帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置及方法，涉及巖土力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)巖土體試樣施加法向荷載，并通過(guò)施加水平剪切力，使試樣在擬定的剪切面上發(fā)生剪切破壞，并通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的剪應(yīng)力、位移等相關(guān)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)裝置包括試樣（00）、剪切盒（10）、反力系統(tǒng)（20）、垂向壓力系統(tǒng)（30）、傳力系統(tǒng)（40）、切向壓力系統(tǒng)（50）、滾軸排（60）和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（70）。本發(fā)明采用應(yīng)變控制，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好；具有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；使用應(yīng)力控制使用輪輻傳感器，使應(yīng)力的測(cè)量更加精確；所有部件可拆卸，方便運(yùn)輸，便于安裝。
【專(zhuān)利說(shuō)明】帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)，尤其涉及一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置及方法。
[0002]具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種巖土體原位直剪儀，同時(shí)還涉及一套自動(dòng)采集、記錄試樣位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本試驗(yàn)裝置屬于應(yīng)變控制式，即通過(guò)對(duì)試樣施加剪切位移而完成剪切試驗(yàn)過(guò)程。其最大優(yōu)點(diǎn)在于采用了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輪輻壓力傳感器，而使測(cè)得的巖土體抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝、操作簡(jiǎn)便，一般巖土技術(shù)人員可短時(shí)間掌握。
【背景技術(shù)】
[0003]巖土工程的失穩(wěn)絕大多數(shù)是由于巖土體的剪切破壞引起的，因此準(zhǔn)確測(cè)定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在巖土工程建設(shè)中具有重要意義。在巖土力學(xué)研究過(guò)程中，通過(guò)施加剪切力(或剪切位移)對(duì)巖土體進(jìn)行試驗(yàn)的方法一直受到重視，直剪試驗(yàn)為其中一種方法。
[0004]由于巖土體直剪試驗(yàn)原理方法簡(jiǎn)單，并積累了大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是室內(nèi)直剪，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用；但對(duì)于大顆粒、現(xiàn)場(chǎng)大尺寸樣品的測(cè)試工作一直很難較好開(kāi)展。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)時(shí)多數(shù)采用簡(jiǎn)單的應(yīng)力控制式加載試驗(yàn)方法，不能反映巖土體完整的變形過(guò)程，也不能得到其殘余抗剪強(qiáng)度。況且，目前使用的巖土直剪設(shè)備的數(shù)據(jù)采集工作主要是人工手動(dòng)讀數(shù)和記錄，加上普通傳感器和儀表式位移計(jì)自身精度的不足，很難做到準(zhǔn)確測(cè)定巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的主要在于解決了現(xiàn)有原位巖土直剪設(shè)備存在的無(wú)法自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果精度差的問(wèn)題，提供一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置及方法；本發(fā)明精度高，應(yīng)用、操作簡(jiǎn)便。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
通過(guò)對(duì)巖土體試樣施加法向荷載,并通過(guò)施加水平剪切力，使試樣在擬定的剪切面上發(fā)生剪切破壞，并通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的剪應(yīng)力、位移等相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制破壞剪應(yīng)力與法向荷載的關(guān)系曲線(xiàn)，從而求得相應(yīng)粘聚力c和內(nèi)摩擦角Φ等抗剪強(qiáng)度參數(shù)。本裝置由于采用了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和輪輻傳感器而使得試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時(shí)本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易拆裝、操作簡(jiǎn)便，一般巖土技術(shù)人員可短時(shí)間掌握。
