本文選題：抗剪強(qiáng)度　切入點(diǎn)：直剪儀　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：隨著我國綜合國力不斷增強(qiáng),對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的投入加大,許多建筑、公路、水利水電工程等公共基礎(chǔ)迅速發(fā)展起來。我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變,不可預(yù)計(jì)因素較多,一旦發(fā)生安全事故極易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為使建筑工程實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)合理和穩(wěn)定安全,巖土工程研究人員對(duì)土壤的力學(xué)性狀進(jìn)行了大量的研究。隨著研究的深入,巖土力學(xué)測試的一些新方法、新經(jīng)驗(yàn)、新理論不斷出現(xiàn),使巖土力學(xué)測試?yán)碚摬粩嗟氐玫酵晟坪桶l(fā)展。目前我國的巖土力學(xué)測試試驗(yàn)是根據(jù)國家土工測試標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)驗(yàn)室使用各種實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)土試樣進(jìn)行壓應(yīng)力應(yīng)變和剪應(yīng)力應(yīng)變測試。由于技術(shù)手段的限制,目前大多數(shù)的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,這樣就要求在現(xiàn)場提取土樣時(shí)必須進(jìn)行土樣的“保鮮”,即盡力保護(hù)現(xiàn)場提取土樣的物理化學(xué)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室測試土力學(xué)特性的優(yōu)點(diǎn)是操作容易、數(shù)據(jù)可靠;其缺點(diǎn)也很明顯,即需要保存土樣、實(shí)驗(yàn)周期較長。另外,勘探時(shí)土樣被提取后其原始狀態(tài)已發(fā)生較大的變化。因此開展原位測試是十分有必要的。深孔地質(zhì)探測一般是現(xiàn)場提取并保存土樣運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,按照相關(guān)巖土力學(xué)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試和分析。采集的土樣在運(yùn)輸過程中其力學(xué)特性會(huì)有所變化,并且傳統(tǒng)的測試方法大大增加了相關(guān)的地質(zhì)探測的工作量,這與目前高速發(fā)展的社會(huì)現(xiàn)實(shí)不相稱的。巖土工程需要是土力學(xué)的技術(shù)數(shù)據(jù),如果通過某種技術(shù)手段,在工地現(xiàn)場就可以獲得有關(guān)土力學(xué)的技術(shù)數(shù)據(jù)是最理想的。針對(duì)這以上問題,開發(fā)并研制了一種輕便的巖土體深孔原位直剪測試儀。本文開篇對(duì)土工勘探中原位測試的必要性進(jìn)行論述,通過詳實(shí)的舉證說明原位測試對(duì)基礎(chǔ)工程建設(shè)和社會(huì)安全穩(wěn)定發(fā)展的嚴(yán)重性。首先,詳細(xì)介紹了我國目前的室內(nèi)抗剪強(qiáng)度測試和抗剪強(qiáng)度測試儀器。分別闡述了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中直剪試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)、環(huán)剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)的取樣方法、測試原理、測試方法、測試儀器。介紹了室內(nèi)抗剪強(qiáng)度測試儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展,指出了現(xiàn)有室內(nèi)抗剪測試儀器的不足。之后,介紹了土工原位測試方法及現(xiàn)階段原位抗剪強(qiáng)度測試方法。十字板剪切試驗(yàn)可以對(duì)天然應(yīng)力狀態(tài)下的巖土進(jìn)行扭剪,所測得的強(qiáng)度能較好的反映土的天然強(qiáng)度。但是十字板剪切試驗(yàn)只能針對(duì)軟土和淤泥,無法測試相對(duì)硬塑性黏土和混有礫石的土。通過綜合比較室內(nèi)外的抗剪強(qiáng)度測試方法和測試儀器,提出一種新型的深孔原位直剪測試方法并研制一臺(tái)深孔原位直剪測試儀樣機(jī)。第二章對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究。闡述了庫倫定律,在法向應(yīng)力變化范圍不大時(shí),抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系近似為一條直線。根據(jù)庫倫公式可以得出土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)——黏聚力c和摩擦角υ。介紹了莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則和土的平衡條件。