專利名稱：凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于用機械應力測試固體材料的強度特性技術領域，具體涉及到施加穩定
的剪切力。
背景技術：
在鋪筑公路之前，需對土路基進行壓實處理，然后在土路基上鋪筑集料以及混凝 土材料，在北方冬天寒冷季節，土路基將會結凍，體積膨脹，春天天氣暖和時，結凍的土路基 解凍，路基發生凍融循環變化，路基出現下沉，路面鋪筑的混凝土層出現下沉裂縫，影響到 行車安全。在鋪筑公路之前需對路基土樣進行強度試驗。目前使用的大型粗顆粒土剪切儀 只能對普通粗顆粒土進行強度試驗，其適用范圍雖廣，但是對于工程上所遇到的特殊土在 特定條件下的強度測定還是有局限性，不能根據實際工程情況測定準確的強度參數。
鹽漬土地區公路病害主要有鹽脹、翻漿、溶陷和腐蝕等類型。鹽分能降低路面強 度、減弱封層作用，導致路面破壞。迄今為止，通過對鹽漬土鹽脹的研究，人們對細粒鹽漬土 的性質已有了較為全面地認識，并逐步形成了較為完善的鹽漬土鹽脹理論，但是對于粗顆 粒鹽漬土的研究甚少。在粗顆粒鹽漬土地區隨著季節交替而產生的溫度變化會對粗顆粒鹽 漬土地區路基的試驗土樣強度產生負面作用，影響道路通行能力。 在筑路試驗設備技術領域，當期需迫切解決的一個技術問題是提供一種適應范圍 廣、自動化程度高，并且可以測試由于溫度變化導致路基土體強度變化的粗顆粒土樣強度 性能測試儀器。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服上述大型粗顆粒土剪切儀的缺點，提供一種
適應范圍廣、自動化程度高、測試數據準確的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置。
解決上述問題所采用的技術方案是在軌道的左側設置有底座，底座上至少設置
有3根上端裝有上反力板的螺柱，安裝在輪架下的軌道輪設置在軌道的右側，輪架上設置
有電動機以及與固定架聯接的垂直液壓千斤頂，電動機的輸出軸上設置有與安裝在軌道上
的齒條嚙合的齒輪，固定架上設置移動架、液壓油泵、與移動架聯接的水平液壓千斤頂，液
壓油泵通過管道與水平液壓千斤頂相聯通，在底座上設置有程控靜態應變儀、下傳壓板、位
移傳感器支架，下傳壓板上設用于裝凍融試驗土樣的剪切盒組，剪切盒組上端設置有上傳
壓板，上傳壓板上表面設置螺旋千斤頂，螺旋千斤頂上端設置有與上反力板搭接的垂直壓
力傳感器，位移傳感器支架上設置與剪切盒組搭接的水平位移傳感器。固定架上部左端設
置有與剪切盒組搭接的上剪切盒固定板、下部左端設置有與剪切盒組搭接的下剪切盒固定
板，移動架左端設置有與剪切盒組搭接的中剪切盒固定板，中剪切盒固定板與剪切盒組之
間設置有水平拉力傳感器，垂直壓力傳感器、水平位移傳感器、水平拉力傳感器通過導線與
程控靜態應變儀相連。
本發明的上傳壓板為在下蓋上設置有上蓋，上蓋與下蓋之間設置有密封圈。
本發明的下蓋為下蓋的圓周外沿加工有聯接孔，上表面至少加工有2圈冷媒槽，
冷媒槽的形狀為圓環形平面凹槽，一圈冷媒槽與相鄰一圈冷媒槽之間加工有加強筋，每圈
加強筋上加工有缺口，下蓋的下表面為平面。本發明的上蓋為上蓋的圓周外沿加工有聯接
孔，上傳壓板的上蓋上加工有出液孔和進液孔。 本發明的一圈冷媒槽與相鄰一圈冷媒槽的槽寬相等。 本發明的每圈加強筋上加工有4個間隔為90。的缺口，加強筋上的缺口排列在下 蓋的相互垂直的兩條直徑上。 本發明的上傳壓板的上蓋上加工的出液孔和進液孔排列在經過圓心的同一條直 徑上。 本發明的剪切盒組至少包括3個奇數個剪切盒，在中剪切盒的上端面垂直方向上
至少設置有1個上剪切盒、下端面下設置有1個下剪切盒，上剪切盒與上剪切盒固定板搭
接，中剪切盒與中剪切盒固定板搭接，下剪切盒與下剪切盒固定板搭接。 本發明的上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒為筒狀結構，上剪切盒、中剪切盒、下剪切
盒的外徑相等，上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒的內徑相等，上剪切盒的內徑與上傳壓板的
外徑相等，下剪切盒的外徑與下傳壓板的內徑相等。 本發明的上剪切盒固定板、中剪切盒固定板、下剪切盒固定板的左端為圓弧形。 本發明的下傳壓板的一側加工有進液孔、另一側加工有出液孔。 本發明采用在上傳壓板與下傳壓板之間設置由剪切盒構成剪切盒組，剪切盒內裝
