带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法

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带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及岩土力学试验技术，尤其涉及一种带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法。\n[0002] 具体地说，本发明涉及一种岩土体原位直剪仪，同时还涉及一套自动采集、记录试样位移和应力数据的自动数据采集系统。本试验装置属于应变控制式，即通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验过程。其最大优点在于采用了自动数据采集系统和轮辐压力传感器，而使测得的岩土体抗剪强度数据更加准确，同时本装置结构简单、易拆装、操作简便，一般岩土技术人员可短时间掌握。\n背景技术\n[0003] 岩土工程的失稳绝大多数是由于岩土体的剪切破坏引起的，因此准确测定岩土体的抗剪强度参数在岩土工程建设中具有重要意义。在岩土力学研究过程中，通过施加剪切力（或剪切位移）对岩土体进行试验的方法一直受到重视，直剪试验为其中一种方法。\n[0004] 由于岩土体直剪试验原理方法简单，并积累了大量的工程实践经验，特别是室内直剪，在工程实践中得到了广泛应用；但对于大颗粒、现场大尺寸样品的测试工作一直很难较好开展。目前国内进行现场剪切试验时多数采用简单的应力控制式加载试验方法，不能反映岩土体完整的变形过程，也不能得到其残余抗剪强度。况且，目前使用的岩土直剪设备的数据采集工作主要是人工手动读数和记录，加上普通传感器和仪表式位移计自身精度的不足，很难做到准确测定岩土体的抗剪强度参数。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的主要在于解决了现有原位岩土直剪设备存在的无法自动采集数据和试验结果精度差的问题，提供一种带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置及方法；本发明精度高，应用、操作简便。\n[0006] 本发明的目的是这样实现的：\n[0007] 通过对岩土体试样施加法向荷载，并通过施加水平剪切力，使试样在拟定的剪切面上发生剪切破坏，并通过自动数据采集系统记录试验过程中的剪应力、位移等相关数据，绘制破坏剪应力与法向荷载的关系曲线，从而求得相应粘聚力c和内摩擦角φ等抗剪强度参数。本装置由于采用了自动数据采集系统和轮辐传感器而使得试验结果更加准确，同时本装置结构简单、易拆装、操作简便，一般岩土技术人员可短时间掌握。\n[0008] 1、带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验装置（简称试验装置）[0009] 本试验装置包括试样、剪切盒、反力系统、垂向压力系统、传力系统、切向压力系统、滚轴排和自动数据采集系统；\n[0010] 其连接关系是：\n[0011] 试样置于剪切盒内；\n[0012] 反力系统、垂向压力系统、传力系统、滚轴排和试样依次连接，将垂向压力施加于试样；\n[0013] 切向压力系统、传力系统和试样0依次连接，将侧向压力施加于试样；\n[0014] 自动数据采集系统由四个垂向位移计、两个切向位移计和数据采集箱组成；\n[0015] 四个垂向位移计位于垂向压力板的四个角点，用于量测试验过程中试样的垂向位移；\n[0016] 两个切向位移计位于剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样的切向位移；\n[0017] 垂向位移计和切向位移计分别与数据采集箱相连，量测垂向位移和切向位移；\n[0018] 垂向压力系统的垂向压力传感器和切向压力系统的切向压力传感器分别与数据采集箱相连，量测垂向压力和切向压力。