一种纯剪切加载的砂土环剪实验装置的制作方法

1.本发明涉及土样抗剪强度测定技术领域，具体涉及一种纯剪切加载的砂土环剪实验装置。


背景技术：

2.环剪仪用于测试重塑环状土样的残余剪切强度。大型高速环剪仪主要用于岩土力学参数测定，研究地质灾害滑坡、泥石流等形成和运动机制及其防治。研究土在大剪切位移条件下力学特性，对于边坡稳定性分析、地质灾害发生的力学机理研究及其边坡渐进式破坏过程研究等具有重要的学术意义。
3.常规的土环剪仪，通过上下剪切盒产生的扭矩，对土试样的上下两个面施加剪切。扭矩产生的剪切应力，在土试样的水平截面上并不是均匀分布的，而是在边缘处最大、圆心处为零。因此，必须经过理论推算才能得到土的剪切强度，且推算所得的剪切强度与实际数值存在有一定偏差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种纯剪切加载的砂土环剪实验装置，以解决现有技术中，由于基于上、下剪切盒结构的土环剪仪因剪切盒中的土试样剪切应力不均而导致的无法直接得出土试样的剪切强度技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
6.一种纯剪切加载的砂土环剪实验装置，包括：
7.嵌套式剪切盒，所述嵌套式剪切盒具有底端闭口且上端开口的用于装入土试样的环形试样腔，且所述环形试样腔的位于内周一侧的腔壁与所述嵌套式剪切盒的主体同轴转动配合；
8.压实模具，所述压实模具有与所述环形试样腔插接配合的环形部。
9.作为本发明的一种优选方案，所述嵌套式剪切盒包括外盒壁和内盒壁，所述外盒壁同轴套设在所述内盒壁外，所述外盒壁与内盒壁间隔设置，所述外盒壁形成所述环形试样腔的位于内周一侧的腔壁，且所述内盒壁与所述外盒壁的底端之间通过旋转密封件旋转密封连接。
10.作为本发明的一种优选方案，所述嵌套式剪切盒还包括外环形底托和内环形底托，所述旋转密封件为o型胶圈，所述外环形底托的外壁安装在所述外盒壁的底端，所述内环形底托的内壁安装在所述内盒壁的底端，所述外环形底托转动套设在所述内环形底托外，且所述外环形底托的内壁与所述内环形底托的外壁相贴合，所述内环形底托的外壁上开设有环形槽，所述o型胶圈过盈安装在所述环形槽内。
11.作为本发明的一种优选方案，所述外环形底托与所述内环形底托的顶部位于同一平面内，所述内环形底托的上端的外径不大于底端的外径。
12.作为本发明的一种优选方案，所述外盒壁底端设置有法兰，所述法兰上安装有用
于固定所述外盒壁的螺栓。
13.作为本发明的一种优选方案，所述内盒壁为实心的圆柱状，所述内环形底托一体成型于所述内盒壁的侧壁上，所述内盒壁的底端突出于所述外环形底托，以使所述内盒壁的底部形成轴部。
14.作为本发明的一种优选方案，所述压实模具呈圆柱筒状，所述压实模具的上端开口且底端开设有圆孔，且所述压实模具上端的侧壁上安装有向外侧延伸的手柄，所述圆孔的孔径与所述内盒壁的直径相适应，所述环形部形成于所述圆孔与所述压实模具的侧壁之间。
15.作为本发明的一种优选方案，还包括伺服电机、伺服驱动器、扭矩传感器、编程控制器和显示终端，所述伺服电机的转轴通过所述扭矩传感器与所述内盒壁的底端连接，所述伺服驱动器与所述伺服电机连接，所述编程控制器与所述显示终端连接，所述伺服驱动器和所述扭矩传感器均通过数据传输线与所述编程控制器连接；
16.所述编程控制器通过所述伺服驱动器向所述伺服电机输入控制信号，所述编程控制器通过所述扭矩传感器获取所述伺服电机的输出扭矩数值，所述编程控制器通过所述伺服驱动器获取所述伺服电机的转角数值，且所述编程控制器通过所述显示终端将所述输出扭矩数值和所述转角数值发送至所述显示终端进行显现。
17.作为本发明的一种优选方案，所述显示终端为液晶显示器，所述显示终端通过数据传输线与所述编程控制器连接。