被測試的試驗土樣，上傳壓板和下傳壓板內加工有冷媒槽，在測試時，冷媒從進液孔進入到
下蓋的冷媒槽內，在冷媒槽內循環流動，從出液孔流出，給試驗土樣傳遞溫度以及傳遞垂直
壓力。本發明將凍融循環試驗和強度試驗相結合，在進行凍融循環試驗后可以直接進行強
度試驗，能準確測出路基土樣在經過凍融后的強度指標。當上路基與下路基由于外部低溫
導致上下路基土樣強度變化不一樣等情況下，也可以通過調節上下傳壓板的溫度來控制路
基試驗土樣內部的溫度變化，然后進行剪切試驗測試試驗土樣的強度指標。本發明具有適
應范圍廣、自動化程度高、測試數據準確等優點，可用于北方地區由于季節或晝夜溫度變化
導致路基土樣強度變化的測量，還可用于鹽漬土地區由于溫度變化導致鹽漬路基土樣強度
變化的測量。
圖1是本發明一個實施例的結構示意圖。 圖2是圖1中中剪切盒7的結構示意圖。 圖3是圖1中上傳壓板5的結構示意圖。 圖4是圖3中下蓋5-l的主視圖。 圖5是圖4的左視圖。 圖6是圖3中上蓋5-2的主視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。
實施例1
在圖1、2中，本實施例的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置由上反力板1、螺柱2、垂 直壓力傳感器3、螺旋千斤頂4、上傳壓板5、上剪切盒6、中剪切盒7、中剪切盒固定板8、水 平拉力傳感器9、上剪切盒固定板10、固定架11、移動架12、水平液壓千斤頂13、液壓油泵 14、垂直液壓千斤頂15、輪架16、齒輪17、電動機18、軌道輪19、齒條20、下剪切盒固定板 21、軌道22、底座23、下剪切盒24、下傳壓板25、位移傳感器支架26、位移傳感器27、程控靜 態應變儀28聯接構成。 在軌道22的左側放置有底座23，底座23上安裝有程控靜態應變儀28，程控靜態 應變儀28的型號為YE2533，程控靜態應變儀28用于對輸入的信號按照事先設定的程序進 行數據處理，輸出計算結果。底座23上通過螺紋聯接安裝有4根螺柱2，螺柱2的上端通過 螺紋聯接安裝有上反力板l，在底座23上用螺紋緊固聯接件固定聯接有下傳壓板25，下傳 壓板25上放置有下剪切盒24，下剪切盒24的上端放置有中剪切盒7，中剪切盒7的上端放 置有上剪切盒6，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24的外徑相等，上剪切盒6、中剪切盒7、 下剪切盒24的內徑相等，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24為筒狀結構，中剪切盒7的 上端和下端光潔度較高，中剪切盒7的上下兩端為刀口狀，尖角a為20° ，尖角a也可為 10° ，還可以為30。，用于減小中剪切盒7與上剪切盒6、下剪切盒24之間接觸面的摩擦系 數及接觸面積，中剪切盒7的外側面靠近上下兩端分別用螺紋緊固聯接件對稱地固定聯接 有聯接耳7-1，上剪切盒6的下端、下剪切盒24的上端用螺紋緊固聯接件對稱地固定聯接 有聯接耳7-1，聯接耳上7-1加工有螺孔，用于在制土樣時中剪切盒7與上剪切盒6、下剪切 盒24用螺栓聯接，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24內裝有被測剪切力的土樣。上剪切 盒6的上端放置有上傳壓板5，上傳壓板5的外徑與上剪切盒6的內徑相等，上傳壓板5的 上表面安裝有螺旋千斤頂4，螺旋千斤頂4的上端安裝有垂直壓力傳感器3，垂直壓力傳感 器3與上反力板1搭接，垂直壓力傳感器3通過導線與程控靜態應變儀28相連，旋轉螺旋 千斤頂4，對上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的試驗土樣垂直方向加載，垂直壓力傳 感器3將接收到對上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的試驗土樣所施加的垂直方向的 力轉換成電信號輸出到程控靜態應變儀28，程控靜態應變儀28按照事先設定的程序進行 數據處理，計算出上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的試驗土樣所承受的垂直荷載，到 預定荷載時，保持垂直方向荷載恒定。