CN103115832B - 一种土壤承压和剪切试验测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于贝氏仪测试原理的土壤力学特性测试仪器——一种土壤承压和剪切试验测试仪，它包括角位移传感器联轴器、U型座、位移传感器、砝码、移传感器外壳导轨、砝码座、上滑动轴、压/扭组合传感器、下滑动轴、剪切环/压板、角位移传感器、扭转扳手套、推力球轴承、卡圈、支撑座、限位螺栓、压耳、轴套及三角架。其测量方法有四大步骤，利用该仪器可分别测量土壤的承压特性和剪切特性，对得到的承压特性曲线和剪切特性曲线进行处理后，可获得土壤的主要力学参数。本发明不仅结构简单，易于操作，而且测量精确，易于携带安装，具有较好的稳定性与可靠性。

Description

一种土壤承压和剪切试验测试仪

技术领域

本发明涉及一种测试仪，更具体说是涉及一种基于贝氏仪测试原理的土壤力学特性测试仪器—一种土壤承压和剪切特性试验测试仪。属于测试设备技术领域。

背景技术

土壤的物理力学特性对车辆的牵引控制性能有着很大的影响，对土壤物理力学特性的研究，有助于评估车辆的路面通过性，优化其驱动性能并进行安全的路径规划。为了深入分析土壤的物理力学特性，需要对土壤的物理、力学参数进行测量，土壤的物理参数主要包括粒级配、颗粒比重、容重和孔隙比等，这些参数可通过土力学的方法较为直观地测量并计算出来。土壤的力学特性参数主要包括内聚力c、内摩擦角剪切变形模量K、沉陷指数n、内聚力变形模量kc以及摩擦变形模量等，其中c、和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、和n主要用于表征土壤的承压特性，但是以上这些参数都无法利用土力学工具直接测出，必须通过对土壤进行力学特性试验后间接计算获得。而在对土壤的特性分析中，我们直接观测到的是土壤的物理特性，土壤物理参数的变化又会影响到土壤的力学特性，比如土壤孔隙比e的变化就可直接影响土壤内聚力c和内摩擦角的数值，因此，土壤的物理和力学特性参数之间存在着关联，相互关系也比较复杂。土壤的力学参数对车辆的牵引特性产生直接的影响，而土壤的物理参数则通过改变土壤的力学特性间接影响车辆的牵引特性。采用室内土工试验的方法测量土壤的物理力学特性不仅可以避免一些外界因素的影响（如雨、雪等），而且还可以重复快速地获得试验结果，成本也相对低廉，因此常采用或设计相应的土力学测试工具来进行土壤特性的测试。

其中，应用最广泛的设备是贝氏仪（Bevameter），除了贝氏仪之外，通常还采用其它的土壤测试方法，如直剪试验和三轴试验，除此之外，美国陆军水道试验站采用圆锥贯入试验来分析土壤的可行驶性。以下分别介绍这几种试验所用的仪器及测量方法。在各种土力学测试仪器中，贝氏仪（Bevameter）是一种通过模拟车辆行走机构与土壤表面之间的的垂直载荷与剪切力来获取土壤承压、剪切应力-应变关系的工具。相对于其他各种土壤力学特性测试工具，贝氏仪最为突出的特点是简单高效，它以经典土力学公式为基础，借助简单的加载机构与测量系统即可快整获得土壤的承压剪切特性曲线。除了典型的贝氏仪，国内外各研究机构也设计完成了不同类型的贝氏仪。

直剪试验是一种简单，实用的平动剪切试验。在目前存在的各种剪切测试方法中，直剪试验是最早开始使用的土壤特性测试方法之一。直剪试验是属于“线性二维”测试方法，在试验过程中需选用4~5个试样，在直剪仪预定剪切面上施加不同法向应力和剪切力，直至破坏来测定土体本身、土体软弱面和地基土的抗剪强度参数（内聚力c、内摩擦角）的技术操作。直剪试验在类干沙土壤中的测试结果较为准确。直剪试验一般采用应力控制和应变控制两种方式进行；剪切方式分为慢剪、固结快剪和快剪三种；试验需要的仪器有直剪仪、测力计、环刀、切土刀等；其中剪切仪主要由垂直加载装置、水平推力（拉力）装置、剪切盒、水平及垂直位移计等组成。

