的軸向排列，且所述第三應變片和第四應變片都是水平設置。土壤給第三應變片和第四應變片施加沿推進杆徑向的擠壓力，通過測量第三應變片和第四應變片受到的擠壓力，便於得出土壤與推進杆之間的法向應力。
[0009]進一步地，加壓蓋和導向套上有排氣孔，該排氣孔中有排氣螺釘。螺杆將容器鎖緊後，再安裝排氣螺釘，容器內外氣壓平衡，避免推進杆受容器內氣壓的影響，保證應變測量系統得到準確的數據，最終得到準確的土壤與推進杆之間的法向應力和平均剪應力。
[0010]本發明還提供一種技術方案，用於土壤與結構面的力學測試方法，包括如下步驟:
[0011]S1、將容器從力學測試儀上取出，放入濾紙；推入推進杆，均勻裝入土壤；土壤裝完後，將土壤面刮平，測量土壤的高度，鬆開排氣螺釘，套上導向套，使用蓋形螺母固緊，擰緊排氣螺釘；
[0012]S2、將容器安裝到力學測試儀上，調節傳壓螺釘的位置，將該傳壓螺釘壓在加壓蓋頂部；
[0013]S3、裝上百分表，調整百分表的位置，對零。調節調節杆，施加第一級砝碼，根據時間系列記錄土壤變形數據；
[0014]S4、逐級施加砝碼，紀錄土壤變形數據和推進杆的徑向應變；
[0015]S5、將力學測試儀接通電源，打開力學測試儀上的控制開關，設定應變速率。將開關撥至剪切位，推進杆按應變速率上升，記錄推進過程推動力的數值，以及推進杆的軸向應變和徑向應變；
[0016]S6、試驗結束後，拆除容器，數據處理，得到土壤與推進杆界面的力學特性曲線。
[0017]進一步地，步驟S4和S5中，使用應變測量系統測量並顯示推進杆的軸向應變和徑向應變數據。
[0018]進一步地，土壤與推進杆之間的平均剪應力計算公式為:
[0020]式中，為設定距離上土壤與推進杆之間的平均剪應力，D為推進杆的外徑，L為第一應變片與第二應變片的距離，Na表示第一應變片受到的軸向力，Nb表示第二應變片受到的軸向力，π取3.14。
[0021]進一步地，土壤與推進杆之間的法向應力計算公式為:
2T
[0022]Pi =—
[0023]式中，T為沿推進杆軸向單位長度上的環向力，D為推進杆的外徑。
[0024]有益效果:將推進杆從土壤的底部垂直向上推進，在密閉的容器中，能保證試驗過程中測量範圍內土與結構物接觸面積恆定不變；應變測量系統測量應變片組中各應變片的形變，能測出土與圓柱形結構物界面上的真實法向應力，也能測量壓入和拔出過程土與結構物界面的力學特性。測試更準確，結論更可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明一種實施例的結構示意圖；
[0026]圖2是本發明另一種實施例的結構示意圖；
[0027]圖3是本發明一種實施例中推進杆的縱向剖面圖；
[0028]圖4是本發明一種實施例中推進杆的橫向剖面圖；
[0029]圖5是本發明一種實施例中土壤與推進杆界面的力學特性曲線圖。
[0030]圖中標記:1-支 架；2_控制開關；3_升降機構；4_測力計螺母；5_測力環；6-容器；7-應變測量系統；8-槓桿；9_平衡杆；10-平衡錘；11-調節杆；12_破碼；13-底座；14-側壁；15_ 土壤；16_固定圈；17_導向套；18_加壓蓋；19_推進杆；20_第一應變片；21-第二應變片；22_第三應變片；23_第四應變片；24_排氣螺釘；25_頂板；26_底板；27-傳壓螺釘。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖，對本發明的較優的實施例作進一步的詳細說明:
[0032]參見圖1至4，一種用於土壤與結構面的力學測試儀，包括:支架1、設置在該支架
I上的控制開關2、固定在所述支架I底板26上的升降機構3、壓在所述升降機構3頂部的測力環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上部的槓桿8、通過平衡杆9固定在所述槓桿8後端的平衡錘10以及掛在所述槓桿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、設置在該底座13上的側壁14、壓在土壤15上表面的加壓蓋18、扣在所述側壁14上端的固定圈16、同時壓住所述加壓蓋18和所述固定圈16的導向套17以及從所述底座13的底部插入所述土壤15中的推進杆19 ；螺杆穿過底座13、固定圈16和導向套17，將容器6鎖緊；所述推進杆19的底部壓在所述測力環5的頂部，所述推進杆19中空，該推進杆19的側面有應變片組，該應變片組連接應變測量系統7 ;所述控制開關2連接所述升降機構3 ;所述頂板25上有百分表，該百分表的測量頭壓在所述加壓蓋18的頂部。