羅永江王 生封燦林盧 斌

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院 吉林長春 130000）

（2.北京科創(chuàng)海光儀器有限公司 北京 100016）

SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀的研制和應(yīng)用

羅永江1王 生1封燦林1盧 斌2

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院 吉林長春 130000）

（2.北京科創(chuàng)海光儀器有限公司 北京 100016）

在巖土工程試驗(yàn)中，直剪儀是測定巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)最為普遍的一種實(shí)驗(yàn)儀器。本文對所研制的直剪儀結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)介紹，所設(shè)計(jì)的直剪儀以數(shù)字顯示為突出優(yōu)點(diǎn)，在保證測試結(jié)果的高精度前提下，兼具便攜等優(yōu)點(diǎn)。該直剪儀測試精度高，適用范圍廣，可應(yīng)用于現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)。

直剪儀 直剪實(shí)驗(yàn) 數(shù)字顯示 結(jié)構(gòu)

1 引言

在地基承載力、土坡和路基穩(wěn)定性評價(jià)中，巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是最重要的力學(xué)參數(shù)，作為建筑物地基的巖土體，如果產(chǎn)生滑動或局部剪壞區(qū)發(fā)展導(dǎo)致過大或不均勻的地基變形，都會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用，因此，為確保各類工程建筑安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理，必須獲得巖土體的抗剪強(qiáng)度。直剪試驗(yàn)是獲得巖土體實(shí)驗(yàn)抗剪強(qiáng)度的一種試驗(yàn)手段。直剪實(shí)驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)巖樣放置于上下剪切盒，用液壓油缸給軸向施加壓力，使巖樣被軸向力壓緊，再利用水平液壓油缸施加水平荷載。在不同軸向壓力作用下，測定巖樣發(fā)生剪切破壞時(shí)的剪切應(yīng)力值，然后根據(jù)相關(guān)公式和曲線圖得出相應(yīng)巖樣的抗剪強(qiáng)度。

國內(nèi)現(xiàn)有直剪儀主要以大型室內(nèi)直剪儀為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖樣等加工工序較多，成本高。根據(jù)直剪試驗(yàn)原理和實(shí)際工作的需要，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院巖土工程實(shí)驗(yàn)室研制了SZJ8－2型數(shù)字顯示巖心直剪儀（圖1）。

圖1 SZJ8-2型數(shù)字顯示巖心直剪儀

2 本儀器的機(jī)構(gòu)組成

該直剪儀主要由剪切盒、壓力傳感器、數(shù)字顯示儀、手搖泵等組成。

2.1 剪切盒

剪切盒分為上下兩部分，整體外形尺寸為470 ×350×220mm（圖2）。上剪切盒由盒體、垂直加壓油缸、水平拉力桿、傳感器固定頭等組成。下剪切盒由盒體、水平加壓油缸、垂直拉力桿傳感器固定頭、滑塊等組成。微型機(jī)體上配置的垂直和水平加壓油缸，壓力源采用手動油泵，分別加壓。剪切盒的設(shè)計(jì)是根據(jù)地質(zhì)鉆探的巖心尺寸而確定的，剪切盒為圓孔形，孔徑Φ50mm，孔深為上下各25mm。因此，可測試試樣為Φ50×50mm的巖心。為滿足不同巖心樣的測試要求，還相應(yīng)配置了多組剪切套和墊片，增大了剪切儀器測試的使用范圍。為了批量加工和組裝的方便，水平拉桿和垂直拉桿采用同型設(shè)計(jì)，均按照承受最大拉力值70k N設(shè)計(jì)，能滿足各種巖心樣品的測試要求。為保證上剪切盒與垂直拉桿運(yùn)動一致，垂直拉桿通過橫梁與滑塊連接，滑塊與下剪切盒通過限位螺釘連接并能產(chǎn)生水平向相對位移，為減小滑動阻力對測試結(jié)果造成影響?；瑝K與下剪切盒間安裝了滾軸，并分別在滑槽內(nèi)安放了合金鋼墊片防止因荷載過大破壞滑塊和剪切盒面，保證了質(zhì)量并節(jié)省了材料成本。下剪切盒還設(shè)置了便于拿取巖心的取樣機(jī)構(gòu)，按動取樣按鈕，能輕松將下剪切盒中的巖心取出。

圖2 剪切盒三維圖

2.2 傳感器

傳感器為BHR－4型電阻應(yīng)變荷重傳感器。它采用圓筒形彈性體為測力敏感元件，電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件，是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的。當(dāng)被測的力通過壓頭直接作用于粘貼有電阻應(yīng)變片的空心圓柱體的應(yīng)變筒上，則應(yīng)變筒軸向壓縮，徑向膨脹，相應(yīng)軸向電阻應(yīng)變片阻值降低，徑向阻值增加，電橋失去平衡，在外界提供電橋電源時(shí)則對角輸出端有不平衡的電壓輸出，該電壓正比于作用在荷載傳感器上的被測力。傳感器電路采用八片電阻應(yīng)變片組成全橋結(jié)構(gòu)（圖3）。傳感器具有較好的密封防潮性能，較高的抗振動、沖擊穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了傳遞誤差小且測量可靠，并有良好的靜、動態(tài)特性。分辨能力為額定荷載的0.1%，額定載荷輸出靈敏度為1.0～1.5m V，非線性、滯后及重復(fù)性誤差均小于額定荷載輸出的0.5%，溫度對零點(diǎn)影響每攝氏度小于0.04%，電橋初始不平衡在20℃時(shí)不超過額定荷載輸出的±5%，橋路阻抗350Ω，最大供橋電壓為10V。垂直加壓采用30k N傳感器，水平拉力采用70k N傳感器。