三轴试验通常用于确定排水控制条件下土壤的应力-应变特性，虽然试验系统相对复杂，但相对直剪试验来讲，三轴试验可在试验室内以一种更为逼真的方式再现就位土壤的初始有效应力及其变化。三轴试验是一种精确预测土壤最大剪切阻力，获取土壤剪切失效时应力-应变关系的测量方法。三轴试验一般采用3~4个圆柱形试样，分别在不同的围压σ3下，对试样施加轴向压力（即主应力差σ1－σ3）直至试样破坏，计算抗剪强度参数（内聚力c，内摩擦角）的技术操作。三轴压缩试验通常利用三轴压缩仪来进行测试。三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、孔隙水压力量测系统等组成。

圆锥贯入试验是一种经验性的测试方法，该方法是由美国陆军水道试验站（WaterwaysExperimentStation）由纯经验建立的，又称WES法。由于WES法主要是把影响土壤支承能力和土壤推进力的力学性质结合在一起（不计承载面积的影响）组成一个度量值，称为“圆锥指数（CI）”，因此这种测试方法又叫做圆锥指数法。WES法测试简单，实用方便，是一种判断土壤可行驶性和车辆可通过性的快速测定法，已为世界上许多国家所采用。圆锥贯入试验的另一个特点就是解决由传统剪切试验所带来得典型问题，利用传统的剪切特性试验（如贝氏仪）数据预测土壤可通过性时，对承压条件下土壤的应力状态缺乏一定的认识，而出现在上世纪40年代的精确应力理论由于过于复杂而极少被应用于土壤特性的测试及通过性研究中，因此圆锥贯入试验得到了较好的发展，圆锥贯入仪也得到不断的改进。

为了扩展传统圆锥贯入试验的测量范围，进一步分析土壤的力学特性，叶片-圆锥测试仪应运而生，该仪器不仅可进行传统圆锥贯入试验，更增加了土壤剪切特性的测试方法，试验过程中，叶片锥在一定的垂直压力下贯入土壤至特定的深度，然后旋转，对土壤进行剪切。叶片-圆锥贯入试验常用于测量粘土材料的力学特性。还有一种与圆锥贯入仪相类似的土壤测试仪器-叶片剪切贯入仪。该仪器仅能用于测试粘土的剪切应力。该仪器不仅可用于室内土工测试，也可以在野外进行测试。仪器下端的剪切头由四个尺寸相同的薄叶片焊接在刚性扭矩连接杆上，组成剪切叶片，另外一种使用时间较长的剪切特性测试仪器是Cohron剪切应力记录仪。该仪器主要用于测试就位土壤的剪切应力。仪器下端装有一个用光滑橡胶或金属表面的扭转剪切头，剪切头通过螺旋弹簧与数据记录杆相联。

研究车辆车轮与土壤相互作用的力学特性，就必须掌握模拟土壤力学特性。与探测车行驶相关的原位模拟土壤参数的测量并没有通用仪器可供使用，而且相关的测试仪器较少。因此，要对模拟土壤的贯入特性、承压特性和剪切特性进行就位测量，就必须设计一套专用的土壤承压/剪切特性测试系统。

发明内容

1、目的：结合以上情况并参考各类贝氏仪及其他土壤测试仪器，本发明的目的是提供一种基于贝氏仪测试原理的土壤力学特性测试仪器—一种土壤承压和剪切试验测试仪，利用该仪器可分别测量土壤的承压特性和剪切特性，对得到的的承压特性曲线和剪切特性曲线进行处理后，可获得土壤的主要力学参数。