之后詳細(xì)分析了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法,直接剪切試驗(yàn)可針對(duì)不同的排水條件進(jìn)行直剪試驗(yàn),分為慢剪、快剪和固結(jié)快剪。最后采用有限差分法對(duì)直剪試驗(yàn)建模,使用巖土力學(xué)模擬軟件flac3d模擬直剪剪切試驗(yàn)的全部過程。著重分析土體試驗(yàn)在垂直應(yīng)力下的剪應(yīng)變、剪應(yīng)力和在剪切面上的應(yīng)力應(yīng)變分布。有限差分軟件flac3d的計(jì)算結(jié)果證實(shí)在直剪試驗(yàn)中剪切面上的剪應(yīng)力、剪應(yīng)變分布不均勻。剪切初始時(shí)測試取樣杯側(cè)壁周圍的應(yīng)力應(yīng)變偏大,而土樣內(nèi)中間區(qū)域偏小。剪切的整個(gè)過程中,剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的發(fā)展都是從土樣邊緣開始,并隨著剪切不斷進(jìn)行剪應(yīng)力和剪應(yīng)變逐漸向中部區(qū)域擴(kuò)展。最終土樣發(fā)生剪切破壞后,剪應(yīng)力和剪應(yīng)變?cè)诩羟忻娣植贾饾u變均勻。第三章闡述了深孔原位直剪測試儀的行為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。深孔原位直剪測試儀從結(jié)構(gòu)組成、工作機(jī)理、取樣選擇等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。重點(diǎn)介紹了設(shè)備的取樣系統(tǒng)、推靠系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)的工作機(jī)理,并對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。同時(shí),提出深孔原位直剪測試概念,詳細(xì)介紹了整個(gè)測試流程。測試時(shí)用鉆探設(shè)備在探測點(diǎn)的地表打一個(gè)深度約為5~50m探測孔,然后將直剪測試儀送入深孔底部,由測試裝置對(duì)底部的土壤進(jìn)行壓應(yīng)力應(yīng)變和剪應(yīng)力應(yīng)變測試。測試完畢后,提取出裝置,再準(zhǔn)備下一次測試。如此循環(huán)直至完成全部探測作業(yè)。第四章介紹了深孔原位直剪儀的參數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、推靠系統(tǒng)所需參數(shù)進(jìn)行研究,并用有限元分析法分析各個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變情況。詳細(xì)介紹了深孔原位直剪測試儀的動(dòng)力系統(tǒng)和動(dòng)力負(fù)載匹配。先用數(shù)值模擬的方法確定負(fù)載大小,確定動(dòng)力系統(tǒng)所需要的力。通過比較步進(jìn)電機(jī)和氣囊直剪的優(yōu)缺點(diǎn),最終確定選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng),并計(jì)算出所需要的載荷大小。分析測試取樣杯在取樣過程中應(yīng)力應(yīng)變大小。針對(duì)取樣過程中取樣測試杯對(duì)土壤的切削進(jìn)行研究。最后用有限元分析軟件分析活塞在施加垂直壓力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變和水平加載系統(tǒng)重要傳導(dǎo)構(gòu)件的受力情況。第五章分析了深孔原位直剪測試儀應(yīng)力測量的壓力傳感器。選出適合設(shè)備的壓力傳感器,并介紹其基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過有限元計(jì)算,計(jì)算出不同模量、厚徑比的壓力傳感器在土介質(zhì)中的匹配誤差。由于深孔原位直剪測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)較小,現(xiàn)有的位移傳感器不能滿足設(shè)備需要。所以針對(duì)深孔原位直剪測試儀設(shè)計(jì)并制作了應(yīng)變式位移傳感器。用有限元法對(duì)位移傳感器的彈性梁進(jìn)行了分析,主要分析了彈性梁的應(yīng)力應(yīng)變,推導(dǎo)傳感器的輸入輸出關(guān)系和固有頻率。所設(shè)計(jì)的應(yīng)變式位移傳感器彈性梁最大量程為9mm,精度0.1mm滿足設(shè)計(jì)需求。最后對(duì)深孔原位直剪儀的鋸環(huán)和鋸環(huán)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于有些粘性土的硬度不亞于巖石的硬度,所以考慮采用鋸環(huán)來減輕測試杯壓入巖土的難度。鋸環(huán)的設(shè)計(jì)是基于超聲波電機(jī)的工作原理來設(shè)計(jì)的,根據(jù)鋸環(huán)的負(fù)載設(shè)計(jì)了鋸環(huán)的驅(qū)動(dòng)電路。第六章研究了步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)和儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。確定系統(tǒng)控制方案為閉環(huán)控制系統(tǒng)。