剪切作用（精选十篇）
剪切作用 篇1
1 实验装置
采用直剪仪对模型试样抗剪强度参数[4,5]进行标定,分别测试配比后固结直剪和配比硬化后固结直剪实验,根据两种直剪实验测试结果确定合理的抗剪强度参数指标。实验中基本操作为:首先将配比好的土样堆积密实,利用环刀取样,再将标准样放入实验盒中,放置透水石,施加竖向载荷至固结完毕,开始直剪实验,并记录实验过程数据。根据τ=C+σtanφ,求解C和φ。直剪实验过程见图1。
2 剪切破坏形貌分析
图2和图3分别给出了重塑土和黏性土剪切破坏形貌。从图示分析可以得知,重塑土配比后强度低,C值很小,摩擦角起主要作用,剪切面[6,7]沿规定破坏面表现出很平整[见图2(a)];待重塑土硬化后再进行直剪实验时,在规定破坏面上出现部分凸凹不平,原因在于硬化后C值增加,与摩擦角共同作用下试样剪切面出现局部破坏(见图2(b))。黏土硬化后强度升高很快,C值增加迅速,同时摩擦角也相应得到了提高,试样呈现饼状,直剪实验完成后,个别试样整体未完全散落(见图3中Ⅰ、Ⅱ);黏性土硬化使得土颗粒黏聚力升高,即使剪切面错断,也会形成较大粗颗粒,且在剪切破坏面上形成极不规整的凸凹坑(见图3中Ⅲ、Ⅳ)。
3 抗剪强度参数比较
分别开展各配比不同状态和不同材料配比直剪实验,分别对比不同配比和状态下抗剪实验结果,寻求硬化前后抗剪参数变化规律;进而研究相同状态下不同材料配比的抗剪强度参数变化特征,最终确定模拟实际土体材料C和φ值的合理材料配比。
3.1 各配比不同状态直剪实验对比
通过各配比不同状态直剪实验结果对比可知,相同配比下硬化前后直剪实验结果中黏聚力有明显的提高,硬化后黏聚力为硬化前的3~6倍(3.98、3.73、4.86、5.88);不同材料配比的硬化前后直剪实验结果内摩擦角有所减小,水泥含量越高,内摩擦角减小越明显;黏性土硬化前后内摩擦角数值有一定程度增加,原因在于黏性颗粒硬化后作用力增强[8,9]。
3.2 不同材料配比直剪实验对比
由以上不同材料配比直剪实验结果可知,材料配比从水泥含量为零至比例为4,黏聚力随着水泥比例的增加而不断地提高,在水泥配比为3之前,黏聚力增加较缓,当水泥配比为4时,黏聚力明显提高,说明水泥含量的增加对提高材料强度作用较大;内摩擦角也随着水泥比例的增加而不断地提高,水泥配比为1之前,内摩擦角增加迅速,当继续增加水泥配比时,内摩擦角呈现整体增加且较缓,当水泥配比为4时,内摩擦角出现减小趋势,原因可能在于水泥含量越高,试样强度也越高,而试样变脆一旦破坏后,颗粒摩擦变小所致;原位测试试验中,既要保证模型试样具有一定强度,也要合理模拟实际土体材料C和￠值,因此,选择硅砂∶水泥∶石膏∶水=40∶2∶1∶4较为合理。
4 结论
对固结作用下黏性土和重塑土剪切破坏实验结果分析可知,相同配比下硬化前后直剪实验结果中黏聚力有明显的提高,硬化后黏聚力为硬化前的3~6倍;不同材料配比的硬化前后直剪实验结果内摩擦角有所减小,水泥含量越高,内摩擦角减小越明显;黏性土硬化前后内摩擦角数值有一定程度增加,原因在于黏性颗粒硬化后作用力增强;水泥含量增加材料强度提高,内摩擦角也有所提高,水泥配比为4时,出现减小趋势,试样强度越高脆性破坏越明显,原位强度模拟选取硅砂∶水泥∶石膏∶水=40∶2∶1∶4较为合理。
参考文献
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缔合聚合物在剪切作用下的变化论文 篇2
1室内实验
1.1实验仪器及药品
