专利名称：冻融循环粗颗粒土剪切试验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于用机械应力测试固体材料的强度特性技术领域，具体涉及到施加稳定
的剪切力。
背景技术：
在铺筑公路之前，需对土路基进行压实处理，然后在土路基上铺筑集料以及混凝 土材料，在北方冬天寒冷季节，土路基将会结冻，体积膨胀，春天天气暖和时，结冻的土路基 解冻，路基发生冻融循环变化，路基出现下沉，路面铺筑的混凝土层出现下沉裂缝，影响到 行车安全。在铺筑公路之前需对路基土样进行强度试验。目前使用的大型粗颗粒土剪切仪 只能对普通粗颗粒土进行强度试验，其适用范围虽广，但是对于工程上所遇到的特殊土在 特定条件下的强度测定还是有局限性，不能根据实际工程情况测定准确的强度参数。
盐渍土地区公路病害主要有盐胀、翻浆、溶陷和腐蚀等类型。盐分能降低路面强 度、减弱封层作用，导致路面破坏。迄今为止，通过对盐渍土盐胀的研究，人们对细粒盐渍土 的性质已有了较为全面地认识，并逐步形成了较为完善的盐渍土盐胀理论，但是对于粗颗 粒盐渍土的研究甚少。在粗颗粒盐渍土地区随着季节交替而产生的温度变化会对粗颗粒盐 渍土地区路基的试验土样强度产生负面作用，影响道路通行能力。 在筑路试验设备技术领域，当期需迫切解决的一个技术问题是提供一种适应范围 广、自动化程度高，并且可以测试由于温度变化导致路基土体强度变化的粗颗粒土样强度 性能测试仪器。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述大型粗颗粒土剪切仪的缺点，提供一种
适应范围广、自动化程度高、测试数据准确的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置。
解决上述问题所采用的技术方案是在轨道的左侧设置有底座，底座上至少设置
有3根上端装有上反力板的螺柱，安装在轮架下的轨道轮设置在轨道的右侧，轮架上设置
有电动机以及与固定架联接的垂直液压千斤顶，电动机的输出轴上设置有与安装在轨道上
的齿条啮合的齿轮，固定架上设置移动架、液压油泵、与移动架联接的水平液压千斤顶，液
压油泵通过管道与水平液压千斤顶相联通，在底座上设置有程控静态应变仪、下传压板、位
移传感器支架，下传压板上设用于装冻融试验土样的剪切盒组，剪切盒组上端设置有上传
压板，上传压板上表面设置螺旋千斤顶，螺旋千斤顶上端设置有与上反力板搭接的垂直压
力传感器，位移传感器支架上设置与剪切盒组搭接的水平位移传感器。固定架上部左端设
置有与剪切盒组搭接的上剪切盒固定板、下部左端设置有与剪切盒组搭接的下剪切盒固定
板，移动架左端设置有与剪切盒组搭接的中剪切盒固定板，中剪切盒固定板与剪切盒组之
间设置有水平拉力传感器，垂直压力传感器、水平位移传感器、水平拉力传感器通过导线与
程控静态应变仪相连。
本发明的上传压板为在下盖上设置有上盖，上盖与下盖之间设置有密封圈。
本发明的下盖为下盖的圆周外沿加工有联接孔，上表面至少加工有2圈冷媒槽，
冷媒槽的形状为圆环形平面凹槽，一圈冷媒槽与相邻一圈冷媒槽之间加工有加强筋，每圈
加强筋上加工有缺口，下盖的下表面为平面。本发明的上盖为上盖的圆周外沿加工有联接
孔，上传压板的上盖上加工有出液孔和进液孔。 本发明的一圈冷媒槽与相邻一圈冷媒槽的槽宽相等。 本发明的每圈加强筋上加工有4个间隔为90。的缺口，加强筋上的缺口排列在下 盖的相互垂直的两条直径上。 本发明的上传压板的上盖上加工的出液孔和进液孔排列在经过圆心的同一条直 径上。 本发明的剪切盒组至少包括3个奇数个剪切盒，在中剪切盒的上端面垂直方向上
至少设置有1个上剪切盒、下端面下设置有1个下剪切盒，上剪切盒与上剪切盒固定板搭
接，中剪切盒与中剪切盒固定板搭接，下剪切盒与下剪切盒固定板搭接。 本发明的上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒为筒状结构，上剪切盒、中剪切盒、下剪切
盒的外径相等，上剪切盒、中剪切盒、下剪切盒的内径相等，上剪切盒的内径与上传压板的
