專利名稱：細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種土體受到法向力和剪切力作用時(shí)對(duì)土體的細(xì)觀 結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的試驗(yàn)儀器，尤其是對(duì)砂土細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪 切儀。
技術(shù)背景
目前國內(nèi)外采用的直接剪切儀是測(cè)定土的抗剪強(qiáng)度的一種常規(guī)方法，直接 剪切儀的剪切試驗(yàn)，通常采用4個(gè)土樣為一組，每個(gè)土樣分別在不同的垂直壓
力CT下，施加水平剪應(yīng)力進(jìn)行剪切，目的是為了求得剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力T，
然后根據(jù)庫侖定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)摩擦角cp和內(nèi)聚力c 。直剪試驗(yàn) 分為快剪(Q)、固結(jié)快剪(CQ)和慢剪(S)三種試驗(yàn)方法。直接剪切儀的試 驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)土樣是封閉的，在試驗(yàn)過程中僅能測(cè)量到土樣的受力和變形，不能觀 測(cè)到土樣內(nèi)部的土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，從而為研究土體受到剪切作用時(shí)的細(xì)觀 結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性不能夠達(dá)到較好的效果
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型目的在于，填補(bǔ)現(xiàn)有土工實(shí)驗(yàn)儀器的直接剪切儀不能觀測(cè)土體 細(xì)觀結(jié)構(gòu)的空白，基于直接剪切試驗(yàn)、土體受到法向力和剪切力作用時(shí)對(duì)土體 的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的試驗(yàn)儀器，而提供一種能夠直觀的觀測(cè)土體內(nèi)部的細(xì)觀 結(jié)構(gòu)變化，研究土體受到剪切作用時(shí)，土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的有效地試驗(yàn)儀 器即細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀。
為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，本實(shí)用新型采用了以下的技術(shù)方案是細(xì)觀 結(jié)構(gòu)直接剪切儀，包括剪切盒、測(cè)力器和底座；所述剪切盒設(shè)有固定上盒和活
動(dòng)下盒，本實(shí)用新型是建立在室內(nèi)土工試驗(yàn)的直接剪切實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，依托直剪試驗(yàn)的工作原理，采用了半圓狀的剪切盒的活動(dòng)下盒、固定上盒和透水石；受
剪切土樣為半圓狀圓柱體，安裝入剪切盒內(nèi)；剪切盒的半圓體的弧形側(cè)面由環(huán) 形、剛性的金屬制作，對(duì)土樣起水平約束作用；剪切盒的半圓體的直邊側(cè)面由 平板狀透明物體制作，對(duì)土樣起水平約束作用。
其中，所述剪切盒直邊側(cè)面的平板狀透明物體構(gòu)成細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面，可以 通過平板狀透明物體觀測(cè)到土體的剖面圖象；平板狀透明物體具有足夠的剛 度，確保剪切過程的平板狀透明物體不會(huì)彎曲變形，影響對(duì)土樣的側(cè)限。細(xì)觀 結(jié)構(gòu)觀測(cè)直接剪切儀適合體視顯微鏡的安置與觀測(cè)，而且適合體視顯微鏡觀測(cè) 用燈光的照明。
所述直接剪切儀的觀測(cè)面通過上述的平板狀透明物體進(jìn)行觀察，平板狀透 明物體具有足夠的強(qiáng)度，確保剪切過程的平板狀透明物體不會(huì)破裂，導(dǎo)致土樣 的破壞；該觀測(cè)面即平板狀透明物體表面上涂薄層潤滑劑，減小土樣與平板狀 透明物體的摩擦；觀測(cè)面可以為高20mm，寬618mm。
根據(jù)上述所述的細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀，其中，上述平板狀透明物體與剪切 盒的活動(dòng)下盒牢固粘結(jié)，并且隨剪切盒的活動(dòng)下盒移動(dòng)。
按順序安裝直接剪切儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，活動(dòng)下盒-下透水石-土樣-固定 上盒-上透水石-加壓板-百分表-量力環(huán)；對(duì)土樣施加法向力，觀測(cè)百分表讀數(shù)， 通過半圓體直邊側(cè)面的平板狀透明物，觀測(cè)土體側(cè)表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化；施加 水平剪切力，觀測(cè)量力環(huán)讀數(shù)，通過半圓體直邊側(cè)面由平板狀透明物，觀測(cè)土 體側(cè)表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化；得出各級(jí)法向力和相應(yīng)水平剪切力作用下的土體側(cè) 表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
