專利名稱：一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土力學(xué)與地基基礎(chǔ)工程中一種可直接測定界面摩擦 力的直剪儀裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外進行直接剪切試驗所采用的直剪儀一般都是由上、 下剪切盒、垂直力加載系統(tǒng)、水平力加載系統(tǒng)、測定垂直向和水平向 位移裝置，以及提供反力的裝置等部分組成。直剪儀在發(fā)展改進過程 中的主要變化集中在儀器的尺寸、加載方式、數(shù)據(jù)采集、控制方式等 方面，目前較先進和自動化程度較高的直剪儀可以實現(xiàn)垂直向及水平 向加載自動控制，并可以通過電腦進行自動加載及數(shù)據(jù)自動采集。
對于作為細(xì)粒土剪切試驗的直剪儀，由于土樣本身尺寸較小，剪 切盒的尺寸也就不大，土樣與剪切盒壁之間的摩擦力較小，進行試驗 時土樣和剪切盒之間的摩擦力一般都可以忽略；而進行粗拉土的剪切 試驗時，由于土粒的直徑較大，為滿足土樣對試驗儀器尺寸的要求， 剪切盒的尺寸一般都較大，其長寬一般都在200mm以上，高度在 100mm以上。這樣，在粗拉土土樣固結(jié)和剪切的過程中，土樣和剪 切盒之間由于存在界面摩擦力，就有一部分施加在土樣頂面的垂直向 力被上剪切盒與土樣之間的界面摩擦力抵消，使得施加到剪切面上的
實際垂直力要比施加在土樣表面的垂直力要小，即施加在土樣頂面的 垂直力等于施加在剪切面上的實際垂直力加上土樣與上剪切盒之間 的界面摩擦力之和。雖然有些研究者考慮到粗粒土與剪切盒之間會存 在界面摩擦力，就采用各種減摩措施來盡量減小界面摩擦力。但是， 由于界面摩擦力與土樣性質(zhì)、垂直力大小、減摩材料與方法等因素密 切相關(guān)，如果要較準(zhǔn)確地計算界面摩擦力，就需要在進行正式試驗前 進行大量的率定、校正工作，且不能在試驗過程中直接獲取界面摩擦 力大小的變化，這樣就使試驗結(jié)果不是很準(zhǔn)確，而且率定工作量大、 效率低，重復(fù)勞動較多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決目前的直剪儀不能有效消除土樣和剪切 盒之間的界面摩擦力，又不能準(zhǔn)確獲取界面摩擦力大小，從而不能準(zhǔn) 確獲取土樣剪切面上實際垂直力大小的不足，本發(fā)明提供一種可直接 測定界面摩擦力的直剪儀裝置，可方便地測定土樣和上剪切盒之間產(chǎn) 生的界面摩擦力，在試驗過程中可準(zhǔn)確獲取施加在剪切面上真實垂直 力的大小，使得試驗結(jié)果更準(zhǔn)確。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置由 水槽、上剪切盒、下剪切盒、水平力加載系統(tǒng)、水平位移量測裝置、 垂直力加載系統(tǒng)、垂直位移量測裝置、底座、滾軸排、土樣、透水板、 傳力板、反力裝置、界面摩擦力測定裝置組成；界面摩擦力測定裝置 由開縫滾珠下導(dǎo)槽、界面摩擦力傳力框架、界面摩擦力傳力框架導(dǎo)向槽和界面摩擦力傳感器、界面摩擦力傳感器墊塊、界面摩擦力反力梁 組成，下剪切盒側(cè)壁上裝有界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽，界面摩擦力反力 梁固定在下剪切盒底板上，界面摩擦力傳力架通過界面摩擦力傳力架 導(dǎo)槽連接在下剪切盒側(cè)壁上，開縫滾珠下導(dǎo)槽固定在界面摩擦力傳力 架上，帶界面摩擦力傳感器電纜的界面摩擦力傳感器及界面摩擦力傳 感器墊塊安設(shè)在界面摩擦力傳力架和界面摩擦力反力梁之間；開縫滾 珠下導(dǎo)槽和界面摩擦力傳力框架不是完全固定在下剪切盒上，而是可 以在界面摩擦力傳力框架導(dǎo)向槽內(nèi)上下滑動，界面摩擦力傳感器可根 據(jù)所施加垂直力的大小及土樣的類別更換不同量程的力傳感器。
首先加工一個能夠滿足安裝直剪儀上、下剪切盒及其附件，并帶 有水平力傳遞孔和水平位移標(biāo)桿孔的水槽，水平力傳遞孔和水平位移 標(biāo)桿孔能夠止水。剪切盒的尺寸根據(jù)土樣的尺寸和試驗要求確定，垂 直力加載系統(tǒng)的加載能力及對應(yīng)力傳感器的量程根據(jù)試驗的要求確 定，水平力加載系統(tǒng)的加載能力和對應(yīng)的力傳感器應(yīng)與垂直力加載系 統(tǒng)相匹配，界面摩擦力測定裝置中的界面摩擦力傳感器的量程根據(jù)土 樣的性質(zhì)和垂直力的大小來確定。
由于可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置設(shè)置了界面摩擦力測 定裝置，采用該可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置進行直接剪切試 驗時，土樣和上剪切盒之間產(chǎn)生的界面摩擦力通過固定在上剪切盒上 的開縫滾珠上導(dǎo)槽傳遞給開縫滾珠，再由開縫滾珠傳遞到開縫滾珠下 導(dǎo)槽及界面摩擦力傳力架上，再由界面摩擦力傳力架傳給界面摩擦力 傳感器，這樣，界面摩擦力傳感器就可以獲取土樣和上剪切盒之間產(chǎn)