\n[0019] 2、带有自动数据采集系统的岩土体原位直剪试验方法（简称试验方法）[0020] 本试验方法包括下列步骤：\n[0021] ①试样的制备\n[0022] 在开挖的探坑或试验平硐内选择未经扰动且具有代表性的原位岩土体，使用削土刀将岩土体削切为略小于剪切盒内径大小的块体，浸水时间视试样的透水性而定；试样削切完成后安放剪切盒内，并按图示组装好仪器，开启数据采集流程；\n[0023] ②试验工作开始时，首先对试样分级施加垂向荷载，4个试样的垂向压力分别为\n100kPa、200kPa、400kPa和600kPa，一般可分4～5级达到试验要求的荷载，施加荷载后每\n5min观测变形一次，至每分钟的变形不超过0.05mm时，加下一级荷载；最后一级荷载施加后当1h内的垂向变形不超过0.05mm时，可认为稳定，即可施加切向剪切荷载；\n[0024] ③对试样施加切向剪应力，剪应力的施加可采用分级的方法，即每1min加一级，开始按垂向总荷载的10%施加，当某级切向剪力下的变形超过前一级变形的1.5～2.0倍时，改为按垂向总荷载的5%施加；每施加一级，观测水平位移一次，当切向剪切达到峰值或稳定值时，即认为试样剪损；若无上述情况出现，剪切变形达到10%试样边长（即32mm）时，即可停止试验；在施加切向剪应力过程中，保持垂向荷载不变；剪切时间控制在10～20min内；\n[0025] ④在不同垂向荷载条件下，对同一土层以同样方式进行4个试样的剪切试验；\n[0026] ⑤在数据自动采集中，绘制不同压力条件下的剪切位移—剪应力曲线，回归分析采用峰值时或10%剪切位移对应的剪应力（无峰值），计算抗剪强度及c、φ值。\n[0027] 本发明工作原理\n[0028] 在开挖的探坑或试验平硐内选择未经扰动具有代表性的原位岩土体，使用削土刀将岩土体削切为略小于剪切盒内径大小的块体，在试样上套入剪切盒，将剪切盒与试样之间的缝隙填满细砂，通过垂向压力系统对试样施加垂向压力，待试样在垂向压力作用下固结稳定后，通过切向压力系统推动剪切盒而对原位试样施加水平剪力直至试样破坏。试验过程中水平剪力与垂向压力由切向压力传感器、垂向压力传感器测量，试样的水平位移和垂向位移由切向位移计、垂向位移计测量，测量数据通过数自动数据采集系统采集并存储。\n[0029] 本发明主要功能：\n[0030] 可用于原位岩土体本身、土体沿软弱结构面和岩体与其他材料接触面的剪切试验，能够通过自动数据采集系统记录试验过程中的剪应力、位移等相关数据，绘制破坏剪应力与法向荷载的关系曲线，从而求得相应粘聚力c和内摩擦角φ等抗剪强度参数。\n[0031] 本发明具体操作步骤：\n[0032] ①将原位岩土体削切为略小于剪切盒内径大小的块体并套入剪切盒；\n[0033] ②安装垂向压力系统和反力系统；\n[0034] ③安装切向压力系统和传力系统；\n[0035] ④安装位移计和压力传感器，并将位移计、压力传感器和自动数据采集系统相连，启动数据采集程序即可开始试验；\n[0036] ⑤将垂向荷载加至预定值，稳压；\n[0037] ⑥分级施加水平剪力，控制剪切速率直至试样破坏；\n[0038] ⑦实验完毕后将自动数据采集系统中采集到的数据导出，进行抗剪强度参数计算。\n[0039] 本发明主要特色：\n[0040] ①属于应变控制式原位直剪试验系统，即通过对试样施加剪切位移而完成剪切试验过程。最大设计水平剪力可达300kN，可以实现对试样的匀速剪切。与应力控制直剪仪相比，本发明最大剪切位移可达50mm，能够反映原位岩土体变形的全过程；本发明实现了对水平位移的严格控制，可以根据需要调整剪切速率。\n[0041] ②反力提供采用地锚器，提供的反力足够大，解决了以往反力不足的缺点。\n[0042] ③剪切变形更加均匀，剪切过程中水平向荷载均匀施加在剪切盒侧面上，室内试验时反力架底座有剪切轨道，剪切盒只能沿直线平动而不能转动。因此，剪切缝不会由于试样的剪胀作用而发生改变，从而使试样的变形较传统的直剪仪更加均匀。\n[0043] ④测量数据更加准确。由于采用自动数据采集系统，试验中的全部测量数据实现了自动采集，而且轮辐传感器和数字位移计的测量精度高。\n[0044] 本发明具有以下优点和积极效果：\n[0045] ①采用应变控制，测量精度高，稳定性好；\n[0046] ②具有自动数据采集系统，所有试验数据自动采集，避免了人工读数的繁琐和误差，能够准确地得到试样的抗剪强度指标，同时能够得出试样的剪切残余强度；\n[0047] ③使用应力控制使用轮辐传感器，使应力的测量更加精确；\n[0048] ④所有部件可拆卸，方便运输，便于安装。