[发明专利]一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法

说明书

本发明公开了一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，包括步进电动机、剪切盒、垂向荷载装置、量力环、位移传感器、电源、数据采集卡和控制器；剪切盒的两侧分别与步进电动机、量力环连接，剪切盒分为上剪切盒和下剪切盒两个部分，下剪切盒与步进电动机输出轴连接，上剪切盒与量力环连接，上剪切盒顶部设有垂向荷载装置，量力环内部安装有位移传感器，位移传感器通过数据传输线与数据采集卡电连接，数据采集卡与控制器电连接，位移传感器、数据采集卡和控制器均与电源电连接。本发明可以实现对软岩、土试样的自动剪切试验，自动记录、呈现数据，同时对整组试验进行自动分析，提供岩体的抗剪强度参数，减少人员投入，提高土工试验效率。

技术领域

本发明涉及一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，尤其适用于土、软岩试样抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)的快速、智能、准确测定，可以有效的减少本试验需要投入的人员数量，提高试验效率。

背景技术

边坡工程和地基基础工程等研究领域需要进行大量的土工试验和岩石力学试验以测定岩、土体的物理力学参数，并用于边坡和地基的稳定性评价。对于软岩和土构成边坡或地基，其岩/土体的抗剪强度参数是决定边坡或地基稳定性的关键。目前，土工直剪试验是测定软岩和土体抗剪强度参数的基本方法，所采用的主要设备为应变控制式土工直剪仪。该设备操作简单、携带方便、应用成本较低，但是，需要有两名人员同时参与、协同合作才能完成试验，而且整个设备的智能化较低，目前还未实现数据的自动采集和参数的自动分析。对于软岩边坡地质勘探所采取的岩芯抗剪强度的测定不及时，随着岩芯数量的不同，存在不同程度的滞后性，而软岩抗剪强度参数的实时准确测定则决定着边坡稳定性评价的准确性和可靠性。因此，必须要提高土工直剪仪的工作效率，实现智能采集和分析。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种智能应变控制式土工直剪仪及数据采集分析方法，应用成本低、节省实验人数、操作简单等优点，更具有推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种智能应变控制式土工直剪仪，包括步进电动机、剪切盒、垂向荷载装置、量力环、位移传感器、电源、数据采集卡和控制器；

剪切盒的两侧分别与步进电动机、量力环连接，剪切盒分为上剪切盒和下剪切盒两个部分，下剪切盒与步进电动机输出轴连接，上剪切盒与量力环连接，上剪切盒顶部设有垂向荷载装置，量力环内部安装有位移传感器，位移传感器通过数据传输线与数据采集卡电连接，数据采集卡与控制器电连接，位移传感器、数据采集卡和控制器均与电源电连接。

进一步的，所述的位移传感器设置在靠近上剪切盒一侧的量力环的内壁上。

一种土工直剪数据采集分析方法，包括以下步骤：

a.步进电动机以固定转速驱动下剪切盒运动，与上剪切盒形成错动以剪切试样；

b.位移传感器实时将量力环形变数据信号传输给数据采集卡，数据采集卡将采集的变形信号传输到控制器中；

c.控制器对变形信号实验进程中的数据进行统计分析，采用max函数从数据列表中选择最大值S_max，然后用该最大值S_max乘以量力环的变形系数ω，得到该实验岩样的剪切强度τ，即τ＝S_max·ω；

d.进行n个不同垂向荷载σ条件下的剪切实验，得到n个剪切强度τ，采用线性回归分析得到垂向荷载σ与剪切强度τ的摩尔-库伦函数关系：其中C为岩样的黏聚力，为岩样的内摩擦角；

线性回归分析的方程为：

其中，a为黏聚力C，kPa；b为

e.由摩尔-库伦函数关系式：提取C值作为岩样的黏聚力；提取的值，并进行三角变换，得到的角度值。