一種手持式常剛度環剪儀及其使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用機械應力測試固體材料特性領域，尤其涉及一種手持式常剛度環剪 儀及其使用方法。
【背景技術】
[0002] 環剪儀在20世紀20年代開始被研制，之后的幾十年，環剪儀的發展幾乎停止，直 到20世紀60年代殘余強度研宄的興起才使得環剪儀的研宄復燃，繼而研宄和開發出了各 種在室內實驗室使用的環剪儀。
[0003]目前室內環剪儀按其結構特征可分為兩種類型：單環式環剪儀和雙環式環剪儀。 與其他土工試驗方法相比，這些環剪儀具有兩個共同的優點，即在試驗過程中可以保持剪 切面面積不變和試樣可在連續的位移條件下進行剪切。單環式環剪儀在試驗過程中將土樣 裝入圓筒形試樣盒中，通過上部加壓板對試樣施加垂向壓力和扭轉剪力。此類型環剪儀的 主要優點是在剪切試驗過程中，不會發生土樣滲漏問題。雙環式環剪儀使土樣沿上下各自 獨立的環狀剪切盒中部的預設面進行剪切，以期達到減少試驗過程中沿剪切面處應力與應 變分布的不均勻性、減少土樣與剪切環間阻力以及消除剪切環邊緣應力集中的目的。
[0004] 隨著技術手段的進步，現代室內環剪儀能夠通過伺服控制系統和剪切環間縫傳感 器保證各種試驗條件下剪切過程中不排水狀態的實現，并能夠保證排水和不排水試驗條件 的實施和轉換，同時計算機控制和高感度記錄設備的應用也使得試驗數據的分析處理更加 方便快捷。但隨著現代環剪試驗系統日益復雜化和精密化，環剪儀的制造成本和使用成本 逐漸增加，儀器的日常維護和保養費用變得日益昂貴。而且，現有的環剪儀設備復雜，體積 大，只能在室內實驗室使用，不能在野外現場使用，只能輸出恒定壓力。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種手持式常剛度環剪儀及其使用方法，用于在野外現場對 土樣在常剛度條件下的抗剪切力和剪切過程中的體變進行測定。儀器攜帶方便、操作簡單、 經濟實用，輸出壓力可調。
[0006] 本發明的一個技術方案是一種手持式常剛度環剪儀，包括底座和套設在該底座內 的環形鋼框，所述鋼框頂部扣合有環形上蓋，該上蓋上部固定有傳壓板，所述底座中央垂直 設置有一轉軸，該轉軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板通過螺紋固定，所述轉軸頂端固定有 扳手，該扳手上嵌有數顯表；所述底座的側壁上通過螺紋固定有彈簧支架，該彈簧支架下方 垂直固定有彈簧導桿，該彈簧導桿上端套設有限位螺母，該限位螺母下方的彈簧導桿上套 設有彈簧，該彈簧下端壓有滑塊，該滑塊擱置在所述傳壓板上；所述彈簧的上端和傳壓板之 間連接有第一夾具，該第一夾具上安裝有第一百分表；所述底座的側壁上還固定有百分表 支架，該百分表支架通過第二夾具與所述傳壓板連接，所述第二夾具上安裝有第二百分表； 所述手持式常剛度環剪儀的整體尺寸為200mmX 120mmX 240mm。使用時，先將鋼框中裝好土 樣，調試好各部件，記下數顯表、第一百分表和第二百分表的初始讀數。轉動扳手，所述數顯 表上的讀數隨著變化，所述轉軸帶動所述傳壓板和上蓋轉動，土樣被逐漸壓緊，上蓋帶動傳 壓板下降，初始壓縮狀態下的彈簧即時向下伸展，所述彈簧拉伸所述第一夾具，該第一夾具 的拉伸使第一百分表的讀數產生變化。隨著所述傳壓板的下降，所述第二夾具也會向下拉 伸，使第二百分表的度數產生變化。根據所述數顯表的讀數、環形土樣的內徑和外徑，可以 算出土樣上的平均剪應力。根據彈簧的根數、彈簧的剛度系數、第一百分表的讀數、環形土 樣的內徑和外徑可以算出土樣上的平均法向應力。根據第二百分表的讀數可以知道土樣高 度的變化，再結合土樣的內徑和外徑，可以算出土樣體積的變化。
