一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统及方法技术方案

一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统及方法，系统：上、下剪切盒重叠放置在试验台滚珠轨道上；水平液压缸连接在下剪切盒的左端；竖向液压缸连接在竖向反力架的中部，并通过竖向压力传感器与竖向传压板连接；竖向位移传感器的测杆抵接在竖向传压板的上端；剪切传力杆连接在上剪切盒的右侧，并通过剪切压力传感器与右侧水平反力架的上端固定连接；剪切位移传感器的测杆与下剪切盒的右端抵接；修正检测机构设在下剪切盒试样容纳腔中，其由若干个微型压力传感器组成。方法：在下剪切盒试样容纳腔中依次放置下侧滤纸、试样、上侧滤纸和透水板；通过逐级加载的方式使试样固结；冻结后进行剪切试验；获取试验数据并修正。该系统及方法可以获得更为准确可靠的试样剪切特性参数。数。数。

【技术实现步骤摘要】
一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统及方法


[0001]本专利技术属于岩土工程
，具体是一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统及方法。

技术介绍

[0002]在岩土力学中，为了对土体的抗剪强度进行分析，常常需要对岩土试样进行剪切试验，以满足基础工程、地下工程等设计施工的技术要求。
[0003]现有室内试验条件中，直剪试验测量土体抗剪强度最为方便快捷的方法，其操作简便、试验原理清晰，且便于为工程技术人员所掌握等诸多优点而受到了广泛的应用，目前仍是室内测定土体抗剪强度的主要技术手段。
[0004]直剪实验主要采用直剪试验装置进行，直剪试验装置的核心部分为剪切盒，常规的剪切盒主要由上剪切盒和下剪切盒组成，其可以测定土样在不同荷载、有侧限条件下土样的排水或者不排水抗剪强度指标。但是，传统的直剪试验装置存在共性不足的问题，主要体现在剪切过程中剪切面积不恒定，会逐渐减小，同时，下剪切盒会承担部分试样竖直向的压力，从而导致实际剪切面上法向压力的获取不够真实、分布不均匀很难修正的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统及方法，该系统能在试验过程中获得实际剪切面上的法向压力，能有效解决剪切过程中法向压力分布不均匀的问题，有助于在剪切试验过程中获得准确可靠的试样剪切特性参数，同时，有利于实验剪切试验的自动化进行；该方法步骤简单，自动化程度高，能充分考虑在试验过程中实际剪切面积会发生变化的情况，并能对法向压力分布不均匀的情况进行修正，可准确的获得真实可靠的试样剪切特性参数。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统，包括试验台、剪切盒、加载单元、测量单元、制冷单元和数据采集及控制单元；
[0007]所述试验台固定设置在底部；
[0008]所述剪切盒由上下相对设置的上剪切盒与下剪切盒组成，并于中心区域开设有试样容纳腔，并于试样容纳腔的底部装配有垫板；所述下剪切盒的底部通过多个滚珠支设在试验台上，且其内侧壁的内部开设有下环形换热通道，并于表面开设有与下环形换热通道相连通的下进液口和下出液口，所述上剪切盒的底面与下剪切盒的顶面贴合的设置，且其内侧壁的内部开设有上环形换热通道，并于表面开设有与上环形换热通道相连通的上进液口和上出液口；
[0009]所述加载单元包括水平反力架、竖向反力架、水平液压缸、竖向液压缸、剪切传力杆和竖向传压板；一对水平反力架相对的设置在下剪切盒的左侧和右侧，且分别与试验台上端的左部和右部固定连接；所述竖向反力架固定设置在剪切盒的上方；所述水平液压缸横向的设置在一对水平反力架之间的左端，且其缸筒的底部与左侧的水平反力架固定连
接，其活塞杆端与下剪切盒的左端部固定连接；所述竖向液压缸竖向的固定连接在竖向反力架的中部；所述剪切传力杆横向的设置在上剪切盒的右侧，且其左端与上剪切盒的右端固定连接；所述竖向传压板水平的设置在竖向液压缸的下方；
[0010]所述测量单元由温度传感器、竖向压力传感器、竖向位移传感器、剪切位移传感器、剪切压力传感器和修正检测机构组成；温度传感器的数量为两个，且上下相对称的安装在上剪切盒和下剪切盒的内部，并靠近试样容纳腔的设置；所述竖向压力传感器固定连接在竖向传压板和竖向液压缸的活塞杆端部之间；所述竖向位移传感器位于竖向传压板的上方，且通过连接组件与竖向反力架固定连接，且其测杆抵接在竖向传压板的上端；所述剪切位移传感器设置在下剪切盒的右侧，并通过连接组件与试验台固定连接，且其测杆与下剪切盒的右端相抵接；所述剪切压力传感器设置在上剪切盒的右侧，且其两端分别与剪切传力杆的右端和右侧水平反力架的上端固定连接；所述修正检测机构设置在试样容纳腔中，其由若干个微型压力传感器组成，若干个微型压力传感器呈矩阵式的紧密排布于垫板上，且相邻两个微型压力传感器之间留有排水间隙；
