[发明专利]一种金属圆盘-土界面剪切力学行为综合测定装置及使用方法

权利要求书

1.一种金属圆盘-土界面剪切力学行为综合测定装置的使用方法，其特征在于，该测定装置包括：

试验台，其上设有试样腔；

液压加载系统，设置在所述试验台上，以对试样腔内的试样施加轴向载荷；

所述液压加载系统包括承力支架和液压油缸，所述承力支架固定于试验台之上，所述液压油缸固定在所述承力支架的横梁上，所述试样腔顶部设有与其适配且带有排水排气阀的加载板，所述加载板的顶端与所述液压油缸的活塞杆相连；

还包括剪切系统，所述剪切系统包括固定在所述承力支架横梁上的伺服电机，所述伺服电机的旋转轴贯穿所述加载板与试样腔内的剪切圆盘相连接；

所述试样腔上设有加水压孔、孔压计、排水孔及加温装置，所述加水压孔通过管道与汽水交换器连通；所述剪切圆盘上设有温度传感器，所述伺服电机的旋转轴上设有扭矩传感器以及转速传感器，所述试样腔的侧壁上设有孔压计，所述液压油缸的活塞杆与所述加载板之间设有压力传感器；

该使用方法包括如下步骤：

步骤一：在试样腔内填充土样并将剪切圆盘预埋在土样中，填土至规定高度后，盖上加载板使其与试样顶部刚好接触；

步骤二：关闭加载板上的排水排气阀门及试样腔下部的排水孔，利用汽水交换器内置加温设备对其中的水加热到规定温度后打开汽水交换器与试样腔间的阀门为土样施加规定高度的水头直至水头稳定；

步骤三：打开加温装置设定试验温度为试样腔内土样加热至规定温度；

步骤四：启动液压油缸预设规定的轴向压力，通过加载板对土样进行加压，加压过程中通过伺服压力控制系统保证压力的稳定与均衡；

步骤五：每隔一定时间记录一次加载板的下降量，直至加载板位置稳定，并得到土样的最终压缩量h；

步骤六：利用伺服电机控制剪切圆盘转动提供初始扭矩M₁；拆卸试验设备，取出土样，重复步骤一至步骤五，启动伺服电机，带动剪切圆盘以一定速度转动，并记录旋转扭矩M₂；

步骤七：保持剪切圆盘旋转规定时间后停止伺服电机，拆卸剪切圆盘，记录剪切圆盘下表面粘附的土样重量m，粘附土质量m除以剪切圆盘下表面积，即得到在设定水头H，设定温度T下单位面积剪切圆盘上粘附土的量k，如下式：

其中：k表示土在剪切圆盘上的粘附量(kg/m²)，m表示圆盘上粘附土的重量(kg)，D表示圆盘直径(m)；

试验扭矩M2减去初始扭矩M1即为修正后的扭矩值M，剪切圆盘-土界面的粘附强度，计算公式如下：

其中：α表示土与剪切圆盘间的剪应力(Pa)，M为修正后的扭矩值(N·m)，D为剪切圆盘直径(m)；

步骤八：记录剪切圆盘剪切前后的质量变化Δm，变化质量Δm除以剪切圆盘上下表面积之和，即可计算在设定水头H，设定温度T下土在剪切圆盘界面上的单位面积磨损量：

其中：q表示土对剪切圆盘的单位面积磨损量(g/cm²)，Δm表示圆盘剪切前后的质量变化(g)，D表示圆盘直径(cm)；

步骤九：根据施加在加载板上的力T，结合加载板的面积可计算整个试样腔内的总应力：

其中：σ为试样腔内的总应力(Kpa)，T为加载板上施加的轴力(Kn)，S为加载板的面积(m²)；

由于试样腔内通过汽水交换器施加了一定水头，根据有效应力原理计算出试样所受的有效应力：

σ’＝σ-Hγ_w

其中：σ为试样腔内的总应力(Kpa)，H为汽水交换器施加水头高度，γ_w为水的重度(Kn/m³)；

步骤十：根据试验与计算结果分析粘附性、磨蚀性在不同总应力、有效应力、温度状况下的响应关系。

2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：在土样与试样腔内侧壁之间设有滤纸，在土样的顶部和底部分别设有覆有滤纸的多孔板。

3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述伺服电机的旋转轴与所述试样腔同轴设置。

4.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述试样腔的截面为圆形。