在程控靜態應變儀28與螺柱2之間底座23上安裝 有位移傳感器支架26，位移傳感器支架26上用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有水平位移 傳感器27，水平位移傳感器27與中剪切盒7搭接，水平位移傳感器27通過導線與程控靜態 應變儀28相連，水平位移傳感器27將接收到中剪切盒7的水平位移信號轉換成電信號輸 出到程控靜態應變儀28，程控靜態應變儀28按照事先設定的程序計算出中剪切盒7在加載 時的水平位移量。 輪架16下用聯接件聯接安裝有軌道輪19，軌道輪19放置在軌道22的右側上，輪 架16上用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有垂直液壓千斤頂15，垂直液壓千斤頂15的上端 與固定架11固定聯接，垂直液壓千斤頂15上下移動，使得固定架11上下移動，輪架16上 用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有電動機18，電動機18的輸出軸上用聯接件固定聯接安 裝有齒輪17，軌道22的下部安裝有齒條20，齒輪17與齒條20嚙合，電動機18旋轉，通過 齒輪齒條傳動機構，使得輪架16在軌道22上左右移動。固定架11的上部左端用螺紋緊固 聯接件固定聯接安裝有上剪切盒固定板10、下部左端用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有下剪切盒固定板21，上剪切盒固定板10的左端為圓弧形，卡在上剪切盒6的右側，將上剪切盒 6固定在上剪切盒固定板10的左端，下剪切盒固定板21的左端為圓弧形，卡在下剪切盒24 的右側，將下剪切盒24固定在下剪切盒固定板21的左端，移動架12安裝在固定架11上， 移動架12的左端用螺紋緊固聯接件固定聯接有中剪切盒固定板8，中剪切盒固定板8的左 端為圓弧形，卡在中剪切盒7上，中剪切盒7的右側與中剪切盒固定板8之間安裝有水平拉 力傳感器9，水平拉力傳感器9通過導線與程控靜態應變儀28相連，水平拉力傳感器9用 于接收水平拉力信號。固定架11上用螺紋緊固聯接件固定聯接安裝有液壓油泵14和水平 液壓千斤頂13，液壓油泵14通過管道與水平液壓千斤頂13相聯通，液壓油泵14為水平液 壓千斤頂13提供壓力源，水平液壓千斤頂13的活塞桿與移動架12固定聯接，水平液壓千 斤頂13與液壓油泵14的油路聯通后，水平液壓千斤頂13的活塞桿推動移動架12在軌道 22上左右移動，由中剪切盒固定板8對中剪切盒7施加水平拉力。水平拉力傳感器9將所 接收的水平液壓千斤頂13的水平拉力信號轉換成電信號輸出到程控靜態應變儀28，程控 靜態應變儀28按照事先設定的程序計算出對中剪切盒7的水平加載力。這種結構的凍融 循環粗顆粒土剪切試驗裝置，可以對試驗土樣在經過不同凍融循環周期后直接進行剪切試 驗，能準確地測出試驗土樣在經過凍融后的強度指標，還能準確地測試出實際工況中上路 基與下路基由于溫度不同導致上下路基試驗土樣柱的強度變化不一樣的情況，可以對土樣 柱進行具有一定溫度梯度降溫循環試驗后的直接剪切試驗。以上試驗在進行凍融循環試驗 時，在剪切盒外部包有保溫材料，以使試驗土樣的溫度不與外界發生熱交換。
圖3 6給出了上傳壓板5的結構示意圖。在圖3 5中，本實施例的上傳壓板5 由下蓋5-l、上蓋5-2、密封圈5-3聯接構成。上蓋5-2、下蓋5_1的形狀為圓形，在下蓋5_1 上用螺紋緊固聯接件固定聯接有上蓋5-2，上蓋5-2與下蓋5-1之間安裝有密封圈5-3。下 蓋5-1的圓周外沿均布加工有一圈聯接孔，上表面加工有4圈冷媒槽a，冷媒槽a的形狀為 圓環形平面凹槽，冷媒槽a用于裝冷媒，冷媒可采用酒精、防凍液等耐低溫液體， 一圈冷媒 槽a與相鄰一圈冷媒槽a的槽寬相等，一圈冷媒槽a與相鄰一圈冷媒槽a之間加工有加強筋 5-1. 1，每圈加強筋5-1. l上加工有4個間隔為90。的缺口b，3圈加強筋5-l. l上的缺口b 排列在下蓋5-l的相互垂直的兩條直徑上，下蓋5-l的下表面為平面。上蓋5-2的圓周外 沿均布加工有一圈孔，上蓋5-2上加工有出液孔和進液孔，出液孔和進液孔加工在經過圓 心的同一條直徑上，出液孔和進液孔為通孔，將上蓋5-2蓋在下蓋5-l上以后，在測試時，冷 媒從進液孔進入到下蓋5-1的冷媒槽a內，在冷媒槽a內循環流動，從出液孔流出。這種結 構的上傳壓板5，其外徑與上剪切盒6的內徑相等，在進行剪切試驗時，給試驗土樣傳遞溫 度以及傳遞垂直壓力。 下傳壓板25的內部結構與上傳壓板5的內部結構相同，下傳壓板25的幾何尺寸 大于上傳壓板5的幾何尺寸，下傳壓板25內徑與下剪切盒24的外徑相等，并且下傳壓板25 的進液孔和出液孔分別位于下傳壓板25的兩側。