外径相等，下剪切盒的外径与下传压板的内径相等。 本发明的上剪切盒固定板、中剪切盒固定板、下剪切盒固定板的左端为圆弧形。 本发明的下传压板的一侧加工有进液孔、另一侧加工有出液孔。 本发明采用在上传压板与下传压板之间设置由剪切盒构成剪切盒组，剪切盒内装
被测试的试验土样，上传压板和下传压板内加工有冷媒槽，在测试时，冷媒从进液孔进入到
下盖的冷媒槽内，在冷媒槽内循环流动，从出液孔流出，给试验土样传递温度以及传递垂直
压力。本发明将冻融循环试验和强度试验相结合，在进行冻融循环试验后可以直接进行强
度试验，能准确测出路基土样在经过冻融后的强度指标。当上路基与下路基由于外部低温
导致上下路基土样强度变化不一样等情况下，也可以通过调节上下传压板的温度来控制路
基试验土样内部的温度变化，然后进行剪切试验测试试验土样的强度指标。本发明具有适
应范围广、自动化程度高、测试数据准确等优点，可用于北方地区由于季节或昼夜温度变化
导致路基土样强度变化的测量，还可用于盐渍土地区由于温度变化导致盐渍路基土样强度
变化的测量。


图1是本发明一个实施例的结构示意图。 图2是图1中中剪切盒7的结构示意图。 图3是图1中上传压板5的结构示意图。 图4是图3中下盖5-l的主视图。 图5是图4的左视图。 图6是图3中上盖5-2的主视图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2中，本实施例的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置由上反力板1、螺柱2、垂 直压力传感器3、螺旋千斤顶4、上传压板5、上剪切盒6、中剪切盒7、中剪切盒固定板8、水 平拉力传感器9、上剪切盒固定板10、固定架11、移动架12、水平液压千斤顶13、液压油泵 14、垂直液压千斤顶15、轮架16、齿轮17、电动机18、轨道轮19、齿条20、下剪切盒固定板 21、轨道22、底座23、下剪切盒24、下传压板25、位移传感器支架26、位移传感器27、程控静 态应变仪28联接构成。 在轨道22的左侧放置有底座23，底座23上安装有程控静态应变仪28，程控静态 应变仪28的型号为YE2533，程控静态应变仪28用于对输入的信号按照事先设定的程序进 行数据处理，输出计算结果。底座23上通过螺纹联接安装有4根螺柱2，螺柱2的上端通过 螺纹联接安装有上反力板l，在底座23上用螺纹紧固联接件固定联接有下传压板25，下传 压板25上放置有下剪切盒24，下剪切盒24的上端放置有中剪切盒7，中剪切盒7的上端放 置有上剪切盒6，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24的外径相等，上剪切盒6、中剪切盒7、 下剪切盒24的内径相等，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24为筒状结构，中剪切盒7的 上端和下端光洁度较高，中剪切盒7的上下两端为刀口状，尖角a为20° ，尖角a也可为 10° ，还可以为30。，用于减小中剪切盒7与上剪切盒6、下剪切盒24之间接触面的摩擦系 数及接触面积，中剪切盒7的外侧面靠近上下两端分别用螺纹紧固联接件对称地固定联接 有联接耳7-1，上剪切盒6的下端、下剪切盒24的上端用螺纹紧固联接件对称地固定联接 有联接耳7-1，联接耳上7-1加工有螺孔，用于在制土样时中剪切盒7与上剪切盒6、下剪切 盒24用螺栓联接，上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24内装有被测剪切力的土样。上剪切 盒6的上端放置有上传压板5，上传压板5的外径与上剪切盒6的内径相等，上传压板5的 上表面安装有螺旋千斤顶4，螺旋千斤顶4的上端安装有垂直压力传感器3，垂直压力传感 器3与上反力板1搭接，垂直压力传感器3通过导线与程控静态应变仪28相连，旋转螺旋 千斤顶4，对上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的试验土样垂直方向加载，垂直压力传 感器3将接收到对上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的试验土样所施加的垂直方向的 力转换成电信号输出到程控静态应变仪28，程控静态应变仪28按照事先设定的程序进行 数据处理，计算出上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24中的试验土样所承受的垂直荷载，到 预定荷载时，保持垂直方向荷载恒定。