本實(shí)用新型的有益效果是實(shí)現(xiàn)了在施加法向力和剪切力的過程中，不僅能 夠測(cè)試土樣的受力和變形，而且能夠直觀的觀測(cè)到土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。 本實(shí)用新型具有試驗(yàn)簡便、試驗(yàn)結(jié)果直觀，可以進(jìn)行土樣的全剖面觀測(cè)、也可 以進(jìn)行土樣的局部部位細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的特點(diǎn)。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。 圖1為本實(shí)用新型的剪切盒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的左視圖。
圖3為圖1的俯視圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白 了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
參考圖l、圖2和圖3，本實(shí)用新型基于直接剪切試驗(yàn)、土體受到法向力 和剪切力作用時(shí)對(duì)土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的試驗(yàn)儀器，尤其是對(duì)砂土細(xì)觀結(jié) 構(gòu)的觀測(cè)。本實(shí)用新型依托直剪試驗(yàn)的工作原理，其具體實(shí)施方式
為，本實(shí)用 新型的細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀，包括剪切盒l(wèi)、測(cè)力器、百分表、量力環(huán)和底座; 所述剪切盒1下端通過銷栓7安裝有活動(dòng)下盒11，在活動(dòng)下盒11上面安裝通 過螺絲9固定在剪切盒1上有固定上盒12，固定上盒12的安裝有螺栓8，該 螺栓8起到預(yù)固定作用，裝土樣前固定上盒12，裝好土樣實(shí)施剪切時(shí)取出螺栓 8。所述剪切盒1的活動(dòng)下盒11、固定上盒12和透水石都為半圓狀，通過固定 上盒12和活動(dòng)上盒12相適配構(gòu)成剪切盒1，該透水石設(shè)有上盒透水石和下盒 透水石，所述上盒透水石安裝在固定上盒12內(nèi)，下盒透水石裝入活動(dòng)下盒11 內(nèi)；在剪切盒l(wèi)內(nèi)安裝受剪切土樣，該受剪切土樣為半圓狀圓柱體，與剪切盒 l相適配；本實(shí)施例中，所述剪切盒1的半圓體設(shè)有通過環(huán)形、剛性的金屬制 作的弧形側(cè)面，對(duì)土樣起水平約束作用；所述剪切盒l(wèi)的半圓體的直邊側(cè)面由 平板狀透明物體2制作，對(duì)土樣起水平約束作用，同時(shí)，所述剪切盒直邊側(cè)面 的平板狀透明物體構(gòu)成細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面，可以通過平板狀透明物體2觀測(cè)到土 體的剖面圖象；該平板狀透明物體2與剪切盒1的活動(dòng)下盒11牢固粘結(jié)，并 且隨剪切盒1的活動(dòng)下盒11移動(dòng)。
在本實(shí)用新型中，直接剪切儀的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面的高40mm，寬618mm， 并采用了足夠剛度的平板狀透明物體2制作(如鋼化玻璃)，確保剪切過程的 平板狀透明物體2不會(huì)彎曲變形和破裂，導(dǎo)致土樣的破壞，影響對(duì)土樣的側(cè)限； 所述觀測(cè)面的平板狀透明物體2表面還上涂薄層潤滑劑，用來減小土樣與平板 狀透明物體2的摩擦。該平板狀透明物體2的作用是通過視覺和儀器觀測(cè)土樣 的側(cè)面受法向力和剪切力作用時(shí)的土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)。所述土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)是采用體視顯微鏡通過平板狀透明物體觀測(cè)土樣在法向力和剪切力作用下的 土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)；細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)直接剪切儀適合體視顯微鏡的安置與觀測(cè)，體視 顯微鏡的鏡頭前部直徑64mm，長度25mm，后部擴(kuò)展區(qū)45°斜邊長30mm，直 徑120mm;細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)直接剪切儀適合體視顯微鏡觀測(cè)用燈光的照明。 為了更為詳細(xì)闡述本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的具體設(shè)置和操作如下-
(1) 建立在室內(nèi)土工試驗(yàn)的直接剪切實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，依托直剪試驗(yàn)的工作原理。
(2) 剪切盒1的活動(dòng)下盒l(wèi)l、固定上盒12、透水石為半圓狀。
(3) 受剪切土樣為半圓狀圓柱體，安裝入剪切盒l(wèi)內(nèi)。
(4) 剪切盒1的半圓體的弧形側(cè)面由環(huán)形、剛性的金屬制作，對(duì)土樣起水平 約束作用。
(5) 剪切盒1的半圓體的直邊側(cè)面由平板狀透明物體2制作，對(duì)土樣起水平 約束作用。