\n附图说明\n[0049] 图1是本试验装置的结构方框图；\n[0050] 图2是本试验装置的结构示意图；\n[0051] 图3是数据自动采集软件的工作流程图；\n[0052] 图4是根据采集到的数据得出的试验结果图；\n[0053] 图5是回归分析得出的试样抗剪强度曲线图。\n[0054] 其中：\n[0055] 00—试样；\n[0056] 10—剪切盒；\n[0057] 20—反力系统，\n[0058] 21—反力梁，22—连接杆，23—地锚器；\n[0059] 30—垂向压力系统，\n[0060] 31—垂向压力千斤顶，32—垂向压力传感器，\n[0061] 33—垂向压力板，\n[0062] 331—上垂向压力板，332—下垂向压力板；\n[0063] 40—传力系统，\n[0064] 41—传力筒，42—垂向传力板，43—切向传力筒，44—切向传力板；\n[0065] 50—切向压力系统；\n[0066] 51—切向压力千斤顶，52—切向压力传感器，53—切向压力板；\n[0067] 60—滚轴排；\n[0068] 70—自动数据采集系统，\n[0069] 71—垂向位移计，72—切向位移计，73—数据采集箱。\n具体实施方式\n[0070] 下面结合附图和实施例详细说明：\n[0071] 一、试验装置\n[0072] 1、总体\n[0073] 如图1、2，本试验装置包括试样00、剪切盒10、反力系统20、垂向压力系统30、传力系统40、切向压力系统50、滚轴排60和自动数据采集系统70；\n[0074] 其连接关系是：\n[0075] 试样00置于剪切盒10内；\n[0076] 反力系统20、垂向压力系统30、传力系统40、滚轴排60和试样00依次连接，将垂向压力施加于试样00；\n[0077] 切向压力系统50、传力系统40和试样00依次连接，将侧向压力施加于试样00；\n[0078] 自动数据采集系统70由四个垂向位移计71、两个切向位移计72和数据采集箱73组成；\n[0079] 四个垂向位移计71位于垂向压力板33的四个角点，用于量测试验过程中试样00的垂向位移；\n[0080] 两个切向位移计72位于剪力受力面的另一侧，用于量测试验过程中试样00的切向位移；\n[0081] 垂向位移计71和切向位移计72分别与数据采集箱73相连，量测垂向位移和切向位移；\n[0082] 垂向压力系统30的垂向压力传感器32和切向压力系统50的切向压力传感器52分别与数据采集箱73相连，量测垂向压力和切向压力。\n[0083] 工作机理：\n[0084] 在切削完成的原位岩土体的试样00上，扣入剪切盒10，之上安装垂向压力板33，在两个垂向压力板33之间放置有滚轴排60，在垂向压力板33的上面安装垂向压力传感器\n32，垂向压力传感器32上部依次为垂向压力千斤顶31、垂向传力板42和垂向传力筒41，传力系统40接收垂向压力千斤顶31的作用力并传递作用于反力系统20以提供垂向压力；\n[0085] 切向压力系统50利用探坑坑壁作反力底座，切向压力千斤顶51和切向压力传感器52、切向压力板53和切向传力板44、切向传力筒43结合作用于剪切盒10侧面提供切向压力；\n[0086] 量测试样00垂向变形的位移计71，安装在垂向压力板33的四角上；量测试样00剪切变形的位移计72，安装在剪力受力面的另一侧；位移计70好压力传感器72分别与数据采集箱73相连；启动自动数据采集系统70，施加垂向压力，固结一定时间后，分级施加切向压力，记录试验数据。\n[0087] 2、功能部件\n[0088] 1）剪切盒10\n[0089] 如图2，剪切盒是一种方形容器，\n[0090] 内壁的长×宽×高=31.6cm×31.6cm×32cm，采用1.5cm厚钢板焊接而成，最大切向承载压力为50kN。\n[0091] 2）反力系统20\n[0092] 如图2，反力系统20由依次连接的反力梁21、连接杆22和地锚器23组成，地锚器\n23与灌浆水泥柱联合使用时将提供更大反力。