SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀的研制和應用

羅永江王 生封燦林盧 斌

（1.吉林大學建設工程學院 吉林長春 130000）

（2.北京科創海光儀器有限公司 北京 100016）

SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀的研制和應用

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（1.吉林大學建設工程學院 吉林長春 130000）

（2.北京科創海光儀器有限公司 北京 100016）

在巖土工程試驗中，直剪儀是測定巖土體抗剪強度參數最為普遍的一種實驗儀器。本文對所研制的直剪儀結構做了詳細介紹，所設計的直剪儀以數字顯示為突出優點，在保證測試結果的高精度前提下，兼具便攜等優點。該直剪儀測試精度高，適用范圍廣，可應用于現場和室內試驗。

直剪儀 直剪實驗 數字顯示 結構

1 引言

在地基承載力、土坡和路基穩定性評價中，巖土體的抗剪強度指標是最重要的力學參數，作為建筑物地基的巖土體，如果產生滑動或局部剪壞區發展導致過大或不均勻的地基變形，都會造成上部結構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定、經濟合理，必須獲得巖土體的抗剪強度。直剪試驗是獲得巖土體實驗抗剪強度的一種試驗手段。直剪實驗是將標準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，測定巖樣發生剪切破壞時的剪切應力值，然后根據相關公式和曲線圖得出相應巖樣的抗剪強度。

國內現有直剪儀主要以大型室內直剪儀為主，結構復雜，巖樣等加工工序較多，成本高。根據直剪試驗原理和實際工作的需要，吉林大學建設工程學院巖土工程實驗室研制了SZJ8－2型數字顯示巖心直剪儀（圖1）。

圖1 SZJ8-2型數字顯示巖心直剪儀

2 本儀器的機構組成

該直剪儀主要由剪切盒、壓力傳感器、數字顯示儀、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。剪切盒的設計是根據地質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計，均按照承受最大拉力值70k N設計，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生水平向相對位移，為減小滑動阻力對測試結果造成影響。滑塊與下剪切盒間安裝了滾軸，并分別在滑槽內安放了合金鋼墊片防止因荷載過大破壞滑塊和剪切盒面，保證了質量并節省了材料成本。下剪切盒還設置了便于拿取巖心的取樣機構，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，電阻應變片為轉換元件，是利用電阻應變原理構成的。當被測的力通過壓頭直接作用于粘貼有電阻應變片的空心圓柱體的應變筒上，則應變筒軸向壓縮，徑向膨脹，相應軸向電阻應變片阻值降低，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變片組成全橋結構（圖3）。傳感器具有較好的密封防潮性能，較高的抗振動、沖擊穩定性，結構設計保證了傳遞誤差小且測量可靠，并有良好的靜、動態特性。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、滯后及重復性誤差均小于額定荷載輸出的0.5%，溫度對零點影響每攝氏度小于0.04%，電橋初始不平衡在20℃時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 傳感器全橋結構

2.3 數字顯示儀

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

圖4 數字顯示儀

3 儀器特點

SZJ8－2型數字顯示巖心直剪儀最大的特點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。該儀器用于測定巖石的抗剪強度，通過剪切試驗能迅速，準確地獲取巖石的抗剪參數：內聚力（C）和內摩擦角（Φ），為巖石地基和邊坡工程等提供可靠的地質數據。具有外觀精致，結構合理，測讀準確，體積小，重量輕，省電，適用等特點。

4 主要參數

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）。所測試試樣規格Φ39、Φ42、Φ47、Φ50等。可在環境溫度－10～40℃、相對濕度85%的條件下長期連續使用。具有在短期超載20%的超載特性，但不允許長時間超載，以免損壞傳感器。讀數鎖存水平為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號液壓機油。儀器整體重量不超過25kg。

5 調試與使用方法

連接好電源和傳感器等后，調整數字顯示儀的X通道和Y通道的增益和調零旋鈕，使數字顯示儀顯示數字為零。將儀器的上盒蓋手動打開，把符合要求規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），檢查安放是否穩妥，再將垂直拉桿橫梁穩當的放置在垂直荷重傳感器的受力壓頭上，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的取樣按鈕，將其彈出），裝入新試樣并重復上述操作。遇到試樣直徑和高度不同時，可相應更換合適的剪切套和墊片。

6 應用概況

該儀器在多個科研院所，大專院校以及工程地質勘察院等單位使用，在東北地區基礎工程施工、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度測試中發揮了巨大作用，經歷了大量工程實踐的檢驗，取得了較好的工程效益，獲得廣泛好評。

1 閔弘、劉小麗、魏進兵等 .現場室內兩用大型直剪儀研制（I）：結構設計.巖土力學，2006（1）

2 劉小麗、羅錦添、閔弘等 .現場室內兩用大型直剪儀研制（II）：試驗測試.巖土力學，2006（2）

3 郭慶國.粗粒土的工程特性及應用.黃河水利出版社，1999

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

2010年4月21日）