剪切面積不變的圓柱形直剪儀的制作方法

本實用新型涉及一種土力學試驗技術，尤其涉及一種測試土體抗剪強度系數的剪切面積不變的圓柱形直剪儀。

背景技術：

眾所周知，直剪儀是一種用于測定土樣在靜載條件下抗剪強度的儀器，由于其簡單易行，所以推廣度較高。

直剪儀主要應用于測量土壤的抗剪切強度參數，通過剪切力和位移之間的關系得到內摩擦角和粘聚力的值。理論依據為：摩爾—庫倫破壞理論=（σ）=σ+C，其中為土體破壞面上的剪應力，即土的抗剪強度；σ為作用在剪切面上面的法向應力；φ為土的內摩擦角度；C為土的粘聚力。傳統的直剪儀的測量方法是通過剪應力與剪切位移的關系曲線以及繪制抗剪強度線的擬合曲線得到粘聚力和內摩擦角；如圖1和圖2所示。

在確定不同法向應力作用下抗剪強度時，采用公式 ，可知傳統直剪儀存在以下缺點：現有的直剪儀是通過水平推動上剪切盒，下剪切盒與上剪切盒之間發生了錯動，直剪面積變化了，由于剪切上下盒的錯動，剪切過程中試樣的有效面積逐漸減小，使試樣中的應力分布不均勻，主應力方向發生變化，而公式仍然假設A不變，這就導致誤差的產生。當剪切面變形較大時，這一缺陷表現得更為突出。如圖3所示。

申請號為201110079021.3的中國專利申請公布了一種溫控式直剪儀及安裝方法。該專利申請，包括剪切盒、水平力加載裝置、將試件置于恒定溫度下的測試水箱、水溫檢測單元和測量機構。該專利能簡便實現彈塑性材料的剪切試驗。但是該專利申請并沒有保證直剪面積不變；其次，通過剪應力與剪切位移的關系曲線以及繪制抗剪強度線的擬合曲線得到粘聚力和內摩擦角的精確度低。

申請號為201410139777.6 的中國專利申請公布了一種手動等應變直剪儀。該專利申請包括支撐臺架和設置在支撐臺架上的水平加荷裝置、豎直加壓裝置、剪切盒以及水平剪力測量裝置。該專利使剪切盒中的試樣在試驗過程中受到的豎直方向上的壓力變得均勻，提高傳壓效果。但是該專利申請并沒有保證直剪面積不變；其次，通過剪應力與剪切位移的關系曲線以及繪制抗剪強度線的擬合曲線得到粘聚力和內摩擦角的精確度低。

申請號為201410216856.2的中國專利申請公布了一種恒定剪切面直剪。該專利申請包括試驗臺、上剪切盒、下剪切盒、垂直荷載加載機構，及水平荷載加載機構。該專利使土樣的剪切面積始終保持恒定，正應力也不發生變化。但是該專利申請仍舊通過剪應力與剪切位移的關系曲線以及繪制抗剪強度線的擬合曲線得到粘聚力和內摩擦角，裝置復雜，操作難度大。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種剪切面積不變的圓柱形直剪儀，采用該直剪儀可以在保證直剪面積不變以及在保證直剪面積不變的情況下測量出剪切角度，進而得出土壤的抗剪切強度參數，即試樣的內摩擦角和粘聚力的值。這種直剪儀體積適中，便于隨車攜帶，其數據直接錄入終端，便于對實驗數據進行快速處理。

為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案：

一種剪切面積不變的圓柱形直剪儀，包括實驗平臺和設置于所述實驗平臺上的下剪切盒及上剪切盒，下剪切盒通過固定裝置固定于實驗平臺上，上剪切盒對應設置于下剪切盒上，且能在下剪切盒上轉動，轉動時，上剪切盒與下剪切盒之間保持穩定，兩者之間不發生位移變化，上剪切盒和下剪切盒配合構成用于容納試樣的圓柱形剪切盒；

所述下剪切盒的側面上套裝有刻度盤，上剪切盒側面上設置有與所述刻度盤上的刻線匹配的刻度標尺，刻度盤套在下剪切盒側面，因此刻度標尺在讀數時可以起到矯正刻度盤調零的作用。

所述上剪切盒上部中心處固定設置一根L型轉動桿，所述轉動桿的上端與伺服電機輸出軸相連，轉動桿的水平部分末端下部設置有讀數儀器，且讀數儀器的讀數部件與刻度標尺及刻度盤相對應，用于讀取刻度標尺對應的刻度盤上的刻線值，伺服電機工作時，驅動轉動桿帶動上剪切盒和讀數儀器同步轉動。