[0011]所述制冷单元由保温层和冷浴组成；所述保温层的数量至少为多组，且分别包裹在上剪切盒与下剪切盒的外部；所述冷浴的数量为两台，一台冷浴的出口通过一条软管与上剪切盒的上进液口连接，其入口通过一条软管与上剪切盒的上出液口连接；另一台冷浴的出口通过一条软管与下剪切盒的下进液口连接，其入口通过一条软管与下剪切盒的下出液口连接；
[0012]所述数据采集及控制单元由数据采集器和工控机组成，所述数据采集器的输入端分别与温度传感器、竖向压力传感器、竖向位移传感器、剪切位移传感器、剪切压力传感器和微型压力传感器连接，其输出端与工控机的输入端连接；所述工控机的输出端分别与控制水平液压缸动作的第一电磁换向阀、控制竖向液压缸动作的第二电磁阀和两台冷浴连接。
[0013]进一步，为了能够在试验过程中，使多个滚珠均只在设定的区域滚动，所述试验台的中心设置有向上突出的凸台，且凸台的上端开设有向下凹陷的容纳凹槽；多个滚珠均设置在容纳凹槽中。
[0014]进一步，为了快速准确的将上剪切盒和下剪切盒进行竖向上的对齐，并能实现剪切方向的限位，上剪切盒和下剪切盒之间对称的设置有两个限位块，两个限位块用于保持上剪切盒和下剪切盒在竖向上对齐，且在横向上不发生相对位移。
[0015]作为一种优选，所述保温层为聚氨酯保温层。
[0016]本专利技术中，通过滚珠的设置，可以有效减小下剪切盒底与试验台之间的摩擦阻力，进而能有效提高试验精度；通过使上、下剪切盒的内部分别设置有上、下循环换热通道，并分别与两台冷浴连接构成循环通路，能方便快速的对试样进行整体的冻结处理；通过保温层的设置，能有效避免外界的温度对冻结后的试样造成影响，进而能有效提高试验的精度；在下剪切盒的左侧设置有水平液压缸，能方便的施加剪切力；在下剪切盒的右侧分别设置剪切位移传感器和剪切压力传感器，能实时获取剪切位移值和剪切压力值，同时，还能便于工控机根据实时的剪切位移值和剪切压力值对水平液压缸进行闭环控制，有效的提高了剪切力加载过程的自动化程度；设置在剪切盒上方的竖直液压缸，能方便进行竖向压力的加载，设置在竖直液压缸和竖向传压板之间的竖向压力传感器，可以便于实时获得竖向压力
值，设置在竖向传压板上方的竖向位移传感器可以便于实时获得竖向位移值，同时，还能便于工控机根据实时获得的竖向位移值和竖向压力值对竖向液压缸进行闭环控制，从而可有效提高竖向压力加载过程的自动化程度；通过温度传感器的设置，能在冷浴过程实时采集试样的温度，进而可以便于进行冷浴过程的闭环控制，能使冻结的过程全自化的进行。通过在试样容纳腔的底部装配有垫板，并于垫板上紧密的排布有呈矩阵式分布的若干个微型压力传感器，能够在剪切试验过程中动态的采集试样受到的法向压力的分布及变化情况，进而可以快速准确的获得试样的实际剪切面积，并可以对剪切应力进行快速准确的修正，从而可以得到准确的试样剪切特性参数，克服了传统直剪试验装置受力不均匀、剪切应力难以准确获得的不足。由于相邻两个微型压力传感器之间均留有排水间隙，这样，可以确保在试验过程中具有排水功能，进而在直剪试验过程中可直接在多个微型压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统，包括试验台(1)、剪切盒、加载单元、测量单元和制冷单元，其特征在于，还包括数据采集及控制单元；所述试验台(1)固定设置在底部；所述剪切盒由上下相对设置的上剪切盒(7)与下剪切盒(6)组成，并于中心区域开设有试样容纳腔(32)，并于试样容纳腔(32)的底部装配有垫板(18)；所述下剪切盒(6)的底部通过多个滚珠(4)支设在试验台(1)上，且其内侧壁的内部开设有下环形换热通道(31)，并于表面开设有与下环形换热通道(31)相连通的下进液口(33)和下出液口(34)，所述上剪切盒(7)的底面与下剪切盒(6)的顶面贴合的设置，且其内侧壁的内部开设有上环形换热通道(8)，并于表面开设有与上环形换热通道(8)相连通的上进液口(9)和上出液口(10)；所述加载单元包括水平反力架(2)、竖向反力架(3)、水平液压缸(11)、竖向液压缸(12)、剪切传力杆(24)和竖向传压板(13)；一对水平反力架(2)相对的设置在下剪切盒(6)的左侧和右侧，且分别与试验台(1)上端的左部和右部固定连接；所述