本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀及其使用方法。

背景技術(shù)：

隨著城市軌道交通和地下深基坑工程的興建，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目建立在黏土、粉土和砂土地層之上，特別是軟黏土，由于其具有觸變性，在振動(dòng)荷載作用下，軟黏土的結(jié)構(gòu)性被破壞，其抗剪強(qiáng)度急劇下降。飽和粉土和砂土在振動(dòng)荷載作用下，由于孔隙水壓力驟然升高，有效應(yīng)力下降，粉土和砂土出現(xiàn)液化的現(xiàn)象，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度變得非常低。現(xiàn)有的《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)gbt50123-1999》或《土工試驗(yàn)規(guī)程sl237-1999》建議采用動(dòng)三軸試驗(yàn)來(lái)研究土體在動(dòng)荷載作用下的抗剪強(qiáng)度，但是目前市場(chǎng)上成熟的三軸試驗(yàn)儀最高的動(dòng)荷載頻率約為20hz，遠(yuǎn)不能滿足施工現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻率約為50-100hz的機(jī)械振動(dòng)。50-100hz的機(jī)械振動(dòng)使軟黏土、粉土或砂土在物理、力學(xué)性質(zhì)上呈現(xiàn)極端的不均勻性與非線性，特別是會(huì)引起軟黏土的觸變性和飽和砂土的快速液化。對(duì)于城市地下工程來(lái)講，一旦軟黏土或砂土地層由于觸變性或液化導(dǎo)致過(guò)大地面沉降，勢(shì)必嚴(yán)重影響環(huán)境建設(shè)。因此，需要研制適合較高振動(dòng)頻率和能夠精確采集加速度的新型儀器，用來(lái)量測(cè)在振動(dòng)荷載作用下土體峰值強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種制作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀，還提供了一種步驟簡(jiǎn)便的監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的使用方法。

本發(fā)明提供一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀，包括支撐架、杠桿、激振器、水平荷載傳感器、垂直荷載傳感器、上剪切盒、下剪切盒、位移傳感器、步進(jìn)電機(jī)和加速度計(jì)，所述激振器、水平荷載傳感器、下剪切盒和步進(jìn)電機(jī)均位于支撐架上，所述杠桿位于支撐架的下方，所述上剪切盒位于下剪切盒的上方，所述垂直荷載傳感器位于上剪切盒的上方，所述加速度計(jì)設(shè)置在上剪切盒上，所述位移傳感器連接在支撐架上，所述步進(jìn)電機(jī)與下剪切盒連接，所述上剪切盒和激振器分別與水平荷載傳感器連接，所述激振器用以施加機(jī)械振動(dòng)力，所述位移傳感器用以測(cè)量土體試樣的固結(jié)位移量和振動(dòng)過(guò)程中土體試樣的軸向變形，所述加速度計(jì)用以精確監(jiān)測(cè)土體試樣受到的水平加速度。

進(jìn)一步地，所述激振器通過(guò)傳力桿與水平荷載傳感器的一端連接，所述上剪切盒通過(guò)螺紋接頭和第一螺柱與水平荷載傳感器的另一端連接，所述上剪切盒與第一螺柱的一端連接，所述第一螺柱的另一端和水平荷載傳感器的另一端均與螺紋接頭連接。

進(jìn)一步地，所述激振器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)力經(jīng)傳力桿傳送至水平荷載傳感器，然后經(jīng)水平荷載傳感器傳送至上剪切盒。

進(jìn)一步地，所述垂直荷載傳感器的上端通過(guò)金屬球連接一框架，在所述框架的上方放置位移傳感器，所述杠桿垂直穿過(guò)框架的下端，所述杠桿的右側(cè)掛有砝碼，所述杠桿的左側(cè)配有平衡錘。

進(jìn)一步地，所述砝碼產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的重力，該重力經(jīng)杠桿和框架傳遞到垂直荷載傳感器后轉(zhuǎn)換為對(duì)土體試樣施加的垂向壓力。

進(jìn)一步地，所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第二螺柱與下剪切盒連接，所述步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第一螺栓固定連接在支撐架上。

進(jìn)一步地，所述水平荷載傳感器與激振器之間設(shè)有導(dǎo)向支撐裝置，所述導(dǎo)向支撐裝置水平穿過(guò)水平荷載傳感器的一端，所述激振器與支撐架之間設(shè)有一底座，所述底座通過(guò)第二螺栓固定在支撐架上。

進(jìn)一步地，所述下剪切盒上設(shè)有排水孔，所述下剪切盒的下端連接有第一導(dǎo)軌，所述支撐架上固定有第二導(dǎo)軌，所述第一導(dǎo)軌與第二導(dǎo)軌相接觸，所述第一導(dǎo)軌為水平滾珠導(dǎo)軌，所述上剪切盒和下剪切盒上均開(kāi)有小孔，所述位移傳感器為垂直lvdt位移傳感器。