在程控静态应变仪28与螺柱2之间底座23上安装 有位移传感器支架26，位移传感器支架26上用螺纹紧固联接件固定联接安装有水平位移 传感器27，水平位移传感器27与中剪切盒7搭接，水平位移传感器27通过导线与程控静态 应变仪28相连，水平位移传感器27将接收到中剪切盒7的水平位移信号转换成电信号输 出到程控静态应变仪28，程控静态应变仪28按照事先设定的程序计算出中剪切盒7在加载 时的水平位移量。 轮架16下用联接件联接安装有轨道轮19，轨道轮19放置在轨道22的右侧上，轮 架16上用螺纹紧固联接件固定联接安装有垂直液压千斤顶15，垂直液压千斤顶15的上端 与固定架11固定联接，垂直液压千斤顶15上下移动，使得固定架11上下移动，轮架16上 用螺纹紧固联接件固定联接安装有电动机18，电动机18的输出轴上用联接件固定联接安 装有齿轮17，轨道22的下部安装有齿条20，齿轮17与齿条20啮合，电动机18旋转，通过 齿轮齿条传动机构，使得轮架16在轨道22上左右移动。固定架11的上部左端用螺纹紧固 联接件固定联接安装有上剪切盒固定板10、下部左端用螺纹紧固联接件固定联接安装有下剪切盒固定板21，上剪切盒固定板10的左端为圆弧形，卡在上剪切盒6的右侧，将上剪切盒 6固定在上剪切盒固定板10的左端，下剪切盒固定板21的左端为圆弧形，卡在下剪切盒24 的右侧，将下剪切盒24固定在下剪切盒固定板21的左端，移动架12安装在固定架11上， 移动架12的左端用螺纹紧固联接件固定联接有中剪切盒固定板8，中剪切盒固定板8的左 端为圆弧形，卡在中剪切盒7上，中剪切盒7的右侧与中剪切盒固定板8之间安装有水平拉 力传感器9，水平拉力传感器9通过导线与程控静态应变仪28相连，水平拉力传感器9用 于接收水平拉力信号。固定架11上用螺纹紧固联接件固定联接安装有液压油泵14和水平 液压千斤顶13，液压油泵14通过管道与水平液压千斤顶13相联通，液压油泵14为水平液 压千斤顶13提供压力源，水平液压千斤顶13的活塞杆与移动架12固定联接，水平液压千 斤顶13与液压油泵14的油路联通后，水平液压千斤顶13的活塞杆推动移动架12在轨道 22上左右移动，由中剪切盒固定板8对中剪切盒7施加水平拉力。水平拉力传感器9将所 接收的水平液压千斤顶13的水平拉力信号转换成电信号输出到程控静态应变仪28，程控 静态应变仪28按照事先设定的程序计算出对中剪切盒7的水平加载力。这种结构的冻融 循环粗颗粒土剪切试验装置，可以对试验土样在经过不同冻融循环周期后直接进行剪切试 验，能准确地测出试验土样在经过冻融后的强度指标，还能准确地测试出实际工况中上路 基与下路基由于温度不同导致上下路基试验土样柱的强度变化不一样的情况，可以对土样 柱进行具有一定温度梯度降温循环试验后的直接剪切试验。以上试验在进行冻融循环试验 时，在剪切盒外部包有保温材料，以使试验土样的温度不与外界发生热交换。
图3 6给出了上传压板5的结构示意图。在图3 5中，本实施例的上传压板5 由下盖5-l、上盖5-2、密封圈5-3联接构成。上盖5-2、下盖5_1的形状为圆形，在下盖5_1 上用螺纹紧固联接件固定联接有上盖5-2，上盖5-2与下盖5-1之间安装有密封圈5-3。下 盖5-1的圆周外沿均布加工有一圈联接孔，上表面加工有4圈冷媒槽a，冷媒槽a的形状为 圆环形平面凹槽，冷媒槽a用于装冷媒，冷媒可采用酒精、防冻液等耐低温液体， 一圈冷媒 槽a与相邻一圈冷媒槽a的槽宽相等，一圈冷媒槽a与相邻一圈冷媒槽a之间加工有加强筋 5-1. 1，每圈加强筋5-1. l上加工有4个间隔为90。的缺口b，3圈加强筋5-l. l上的缺口b 排列在下盖5-l的相互垂直的两条直径上，下盖5-l的下表面为平面。上盖5-2的圆周外 沿均布加工有一圈孔，上盖5-2上加工有出液孔和进液孔，出液孔和进液孔加工在经过圆 心的同一条直径上，出液孔和进液孔为通孔，将上盖5-2盖在下盖5-l上以后，在测试时，冷 媒从进液孔进入到下盖5-1的冷媒槽a内，在冷媒槽a内循环流动，从出液孔流出。这种结 构的上传压板5，其外径与上剪切盒6的内径相等，在进行剪切试验时，给试验土样传递温 度以及传递垂直压力。 下传压板25的内部结构与上传压板5的内部结构相同，下传压板25的几何尺寸 大于上传压板5的几何尺寸，下传压板25内径与下剪切盒24的外径相等，并且下传压板25 的进液孔和出液孔分别位于下传压板25的两侧。