LVDVⅡ+数字黏度计（美国Brookfield公司）；岛津RF-5301荧光分光光度计；BI-200SM广角激光光散射仪（BrookheavenInstrumentCorp.生产）；NanoscopeⅢa多功能扫描探针显微镜（美国DigitalInstrument公司），Si3N4商用探针；Waring7012G搅切机（美国）。聚合物样品P1（线性水解聚丙烯酰胺，工业品）；聚合物样品P2（疏水缔合聚合物，工业品）。实验用水均以0.45μm滤膜过滤。其他药品为分析纯。
1.2聚合物溶液配制
以蒸馏水、NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、NaHCO3、Na2CO3配制如表1所示组成的现场模拟水，放置24h后以0.45μm滤膜过滤。以模拟水45℃溶解聚合物样品熟化24h后稀释，最终配制为1750mg/L聚合物溶液，以500目滤网（等效粒子直径25μm）抽滤后备用。
1.3聚合物溶液的剪切试验方法
实验中采用Waring7012G搅切机剪切聚合物溶液以模拟配注过程中的实际剪切作用。将500mL配制好的1750mg/L聚合物溶液放入搅切机中，以1档（转速3500r/min）剪切聚合物溶液，剪切10s、20s、30s各500mL，剪切后放置20min备用。这样就制备了不同剪切时间的聚合物溶液样品，用于下文分析测试。
1.4聚合物溶液黏度与特性黏数的测定
以LVDVⅡ+数字黏度计，测定聚合物溶液65℃的黏度，测量转速为6r/min。参照GB12005.1—89和GB/T12005.10—92用乌氏黏度计测定聚合物样品的特性黏数，按下式计算相对分子质量式中［，η］为特性黏数，dL/g。
1.5聚合物水化质点粒径测定
溶液折光指数以阿贝折光仪测定，盐水黏度由乌氏黏度计测定。以动态激光散射法测定溶液中聚合物水化质点粒径，实验仪器为BI-200SM广角激光光散射仪，测试波长532nm，测量角90°，测定范围5~3000nm，使用Contin算法计算平均水化质点粒径。由于灰尘及杂质对测量影响很大，样品及器皿需除尘处理。本实验所用器皿在蒸气冷凝丙酮中洗涤除尘［6］，实验用盐水以0.45μm滤膜过滤。由于聚合物溶液黏度较高，高速离心除尘难以达到除尘效果，并且高速离心和反复过滤有可能造成高聚物分级或降解，因此未采用高速离心或反复过滤的方式除尘。本实验中聚合物干粉在蒸气冷凝丙酮中洗涤除尘后密闭条件下以高功率磁力搅拌溶解。
1.6芘探针法荧光光谱分析
芘甲醇溶液配制：准确称取10.112mg芘，溶解于甲醇后转移到50mL容量瓶中，并用甲醇稀释，配制成1×10-3mol/L的芘的甲醇溶液。芘浓度为1×10-5mol/L的聚合物溶液的配制：用微量取样器取500μL芘甲醇溶液于50mL容量瓶中，通氮气吹干甲醇，加入聚合物溶液摇荡溶解后定容至刻度线，充分摇荡溶解后超声振荡30min，放置24h，按本文1.3节方法剪切聚合物溶液，放置4h后进行荧光光谱测定。测试温度25℃，激发波长337nm，扫描范围350~600nm。
1.7聚合物溶液微观形态观测
用移液管取5μL聚合物溶液滴在新解离的云母片上，用氮气轻吹使液滴铺展成膜。用NanoScopeIIIa型多功能原子力显微镜以敲击模式在空气中观察聚丙烯酰胺的形态。实验温度为20℃，空气湿度38%。
2结果与讨论
2.1缔合聚合物在剪切作用下黏度变化
高分子溶液的力学性质（如黏度）受溶液微观结构决定。缔合聚合物水化分子间由于缔合结构的存在，增加了溶液中水化粒子的体积和结构性，从而提高了溶液黏度。浓度为1750mg/L的缔合聚丙烯酰胺在浓度9368mg/L（离子组成见表1）盐水中仍具有很高的黏度，可达170mPas。图1为缔合聚合物溶液在受到不同条件剪切后黏度变化情况，可以看出，溶液黏度在遭受机械剪切初期就大幅度损失，随着剪切时间的增加，黏度逐渐降低。3500r/min剪切20s后，聚合物溶液黏度为17.8mPas，黏度保留率10.5%；7000r/min剪切20s后，缔合聚合物溶液黏度为9.6mPas，黏度保留率5.6%。机械剪切作用使缔合聚合物溶液黏度发生大幅度损失，影响了其应用性能。而作为对比样品，P1为常规水解聚丙烯酰胺，1750mg/L的模拟水溶液黏度为21.3mPas，3500r/min剪切20s后，黏度为15.5mPas，黏度保留率为72.8%（见图1）。由此可以看出，缔合聚合物溶液黏度比常规水解聚合物溶液高得多，但受到剪切后缔合聚合物溶液黏度保留率要比常规水解聚丙烯酰胺的黏度保留率低得多。