生的界面摩擦力，從而得到施加在土樣剪切面上的真實垂直力，方便 地實現(xiàn)直接測定剪切試驗中界面摩擦力的目的。


圖1是一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置圖
圖2是一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置左剖視圖。 如圖所示.*水槽1、界面摩擦力傳感器2、界面摩擦力傳感器電 纜3、開縫滾珠下導(dǎo)槽4、界面摩擦力傳力架5、界面摩擦力傳力架 導(dǎo)槽6、界面摩擦力傳感器墊塊7、界面摩擦力反力梁8、下剪切盒9、 下剪切盒底板IO、下剪切盒側(cè)壁ll、開縫滾珠12、上剪切盒13、上 剪切盒側(cè)壁14、開縫滾珠上導(dǎo)槽15、固定銷16、開縫環(huán)17、滾軸排 18、滾軸排底板19、下透水板20、 土樣21、上透水板22、上傳力板 23、垂直力施加裝置24、垂直力傳感器25、垂直力傳感器電纜26、 垂直力傳力柱27、垂直力反力梁28、水平力傳力孔29、水平力傳力 孔止水30、水平剪力傳力梁31、水平剪力施加裝置32、水平剪力傳 力柱33、水平剪力支座34、底梁35、水平反力傳力孔36、水平反力 傳力孔止水37、水平反力梁38、水平反力傳力柱39、水平剪力傳感 器40、水平剪力傳感器電纜41、水平反力支座42、垂直變形位移傳 感器43、垂直變形位移傳感器電纜44、垂直變形位移傳感器支架45、 水平變形標(biāo)桿孔46、水平變形標(biāo)桿孔止水47、水平變形位移傳感器 48、水平變形位移傳感器電纜49、水平變形標(biāo)桿50、進水管51、閥 門52。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。圖 1是本發(fā)明采用方形剪切盒的可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置
圖，進行試驗前，先對所用的土樣21進行適當(dāng)?shù)奶幚砗捅匾耐列?參數(shù)測定。
進行直接剪切試驗時，先根據(jù)試驗土樣21的情況和施加最大垂 直荷載的大小，選擇合適量程合適的垂直力傳感器25、水平剪力傳 感器36和界面摩擦力傳感器2，并安裝連接好。然后將放置滾軸排 18的滾軸排底板19固定在水槽1的底部，再依次安裝滾軸排18和 下剪切盒9。下剪切盒側(cè)壁11上安設(shè)有界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽6，界 面摩擦力反力梁8固定在下剪切盒底板10上，界面摩擦力傳力架5 通過界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽6連接在下剪切盒側(cè)壁11上，開縫滾珠 下導(dǎo)槽4固定在界面摩擦力傳力架5上，帶界面摩擦力傳感器電纜3 的界面摩擦力傳感器2及界面摩擦力傳感器墊塊7安設(shè)在界面摩擦力 傳力架5和界面摩擦力反力梁8之間。在開縫滾珠下導(dǎo)槽4上安放開 縫滾珠12，將帶開縫滾珠上導(dǎo)槽15的上剪切盒13對準(zhǔn)下剪切盒9 放好，安放開縫環(huán)17，用固定銷16定位。在下剪切盒底板10上放 置下透水板20，將準(zhǔn)備好的土樣21分層按預(yù)定的干密度裝入至與上 剪切盒B頂面平齊。如果土樣21需要飽和，則將水通過進水管45 和閥門46對試樣進行飽和，并在水槽1內(nèi)注滿水。在土樣21的表面 依次放置上透水板22、上傳力板23、垂直力施加裝置24、帶垂直力 傳感器電纜26的垂直力傳感器25、垂直力傳力柱27，并保證各部件
對中。再在上剪切盒側(cè)壁14上安裝垂直變形位移傳感器支架45，將 帶垂直變形位移傳感器電纜44的垂直變形位移傳感器40固定在垂直 變形位移傳感器支架45上。
在底梁35上的水平剪力反力支座34和水平反力支座42的對應(yīng) 位置安裝調(diào)整好水平剪力施加裝置32、水平剪力傳力柱33、水平反 力傳力柱39、帶水平剪力傳感器電纜41的水平剪力傳感器40，水平 力傳力孔29由水平力傳力孔止水30防止漏水，水平反力傳力孔36 由水平反力傳力孔止水37防止漏水。在下剪切盒底板10上安設(shè)水平 變形標(biāo)桿50，水平變形標(biāo)桿50與固定在水平反力支座42上帶水平 變形位移傳感器電纜49的水平變形位移傳感器50接觸，水平變形標(biāo) 桿50通過水平變形標(biāo)桿孔46，并由水平變形標(biāo)桿孔止水47防止漏 水。然后通過水平剪力施加裝置32緩慢施加水平力，使水平剪力傳 力柱33與水平剪力傳力梁31、水平反力傳力柱39與水平反力梁38 接觸即可，記錄水平變形位移傳感器50的初始讀數(shù)。
