一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法技术

一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置(1)、机架(2)、空心环剪盒装置(3)、扭剪动力装置(4)；其中机架(2)固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部，空心环剪盒装置(3)和扭剪动力装置(4)设置在机架(2)与TSZ升降动力装置(1)之间，且空心环剪盒装置(3)位于TSZ升降动力装置(1)的上方，扭剪动力装置(4)位于空心环剪盒装置(3)的上方。本发明专利技术充分利用TSZ全自动试验机提供精准的轴压力，提供应力应变控制式的稳定力源，同时采用封闭的空心环剪盒装置，解决了环剪过程中溢漏试样的难题，测量强度值更为精确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法
本专利技术涉及一种多功能环剪仪，具体涉及一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法，适用于土、石等颗粒材料在不同轴压、不同剪切速率下，开展土样残余强度和蠕变力学性质试验，属于岩土工程领域。
技术介绍
近年来研究岩土体的残余强度和蠕变性质已成为热点领域，传统上做这类试验所用的仪器主要是直剪仪和三轴仪器，由于这两类仪器受剪切行程限制，土样无法达到残余状态，所以很难模拟滑带土处于真实的残余状态下的剪切响应，测出的强度破坏临界值与真实值相差甚远，对工程滑坡预测不准，往往造成严重的地质灾害。目前，由于直剪仪尺寸较小，所以是通过反复剪切使试样达到残余状态下后再开展蠕变试验，并且试样代表性差，精确较低，并且与实际滑坡体变形—强度—时间关系不完全符合。三轴试验机是土工试验最先进的仪器之一，电子技术、自动化技术、传感自动技术和计算机集成一体，自动化程度高，可以开展UU、CU、CD等压缩试验、固结试验、多种应力路径三轴试验、抗剪强度试验等。而TSZ全自动三轴仪，升降动力装置采用的是步进式电机，所以控制精度高，可以等速、加速等位移控制，是理想的动力资源，但是目前的TSZ全自动三轴仪，只能做小试样的压缩试验和强度试验，所以无法做大位移条件下的残余强度试验和蠕变试验，并且试样破坏面与真实滑坡体的剪切面不是一回事，因此这将大大降低TSZ全自动三轴仪的适用性。环剪仪是一种研究土体在大剪切位移条件下力学特性的土工设备，在开展土样残余强度测试及分析残余状态下的相关力学性质方面具有独特优势。尽管现有的环剪仪都是基于Bromhead和Bishop原理设计，但其设计上仍存在严重不足。其一环剪仪存在溢漏试样的问题；其二基于Bishop类型的环剪仪，试样压缩性需较小；其三测试功能比较单一，无法做饱和试验，不能测空隙压力值和剪切面温度变化，对残余强度和蠕变性质的某些机理解释不清；其四溢漏试样或摩擦力的存在，测量的强度值不准确。在这样一个背景下，专利技术一种高精度的多功能环剪仪势在必行。
技术实现思路
针对上述现有技术中的缺陷和不足，本专利技术按Bromhead基本原理，提出一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备及其使用方法。该设备及方法利用已有试验机提供高精准的加载力源，同时采用封闭的空心环剪盒装置有效解决了试验过程中溢漏试样的问题，封闭的空心环剪盒装置还能做饱和试验和测量空隙压力值，设备功能的多样性可满足不同试验条件下的要求；此外，该设备剪切面位置设有高精度的温度传感器，模拟快速滑坡体剪切面温度的响应，为滑坡体的剪切带机理分析提供新途径。根据本专利技术的第一种实施方案，提供一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备：一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置、机架、空心环剪盒装置、扭剪动力装置。其中机架固定在TSZ升降动力装置的顶部，空心环剪盒装置和扭剪动力装置设置在机架与TSZ升降动力装置之间，且空心环剪盒装置位于TSZ升降动力装置的上方，扭剪动力装置位于空心环剪盒装置的上方。在本专利技术中，所述机架包括2根立柱和反力梁。2根立柱分别固定在TSZ升降动力装置的顶部两侧，反力梁与2根立柱的上部垂直连接。优选的是，TSZ升降动力装置与空心环剪盒装置之间还设有底座、柱式拉压力传感器和方桌形底盘。其中底座设置在TSZ升降动力装置的升降轴上，底座的中间设有柱式拉压力传感器，底座的上部连接方桌形底盘；作为优选，底座的上部边缘设有伸缩孔。在本专利技术中，所述空心环剪盒装置包括复合底盘、钢环套、加载板。