本發(fā)明還提供一種上述監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的使用方法，包括以下步驟：

s101，獲取土體試樣，稱(chēng)量土體試樣的重量，然后計(jì)算土體試樣的體積和密度；

s102，將土體試樣推入上剪切盒和下剪切盒中，裝載砝碼，使土體試樣在一定的垂直壓力下進(jìn)行固結(jié)；

s103，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)；

s104，啟動(dòng)激振器，控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)；

s105，當(dāng)振動(dòng)剪切試驗(yàn)過(guò)程中的水平剪切位移達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)；

s106，重置砝碼的重量，重復(fù)步驟s102-s105，根據(jù)土體試樣的振動(dòng)應(yīng)力和剪切應(yīng)變繪制振動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

s107，根據(jù)振動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到土體試樣的峰值強(qiáng)度，利用不同土體試樣在不同固結(jié)壓力條件下的峰值強(qiáng)度繪制摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線，獲取土體試樣的振動(dòng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

進(jìn)一步地，步驟s103中，振動(dòng)剪切試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的方式或采用應(yīng)力控制的方式；步驟s105中，水平剪切位移達(dá)到6mm時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：本發(fā)明提供的高頻振動(dòng)直剪儀制作簡(jiǎn)單，操作方便；利用本發(fā)明提供的高頻振動(dòng)直剪儀測(cè)量得到的加速度值精度高，可滿足不同振動(dòng)頻率條件下軟黏土、粉土和砂土的振動(dòng)剪切試驗(yàn)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)采用應(yīng)變控制或應(yīng)力控制的方式進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)；本發(fā)明采用能夠產(chǎn)生高頻振動(dòng)力的激振器，可以準(zhǔn)確測(cè)量土體在20hz～15khz下的抗剪強(qiáng)度，為工程實(shí)踐提供對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的正視圖。

圖3是本發(fā)明一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的激振器的示意圖。

圖4是本發(fā)明一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀的上剪切盒和下剪切盒的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

參考圖1至圖4，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種監(jiān)測(cè)水平加速度的土體高頻振動(dòng)直剪儀，包括支撐架10、杠桿11、激振器12、水平荷載傳感器13、垂直荷載傳感器14、上剪切盒15、下剪切盒16、位移傳感器17、步進(jìn)電機(jī)18和加速度計(jì)19，激振器12、水平荷載傳感器13、下剪切盒16和步進(jìn)電機(jī)18均位于支撐架10上，杠桿11位于支撐架10的下方，上剪切盒15位于下剪切盒16的上方，垂直荷載傳感器14位于上剪切盒15的上方，激振器12通過(guò)傳力桿20與水平荷載傳感器13的一端連接，上剪切盒15通過(guò)螺紋接頭21和第一螺柱22與水平荷載傳感器13的另一端連接，加速度計(jì)19設(shè)置在上剪切盒15上，位移傳感器17通過(guò)支桿23與支撐架10連接，支桿23與位移傳感器17之間通過(guò)導(dǎo)向桿34連接，加速度計(jì)19用以精確監(jiān)測(cè)土體試樣受到的水平加速度，位移傳感器17用以測(cè)量土體試樣的固接位移量和振動(dòng)過(guò)程中土體試樣的軸向變形，激振器12用以施加機(jī)械振動(dòng)力，機(jī)械振動(dòng)力經(jīng)傳力桿20傳送至水平荷載傳感器13，然后經(jīng)水平荷載傳感器13傳送至上剪切盒15，一實(shí)施例中，支撐架10由不銹鋼材料制得，位移傳感器17為垂直lvdt(linearvariabledifferentialtransformer)位移傳感器。

上剪切盒15與第一螺柱22的一端連接，第一螺柱22的另一端和水平荷載傳感器13的另一端均與螺紋接頭21連接，一實(shí)施例中，螺紋接頭21為正反絲扣型螺紋接頭，第一螺柱22為雙頭螺柱。

步進(jìn)電機(jī)18通過(guò)第二螺柱24與下剪切盒16連接，步進(jìn)電機(jī)18通過(guò)第一螺栓(圖中未示)固定連接在支撐架10上，第一螺栓為內(nèi)六角螺栓。

垂直荷載傳感器14的上端通過(guò)金屬球25連接一框架26，在框架26的上方放置位移傳感器17，杠桿11垂直穿過(guò)框架26的下端，杠桿11的右側(cè)掛有砝碼27，杠桿11的左側(cè)配有平衡錘28，砝碼27產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的重力，該重力經(jīng)杠桿11和框架26傳遞到垂直荷載傳感器14后轉(zhuǎn)換為對(duì)土體試樣施加的垂向壓力。

