一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，包括剪切盒、升降系统、动力旋转系统、监测控制系统、土样制备系统和框架，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，与环形底板通过导条和导槽装配固定，剪切盒外罩与动力旋转系统的旋转力臂连接，传递扭矩，联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降系统驱动进行法向力加载，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，在转动力矩作用下，环形底板带动剪切板进行圆周运动所产生的内圆柱侧面即为竖向剪切面；本发明专利技术能够确保剪切面上剪切位移和剪切应力分布均匀，竖向剪切面的厚度不受限制，兼具试样制备和竖向剪切试验的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置
本专利技术涉及一种环剪试验仪，具体涉及一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，属于土工试验装置

技术介绍
直剪仪和单剪仪是较早应用于土体抗剪特性研究的土工试验仪器。然而，这两种仪器的局限性在于既不能实现较大位移的土体剪切试验，也难以在试验过程中保持剪切面积不变。直到环剪仪的问世，以上两个难点才得以解决，同时还保证了试样可在连续的位移条件下进行剪切。环剪仪的研制开始于20世纪20年代。早期的环剪仪设计理念较为简单，功能比较单一，一般主要用于研究土体在剪切面生成后的残余强度性质；而后，科学技术的发展也带动了环剪仪的不断改进与完善，首先在试验精度方面得到了很明显的提高，此外，仪器的功能开始多样化，从最开始只能进行简单的土体强度研究逐渐扩展到可以进行土体剪切破坏过程的研究。在此期间，日本京都大学在环剪仪器的研发领域走在了世界前列。其中佐佐恭二教授等成功研制的高速环剪试验仪，不仅可以实现计算机全程控制，而且还可通过现场地质条件的高度模拟(例如地震等动荷载环境，地下水环境等)来揭示滑坡过程中滑裂面发生的应力变化、孔隙水压力变化以及可能的液化现象。最为重要的是，这种环剪仪实现了高速剪切(剪切速度可达300cm/s)，这一性能为高速远程滑坡成因机理的研究提供了试验基础。上述的这些环剪仪一般都是基于以下特点进行设计：剪切面的法向与剪切角速度矢量方向平行。然而，这一特点会引起如下问题：剪切过程中整个剪切面上角速度的一致，将引起沿半径方向剪切面上的剪位移不同，从而导致剪应力分布不均。为此，设计者通常将剪切环的厚度设计的足够小，以此来减小内外环间的剪应力差距，并且采用试样中心环处的剪位移及剪应力来代表整个接触面上的位移和应力，从而忽略剪应力分布不均引起的误差。如此一来，这种类型环剪仪的剪切面厚度受限于较小值，因而试验样中不允许有大颗粒存在。但是，在实际岩土工程，尤其是涉及到岩土体变形破坏的滑坡自然灾害领域，所遇到的岩土体类型是非常复杂的，其中岩土颗粒物粒径也大小不一，往往存在大颗粒物质，例如块石、碎石等。而以往的环剪试验仪由于本身尺寸的限制，只适用于小粒径土样的力学特性研究，却几乎很难模拟实际岩土体的真实力学特性。因此，基于以往环剪仪存在以上两方面不足(剪切面剪应力分布不均；剪切面厚度较小，试验样不允许有大颗粒存在，难以模拟实际岩土体的真实力学特性)，有必要开发出一种新型的适用于竖向剪切(剪切面法向与剪切角速度矢量方向垂直)的大型环剪试验仪以及与之相配套的岩土试样制备装置，来弥补上述两方面的不足。
技术实现思路
基于现有环剪仪存在的剪切面剪应力分布不均、剪切面厚度较小、试验样不允许有大颗粒存在的不足，本专利技术旨在提供一种适用于竖向剪切，即剪切面法向与剪切角速度矢量方向垂直的环剪试验仪，可用于测试碎石土的峰值强度和残余强度，进行土体应变软化特性研究，同时适用于土在大剪切位移条件下的力学特性研究。而在开发此类环剪仪的同时，为了满足该种环剪试验仪器对于试验前期岩土试样制备的需求，以及为了进一步完善该类环剪试验设备体系，本专利技术还设计出一种与该类环剪仪相匹配的岩土试样制备装置。因此，本专利技术致力于开发一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置。实现本专利技术目的所采用的技术方案为，一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，至少包括剪切盒、升降系统、动力旋转系统和框架，所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩、环形底板和1块以上竖直放置的剪切板，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，剪切盒外罩的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的顶板与动力旋转系统的旋转力臂连接，传递扭矩；所述不动室包括橡皮垫圈、联轴压板和圆柱形支撑平台，所述联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降系统驱动进行法向力加载，所述圆柱形支撑平台与框架固连，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，并且通过橡皮垫圈控制两者之间缝隙的大小；还包括土样制备系统，所述土样制备系统包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒两侧，所述压样单元由直线位移动力组件及其驱动的半圆柱形护板构成，半圆柱形护板通过落地导轨组导向，其内径与待压制试样的直径相同，半圆柱形护板的内弧面上沿竖直方向设有制样导条，所述制样导条与剪切盒内部的导条形状相同且位置相对应。所述圆柱形支撑平台的中心凸起，环形底板对中嵌套于该凸起部上，在环形底板与圆柱形支撑平台的其余部分之间设有下盘滚珠，下盘滚珠与环形底板下表面接触。所述升降系统包括液压升降机、变频器和液压升降台，液压升降机固定于框架上，通过变频器驱动液压升降台升降，联轴压板与设置于液压升降台中心的竖轴固连。