一種手持式常剛度環(huán)剪儀及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用機械應(yīng)力測試固體材料特性領(lǐng)域，尤其涉及一種手持式常剛度環(huán)剪 儀及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)剪儀在20世紀20年代開始被研制，之后的幾十年，環(huán)剪儀的發(fā)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(huán)剪儀的研宄復(fù)燃，繼而研宄和開發(fā)出了各 種在室內(nèi)實驗室使用的環(huán)剪儀。
[0003]目前室內(nèi)環(huán)剪儀按其結(jié)構(gòu)特征可分為兩種類型：單環(huán)式環(huán)剪儀和雙環(huán)式環(huán)剪儀。 與其他土工試驗方法相比，這些環(huán)剪儀具有兩個共同的優(yōu)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(xù)的位移條件下進行剪切。單環(huán)式環(huán)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(zhuǎn)剪力。此類型環(huán)剪儀的 主要優(yōu)點是在剪切試驗過程中，不會發(fā)生土樣滲漏問題。雙環(huán)式環(huán)剪儀使土樣沿上下各自 獨立的環(huán)狀剪切盒中部的預(yù)設(shè)面進行剪切，以期達到減少試驗過程中沿剪切面處應(yīng)力與應(yīng) 變分布的不均勻性、減少土樣與剪切環(huán)間阻力以及消除剪切環(huán)邊緣應(yīng)力集中的目的。
[0004] 隨著技術(shù)手段的進步，現(xiàn)代室內(nèi)環(huán)剪儀能夠通過伺服控制系統(tǒng)和剪切環(huán)間縫傳感 器保證各種試驗條件下剪切過程中不排水狀態(tài)的實現(xiàn)，并能夠保證排水和不排水試驗條件 的實施和轉(zhuǎn)換，同時計算機控制和高感度記錄設(shè)備的應(yīng)用也使得試驗數(shù)據(jù)的分析處理更加 方便快捷。但隨著現(xiàn)代環(huán)剪試驗系統(tǒng)日益復(fù)雜化和精密化，環(huán)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(yǎng)費用變得日益昂貴。而且，現(xiàn)有的環(huán)剪儀設(shè)備復(fù)雜，體積 大，只能在室內(nèi)實驗室使用，不能在野外現(xiàn)場使用，只能輸出恒定壓力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種手持式常剛度環(huán)剪儀及其使用方法，用于在野外現(xiàn)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(jīng)濟實用，輸出壓力可調(diào)。
[0006] 本發(fā)明的一個技術(shù)方案是一種手持式常剛度環(huán)剪儀，包括底座和套設(shè)在該底座內(nèi) 的環(huán)形鋼框，所述鋼框頂部扣合有環(huán)形上蓋，該上蓋上部固定有傳壓板，所述底座中央垂直 設(shè)置有一轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板通過螺紋固定，所述轉(zhuǎn)軸頂端固定有 扳手，該扳手上嵌有數(shù)顯表；所述底座的側(cè)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(dǎo)桿，該彈簧導(dǎo)桿上端套設(shè)有限位螺母，該限位螺母下方的彈簧導(dǎo)桿上套 設(shè)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(cè)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(huán)剪儀的整體尺寸為200mmX 120mmX 240mm。使用時，先將鋼框中裝好土 樣，調(diào)試好各部件，記下數(shù)顯表、第一百分表和第二百分表的初始讀數(shù)。轉(zhuǎn)動扳手，所述數(shù)顯 表上的讀數(shù)隨著變化，所述轉(zhuǎn)軸帶動所述傳壓板和上蓋轉(zhuǎn)動，土樣被逐漸壓緊，上蓋帶動傳 壓板下降，初始壓縮狀態(tài)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(shù)產(chǎn)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(shù)產(chǎn)生變化。根據(jù)所述數(shù)顯表的讀數(shù)、環(huán)形土樣的內(nèi)徑和外徑，可以 算出土樣上的平均剪應(yīng)力。根據(jù)彈簧的根數(shù)、彈簧的剛度系數(shù)、第一百分表的讀數(shù)、環(huán)形土 樣的內(nèi)徑和外徑可以算出土樣上的平均法向應(yīng)力。根據(jù)第二百分表的讀數(shù)可以知道土樣高 度的變化，再結(jié)合土樣的內(nèi)徑和外徑，可以算出土樣體積的變化。
[0007] 本技術(shù)方案中的手持式常剛度環(huán)剪儀體積小，質(zhì)量輕便，只有2kg，費用低，便于野 外現(xiàn)場使用；利用彈簧施加豎向力，無需外接壓力源或加荷設(shè)備；通過設(shè)置不同的彈簧初 始壓縮量，可進行不同初始壓力下的環(huán)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(huán)剪實驗。
[0008] 進一步地，所述轉(zhuǎn)軸套設(shè)在軸承中，該軸承垂直固定在所述底座中央。所述轉(zhuǎn)軸在 軸承中轉(zhuǎn)動，摩擦力小，轉(zhuǎn)動靈活。
[0009] 進一步地，鋼框底部有限位粧，所述底座內(nèi)限位槽，所述限位粧位于所述限位槽 內(nèi)，防止鋼框在底座內(nèi)水平滑動。
[0010] 進一步地，所述底座外側(cè)有手柄。便于固定儀器，也便于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時，傳 壓板上的環(huán)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(fā)生彎折。
[0012] 本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是一種手持式常剛度環(huán)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(dǎo)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(huán)形滑塊上；
[0016] S4、調(diào)節(jié)限位螺母，使土樣處于預(yù)壓狀態(tài)；
[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(shù)；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(shù)；
