SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪的研制和应用

2010-09-14罗永江王生封灿林卢

地质装备 2010年4期

关键词：抗剪岩心岩土

罗永江王生封灿林卢斌

（1.吉林大学建设工程学院吉林长春 130000）

（2.北京科创海光仪器有限公司北京 100016）

SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪的研制和应用

罗永江1王生1封灿林1卢斌2

（1.吉林大学建设工程学院吉林长春 130000）

（2.北京科创海光仪器有限公司北京 100016）

在岩土工程试验中，直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数最为普遍的一种实验仪器。本文对所研制的直剪仪结构做了详细介绍，所设计的直剪仪以数字显示为突出优点，在保证测试结果的高精度前提下，兼具便携等优点。该直剪仪测试精度高，适用范围广，可应用于现场和室内试验。

直剪仪直剪实验数字显示结构

1 引言

在地基承载力、土坡和路基稳定性评价中，岩土体的抗剪强度指标是最重要的力学参数，作为建筑物地基的岩土体，如果产生滑动或局部剪坏区发展导致过大或不均匀的地基变形，都会造成上部结构的破坏或影响其正常使用，因此，为确保各类工程建筑安全稳定、经济合理，必须获得岩土体的抗剪强度。直剪试验是获得岩土体实验抗剪强度的一种试验手段。直剪实验是将标准岩样放置于上下剪切盒，用液压油缸给轴向施加压力，使岩样被轴向力压紧，再利用水平液压油缸施加水平荷载。在不同轴向压力作用下，测定岩样发生剪切破坏时的剪切应力值，然后根据相关公式和曲线图得出相应岩样的抗剪强度。

国内现有直剪仪主要以大型室内直剪仪为主，结构复杂，岩样等加工工序较多，成本高。根据直剪试验原理和实际工作的需要，吉林大学建设工程学院岩土工程实验室研制了SZJ8－2型数字显示岩心直剪仪（图1）。

图1 SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪

2 本仪器的机构组成

该直剪仪主要由剪切盒、压力传感器、数字显示仪、手摇泵等组成。

2.1 剪切盒

剪切盒分为上下两部分，整体外形尺寸为470 ×350×220mm（图2）。上剪切盒由盒体、垂直加压油缸、水平拉力杆、传感器固定头等组成。下剪切盒由盒体、水平加压油缸、垂直拉力杆传感器固定头、滑块等组成。微型机体上配置的垂直和水平加压油缸，压力源采用手动油泵，分别加压。剪切盒的设计是根据地质钻探的岩心尺寸而确定的，剪切盒为圆孔形，孔径Φ50mm，孔深为上下各25mm。因此，可测试试样为Φ50×50mm的岩心。为满足不同岩心样的测试要求，还相应配置了多组剪切套和垫片，增大了剪切仪器测试的使用范围。为了批量加工和组装的方便，水平拉杆和垂直拉杆采用同型设计，均按照承受最大拉力值70k N设计，能满足各种岩心样品的测试要求。为保证上剪切盒与垂直拉杆运动一致，垂直拉杆通过横梁与滑块连接，滑块与下剪切盒通过限位螺钉连接并能产生水平向相对位移，为减小滑动阻力对测试结果造成影响。滑块与下剪切盒间安装了滚轴，并分别在滑槽内安放了合金钢垫片防止因荷载过大破坏滑块和剪切盒面，保证了质量并节省了材料成本。下剪切盒还设置了便于拿取岩心的取样机构，按动取样按钮，能轻松将下剪切盒中的岩心取出。

图2 剪切盒三维图

2.2 传感器

传感器为BHR－4型电阻应变荷重传感器。它采用圆筒形弹性体为测力敏感元件，电阻应变片为转换元件，是利用电阻应变原理构成的。当被测的力通过压头直接作用于粘贴有电阻应变片的空心圆柱体的应变筒上，则应变筒轴向压缩，径向膨胀，相应轴向电阻应变片阻值降低，径向阻值增加，电桥失去平衡，在外界提供电桥电源时则对角输出端有不平衡的电压输出，该电压正比于作用在荷载传感器上的被测力。传感器电路采用八片电阻应变片组成全桥结构（图3）。传感器具有较好的密封防潮性能，较高的抗振动、冲击稳定性，结构设计保证了传递误差小且测量可靠，并有良好的静、动态特性。分辨能力为额定荷载的0.1%，额定载荷输出灵敏度为1.0～1.5m V，非线性、滞后及重复性误差均小于额定荷载输出的0.5%，温度对零点影响每摄氏度小于0.04%，电桥初始不平衡在20℃时不超过额定荷载输出的±5%，桥路阻抗350Ω，最大供桥电压为10V。垂直加压采用30k N传感器，水平拉力采用70k N传感器。

图3 传感器全桥结构

2.3 数字显示仪

数字显示仪采用集成电路四位数字显示，它分为垂直加力显示部分和水平加力显示部分，具有两路各自独立的放大器，Y通道施加一恒力，X通道施加剪切力。数字放大器是根据国内外最新科技水平，由中大规模集成电路组装而成。数字显示仪包括高精度低漂移放大器、峰值保持器、比较器、微功耗稳压器、模数转换器和显示器等部分组成。其中水平显示在试样达到剪切破坏瞬时，其最大的剪切力能自动锁存，便于读数和记录数据。数字显示仪尺寸280×260×110（mm），电源为AC220V，50Hz，功耗2.4W（图4）。

图4 数字显示仪

3 仪器特点

SZJ8－2型数字显示岩心直剪仪最大的特点是简化了岩样的制作过程，它采用从钻孔中取出的岩心，切取径高比1∶1岩石试件5～8块，即可做抗剪试验。该仪器用于测定岩石的抗剪强度，通过剪切试验能迅速，准确地获取岩石的抗剪参数：内聚力（C）和内摩擦角（Φ），为岩石地基和边坡工程等提供可靠的地质数据。具有外观精致，结构合理，测读准确，体积小，重量轻，省电，适用等特点。

4 主要参数

其最大荷载范围垂直0～30k N，水平0～70k N。测量精度0.5%（示值）。所测试试样规格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50等。可在环境温度－10～40℃、相对湿度85%的条件下长期连续使用。具有在短期超载20%的超载特性，但不允许长时间超载，以免损坏传感器。读数锁存水平为2～70k N。手动油泵的最大工作压力70MPa，外观尺寸580× 115×115mm，使用46号液压机油。仪器整体重量不超过25kg。

5 调试与使用方法

连接好电源和传感器等后，调整数字显示仪的X通道和Y通道的增益和调零旋钮，使数字显示仪显示数字为零。将仪器的上盒盖手动打开，把符合要求规格的试件装入下剪切盒，然后将上剪切盒套装在试样上，保证上下剪切盒剪切口距离d（0＜d＜1mm），检查安放是否稳妥，再将垂直拉杆横梁稳当的放置在垂直荷重传感器的受力压头上，将手动油泵的快速接头接通垂直加压油缸，通过手摇油泵加压至一定压力后，再将水平拉杆横梁安放在水平荷重传感器的受力压头上，并将手摇油泵快速接头接上水平加压油缸匀速加压，直至岩心剪断，在剪断岩心过程中注意观察并及时记录剪断岩心所需的剪切力。完成后，回油并取出剪断试样（被剪断在下剪切盒中的试样可按动在仪器边侧的取样按钮，将其弹出），装入新试样并重复上述操作。遇到试样直径和高度不同时，可相应更换合适的剪切套和垫片。