[发明专利]利用剪切仪进行双轴加载的试验装置及其使用方法

权利要求书

1.一种利用剪切仪进行双轴加载的试验装置，其特征在于所述试验装置由加载系统和变形监测系统组成；

加载系统由2个压杆外接头(1)、2个带球铰的压头(2)、基座(4)和上部压头(9)组成；

所述基座(4)为方形钢板，沿方形钢板四条边的中垂线分别向内开有T型槽(3)，四条T型槽(3)的截面相同，T型槽(3)的截面呈倒“T”形；

所述压杆外接头(1)的外形呈圆柱状，圆柱一端为内凹的球形面，圆柱另一端为平面，所述平面的中心位置处设有螺孔；带球铰的压头(2)的外形呈正方形板状，方形板的一个侧面为平面，另一个侧面为外凸的球形面，所述外凸的球形面和所述内凹的球形面的曲率半径及球面度相等；上部压头(9)为正方形平板；

变形监测系统由计算机(5)、应变仪(6)、10个笔式位移传感器(7)和2个传感器支架(8)组成；

传感器支架(8)为由上部的“十”字状钢板和底部的平板底座组成的整体；所述“十”字状钢板与平板底座相互垂直，侧面呈“L”状；所述平板底座为中心开有固定圆孔的平板；所述“十”字状钢板的中心处开有中心圆孔，在所述中心圆孔的上方、下方、左方和右方的位置处对称地开有安装孔，中心圆孔与四个安装孔的孔距均为试件(11)边长的0.20倍，在传感器支架(8)的侧面开有中心圆孔和4个安装孔对应的拧紧螺孔，拧紧螺孔内拧有紧固螺钉；

10个笔式位移传感器(7)分别安装在2个传感器支架(8)的5个圆孔中，分别用拧紧螺孔中的紧固螺钉固定对应的笔式位移传感器(7)，每个笔式位移传感器(7)的电源线与应变仪(6)对应的通道接口连接，应变仪(6)通过USB数据线与计算机(5)连接。

2.根据权利要求1所述利用剪切仪进行双轴加载的试验装置，其特征在于所述中心圆孔与四个安装孔的孔径相同，所述孔径均与所述笔式位移传感器(7)安装处的圆柱名义尺寸相同。

3.根据权利要求1所述利用剪切仪进行双轴加载的试验装置，其特征在于所述上部压头(9)边长为试件(11)边长的0.94～0.96倍；所述2个带球铰的压头(2)边长为试件(11)边长的0.94～0.96倍。

4.如权利要求1所述利用剪切仪进行双轴加载的试验装置的使用方法，其特征在于：

步骤一、安装加载系统

先将2个压杆外接头(1)通过螺纹分别与剪切仪的2个水平压杆(10)对应连接，然后在2个压杆外接头(1)和2个带球铰的压头(2)的球形面上分别涂抹高粘性阻尼脂，压杆外接头(1)外凸的球形面和带球铰的压头(2)内凹的球形面耦合接触；再将基座(4)放置在剪切仪的水平工作台上，调节基座(4)的上平面与压杆外接头(1)轴线的垂直距离为试件(11)边长的0.5倍，将试件(11)置于基座的中心位置处，在试件(11)的上平面放置上部压头(9)；

步骤二、固定试件(11)

启动剪切仪，先通过剪切仪的竖向压杆(12)和上部压头(9)向试件(11)施加0.5Mpa的竖向预应力，再通过剪切仪的两个水平压杆(10)和对应的带球铰的压头(2)向试件(11)的两侧施加0.5Mpa的水平预应力，试件(11)得到固定；

步骤三、安装变形监测系统

用螺栓穿过T型槽(3)和平板底座的固定圆孔将2个传感器支架(8)分别固定在基座(4)上，2个传感器支架(8)分别位于试件(11)的前后两侧；再将10个笔式位移传感器(7)分别装入2个传感器支架(8)上的5个圆孔中，调节笔式位移传感器(7)的监测探头与试件(11)的表面接触，再用拧紧螺孔内的紧固螺钉将笔式位移传感器(7)固定，然后将10个笔式位移传感器(7)的电源线与应变仪(6)的10个通道接口对应连接，应变仪(6)通过USB数据线与计算机(5)连接，计算机(5)内安装应变仪(6)的应用软件；

步骤四、加载及变形监测

先启动应变仪(6)，再启动计算机(5)，打开应变仪(6)的应用软件；设置：“监测方式”为传感器，“测量单位”为mm，“桥路选择”为全桥，“采集方式”为监测采集，“采集间隔”为0.04s；

点击“监测采集”按钮，同时通过剪切仪对试件(11)开始加载：先通过剪切仪的竖向压杆(12)对试件(11)施加竖向载荷至设定的第二主应力，然后保持设定的第二主应力恒定；再通过剪切仪的水平压杆(10)对试件(11)施加水平载荷，逐步增大试件(11)的第一主应力，待加载自动结束后，点击“停止采集”按钮，停止对试件(11)表面的变形监测；

步骤五、试验数据获取和处理

利用剪切仪导出剪切仪水平压杆(10)的水平位移ΔL₁和施加的水平载荷F₁，同时导出剪切仪竖向压杆(12)的竖向位移ΔL₂和施加的竖向载荷F₂；利用计算机(5)导出试件(11)的未加载方向的变形ΔL₃，然后利用EXCEL软件将由剪切仪获取的数据和由计算机(5)获取的数据置于同一.xls格式文件中；

试件(11)的第一主应力σ₁：

式(1)中：F₁—试件(11)承受的水平载荷，N，

S—试件(11)承受的水平载荷的面积，m²；

试件(11)水平方向的应变ε₁：

式(2)中：L₁'—试件(11)在水平载荷F₁作用下的水平边长度，m，

L—试件(11)在水平载荷F₁作用前的水平边长度，m，

ΔL₁—试件(11)在水平载荷F₁作用下的水平边长度的变化量，m；

由步骤四设定的第二主应力σ₂和步骤五中的式(1)和式(2)，可得试件(11)的应力-应变曲线；

试件(11)竖直方向的应变ε₂：

式(3)中：L₂'—试件(11)在竖向载荷F₂作用下的竖向边长度，m，

L—试件(11)在竖向载荷F₂作用前的水平边长度，m，

ΔL₂—试件(11)在竖向载荷F₂作用下的水平边长度的变化量，m；

试件(11)未加载方向的应变ε₃：

式(4)中：L₃'—试件(11)在载荷作用下未加载边长度，m，

L—试件(11)在载荷作用前的水平边长度，m，

ΔL₃—试件(11)在载荷作用下未加载边长度的变化量，为10个笔式位

移传感器(7)监测的变形数据的平均值的2.0倍，m；

试件(11)的体积应变ε_v：

ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃ (5)

式(5)中：ε₁—试件(11)水平方向的应变，

ε₂—试件(11)中竖直方向的应变，

ε₃—试件(11)未加载方向的应变；

在式(2)～式(5)中，设定试件(11)的应变值以试件(11)发生的压缩变形为正，发生的膨胀变形为负；由步骤五中的式(2)～式(5)，可得试件(11)的体积变形曲线。