粮食温控直剪仪改造及其在大豆力学特性研究性试验中的应用

为获得温度影响下的粮食力学参数,为粮仓相关设计提供参考,对现有粮食静动直剪仪进行改进,增设了保温剪切盒及智能温控系统,并利用该设备在大豆含水率8.99%~15.12%、孔隙率36%、温度25~45℃、竖向应力50~200 kPa、剪切速率2.4 mm/min、剪切位移幅值20 mm条件下开展了一系列大豆籽粒群的温控单调剪切试验,测定不同温度条件下大豆籽粒群的抗剪强度及体积剪切变形参数。结果表明:大豆籽粒群内摩擦角范围为37.1°~44.6°,咬合应力范围为9.6~21.2 kPa;温度升高会显著降低大豆籽粒群的剪胀性,亦会改变大豆籽粒群的强度特性。改进后的粮食温控直剪仪温度控制稳定,试验结果满足测试需求,可为研究性试验开展、科技创新和工程应用等提供有力的支撑。

应变式直剪仪与微型十字板剪切仪测定土壤抗剪强度的对比分析

[目的]分析两种仪器(应变式直剪仪与微型十字板剪切仪)测得的土壤抗剪强度指标(土壤黏聚力值c、内摩擦角φ、土壤剪切力τ)特征,并建立直剪仪测得的c和φ与十字版仪测得的τ之间的函数关系,以期深化对土壤抗剪强度的认识,提高土壤抗剪强度指标测定效率。[方法]选取黄土高原3种典型质地类型土壤(杨凌黏黄土、安塞黄绵土、定边沙黄土),每种土壤设5个含水量梯度(12%,16%,20%,24%,28%),分别用上述两种仪器测定不同处理下土壤抗剪强度指标c,φ和τ,探究了3指标对土壤质地、土壤含水量的响应特征以及3指标间的函数关系。[结果](1)试验条件下,c值在16.88~27.12 kPa范围,φ值在5.03°~21.30°范围,τ值在1.76~7.72 kPa范围变化;(2)不同土壤类型下,c和τ均随含水量的增大呈现先增大后减小趋势,而φ随含水量增大呈现逐渐降低趋势;(3)总体来看,安塞黄绵土的τ,c,φ值略高于定边沙黄土,但它们均显著大于杨凌黏黄土。(4)3种土壤类型下,微型十字板剪切仪所测定的τ值与直剪仪测定的c值均具有较强的线性相关关系(R 2>0.90);而φ值与τ值间并无显著相关关系。如不考虑土壤类型差异,τ与c之间仍有较强的相关性,关系式为c=1.59τ+14.10(R 2=0.51,p<0.01)。[结论]应变式直剪仪测得的黏聚力c值和微型十字版仪测得的土壤剪切力τ值对土壤质地、含水量的响应相似,且二者有显著的相关关系,在一定条件下可以用快速便捷的微型十字版仪测得的τ值估算原本需用直剪仪测的c值。研究结果可为野外极端条件下提高土壤抗剪强度测定效率方面提供参考。

现场室内两用大型直剪仪研制(I):结构设计

直剪仪是测定岩土体抗剪强度参数应用最为普遍的一种试验仪器。从直剪仪的结构和大型直剪仪的研制两个方面对直剪仪的研究现状做了介绍,在此基础上,对新近研制的现场室内两用大型直剪仪的结构组成、工作机理及其特点进行了详细分析。该大型直剪仪与常规直剪仪相比,具有较大的优越性,其测试结果更加准确。适用范围广,测试精度高,可应用于现场和室内试验。

大型现场室内两用直剪仪研制(II):试验测试

利用新近研制的大型现场室内两用直剪仪,对两种不同性质的砂样进行了剪切试验。在对干砂的直接剪切试验特性进行综述的基础上,从多方面对该大型直剪仪得出的干砂剪切试验数据进行了分析验证,结果表明该大型直剪仪得出的试验数据一致性好、可靠性较高,说明该大型直剪仪的基本剪切性能稳定,可进一步应用于相关岩土材料的试验研究。

非饱和土固结仪和直剪仪的研制及应用

研制出国内第一台非饱和土固结仪和第一台非饱和土直剪仪。这两种仪器都采用内置荷载传感器和数据自动采集,既可控制竖向压力,又可控制基质吸力。非饱和土直剪仪备有15档剪切速率。做了三组直剪试验和两组固结试验,对原状黄土的变形、强度和水量变化特性取得了一些初步认识。