研究步進(jìn)電機(jī)控制模型,提出步進(jìn)電機(jī)速度控制的指數(shù)型控制算法,為步進(jìn)電機(jī)速度控制提供理論依據(jù),最后搭建步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了深孔原位直剪測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分。分別對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大電路、數(shù)據(jù)處理電路和數(shù)據(jù)顯示電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。第七章闡述了深孔原位直剪測試儀的樣機(jī),進(jìn)行樣機(jī)的單位行為測試和系統(tǒng)行為測試。測試證明樣機(jī)運(yùn)行效果良好能夠達(dá)到當(dāng)初設(shè)計(jì)目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)室搭建了深孔原位直剪測試平臺(tái),進(jìn)行深孔原位測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,畫出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖,求出砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=10kpa,υ=42.1°與室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果相比較。證明了深孔原位直剪測試儀直剪試驗(yàn)結(jié)果有效。第八章詳細(xì)介紹了在深孔原位直剪測試研發(fā)過程中垂直加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、推靠器系統(tǒng)和鋸環(huán)等關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。將原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和對(duì)比。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及比較是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中重要的部分,通過對(duì)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì),減少機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)之間的摩擦力,從而減小能量損失,提高測試精度。事實(shí)表明,機(jī)械結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)整個(gè)設(shè)備能否穩(wěn)定工作起著決定性的作用。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:(1)根據(jù)土力學(xué)抗剪強(qiáng)度基本理論和莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,對(duì)土力學(xué)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。利用土力學(xué)軟件建立了深孔原位直剪測試模型,并提出深孔原位直剪測試的概念。(2)研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深孔原位直剪測試儀樣機(jī)。深孔原位直剪測試儀的構(gòu)思是以機(jī)電一體化為基礎(chǔ)的,設(shè)計(jì)將傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成設(shè)計(jì)制造。在不降低強(qiáng)度和使用壽命的同時(shí),縮減了空間,使設(shè)備輕量化,可靠性也大大增加,并提高測試效率。(3)實(shí)現(xiàn)深孔原位直剪測試儀原位在線測試。搭建深孔原位測試平臺(tái),測試土樣在不同正壓力下的抗剪強(qiáng)度,獲取了一系列相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,得出測試結(jié)果與模擬結(jié)果較符合。(4)提出深孔原位直剪測試儀的信息集成化方法。將傳感器與運(yùn)動(dòng)構(gòu)件集成化,構(gòu)件既是執(zhí)行器也是傳感器。推靠器的支撐壓力由推靠板內(nèi)側(cè)的壓力傳感器測定;土力學(xué)壓應(yīng)力由活塞背后的壓力傳感器測定,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變由絲杠的位移產(chǎn)生;剪應(yīng)力由取樣測試杯外側(cè)的傳感器測定。測試儀可在深孔內(nèi)自動(dòng)完成測試動(dòng)作,并將測試數(shù)據(jù)信息集成處理后通過鋼纜繩傳回地面的控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明此法提高了測試效率和數(shù)據(jù)有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU413

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1681929