2、技术方案：

（1）本发明一种土壤承压和剪切试验测试仪，它包括角位移传感器联轴器、U型座、位移传感器、砝码、移传感器外壳导轨、砝码座、上滑动轴、压/扭组合传感器、下滑动轴、剪切环/压板、角位移传感器、扭转扳手套、推力球轴承、卡圈、支撑座、限位螺栓、压耳、轴套及三角架。

其位置连接关系是：该测试仪器主体采用三角架支撑，三角架装于支撑座上，试验时可根据需要调节三角架的长度和张合度，支撑座上装有对称分布的两个压耳，当剪切环在较大负荷下进行旋转剪切时，通过手扶压耳可保持仪器的平稳，防止仪器主体出现较大倾斜，影响其测量精度；砝码座套于支撑座的外套筒上并可沿其上下滑动，砝码座底部的圆盘主要用于放置不同规格和重量的砝码，试验时通过添加砝码来增加剪切环/压板上的垂直载荷。位移传感器外壳导轨安装于砝码座上，主要用于固定位移传感器的外壳，为避免干涉，所有砝码上均加工有U型开口槽，砝码加载后，该位移传感器外壳导轨正好位于所有砝码的开口槽内。位移传感器的拉杆顶端通过螺母固定在支撑座上，而位移传感器外壳则随砝码座上下移动，实时测量压板的下陷量。U型座安装于砝码座的顶部，主要用于固定角位移传感器的外壳。支撑座中心套筒上装有限位螺栓，用于限定上滑动轴在垂直方向的位置，支撑座顶部和底部孔端均装有轴套，用于定位上滑动轴，通过间隙控制，保证试验时上滑动轴可在轴套中上下滑动并自由旋转。上滑动轴顶端通过角位移传感器联轴器与角位移传感器的旋转轴相连，底端圆盘则通过螺栓与压/扭组合传感器相连，上滑动轴的轴肩处装有卡圈，卡圈上装有推力球轴承，砝码座置于推力球轴承之上，其承受的重量可通过轴承、卡圈及上滑动轴传至压/扭组合传感器上，上滑动轴的上方还装有可拆卸的扭转扳手套，通过安装扭转手柄，可对上滑动轴施加扭矩。在试验过程中，上滑动轴既可上下滑动传递垂直载荷，又可自由转动传递扭矩。压/扭组合传感器底端连接下滑动轴，下滑动轴同样起传递垂直载荷和扭矩的作用，其底端装有剪切环/压板，试验时，剪切环/压板承受的土壤反作用力将通过下滑动轴传递至压/扭组合传感器，压/扭组合传感器不仅能够测量剪切环/压板承受的垂直载荷，也可对剪切环承受的反向剪切力矩进行测量。

然后，用无纸记录仪对测得的传感器信号进行采集、显示、记录和存储。试验数据采集并存储完毕后，利用KLCOM100数据分析软件对采集到的原始数据进行分析处理，同时生成报表导出。

