一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述激振器用以施加机械振动力。本发明专利技术还提供了一种所述土体高频振动直剪仪的使用方法，包括以下步骤：获取土体试样；将土体试样推入上剪切盒和下剪切盒中，装载砝码，使土体试样进行固结；利用步进电机进行振动剪切试验；启动激振器，继续进行振动剪切试验；关闭步进电机；重置砝码的重量，绘制振动应力‑应变曲线；获取土体试样的振动抗剪强度指标。本发明专利技术的土体高频振动直剪仪能精确监测水平加速度。

【技术实现步骤摘要】
一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法
本专利技术涉及岩土工程
，尤其涉及一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪及其使用方法。
技术介绍
随着城市轨道交通和地下深基坑工程的兴建，越来越多的工程项目建立在黏土、粉土和砂土地层之上，特别是软黏土，由于其具有触变性，在振动荷载作用下，软黏土的结构性被破坏，其抗剪强度急剧下降。饱和粉土和砂土在振动荷载作用下，由于孔隙水压力骤然升高，有效应力下降，粉土和砂土出现液化的现象，导致抗剪强度变得非常低。现有的《土工试验方法标准GBT50123-1999》或《土工试验规程SL237-1999》建议采用动三轴试验来研究土体在动荷载作用下的抗剪强度，但是目前市场上成熟的三轴试验仪最高的动荷载频率约为20Hz，远不能满足施工现场振动频率约为50-100Hz的机械振动。50-100Hz的机械振动使软黏土、粉土或砂土在物理、力学性质上呈现极端的不均匀性与非线性，特别是会引起软黏土的触变性和饱和砂土的快速液化。对于城市地下工程来讲，一旦软黏土或砂土地层由于触变性或液化导致过大地面沉降，势必严重影响环境建设。因此，需要研制适合较高振动频率和能够精确采集加速度的新型仪器，用来量测在振动荷载作用下土体峰值强度或残余强度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种制作简单、测量准确的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，还提供了一种步骤简便的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法。本专利技术提供一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述杠杆位于支撑架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷载传感器位于上剪切盒的上方，所述加速度计设置在上剪切盒上，所述位移传感器连接在支撑架上，所述步进电机与下剪切盒连接，所述上剪切盒和激振器分别与水平荷载传感器连接，所述激振器用以施加机械振动力，所述位移传感器用以测量土体试样的固结位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，所述加速度计用以精确监测土体试样受到的水平加速度。进一步地，所述激振器通过传力杆与水平荷载传感器的一端连接，所述上剪切盒通过螺纹接头和第一螺柱与水平荷载传感器的另一端连接，所述上剪切盒与第一螺柱的一端连接，所述第一螺柱的另一端和水平荷载传感器的另一端均与螺纹接头连接。进一步地，所述激振器产生的机械振动力经传力杆传送至水平荷载传感器，然后经水平荷载传感器传送至上剪切盒。进一步地，所述垂直荷载传感器的上端通过金属球连接一框架，在所述框架的上方放置位移传感器，所述杠杆垂直穿过框架的下端，所述杠杆的右侧挂有砝码，所述杠杆的左侧配有平衡锤。进一步地，所述砝码产生一个垂直向下的重力，该重力经杠杆和框架传递到垂直荷载传感器后转换为对土体试样施加的垂向压力。进一步地，所述步进电机通过第二螺柱与下剪切盒连接，所述步进电机通过第一螺栓固定连接在支撑架上。进一步地，所述水平荷载传感器与激振器之间设有导向支撑装置，所述导向支撑装置水平穿过水平荷载传感器的一端，所述激振器与支撑架之间设有一底座，所述底座通过第二螺栓固定在支撑架上。进一步地，所述下剪切盒上设有排水孔，所述下剪切盒的下端连接有第一导轨，所述支撑架上固定有第二导轨，所述第一导轨与第二导轨相接触，所述第一导轨为水平滚珠导轨，所述上剪切盒和下剪切盒上均开有小孔，所述位移传感器为垂直LVDT位移传感器。本专利技术还提供一种上述监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的使用方法，包括以下步骤：S101，获取土体试样，称量土体试样的重量，然后计算土体试样的体积和密度；S102，将土体试样推入上剪切盒和下剪切盒中，装载砝码，使土体试样在一定的垂直压力下进行固结；S103，利用步进电机进行振动剪切试验；S104，启动激振器，控制步进电机继续进行振动剪切试验；S105，当振动剪切试验过程中的水平剪切位移达到一定值时关闭步进电机；S106，重置砝码的重量，重复步骤S102-S105，根据土体试样的振动应力和剪切应变绘制振动应力-应变曲线；S107，根据振动应力-应变曲线可以得到土体试样的峰值强度，利用不同土体试样在不同固结压力条件下的峰值强度绘制摩尔-库伦强度包络线，获取土体试样的振动抗剪强度指标。进一步地，步骤S103中，振动剪切试验采用应变控制的方式或采用应力控制的方式；步骤S105中，水平剪切位移达到6mm时关闭步进电机。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术提供的高频振动直剪仪制作简单，操作方便；利用本专利技术提供的高频振动直剪仪测量得到的加速度值精度高，可满足不同振动频率条件下软黏土、粉土和砂土的振动剪切试验要求，能够实现采用应变控制或应力控制的方式进行振动剪切试验；本专利技术采用能够产生高频振动力的激振器，可以准确测量土体在20Hz～15kHz下的抗剪强度，为工程实践提供对应的抗剪强度指标参数。