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專利名稱：一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試儀，更具體說是涉及一種基于貝氏儀測(cè)試原理的土壤力學(xué)特性測(cè)試儀器一一種土壤承壓和剪切特性試驗(yàn)測(cè)試儀。屬于測(cè)試設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
土壤的物理力學(xué)特性對(duì)車輛的牽引控制性能有著很大的影響，對(duì)土壤物理力學(xué)特性的研究，有助于評(píng)估車輛的路面通過性，優(yōu)化其驅(qū)動(dòng)性能并進(jìn)行安全的路徑規(guī)劃。為了深入分析土壤的物理力學(xué)特性，需要對(duì)土壤的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，土壤的物理參數(shù)主要包括粒級(jí)配、顆粒比重、容重和孔隙比等，這些參數(shù)可通過土力學(xué)的方法較為直觀地測(cè)量并計(jì)算出來。土壤的力學(xué)特性參數(shù)主要包括內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角f、剪切變形模量K、沉陷指數(shù)η、內(nèi)聚力變形模量kc以及摩擦變形模量~等，其中c#和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、鈿和η主要用于表征土壤的承壓特性，但是以上這些參數(shù)都無法利用土力學(xué)工具直接測(cè)出，必須通過對(duì)土壤進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)后間接計(jì)算獲得。而在對(duì)土壤的特性分析中，我們直接觀測(cè)到的是土壤的物理特性，土壤物理參數(shù)的變化又會(huì)影響到土壤的力學(xué)特性，t匕如土壤孔隙比e的變化就可直接影響土壤內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角f的數(shù)值，因此，土壤的物理和力學(xué)特性參數(shù)之間存在著關(guān)聯(lián)，相互關(guān)系也比較復(fù)雜。土壤的力學(xué)參數(shù)對(duì)車輛的牽引特性產(chǎn)生直接的影響，而土壤的物理參數(shù)則通過改變土壤的力學(xué)特性間接影響車輛的牽引特性。采用室內(nèi)土工試驗(yàn)的方法測(cè)量土壤的物理力學(xué)特性不僅可以避免一些外界因素的影響(如雨、雪等)，而且還可以重復(fù)快速地獲得試驗(yàn)結(jié)果，成本也相對(duì)低廉，因此常采用或設(shè)計(jì)相應(yīng)的土力學(xué)測(cè)試工具來進(jìn)行土壤特性的測(cè)試。其中，應(yīng)用最廣泛的設(shè)備是貝氏儀(Bevameter)，除了貝氏儀之外，通常還采用其它的土壤測(cè)試方法，如直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，除此之外，美國(guó)陸軍水道試驗(yàn)站采用圓錐貫入試驗(yàn)來分析土壤的可行駛性。以下分別介紹這幾種試驗(yàn)所用的儀器及測(cè)量方法。在各種土力學(xué)測(cè)試儀器中，貝氏儀(Bevameter)是一種通過模擬車輛行走機(jī)構(gòu)與土壤表面之間的的垂直載荷與剪切力來獲取土壤承壓、剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的工具。相對(duì)于其他各種土壤力學(xué)特性測(cè)試工具，貝氏儀最為突出的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單高效，它以經(jīng)典土力學(xué)公式為基礎(chǔ)，借助簡(jiǎn)單的加載機(jī)構(gòu)與測(cè)量系統(tǒng)即可快整獲得土壤的承壓剪切特性曲線。除了典型的貝氏儀，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)也設(shè)計(jì)完成了不同類型的貝氏儀。直剪試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單，實(shí)用的平動(dòng)剪切試驗(yàn)。在目前存在的各種剪切測(cè)試方法中，直剪試驗(yàn)是最早開始使用的土壤特性測(cè)試方法之一。直剪試驗(yàn)是屬于“線性二維”測(cè)試方法，在試驗(yàn)過程中需選用4飛個(gè)試樣，在直剪儀預(yù)定剪切面上施加不同法向應(yīng)力和剪切力，直至破壞來測(cè)定土體本身、土體軟弱面和地基土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角f)的技術(shù)操作。直剪試驗(yàn)在類干沙土壤中的測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確。直剪試驗(yàn)一般采用應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種方式進(jìn)行；剪切方式分為慢剪、固結(jié)快剪和快剪三種；試驗(yàn)需要的儀器有直剪儀、測(cè)力計(jì)、環(huán)刀、切土刀等；其中剪切儀主要由垂直加載裝置、水平推力(拉力)裝置、剪切盒、水平及垂直位移計(jì)等組成。