所述角位移传感器联轴器是定制或市购的圆柱形联轴器；

所述U型座是板材弯制的C形件；

所述位移传感器、压/扭组合传感器和角位移传感器，其测量范围根据试验要求选定，可按照要求在市场上选购；

所述砝码是根据此仪器配合设计的试验所需的压力来源，是圆柱形并其上开有U型槽的自制件；

所述位移传感器外壳导轨是固定位移传感器的并其上开有U型槽的自制件；

所述砝码座是圆管与板材垂直连接的倒T形件；

所述上滑动轴是按预定尺寸制造的普通台阶轴；

所述下滑动轴是按预定尺寸制造的普通台阶轴；

所述剪切环/压板是圆盘形零件，剪切环上设置有矩形齿；

所述扭转扳手套是心部及圆周中部设置有圆孔的圆柱形件；

所述推力球轴承是型号为51202GB/T301-1995的市购件；

所述卡圈是圆柱形的自制件；

所述支撑座是T型的自制件；

所述限位螺栓是市购连接件；

所述压耳是圆钢煨制的C形件；

所述轴套是按预定尺寸制造的圆形套管件；

所述三角架是可伸缩的按预定尺寸制造或外购的三角形支架。

所述无纸记录仪，可自制或市场上选购；

本发明的工作原理及流程简介如下：

本发明的工作原理：土壤物理力学特性的研究，有助于评估车辆的路面通过性，优化其驱动性能并进行安全的路径规划。为了深入分析土壤的物理力学特性，需要对土壤的物理、力学参数进行测量，土壤的物理参数主要包括粒级配、颗粒比重、容重和孔隙比等，这些参数可通过土力学的方法较为直观地测量并计算出来。土壤的力学特性参数主要包括内聚力c、内摩擦角剪切变形模量K、沉陷指数n、内聚力变形模量kc以及摩擦变形模量等，其中c、和K用于表征土壤的剪切特性，而kc、和n主要用于表征土壤的承压特性。在承压试验中，通过压/扭组合传感器和位移传感器，我们能得到在承压变化时，压板的下陷量。在剪切试验中，通过压/扭组合传感器和角位移传感器，我们能得到在一定压力下，扭矩与角位移的关系。然后根据其与Coulomb公式与Bekker承压公式lnp=lnk_p+nlnz的关系得到土壤力学参数。

本发明的工作流程：在开展土壤承压特性试验时，首先利用限位螺栓调整上滑动轴的位置，使其逐步下降，通过观察，当压板的底部端面刚好与土壤表面相接触接触时（此时压板承受的垂直载荷仍然为零），记录此时位移传感器的显示数值，作为测量零点，然后松开限位螺栓，使压板在土壤表面下陷，然后逐步添加砝码，并同时记录压板承压力和下陷量数据，绘制压力-下陷量曲线。为减小测量误差，在同一尺寸的压板下进行3次以上相同的试验，取测量结果的平均值进行数据处理；在开展土壤剪切特性试验时，首先加载砝码直至剪切环承受的垂直载荷达到预定值，然后顺时针缓慢扳动扭转手柄进行土壤剪切，同时记录角位移传感器和压/扭传感器测得的角度及扭矩数据，当角位移传感器的输出角度显示为180°时停止扭转，储存试验数据。对测量数据进行关系换算，绘制预定垂直载荷下土壤的剪切位移-剪切应力曲线。为了保持测量精度，应选取4个以上、数值间隔明显的垂直载荷进行试验。

(2)一种土壤承压和剪切试验测试仪的测试方法，该方法具体步骤如下：

试验注意事项：此试验是在松软地面或室内土槽内进行；附近须能提供220V电压；由于仪器本身带有多种传感器，所以要避免仪器承受冲击力。

①土壤承压特性试验

步骤一：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学的仪器测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验；

步骤二：调整仪器三角架的高度和张开角度，将仪器放入土槽中，使三角架底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时，对压力传感器的读数进行调零操作，然后松开限位螺栓，手动调整剪切环/压板的位置，使其缓缓下行，通过观察，当剪切环/压板底部与土壤刚刚接触时，拧紧限位螺栓，通过无纸记录仪显示屏读取此时位移传感器的测试值，并将其设为剪切环/压板下陷量的零点。

步骤三：松开限位螺栓，使剪切环/压板陷入模拟土壤，记下此时剪切环/压板的下陷量，并读取压/扭组合传感器的初始读数；对仪器逐步加载砝码，同时观察压/扭组合传感器和位移传感器的读数，当砝码总重为60kg左右时，停止加载。利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码从砝码座上逐步卸下，拧紧限位螺栓并将仪器从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度。