[0007]1、帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)裝置)
本試驗(yàn)裝置包括試樣、剪切盒、反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、切向壓力系統(tǒng)、滾軸排和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
其連接關(guān)系是:
試樣置于剪切盒內(nèi)；
反力系統(tǒng)、垂向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)、滾軸排和試樣依次連接，將垂向壓力施加于試樣；
切向壓力系統(tǒng)、傳力系統(tǒng)和試樣O依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣；
自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四個(gè)垂向位移計(jì)、兩個(gè)切向位移計(jì)和數(shù)據(jù)采集箱組成；
四個(gè)垂向位移計(jì)位于垂向壓力板的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣的垂向位移； 兩個(gè)切向位移計(jì)位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣的切向位移； 垂向位移計(jì)和切向位移計(jì)分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測(cè)垂向位移和切向位移；
垂向壓力系統(tǒng)的垂向壓力傳感器和切向壓力系統(tǒng)的切向壓力傳感器分別與數(shù)據(jù)采集箱相連，量測(cè)垂向壓力和切向壓力。
[0008]2、帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)方法)
本試驗(yàn)方法包括下列步驟:
①試樣的制備
在開(kāi)挖的探坑或試驗(yàn)平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動(dòng)且具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，浸水時(shí)間視試樣的透水性而定；試樣削切完成后安放剪切盒內(nèi)，并按圖示組裝好儀器，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集流程；
②試驗(yàn)工作開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)試樣分級(jí)施加垂向荷載，4個(gè)試樣的垂向壓力分別為100kPa、200kPa、400kPa和600kPa，一般可分4?5級(jí)達(dá)到試驗(yàn)要求的荷載，施加荷載后每5min觀測(cè)變形一次,至每分鐘的變形不超過(guò)0.05mm時(shí),加下一級(jí)荷載；最后一級(jí)荷載施加后當(dāng)Ih內(nèi)的垂向變形不超過(guò)0.05mm時(shí)，可認(rèn)為穩(wěn)定，即可施加切向剪切荷載；
③對(duì)試樣施加切向剪應(yīng)力，剪應(yīng)力的施加可采用分級(jí)的方法，即每Imin加一級(jí)，開(kāi)始按垂向總荷載的10%施加，當(dāng)某級(jí)切向剪力下的變形超過(guò)前一級(jí)變形的1.5?2.0倍時(shí)，改為按垂向總荷載的5%施加；每施加一級(jí)，觀測(cè)水平位移一次，當(dāng)切向剪切達(dá)到峰值或穩(wěn)定值時(shí)，即認(rèn)為試樣剪損；若無(wú)上述情況出現(xiàn)，剪切變形達(dá)到10%試樣邊長(zhǎng)(即32mm)時(shí)，即可停止試驗(yàn)；在施加切向剪應(yīng)力過(guò)程中，保持垂向荷載不變；剪切時(shí)間控制在10?20min內(nèi)；
④在不同垂向荷載條件下，對(duì)同一土層以同樣方式進(jìn)行4個(gè)試樣的剪切試驗(yàn)；
⑤在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中，繪制不同壓力條件下的剪切位移一剪應(yīng)力曲線(xiàn)，回歸分析采用峰值時(shí)或10%剪切位移對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力(無(wú)峰值)，計(jì)算抗剪強(qiáng)度及C、Φ值。
[0009]本發(fā)明工作原理
在開(kāi)挖的探坑或試驗(yàn)平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動(dòng)具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，在試樣上套入剪切盒，將剪切盒與試樣之間的縫隙填滿(mǎn)細(xì)砂，通過(guò)垂向壓力系統(tǒng)對(duì)試樣施加垂向壓力，待試樣在垂向壓力作用下固結(jié)穩(wěn)定后,通過(guò)切向壓力系統(tǒng)推動(dòng)剪切盒而對(duì)原位試樣施加水平剪力直至試樣破壞。試驗(yàn)過(guò)程中水平剪力與垂向壓力由切向壓力傳感器、垂向壓力傳感器測(cè)量，試樣的水平位移和垂向位移由切向位移計(jì)、垂向位移計(jì)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)。