(6) 按順序安裝直接剪切儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，活動(dòng)下盒11-下透水石-土樣 -固定上盒12-上透水石-加壓板-百分表-量力環(huán)。
(7) 對(duì)土樣施加法向力，觀測(cè)百分表讀數(shù)，通過半圓體直邊側(cè)面的平板狀透 明物，觀測(cè)土體側(cè)表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
(8) 施加水平剪切力，觀測(cè)量力環(huán)讀數(shù)，通過半圓體直邊側(cè)面由平板狀透明 物，觀測(cè)土體側(cè)表面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
(9) 重復(fù)(6) -(8)，得出各級(jí)法向力和相應(yīng)水平剪切力作用下的土體側(cè)表面的 細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
在上述本實(shí)用新型中，對(duì)所述土樣的制作和安裝要求是
(1) 半圓狀圓柱形土樣的制作，可以在相同尺寸的半圓狀環(huán)刀內(nèi)填筑成型， 或以相同尺寸的半圓狀環(huán)刀去切割已經(jīng)制備好的幾何尺寸較大的土樣形成半 圓狀圓柱體土樣，或直接在金屬剛性環(huán)與平板狀透明物體圍合形成的半圓柱空 間內(nèi)填筑土體成型，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。
(2) 半圓狀圓柱形土樣的中間高度水平面，位于上、下剪切盒的接縫處。
(3) 半圓狀圓柱形土樣的直徑和各部分尺寸，與剪切盒的內(nèi)部空間幾何尺寸 相同。
6(4)半圓狀圓柱形土樣的上、下表面平整，與上、下透水石的下、上表面平 整接觸。
通過對(duì)本實(shí)用新型的專門試驗(yàn)，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步描述。 下面為試驗(yàn)過程與內(nèi)容
1. 制備土樣，使用半圓柱狀環(huán)刀切取土樣，土樣半徑為3.09cm， 土樣高度 為20mm;試驗(yàn)用海灘砂土，細(xì)砂，土的重度14.6kN/m3，含水率5.9°/。，內(nèi)摩 擦角383度。
2. 安置剪切盒1的活動(dòng)下盒11，在活動(dòng)下盒11的底部放置半圓的透水石；
3. 在活動(dòng)下盒的透水石上面放置土樣。
4. 安置固定上盒12，在固定上盒12內(nèi)的土樣上面放置半圓的透水石，放 置加壓板。
5. 安置法向力的加載裝置和百分表。
6. 安置剪切力的量力環(huán)和百分表。
7. 通過在砝碼盤放置砝碼，對(duì)土樣施加法向力，并測(cè)試土樣的垂直位移；
8. 施加法向力的同時(shí)，儀器觀測(cè)土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，并拍攝數(shù)碼照片；
9. 透過搖動(dòng)轉(zhuǎn)輪的手柄，經(jīng)過傘形齒輪的傳動(dòng)，對(duì)土樣施加水平向的剪切 力，量測(cè)剪切力和剪切位移，直至使土樣剪切破壞。
10. 施加剪切力的同時(shí)，儀器觀測(cè)土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，并拍攝數(shù)碼照片；
11. 重復(fù)l-9步驟，通過施加不同的法向力，測(cè)試不同法向力作用下土樣的 細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
12. 對(duì)拍攝的數(shù)碼照片進(jìn)行記錄和整理，將數(shù)碼照片輸入相應(yīng)的分析軟件進(jìn) 行圖像分析，得到土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。
13. 試驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，取出土樣進(jìn)行拍照，撤除儀器設(shè)備。 完成細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀的直接剪切試驗(yàn)。
本實(shí)施例的技術(shù)參數(shù)如下 ，
1、 土樣制備原狀土樣，使用半圓的環(huán)刀切取土樣；重塑土樣，按要求 確定土樣的密實(shí)度和含水率，在半圓狀環(huán)刀內(nèi)制備土樣，或直接在已經(jīng)安裝好 的剪切盒內(nèi)按要求的密實(shí)度制備土樣。
2、 施加法向力對(duì)土樣施加的法向力的一般值為，50kPa， 100 kPa， 200 kPa，300kPa， 400kPa等；法向力的大小，可以根據(jù)要求自行確定。
3、 施加剪切力對(duì)承受一定的法向力的土樣施加的剪切力，從0荷載開 始，逐漸增加，直至土樣破壞。
4、 施加法向力的持續(xù)時(shí)間和施加剪切力的加荷速率根據(jù)直接剪切試驗(yàn)
分為快剪(Q)、固結(jié)快剪(CQ)和慢剪(S)三種試驗(yàn)方法?？旒粼囼?yàn)是在對(duì) 土樣施加法向力后，立即以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣 剪切破壞。 一般從加荷到土樣剪壞只用3 5分鐘；固結(jié)快剪是在對(duì)土樣施加 豎向壓力后，讓土樣充分排水固結(jié)，待土樣沉降穩(wěn)定后，再0.8mm/min的剪切 速率快速施加水平剪應(yīng)力使試樣剪切破壞；慢剪試樣是在對(duì)土樣施加豎向壓力 后，讓土樣充分排水固結(jié)，待沉降穩(wěn)定后，以小于0.02mm/min的剪切速率施 加水平剪應(yīng)力直至試樣剪切破壞，使土樣在受剪過程中一直充分排水和產(chǎn)生體 積變形，模擬了"固結(jié)排水剪切"過程。