步骤四：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环/压板的压力-下陷量曲线。对同一种规格的剪切环/压板进行3次以上的重复性试验，测量值取平均。更换不同尺寸的剪切环/压板，按照以上步骤重复进行试验，记录测量结果。

②土壤剪切特性试验

步骤一：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学仪器的测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验。

步骤二：调整仪器三角架的高度和张开角度，将仪器放入土槽中，使三角架底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时松开限位螺栓，扳动扭转扳手套，同时观察角位移传感器的读数，当角位移传感器的读数为180度左右时停止扳动，对压/扭组合传感器的读数进行调零操作，然后使剪切环/压板缓缓下行直至陷入模拟土壤，通过无纸记录仪显示屏读取此时压/扭组合传感器的初始值。

步骤三：对仪器加载砝码，直至剪切环/压板上的垂直压力达到预定值。然后顺时针扳动扭转扳手套，使剪切环/压板旋转并进行土壤剪切，同时观察并记录角位移传感器和压/扭组合传感器的读数，当角位移传感器读数显示为0度时，停止旋转剪切环/压板。利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码从砝码座上逐步卸下，拧紧限位螺栓并将仪器从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度。

步骤四：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环剪切力矩随旋转角度的变化曲线。重复步骤，在步骤三中更改垂直压力的预定值，然后重复步骤，在整合试验过程中，预定值的设定次数不少于3次。

3、优点及功效：本发明与现有技术相比，具有以下明显优点及突出性效果：

该参数测量仪可以提供两种不同的运动方式来分别满足多种测量方式的需要。它不仅能够供承压仪和贯入仪所需要的直线运动，还可以提供剪切时的旋转运动。同时，本发明不仅结构简单，易于操作，而且测量准确，易于携带安装，具备较好的稳定性与可靠性适用于车辆整车试验时原位探测土壤的各种力学性能。

附图说明

图1本发明土壤承压/剪切特性试验测试仪剖视图；

图2为本发明土壤承压/剪切试验测试仪立体图；

图3(a)承压试验流程图

图3(b)剪切试验流程图

图4(a)位移传感器导轨正视图

图4(b)位移传感器导轨俯视图

图5(a)支撑座正视图

图5(b)支撑座俯视图

图中符号说明如下：

1.角位移传感器联轴器；2.U型座；3.位移传感器；4.砝码；5.位移传感器外壳导轨；6.砝码座；7.上滑动轴；8.压/扭组合传感器；9.下滑动轴；10.剪切环/压板；11.角位移传感器；12.扭转扳手套；13.推力球轴承；14.卡圈；15.支撑座；16.限位螺栓；17.压耳；18.轴套；19.三角架；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：

本发明的结构如图1、图2所示，整个测量仪器包括角位移传感器联轴器1，U型座2，位移传感器3，砝码4，位移传感器外壳导轨5，砝码座6，上滑动轴7，压/扭组合传感器8，下滑动轴9，剪切环/压板10，角位移传感器11，.扭转扳手套12，推力球轴承13，卡圈14，支撑座15，限位螺栓16，压耳17，轴套18和三角架19。