所述液压升降台为三层倒塔型结构，液压升降机与上层固连，中层下表面上安装有导轨，底层台面中心设有一竖轴，该竖轴与联轴压板固连。所述动力旋转系统安装于液压升降台下部，包括电机、齿轮、空心齿轮轴、竖向轴承和上盘滚珠，所述空心齿轮轴套装于液压升降台的竖轴上，竖向轴承装配于二者之间，空心齿轮轴的下端与旋转力臂固连，上盘滚珠安装于空心齿轮轴顶面上并且与液压升降台的底层台面相接触，所述电机通过滑块安装于液压升降台中层的导轨上，齿轮安装于电机输出轴上、与空心齿轮轴啮合。所述框架包括底座和固定于底座前后两侧的两根立柱，液压升降机固定于两根立柱上，液压升降台上层的左右两端分别开有导孔，供框架的两根立柱穿过，两组压样单元对称分布于剪切盒的左右两侧，与升降系统互不干扰。还包括监测控制系统，监测控制系统包括控制器、信号传输电缆、角位移传感器、转动力矩传感器和2个以上土压力计，角位移传感器安装在旋转力臂上，转动力矩传感器安装于空心齿轮轴的中部齿圈上，各土压力计均匀分布于剪切盒内的土样中，角位移传感器、转动力矩传感器和土压力计均通过信号传输电缆接入控制器，升降系统的液压升降机、动力旋转系统的电机以及土样制备系统的直线位移动力组件均由控制器控制运行。所述框架的底座与圆柱形支撑平台为一体结构，框架底座的边缘处开有环形槽，供剪切盒外罩的下端嵌入，圆柱形支撑平台的中部开有排水槽，排水槽的槽口表面铺有一层毛布，槽内铺设一块滤水板，槽底与排水管连通。所述联轴压板的下表面上以及圆柱形支撑平台的上表面上均沿径向均匀设置2条以上凸条。所述落地导轨组包括中心落地导轨以及对称分布于其两侧的边侧落地导轨，所述直线位移动力组件包括反力基座和安装于其上的液压伸缩机构。由上述技术方案可知，本专利技术提供的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，主体包括剪切盒、液压升降系统、动力旋转系统、框架、监测控制系统和土样制备系统六个功能部分，其中框架为其他功能部分的安装提供安装位，框架的左右两侧的立柱，主要用于传递液压升降系统反施给它的作用力，采用大型号螺栓将框架固定在水泥地面上，使其在试验过程中起到保护试验设备以及提供支撑反力的作用；剪切盒用于进行土样的环剪试验，包括转动室和不动室两部分，剪切盒外罩是转动传递构件，剪切盒外罩与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，至少包括剪切盒、升降系统、动力旋转系统和框架，其特征在于：所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩、环形底板和1块以上竖直放置的剪切板，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，剪切盒外罩的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的顶板与动力旋转系统的旋转力臂连接，传递扭矩；所述不动室包括橡皮垫圈、联轴压板和圆柱形支撑平台，所述联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降系统驱动进行法向力加载，所述圆柱形支撑平台与框架固连，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，并且通过橡皮垫圈控制两者之间缝隙的大小；还包括土样制备系统，所述土样制备系统包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒两侧，所述压样单元由直线位移动力组件及其驱动的半圆柱形护板构成，半圆柱形护板通过落地导轨组导向，其内径与待压制试样的直径相同，半圆柱形护板的内弧面上沿竖直方向设有制样导条，所述制样导条与剪切盒内部的导条形状相同且位置相对应。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，至少包括剪切盒、升降系统、动力旋转系统和框架，其特征在于：所述剪切盒包括转动室和不动室两部分，其中转动室包括剪切盒外罩、环形底板和1块以上竖直放置的剪切板，剪切板沿环形底板径向均匀固定于环形底板上，剪切盒外罩罩扣于环形底板和剪切板上，所述剪切盒外罩的罩筒与环形底板通过设置于二者之间的导条和导槽装配固定，剪切盒外罩的顶板为环板，其上开设有与剪切板数量相同的剪切板槽，供剪切板嵌入，剪切盒外罩的顶板与动力旋转系统的旋转力臂连接，传递扭矩；所述不动室包括橡皮垫圈、联轴压板和圆柱形支撑平台，所述联轴压板对中嵌于剪切盒外罩顶板的中心孔中，并且由升降系统驱动进行法向力加载，所述圆柱形支撑平台与框架固连，环形底板对中嵌套于圆柱形支撑平台上，并且通过橡皮垫圈控制两者之间缝隙的大小；还包括土样制备系统，所述土样制备系统包括通过落地导轨组导向的两组制样单元，两组压样单元对称分布于剪切盒两侧，所述压样单元由直线位移动力组件及其驱动的半圆柱形护板构成，半圆柱形护板通过落地导轨组导向，其内径与待压制试样的直径相同，半圆柱形护板的内弧面上沿竖直方向设有制样导条，所述制样导条与剪切盒内部的导条形状相同且位置相对应。2.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述圆柱形支撑平台的中心凸起，环形底板对中嵌套于该凸起部上，在环形底板与圆柱形支撑平台的其余部分之间设有下盘滚珠，下盘滚珠与环形底板下表面接触。3.根据权利要求1所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述升降系统包括液压升降机、变频器和液压升降台，液压升降机固定于框架上，通过变频器驱动液压升降台升降，联轴压板与设置于液压升降台中心的竖轴固连。4.根据权利要求3所述的适用于竖向剪切面的环剪试验及土样制备装置，其特征在于：所述液压升降台为三层倒塔型结构，液压升降机与上层固连，中层下表面上安装有导轨，底层台面中心设有一竖轴，该竖轴与联轴压板固连。5.根据权利要求4所述的适用于竖向剪切面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：范志强，唐辉明，温韬，刘凯，马俊伟，谭钦文，汪丁健，赵萌，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42