附图说明图1是本专利技术一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的结构示意图。图2是本专利技术一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的正视图。图3是本专利技术一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的激振器的示意图。图4是本专利技术一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪的上剪切盒和下剪切盒的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。参考图1至图4，本专利技术的实施例提供了一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，包括支撑架10、杠杆11、激振器12、水平荷载传感器13、垂直荷载传感器14、上剪切盒15、下剪切盒16、位移传感器17、步进电机18和加速度计19，激振器12、水平荷载传感器13、下剪切盒16和步进电机18均位于支撑架10上，杠杆11位于支撑架10的下方，上剪切盒15位于下剪切盒16的上方，垂直荷载传感器14位于上剪切盒15的上方，激振器12通过传力杆20与水平荷载传感器13的一端连接，上剪切盒15通过螺纹接头21和第一螺柱22与水平荷载传感器13的另一端连接，加速度计19设置在上剪切盒15上，位移传感器17通过支杆23与支撑架10连接，支杆23与位移传感器17之间通过导向杆34连接，加速度计19用以精确监测土体试样受到的水平加速度，位移传感器17用以测量土体试样的固接位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，激振器12用以施加机械振动力，机械振动力经传力杆20传送至水平荷载传感器13，然后经水平荷载传感器13传送至上剪切盒15，一实施例中，支撑架10由不锈钢材料制得，位移传感器17为垂直LVDT(LinearVariableDifferentialTransformer)位移传感器。上剪切盒15与第一螺柱22的一端连接，第一螺柱22的另一端和水平荷载传感器13的另一端均与螺纹接头21连接，一实施例中，螺纹接头21为正反丝扣型螺纹接头，第一螺柱22为双头螺柱。步进电机18通过第二螺柱24与下剪切盒16连接，步进电机18通过第一螺栓(图中未示)固定连接在支撑架10上，第一螺栓为内六角螺栓。垂直荷载传感器14的上端通过金属球25连接一框架26，在框架26的上方放置位移传感器17，杠杆11垂直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述杠杆位于支撑架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷载传感器位于上剪切盒的上方，所述加速度计设置在上剪切盒上，所述位移传感器连接在支撑架上，所述步进电机与下剪切盒连接，所述上剪切盒和激振器分别与水平荷载传感器连接，所述激振器用以施加机械振动力，所述位移传感器用以测量土体试样的固结位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，所述加速度计用以精确监测土体试样受到的水平加速度。

【技术特征摘要】
1.一种监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，包括支撑架、杠杆、激振器、水平荷载传感器、垂直荷载传感器、上剪切盒、下剪切盒、位移传感器、步进电机和加速度计，所述激振器、水平荷载传感器、下剪切盒和步进电机均位于支撑架上，所述杠杆位于支撑架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷载传感器位于上剪切盒的上方，所述加速度计设置在上剪切盒上，所述位移传感器连接在支撑架上，所述步进电机与下剪切盒连接，所述上剪切盒和激振器分别与水平荷载传感器连接，所述激振器用以施加机械振动力，所述位移传感器用以测量土体试样的固结位移量和振动过程中土体试样的轴向变形，所述加速度计用以精确监测土体试样受到的水平加速度。2.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述激振器通过传力杆与水平荷载传感器的一端连接，所述上剪切盒通过螺纹接头和第一螺柱与水平荷载传感器的另一端连接，所述上剪切盒与第一螺柱的一端连接，所述第一螺柱的另一端和水平荷载传感器的另一端均与螺纹接头连接。3.如权利要求2所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述激振器产生的机械振动力经传力杆传送至水平荷载传感器，然后经水平荷载传感器传送至上剪切盒。4.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述垂直荷载传感器的上端通过金属球连接一框架，在所述框架的上方放置位移传感器，所述杠杆垂直穿过框架的下端，所述杠杆的右侧挂有砝码，所述杠杆的左侧配有平衡锤。5.如权利要求4所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所述砝码产生一个垂直向下的重力，该重力经杠杆和框架传递到垂直荷载传感器后转换为对土体试样施加的垂向压力。6.如权利要求1所述的监测水平加速度的土体高频振动直剪仪，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琼，冯晓腊，崔德山，严绍军，黄伟，张广厦，
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