实施例2 在本实施例中，剪切盒组由l个下剪切盒24、2个中剪切盒7、3个上剪切盒6构成， 上剪切盒6、中剪切盒7、下剪切盒24的结构与实施例1相同。下传压板25上放置有下剪 切盒24，下剪切盒24的上端安装有第一个中剪切盒7，中剪切盒7的上安装有上剪切盒6， 上剪切盒6的上端安装有另一个中剪切盒7，另一个中剪切盒7的上端安装有最上面上剪切
7盒6，最上面上剪切盒6的上表面放置有上传压板5。其它零部件以及零部件的联接关系与 实施例1相同。试验时，操作垂直千斤顶，使固定架11上升，将上剪切盒固定板10卡在最 上面上剪切盒6的右侧，中剪切盒固定板8卡在另一个中上剪切盒6的右侧，下剪切盒固定 板21卡在上剪切盒6的右侧，对另一个中剪切盒7内的冻融土进行剪切强度试验，实验过 程与实施例l相同。移除最上一个上剪切盒6和另一个中剪切盒7，用上剪切盒6、第一个 中剪切盒7、下剪切盒24，进行第二次剪切强度试验，试验时，操作垂直液压千斤顶15，使固 定架11下降，将上剪切盒固定板10卡在上剪切盒6的右侧，中剪切盒固定板8卡在中上剪 切盒6的右侧，下剪切盒固定板21卡下剪切盒24的右侧，对中剪切盒7内的冻融土进行剪 切强度试验，实验过程与实施例1相同。本实施例冻融循环粗颗粒土剪切试验装置可以进 行通过一定温度梯度降温循环试验后直接对试验土样进行剪切试验。
实施例3 在实施例1、2中，上传压板5的下盖5-1上表面加工有2圈冷媒槽a，冷媒槽a的 形状为圆环形平面凹槽，2圈冷媒槽a之间加工有1圈加强筋5-1. 1，加强筋5-1. 1的结构 与实施例1相同，上盖5-2的其它形状与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关 系与相应的实施例相同。
实施例4 在以上的实施例1 3中，底座23上通过螺纹联接安装有3根螺柱2，螺柱2的上 端通过螺纹联接安装有上反力板1。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相 同。
权利要求
一种冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，在轨道(22)的左侧设置有底座(23)，底座(23)上至少设置有3根上端装有上反力板(1)的螺柱(2)，安装在轮架(16)下的轨道轮(19)设置在轨道(22)的右侧，轮架(16)上设置有电动机(18)以及与固定架(11)联接的垂直液压千斤顶(15)，电动机(18)的输出轴上设置有与安装在轨道(22)上的齿条(20)啮合的齿轮(17)，固定架(11)上设置移动架(12)、液压油泵(14)、与移动架(12)联接的水平液压千斤顶(13)，液压油泵(14)通过管道与水平液压千斤顶(13)相联通，其特征在于在底座(23)上设置有程控静态应变仪(28)、下传压板(25)、位移传感器支架(26)，下传压板(25)上设用于装冻融试验土样的剪切盒组，剪切盒组上端设置有上传压板(5)，上传压板(5)上表面设置螺旋千斤顶(4)，螺旋千斤顶(4)上端设置有与上反力板(1)搭接的垂直压力传感器(3)，位移传感器支架(26)上设置与剪切盒组搭接的水平位移传感器(27)；固定架(11)上部左端设置有与剪切盒组搭接的上剪切盒固定板(10)、下部左端设置有与剪切盒组搭接的下剪切盒固定板(21)，移动架(12)左端设置有与剪切盒组搭接的中剪切盒固定板(8)，中剪切盒固定板(8)与剪切盒组之间设置有水平拉力传感器(9)，垂直压力传感器(3)、水平位移传感器(27)、水平拉力传感器(9)通过导线与程控静态应变仪(28)相连。