\n[0093] 3）垂向压力系统30\n[0094] 如图2，垂向压力系统30由依次连接的垂向压力千斤顶31、垂向压力传感器32和垂向压力板33组成；\n[0095] 垂向压力千斤顶31为手动油压千斤顶，最大量程为500kN；\n[0096] 垂向压力传感器32采用轮辐传感器，垂向压力传感器32与数据采集箱73相连，垂向压力传感器32导出的数据直接显示在数据采集箱73的PC机上；\n[0097] 垂向压力板33包括上垂向压力板331和下垂向压力板332；在上垂向压力板331和下垂向压力板332之间安放有滚轴排50；垂向压力板33的存在确保了垂向压力均匀分布于试样00的顶面上。\n[0098] 4）传力系统40\n[0099] 传力系统40由垂向传力筒41、垂向传力板42、切向传力筒43和切向传力板44组成；\n[0100] 垂向传力筒41、垂向传力板42和垂向压力千斤顶31依次连接，切向传力筒43、切向传力板44和切向压力千斤顶51依次连接；\n[0101] 传力筒和传力板用于调节反力系统20与压力系统40之间的距离。\n[0102] 5）切向压力系统50\n[0103] 切向压力系统50由依次连接的切向压力千斤顶51、切向压力传感器52和切向压力板53组成；\n[0104] 切向压力千斤顶51为手动油压千斤顶，最大量程为300kN；\n[0105] 切向压力传感器52采用轮辐传感器，切向压力传感器52和数据采集箱73相连，切向压力传感器52导出的数据直接显示在数据采集箱73的PC机上；\n[0106] 切向压力板53的存在使切向压力均匀分布于剪切盒10侧面上，避免由于切向压力的集中而导致剪切盒10的破坏。\n[0107] 6）滚轴排60\n[0108] 滚轴排60位于上垂向压力板331和下垂向压力板332之间，滚轴排60内置滚珠，试验时随着切向位移的发展而沿垂向压力板33表面滚动，保证垂向压力不产生偏心力矩。\n[0109] 7）自动数据采集系统70\n[0110] 自动数据采集系统70由山东省济南海威尔仪器有限责任公司生产。\n[0111] 自动数据采集系统70由垂向位移计71、两个切向位移计72和数据采集箱73组成；\n[0112] 垂向位移计71和切向位移计72分别与数据采集箱73相连，位移计导出的数据直接显示在数据采集箱73的PC机上；\n[0113] ①四个垂向位移计71采用VWD-50振弦式位移计，分别置于垂向压力板33的四角，用于量测试验过程中试样00的垂向位移，位移计最大量程50mm，精度为0.1mm；\n[0114] ②两个切向位移计72采用VWD-50振弦式位移计，分别置于剪力受力面另一侧的上下部，用于量测切向位移；\n[0115] ③数据采集箱73包括集成PXI总线和PC机\n[0116] PXI总线进行数据采集，主要选用NI的PXI-6070E；PXI-6070E为多功能数据采集卡（DAQ），其内嵌ADAM4017模块可实现A/D和D/A转换。多功能数据采集卡还内嵌数据自动采集软件，数据自动采集软件根据约定的数据通讯协议，可将位移、应力数据通过RS232或USB接口上传至PC机进行存储、显示、控制和修正等。\n[0117] 数据自动采集软件采用MaxTest-Y2H原位直剪软件，该软件是在通用的静态试验机控制分析软件MaxTest进行二次开发而成，二次开发后的软件具有强大的数据采集、试验过程控制、数据分析和打印等功能，易于掌握和操作。软件程序采用开放的数据库结构定义，标准配置为国标GB50021-94试验标准。根据原位直剪试验的需要，软件配备8同道采集数据口，可进行2个力传感器、6个变形传感器的数据采集，结合PXI-6070E多功能数据采集卡实现实时记录试验曲线，良好的人机交互界面方便随时切换观察应力-时间、位移-时间和应力-位移等试验曲线。数据保存格式采用后缀名为xtf的基于xml格式的文本文件保存格式，xtf格式保存的信息丰富，不但能保存所有试样试验数据，而且还能保存所有试验曲线信息。