2.2缔合聚合物在剪切作用下分子量与水化质点粒径变化
高黏度是高分子溶液的主要特征之一，产生高黏度的原因主要是（：1）高分子化合物分子所占的体积很大（；2）高分子的溶剂化作用束缚了大量的“自由液体”；（3）高分子之间的相互作用［7］。高分子巨大的分子量是产生以上作用的首要原因。在机械剪切作用下，聚丙烯酰胺同时发生机械降解和化学降解。剪切作用的机械能传递给聚合物分子链时，在聚合物分子链内产生内应力，当此应力能足以克服C—C键断裂的活化能时，导致聚合物分子链断裂；断裂产生聚合物链自由基，自由基通过传递反应影响更多分子链，使聚合物的分子量和分子结构发生变化［8］。图2是不同强度与时间的剪切作用对缔合聚合物黏均分子量的影响。可以看出，与上文所总结的剪切对黏度的影响规律相对应，剪切初期分子量就有明显降低，3500r/min剪切10s时聚合物分子量损失15%，7000r/min剪切10s时聚合物分子量损失35%，随着剪切时间的增加，聚合物黏均分子量逐渐降低，但分子量下降幅度减小；剪切作用时间相同时，剪切速率增加，黏均分子量下降幅度增大。在本实验条件下，3500r/min剪切30s与7000r/min时剪切10s造成的聚合物黏均分子量损失接近，其剪切速度相差2倍，而剪切时间相差3倍，因此，可以认为在其他剪切条件相同的情况下，剪切强度（速率）对聚合物分子量的影响大于剪切时间的影响。动态光散射可以用来研究大分子的流体力学尺寸Rh及其分布［9］。
应用动态激光散射法对缔合聚合物溶液中水化质点平均粒径进行测定，结果表明，强烈的机械剪切作用使聚合物溶液中水化质点体积明显降低，聚合物水化质点粒径由剪切前的531.2nm降低至剪切30s后的160.8nm；放置24h后，水化质点粒径有恢复的趋势（见图3）。图4显示了机械剪切前后缔合聚合物水溶液中水化质点粒径分布的变化。可以看出，机械剪切对聚合物溶液中水化质点粒径的分布造成了影响，体积较大的水化粒子的直径和数量都有大幅降低，说明聚合物溶液中水化粒子体积大的部分容易被机械剪切作用破坏。对比图2、3、4可以看到，缔合聚合物溶液的黏度变化与水化粒子体积的变化规律相符程度较高，剪切初期都有较大幅度降低，而黏均分子量的变化相对平缓。水化质点粒径比黏均分子量的变化大得多，主要是因为缔合作用下，聚合物分子在水溶液中的构象为多个聚合物分子链通过链内或链间的缔合作用结合到一起形成相对独立的微小团块，每个水化粒子是由多个聚合物分子形成，在这些团块间有少量聚合物链通过分子间缔合联合成网络［10］。因此，一方面水化粒子内部的多个分子间通过缔合作用结合在一起，另一方面水化粒子间的缔合作用形成了网络化结构。由于剪切作用不仅造成分子链的降解，也破坏了水化粒子内分子间的缔合作用，使组成团块的分子数量减少，因而微观水化粒子体积比黏均分子量降低的幅度大得多。对比缔合聚合物与常规水解聚丙烯酰胺的实验结果，可明显的看到，常规水解聚丙烯酰胺分子量保留率为74.6%时，黏度保留率72.8%；缔合聚合物分子量保留率为84.9%时，黏度保留率34.3%，分子量保留率为67.9%时，黏度保留率10.5%。很明显，缔合聚合物溶液的黏度损失，不仅是分子量的损失造成的。
2.3缔合聚合物在剪切作用下缔合结构变化