[0010]本發(fā)明主要功能:
可用于原位巖土體本身、土體沿軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體與其他材料接觸面的剪切試驗(yàn)，能夠通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過(guò)程中的剪應(yīng)力、位移等相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制破壞剪應(yīng)力與法向荷載的關(guān)系曲線(xiàn)，從而求得相應(yīng)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ等抗剪強(qiáng)度參數(shù)。
[0011]本發(fā)明具體操作步驟:
①將原位巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體并套入剪切盒；②安裝垂向壓力系統(tǒng)和反力系統(tǒng)；
③安裝切向壓力系統(tǒng)和傳力系統(tǒng)；
④安裝位移計(jì)和壓力傳感器，并將位移計(jì)、壓力傳感器和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序即可開(kāi)始試驗(yàn)；
⑤將垂向荷載加至預(yù)定值，穩(wěn)壓；
⑥分級(jí)施加水平剪力，控制剪切速率直至試樣破壞；
⑦實(shí)驗(yàn)完畢后將自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算。
[0012]本發(fā)明主要特色:
①屬于應(yīng)變控制式原位直剪試驗(yàn)系統(tǒng)，即通過(guò)對(duì)試樣施加剪切位移而完成剪切試驗(yàn)過(guò)程。最大設(shè)計(jì)水平剪力可達(dá)300kN，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的勻速剪切。與應(yīng)力控制直剪儀相比，本發(fā)明最大剪切位移可達(dá)50_，能夠反映原位巖土體變形的全過(guò)程；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平位移的嚴(yán)格控制，可以根據(jù)需要調(diào)整剪切速率。
[0013]②反力提供采用地錨器，提供的反力足夠大，解決了以往反力不足的缺點(diǎn)。
[0014]③剪切變形更加均勻，剪切過(guò)程中水平向荷載均勻施加在剪切盒側(cè)面上，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)反力架底座有剪切軌道，剪切盒只能沿直線(xiàn)平動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，剪切縫不會(huì)由于試樣的剪脹作用而發(fā)生改變，從而使試樣的變形較傳統(tǒng)的直剪儀更加均勻。
[0015]④測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。由于采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)中的全部測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集，而且輪輻傳感器和數(shù)字位移計(jì)的測(cè)量精度高。
[0016]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)`和積極效果:
①采用應(yīng)變控制，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好；
②具有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，避免了人工讀數(shù)的繁瑣和誤差，能夠準(zhǔn)確地得到試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)能夠得出試樣的剪切殘余強(qiáng)度；
③使用應(yīng)力控制使用輪輻傳感器，使應(yīng)力的測(cè)量更加精確；
④所有部件可拆卸，方便運(yùn)輸，便于安裝。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是本試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件的工作流程圖；
圖4是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)得出的試驗(yàn)結(jié)果圖；
圖5是回歸分析得出的試樣抗剪強(qiáng)度曲線(xiàn)圖。
[0018]其中:
00—試樣；
10—剪切盒；
20 一反力系統(tǒng)，
21—反力梁，22—連接桿，23—地錨器；
30 一垂向壓力系統(tǒng)，
31—垂向壓力千斤頂，32—垂向壓力傳感器，
33 一垂向壓力板， 331—上垂向壓力板，332—下垂向壓力板；
40—傳力系統(tǒng)，
41一傳力筒，42一垂向傳力板,43一切向傳力筒,44一切向傳力板；
50—切向壓力系統(tǒng)；