便携式现场和室内两用直剪仪的研制

介绍了一种既能够在现场测试原位土体强度又能在室内测试原状土样、重塑土样的便携式现场和室内两用直剪仪。该直剪仪包括取样设备、移动式垂直加压系统和水平张拉受剪系统。采用水平张拉受剪系统克服了常规直剪试验仪中刚性顶推方式所产生的剪切盒内壁摩擦力影响问题,采用移动式垂直加压系统可确保剪切过程中垂直压力不会偏心。通过试验测试与工程应用,表明该试验仪的测试结果可信,精度能满足工程设计要求。该仪器结构简单,操作方便,便于搬运。

冻土动荷载直剪仪的研制

冻土的动力学参数是工程设计的重要依据之一,也是数值模拟时不可或缺的因素,动力学参数的正确与否直接影响了工程设计和数值模拟的正确性。通过分析其他学者做过的冻土动荷载三轴试验,以及参考普通直剪仪器的构造,北京交通大学冻土室研制了一种新型的冻土动荷载直剪仪,该仪器将传统直剪仪的水平静载部分改造为能够提供动荷载作动器,可以提供一个0.1~6 Hz、20kN以内的动荷载,用于测定冻土的动力学参数。介绍了动荷载直剪仪的结构组成、动力系统、测控系统等,并详细分析了仪器框架、直剪盒、动荷载作动器等的参数选取方法。最后使用该仪器进行了一组验证试验,试验结果表明,动荷载直剪仪能够完成其设计目的,可以测量出冻土在动荷载下的应力-应变曲线,从而求出动弹性模量、动阻尼比等,为冻土的动力学参数测定开辟了一条新的道路。

NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的研制

介绍了NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪研制与运用情况。采用数字PID模糊控制方式,实现垂直荷载和水平荷载的控制精度;采用MCS51单片机控制单元和多机通信等方式,实现垂直荷载和水平荷载的控制;在硬件电路上采用低通滤波等办法,在软件方面采用定量预测方法平滑测试信号,实现了传感器测量稳定性要求;引入Spcomm控件和定时控件,运用Delphi语言进行编程,实现了自动控制、自动采集、实时绘图等功能。

粮食专用直剪仪的研制

直剪仪是测定散粒体内摩擦角应用最为普遍的一种装置，然而适用于粮食散粒体的直剪仪则没有。在对部分大型直剪仪现状研究分析的基础上．研制了用于测定粮食内摩擦角用直剪仪，阐述了该直剪仪的设计原理和结构构造。实验表明，该仪器具有较好的稳定性、准确性、操作简易等特点，可以用于粮食内摩擦角的测试。

冻土直剪仪多功能改进与试验研究

为从更多角度、更准确进行冻土接触面力学性能试验研究,对原冻土直剪仪进行多功能改进完善:对温度采集、位移测量、冻土盒装卸等装置进行改进,使冻土直剪仪能更好地满足冻土接触面力学性能试验要求;在原冻土直剪仪基础平台上集成冻土接触面冻结强度试验、冻土界面层力学特性试验模块,满足多功能试验要求;新功能开发采用模块化设计,注重各功能模块的兼容性和功能切换的方便性。试验结果表明改进后的冻土直剪仪能满足冻土接触面冻结强度、接触界面层力学特性等多功能试验要求,试验数据稳定可靠。

粮食直剪仪的改进与试验研究

针对已有粮食专用直剪仪无法进行粮食动荷载试验的缺陷,对该直剪仪的动力加载和测试系统进行改进,以便能够满足静动荷载作用下的粮食直剪试验要求。利用改进后的粮食动荷载直剪仪进行静荷载和动荷载下的小麦直剪试验,静荷载条件下求得的内摩擦角为27.45°,咬合应力为11.05kPa,剪胀角的范围为3.58°~7.13°,将静荷载试验结果与已有成果对比分析,并对动荷载试验结果中的水平剪应力、剪切位移、竖向位移等关系等进行分析,试验结果表明,静动荷载试验结果满足精度要求。

直剪仪多级液压加载系统的设计与控制

岩石材料不同形状接触面的静动力学特性是岩石力学研究重点。接触面力学特性研究的一个基本途径是通过接触面基本力学特性试验。为了得到稳定的岩体结构面抗剪强度,需要对不同尺寸的岩体结构面试样进行抗剪强度直剪试验。以现有直剪仪为基础,提出新设备的液压系统和控制方案,并对直剪仪法向力和剪切力的控制精度和方法等问题进行了分析。试验测试表明:该试验仪的测试结果可信,精度能满足工程设计要求。文中的研究为岩石试验提供了大压力范围、柔性控制的仪器设备,为测试试样的剪胀和尺寸效应提供装备。