其位置连接关系是：该测试仪器主体采用三角架19支撑，三角架19装于支撑座15上，试验时可根据需要调节三角架19的长度和张合度，支撑座15上装有对称分布的两个压耳17，当剪切环10在较大负荷下进行旋转剪切时，通过手扶压耳17可保持仪器的平稳，防止仪器主体出现较大倾斜，影响其测量精度；砝码座6套于支撑座15的外套筒上并可沿其上下滑动，砝码座6底部的圆盘主要用于放置不同规格和重量的砝码4，试验时通过添加砝码4来增加压板或剪切环10上的垂直载荷。位移传感器外壳导轨5安装于砝码座6上，主要用于固定位移传感器3的外壳，为避免干涉，所有砝码4上均加工有U型开口槽，砝码4加载后，该位移传感器外壳导轨5正好位于所有砝码4的开口槽内。位移传感器3的拉杆顶端通过螺母固定在支撑座15上，而位移传感器3外壳则随砝码座6上下移动，实时测量压板/剪切环10的下陷量。U型座2安装于砝码座6的顶部，主要用于固定角位移传感器11的外壳。支撑座15中心套筒上装有限位螺栓16，用于限定上滑动轴7在垂直方向的位置，支撑座15顶部和底部孔端均装有轴套18，用于定位上滑动轴7，通过间隙控制，保证试验时上滑动轴7可在轴套18中上下滑动并自由旋转。上滑动轴7顶端通过角位移传感器联轴器1与角位移传感器11的旋转轴相连，底端圆盘则通过螺栓与压/扭组合传感器8相联，上滑动轴9的轴肩处装有卡圈14，卡圈14上装有推力球轴承13，砝码座6置于推力球轴承13之上，其承受的重量可通过推力球轴承13、卡圈14及上滑动轴7传至压/扭组合传感器8上，上滑动轴7的上还装有可拆卸的扭转扳手套12，通过安装扭转手柄，可对上滑动轴7施加扭矩。在试验过程中，上滑动轴7既可上下滑动传递垂直载荷，又可自由转动传递扭矩。压/扭组合传感器8底端连接下滑动轴9，下滑动轴9同样起传递垂直载荷和扭矩的作用，其底端装有剪切环/压板10，试验时，压板/剪切环10承受的土壤反作用力将通过下滑动轴9传递至压/扭组合传感器8，压/扭组合传感器8不仅能够测量压板/剪切环10承受的垂直载荷，也可对剪切环10承受的反向剪切力矩进行测量。图4(a)、图4(b)分别为位移传感器导轨的正视图和俯视图；图5(a)、图5(b)分别为支撑座的正视图和俯视图。

见图3(a)、图3(b)，一种土壤承压和剪切试验测试仪的测试方法，该方法具体测量步骤如下：

承压试验：

①：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学的仪器测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验；

②：调整仪器三角架19的高度和张开角度，将仪器放入土槽中，使三角架19底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时，对压力传感器8的读数进行调零操作，然后松开限位螺栓16，手动调整剪切环/压板10的位置，使其缓缓下行，通过观察，当剪切环/压板10底部与土壤刚刚接触时，拧紧限位螺栓16，通过无纸记录仪显示屏读取此时位移传感器3的测试值，并将其设为剪切环/压板10下陷量的零点。

③：松开限位螺栓16，使剪切环/压板10陷入模拟土壤，记下此时剪切环/压板10的下陷量，并读取压/扭组合传感器8的初始读数；对仪器逐步加载砝码4，同时观察压/扭组合传感器8和位移传感器3的读数，当砝码4总重为60kg左右时，停止加载。利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码4从砝码座6上逐步卸下，拧紧限位螺栓16并将仪器从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度。

④：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环/压板10的压力-下陷量曲线。对同一种规格的剪切环/压板10进行3次以上的重复性试验，测量值取平均。更换不同尺寸的剪切环/压板10，按照以上步骤重复进行试验，记录测量结果。

表1为硅的承压试验表；（无纸记录仪对测得的传感器信号进行采集所得的原始数据）

剪切特性试验

①：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学仪器的测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验。

②：调整仪器三角架19的高度和张开角度，将仪器放入土槽中，使三角架19底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时松开限位螺栓16，扳动扭转扳手套12，同时观察角位移传感器11的读数，当角位移传感器11的读数为180度左右时停止扳动，对压/扭组合传感器8的读数进行调零操作，然后使剪切环/压板10缓缓下行直至陷入模拟土壤，通过无纸记录仪显示屏读取此时压/扭组合传感器8的初始值。