三軸試驗(yàn)通常用于確定排水控制條件下土壤的應(yīng)力-應(yīng)變特性，雖然試驗(yàn)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，但相對(duì)直剪試驗(yàn)來講，三軸試驗(yàn)可在試驗(yàn)室內(nèi)以一種更為逼真的方式再現(xiàn)就位土壤的初始有效應(yīng)力及其變化。三軸試驗(yàn)是一種精確預(yù)測(cè)土壤最大剪切阻力，獲取土壤剪切失效時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測(cè)量方法。三軸試驗(yàn)一般采用3 4個(gè)圓柱形試樣，分別在不同的圍壓σ 3下，對(duì)試樣施加軸向壓力(即主應(yīng)力差Ol — σ 3)直至試樣破壞，計(jì)算抗剪強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)聚力C，內(nèi)摩擦角￠0的技術(shù)操作。三軸壓縮試驗(yàn)通常利用三軸壓縮儀來進(jìn)行測(cè)試。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)等組成。圓錐貫入試驗(yàn)是一種經(jīng)驗(yàn)性的測(cè)試方法，該方法是由美國(guó)陸軍水道試驗(yàn)站(WaterwaysExperiment Station)由純經(jīng)驗(yàn)建立的，又稱WES法。由于WES法主要是把影響土壤支承能力和土壤推進(jìn)力的力學(xué)性質(zhì)結(jié)合在一起(不計(jì)承載面積的影響)組成一個(gè)度量值，稱為“圓錐指數(shù)(Cl)”，因此這種測(cè)試方法又叫做圓錐指數(shù)法。WES法測(cè)試簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，是一種判斷土壤可行駛性和車輛可通過性的快速測(cè)定法，已為世界上許多國(guó)家所采用。圓錐貫入試驗(yàn)的另一個(gè)特點(diǎn)就是解決由傳統(tǒng)剪切試驗(yàn)所帶來得典型問題，利用傳統(tǒng)的剪切特性試驗(yàn)(如貝氏儀)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)土壤可通過性時(shí)，對(duì)承壓條件下土壤的應(yīng)力狀態(tài)缺乏一定的認(rèn)識(shí)，而出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代的精確應(yīng)力理論由于過于復(fù)雜而極少被應(yīng)用于土壤特性的測(cè)試及通過性研究中，因此圓錐貫入試驗(yàn)得到了較好的發(fā)展，圓錐貫入儀也得到不斷的改進(jìn)。為了擴(kuò)展傳統(tǒng)圓錐貫入試驗(yàn)的測(cè)量范圍，進(jìn)一步分析土壤的力學(xué)特性，葉片-圓錐測(cè)試儀應(yīng)運(yùn)而生，該儀器不僅可進(jìn)行傳統(tǒng)圓錐貫入試驗(yàn)，更增加了土壤剪切特性的測(cè)試方法，試驗(yàn)過程中，葉片錐在一定的垂直壓力下貫入土壤至特定的深度，然后旋轉(zhuǎn)，對(duì)土壤進(jìn)行剪切。葉片-圓錐貫入試驗(yàn)常用于測(cè)量粘土材料的力學(xué)特性。還有一種與圓錐貫入儀相類似的土壤測(cè)試儀器-葉片剪切貫入儀。該儀器僅能用于測(cè)試粘土的剪切應(yīng)力。該儀器不僅可用于室內(nèi)土工測(cè)試，也可以在野外進(jìn)行測(cè)試。儀器下端的剪切頭由四個(gè)尺寸相同的薄葉片焊接在剛性扭矩連接桿上，組成剪切葉片，另外一種使用時(shí)間較長(zhǎng)的剪切特性測(cè)試儀器是Cohron剪切應(yīng)力記錄儀。該儀器主要用于測(cè)試就位土壤的剪切應(yīng)力。儀器下端裝有一個(gè)用光滑橡膠或金屬表 面的扭轉(zhuǎn)剪切頭，剪切頭通過螺旋彈簧與數(shù)據(jù)記錄桿相聯(lián)。研究車輛車輪與土壤相互作用的力學(xué)特性，就必須掌握模擬土壤力學(xué)特性。與探測(cè)車行駛相關(guān)的原位模擬土壤參數(shù)的測(cè)量并沒有通用儀器可供使用，而且相關(guān)的測(cè)試儀器較少。因此，要對(duì)模擬土壤的貫入特性、承壓特性和剪切特性進(jìn)行就位測(cè)量，就必須設(shè)計(jì)一套專用的土壤承壓/剪切特性測(cè)試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的:結(jié)合以上情況并參考各類貝氏儀及其他土壤測(cè)試儀器，本發(fā)明的目的是提供一種基于貝氏儀測(cè)試原理的土壤力學(xué)特性測(cè)試儀器一一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀，利用該儀器可分別測(cè)量土壤的承壓特性和剪切特性，對(duì)得到的的承壓特性曲線和剪切特性曲線進(jìn)行處理后，可獲得土壤的主要力學(xué)參數(shù)。2、技術(shù)方案:(I)本發(fā)明一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀，它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、破碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、破碼座、上滑動(dòng)軸、壓/扭組合傳感器、下滑動(dòng)軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架。其位置連接關(guān)系是:該測(cè)試儀器主體采用三角架支撐，三角架裝于支撐座上，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架的長(zhǎng)度和張合度，支撐座上裝有對(duì)稱分布的兩個(gè)壓耳，當(dāng)剪切環(huán)在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時(shí)，通過手扶壓耳可保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測(cè)量精度；砝碼座套于支撐座的外套筒上并可沿其上下滑動(dòng)，砝碼座底部的圓盤主要用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼，試驗(yàn)時(shí)通過添加砝碼來增加剪切環(huán)/壓板上的垂直載荷。