其中复合底盘包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘设置在方桌形底盘的顶部。钢环套套设在复合底盘的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套的内壁与复合底盘的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室。加载板包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触。优选的是，加载板一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口，复合底盘的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口，复合底盘的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口。且复合底盘的上部内槽结构内安装有旋转接头，旋转接头的上部通过输液管连接反压进液口，旋转接头的下部连接底盘反压进液口。底盘输液进口通过三通阀连接孔压传感器，可以施加反压饱和和测量空隙压力。所述旋转接头可以360度旋转。作为优选，所述空心环剪盒装置还包括第一铜芯透水石、第二铜芯透水石。其中第一铜芯透水石固定在加载板的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石放置在钢环套与复合底盘形成的环形腔室的底部。优选的是，所述空心环剪盒装置还包括温度传感器。温度传感器穿过加载板的下部“工”形结构和第一铜芯透水石。优选，温度传感器为无线PT100温度传感器。作为优选，所述空心环剪盒装置还包括第一摩擦传感器和第二摩擦传感器。其中，第一摩擦传感器穿过钢环套并固定在钢环套的上部。第二摩擦传感器穿过复合底盘的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。优选的是，钢环套的顶部连接有T型杆，T型杆的顶部设有位移传感器，且位移传感器的上部固定在机架的立柱伸出的横杆上。位移传感器用于测量试样压缩变形。优选的是，加载板的下部“工”形结构的外围设有凹形槽，凹形槽内设有O型密封圈，如此设置可保证空心环剪盒装置的密封性。作为优选，加载板的下部“工”形结构的底部设有多道相通环形槽。多道相通环形槽的设置，可保证试验过程中施加的反压液均匀地分布给试样。其中，多道相通环形槽优选为3道相通环形槽。作为优选，复合底盘的下部盘状结构上开设有环形槽，且环形槽位于钢环套与复合底盘形成的环形腔室的底部。优选，环形槽内设有橡胶垫圈。橡胶垫圈的设置可以防止复合底盘漏水。在本专利技术中，所述扭剪动力装置包括钢架套、伺服电机、调距套筒、伸缩器。其中伺服电机设置在空心环剪盒装置的加载板上，钢架套设置在伺服电机的上部外侧，钢架套的顶部中间安装有调距套筒，钢架套的顶部两侧分别设有伸缩器，调距套筒和伸缩器的上端与机架的反力梁连接。其中，调距套筒的设置可以微调加载板以上的高度。伺服电机(通过螺栓)固定在钢架套内，钢架套顶面设置2个伸缩器，以保持伺服电机的扭转轴在竖向中心轴线方位上。优选的是，钢架套的一侧下部接有固位杆。伺服电机的扭转轴(竖直)设置在空心环剪盒装置的加载板上。扭转轴上安装有角位移传感器和扭矩传感器，角位移传感器和扭矩传感器的一侧均固定在固位杆上，且扭矩传感器设置在角位移传感器的上方。所述固位杆为高强度刚性固位杆。在本专利技术中，该设备还包括测控系统。所述测控系统包括反压控制器、孔压采集器、伺服电机驱动器、信息采集器、第一计算机、第二计算机。其中，底盘反压进液口和三通阀与反压控制器连接。孔压传感器与孔压采集器连接。伺服电机与伺服电机驱动器连接。温度传感器、第一摩擦传感器、第二摩擦传感器、位移传感器、角位移传感器、扭矩传感器和柱式拉压力传感器均与信息采集器连接。反压控制器、孔压采集器和TSZ升降动力装置均与第一计算机连接。伺服电机驱动器和信息采集器与第二计算机连接。其中，底盘反压进液口和三通阀通过橡胶管与反压控制器连接。伺服电机与伺服电机驱动器通过伺服电机信号线连接。根据本专利技术的第二种实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置(1)、机架(2)、空心环剪盒装置(3)、扭剪动力装置(4)；其中机架(2)固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部，空心环剪盒装置(3)和扭剪动力装置(4)设置在机架(2)与TSZ升降动力装置(1)之间，且空心环剪盒装置(3)位于TSZ升降动力装置(1)的上方，扭剪动力装置(4)位于空心环剪盒装置(3)的上方。

【技术特征摘要】