51—切向壓力千斤頂，52—切向壓力傳感器，53—切向壓力板；
60—滾軸排；
70—自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，
71一垂向位移計(jì)，72一切向位移計(jì)，73一數(shù)據(jù)米集箱。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明:
一、試驗(yàn)裝置
1、總體
如圖1、2，本試驗(yàn)裝置包括試樣00、剪切盒10、反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、切向壓力系統(tǒng)50、滾軸排60和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70 ；
其連接關(guān)系是:
試樣00置于剪切盒10內(nèi)；
反力系統(tǒng)20、垂向壓力系統(tǒng)30、傳力系統(tǒng)40、滾軸排60和試樣00依次連接，將垂向壓力施加于試樣00 ；
切向壓力系統(tǒng)50、傳力系統(tǒng)40和試樣00依次連接，將側(cè)向壓力施加于試樣00 ；
自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由四個(gè)垂向位移計(jì)71、兩個(gè)切向位移計(jì)72和數(shù)據(jù)采集箱73組
成；
四個(gè)垂向位移計(jì)71位于垂向壓力板33的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣00的垂向位移；
兩個(gè)切向位移計(jì)72位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣00的切向位
移；
垂向位移計(jì)71和切向位移計(jì)72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測(cè)垂向位移和切向位
移；
垂向壓力系統(tǒng)30的垂向壓力傳感器32和切向壓力系統(tǒng)50的切向壓力傳感器52分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，量測(cè)垂向壓力和切向壓力。
[0020]工作機(jī)理:
在切削完成的原位巖土體的試樣00上，扣入剪切盒10，之上安裝垂向壓力板33，在兩個(gè)垂向壓力板33之間放置有滾軸排60，在垂向壓力板33的上面安裝垂向壓力傳感器32，垂向壓力傳感器32上部依次為垂向壓力千斤頂31、垂向傳力板42和垂向傳力筒41，傳力系統(tǒng)40接收垂向壓力千斤頂31的作用力并傳遞作用于反力系統(tǒng)20以提供垂向壓力；切向壓力系統(tǒng)50利用探坑坑壁作反力底座，切向壓力千斤頂51和切向壓力傳感器52、切向壓力板53和切向傳力板44、切向傳力筒43結(jié)合作用于剪切盒10側(cè)面提供切向壓力；量測(cè)試樣00垂向變形的位移計(jì)71，安裝在垂向壓力板33的四角上；量測(cè)試樣00剪切變形的位移計(jì)72，安裝在剪力受力面的另一側(cè)；位移計(jì)70好壓力傳感器72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連；啟動(dòng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70，施加垂向壓力，固結(jié)一定時(shí)間后，分級(jí)施加切向壓力，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0021]2、功能部件
I)剪切盒10
如圖2，剪切盒是一種方形容器，
內(nèi)壁的長(zhǎng)X寬X高=31.6cmX31.6cmX32cm，采用1.5cm厚鋼板焊接而成，最大切向承載壓力為50kN。
[0022]2)反力系統(tǒng)20
如圖2，反力系統(tǒng)20由依次連接的反力梁21、連接桿22和地錨器23組成，地錨器23與灌漿水泥柱聯(lián)合使用時(shí)將提供更大反力。
[0023]3)垂向壓力系統(tǒng)30
如圖2，垂向壓力系統(tǒng)30由依次連接的垂向壓力千斤頂31、垂向壓力傳感器32和垂向壓力板33組成；
垂向壓力千斤頂31為手動(dòng)油壓千斤頂，最大量程為500kN ；
垂向壓力傳感器32采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器32與數(shù)據(jù)采集箱73相連，垂向壓力傳感器32導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
垂向壓力板33包括上垂向壓力板331和下垂向壓力板332 ;在上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間安放有滾軸排50 ;垂向壓力板33的存在確保了垂向壓力均勻分布于試樣00的頂面上。
[0024]4)傳力系統(tǒng)40
傳力系統(tǒng)40由垂向傳力筒41、垂向傳力板42、切向傳力筒43和切向傳力板44組成；垂向傳力筒41、垂向傳力板42和垂向壓力千斤頂3I依次連接，切向傳力筒43、切向傳力板44和切向壓力千斤頂51依次連接；
傳力筒和傳力板用于調(diào)節(jié)反力系統(tǒng)20與壓力系統(tǒng)40之間的距離。
[0025]5)切向壓力系統(tǒng)50
切向壓力系統(tǒng)50由依次連接的切向壓力千斤頂51、切向壓力傳感器52和切向壓力板53組成；
切向壓力千斤頂51為手動(dòng)油壓千斤頂，最大量程為300kN ；