③：对仪器加载砝码4，直至剪切环/压板10上的垂直压力达到预定值。然后顺时针扳动扭转扳手套12，使剪切环/压板10旋转并进行土壤剪切，同时观察并记录角位移传感器11和压/扭组合传感器8的读数，当角位移传感器11读数显示为0度时，停止旋转剪切环/压板10。利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码4从砝码座6上逐步卸下，拧紧限位螺栓16并将仪器从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度。

④：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环剪切力矩随旋转角度的变化曲线。重复步骤，在步骤③中更改垂直压力的预定值，然后重复步骤，在整合试验过程中，预定值的设定次数不少于3次。

表2为硅的剪切试验表（无纸记录仪对测得的传感器信号进行采集所得的原始数据）

Claims (2)

1.一种土壤承压和剪切试验测试仪，其特征在于：它包括角位移传感器联轴器、U型座、位移传感器、砝码、位移传感器外壳导轨、砝码座、上滑动轴、压/扭组合传感器、下滑动轴、剪切环/压板、角位移传感器、扭转扳手套、推力球轴承、卡圈、支撑座、限位螺栓、压耳、轴套及三角架；该测试仪主体采用三角架支撑，三角架装于支撑座上，试验时根据需要调节三角架的长度和张合度，支撑座上装有对称分布的两个压耳，当剪切环在较大负荷下进行旋转剪切时，通过手扶压耳保持测试仪的平稳，防止测试仪主体出现较大倾斜，影响其测量精度；砝码座套于支撑座的外套筒上并沿其上下滑动，砝码座底部的圆盘用于放置不同规格和重量的砝码，试验时通过添加砝码来增加剪切环/压板上的垂直载荷；位移传感器外壳导轨安装于砝码座上，用于固定位移传感器的外壳，为避免干涉，所有砝码上均加工有U型开口槽，砝码加载后，该位移传感器外壳导轨正好位于所有砝码的开口槽内；位移传感器的拉杆顶端通过螺母固定在支撑座上，而位移传感器外壳则随砝码座上下移动，实时测量压板的下陷量；U型座安装于砝码座的顶部，用于固定角位移传感器的外壳，支撑座中心套筒上装有限位螺栓，用于限定上滑动轴在垂直方向的位置，支撑座顶部和底部孔端均装有轴套，用于定位上滑动轴，通过间隙控制，保证试验时上滑动轴在轴套中上下滑动并自由旋转；上滑动轴顶端通过角位移传感器联轴器与角位移传感器的旋转轴相连，底端圆盘则通过螺栓与压/扭组合传感器相连，上滑动轴的轴肩处装有卡圈，卡圈上装有推力球轴承，砝码座置于推力球轴承之上，其承受的重量通过推力球轴承、卡圈及上滑动轴传至压/扭组合传感器上，上滑动轴的上方还装有可拆卸的扭转扳手套，通过安装扭转手柄，对上滑动轴施加扭矩；在试验过程中，上滑动轴既可上下滑动传递垂直载荷，又可自由转动传递扭矩；压/扭组合传感器底端连接下滑动轴，下滑动轴同样起传递垂直载荷和扭矩的作用，其底端装有剪切环/压板，试验时，剪切环/压板承受的土壤反作用力将通过下滑动轴传递至压/扭组合传感器，压/扭组合传感器不仅能够测量剪切环/压板承受的垂直载荷，也对剪切环承受的反向剪切力矩进行测量；然后，用无纸记录仪对测得的传感器信号进行采集、显示、记录和存储；试验数据采集并存储完毕后，利用KLCOM100数据分析软件对采集到的原始数据进行分析处理，同时生成报表导出；