18.作为本发明的一种优选方案，还包括机柜，所述外盒壁通过所述螺栓固定在所述机柜的顶端，所述机柜的顶端开设有顶孔，所述内盒壁底端的所述轴部穿过所述顶孔与安装在所述机柜内的所述扭矩传感器相连接，所述扭矩传感器、所述伺服电机和所述伺服驱动器均固定安装在所述机柜内，所述显示终端和所述编程控制器均安装在所述机柜的外壁上。
19.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
20.本发明通过采用嵌套式剪切盒，嵌套式剪切盒具有内周一侧腔壁可转动的环形试样腔，通过驱动环形试样腔的内周一侧的腔壁转动来对环形试样腔中被压实模具压实的土试样进行剪切，即通过纯剪切加载直接获得土试样的剪切强度，从而提高测定效率和测定精度。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
22.图1为本发明实施例的整体结构示意图；
23.图2为本发明实施例的嵌套式剪切盒的安装示意图；
24.图3为本发明实施例的嵌套式剪切盒的结构示意图；
25.图4为本发明实施例的压实模具的结构示意图。
26.图中的标号分别表示如下：
27.1-嵌套式剪切盒；2-环形试样腔；3-压实模具；4-o型胶圈；5-环形槽；6-法兰；7-螺栓；8-轴部；9-圆孔；10-手柄；11-伺服电机；12-伺服驱动器；13-扭矩传感器；14-编程控制器；15-显示终端；16-数据传输线；17-机柜；18-顶孔；
28.101-外盒壁；102-内盒壁；103-外环形底托；104-内环形底托；
29.301-环形部。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.如图2至图4所示，本发明提供了一种纯剪切加载的砂土环剪实验装置，包括：
32.嵌套式剪切盒1，嵌套式剪切盒1具有底端闭口且上端开口的用于装入土试样的环形试样腔2，且环形试样腔2的位于内周一侧的腔壁与嵌套式剪切盒1的主体同轴转动配合；
33.压实模具3，压实模具3有与环形试样腔2插接配合的环形部301。
34.具体的，现有进行砂土环剪的实验装置例如环剪切仪，通常都具有旋转驱动单元、数据采集单元和测试控制单元，旋转驱动单元用于驱动下剪切盒转动。而在本发明实施例中，将待测试的土试样装入环形试样腔2中后，将压实模具3的环形部301插入环形试样腔2中，通过被驱动的压实模具3将环形试样腔2中的土试样进行压实，然后驱动环形试样腔2的内周一侧的腔壁转动，进行土试样剪切强度的实验。进行的土样环剪实验采用的是具有环形试样腔2且内周一侧腔壁可转动的嵌套式剪切盒1，环形试样腔2的位于内周一侧的腔壁与实验装置的旋转驱动单元连接。通过驱动环形试样腔2的内周一侧的腔壁转动来对环形试样腔2中的土试样进行剪切，即通过纯剪切加载直接获得土试样的剪切强度，避免了土试样受到剪切应力在水平切面上分布不均，存在边缘处剪切应力而圆心中剪切应力为零的情况，从而导致必须经过理论推算才能得到土试样的剪切强度的弊端。
35.而实验原理与现有的环剪切仪类似，即测试控制单元控制旋转驱动单元以设定的转动驱动环形试样腔2的内周一侧的腔壁进行转动，以此来对环形试样腔2中经过压实模具3压实的土试样进行剪切，且测试控制单元通过数据采集单元采集旋转驱动单元反馈的扭矩，并对旋转驱动单元的转角等数据进行采集，测试控制单元通过获取的扭矩、转角等参数来分析计算土试样的剪切强度。
36.其中，嵌套式剪切盒1包括外盒壁101和内盒壁102，外盒壁101同轴套设在内盒壁102外，外盒壁101与内盒壁102间隔设置，外盒壁101形成环形试样腔2的位于内周一侧的腔壁，且内盒壁102与外盒壁101的底端之间通过旋转密封件旋转密封连接。
37.外盒壁101和内盒壁102均呈圆柱状且二者同轴设置，外盒壁101固定设置，内盒壁102与旋转驱动单元相连接，通过旋转的内盒壁102对环形试样腔2中的土试样进行剪切。