切向壓力傳感器52采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器52和數(shù)據(jù)采集箱73相連，切向壓力傳感器52導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
切向壓力板53的存在使切向壓力均勻分布于剪切盒10側(cè)面上，避免由于切向壓力的集中而導(dǎo)致剪切盒10的破壞。
[0026]6)滾軸排 60
滾軸排60位于上垂向壓力板331和下垂向壓力板332之間，滾軸排60內(nèi)置滾珠，試驗(yàn)時(shí)隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板33表面滾動(dòng)，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
[0027]7)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70
自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由山東省濟(jì)南海威爾儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)。
[0028]自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70由垂向位移計(jì)71、兩個(gè)切向位移計(jì)72和數(shù)據(jù)采集箱73組成； 垂向位移計(jì)71和切向位移計(jì)72分別與數(shù)據(jù)采集箱73相連，位移計(jì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)直接顯示在數(shù)據(jù)采集箱73的PC機(jī)上；
①四個(gè)垂向位移計(jì)71采用VWD-50振弦式位移計(jì)，分別置于垂向壓力板33的四角，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣OO的垂向位移，位移計(jì)最大量程50mm，精度為0.1mm ；
②兩個(gè)切向位移計(jì)72采用VWD-50振弦式位移計(jì)，分別置于剪力受力面另一側(cè)的上下部，用于量測(cè)切向位移；
③數(shù)據(jù)采集箱73包括集成PXI總線(xiàn)和PC機(jī)
PXI總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要選用NI的PX1-6070E ;ΡΧΙ_6070Ε為多功能數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)，其內(nèi)嵌ADAM4017模塊可實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換。多功能數(shù)據(jù)采集卡還內(nèi)嵌數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件根據(jù)約定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，可將位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或USB接口上傳至PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、控制和修正等。
[0029]數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件采用MaXTest-Y2H原位直剪軟件，該軟件是在通用的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)控制分析軟件MaxTest進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成，二次開(kāi)發(fā)后的軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)分析和打印等功能，易于掌握和操作。軟件程序采用開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義，標(biāo)準(zhǔn)配置為國(guó)標(biāo)GB50021-94試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)原位直剪試驗(yàn)的需要，軟件配備8同道采集數(shù)據(jù)口，可進(jìn)行2個(gè)力傳感器、6個(gè)變形傳感器的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合PX1-6070E多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)曲線(xiàn)，良好的人機(jī)交互界面方便隨時(shí)切換觀察應(yīng)力-時(shí)間、位移-時(shí)間和應(yīng)力-位移等試驗(yàn)曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)保存格式采用后綴名為xtf的基于xml格式的文本文件保存格式，xtf格式保存的信息豐富，不但能保存所有試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且還能保存所有試驗(yàn)曲線(xiàn)信息。
