[發明專利]應力狀態和加載路徑可控的空心圓柱界面扭剪儀

在審

• 申請號: 201711375656.1
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN107907481A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 芮圣潔;周文杰;國振;王立忠
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N19/04
• 分類號: G01N19/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 萬尾甜,韓介梅

技術領域

本發明涉及一種界面剪切儀，尤其涉及一種應力狀態和加載路徑可控的空心圓柱界面扭剪儀，可模擬不同排水條件及剪切方式，尤其適用于測定砂土、黏土及粉土等土體與鋼或者混凝土界面的剪切特性。

背景技術

一直以來，土與結構的相互作用是巖土工程的重要問題之一，比如樁土之間的相互作用，而土體與結構物界面之間的接觸特性是界面剪切特性。目前應用于界面剪切特性研究的儀器有直剪儀和環剪儀。

直剪儀的核心部件為上下兩個剪切盒，在進行界面剪切時，下剪切盒放置界面單元，上剪切盒放置土樣，在一定的豎向壓力下進行剪切。儀器較為簡單，但無法模擬復雜應力狀態下土體的界面剪切行為，無法測定土體孔壓響應，也只適用于小應變狀態的界面剪切實驗。

環剪儀可以模擬大應變狀態下土體與結構的界面剪切特性，它是由上下兩個環形剪切盒，一剪切盒裝土樣，另一剪切盒裝樁界面，在一定的豎向壓力下進行環向剪切，通過測扭矩計算剪應變，但目前的環剪儀還無法模擬復雜應力狀態土體的響應，在計算應力應變時采用的是平均剪應力和平均剪應變，并不能真實準確反應界面剪切特性。

為了能模擬復雜應力狀態下土體和結構界面之間的剪切特性，考慮排水不排水條件，且能模擬大變形應力應變關系，提出本發明裝置。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種應力狀態和加載路徑可控的空心圓柱界面扭剪儀。該裝置的特點是：能對土體施加復雜應力狀態，可以考慮排水及不排水條件，對土與結構的相互作用進行研究，與傳統的環剪界面剪切儀相比，計算應力應變關系不用采取均值方法。

本發明采取以下技術方案：

一種應力狀態和加載路徑可控的空心圓柱界面扭剪儀，包括機架、剪切系統、樁體、液壓伺服系統、扭力裝置、圍壓控制系統、傳感器測量系統、數據采集及控制系統；樁體插入剪切系統中，與裝于剪切系統中的土樣形成樁土界面，液壓伺服系統用于控制土樣與樁體的上下相對運動，圍壓控制系統用于控制剪切系統內的圍壓以調整土體的應力狀態，扭力裝置用于控制樁體與土樣的相對旋轉運動，傳感器測量系統用于檢測剪切儀中待測數據，并傳輸至數據采集及控制系統中，數據采集及控制系統用于控制液壓伺服系統、扭力裝置、及圍壓控制系統實現不同的應力狀態和加載路徑。

上述技術方案中，所述的剪切系統包括透明的筒狀外壁、底板、上環、彈性橡膠膜；上環設于筒狀外壁頂部開口處，筒狀外壁固定于底板上，樁體貫穿底板中部插入上環內，樁體與上環之間、上環與筒狀外壁之間、樁體與底板之間均通過橡膠圈密封，在上環下方及底板上方各固定有一個橡膠膜固定環，彈性橡膠膜上下端分別通過橡膠圈固定于橡膠膜固定環內，彈性橡膠膜與樁體之間用于安裝待測土體，彈性橡膠膜與筒狀外壁之間形成圍壓室；

所述的圍壓控制系統包括開在圍壓室底板上的圍壓水孔、開在待測土體空間底板上的反壓孔、及水壓力控制器；圍壓水孔通過管道與水壓力控制器相連用于向圍壓室內注水或排水以控制圍壓室內的水壓，反壓孔通過流量計與水壓力控制器相連用于測量排水條件下土體的體變。

優選的，所述的液壓伺服系統包括液壓加載控制裝置、及與液壓加載控制裝置分別通過油管連接的上部油缸和下部油缸；上部油缸的活塞桿通過傳力管與上環固連，下部油缸的活塞桿通過傳動軸與樁體下端固連。

優選的，所述的扭力裝置包括傳動大齒輪、扭剪小齒輪、支撐軸承、伺服電機；扭剪小齒輪通過支撐軸承固定在機架上，扭剪小齒輪由伺服電機驅動，傳動大齒輪和扭剪小齒輪相嚙合傳動，傳動大齒輪與傳動軸固定。

優選的，所述的傳感器測量系統包括孔壓傳感器、位移傳感器、軸力傳感器、扭矩傳感器；孔壓傳感器用于測量土體內部的孔壓響應，位移傳感器設于上環上方用于測量土體的豎向位移，軸力傳感器用于測量樁土之間的豎向力，扭矩傳感器用于測量樁體的扭矩，軸力傳感器及扭矩傳感器均設于傳動軸上。

優選的，所述的機架包括底座、固定于底座上的立柱、及自上而下依次固定于立柱上的反力梁、橫板、及下橫梁；上部油缸固定于反力梁上，剪切系統的底板安裝于橫板上，下部油缸及扭力裝置中的支撐軸承均固定于下橫梁上。

優選的，所述的樁體為剛樁或者預制混凝土樁。

本發明具有以下優點：

1.本發明可以通過圍壓和豎向壓力準確模擬原位土的應力狀態，可用于復雜應力狀態下樁土之間的界面剪切特性的研究。

2.傳統的界面環剪儀在計算應力和應變時均采用平均值，而通過本發明測量出的界面處的應力應呈軸對稱關系，為準確值而非平均值，因而更加準確。