實施例2 在本實施例中，剪切盒組由l個下剪切盒24、2個中剪切盒7、3個上剪切盒6構成， 上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24的結構與實施例1相同。下傳壓板25上放置有下剪 切盒24，下剪切盒24的上端安裝有第一個中剪切盒7，中剪切盒7的上安裝有上剪切盒6， 上剪切盒6的上端安裝有另一個中剪切盒7，另一個中剪切盒7的上端安裝有最上面上剪切
7盒6，最上面上剪切盒6的上表面放置有上傳壓板5。其它零部件以及零部件的聯接關系與 實施例1相同。試驗時，操作垂直千斤頂，使固定架11上升，將上剪切盒固定板10卡在最 上面上剪切盒6的右側，中剪切盒固定板8卡在另一個中上剪切盒6的右側，下剪切盒固定 板21卡在上剪切盒6的右側，對另一個中剪切盒7內的凍融土進行剪切強度試驗，實驗過 程與實施例l相同。移除最上一個上剪切盒6和另一個中剪切盒7，用上剪切盒6、第一個 中剪切盒7、下剪切盒24，進行第二次剪切強度試驗，試驗時，操作垂直液壓千斤頂15，使固 定架11下降，將上剪切盒固定板10卡在上剪切盒6的右側，中剪切盒固定板8卡在中上剪 切盒6的右側，下剪切盒固定板21卡下剪切盒24的右側，對中剪切盒7內的凍融土進行剪 切強度試驗，實驗過程與實施例1相同。本實施例凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置可以進 行通過一定溫度梯度降溫循環試驗后直接對試驗土樣進行剪切試驗。
實施例3 在實施例1、2中，上傳壓板5的下蓋5-1上表面加工有2圈冷媒槽a，冷媒槽a的 形狀為圓環形平面凹槽，2圈冷媒槽a之間加工有1圈加強筋5-1. 1，加強筋5-1. 1的結構 與實施例1相同，上蓋5-2的其它形狀與實施例1相同。其它零部件以及零部件的聯接關 系與相應的實施例相同。
實施例4 在以上的實施例1 3中，底座23上通過螺紋聯接安裝有3根螺柱2，螺柱2的上 端通過螺紋聯接安裝有上反力板1。其它零部件以及零部件的聯接關系與相應的實施例相 同。
權利要求
一種凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，在軌道(22)的左側設置有底座(23)，底座(23)上至少設置有3根上端裝有上反力板(1)的螺柱(2)，安裝在輪架(16)下的軌道輪(19)設置在軌道(22)的右側，輪架(16)上設置有電動機(18)以及與固定架(11)聯接的垂直液壓千斤頂(15)，電動機(18)的輸出軸上設置有與安裝在軌道(22)上的齒條(20)嚙合的齒輪(17)，固定架(11)上設置移動架(12)、液壓油泵(14)、與移動架(12)聯接的水平液壓千斤頂(13)，液壓油泵(14)通過管道與水平液壓千斤頂(13)相聯通，其特征在于在底座(23)上設置有程控靜態應變儀(28)、下傳壓板(25)、位移傳感器支架(26)，下傳壓板(25)上設用于裝凍融試驗土樣的剪切盒組，剪切盒組上端設置有上傳壓板(5)，上傳壓板(5)上表面設置螺旋千斤頂(4)，螺旋千斤頂(4)上端設置有與上反力板(1)搭接的垂直壓力傳感器(3)，位移傳感器支架(26)上設置與剪切盒組搭接的水平位移傳感器(27)；固定架(11)上部左端設置有與剪切盒組搭接的上剪切盒固定板(10)、下部左端設置有與剪切盒組搭接的下剪切盒固定板(21)，移動架(12)左端設置有與剪切盒組搭接的中剪切盒固定板(8)，中剪切盒固定板(8)與剪切盒組之間設置有水平拉力傳感器(9)，垂直壓力傳感器(3)、水平位移傳感器(27)、水平拉力傳感器(9)通過導線與程控靜態應變儀(28)相連。
