一种不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种不排水抗剪强度室内联合测定仪及其使用方法，要求不排水抗剪强度小于100kPa,主要包括升降加压系统(由压力伺服电机、两端有齿轮的横向转杆、齿条和活塞压力板的升降杆组成)、剪切系统(由转速伺服电机、转速伺服电机的升降杆、旋转轴、十字剪切板或圆盘组成)和测量控制系统(由扭矩传感器、土压力盒、PLC以及触摸屏组成)。采用相同驱动、升降、测量等装置，只需在十字剪切板和圆盘直接互换，即可测定土及其与钢板之间界面的不排水抗剪强度。相对而言，该方法试验设备成本低，可以探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种不排水抗剪强度室内联合测定仪，特别是涉及一种压力可控条件下土及其与钢板界面的不排水抗剪强度室内联合测定仪，特别适用于重塑软黏性土和砂土及其与钢板界面的不排水抗剪强度测试，也可用于原状软黏性土不排水抗剪强度的测试，要求不排水抗剪强度小于100kPa。本专利技术还涉及该不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法。
技术介绍
早在上世纪20年代，十字板剪切试验仪就用于测定场外原位软土不排水抗剪强度，将十字板插入所需深度软黏性土地层里，测定所处深度地层围压下软黏性土不排水抗剪强度，原位十字板剪切试验仪构造在上世纪50年代基本上没多大变化。也就是在上世纪50年代开始，十字板剪切试验仪慢慢地用于室内测定大气压条件下软土的不排水抗剪强度。由于不排水抗剪强度受围压的影响，有些学者采用固结仪加载原理，通过上部荷载施加围压，然而有学者指出这种加载装置的局限性，旋转轴杆与土容器之前存在摩擦力，土容易通过杆件与土容器或盖板与土容器之间的间隙挤出，所以测定扭矩与实际值存在差异，进而提出在土上方采用气囊的方式来施加压力，较好地用于软黏性土不排水抗剪强度的测试。随着机械化施工水平的提高，盾构机、钻孔台车等机械越来越普遍地用于土建施工，机械钢材与土之间界面不可避免地存在摩阻力，有些学者提出采用旋转圆盘装置来测定土-钢板之间不排水抗剪强度。因此，如何方便可靠地测定土自身不排水抗剪强度和土-钢板界面不排水抗剪强度已经是土建工程师必须面临的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种实现软土不同压力条件下不排水抗剪强度与软土-钢板界面之间不排水抗剪强度的室内测定，探究非饱和软土不排水抗剪强度与压力、转速之间的关系，并能降低试验设备成本的不排水抗剪强度室内联合测定仪。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种该不排水抗剪强度室内联合测定仪的使用方法。为了解决上述第一个技术问题，本专利技术提供的不排水抗剪强度室内联合测定仪，试验台上设有试样腔，所述的试样腔的横断面为圆形且在所述的试样腔的内壁上设有至少一条轴向凸槽和至少一个土压力盒；所述的试验台上设有支架，所述的支架上设有转速伺服电机的升降杆，所述的转速伺服电机的升降杆上设有转速伺服电机，所述的转速伺服电机设有旋转轴，所述的旋转轴的轴心与所述的试样腔的轴向中心线重合，所述的旋转轴上设有扭矩传感器，十字剪切板或圆盘通过对接口与所述的旋转轴采用可拆卸式连接；所述的试样腔内设有活塞压力板，所述的活塞压力板与活塞压力板的升降杆连接，所述的活塞压力板的升降杆上设有齿条，还包括一个电机支架，所述的电机支架上设有压力伺服电机，所述的压力伺服电机的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆，所述的两端有齿轮的横向转杆上的齿轮与所述的齿条啮合传动，还包括一个PLC以及触摸屏，所述的PLC以及触摸屏与所述的扭矩传感器、土压力盒以及所述的压力伺服电机和转速伺服电机1的控制系统电连接。所述的试样腔的底部设有能容纳所述的十字剪切板或圆盘的顶部的凹孔。所述的土压力盒为两个且径向相对位置布设在所述的试样腔内。