位移傳感器外殼導(dǎo)軌安裝于破碼座上，主要用于固定位移傳感器的外殼，為避免干涉，所有砝碼上均加工有U型開口槽，砝碼加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌正好位于所有砝碼的開口槽內(nèi)。位移傳感器的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座上，而位移傳感器外殼則隨砝碼座上下移動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)量壓板的下陷量。U型座安裝于砝碼座的頂部，主要用于固定角位移傳感器的外殼。支撐座中心套筒上裝有限位螺栓，用于限定上滑動(dòng)軸在垂直方向的位置，支撐座頂部和底部孔端均裝有軸套，用于定位上滑動(dòng)軸，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時(shí)上滑動(dòng)軸可在軸套中上下滑動(dòng)并自由旋轉(zhuǎn)。上滑動(dòng)軸頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器與角位移傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器相連，上滑動(dòng)軸的軸肩處裝有卡圈，卡圈上裝有推力球軸承，砝碼座置于推力球軸承之上，其承受的重量可通過軸承、卡圈及上滑動(dòng)軸傳至壓/扭組合傳感器上，上滑動(dòng)軸的上方還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對(duì)上滑動(dòng)軸施加扭矩。在試驗(yàn)過程中，上滑動(dòng)軸既可上下滑動(dòng)傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞扭矩。壓/扭組合傳感器底端連接下滑動(dòng)軸，下滑動(dòng)軸同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板，試驗(yàn)時(shí)，剪切環(huán)/壓板承受的土壤反作用力將通過下滑動(dòng)軸傳遞至壓/扭組合傳感器，壓/扭組合傳感器不僅能夠測(cè)量剪切環(huán)/壓板承受的垂直載荷，也可對(duì)剪切環(huán)承受的反向剪切力矩進(jìn)行測(cè)量。然后，用無紙記錄儀對(duì)測(cè)得的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、記錄和存儲(chǔ)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)完畢后，利用KLC0M100數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)生成報(bào)表導(dǎo)出。所述角位移傳感器聯(lián)軸器是定制或市購(gòu)的圓柱形聯(lián)軸器；所述U型座是板材彎制的C形件；所述位移傳感器、壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，其測(cè)量范圍根據(jù)試驗(yàn)要求選定，可按照要求在市場(chǎng)上選購(gòu)；所述砝碼是根據(jù)此儀器配合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)所需的壓力來源，是圓柱形并其上開有U型槽的自制件；所述位移傳感器外殼導(dǎo)軌是固定位移傳感器的并其上開有U型槽的自制件；所述砝碼座是圓管與板材垂直連接的倒T形件；所述上滑動(dòng)軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺(tái)階軸；所述下滑動(dòng)軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺(tái)階軸；所述剪切環(huán)/壓板是圓盤形零件，剪切環(huán)上設(shè)置有矩形齒；所述扭轉(zhuǎn)板手套是心部及圓周中部設(shè)直有圓孔的圓柱形件；所述推力球軸承是型號(hào)為51202GB/T301-1995的市購(gòu)件；所述卡圈是圓柱形的自制件；
所述支撐座是T型的自制件；所述限位螺栓是市購(gòu)連接件；所述壓耳是圓鋼煨制的C形件；所述軸套是按預(yù)定尺寸制造的圓形套管件；所述三角架是可伸縮的按預(yù)定尺寸制造或外購(gòu)的三角形支架。所述無紙記錄儀，可自制或市場(chǎng)上選購(gòu)；本發(fā)明的工作原理及流程簡(jiǎn)介如下:本發(fā)明的工作原理:土壤物理力學(xué)特性的研究，有助于評(píng)估車輛的路面通過性，優(yōu)化其驅(qū)動(dòng)性能并進(jìn)行安全的路徑規(guī)劃。為了深入分析土壤的物理力學(xué)特性，需要對(duì)土壤的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，土壤的物理參數(shù)主要包括粒級(jí)配、顆粒比重、容重和孔隙比等，這些參數(shù)可通過土力學(xué)的方法較為直觀地測(cè)量并計(jì)算出來。土壤的力學(xué)特性參數(shù)主要包括內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角P、剪切變形模量K、沉陷指數(shù)η、內(nèi)聚力變形模量kc以及摩擦變形模量鄉(xiāng)等，其中cj和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、~和η主要用于表征土壤的承壓特性。在承壓試驗(yàn)中，通過壓/扭組合傳感器和位移傳感器，我們能得到在承壓變化時(shí)，壓板的下陷量。在剪切試驗(yàn)中，通過壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，我們能得到在一定壓力下，扭矩與角位移的關(guān)系。