圖3 傳感器全橋結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)字顯示儀

數(shù)字顯示儀采用集成電路四位數(shù)字顯示，它分為垂直加力顯示部分和水平加力顯示部分，具有兩路各自獨(dú)立的放大器，Y通道施加一恒力，X通道施加剪切力。數(shù)字放大器是根據(jù)國內(nèi)外最新科技水平，由中大規(guī)模集成電路組裝而成。數(shù)字顯示儀包括高精度低漂移放大器、峰值保持器、比較器、微功耗穩(wěn)壓器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和顯示器等部分組成。其中水平顯示在試樣達(dá)到剪切破壞瞬時(shí)，其最大的剪切力能自動鎖存，便于讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)。數(shù)字顯示儀尺寸280×260×110（mm），電源為AC220V，50Hz，功耗2.4W（圖4）。

圖4 數(shù)字顯示儀

3 儀器特點(diǎn)

SZJ8－2型數(shù)字顯示巖心直剪儀最大的特點(diǎn)是簡化了巖樣的制作過程，它采用從鉆孔中取出的巖心，切取徑高比1∶1巖石試件5～8塊，即可做抗剪試驗(yàn)。該儀器用于測定巖石的抗剪強(qiáng)度，通過剪切試驗(yàn)?zāi)苎杆伲瑴?zhǔn)確地獲取巖石的抗剪參數(shù)：內(nèi)聚力（C）和內(nèi)摩擦角（Φ），為巖石地基和邊坡工程等提供可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。具有外觀精致，結(jié)構(gòu)合理，測讀準(zhǔn)確，體積小，重量輕，省電，適用等特點(diǎn)。

4 主要參數(shù)

其最大荷載范圍垂直0～30k N，水平0～70k N。測量精度0.5%（示值）。所測試試樣規(guī)格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50等?？稍诃h(huán)境溫度－10～40℃、相對濕度85%的條件下長期連續(xù)使用。具有在短期超載20%的超載特性，但不允許長時(shí)間超載，以免損壞傳感器。讀數(shù)鎖存水平為2～70k N。手動油泵的最大工作壓力70MPa，外觀尺寸580× 115×115mm，使用46號液壓機(jī)油。儀器整體重量不超過25kg。

5 調(diào)試與使用方法

連接好電源和傳感器等后，調(diào)整數(shù)字顯示儀的X通道和Y通道的增益和調(diào)零旋鈕，使數(shù)字顯示儀顯示數(shù)字為零。將儀器的上盒蓋手動打開，把符合要求規(guī)格的試件裝入下剪切盒，然后將上剪切盒套裝在試樣上，保證上下剪切盒剪切口距離d（0＜d＜1mm），檢查安放是否穩(wěn)妥，再將垂直拉桿橫梁穩(wěn)當(dāng)?shù)姆胖迷诖怪焙芍貍鞲衅鞯氖芰侯^上，將手動油泵的快速接頭接通垂直加壓油缸，通過手搖油泵加壓至一定壓力后，再將水平拉桿橫梁安放在水平荷重傳感器的受力壓頭上，并將手搖油泵快速接頭接上水平加壓油缸勻速加壓，直至巖心剪斷，在剪斷巖心過程中注意觀察并及時(shí)記錄剪斷巖心所需的剪切力。完成后，回油并取出剪斷試樣（被剪斷在下剪切盒中的試樣可按動在儀器邊側(cè)的取樣按鈕，將其彈出），裝入新試樣并重復(fù)上述操作。遇到試樣直徑和高度不同時(shí)，可相應(yīng)更換合適的剪切套和墊片。

6 應(yīng)用概況

該儀器在多個科研院所，大專院校以及工程地質(zhì)勘察院等單位使用，在東北地區(qū)基礎(chǔ)工程施工、建筑工程施工、公路勘察、高速鐵路和地鐵地基巖土體抗剪強(qiáng)度測試中發(fā)揮了巨大作用，經(jīng)歷了大量工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，取得了較好的工程效益，獲得廣泛好評。

1 閔弘、劉小麗、魏進(jìn)兵等 .現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀研制（I）：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).巖土力學(xué)，2006（1）

2 劉小麗、羅錦添、閔弘等 .現(xiàn)場室內(nèi)兩用大型直剪儀研制（II）：試驗(yàn)測試.巖土力學(xué)，2006（2）

3 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用.黃河水利出版社，1999

4 第三工業(yè)部勘測公司.現(xiàn)場大型剪力儀簡介：滑坡文集.中國鐵道出版社，1976

2010年4月21日）