所述的活塞压力板通过套筒与所述的活塞压力板的升降杆连接，所述的旋转轴穿过所述的套筒。为了解决上述第二个技术问题，本专利技术提供的使用不排水抗剪强度室内联合测定仪的方法，当测定土不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：安装十字剪切板，用临时固定装置将十字剪切板固定于试样腔内，将土缓慢倒入土容器内，抹平土体上表面，降低固定架，并使上部腔体与下部土容器闭合，对土体上方施加恒定压力，然后按照设定转速旋转十字板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度；当测定土-钢板不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：将平面剪切板旋转轴下部竖直插入，将土缓慢倒入土容器至设计平面剪切板位置，安装平面旋转圆盘，确保圆盘下表面与下部土体接触紧密，然后倒入上部土体至设定的水平位置，抹平土体上表面，降低固定架以使上部腔体与下部土容器闭合，按照设计转速旋转平面剪切板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度。具体地，当测定土不排水抗剪强度时：(a)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用对接口与旋转轴固定连接，启动转速伺服电机，以实验要求的速度转动，记录此时的扭矩传感器3测量的扭矩初始值；(b)将十字剪切板或圆盘的十字剪切板用临时固定装置竖直在试样腔内，十字剪切板或圆盘的十字剪切板底部插入试样腔的凹孔中，将制备的土样装入试样腔内，刮平试样腔表面的土样，将试样腔放入活塞压力板正下方；(c)缓慢转动转速伺服电机的升降杆，带动转速伺服电机和旋转轴一起下降，使旋转轴跟十字剪切板或圆盘的十字剪切板轴杆对接固定；(d)开启压力伺服电机转动，带动齿轮转动，通过齿轮与齿条的啮合，使活塞压力板升降杆、套筒和活塞压力板一起缓慢下降，利用PLC以及触摸屏来设定土体上部压力；(e)通过PLC以及触摸屏控制转速伺服电机以恒定速度转动，并实时记录扭矩传感器测试的扭矩值和土压力盒测试的侧向土压力值，并自动保存；(f)调取保存的扭矩时程数据，扣除步骤(a)中空转时的扭矩值后，得到的即为修正后的扭矩时程值；(g)根据测得的扭矩值，假定十字剪切板或圆盘的十字剪切板旋转后产生的环向剪切面上各点的剪应力相同，运用公式(1)，即可计算出土样的剪应力； s = 6 M 7 πD 3 - - - ( 1 ) ]]>其中：s为土体的剪应力(Pa)，M为第(f)步中修正后的扭矩值(N﹒m)D为十字剪切板的直径(m)；当测定土-钢板不排水抗剪强度时，将十字剪切板或圆盘7的十字剪切板更换成十字剪切板或圆盘7的圆盘以测试土-钢板界面剪切力时，试样腔17中装入制备好的土样时，首先装至指定高度，刮平表面后，将十字剪切板或圆盘7的圆盘轻压在土样上，再装入剩余的土样，其余步骤与测定土不排水抗剪强度时采用十字板剪切试验相同；土-钢板界面的剪应力按公式(2)计算得到： α = 6 M πD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：试验台(8)上设有试样腔(17)，所述的试样腔(17)的横断面为圆形且在所述的试样腔(17)的内壁上设有至少一条轴向凸槽(19)和至少一个土压力盒(6)；所述的试验台(8)上设有支架(15)，所述的支架(15)上设有转速伺服电机的升降杆(14)，所述的转速伺服电机的升降杆(14)上设有转速伺服电机(1)，所述的转速伺服电机(1)设有旋转轴(2)，所述的旋转轴(2)的轴心与所述的试样腔(17)的轴向中心线重合，所述的旋转轴(2)上设有扭矩传感器(3)，十字剪切板或圆盘(7)通过对接口(5)与所述的旋转轴(2)采用可拆卸式连接；所述的试样腔(17)内设有活塞压力板(18)，所述的活塞压力板(18)与活塞压力板的升降杆(16)连接，所述的活塞压力板的升降杆(16)上设有齿条(13)，还包