然后根據(jù)其與Coulomb公式r =C +P&11^與Bekker承壓公式Inp=lnkp+nlnz的關(guān)系得到土壤力學(xué)參數(shù)。本發(fā)明的工作流程:在開展土壤承壓特性試驗(yàn)時(shí)，首先利用限位螺栓調(diào)整上滑動(dòng)軸的位置，使其逐步下降，通過觀察，當(dāng)壓板的底部端面剛好與土壤表面相接觸接觸時(shí)(此時(shí)壓板承受的垂直載荷仍然為零)，記錄此時(shí)位移傳感器的顯示數(shù)值，作為測(cè)量零點(diǎn)，然后松開限位螺栓，使壓板在土壤表面下陷，然后逐步添加砝碼，并同時(shí)記錄壓板承壓力和下陷量數(shù)據(jù)，繪制壓力-下陷量曲 線。為減小測(cè)量誤差，在同一尺寸的壓板下進(jìn)行3次以上相同的試驗(yàn)，取測(cè)量結(jié)果的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；在開展土壤剪切特性試驗(yàn)時(shí)，首先加載砝碼直至剪切環(huán)承受的垂直載荷達(dá)到預(yù)定值，然后順時(shí)針緩慢扳動(dòng)扭轉(zhuǎn)手柄進(jìn)行土壤剪切，同時(shí)記錄角位移傳感器和壓/扭傳感器測(cè)得的角度及扭矩?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)角位移傳感器的輸出角度顯示為180°時(shí)停止扭轉(zhuǎn)，儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系換算，繪制預(yù)定垂直載荷下土壤的剪切位移-剪切應(yīng)力曲線。為了保持測(cè)量精度，應(yīng)選取4個(gè)以上、數(shù)值間隔明顯的垂直載荷進(jìn)行試驗(yàn)。(2) 一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀的測(cè)試方法，該方法具體步驟如下:試驗(yàn)注意事項(xiàng):此試驗(yàn)是在松軟地面或室內(nèi)土槽內(nèi)進(jìn)行；附近須能提供220V電壓；由于儀器本身帶有多種傳感器，所以要避免儀器承受沖擊力。①土壤承壓特性試驗(yàn)步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對(duì)模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測(cè)量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)；步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時(shí)用水平尺對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，保證測(cè)試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，對(duì)壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓，手動(dòng)調(diào)整剪切環(huán)/壓板的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板底部與土壤剛剛接觸時(shí)，擰緊限位螺栓，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時(shí)位移傳感器的測(cè)試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板下陷量的零點(diǎn)。步驟三:松開限位螺栓，使剪切環(huán)/壓板陷入模擬土壤，記下此時(shí)剪切環(huán)/壓板的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器的初始讀數(shù)；對(duì)儀器逐步加載砝碼，同時(shí)觀察壓/扭組合傳感器和位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)砝碼總重為60kg左右時(shí)，停止加載。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測(cè)試儀，并檢查各部件的完好程度。步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并利用軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板的壓力-下陷量曲線。對(duì)同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)量值取平均。更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測(cè)量結(jié)果。②土壤剪切特性試驗(yàn)步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對(duì)模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)儀器的測(cè)量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)。步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時(shí)用水平尺對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，保證測(cè)試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)松開限位螺栓,扳動(dòng)扭轉(zhuǎn)扳手套，同時(shí)觀察角位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器的讀數(shù)為180度左右時(shí)停止扳動(dòng)，對(duì)壓/扭組合傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后使剪切環(huán)/壓板緩緩下行直至陷入模擬土壤，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時(shí)壓/扭組合傳感器的初始值。