[0018] S6、一只手握住底座手柄，另一只手通過扳手施加扭矩轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動傳壓板 和上蓋轉(zhuǎn)動，在土樣上表面產(chǎn)生剪應(yīng)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(shù)顯表的讀數(shù)；
[0019] S7、試驗結(jié)束后，拆除土樣，根據(jù)第一百分表、第二百分表和數(shù)顯表的讀數(shù)，計算出 作用在土樣上的平均剪應(yīng)力和平均法向應(yīng)力。
[0020] 本技術(shù)方案中的手持式常剛度環(huán)剪儀體積小，質(zhì)量輕便，便于野外現(xiàn)場使用；利用 彈簧施加豎向力，無需外接壓力源或加荷設(shè)備；通過設(shè)置不同的彈簧初始壓縮量，可進行不 同初始壓力下的環(huán)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(huán)剪實 驗。
[0021] 進一步地，所述步驟S7中，預(yù)設(shè)環(huán)形土樣的內(nèi)徑為R1，外徑為R2，假定土樣上的剪 應(yīng)力τ是均勻分布的，在加載過程中由數(shù)顯表的讀數(shù)可知作用在土樣上的扭矩M，根據(jù)靜 力平衡條件，土樣上的平均剪應(yīng)力滿足下列公式：
【主權(quán)項】
1. 一種手持式常剛度環(huán)剪儀，包括底座和套設(shè)在該底座內(nèi)的環(huán)形鋼框，其特征在于： 所述鋼框頂部扣合有環(huán)形上蓋，該上蓋上部固定有傳壓板，所述底座中央垂直設(shè)置有一轉(zhuǎn) 軸，該轉(zhuǎn)軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板固定，所述轉(zhuǎn)軸頂端固定有扳手，該扳手上嵌有數(shù) 顯表；所述底座的側(cè)壁上固定有彈黃支架，該彈黃支架下方垂直固定有彈黃導(dǎo)桿，該彈黃導(dǎo) 桿上端套設(shè)有限位螺母，該限位螺母下方的彈黃導(dǎo)桿上套設(shè)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(cè)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(huán)剪儀的整 體尺寸為 200mmX120mmX240mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式常剛度環(huán)剪儀，其特征在于：所述轉(zhuǎn)軸套設(shè)在軸承中， 該軸承垂直固定在所述底座中央。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的手持式常剛度環(huán)剪儀，其特征在于：鋼框底部有限位粧，所述 底座內(nèi)限位槽，所述限位粧位于所述限位槽內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的手持式常剛度環(huán)剪儀，其特征在于：所述底座外側(cè)有手柄。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的手持式常剛度環(huán)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(jù)權(quán)利要求5所述的手持式常剛度環(huán)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(dǎo)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(huán)形滑塊上； 54、 調(diào)節(jié)限位螺母，使±樣處于預(yù)壓狀態(tài)； 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(shù)；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(shù)； 56、 一只手握住底座手柄，另一只手通過扳手施加扭矩轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動傳壓板和上 蓋轉(zhuǎn)動，在±樣上表面產(chǎn)生剪應(yīng)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(shù)顯表的讀數(shù)； 57、 試驗結(jié)束后，拆除±樣，根據(jù)第一百分表、第二百分表和數(shù)顯表的讀數(shù)，計算出作用 在±樣上的平均剪應(yīng)力和平均法向應(yīng)力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的手持式常剛度環(huán)剪儀的使用方法，其特征在于，所述步驟S7 中，預(yù)設(shè)環(huán)形±樣的內(nèi)徑為Ri，外徑為R2,假定±樣上的剪應(yīng)力T是均勻分布的，在加載過 程中由數(shù)顯表的讀數(shù)可知作用在±樣上的扭矩M，根據(jù)靜力平衡條件，±樣上的平均剪應(yīng)力 滿足下列公式：
公式中，T是平均剪應(yīng)力，M表示作用在±樣上的扭矩，Ri為環(huán)形±樣的內(nèi)徑，R2為環(huán) 形±樣的外徑，31取3. 14。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的手持式常剛度環(huán)剪儀的使用方法，其特征在于，所述步驟S7 中，根據(jù)第一百分表的讀數(shù)計算得到彈黃的壓縮量X，作用在±樣上的法向應(yīng)力F滿足下列 公式： F=n?k?X 上式中，F(xiàn)表示法向應(yīng)力，k為彈黃的剛度系數(shù)，n為彈黃的根數(shù)； 由法向應(yīng)力F計算得±樣上的平均法向應(yīng)力0。；
上式中，0。表示平均法向應(yīng)力，F(xiàn)表示法向應(yīng)力，Ri為環(huán)形±樣的內(nèi)徑，R2為環(huán)形±樣 的外徑，31取3. 14。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種手持式常剛度環(huán)剪儀，包括底座和套設(shè)在該底座內(nèi)的環(huán)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(shè)置有一轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)軸穿過所述傳壓板并與該傳壓板固定，所述轉(zhuǎn)軸頂端固定有扳手，該扳手上嵌有數(shù)顯表；所述底座的側(cè)壁上固定有彈簧支架，該彈簧支架下方垂直固定有彈簧導(dǎo)桿，該彈簧導(dǎo)桿上端套設(shè)有限位螺母，該限位螺母下方的彈簧導(dǎo)桿上套設(shè)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(jīng)濟實用，用于在野外現(xiàn)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?zhí)枴緾N201510212883
【發(fā)明人】蘇棟
【申請人】深圳大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月29日