2. 按照权利要求1所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的上传压 板(5)为在下盖(5-1)上设置有上盖(5-2)，上盖(5-2)与下盖(5-1)之间设置有密封圈 (5-3)。
3. 按照权利要求2所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的下盖 (5-1)为下盖(5-1)的圆周外沿加工有联接孔，上表面至少加工有2圈冷媒槽(a)，冷媒槽 (a)的形状为圆环形平面凹槽，一圈冷媒槽(a)与相邻一圈冷媒槽(a)之间加工有加强筋 (5-1. l)，每圈加强筋(5-1. 1)上加工有缺口 (b)，下盖(5-1)的下表面为平面；所说的上盖 (5-2)为上盖(5-2)的圆周外沿加工有联接孔，上传压板(5)的上盖(5-2)上加工有出液 孔和进液孔。
4. 按照权利要求3所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说一圈冷 媒槽(a)与相邻一圈冷媒槽(a)的槽宽相等。
5. 按照权利要求3所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的每圈 加强筋(5-1.1)上加工有4个间隔为90。的缺口 (b)，加强筋(5-1.1)上的缺口 (b)排列 在下盖(5-1)的相互垂直的两条直径上。
6. 按照权利要求3所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的上传 压板(5)的上盖(5-2)上加工的出液孔和进液孔排列在经过圆心的同一条直径上。
7. 按照权利要求1所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的剪切 盒组至少包括3个奇数个剪切盒，在中剪切盒(7)的上端面垂直方向上至少设置有1个上 剪切盒(6)、下端面下设置有1个下剪切盒(24)，上剪切盒(6)与上剪切盒固定板(10)搭 接，中剪切盒(7)与中剪切盒固定板(8)搭接，下剪切盒(24)与下剪切盒固定板(21)搭接。
8. 按照权利要求7所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的上剪 切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24)为筒状结构，上剪切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24) 的外径相等，上剪切盒(6)、中剪切盒(7)、下剪切盒(24)的内径相等，上剪切盒(6)的 内径与上传压板(5)的外径相等，下剪切盒(24)的外径与下传压板(25)的内径相等。
9. 按照权利要求1或7所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所说的上剪切盒固定板(10)、中剪切盒固定板(8)、下剪切盒固定板(21)的左端为圆弧形。
10. 按照权利要求1或7或8所述的冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，其特征在于所 说的下传压板(25)的一侧加工有进液孔、另一侧加工有出液孔。
全文摘要
一种冻融循环粗颗粒土剪切试验装置，在轨道的左侧设底座，底座设程控静态应变仪、下传压板、装有水平位移传感器的位移传感器支架、上端装有上反力板的螺柱，下传压板上设剪切盒组，剪切盒组上设装有螺旋千斤顶的上传压板，螺旋千斤顶上端设与上反力板搭接的垂直压力传感器；安装在轮架下的轨道轮设在轨道的右侧，轮架上设电动机以及与固定架联接的垂直液压千斤顶，电动机的输出轴上设与轨道上的齿条啮合的齿轮，固定架上设移动架、液压油泵、与移动架联接的水平液压千斤顶，固定架上部左端设与剪切盒组搭接的上剪切盒固定板、下部左端设与剪切盒搭接的下剪切盒固定板，移动架左端设与剪切盒组搭接的中剪切盒固定板和水平拉力传感器。
文档编号G01N3/24GK101762431SQ20101001367
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者张宏光, 张莎莎, 杨晓华, 谢永利 申请人:长安大学