步驟三:對(duì)儀器加載砝碼，直至剪切環(huán)/壓板上的垂直壓力達(dá)到預(yù)定值。然后順時(shí)針扳動(dòng)扭轉(zhuǎn)扳手套，使剪切環(huán)/壓板旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行土壤剪切，同時(shí)觀察并記錄角位移傳感器和壓/扭組合傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器讀數(shù)顯示為O度時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)剪切環(huán)/壓板。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測(cè)試儀，并檢查各部件的完好程度。步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并利用軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)剪切力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線。重復(fù)步驟，在步驟三中更改垂直壓力的預(yù)定值，然后重復(fù)步驟，在整合試驗(yàn)過程中，預(yù)定值的設(shè)定次數(shù)不少于3次。3、優(yōu)點(diǎn)及功效:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:該參數(shù)測(cè)量?jī)x可以提供兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式來分別滿足多種測(cè)量方式的需要。它不僅能夠供承壓儀和貫入儀所需要的直線運(yùn)動(dòng)，還可以提供剪切時(shí)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，而且測(cè)量準(zhǔn)確，易于攜帶安裝，具備較好的穩(wěn)定性與可靠性適用于車輛整車試驗(yàn)時(shí)原位探測(cè)土壤的各種力學(xué)性能。


圖1本發(fā)明土壤承壓/剪切特性試驗(yàn)測(cè)試儀剖視圖；圖2為本發(fā)明土壤承壓/剪切試驗(yàn)測(cè)試儀立體 圖3 (a)承壓試驗(yàn)流程3(b)剪切試驗(yàn)流程4 (a)位移傳感器導(dǎo)軌正視4 (b)位移傳感器導(dǎo)軌俯視5(a)支撐座正視5(b)支撐座俯視中符號(hào)說明如下:1.角位移傳感器聯(lián)軸器；2.U型座；3.位移傳感器；4.砝碼；5.位移傳感器外殼導(dǎo)軌；6.砝碼座；7.上滑動(dòng)軸；8.壓/扭組合傳感器；9.下滑動(dòng)軸；10.剪切環(huán)/壓板；11.角位移傳感器；12.扭轉(zhuǎn)扳手套；13.推力球軸承；14.卡圈；15.支撐座；16.限位螺栓；17.壓耳；18.軸套；19.三角架；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，整個(gè)測(cè)量?jī)x器包括角位移傳感器聯(lián)軸器1，U型座
2,位移傳感器3,破碼4,位移傳感器外殼導(dǎo)軌5,破碼座6,上滑動(dòng)軸7,壓/扭組合傳感器8,下滑動(dòng)軸9，剪切環(huán)/壓板10，角位移傳感器11，.扭轉(zhuǎn)扳手套12，推力球軸承13，卡圈14，支撐座15，限位螺栓16，壓耳17，軸套18和三角架19。其位置連接關(guān)系是:該測(cè)試儀器主體采用三角架19支撐，三角架19裝于支撐座15上，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架19的長(zhǎng)度和張合度，支撐座15上裝有對(duì)稱分布的兩個(gè)壓耳17，當(dāng)剪切環(huán)10在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時(shí)，通過手扶壓耳17可保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測(cè)量精度；砝碼座6套于支撐座15的外套筒上并可沿其上下滑動(dòng)，砝碼座6底部的圓盤主要用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼4，試驗(yàn)時(shí)通過添加石去碼4來增加壓板或剪切環(huán)10上的垂直載荷。位移傳感器外殼導(dǎo)軌5安裝于破碼座6上，主要用于固定位移傳感器3的外殼，為避免干涉，所有砝碼4上均加工有U型開口槽，砝碼4加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌5正好位于所有破碼4的開口槽內(nèi)。位移傳感器3的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座15上，而位移傳感器3外殼則隨砝碼座6上下移動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)量壓板/剪切環(huán)10的下陷量。U型座2安裝于砝碼座6的頂部，主要用于固定角位移傳感器11的外殼。支撐座15中心套筒上裝有限位螺栓16，用于限定上滑動(dòng)軸7在垂直方向的位置，支撐座15頂部和底部孔端均裝有軸套18，用于定位上滑動(dòng)軸7，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時(shí)上滑動(dòng)軸7可在軸套18中上下滑動(dòng)并自由旋轉(zhuǎn)。