水平荷載傳感器13與激振器12之間設(shè)有導(dǎo)向支撐裝置29，導(dǎo)向支撐裝置29水平穿過(guò)水平荷載傳感器13的一端。

下剪切盒16上設(shè)有排水孔30，排水孔30用以排出剪切試驗(yàn)過(guò)程中土體試樣受固結(jié)和剪切產(chǎn)生的水，下剪切盒16的下端連接有第一導(dǎo)軌31，支撐架10上固定有第二導(dǎo)軌(圖中未示)，第一導(dǎo)軌31與第二導(dǎo)軌相接觸，上剪切盒15和下剪切盒16上均開(kāi)設(shè)有小孔(圖中未示)，一實(shí)施例中，上剪切盒15與下剪切盒16均為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，第一導(dǎo)軌為水平滾珠導(dǎo)軌。

激振器12與支撐架10之間設(shè)有一底座32，底座32通過(guò)第二螺栓33固定在支撐架上。

本發(fā)明還提供了一種上述土體高頻振動(dòng)直剪儀的使用方法，包括以下步驟：

s101，利用環(huán)刀獲取4～6個(gè)土體試樣，稱(chēng)量土體試樣的重量，然后計(jì)算土體試樣的體積和密度；土體包括軟黏土、粉土和飽和砂土。

s102，利用脫模器將土體試樣推入上剪切盒15和下剪切盒16中，裝載砝碼27，使土體試樣在一定的垂直壓力下進(jìn)行固結(jié)。

具體地，步驟s102中，首先調(diào)整下剪切盒16的位置保證上剪切盒15和下剪切盒16的小孔對(duì)齊，在下剪切盒16中放置一透水石和一濾紙，然后將裝有土體試樣的環(huán)刀卡在上剪切盒15的頂部，利用脫模器將土體試樣推入上剪切盒15和下剪切盒16中，在土體試樣的上部放置濾紙和透水石，待杠桿11平衡后，將位移傳感器17放置在框架26上，裝載砝碼27，使土體試樣在一定的垂直壓力下進(jìn)行固結(jié)，待位移傳感器17的數(shù)值不再變化時(shí)，固結(jié)過(guò)程結(jié)束。

s103，利用步進(jìn)電機(jī)18進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)。

具體地，步驟s103中，振動(dòng)剪切試驗(yàn)采用應(yīng)變控制的方式或采用應(yīng)力控制的方式；

采用應(yīng)變控制的方式進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)的過(guò)程為：設(shè)置步進(jìn)電機(jī)18使其以0.1-2mm/min的速率進(jìn)行剪切，當(dāng)水平荷載傳感器13的數(shù)值達(dá)到最大值時(shí)，保持步進(jìn)電機(jī)18的位置不變；

采用應(yīng)力控制的方式進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)的過(guò)程為：設(shè)置步進(jìn)電機(jī)18以一定的剪力進(jìn)行剪切，當(dāng)水平荷載傳感器13的數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，保持步進(jìn)電機(jī)18的位置不變。

s104，啟動(dòng)激振器12，控制步進(jìn)電機(jī)18繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)。

具體地，步驟s104中，當(dāng)水平荷載傳感器13的數(shù)值達(dá)到最大值或穩(wěn)定值后，啟動(dòng)激振器12，對(duì)激振器12設(shè)置一定的振動(dòng)頻率和振幅，激振器12產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)力傳送至上剪切盒15，加速度計(jì)19檢測(cè)記錄土體試樣的水平加速度值，同時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)18，使其繼續(xù)以應(yīng)變控制或應(yīng)力控制的方式進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)。

s105，當(dāng)振動(dòng)剪切試驗(yàn)過(guò)程中的水平剪切位移達(dá)到6mm時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)18，得到土體試樣的振動(dòng)殘余強(qiáng)度或振動(dòng)蠕變強(qiáng)度；振動(dòng)剪切試驗(yàn)開(kāi)始前，上剪切盒15和下剪切盒16呈對(duì)齊狀態(tài)，進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)時(shí)，上剪切盒15保持不動(dòng)，下剪切盒16向前或向后移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為水平剪切位移。

s106，重置砝碼27的重量，重復(fù)步驟s102-s105，根據(jù)土體試樣的振動(dòng)應(yīng)力和剪切應(yīng)變繪制振動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

s107，根據(jù)振動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得到土體試樣的峰值強(qiáng)度，利用4～6個(gè)土體試樣在不同固結(jié)壓力條件下的峰值強(qiáng)度繪制摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度包絡(luò)線，然后利用作圖法或曲線擬合法獲取土體試樣的振動(dòng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

本發(fā)明提供的高頻振動(dòng)直剪儀制作簡(jiǎn)單，操作方便；利用本發(fā)明提供的高頻振動(dòng)直剪儀測(cè)量得到的加速度值精度高，可滿足不同振動(dòng)頻率條件下軟黏土、粉土和砂土的振動(dòng)剪切試驗(yàn)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)采用應(yīng)變控制或應(yīng)力控制的方式進(jìn)行振動(dòng)剪切試驗(yàn)；本發(fā)明采用能夠產(chǎn)生高頻振動(dòng)力的激振器12，可以準(zhǔn)確測(cè)量土體在20hz～15khz下的抗剪強(qiáng)度，為工程實(shí)踐提供對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來(lái)定義的，只是為了表達(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。