1.一种基于TSZ全自动试验机的多功能环剪仪试验设备，该设备包括TSZ升降动力装置(1)、机架(2)、空心环剪盒装置(3)、扭剪动力装置(4)；其中机架(2)固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部，空心环剪盒装置(3)和扭剪动力装置(4)设置在机架(2)与TSZ升降动力装置(1)之间，且空心环剪盒装置(3)位于TSZ升降动力装置(1)的上方，扭剪动力装置(4)位于空心环剪盒装置(3)的上方。2.根据权利要求1所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述机架(2)包括2根立柱(201)和反力梁(202)，2根立柱(201)分别固定在TSZ升降动力装置(1)的顶部两侧，反力梁(202)与2根立柱(201)的上部垂直连接；和/或TSZ升降动力装置(1)与空心环剪盒装置(3)之间还设有底座(5)、柱式拉压力传感器(6)和方桌形底盘(7)；其中底座(5)设置在TSZ升降动力装置(1)的升降轴(101)上，底座(5)的中间设有柱式拉压力传感器(6)，底座(5)的上部连接方桌形底盘(7)；作为优选，底座(5)的上部边缘设有伸缩孔(501)。3.根据权利要求2所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述空心环剪盒装置(3)包括复合底盘(301)、钢环套(302)、加载板(303)；其中复合底盘(301)包括下部的盘状结构和上部中间的内槽结构，且复合底盘(301)设置在方桌形底盘(7)的顶部；钢环套(302)套设在复合底盘(301)的下部盘状结构的外侧边缘，钢环套(302)的内壁与复合底盘(301)的上部内槽结构的外壁形成一个环形腔室；加载板(303)包括横板及设置在横板两端下部的“工”形结构，且加载板(303)的下部“工”形结构与环形腔室的内壁上部接触。4.根据权利要求3所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：加载板(303)一侧的下部“工”形结构处设有反压进液口(304)，复合底盘(301)的下部盘状结构的一侧设有底盘输液进口(305)，复合底盘(301)的下部盘状结构的另一侧设有底盘反压进液口(306)，且复合底盘(301)的上部内槽结构内安装有旋转接头(307)，旋转接头(307)的上部通过输液管(L)连接反压进液口(304)，旋转接头(307)的下部连接底盘反压进液口(306)，底盘输液进口(305)通过三通阀(308)连接孔压传感器(309)。5.根据权利要求3或4所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述空心环剪盒装置(3)还包括第一铜芯透水石(310)、第二铜芯透水石(311)，其中第一铜芯透水石(310)固定在加载板(303)的下部“工”形结构内，第二铜芯透水石(311)放置在钢环套(302)与复合底盘(301)形成的环形腔室的底部；优选的是，所述空心环剪盒装置(3)还包括温度传感器(312)；温度传感器(312)穿过加载板(303)的下部“工”形结构和第一铜芯透水石(310)；优选，温度传感器(312)为无线PT100温度传感器；作为优选，所述空心环剪盒装置(3)还包括第一摩擦传感器(313)和第二摩擦传感器(314)，其中，第一摩擦传感器(313)穿过钢环套(302)并固定在钢环套(302)的上部，第二摩擦传感器(314)穿过复合底盘(301)的上部内槽结构的侧壁并固定在内槽的侧壁上部。6.根据权利要求3-5中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：钢环套(302)的顶部连接有T型杆(315)，T型杆(315)的顶部设有位移传感器(316)，且位移传感器(316)的上部固定在机架(2)的立柱(201)伸出的横杆(203)上；优选的是，加载板(303)的下部“工”形结构的外围设有凹形槽(30301)，凹形槽(30301)内设有O型密封圈(30302)；作为优选，加载板(303)的下部“工”形结构的底部设有多道相通环形槽(30303)；作为优选，复合底盘(301)的下部盘状结构上开设有环形槽(30101)，且环形槽(30101)位于钢环套(302)与复合底盘(301)形成的环形腔室的底部；优选，环形槽(30101)内设有橡胶垫圈(30102)。7.根据权利要求3-6中任一项所述的多功能环剪仪试验设备，其特征在于：所述扭剪动力装置(4)包括钢架套(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：董辉，李青隆，蒋秀姿，罗正东，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43