測試之前，先在容器6底部放上濾紙，再裝入土樣，將土樣上表面刮平。然後裝上導向套17，裝上加壓蓋18，鎖緊螺杆，將槓桿8通過傳壓螺釘27壓在加壓蓋18頂部的凹陷中。測試時，將力學測試儀接通電源，打開力學測試儀上的控制開關2，設定應變速率。將開關撥至剪切位，推進杆19按應變速率上升，記錄推進過程推動力的數值，以及推進杆19的軸向應變和徑向應變，最終得到土壤15與推進杆19界面的力學特性曲線。將推進杆19從土壤15的底部垂直向上推進，在密閉的容器6中，能保證試驗過程中測量範圍內土與結構物接觸面積恆定不變；應變測量系統7測量應變片組中各應變片的形變，能測出土與圓柱形結構物界面上的真實法向應力，也能測量壓入和拔出過程土與結構物界面的力學特性。
[0033]本實施例中，相應參數見下表:
[0034]
【權利要求】
1.用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於，包括:支架、設置在該支架上的控制開關、固定在所述支架底板上的升降機構、壓在所述升降機構頂部的測力環、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槓桿、通過平衡杆固定在所述槓桿後端的平衡錘以及掛在所述槓桿前端的砝碼；其中，所述容器中裝有土壤，所述容器包括底座、設置在該底座上的側壁、壓在土壤上表面的加壓蓋、扣在所述側壁上端的固定圈、同時壓住所述加壓蓋和所述固定圈的導向套以及從所述底座的底部插入所述土壤中的推進杆；螺杆穿過底座、固定圈和導向套，將容器鎖緊；所述推進杆的底部壓在所述測力環的頂部，所述推進杆中空，該推進杆的側面有應變片組，該應變片組連接應變測量系統；所述控制開關連接所述升降機構；所述頂板上有百分表，該百分表的測量頭壓在所述加壓蓋的頂部。
2.根據權利要求1所述的用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於:所述升降機構內部有電機，所述控制開關連接所述電機。
3.根據權利要求2所述的用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於:所述升降機構通過測力計螺母連接所述測力環的底部。
4.根據權利要求3所述的用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於:頂板上有調節杆，該調節杆頂在槓桿的底部。
5.根據權利要求3所述的用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於:應變片組包括第一應變片、第二應變片、第三應變片以及第四應變片；所述第一應變片和第二應變片沿推進杆的軸向排列，且所述第一應變片和第二應變片都是豎直設置；所述第三應變片和第四應變片沿推進杆的軸向排列，且所述第三應變片和第四應變片都是水平設置。
6.根據權利要求3所述的用於土壤與結構面的力學測試儀，其特徵在於:加壓蓋和導向套上有排氣孔，該排氣孔中有排氣螺釘。
7.用於土壤與結構面的力學測試方法，其特徵在於，包括如下步驟: 51、將容器從力學測試儀上取出，放入濾紙；推入推進杆，均勻裝入土壤；土壤裝完後，將土壤面刮平，測量土壤的高度，鬆開排氣螺釘，套上導向套，使用蓋形螺母固緊，擰緊排氣螺釘； 52、將容器安裝到力學測試儀上，調節傳壓螺釘的位置，將該傳壓螺釘壓在加壓蓋頂部; 53、裝上百分表，調整百分表的位置，對零。調節調節杆，施加第一級砝碼，根據時間系列記錄土壤變形數據； 54、逐級施加砝碼，紀錄土壤變形數據和推進杆的徑向應變； 55、將力學測試儀接通電源，打開力學測試儀上的控制開關，設定應變速率。將開關撥至剪切位，推進杆按應變速率上升，記錄推進過程推動力的數值，以及推進杆的軸向應變和徑向應變； 56、試驗結束後，拆除容器，數據處理，得到土壤與推進杆界面的力學特性曲線。
8.根據權利要求7所述的用於土壤與結構面的力學測試方法，其特徵在於，步驟S4和S5中，使用應變測量系統測量並顯示推進杆的軸向應變和徑向應變數據。
9.根據權利要求8所述的用於土壤與結構面的力學測試方法，其特徵在於，土壤與推進杆之間的平均剪應力計算公式為:
10.根據權利要求7所述的用於土壤與結構面的力學測試方法，其特徵在於，土壤與推進杆之間的法向應力計算公式為:
【文檔編號】G01N3/24GK103487329SQ201310442073
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】蘇棟, 明海燕, 茅加峰 申請人:深圳大學