2. 按照權利要求1所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的上傳壓 板(5)為在下蓋(5-1)上設置有上蓋(5-2)，上蓋(5-2)與下蓋(5-1)之間設置有密封圈 (5-3)。
3. 按照權利要求2所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的下蓋 (5-1)為下蓋(5-1)的圓周外沿加工有聯接孔，上表面至少加工有2圈冷媒槽(a)，冷媒槽 (a)的形狀為圓環形平面凹槽，一圈冷媒槽(a)與相鄰一圈冷媒槽(a)之間加工有加強筋 (5-1. l)，每圈加強筋(5-1. 1)上加工有缺口 (b)，下蓋(5-1)的下表面為平面；所說的上蓋 (5-2)為上蓋(5-2)的圓周外沿加工有聯接孔，上傳壓板(5)的上蓋(5-2)上加工有出液 孔和進液孔。
4. 按照權利要求3所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說一圈冷 媒槽(a)與相鄰一圈冷媒槽(a)的槽寬相等。
5. 按照權利要求3所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的每圈 加強筋(5-1.1)上加工有4個間隔為90。的缺口 (b)，加強筋(5-1.1)上的缺口 (b)排列 在下蓋(5-1)的相互垂直的兩條直徑上。
6. 按照權利要求3所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的上傳 壓板(5)的上蓋(5-2)上加工的出液孔和進液孔排列在經過圓心的同一條直徑上。
7. 按照權利要求1所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的剪切 盒組至少包括3個奇數個剪切盒，在中剪切盒(7)的上端面垂直方向上至少設置有1個上 剪切盒(6)、下端面下設置有1個下剪切盒(24)，上剪切盒(6)與上剪切盒固定板(10)搭 接，中剪切盒(7)與中剪切盒固定板(8)搭接，下剪切盒(24)與下剪切盒固定板(21)搭接。
8. 按照權利要求7所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的上剪 切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24)為筒狀結構，上剪切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24) 的外徑相等，上剪切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24)的內徑相等，上剪切盒(6)的 內徑與上傳壓板(5)的外徑相等，下剪切盒(24)的外徑與下傳壓板(25)的內徑相等。
9. 按照權利要求1或7所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所說的上剪切盒固定板(10)、中剪切盒固定板(8)、下剪切盒固定板(21)的左端為圓弧形。
10. 按照權利要求1或7或8所述的凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，其特征在于所 說的下傳壓板(25)的一側加工有進液孔、另一側加工有出液孔。
全文摘要
一種凍融循環粗顆粒土剪切試驗裝置，在軌道的左側設底座，底座設程控靜態應變儀、下傳壓板、裝有水平位移傳感器的位移傳感器支架、上端裝有上反力板的螺柱，下傳壓板上設剪切盒組，剪切盒組上設裝有螺旋千斤頂的上傳壓板，螺旋千斤頂上端設與上反力板搭接的垂直壓力傳感器；安裝在輪架下的軌道輪設在軌道的右側，輪架上設電動機以及與固定架聯接的垂直液壓千斤頂，電動機的輸出軸上設與軌道上的齒條嚙合的齒輪，固定架上設移動架、液壓油泵、與移動架聯接的水平液壓千斤頂，固定架上部左端設與剪切盒組搭接的上剪切盒固定板、下部左端設與剪切盒搭接的下剪切盒固定板，移動架左端設與剪切盒組搭接的中剪切盒固定板和水平拉力傳感器。
文檔編號G01N3/24GK101762431SQ20101001367
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者張宏光, 張莎莎, 楊曉華, 謝永利 申請人:長安大學