讓垂直力施加裝置24的頂部緩慢上升，使垂直力傳力柱27上部 與垂直力反力梁28相接觸，保證各部件接觸良好，記錄垂直變形位 移傳感器43的初始讀數(shù)。
通過垂直力施加裝置24 —次性在土樣21的頂面均勻施加垂直力 至預(yù)定值，并使垂直力在整個試驗過程中保持恒定。如果土樣21需 要在預(yù)定的垂直壓力下固結(jié)，則按相關(guān)試驗規(guī)程進行固結(jié)，并測記垂 直變形位移傳感器43的讀數(shù)。
開始進行剪切試驗前，拆除固定銷16和開縫環(huán)17，檢查垂直力
傳感器25、水平剪力傳感器40、垂直變形位移傳感器43、水平變形 位移傳感器48，并測記各傳感器的讀數(shù)。然后開始按按相關(guān)試驗規(guī) 程通過水平剪力施加裝置32施加水平剪力，剪切過程中按設(shè)定的頻 率同步測記水平剪力傳感器40、水平變形位移傳感器48、垂直力傳 感器25、垂直變形位移傳感器43、界面摩擦力傳感器2的讀數(shù)。
本發(fā)明可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置可以實現(xiàn)在直接剪 切試驗過程中直接測定界面摩擦力的大小，從而實現(xiàn)了準(zhǔn)確獲取試驗 過程中土樣21剪切面上的垂直力，使直接剪切試驗成果更符合實際。 且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
權(quán)利要求
1.一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀，主要由水槽、上剪切盒、下剪切盒、水平力加載系統(tǒng)、水平位移量測裝置、垂直力加載系統(tǒng)、垂直位移量測裝置、底座、滾軸排、土樣、透水板、傳力板、反力裝置、界面摩擦力測定裝置組成；其特征是界面摩擦力測定裝置是由帶界面摩擦力傳感器電纜(3)的界面摩擦力傳感器(2)、開縫滾珠下導(dǎo)槽(4)、界面摩擦力傳力架(5)、界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽(6)、界面摩擦力傳感器墊塊(7)、界面摩擦力反力梁(8)組成，下剪切盒側(cè)壁(11)上裝有界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽(6)，界面摩擦力反力梁(8)固定在下剪切盒底板(10)上，界面摩擦力傳力架(5)通過界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽(6)連接在下剪切盒側(cè)壁(11)上，開縫滾珠下導(dǎo)槽(4)固定在界面摩擦力傳力架(5)上，帶界面摩擦力傳感器電纜(3)的界面摩擦力傳感器(2)及界面摩擦力傳感器墊塊(7)安設(shè)在界面摩擦力傳力架(5)和界面摩擦力反力梁(8)之間土樣(21)與上剪切盒(12)之間的界面摩擦力通過開縫滾珠(11)傳到開縫滾珠下導(dǎo)槽(4)上，再由開縫滾珠下導(dǎo)槽(4)和界面摩擦力傳力架(5)傳遞到界面摩擦力傳感器(2)上，由界面摩擦力傳感器(2)獲取界面摩擦力的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀， 其特征是開縫滾珠下導(dǎo)槽(4)和界面摩擦力傳力架(5)是可以拆裝 的，且試驗過程中不是完全固定在下剪切盒(8)上，而是可以在界 面摩擦力傳力架導(dǎo)槽(6)中上下滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀，其特征是界面摩擦力傳感器(2)，可以根據(jù)土樣(21)的特性和施加 在土樣(21)上的垂直力的大小范圍更換不同量程的界面摩擦力傳感 器(2)。
全文摘要
一種可直接測定界面摩擦力的直剪儀裝置，本發(fā)明是由水槽、上下剪切盒、垂直及水平加載系統(tǒng)、位移量測系統(tǒng)、反力框架，以及可拆卸的界面摩擦力測定裝置組成。界面摩擦力測定裝置安裝在下剪切盒上，該裝置由界面摩擦力傳感器、開縫滾珠下導(dǎo)槽、界面摩擦力傳力架、界面摩擦力傳力架導(dǎo)槽組成，開縫滾珠放置在開縫滾珠下導(dǎo)槽上，下部通過界面摩擦力傳感器墊塊與界面摩擦力反力梁相連。采用這樣的裝置，就可以在試驗中方便地測定土樣與上剪切盒之間的界面摩擦力，從而準(zhǔn)確獲取土樣剪切面上的實際垂直力的大小。
文檔編號G01N3/00GK101373174SQ20081004841
公開日2009年2月25日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者孔令偉, 郭愛國 申請人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所