竖向反力架(3)固定设置在剪切盒的上方；所述水平液压缸(11)横向的设置在一对水平反力架(2)之间的左端，且其缸筒的底部与左侧的水平反力架(2)固定连接，其活塞杆端与下剪切盒(6)的左端部固定连接；所述竖向液压缸(12)竖向的固定连接在竖向反力架(3)的中部；所述剪切传力杆(24)横向的设置在上剪切盒(7)的右侧，且其左端与上剪切盒(7)的右端固定连接；所述竖向传压板(13)水平的设置在竖向液压缸(12)的下方；所述测量单元由温度传感器(19)、竖向压力传感器(22)、竖向位移传感器(20)、剪切位移传感器(21)、剪切压力传感器(23)和修正检测机构组成；温度传感器(19)的数量为两个，且上下相对称的安装在上剪切盒(7)和下剪切盒(6)的内部，并靠近试样容纳腔(32)的设置；所述竖向压力传感器(22)固定连接在竖向传压板(13)和竖向液压缸(12)的活塞杆端部之间；所述竖向位移传感器(20)位于竖向传压板(13)的上方，且通过连接组件与竖向反力架(3)固定连接，且其测杆抵接在竖向传压板(13)的上端；所述剪切位移传感器(21)设置在下剪切盒(6)的右侧，并通过连接组件与试验台(1)固定连接，且其测杆与下剪切盒(6)的右端相抵接；所述剪切压力传感器(23)设置在上剪切盒(7)的右侧，且其两端分别与剪切传力杆(24)的右端和右侧水平反力架(2)的上端固定连接；所述修正检测机构设置在试样容纳腔(32)中，其由若干个微型压力传感器(17)组成，若干个微型压力传感器(17)呈矩阵式的紧密排布于垫板(18)上，且相邻两个微型压力传感器(17)之间留有排水间隙；所述制冷单元由保温层(14)和冷浴(15)组成；所述保温层(14)的数量至少为多组，且分别包裹在上剪切盒(7)与下剪切盒(6)的外部；所述冷浴(15)的数量为两台，一台冷浴(15)的出口通过一条软管(16)与上剪切盒(7)的上进液口(9)连接，其入口通过一条软管(16)与上剪切盒(7)的上出液口(10)连接；另一台冷浴(15)的出口通过一条软管(16)与下剪切盒(6)的下进液口(33)连接，其入口通过一条软管(16)与下剪切盒(6)的下出液口(34)连接；所述数据采集及控制单元由数据采集器(25)和工控机(26)组成，所述数据采集器(25)的输入端分别与温度传感器(19)、竖向压力传感器(22)、竖向位移传感器(20)、剪切位移传感器(21)、剪切压力传感器(23)和微型压力传感器(17)连接，其输出端与工控机(26)的输入端连接；所述工控机(26)的输出端分别与控制水平液压缸(11)动作的第一电磁换向阀、控制竖向液压缸(12)动作的第二电磁阀和两台冷浴(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统，其特征在于，所述试验台(1)的中心设置有向上突出的凸台(35)，且凸台(35)的上端开设有向下凹陷的容纳凹槽；多个滚珠(4)均设置在容纳凹槽中。3.根据权利要求2所述的一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统，其特征在于，上剪切盒(7)和下剪切盒(6)之间对称的设置有两个限位块(30)，两个限位块(30)用于保持上剪切盒(7)和下剪切盒(6)在竖向上对齐，且在横向上不发生相对位移。4.根据权利要求1所述的一种分布应力测试的高压冻土直剪试验系统，其特征在于，所述保温层(14)为聚氨酯保温层。5.一种分布应力测试的高压冻土直剪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对温度传感器(19)、竖向压力传感器(22)、竖向位移传感器(20)、剪切位移传感器(21)、剪切压力传感器(23)和微型压力传感器(17)进行检测，并确保其能正常采集信号；同时，检测多个微型压力传感器(17)的分布是否均匀，且表面是否平整；步骤二：先将下剪切盒(6)通过滚珠(4)放置在试验台(1)的中部上方，并于左侧的水平反力架(2)和下剪切盒(6)之间安装水平液压缸(11)，于右侧的水平反力架(2)和下剪切盒(6)之间安装剪切位移传感器(21)；再于下剪切盒(6)的上部设置上剪切盒(7)，并于二者之间装配好一对限位块(30)，以通过一对限位块(30)的限位作用使二者对准组成剪切盒；然后，在上剪切盒(7)和右侧水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志强，王博，袁帅，赵宁，段隆鑫，渠成业，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：