[0030]具體地說(shuō)，如圖3，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件的工作流程是:
A、啟動(dòng)軟件100
在計(jì)算機(jī)中選擇“開(kāi)始”一“所有程序” 一“MaxTest” 一“MaXTest-Y2H啟動(dòng)程序”，軟件開(kāi)啟后，調(diào)整位移計(jì)，軟件“變形”窗口中相應(yīng)欄讀數(shù)有變化時(shí)說(shuō)明軟件啟動(dòng)正常；
B、選擇試驗(yàn)類(lèi)型101
在菜單欄中點(diǎn)擊“菜單”一“試驗(yàn)類(lèi)型”選項(xiàng)，選擇所進(jìn)行操作的試驗(yàn)類(lèi)型，如此則可以從當(dāng)前的試驗(yàn)控制類(lèi)型切換到另一個(gè)試驗(yàn)控制類(lèi)型，如不進(jìn)行此操作，則執(zhí)行默認(rèn)(原位直剪)類(lèi)型；(軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)在軟件中切換加載不同的試驗(yàn)類(lèi)型模塊，可以控制不同類(lèi)型的試驗(yàn)，一個(gè)試驗(yàn)類(lèi)型模塊可以包含幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)創(chuàng)建視圖、數(shù)據(jù)打印視圖和試驗(yàn)控制視圖，這些可以通過(guò)在切換試驗(yàn)類(lèi)型向?qū)Т翱谥羞x擇)；
C、新建試驗(yàn)數(shù)據(jù)102
點(diǎn)擊界面右側(cè)“標(biāo)準(zhǔn)操作”按鈕中的“添加新記錄”按鈕，打開(kāi)新建記錄窗口(即數(shù)據(jù)創(chuàng)建視圖)，在數(shù)據(jù)創(chuàng)建窗口中含有默認(rèn)的試件信息和試驗(yàn)信息，可以根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況修改和添加自定義的信息，試件信息修改完成后點(diǎn)擊“新增記錄”按鈕，新建一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這時(shí)，在試驗(yàn)記錄窗口中會(huì)顯示新建的試驗(yàn)記錄；
D、開(kāi)始試驗(yàn)103
確認(rèn)位移計(jì)、壓力傳感器處于初始狀態(tài)(位移計(jì)、壓力傳感器剛好接觸傳力板)，點(diǎn)擊操作按鈕中的“開(kāi)始”按鈕，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，主程序的顯示窗口實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線(xiàn)板同步顯示試驗(yàn)曲線(xiàn)； E、單個(gè)試驗(yàn)完成104
一個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成試驗(yàn)，在特殊情況下，可以點(diǎn)擊“停止”按鈕，強(qiáng)行中斷試驗(yàn)；
F、數(shù)據(jù)保存105
單個(gè)試樣試驗(yàn)完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的文件名默認(rèn)為“試驗(yàn)類(lèi)型+試驗(yàn)日期”，文件保存在軟件安裝目錄XTF文件夾下的“Zhi jian”文件夾中，主程序的試驗(yàn)記錄窗口中顯示試驗(yàn)的狀態(tài)為“已完成”；
G、判斷全部試驗(yàn)是否完成106，是則進(jìn)入步驟H，否則跳轉(zhuǎn)到步驟C-102；
H、試驗(yàn)分析107
試驗(yàn)完成后系統(tǒng)會(huì)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)操作”按鈕中的“分析試驗(yàn)”按鈕，打開(kāi)分析試驗(yàn)窗口，用鼠標(biāo)拖動(dòng)曲線(xiàn)下方的滑塊時(shí)，曲線(xiàn)上會(huì)顯示當(dāng)前位置的坐標(biāo)值，根據(jù)實(shí)際需要，點(diǎn)擊“添加特征點(diǎn)”按鈕，左側(cè)的列表中會(huì)顯示所添加的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垂向應(yīng)力和法向應(yīng)力的值，選取每組試驗(yàn)曲線(xiàn)的峰值特征點(diǎn)平均值，點(diǎn)擊“根據(jù)特征點(diǎn)分析試驗(yàn)結(jié)果”按鈕即可計(jì)算得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)；
1、報(bào)告打印108
選擇想要輸出的曲線(xiàn)，點(diǎn)擊“瀏覽”按鈕在出現(xiàn)的報(bào)告模板選擇對(duì)話(huà)框中選擇合適的報(bào)告模板，點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)操作”按鈕中的“打印報(bào)表”按鈕，將當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果打印輸出。
[0031]由此可見(jiàn)，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)70實(shí)現(xiàn)了位移和應(yīng)力變化數(shù)據(jù)的自動(dòng)瞬時(shí)采集記錄。