[0007] 本技術方案中的手持式常剛度環剪儀體積小，質量輕便，只有2kg，費用低，便于野 外現場使用；利用彈簧施加豎向力，無需外接壓力源或加荷設備；通過設置不同的彈簧初 始壓縮量，可進行不同初始壓力下的環剪實驗；通過配置不同剛度的彈簧，可進行不同剛度 下的常剛度環剪實驗。
[0008] 進一步地，所述轉軸套設在軸承中，該軸承垂直固定在所述底座中央。所述轉軸在 軸承中轉動，摩擦力小，轉動靈活。
[0009] 進一步地，鋼框底部有限位粧，所述底座內限位槽，所述限位粧位于所述限位槽 內，防止鋼框在底座內水平滑動。
[0010] 進一步地，所述底座外側有手柄。便于固定儀器，也便于轉動手柄。
[0011] 進一步地，滑塊上部有圓形的墊片，該墊片與彈簧下端接觸，當傳壓板轉動時，傳 壓板上的環形的滑塊位置不變，只在傳壓板表面滑動，所述圓形的墊片始終位于彈簧的正 下方，避免彈簧發生彎折。
[0012] 本發明的另一個技術方案是一種手持式常剛度環剪儀的使用方法，包括如下步 驟：
[0013] S1、將剛性框取出，均勻裝入土樣；土樣裝完后，將土樣面刮平，使土樣高度達到要 求，將剛性框放入儀器底座中；
[0014] S2、蓋上上蓋，將滑塊放在傳壓板上，將墊片放在所述滑塊上；
[0015] S3、安裝彈簧支架、彈簧導桿、限位螺母、彈簧，并確保與彈簧連接的彈簧墊片置于 傳壓板上的環形滑塊上；
[0016] S4、調節限位螺母，使土樣處于預壓狀態；
[0017] S5、安裝彈簧支架、第一百分表和第一夾具，記錄第一百分表的初始讀數；安裝百 分表支架、第二百分表和第二夾具，記錄第二百分表的初始讀數；
[0018] S6、一只手握住底座手柄，另一只手通過扳手施加扭矩轉動轉軸，轉軸帶動傳壓板 和上蓋轉動，在土樣上表面產生剪應力對土樣進行剪切；在此過程中，記錄第一百分表、第 二百分表和數顯表的讀數；
[0019] S7、試驗結束后，拆除土樣，根據第一百分表、第二百分表和數顯表的讀數，計算出 作用在土樣上的平均剪應力和平均法向應力。
[0020] 本技術方案中的手持式常剛度環剪儀體積小，質量輕便，便于野外現場使用；利用 彈簧施加豎向力，無需外接壓力源或加荷設備；通過設置不同的彈簧初始壓縮量，可進行不 同初始壓力下的環剪實驗；通過配置不同剛度的彈簧，可進行不同剛度下的常剛度環剪實 驗。
[0021] 進一步地，所述步驟S7中，預設環形土樣的內徑為R1，外徑為R2，假定土樣上的剪 應力τ是均勻分布的，在加載過程中由數顯表的讀數可知作用在土樣上的扭矩M，根據靜 力平衡條件，土樣上的平均剪應力滿足下列公式：
【主權項】
1. 一種手持式常剛度環剪儀，包括底座和套設在該底座內的環形鋼框，其特征在于： 所述鋼框頂部扣合有環形上蓋，該上蓋上部固定有傳壓板，所述底座中央垂直設置有一轉 軸，該轉軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板固定，所述轉軸頂端固定有扳手，該扳手上嵌有數 顯表；所述底座的側壁上固定有彈黃支架，該彈黃支架下方垂直固定有彈黃導桿，該彈黃導 桿上端套設有限位螺母，該限位螺母下方的彈黃導桿上套設有彈黃，該彈黃下端壓有滑塊， 該滑塊擱置在所述傳壓板上；所述彈黃的上端和傳壓板之間連接有第一夾具，該第一夾具 上安裝有第一百分表；所述底座的側壁上還固定有百分表支架，該百分表支架通過第二夾 具與所述傳壓板連接，所述第二夾具上安裝有第二百分表；所述手持式常剛度環剪儀的整 體尺寸為 200mmX120mmX240mm。