所述角位移传感器联轴器是定制或市购的圆柱形联轴器；

所述U型座是板材弯制的C形件；

所述位移传感器、压/扭组合传感器和角位移传感器，其测量范围根据试验要求选定；

所述砝码是根据此测试仪配合设计的试验所需的压力来源，是圆柱形并其上开有U型开口槽的自制件；

所述位移传感器外壳导轨是固定位移传感器的并其上开有U型槽的自制件；

所述砝码座是圆管与板材垂直连接的倒T形件；

所述上滑动轴是按预定尺寸制造的普通台阶轴；

所述下滑动轴是按预定尺寸制造的普通台阶轴；

所述剪切环/压板是圆盘形零件，剪切环上设置有矩形齿；

所述扭转扳手套是心部及圆周中部设置有圆孔的圆柱形件；

所述推力球轴承的型号为51202GB/T301-1995；

所述卡圈是圆柱形的自制件；

所述支撑座是T型的自制件；

所述限位螺栓是市购连接件；

所述压耳是圆钢煨制的C形件；

所述轴套是按预定尺寸制造的圆形套管件；

所述三角架是可伸缩的按预定尺寸制造或外购的三角形支架；

所述无纸记录仪，可自制或市场上选购。

2.一种如权利要求1所述的土壤承压和剪切试验测试仪的测试方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

①土壤承压特性试验

步骤一：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学的测试仪测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验；

步骤二：调整测试仪三角架的高度和张开角度，将测试仪放入土槽中，使三角架底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时，对压/扭组合传感器的读数进行调零操作，然后松开限位螺栓，手动调整剪切环/压板的位置，使其缓缓下行，通过观察，当剪切环/压板底部与土壤刚刚接触时，拧紧限位螺栓，通过无纸记录仪显示屏读取此时位移传感器的测试值，并将其设为剪切环/压板下陷量的零点；

步骤三：松开限位螺栓，使剪切环/压板陷入模拟土壤，记下此时剪切环/压板的下陷量，并读取压/扭组合传感器的初始读数；对测试仪逐步加载砝码，同时观察压/扭组合传感器和位移传感器的读数，当砝码总重为60kg时，停止加载；利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码从砝码座上逐步卸下，拧紧限位螺栓并将测试仪从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度；

步骤四：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环/压板的压力-下陷量曲线，对同一种规格的剪切环/压板进行3次以上的重复性试验，测量值取平均；更换不同尺寸的剪切环/压板，按照以上步骤重复进行试验，记录测量结果；

②土壤剪切特性试验

步骤一：利用漏斗撒沙法将模拟土壤注入土槽，对模拟土壤进行疏松、刮平和压实，通过土力学测试仪测量模拟土壤的密度，然后开始进行试验；

步骤二：调整测试仪三角架的高度和张开角度，将测试仪放入土槽中，使三角架底端陷入模拟土壤并向下压实，同时用水平尺对测试仪进行校正，保证测试仪与地面垂直；接通电源，打开XSR70型无纸记录仪，调整试验日期、时间、数据采集频率，待传感器读数趋于稳定时松开限位螺栓，扳动扭转扳手套，同时观察角位移传感器的读数，当角位移传感器的读数为180度左右时停止扳动，对压/扭组合传感器的读数进行调零操作，然后使剪切环/压板缓缓下行直至陷入模拟土壤，通过无纸记录仪显示屏读取此时压/扭组合传感器的初始值；

步骤三：对测试仪加载砝码，直至剪切环/压板上的垂直压力达到预定值；然后顺时针扳动扭转扳手套，使剪切环/压板旋转并进行土壤剪切，同时观察并记录角位移传感器和压/扭组合传感器的读数，当角位移传感器读数显示为0度时，停止旋转剪切环/压板；利用USB接口将无纸记录仪采集到的试验数据转存至U盘上，然后关闭无纸记录仪，将砝码从砝码座上逐步卸下，拧紧限位螺栓并将测试仪从模拟土壤中拉出，清理测试仪，并检查各部件的完好程度；

步骤四：将U盘上数据导入计算机中，并利用软件对测试数据进行处理和分析，绘制剪切环剪切力矩随旋转角度的变化曲线；重复步骤，在步骤三中更改垂直压力的预定值，然后重复步骤，在整合试验过程中，预定值的设定次数不少于3次。