[0032]二、試驗(yàn)方法
1、步驟①中:
剪切盒與試樣之間的縫隙填滿(mǎn)細(xì)砂，垂向壓力板的底面與試樣的頂面間墊薄層砂，并使垂向壓力板與剪切盒的底平面平行。
[0033]2、步驟②中:
施加垂向荷載時(shí)，須保證垂向壓力板中心、壓力傳感器中心、垂向壓力千斤頂?shù)鬃行暮驮嚇又行模３衷谕惠S線(xiàn)上。
[0034]三、試驗(yàn)結(jié)果
為求得某基坑內(nèi)碎石土的抗剪強(qiáng)度，為基坑設(shè)計(jì)提供依據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)組裝儀器，根據(jù)上述試驗(yàn)方法測(cè)試具有一定含水率的碎石土堆積體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定4個(gè)試樣，使用地錨器提供反力。
[0035]從試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，試驗(yàn)完成時(shí)，剪切面并不是一個(gè)平直的面，而是根據(jù)碎石土的結(jié)構(gòu)組成而形成的凹凸不平的不規(guī)則面。這是由于一些碎石顆粒恰好位于剪切面上，則剪切必須繞過(guò)這些顆粒，在空間上出現(xiàn)波浪式。這與碎石土剪切試驗(yàn)的理論研究結(jié)果是相符的。通過(guò)各個(gè)試樣的剪應(yīng)力與剪切變形關(guān)系曲線(xiàn)(圖3)，繪制了試樣抗剪強(qiáng)度曲線(xiàn)圖(圖4)，采用線(xiàn)性回歸方法，計(jì)算得到此次試驗(yàn)所用碎石土的抗剪強(qiáng)度為:粘聚力c為190.51kPa，內(nèi)摩擦角Φ約為22。。
[0036]測(cè)試試驗(yàn)求取的粘聚力值190.51kPa在碎石土有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(68.6kPa?225.4kPa)范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)性較好；內(nèi)摩擦角相對(duì)較小，對(duì)于試樣碎石土，內(nèi)摩擦角主要體現(xiàn)為咬合力，推測(cè)測(cè)試結(jié)果與其中的粉砂質(zhì)粘土等細(xì)顆粒含量較高有關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的巖土體原位直剪試驗(yàn)裝置，其特征在于: 包括試樣(00)、剪切盒(10)、反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、切向壓力系統(tǒng)(50)、滾軸排(60)和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70); 其連接關(guān)系是: 試樣(00)置于剪切盒(10)內(nèi)； 反力系統(tǒng)(20)、垂向壓力系統(tǒng)(30)、傳力系統(tǒng)(40)、滾軸排(60)和試樣(00)依次連接，將垂向壓力施加于試樣(00)； 切向壓力系統(tǒng)(50)、傳力系統(tǒng)(40)和試樣(00)依次連接,將側(cè)向壓力施加于試樣(00)； 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由四個(gè)垂向位移計(jì)(71)、兩個(gè)切向位移計(jì)(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 四個(gè)垂向位移計(jì)(71)位于垂向壓力板(33)的四個(gè)角點(diǎn)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣(00)的垂向位移； 兩個(gè)切向位移計(jì)(72)位于剪力受力面的另一側(cè)，用于量測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣(00)的切向位移； 垂向位移計(jì)(71)和切向位移計(jì)(72)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測(cè)垂向位移和切向位移； 垂向壓力系統(tǒng)(30)的垂向壓力傳感器(32)和切向壓力系統(tǒng)(50)的切向壓力傳感器(52)分別與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連，量測(cè)垂向壓力和切向壓力。
2.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的反力系統(tǒng)(20)由依次連接的反力梁(21)、連接桿(22)和地錨器(23)組成。
3.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的垂向壓力系統(tǒng)(30)由依次連接的垂向壓力千斤頂(31)、垂向壓力傳感器(32)和垂向壓力板(33)組成； 垂向壓力千斤頂(31)為手動(dòng)油壓千斤頂； 垂向壓力傳感器(32)采用輪輻傳感器，垂向壓力傳感器(32)與數(shù)據(jù)采集箱(73)相連； 垂向壓力板(33)包括上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332);在上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間安放有滾軸排(50)。