上滑動(dòng)軸7頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器I與角位移傳感器11的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器8相聯(lián)，上滑動(dòng)軸9的軸肩處裝有卡圈14，卡圈14上裝有推力球軸承13，砝碼座6置于推力球軸承13之上，其承受的重量可通過推力球軸承13、卡圈14及上滑動(dòng)軸7傳至壓/扭組合傳感器8上，上滑動(dòng)軸7的上還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套12，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對(duì)上滑動(dòng)軸7施加扭矩。在試驗(yàn)過程中，上滑動(dòng)軸7既可上下滑動(dòng)傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞扭矩。壓/扭組合傳感器8底端連接下滑動(dòng)軸9，下滑動(dòng)軸9同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板10，試驗(yàn)時(shí)，壓板/剪切環(huán)10承受的土壤反作用力將通過下滑動(dòng)軸9傳遞至壓/扭組合傳感器8，壓/扭組合傳感器8不僅能夠測(cè)量壓板/剪切環(huán)10承受的垂直載荷，也可對(duì)剪切環(huán)10承受的反向剪切力矩進(jìn)行測(cè)量。圖4(a)、圖4(b)分別為位移傳感器導(dǎo)軌的正視圖和俯視圖；圖5(a)、圖5(b)分別為支撐座的正視圖和俯視圖。見圖3 (a)、圖3 (b)，一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀的測(cè)試方法，該方法具體測(cè)量步驟如下:承壓試驗(yàn):①:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對(duì)模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測(cè)量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)；②:調(diào)整儀器三角架19的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架19底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時(shí)用水平尺對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，保證測(cè)試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，對(duì)壓力傳感器8的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓16，手動(dòng)調(diào)整剪切環(huán)/壓板10的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板10底部與土壤剛剛接觸時(shí)，擰緊限位螺栓16，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時(shí)位移傳感器3的測(cè)試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板10下陷量的零點(diǎn)。③:松開限位螺栓16，使剪切環(huán)/壓板10陷入模擬土壤，記下此時(shí)剪切環(huán)/壓板10的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器8的初始讀數(shù)；對(duì)儀器逐步加載砝碼4，同時(shí)觀察壓/扭組合傳感器8和位移傳感器3的讀數(shù)，當(dāng)砝碼4總重為60kg左右時(shí)，停止加載。利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼4從砝碼座6上逐步卸下，擰緊限位螺栓16并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測(cè)試儀，并檢查各部件的完好程度。④:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并利用軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板10的壓力-下陷量曲線。對(duì)同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板10進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)量值取平均。更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板10，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測(cè)量結(jié)果。表I為硅的承壓試驗(yàn)表；(無紙記錄儀對(duì)測(cè)得的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集所得的原始數(shù)據(jù))
權(quán)利要求
