一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪制造技术

本实用新型专利技术公开了一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统本实用新型专利技术的核心部件为环形剪切室，剪切室由内向外依次为桩体、土体、弹性橡胶膜、围压水和剪切室外壁；土体的应力状态可以通过围压和上部油缸来控制，桩体可通过剪切系统和下部油缸控制加载路径。本实用新型专利技术可以考虑土体复杂的应力状态、排水及不排水条件，以及拉扭应力路径下桩土的界面剪切特性；装置能准确描述界面处的应力应变关系，适合于室内界面剪切的单元实验。

A hollow cylinder interface torsion shear controlled by stress state and loading path

The utility model discloses a hollow cylindrical interface torsional shear with controllable stress state and loading path, which includes a frame, a shear system, a pile body, a hydraulic servo system, a torsion device, a confining pressure control system, a sensor measurement system, a data acquisition and control system, and the core part of the practical new type is a ring shear chamber. The cutting chamber from inside to outside is the pile body, soil, elastic rubber membrane, confining water and shear chamber wall. The stress state of the soil can be controlled by the confining pressure and the upper oil cylinder, and the pile can control the loading path through the shear system and the lower oil cylinder. The utility model can consider the complex stress state, drainage and undrained conditions of soil, and the interfacial shear characteristics of pile and soil under the tension and torsion stress path, and the device can accurately describe the stress and strain relationship at the interface, which is suitable for the unit experiment of shear in the interior interface.

【技术实现步骤摘要】
一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪
本技术涉及一种界面剪切仪，尤其涉及一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，可模拟不同排水条件及剪切方式，尤其适用于测定砂土、黏土及粉土等土体与钢或者混凝土界面的剪切特性。
技术介绍
一直以来，土与结构的相互作用是岩土工程的重要问题之一，比如桩土之间的相互作用，而土体与结构物界面之间的接触特性是界面剪切特性。目前应用于界面剪切特性研究的仪器有直剪仪和环剪仪。直剪仪的核心部件为上下两个剪切盒，在进行界面剪切时，下剪切盒放置界面单元，上剪切盒放置土样，在一定的竖向压力下进行剪切。仪器较为简单，但无法模拟复杂应力状态下土体的界面剪切行为，无法测定土体孔压响应，也只适用于小应变状态的界面剪切实验。环剪仪可以模拟大应变状态下土体与结构的界面剪切特性，它是由上下两个环形剪切盒，一剪切盒装土样，另一剪切盒装桩界面，在一定的竖向压力下进行环向剪切，通过测扭矩计算剪应变，但目前的环剪仪还无法模拟复杂应力状态土体的响应，在计算应力应变时采用的是平均剪应力和平均剪应变，并不能真实准确反应界面剪切特性。为了能模拟复杂应力状态下土体和结构界面之间的剪切特性，考虑排水不排水条件，且能模拟大变形应力应变关系，提出本技术装置。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪。该装置的特点是：能对土体施加复杂应力状态，可以考虑排水及不排水条件，对土与结构的相互作用进行研究，与传统的环剪界面剪切仪相比，计算应力应变关系不用采取均值方法。本技术采取以下技术方案：一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；桩体插入剪切系统中，与装于剪切系统中的土样形成桩土界面，液压伺服系统用于控制土样与桩体的上下相对运动，围压控制系统用于控制剪切系统内的围压以调整土体的应力状态，扭力装置用于控制桩体与土样的相对旋转运动，传感器测量系统用于检测剪切仪中待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制液压伺服系统、扭力装置、及围压控制系统实现不同的应力状态和加载路径。上述技术方案中，所述的剪切系统包括透明的筒状外壁、底板、上环、弹性橡胶膜；上环设于筒状外壁顶部开口处，筒状外壁固定于底板上，桩体贯穿底板中部插入上环内，桩体与上环之间、上环与筒状外壁之间、桩体与底板之间均通过橡胶圈密封，在上环下方及底板上方各固定有一个橡胶膜固定环，弹性橡胶膜上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环内，弹性橡胶膜与桩体之间用于安装待测土体，弹性橡胶膜与筒状外壁之间形成围压室；所述的围压控制系统包括开在围压室底板上的围压水孔、开在待测土体空间底板上的反压孔、及水压力控制器；围压水孔通过管道与水压力控制器相连用于向围压室内注水或排水以控制围压室内的水压，反压孔通过流量计与水压力控制器相连用于测量排水条件下土体的体变。优选的，所述的液压伺服系统包括液压加载控制装置、及与液压加载控制装置分别通过油管连接的上部油缸和下部油缸；上部油缸的活塞杆通过传力管与上环固连，下部油缸的活塞杆通过传动轴与桩体下端固连。优选的，所述的扭力装置包括传动大齿轮、扭剪小齿轮、支撑轴承、伺服电机；扭剪小齿轮通过支撑轴承固定在机架上，扭剪小齿轮由伺服电机驱动，传动大齿轮和扭剪小齿轮相啮合传动，传动大齿轮与传动轴固定。优选的，所述的传感器测量系统包括孔压传感器、位移传感器、轴力传感器、扭矩传感器；孔压传感器用于测量土体内部的孔压响应，位移传感器设于上环上方用于测量土体的竖向位移，轴力传感器用于测量桩土之间的竖向力，扭矩传感器用于测量桩体的扭矩，轴力传感器及扭矩传感器均设于传动轴上。优选的，所述的机架包括底座、固定于底座上的立柱、及自上而下依次固定于立柱上的反力梁、横板、及下横梁；上部油缸固定于反力梁上，剪切系统的底板安装于横板上，下部油缸及扭力装置中的支撑轴承均固定于下横梁上。优选的，所述的桩体为刚桩或者预制混凝土桩。本技术具有以下优点：1.本技术可以通过围压和竖向压力准确模拟原位土的应力状态，可用于复杂应力状态下桩土之间的界面剪切特性的研究。2.传统的界面环剪仪在计算应力和应变时均采用平均值，而通过本技术测量出的界面处的应力应呈轴对称关系，为准确值而非平均值，因而更加准确。3.本装置可通过控制桩的竖向运动和转动，可模拟复杂应力路径下桩土的界面剪切特性。附图说明图1是本技术剪切仪的结构示意图；图2是剪切系统的放大图；图3是剪切系统俯视图；图4是装置系统控制图；其中，1.底座、2.液压加载控制装置、3.水压力控制器、4.油管、5.孔压传感器、6.橡胶膜固定环、7.弹性橡胶膜、8.筒状外壁、9.桩体、10.上环、11.位移传感器、12.位移传感器支架、13.传力管、14.立柱、15.反力梁、16.上部油缸、17.剪切室底板、18.传动轴、19.横板、20.轴力传感器、21.扭矩传感器、22.传动大齿轮、23.扭剪小齿轮、24.伺服电机、25.下横梁、26、扭剪小齿轮支撑轴承、27.下部油缸、28.橡胶密封环、29.橡胶圈、30.围压水孔、31.水管、32.流量计、33.反压孔。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本技术的装置做进一步说明：参照图1-4，本技术的空心圆柱界面扭剪仪，包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；桩体插入剪切系统中，与装于剪切系统中的土样形成桩土界面，液压伺服系统用于控制土样与桩体的上下相对运动，围压控制系统用于控制剪切系统内的围压以调整土体的应力状态，扭力装置用于控制桩体与土样的相对旋转运动，传感器测量系统用于检测剪切仪中待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制液压伺服系统、扭力装置、及围压控制系统实现不同的应力状态和加载路径。具体的，所述的机架包括底座1、立柱14、反力梁15、横板19、下横梁25等；所述的液压伺服系统包括液压加载控制装置2、及与液压加载控制装置分别通过油管连接的上部油缸16和下部油缸27；所述的剪切系统包括透明的筒状外壁8、底板17、上环10、弹性橡胶膜7；所述的扭力装置包括传动大齿轮22、扭剪小齿轮23、支撑轴承26、伺服电机24；所述的传感器测量系统包括孔压传感器5、位移传感器11、轴力传感器20、扭矩传感器21；剪切系统中，筒状外壁8为有机玻璃以便可从外侧观察试样情况，底板17通过法兰盘连接至横板19上，上环10设于筒状外壁8顶部开口处，筒状外壁8固定于底板17上，桩体9贯穿底板17中部插入上环10内，桩体与上环之间、上环与筒状外壁之间、桩体与底板之间均通过橡胶密封环密封，防止接缝处漏水或者土样被挤出，在上环下方及底板上方各固定2cm高的橡胶膜固定环6，弹性橡胶膜7上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环6内，弹性橡胶膜7与桩体9之间用于安装待测土体，弹性橡胶膜7与筒状外壁8之间形成围压室；所述的围压控制系统包括开在围压室底板17上的围压水孔30、开在待测土体空间底板17上的反压孔33、及水压力控制器3；围压水孔3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，其特征在于：包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；桩体插入剪切系统中，与装于剪切系统中的土样形成桩土界面，液压伺服系统用于控制土样与桩体的上下相对运动，围压控制系统用于控制剪切系统内的围压以调整土体的应力状态，扭力装置用于控制桩体与土样的相对旋转运动，传感器测量系统用于检测剪切仪中待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制液压伺服系统、扭力装置、及围压控制系统实现不同的应力状态和加载路径。