5、 土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)在施加法向力和剪切力的過程中，通過直立的 平板透明鋼化玻璃，使用體視顯微鏡直接觀測(cè)并拍攝土樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化；使 用數(shù)碼相機(jī)直接觀測(cè)并拍攝土樣的變形圖像。
本實(shí)用新型的目的是填補(bǔ)目前土工實(shí)驗(yàn)儀器的直接剪切儀不能觀測(cè)土體 細(xì)觀結(jié)構(gòu)的空白，提供一^能夠直觀的觀測(cè)土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，研究土 體受到剪切作用時(shí)的土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的有效地試驗(yàn)儀器。相對(duì)于直接 剪切儀，細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀不僅能夠測(cè)試土樣的受力和變形，而且能夠直觀 的觀測(cè)到土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。
本實(shí)用新型的有益效果是實(shí)現(xiàn)了在施加法向力和剪切力的過程中，可以直 觀的觀測(cè)土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，并具有試驗(yàn)簡便、試驗(yàn)結(jié)果直觀，可以進(jìn) 行土樣的全剖面觀測(cè)、也可以進(jìn)行土樣的局部部位細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的特點(diǎn)。
以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu) 點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí) 施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神 和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入 要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書 及其等效物界定。
權(quán)利要求1、細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀，包括剪切盒、透水石、量力環(huán)和底座，所述剪切盒設(shè)有固定上盒和活動(dòng)下盒，其特征在于所述剪切盒的活動(dòng)下盒、固定上盒、透水石為半圓狀；所述剪切盒的半圓體設(shè)有環(huán)形、剛性金屬的弧形側(cè)面；所述剪切盒的半圓體的直邊側(cè)面為平板狀透明物體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)直接剪切儀，其特征在于，所述 剪切盒直邊側(cè)面的平板狀透明物體構(gòu)成細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面，該細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面通 過平板狀透明物體進(jìn)行觀測(cè)，所述平板狀透明物體表面上還涂有薄層潤滑劑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)直接剪切儀，其特征在于， 所述平板狀透明物體與剪切盒的活動(dòng)下盒牢固粘結(jié)，并且隨剪切盒的活動(dòng)下盒 移動(dòng)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于直接剪切試驗(yàn)、土體受到法向力和剪切力作用時(shí)對(duì)土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的試驗(yàn)儀器，尤其是對(duì)砂土細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)直接剪切儀，它包括剪切盒、細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)面、透水石和量力環(huán)，所述剪力盒采用了半圓狀的剪切盒的活動(dòng)下盒、固定上盒和透水石；剪切盒的半圓體的弧形側(cè)面由環(huán)形、剛性的金屬制作；剪切盒的半圓體的直邊側(cè)面由平板狀透明物體制作，而且適合體視顯微鏡觀測(cè)用燈光的照明。本實(shí)用新型的有益效果是實(shí)現(xiàn)了在施加法向力和剪切力的過程中，可以直觀的觀測(cè)土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，并具有試驗(yàn)簡便、試驗(yàn)結(jié)果直觀，可以進(jìn)行土樣的全剖面觀測(cè)、也可以進(jìn)行土樣的局部部位細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/00GK201327472SQ20082015641
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者劉文白, 史旦達(dá), 健 周, 輝 張, 亮 曹 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)