1.一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀，其特征在于:它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、砝碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、砝碼座、上滑動(dòng)軸、壓/扭組合傳感器、下滑動(dòng)軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架；該測(cè)試儀器主體采用三角架支撐，三角架裝于支撐座上，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要調(diào)節(jié)三角架的長(zhǎng)度和張合度，支撐座上裝有對(duì)稱分布的兩個(gè)壓耳，當(dāng)剪切環(huán)在較大負(fù)荷下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切時(shí)，通過手扶壓耳保持儀器的平穩(wěn)，防止儀器主體出現(xiàn)較大傾斜，影響其測(cè)量精度；砝碼座套于支撐座的外套筒上并可沿其上下滑動(dòng)，砝碼座底部的圓盤用于放置不同規(guī)格和重量的砝碼，試驗(yàn)時(shí)通過添加砝碼來增加剪切環(huán)/壓板上的垂直載荷；位移傳感器外殼導(dǎo)軌安裝于砝碼座上，用于固定位移傳感器的外殼，為避免干涉，所有砝碼上均加工有U型開口槽，破碼加載后，該位移傳感器外殼導(dǎo)軌正好位于所有破碼的開口槽內(nèi)；位移傳感器的拉桿頂端通過螺母固定在支撐座上，而位移傳感器外殼則隨砝碼座上下移動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)量壓板的下陷量；U型座安裝于砝碼座的頂部，用于固定角位移傳感器的外殼，支撐座中心套筒上裝有限位螺栓，用于限定上滑動(dòng)軸在垂直方向的位置，支撐座頂部和底部孔端均裝有軸套，用于定位上滑動(dòng)軸，通過間隙控制，保證試驗(yàn)時(shí)上滑動(dòng)軸在軸套中上下滑動(dòng)并自由旋轉(zhuǎn)；上滑動(dòng)軸頂端通過角位移傳感器聯(lián)軸器與角位移傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相連，底端圓盤則通過螺栓與壓/扭組合傳感器相連，上滑動(dòng)軸的軸肩處裝有卡圈，卡圈上裝有推力球軸承，砝碼座置于推力球軸承之上，其承受的重量通過軸承、卡圈及上滑動(dòng)軸傳至壓/扭組合傳感器上，上滑動(dòng)軸的上方還裝有可拆卸的扭轉(zhuǎn)扳手套，通過安裝扭轉(zhuǎn)手柄，可對(duì)上滑動(dòng)軸施加扭矩；在試驗(yàn)過程中，上滑動(dòng)軸既可上下滑動(dòng)傳遞垂直載荷，又可自由轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞扭矩；壓/扭組合傳感器底端連接下滑動(dòng)軸，下滑動(dòng)軸同樣起傳遞垂直載荷和扭矩的作用，其底端裝有剪切環(huán)/壓板，試驗(yàn)時(shí)，剪切環(huán)/壓板承受的土壤反作用力將通過下滑動(dòng)軸傳遞至壓/扭組合傳感器，壓/扭組合傳 感器不僅能夠測(cè)量剪切環(huán)/壓板承受的垂直載荷，也對(duì)剪切環(huán)承受的反向剪切力矩進(jìn)行測(cè)量；然后，用無紙記錄儀對(duì)測(cè)得的傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、記錄和存儲(chǔ)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)完畢后，利用KLC0M100數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)生成報(bào)表導(dǎo)出； 所述角位移傳感器聯(lián)軸器是定制或市購(gòu)的圓柱形聯(lián)軸器； 所述U型座是板材彎制的C形件； 所述位移傳感器、壓/扭組合傳感器和角位移傳感器，其測(cè)量范圍根據(jù)試驗(yàn)要求選定；所述砝碼是根據(jù)此儀器配合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)所需的壓力來源，是圓柱形并其上開有U型槽的自制件； 所述位移傳感器外殼導(dǎo)軌是固定位移傳感器的并其上開有U型槽的自制件； 所述砝碼座是圓管與板材垂直連接的倒T形件； 所述上滑動(dòng)軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺(tái)階軸； 所述下滑動(dòng)軸是按預(yù)定尺寸制造的普通臺(tái)階軸； 所述剪切環(huán)/壓板是圓盤形零件，剪切環(huán)上設(shè)置有矩形齒； 所述扭轉(zhuǎn)扳手套是心部及圓周中部設(shè)置有圓孔的圓柱形件； 所述推力球軸承的型號(hào)為51202GB/T301-1995 ； 所述卡圈是圓柱形的自制件； 所述支撐座是T型的自制件；所述限位螺栓是市購(gòu)連接件； 所述壓耳是圓鋼煨制的C形件； 所述軸套是按預(yù)定尺寸制造的圓形套管件； 所述三角架是可伸縮的按預(yù)定尺寸制造或外購(gòu)的三角形支架； 所述無紙記錄儀，可自制或市場(chǎng)上選購(gòu)。
2.一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀的測(cè)試方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: ①土壤承壓特性試驗(yàn) 步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對(duì)模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)的儀器測(cè)量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)； 