\n[0118] 具体地说，如图3，数据自动采集软件的工作流程是：\n[0119] A、启动软件100\n[0120] 在计算机中选择“开始”→“所有程序”→“MaxTest”→“MaxTest-Y2H启动程序”，软件开启后，调整位移计，软件“变形”窗口中相应栏读数有变化时说明软件启动正常；\n[0121] B、选择试验类型101\n[0122] 在菜单栏中点击“菜单”→“试验类型”选项，选择所进行操作的试验类型，如此则可以从当前的试验控制类型切换到另一个试验控制类型，如不进行此操作，则执行默认（原位直剪）类型；（软件采用模块化设计，通过在软件中切换加载不同的试验类型模块，可以控制不同类型的试验，一个试验类型模块可以包含几个不同的数据创建视图、数据打印视图和试验控制视图，这些可以通过在切换试验类型向导窗口中选择）；\n[0123] C、新建试验数据102\n[0124] 点击界面右侧“标准操作”按钮中的“添加新记录”按钮，打开新建记录窗口（即数据创建视图），在数据创建窗口中含有默认的试件信息和试验信息，可以根据试验实际情况修改和添加自定义的信息，试件信息修改完成后点击“新增记录”按钮，新建一个试验数据，这时，在试验记录窗口中会显示新建的试验记录；\n[0125] D、开始试验103\n[0126] 确认位移计、压力传感器处于初始状态（位移计、压力传感器刚好接触传力板），点击操作按钮中的“开始”按钮，开始进行试验，试验过程中，主程序的显示窗口实时显示试验数据，曲线板同步显示试验曲线；\n[0127] E、单个试验完成104\n[0128] 一个试样试验结束时，系统会自动完成试验，在特殊情况下，可以点击“停止”按钮，强行中断试验；\n[0129] F、数据保存105\n[0130] 单个试样试验完成后，系统会自动保存试验数据，数据的文件名默认为“试验类型+试验日期”，文件保存在软件安装目录XTF文件夹下的“Zhijian”文件夹中，主程序的试验记录窗口中显示试验的状态为“已完成”；\n[0131] G、判断全部试验是否完成106，是则进入步骤H，否则跳转到步骤C-102；\n[0132] H、试验分析107\n[0133] 试验完成后系统会记录试验数据曲线，点击“标准操作”按钮中的“分析试验”按钮，打开分析试验窗口，用鼠标拖动曲线下方的滑块时，曲线上会显示当前位置的坐标值，根据实际需要，点击“添加特征点”按钮，左侧的列表中会显示所添加的特征点对应的垂向应力和法向应力的值，选取每组试验曲线的峰值特征点平均值，点击“根据特征点分析试验结果”按钮即可计算得到抗剪强度参数；\n[0134] I、报告打印108\n[0135] 选择想要输出的曲线，点击“浏览”按钮在出现的报告模板选择对话框中选择合适的报告模板，点击“标准操作”按钮中的“打印报表”按钮，将当前试验结果打印输出。\n[0136] 由此可见，自动数据采集系统70实现了位移和应力变化数据的自动瞬时采集记录。\n[0137] 二、试验方法\n[0138] 1、步骤①中：\n[0139] 剪切盒与试样之间的缝隙填满细砂，垂向压力板的底面与试样的顶面间垫薄层砂，并使垂向压力板与剪切盒的底平面平行。\n[0140] 2、步骤②中：\n[0141] 施加垂向荷载时，须保证垂向压力板中心、压力传感器中心、垂向压力千斤顶底座中心和试样中心，保持在同一轴线上。\n[0142] 三、试验结果\n[0143] 为求得某基坑内碎石土的抗剪强度，为基坑设计提供依据，现场组装仪器，根据上述试验方法测试具有一定含水率的碎石土堆积体的抗剪强度指标。现场测定4个试样，使用地锚器提供反力。\n[0144] 从试验测试结果可见，试验完成时，剪切面并不是一个平直的面，而是根据碎石土的结构组成而形成的凹凸不平的不规则面。这是由于一些碎石颗粒恰好位于剪切面上，则剪切必须绕过这些颗粒，在空间上出现波浪式。这与碎石土剪切试验的理论研究结果是相符的。通过各个试样的剪应力与剪切变形关系曲线（图3），绘制了试样抗剪强度曲线图（图4），采用线性回归方法，计算得到此次试验所用碎石土的抗剪强度为：粘聚力c为\n190.51kPa，内摩擦角φ约为22°。\n[0145] 测试试验求取的粘聚力值190.51kPa在碎石土有效抗剪强度指标（68.6kPa～\n225.4kPa）范围内，对应性较好；内摩擦角相对较小，对于试样碎石土，内摩擦角主要体现为咬合力，推测测试结果与其中的粉砂质粘土等细颗粒含量较高有关。