38.其中，嵌套式剪切盒1还包括外环形底托103和内环形底托104，旋转密封件为o型胶圈4，外环形底托103的外壁安装在外盒壁101的底端，内环形底托104的内壁安装在内盒壁102的底端，外环形底托103转动套设在内环形底托104外，且外环形底托103的内壁与内环形底托104的外壁相贴合，内环形底托104的外壁上开设有环形槽5，o型胶圈4过盈安装在
环形槽5内。
39.外环形底托103和内环形底托104的设置，目的在于增大环形试样腔2的容积，并避免通过旋转密封件对环形试样腔2中的土样进行支撑而导致旋转密封件发生脱落和损耗加快的情况发生。外环形底托103和内环形底托104位于同一水平内，内环形底托104同轴装配在外环形底托103中心的孔中，且内环形底托104的外侧壁与外环形底托103的内侧壁紧密贴合，以配合环形槽5中的o型胶圈4，将嵌套式剪切盒1的底部充分密封。
40.在上述实施例上进一步优化的是，外环形底托103与内环形底托104的顶部位于同一平面内，内环形底托104的上端的外径不大于底端的外径。其目的在于，拆卸外盒壁101相较于拆卸内盒壁102能够更方便的将环形试样腔2中的土试样取出，内环形底托104的上端的外径不大于底端的外径，相应的，外环形底托103中心的孔为圆柱孔或上窄宽的锥形孔，从而使外盒壁101解除固定后，能够直接向上拉动外环形底托103，使环形试样腔2中的土试样充分暴露，从而达到快速清除嵌套式剪切盒1中土试样的目的。
41.优选的是，外盒壁101底端设置有法兰6，法兰6上安装有用于固定外盒壁101的螺栓7，且法兰6一体成型于外盒壁101的侧壁上。
42.在上述实施例上进一步优化的是，内盒壁102为实心的圆柱状，内环形底托104一体成型于内盒壁102的侧壁上，内盒壁102的底端突出于外环形底托103，以使内盒壁102的底部形成轴部8。
43.内盒壁102的底端突出于外环形底托103，以使内盒壁102的底端形成与旋转驱动单元连接的轴部8，其优点在于，无需在内盒壁102上外加连接轴，避免连接轴与内盒壁102不同轴的情况发生，降低加工难度的同时，从而确保内盒壁102旋转的稳定性。
44.其中，压实模具3呈圆柱筒状，压实模具3的上端开口且底端开设有圆孔9，环形部301形成于圆孔9与压实模具3的侧壁之间，压实模具3通过圆孔9与内盒壁102配合，以使压实模具3保持嵌套式剪切盒1的同轴度，且压实模具3上端的侧壁上安装有向外侧延伸的手柄10，以方便人工及器械对压实模具3施压和提拉，且圆孔9的孔径与内盒壁102的直径相适应，避免环形试样腔2中的土试样由圆孔9溢出。
45.如图1所示，本发明还包括伺服电机11、伺服驱动器12、扭矩传感器13、编程控制器14和显示终端15，伺服电机11的转轴通过扭矩传感器13与内盒壁102的底端连接，伺服驱动器12与伺服电机11连接，编程控制器14与显示终端15连接，伺服驱动器12和扭矩传感器13均通过数据传输线16与编程控制器14连接；
46.编程控制器14通过伺服驱动器12向伺服电机11输入控制信号，编程控制器14通过扭矩传感器13获取伺服电机11的输出扭矩数值，编程控制器14通过伺服驱动器12获取伺服电机11的转角数值，且编程控制器14通过显示终端15将输出扭矩数值和转角数值发送至显示终端15进行显现。
47.其中，伺服电机11和伺服驱动器12对应旋转驱动单元，扭矩传感器13和编程控制器14对应数据采集单元，编程控制器14和显示终端15对应测试控制单元。
48.优选的是，显示终端15为液晶显示器，显示终端15通过数据传输线16与编程控制器14连接。
49.本发明还包括机柜17，外盒壁101通过螺栓7固定在机柜17的顶端，机柜17的顶端开设有顶孔18，内盒壁102底端的轴部8穿过顶孔18与安装在机柜17内的扭矩传感器13相连
接，扭矩传感器13、伺服电机11和伺服驱动器12均固定安装在机柜17内，显示终端15和编程控制器14均安装在机柜17的外壁上。
50.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。