4.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的傳力系統(tǒng)(40)由垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)、切向傳力筒(43)和切向傳力板(44)組成； 垂向傳力筒(41)、垂向傳力板(42)和垂向壓力千斤頂(31)依次連接，切向傳力筒(43)、切向傳力板(44)和切向壓力千斤頂(51)依次連接。
5.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的切向壓力系統(tǒng)(50)由依次連接的切向壓力千斤頂(51)、切向壓力傳感器(52)和切向壓力板(53)組成； 切向壓力千斤頂(51)為手動(dòng)油壓千斤頂； 切向壓力傳感器(52)采用輪輻傳感器，切向壓力傳感器(52)和數(shù)據(jù)采集箱(73)相連。
6.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的滾軸排(60)內(nèi)置滾珠，位于上垂向壓力板(331)和下垂向壓力板(332)之間，試驗(yàn)時(shí)隨著切向位移的發(fā)展而沿垂向壓力板(33)表面滾動(dòng)，保證垂向壓力不產(chǎn)生偏心力矩。
7.按權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于: 所述的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(70)由垂向位移計(jì)(71)、兩個(gè)切向位移計(jì)(72)和數(shù)據(jù)采集箱(73)組成； 垂向位移計(jì)(71)和切向位移計(jì)(72 )分別與數(shù)據(jù)采集箱(73 )相連； 垂向位移計(jì)(71)采用VWD-50振弦式位移計(jì)； 切向位移計(jì)(72)采用VWD-50振弦式位移計(jì)； 數(shù)據(jù)采集箱(73)包括集成PXI總線(xiàn)和PC機(jī)。
8.基于權(quán)利要求1所述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于包括下列步驟: ①試樣的制備 在開(kāi)挖的探坑或試驗(yàn)平硐內(nèi)選擇未經(jīng)擾動(dòng)且具有代表性的原位巖土體，使用削土刀將巖土體削切為略小于剪切盒內(nèi)徑大小的塊體，浸水時(shí)間視試樣的透水性而定；試樣削切完成后安放剪切盒內(nèi)，并按圖示組裝好儀器，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集流程； ②試驗(yàn)工作開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)試樣分級(jí)施加垂向荷載，4個(gè)試樣的垂向壓力分別為100kPa、200kPa、400kPa和600kPa，一般可分4~5級(jí)達(dá)到試驗(yàn)要求的荷載，施加荷載后每5min觀測(cè)變形一次,至每分鐘的變形不超過(guò)0.05mm時(shí),加下一級(jí)荷載；最后一級(jí)荷載施加后當(dāng)Ih內(nèi)的垂向變形不超過(guò)0.05mm時(shí)，可認(rèn)為穩(wěn)定，即可施加切向剪切荷載； ③對(duì)試樣施加切向剪應(yīng)力，剪應(yīng)力的施加可采用分級(jí)的方法，即每Imin加一級(jí)，開(kāi)始按垂向總荷載的10%施加，當(dāng)某級(jí)切向剪力下的變形超過(guò)前一級(jí)變形的1.5~2.0倍時(shí)，改為按垂向總荷載的5%施加；每施加一級(jí)，觀測(cè)水平位移一次，當(dāng)切向剪切達(dá)到峰值或穩(wěn)定值時(shí)，即認(rèn)為試樣剪損；若無(wú)上述情況出現(xiàn)，剪切變形達(dá)到10%試樣邊長(zhǎng)時(shí)，即可停止試驗(yàn)；在施加切向剪應(yīng)力過(guò)程中，保持垂向荷載不變；剪切時(shí)間控制在10~20min內(nèi)； ④在不同垂向荷載條件下，對(duì)同一土層以同樣方式進(jìn)行4個(gè)試樣的剪切試驗(yàn)； ⑤在數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中，繪制不同壓力條件下的剪切位移一剪應(yīng)力曲線(xiàn)，回歸分析采用峰值時(shí)或10%剪切位移對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力，計(jì)算抗剪強(qiáng)度及C、Φ值。
9.按權(quán)利要求8所述的試驗(yàn)方法，其特征在于步驟①中: 剪切盒與試樣之間的縫隙填滿(mǎn)細(xì)砂，垂向壓力板的底面與試樣的頂面間墊薄層砂，并使垂向壓力板與剪切盒的底平面平行。
10.按權(quán)利要求8所述的試驗(yàn)方法，其特征在于步驟②中: 施加垂向荷載時(shí)，須保證垂向壓力板中心、壓力傳感器中心、垂向壓力千斤頂?shù)鬃行暮驮嚇又行?，保持在同一軸線(xiàn)上。
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK103558096SQ201310538634
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】郭長(zhǎng)寶, 張瑞端, 張永雙, 宋海軍, 侯春堂, 付曉曉, 周能娟, 姚鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所