(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211220042.7 (22)申请日 2022.10.08 (71)申请人 青岛理工大 学 地址 266520 山东省青岛市黄岛区嘉陵江 东路777号 (72)发明人 牛庚　孔亮　朱晓凤　李俊星　 安荔琪　吕梦缘　陈子晗　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 王海波 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 带有冲刷测控系统的非饱和土直剪 仪 (57)摘要 本发明属于涉及土壤抗剪强度测量技术， 尤 其是对土壤抗剪强度测量精度要求比较高的情 况下， 具体为一种带有冲刷测控系统的非饱和土 直剪仪， 主要包括两个部分： 第一部分是底座设 计成一个带有坡度的切面， 在底 座内设计出一条 弯曲带有倾斜坡度的通道， 同时利用电动泵使通 道中的水循环 流动起来不断冲刷陶土板底部， 带 走底部的气泡； 第二部分是利用差压传感器精确 测量去除陶土板底部气泡的吸、 排水量； 该装置 可以相对精确测量出非饱和土壤中在剪切过程 中排出水的体积， 减少误差， 试验成本较低， 更加 智能， 并且可以制作成 品， 实现成果转化， 较为成 熟可靠。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 115452613 A 2022.12.09 CN 115452613 A 1.一种带有冲刷测控系统的非饱和土直剪仪， 其特征在于， 所述的带有冲刷测控系统 的非饱和土直剪 仪包括直剪仪主架、 吸力控制压力室、 冲刷测控系统； 所述的直剪仪主架包括手轮(1)、 推动装置(2)、 台面板(3)、 变速箱(4)、 电动机(5)和支 撑架(6)； 所述的台面板(3)、 变速箱(4)和电动机(5)安装在支撑架(6)上， 且变速箱(4)和电 动机(5)位于台面板(3)下方； 所述的推动装置(2)安装在台面板(3)上， 推动装置(2)上安装 有手轮(1)， 推动装置(2)的轴伸入到压力室(23)中与下剪切盒(16)的侧面相对； 推动装置 (2)与变速箱(4)和电动机(5)连接， 电动机(5)产生动力， 通过变速箱(4)控制推动装置(2) 的水平加载轴推进速度， 从而推动下剪切盒(16)， 为土样提供剪应力； 电动机(5)通过电机 脉冲测量推动装置(2)的水平加载轴的水平位移； 所述的吸力控制压力室包括销钉a(7)、 带孔钢板(8)、 下剪切盒(16)、 可伸缩顶轴(17)、 上剪切盒(18)、 钢珠(19)、 伺服电机(20)、 位移传感器(22)和压力室(23)； 所述的压力室 (23)安装在台面板(3)上， 压力室(23)顶部设有气压进气口(21)； 冲刷测控系统的剪切盒底 座(10)位于压力室(23)内； 下剪切盒(16)和上剪切盒(18)均为上下均开口的结构， 二者对 合后通过销钉a(7)固定连接、 形成一个完整的剪切盒用于装土样， 下剪切盒(16)的底部安 装在剪切盒底 座(10)上； 上剪切盒(18)上设有顶帽， 所述的带孔钢板(8)位于上剪切盒(18) 内的顶部、 位于顶帽下方； 所述的可伸缩顶轴(17)安装在压力室(23)上， 且 可伸入到压力室 (23)内部， 用于顶住上剪切盒(18)以进行限位； 所述的伺服电机(20)位于压力室(23)内且 位于上剪切盒(18)上方， 伺服电机(20)的输出轴垂直于上剪切盒(18)的上表面， 钢珠(19) 安装在伺服电机(20)的输出轴上， 输出轴向下运动时， 钢珠(19)与上剪切盒(18)的上表面 接触， 施加竖向载荷， 伺服电机(20)的输出轴上设有荷载传感器用于测量施加的载荷； 位移 传感器(2 2)安装在伺服电机(20)输出轴的前端侧面， 用于测量输出轴的位移； 所述的冲刷测控系统由剪切盒底座(10)、 出水管(11)、 双向阀门(12)、 计算机(13)、 水 泵(14)、 量测管(15)、 进水管(24)、 阀门a(2 5)、 阀门b(2 6)、 差压传感器(27)和采集器(28)组 成； 所述的剪切盒底座(10)包括上盖(10.1)、 橡胶圈(10.2)、 陶土板(10.3)、 基座(10.5)和 螺旋型带坡度的排水槽(10.9)； 所述的基座(10.5)水平固定在压力室(23)中， 螺旋型带坡 度的排水槽(10.9)设置在基座(10.5)表面， 基座(10.5)两侧设有出水口(10.4)和进水口 (10.6)且与螺旋型带坡度的排水槽(10.9)连通， 进水口(10.6)与进水管(24)的一端连接且 二者之间设有阀门a(25)， 出水口(10.4)与出水管(11)的一端连接且二者之间设有阀门b (26)， 进水管(24)与出水管(11)的另一端相连接， 且二者之间设有水泵(14)和量测管(15)， 通过水泵(14)控制冲刷测控系统内的水路流动， 管路上设有双向阀门(12)以控制两侧水 路， 最终形成一个完整的回路； 所述的差压传感器(27)安装在量测管(15)的底部且与采集 器(28)连接； 所述的计算机(13)与采集器(28)、 位移传感器(22)、 电动机(5)和荷载传 感器 连接， 将测量的数据传输至计算机(13)中； 所述的上盖(10.1)中心设有通孔， 与螺旋型带坡 度的排水槽(10.9)的区域相对， 上盖(10.1)和基座(10.5)上设有对应的螺孔(10.7)， 通过 安装在销 钉b(10.8)将二者固定为一体， 且陶土板(10.3)位于上盖(10.1)和基座(10.5)之 间， 橡胶圈(10.2)位于上盖(10.1)与陶土板(10.3)之间； 下剪切盒(16)的底部安装在上盖 (10.1)上。 2.根据权利要求1所述的一种带有冲刷测控系统 的非饱和土直剪仪， 其特征在于， 所述 的螺旋型带坡度的排水槽(10.9)的坡度为5 °。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115452613 A 2带有冲刷 测控系统的非饱和土直剪 仪 技术领域 [0001]本发明属于涉及土壤抗剪强度测量技术， 尤其是对土壤抗剪强度测量精度要求比 较高的情况 下， 具体为 一种带有冲刷测控系统的非饱和土直剪 仪。 背景技术 [0002]自然界中非饱和土普遍存在， 尤其在干旱和 半干旱地区， 而且随着全球变暖等恶 劣气候的影响， 干旱区域在不断增加， 非饱和土有关的岩 土工程问题也比较常见。 复杂条件 下基础设施的建设对非饱和土强度的测 量及计算有了更高的要求。 在这些建设工程中， 需 要定量的来描述非饱和土的抗剪强度与其非饱和程度之间的关系， 为解决这一问题， 需要 对土体在非饱和状态下的强度特性进行深入探究。 [0003]目前测量土壤抗剪强度的装置主要有直剪仪、 三轴仪、 环剪仪等。 直剪仪具有操作 简单、 耗时较短、 比较廉价等优点， 已被常用到室内测量土的强度。 在饱和土直剪仪的基础 上， 增加吸力控制系统(利用轴平移技术可以使部分水通过陶土板排出)， 可以实现非饱和 土强度测试。 但是非饱和土直剪仪使用过程中经常出现以下问题： (1)陶土板底部易产生气 泡， 气泡易聚集在陶土板底部， 造成吸排水水流通不畅， 同时影响土体排出水量的量测精 度。 虽然已有装置配备了陶土板冲刷 系统， 但是由于通过陶土板底部水路的水头相同， 导致 冲刷气泡的效果很不理想。 (2)带有陶土板冲刷 系统的实验装置多 数使用塑料软管导水， 塑 料软管易发生变形， 且变形程度不易量测， 造成量测数据不准确。 (3)冲刷系统的动力装置 较落后， 一般为人工控制， 无法保证持续稳定的冲刷， 也易导致水溢出量筒， 而且冲刷气泡 的体积采用人工读数， 会造成较大误差。 因此， 研制能够充分冲刷陶土板底部气泡， 同时可 以精确测 量试验过程中土体 吸、 排水的智能非饱和土直剪仪， 可以更加精确 地量测非饱和 土的抗剪强度， 为非饱和土机理研究和模型计算提供数据支持， 同时可以更好地服务工程 需要， 具有重要的学术和工程 意义。 发明内容 [0004]为解决上述问题， 本发明提供一种带有新型冲刷测控系统的高精度非饱和土直剪 仪。 本发明在非饱和土直剪仪中配备一个冲刷测控系统， 主要包括两个部 分； 第一部 分是底 座设计成一个带有坡度的切 面， 在底座内设计出一条弯曲带有倾斜坡度的通道， 同时利用 电动泵使通道中的水循环流动起来不断冲刷陶土板底部， 带走底部的气泡； 第二部分是利 用差压传感器精确测 量去除陶土板底部气泡的吸、 排水量； 该装置可以相对精确测 量出非 饱和土壤中在剪切过程中排出水的体积， 减少误差， 试验成本较低， 更加智能， 并且可以制 作成品， 实现成果 转化， 较为成熟 可靠。 [0005]本发明的技 术方案： [0006]一种带有冲刷测控系统的非饱和土直剪仪， 包括直剪仪主架、 吸力控制压力室、 冲 刷测控系统。 [0007]所述的直剪仪主架包括手轮1、 推动装置2、 台面板3、 变速箱4、 电动机5和支撑架6；说　明　书 1/7 页 3 CN 115452613 A 3