2. 根據權利要求1所述的手持式常剛度環剪儀，其特征在于：所述轉軸套設在軸承中， 該軸承垂直固定在所述底座中央。
3. 根據權利要求2所述的手持式常剛度環剪儀，其特征在于：鋼框底部有限位粧，所述 底座內限位槽，所述限位粧位于所述限位槽內。
4. 根據權利要求3所述的手持式常剛度環剪儀，其特征在于：所述底座外側有手柄。
5. 根據權利要求4所述的手持式常剛度環剪儀，其特征在于：滑塊上部有圓形的墊片， 該墊片與彈黃下端接觸。
6. 根據權利要求5所述的手持式常剛度環剪儀的使用方法，其特征在于，包括如下步 驟： 51、 將剛性框取出，均勻裝入±樣；±樣裝完后，將±樣面刮平，使±樣高度達到要求， 將剛性框放入儀器底座中； 52、 蓋上上蓋，將滑塊放在傳壓板上，將墊片放在所述滑塊上； 53、 安裝彈黃支架、彈黃導桿、限位螺母、彈黃，并確保與彈黃連接的彈黃墊片置于傳壓 板上的環形滑塊上； 54、 調節限位螺母，使±樣處于預壓狀態； 55、 安裝彈黃支架、第一百分表和第一夾具，記錄第一百分表的初始讀數；安裝百分表 支架、第二百分表和第二夾具，記錄第二百分表的初始讀數； 56、 一只手握住底座手柄，另一只手通過扳手施加扭矩轉動轉軸，轉軸帶動傳壓板和上 蓋轉動，在±樣上表面產生剪應力對±樣進行剪切；在此過程中，記錄第一百分表、第二百 分表和數顯表的讀數； 57、 試驗結束后，拆除±樣，根據第一百分表、第二百分表和數顯表的讀數，計算出作用 在±樣上的平均剪應力和平均法向應力。
7. 根據權利要求6所述的手持式常剛度環剪儀的使用方法，其特征在于，所述步驟S7 中，預設環形±樣的內徑為Ri，外徑為R2,假定±樣上的剪應力T是均勻分布的，在加載過 程中由數顯表的讀數可知作用在±樣上的扭矩M，根據靜力平衡條件，±樣上的平均剪應力 滿足下列公式：
公式中，T是平均剪應力，M表示作用在±樣上的扭矩，Ri為環形±樣的內徑，R2為環 形±樣的外徑，31取3. 14。
8.根據權利要求6所述的手持式常剛度環剪儀的使用方法，其特征在于，所述步驟S7 中，根據第一百分表的讀數計算得到彈黃的壓縮量X，作用在±樣上的法向應力F滿足下列 公式： F=n?k?X 上式中，F表示法向應力，k為彈黃的剛度系數，n為彈黃的根數； 由法向應力F計算得±樣上的平均法向應力0。；
上式中，0。表示平均法向應力，F表示法向應力，Ri為環形±樣的內徑，R2為環形±樣 的外徑，31取3. 14。
【專利摘要】本發明公開了一種手持式常剛度環剪儀，包括底座和套設在該底座內的環形鋼框，所述鋼框頂部扣合有上蓋，該上蓋上部固定有傳壓板，所述底座中央垂直設置有一轉軸，該轉軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板固定，所述轉軸頂端固定有扳手，該扳手上嵌有數顯表；所述底座的側壁上固定有彈簧支架，該彈簧支架下方垂直固定有彈簧導桿，該彈簧導桿上端套設有限位螺母，該限位螺母下方的彈簧導桿上套設有彈簧，該彈簧下端壓有滑塊，該滑塊擱置在所述傳壓板上；所述彈簧的上端和傳壓板之間連接有第一夾具，該第一夾具上安裝有第一百分表。攜帶方便、操作簡單、經濟實用，用于在野外現場對土樣在常剛度條件下的抗剪切力和剪切過程中的體變進行測定。
【IPC分類】G01N3-24
【公開號】CN104792629
【申請號】CN201510212883
【發明人】蘇棟
【申請人】深圳大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月29日