所述伺服電機的殼體與連接桿一端固定連接，連接桿另一端通過軸套活動套裝在豎桿上，伺服電機及連接桿能夠在豎桿上自動上下滑動，豎桿下端固定在試驗平臺上，能起到把上剪切盒固定的作用。這樣能夠保證剪切盒轉動時，剪切面積固定。

所述伺服電機頂部設置有豎直加載裝置，所述豎直加載裝置包括設置于伺服電機上部頂部開口的容器，容器中放置對應的砝碼。 加上砝碼之后通過電機、轉動桿將重力傳遞到上剪切盒上面。

所述固定裝置包括L型銷釘，實驗平臺的前后左右兩側設有四個L型銷釘孔，所述下剪切盒上設有與所述L型銷釘孔對應的 L型銷釘，所述L型銷釘穿過所述L型銷釘孔并插入其中，固定下剪切盒。

所述四個L型銷釘孔對稱開設于實驗平臺上，且相對的兩個孔間距大于下剪切盒的直徑。

所述刻度盤的精度為0.01°，量程360°。

所述實驗平臺上沿下剪切盒周邊對應設置有0°、90°、180°和270°刻線及相應標識。

所述讀數儀器與外部計算機相連，用于將讀取數據傳輸至計算機，由計算機處理顯示結果。

所述上剪切盒與下剪切盒之間嚙合連接，且兩者之間能夠相互自由轉動。

利用剪切面積不變的圓柱形直剪儀的測試方法，包括以下步驟：

首先將下剪切盒通過L型銷釘在固定在試驗平臺，上剪切盒通過豎桿的作用，可以保證剪切盒轉動時，剪切面積固定，然后在下剪切盒和上剪切盒的有效剪切面積中添加剪切試樣；

其次在調整好讀數儀器和伺服電機的使用情況后，將上剪切盒、讀數儀器和伺服電機通過連接軸連接；

然后將所述上剪切盒與下剪切盒嚙合完全，并且在豎直加載裝置加載載荷后準備剪切；

最后打開讀數儀器和伺服電機的開關，開始試驗并錄入微型計算機。

本實用新型中的讀數儀器是現有的設備，在市場中可以購買到，在此不再贅述。

本實用新型的上剪切盒和下剪切盒配合構成用于容納試樣的圓柱形剪切盒；下剪切盒的側面上安裝刻度盤，通過伺服電機轉動上剪切盒，得出試樣的剪切角度。數據采集通過讀數儀器的可編程控制器把實驗數據傳輸到微型計算機，并通過人機界面交互操作；利用計算機實現試驗結果的直接輸出，可保證受剪切面積不變的情況下，所測量土壤的抗剪切強度參數更加符合實際的狀況，并且使得到的內摩擦角和粘聚力值具真實性。

本實用新型可以在保證直剪面積不變以及在保證直剪面積不變的情況下測量出剪切角度，進而得出土壤的抗剪切強度參數, 即試樣的內摩擦角和粘聚力的值。能夠保證內摩擦角和粘聚力的準確性，不受有效剪切面積逐漸變化的影響。這種直剪儀體積適中，便于隨車攜帶，其數據直接錄入終端，便于對實驗數據進行快速處理，是一種工作效率更高的直剪儀。

與現有的直剪相比較的優點：1、現在直剪儀都是通過測量位移來獲取實驗數據，本實用新型是通過角度來獲取試驗數據；2、現在直剪儀的位移沒有保證直剪面積不變，但是計算的時候都是假設不變來完成的，本實用新型是實際操作中就保證了不變，所以獲得數據更精確。

本實用新型提供的直剪儀的結構簡單，操作方法簡單，不同于傳統直剪儀實驗一般需要測量剪切盒的水平位移來得到抗剪強度指標，本實用新型提供的直剪儀進行實驗時，通過測量剪切角度來得到抗剪強度系數。

附圖說明

圖1是現有技術中剪應力與剪切位移關系曲線圖；

圖2是現有技術中抗剪強度線圖；

圖3是現有技術中試樣受剪情況圖；

圖4是本實用新型直剪儀的結構示意圖；

圖5是本實用新型中下剪切盒上面刻度盤結構示意圖；

圖6是本實用新型剪應力與剪切角度關系曲線圖；

圖7是本實用新型抗剪強度線圖；

圖8是本實用新型中試樣受剪情況圖；

其中，1 ：實驗平臺；2 ：下剪切盒；3 ：L型銷釘；4 ：讀數儀器；5 ：轉動桿； 6 ：上剪切盒；7 ：伺服電機； 8 ：豎直加載裝置； 9 ：刻度盤； 10 ：刻度標尺，11：連接桿；12：豎桿。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本實用新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的范疇。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