大型直剪仪试验的尺寸效应

在试验结果的基础上，采用轴对称有限元方法对大型直剪仪的尺寸效应进行分析。结果表明，剪力盒壁摩擦力将会影响试验土样中的应力分布和剪切面上的正压应力值。在利用大型直剪仪进行试验时，应尽可能排除摩擦力的影响。

组装式变尺寸直剪仪的研制

由于粗粒土的直剪试验存在显著的尺寸效应,且室内常规直剪仪无法调整试样尺寸,所以难以准确获得粗粒土的抗剪强度参数。基于此问题,介绍了一种可以改变试样尺寸的组装式直剪仪。该直剪仪由出力装置、位移量测装置、反力框架、剪切盒等部分组成。通过改变每一层剪切盒的钢环嵌套个数来改变试样的直径,直径有6.18、10、15、20 cm 4个取值;改变剪切盒的叠置层数来改变试样的高度,高度有5、10、15、20 cm 4个取值,试样直径和高度共有16种组合。在此基础上,选取薛城水电站引水隧洞开挖弃渣为试样,进行5组平行直剪试验,验证了该直剪仪的可重复性以及试验结果的可靠性。改变试样直径D与高度H的组合,进行一系列直剪试验研究了该试样直剪试验的尺寸效应,得出该试样的合理试样尺寸。

组装式两用大型直剪仪的研制

随着岩土工程的发展,能快速、准确地确定抗剪强度指标显得越来越重要,而大型直剪仪因能满足这些需求被广泛应用。从直剪仪的发展和研究现状对大型直剪仪进行详细论述,在此基础上,结合室内大型直剪仪的稳压和局限性的问题,对组装式两用大型直剪仪的结构组成、工作机理与特点做了分析。并用该大型直剪仪与常规直剪仪对同一干砂样进行试验,对数据进行全面比较。研究结果表明:使用该大型直剪仪所测得的土体抗剪强度,数据精确性和可靠性高,更具两用的优越性。

测定粮食内摩擦角的直剪仪研制

分析了直剪试验原理和部分大型直剪仪的研究现状,详细介绍了用于测定粮食内摩擦角直剪仪的设计原理和结构组成,以全面比较分析剪切速率对粮食物料内摩擦角的影响。

SZJ8-2型数字显示岩心直剪仪的研制和应用

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。

改进直剪仪在沉井侧摩阻力研究中的应用

改进大型直剪仪在传统直剪仪的基础上将局部底部剪切盒面积增大,用于沉井当中的侧摩阻力试验研究,解决了传统直剪仪局限性和剪切过程中实际剪切面积不断减小、上下盒边缘处的应力集中明显等问题,能较好地用于沉井侧摩阻力的研究。

大尺寸大载荷岩石直剪仪框架的结构设计与分析

大尺寸岩石试样在大载荷条件下的抗剪强度分析是岩石力学的重要研究方向,大尺寸大载荷直剪仪是试验的重要手段。框架作为仪器关键组成部件,高刚度、轻量化、无振动是它的主要技术指标。为此,文中提出了框架结构设计5步法:第1步,结合传统直剪仪框架的结构特点,以最大刚度和最小质量为目标进行拓扑优化,获取一种初级框架模型;第2步,开展横梁和立柱内部的加强筋布局设计与力学性能分析,获取加强筋最佳布局形式;第3步,对整体框架开展符合试验加载过程的应力、应变和模态分析;第4步,采用响应面优化分析法对框架结构的关键尺寸进行优化,提高框架整体力学性能;第5步,将开发的框架通过非接触式三维应变测量仪进行刚度验证。结果表明:框架刚度达到了4.03 GN/m,符合最大岩石尺寸为100 cm×100 cm和最大载荷为1000 kN的直剪测试要求,为其他试验机框架的结构设计提供参考。

原位直剪仪结构方案设计

介绍了一种原位直剪仪的结构方案以及该原位直剪仪的使用方法 ,实现了土壤样本最小扰动条件下的静态土壤参数和动态土壤参数的测量,兼顾便携性和测量的精确性,对地面力学的试验研究有所帮助。