【技术特征摘要】
1.应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，其特征在于：包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；桩体插入剪切系统中，与装于剪切系统中的土样形成桩土界面，液压伺服系统用于控制土样与桩体的上下相对运动，围压控制系统用于控制剪切系统内的围压以调整土体的应力状态，扭力装置用于控制桩体与土样的相对旋转运动，传感器测量系统用于检测剪切仪中待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制液压伺服系统、扭力装置、及围压控制系统实现不同的应力状态和加载路径。2.根据权利要求1所述的应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，其特征在于：所述的剪切系统包括透明的筒状外壁(8)、底板(17)、上环(10)、弹性橡胶膜(7)；上环(10)设于筒状外壁(8)顶部开口处，筒状外壁(8)固定于底板(17)上，桩体(9)贯穿底板(17)中部插入上环(10)内，桩体与上环之间、上环与筒状外壁之间、桩体与底板之间均通过橡胶圈密封，在上环下方及底板上方各固定有一个橡胶膜固定环(6)，弹性橡胶膜(7)上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环(6)内，弹性橡胶膜(7)与桩体(9)之间用于安装待测土体，弹性橡胶膜(7)与筒状外壁(8)之间形成围压室；所述的围压控制系统包括开在围压室底板(17)上的围压水孔(30)、开在待测土体空间底板(17)上的反压孔(33)、及水压力控制器(3)；围压水孔(30)通过管道与水压力控制器(3)相连用于向围压室内注水或排水以控制围压室内的水压，反压孔(33)通过流量计(32)与水压力控制器(3)相连用于测量排水条件下土体的体变。3.根据权利要求2所述的应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮圣洁，周文杰，曾凡玉，国振，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33