如圖4 、圖5所示，本實施例所述的一種剪切面積不變的圓柱形直剪儀，包括實驗平臺1和設置于所述實驗平臺上的下剪切盒2、上剪切盒6，所述實驗平臺1上設有L型銷釘孔 可通過前、后、左、右的L型銷釘3將下剪切盒2固定于所述實驗平臺上，上剪切盒6對應設置于下剪切盒2上，且能在下剪切盒2上轉動，轉動時，上剪切盒6與下剪切盒2之間保持穩定，兩者之間不發生位移變化（如圖8所示）。所述上剪切盒6和下剪切盒2配合構成用于容納試樣的圓柱形剪切盒。

實驗平臺1的前后左右兩側設有四L型銷釘孔3，所述下剪切盒2上設有與所述L型銷釘孔對應的L型銷釘，所述L型銷釘穿過所述L型銷釘孔并插入所述L型銷釘孔，起到固定下剪切盒2的作用。四個L型銷釘孔3對稱開設于實驗平臺上，且相對的兩個孔間距大于下剪切盒2的直徑。

實驗平臺1上沿下剪切盒周邊對應設置有0°、90°、180°和270°刻線及相應標識。

下剪切盒2的側面上套裝有刻度盤9，上剪切盒6側面上設置有與所述刻度盤9上的刻線匹配的刻度標尺10，通過轉動上剪切盒6，得出試樣的剪切角度。

上剪切盒6上部中心處固定設置一L型轉動桿5，所述轉動桿5的上端與伺服電機7輸出軸相連，轉動桿5的水平部分末端下部設置有讀數儀器4，數儀器4用于獲取圓柱形剪切盒內的試樣的實驗數據，且讀數儀器4的讀數部件與刻度標尺10及刻度盤9相對應，用于讀取刻度標尺10對應的刻度盤9上的刻線值，伺服電機7工作時，驅動轉動桿5帶動上剪切盒6和讀數儀器4同步轉動。上剪切盒6 施加轉動力，施加轉動力的機構可以為任何能夠施加轉動力的機構，如調速伺服電機等；

伺服電機7的殼體與連接桿11一端固定連接，連接桿11另一端通過軸套活動套裝在豎桿12上，伺服電機7及連接桿11能夠在豎桿12上自動上下滑動，豎桿12下端固定在試驗平臺1上，能起到把上剪切盒固定的作用。這樣能夠保證剪切盒轉動時，剪切面積固定。

伺服電機7頂部設置有豎直加載裝置8，豎直加載裝置8提供豎直方向的荷載力。所述豎直加載裝置8包括設置于伺服電機7上部頂部開口的容器，容器中放置對應的砝碼。加上砝碼之后通過伺服電機7、轉動桿5將重力傳遞到上剪切盒6上面。

如圖5所示，下剪切盒2上安裝的刻度盤9，得到試樣剪切角度。刻度盤的精度為0.01°，量程360°.

如圖4所示，讀數儀器4、上剪切盒6和伺服電機7通過轉動桿5連接，豎直加載裝置8位于伺服電機7的上表面。其中轉動桿5的一端連接讀數儀器4，另一端端連接伺服電機7，第三端連接上剪切盒6，使得讀數儀器4、上剪切盒6和伺服電機7具有相同的轉動頻率。讀數儀器4與外部計算機相連，用于將讀取數據傳輸至計算機，由計算機處理顯示結果。

本實用新型的使用方法是：首先將下剪切盒2通過L型銷釘3在固定在試驗平臺1之后，在下剪切盒2和上剪切盒6的有效剪切面積中添加剪切試樣。其次在調整好讀數儀器4和伺服電機7的使用情況后，將6上剪切盒、讀數儀器4和伺服電機7通過連接軸連接。然后將所述上剪切盒6與下剪切盒2嚙合完全，并且在豎直加載裝置8加載載荷后準備剪切。最后打開讀數儀器4和伺服電機7的開關，開始試驗并錄入微型計算機。

如圖6、圖7所示，根據土力學直剪實驗原理，直剪試樣大小固定，直剪面積不變，由摩爾—庫倫破壞理論：=（σ）=σ+C，其中為土體破壞面上的剪應力，即土的抗剪強度；σ為作用在剪切面上面的法向應力；φ為土的內摩擦角度；C為土的粘聚力。剪切面積不變的圓柱形直剪儀解決了傳統直剪儀直剪面積變化以及由直剪面積變化測量出的剪切位移不精確的問題，本實用新型通過保證直剪面積不變以及在保證直剪面積不變的情況下測量出剪切角度的方法，最終得出精確度更高的抗剪強度參數。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。