步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時(shí)用水平尺對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，保證測(cè)試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，對(duì)壓力傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后松開限位螺栓，手動(dòng)調(diào)整剪切環(huán)/壓板的位置，使其緩緩下行，通過觀察，當(dāng)剪切環(huán)/壓板底部與土壤剛剛接觸時(shí)，擰緊限位螺栓，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時(shí)位移傳感器的測(cè)試值，并將其設(shè)為剪切環(huán)/壓板下陷量的零點(diǎn)；步驟三:松開限位螺栓，使剪切環(huán)/壓板陷入模擬土壤，記下此時(shí)剪切環(huán)/壓板的下陷量，并讀取壓/扭組合傳感器的初始讀數(shù)；對(duì)儀器逐步加載砝碼，同時(shí)觀察壓/扭組合傳感器和位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)砝碼總重為60kg左右時(shí)，停止加載；利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測(cè)試儀，并檢查各部件的完好程度； 步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入 計(jì)算機(jī)中，并利用軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)/壓板的壓力-下陷量曲線，對(duì)同一種規(guī)格的剪切環(huán)/壓板進(jìn)行3次以上的重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)量值取平均；更換不同尺寸的剪切環(huán)/壓板，按照以上步驟重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄測(cè)量結(jié)果; ②土壤剪切特性試驗(yàn) 步驟一:利用漏斗撒沙法將模擬土壤注入土槽，對(duì)模擬土壤進(jìn)行疏松、刮平和壓實(shí)，通過土力學(xué)儀器的測(cè)量模擬土壤的密度，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)； 步驟二:調(diào)整儀器三角架的高度和張開角度，將儀器放入土槽中，使三角架底端陷入模擬土壤并向下壓實(shí)，同時(shí)用水平尺對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校正，保證測(cè)試儀與地面垂直；接通電源，打開XSR70型無紙記錄儀，調(diào)整試驗(yàn)日期、時(shí)間、數(shù)據(jù)采集頻率，待傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)松開限位螺栓，扳動(dòng)扭轉(zhuǎn)扳手套，同時(shí)觀察角位移傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器的讀數(shù)為180度左右時(shí)停止扳動(dòng)，對(duì)壓/扭組合傳感器的讀數(shù)進(jìn)行調(diào)零操作，然后使剪切環(huán)/壓板緩緩下行直至陷入模擬土壤，通過無紙記錄儀顯示屏讀取此時(shí)壓/扭組合傳感器的初始值；步驟三:對(duì)儀器加載砝碼，直至剪切環(huán)/壓板上的垂直壓力達(dá)到預(yù)定值；然后順時(shí)針扳動(dòng)扭轉(zhuǎn)扳手套，使剪切環(huán)/壓板旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行土壤剪切，同時(shí)觀察并記錄角位移傳感器和壓/扭組合傳感器的讀數(shù)，當(dāng)角位移傳感器讀數(shù)顯示為O度時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)剪切環(huán)/壓板；利用USB接口將無紙記錄儀采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至U盤上，然后關(guān)閉無紙記錄儀，將砝碼從砝碼座上逐步卸下，擰緊限位螺栓并將儀器從模擬土壤中拉出，清理測(cè)試儀，并檢查各部件的完好程度；步驟四:將U盤上數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，并利用軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，繪制剪切環(huán)剪切力矩隨旋轉(zhuǎn)角度的變化曲線；重復(fù)步驟，在步驟三中更改垂直壓力的預(yù)定值，然后重復(fù)步驟，在整合試 驗(yàn)過程中，預(yù)定值的設(shè)定次數(shù)不少于3次。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于貝氏儀測(cè)試原理的土壤力學(xué)特性測(cè)試儀器—一種土壤承壓和剪切試驗(yàn)測(cè)試儀，它包括角位移傳感器聯(lián)軸器、U型座、位移傳感器、砝碼、移傳感器外殼導(dǎo)軌、砝碼座、上滑動(dòng)軸、壓/扭組合傳感器、下滑動(dòng)軸、剪切環(huán)/壓板、角位移傳感器、扭轉(zhuǎn)扳手套、推力球軸承、卡圈、支撐座、限位螺栓、壓耳、軸套及三角架。其測(cè)量方法有四大步驟，利用該儀器可分別測(cè)量土壤的承壓特性和剪切特性，對(duì)得到的的承壓特性曲線和剪切特性曲線進(jìn)行處理后，可獲得土壤的主要力學(xué)參數(shù)。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，而且測(cè)量精確，易于攜帶安裝，具有較好的穩(wěn)定性與可靠性。
文檔編號(hào)G01N3/34GK103115832SQ20131002883
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者高峰, 崔瑩, 徐國(guó)艷, 丁能根, 丁青, 解曉琳, 李萌 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)