括一个电机支架(11)，所述的电机支架(11)上设有压力伺服电机(10)，所述的压力伺服电机(10)的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆(9)，所述的两端有齿轮的横向转杆(9)上的齿轮与所述的齿条(13)啮合传动，还包括一个PLC以及触摸屏(12)，所述的PLC以及触摸屏(12)与所述的扭矩传感器(3)、土压力盒(6)以及所述的压力伺服电机(10)和转速伺服电机(1)的控制系统电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种不排水抗剪强度室内联合测定仪，其特征是：试验台(8)
上设有试样腔(17)，所述的试样腔(17)的横断面为圆形且在所述的试
样腔(17)的内壁上设有至少一条轴向凸槽(19)和至少一个土压力盒
(6)；所述的试验台(8)上设有支架(15)，所述的支架(15)上设有转速
伺服电机的升降杆(14)，所述的转速伺服电机的升降杆(14)上设有转
速伺服电机(1)，所述的转速伺服电机(1)设有旋转轴(2)，所述的旋
转轴(2)的轴心与所述的试样腔(17)的轴向中心线重合，所述的旋转
轴(2)上设有扭矩传感器(3)，十字剪切板或圆盘(7)通过对接口(5)与
所述的旋转轴(2)采用可拆卸式连接；所述的试样腔(17)内设有活塞
压力板(18)，所述的活塞压力板(18)与活塞压力板的升降杆(16)连
接，所述的活塞压力板的升降杆(16)上设有齿条(13)，还包括一个电
机支架(11)，所述的电机支架(11)上设有压力伺服电机(10)，所述的
压力伺服电机(10)的主轴连接有两端有齿轮的横向转杆(9)，所述的
两端有齿轮的横向转杆(9)上的齿轮与所述的齿条(13)啮合传动，还
包括一个PLC以及触摸屏(12)，所述的PLC以及触摸屏(12)与所述的
扭矩传感器(3)、土压力盒(6)以及所述的压力伺服电机(10)和转速伺
服电机(1)的控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，其
特征是：所述的试样腔(17)的底部设有能容纳所述的十字剪切板或圆
盘(7)的底部的凹孔(20)。
3.根据权利要求1或2所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，
其特征是：所述的土压力盒(6)为两个且径向相对位置布设在所述的
试样腔(17)内。
4.根据权利要求1或2所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪，
其特征是：所述的活塞压力板(18)通过套筒(4)与所述的活塞压力板
的升降杆(16)连接，所述的旋转轴(2)穿过所述的套筒(4)。
5.使用权利要求1所述的不排水抗剪强度室内联合测定仪的方
法，其特征是：当测定土不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：安
装十字剪切板，用临时固定装置将十字剪切板固定于试样腔内，将土
缓慢倒入土容器内，抹平土体上表面，降低固定架，并使上部腔体与
下部土容器闭合，对土体上方施加恒定压力，然后按照设定转速旋转
十字板，实时记录扭矩，然后计算不排水抗剪强度；当测定土-钢板
不排水抗剪强度时，主要试验步骤如下：将平面剪切板旋转轴下部竖
直插入，将土缓慢倒入土容器至设计平面剪切板位置，安装平面旋转
圆盘，确保圆盘下表面与下部土体接触紧密，然后倒入上部土体至设

\t定的水平位置，抹平土体上表面，降低固定架以使上部腔体与下部土
容器闭合，按照设计转速旋转平面剪切板，实时记录扭矩，然后计算
不排水抗剪强度。
6.根据权利要求5所述的使用不排水抗剪强...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树英，刘朋飞，阳军生，傅金阳，瞿同明，何卫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43