具有荧光特性物质的电子由高能单重态到基态单重态退激而产生的荧光光谱，与物质所处环境密切相关。在疏水缔合聚合物水溶液中，包含疏水和亲水两种微区，芘优先溶进疏水微区中。利用芘的荧光光谱特性对微环境的极性特别敏感，具有随环境极性而变化的特性，通过向缔合聚合物溶液中加入芘作为荧光探针研究溶液中的非极性微区的方法，研究溶液中与缔合微区相关的聚集特性。受到不同剪切条件作用的缔合聚合物溶液的芘探针荧光光谱及相关数据如图5与表2所示。图5中波长373nm处峰强度为I1，波长384nm处峰强度为I3，I3/I1显示芘分子所处微环境极性的强弱，极性越弱，比值越大，反之亦然，即I3/I1显示疏水缔合聚合物溶液中疏水微区缔合强度的变化；波长480nm处峰强度为Ie，是水溶液中非极性微区存在的特征峰，缔合聚合物剪切前后样品荧光光谱中均可见明显激基缔合物发射峰Ie，显示了受到剪切作用前后缔合聚合物溶液中缔合微区的存在，Ie/Im显示了疏水微区数量上的变化［10-11］。从表2可以看出，机械剪切前后各样品I3/I1变化很小，说明机械剪切作用对疏水微区缔合强度的影响很小，缔合强度只和溶剂极性强弱、缔合基团的类型、数量等因素有关。缔合聚合物溶液受机械剪切前后Ie/Im变化明显，并显示了很强的规律性，说明随着机械剪切作用时间的增加，缔合微区数量减少。剪切30s放置24h后样品的Ie/Im数据较剪切30s放置4h样品的Ie/Im有所增加，但仍与剪切前样品Ie/Im有很大差距，说明剪切作用使缔合聚合物溶液中缔合微区数量大量减少，长时间放置（24h）可使缔合微区数量有少量恢复，但无法恢复到到剪切前水平。2.4缔合聚合物在剪切作用下微观溶液形态变化通过原子力显微镜观察1750mg/L缔合聚合物溶液微观形态，图像中暗色部分为云母片背景，亮点显示的是聚合物，以亮度显示垂向尺度（图6）。以原子力显微镜观察聚合物溶液微观形态所显示信息与芘探针法荧光光谱分析和激光光散射分析结果相符：剪切前后溶液样品均可见不规则形状聚合物水化质点，质点间有明显网络结构。剪切后粒子体积和粒子间联系部分尺寸都有明显减小。
3结论
剪切单一复制高效 篇3
关键词：多媒体教学；帮助理解；兴趣欲望；高效课堂
在课堂教学中，仅凭一支粉笔，一块黑板，一张嘴是愈来愈行不通了，这种单一的教学方式与现代化的多媒体教学相形见绌。正因为如此，多媒体教学脱颖而出。
一、多媒体教学激发学生兴趣
对于古诗文教学，学生理解起来有一定的困难，这个时候，我们可以合理运用多媒体，便可以解决这个问题，甚至会收到事半功倍的效果。例如，在教学苏轼《水调歌头·明月几时有》一词时，我利用多媒体制作了相应的背景，创设了一定的意境，同时播放了王菲演唱的这首同名歌曲。让学生迅速地进入了这首词的意境，自然地也就进入了学习状态。这真可谓一石击破水中天，涟漪四起。“涟漪”之一：水到渠成，引入新课。从听觉和视觉上激发了学生的兴趣，使其迅速地、主动地进入学习状态；“涟漪”之二：课前，得到了美的熏陶，美的享受。通过音乐安抚了学生紧张的心灵。“涟漪”之三：使学生深深感悟到：原来“词”也可以谱上曲子来唱，难怪人们经常说“歌‘词”，“歌‘词”大概就是这个意思吧！“涟漪”之四：王菲那悠扬婉转的歌声，视频上那赏心悦目的意境，使学生对这首词的内容有了基本的了解。
二、多媒体教学帮助学生理解
古诗文中一些句子，学生理解起来有点吃力，老师讲解起来也有点费神，老师用语言表达出来，学生又很难听明白。这时如果用上多媒体，效果就会完全两样。《水调歌头·明月几时有》中有这么一句话：“转朱阁，低绮户，照无眠。”要学生按照字面理解，难以表达，就是表达出来，心中也难以领会其意象。于是，我便做了一个多媒体课件：在一個村落画了一红色楼阁，其上有雕花门窗，一轮皎洁的月亮，高悬天空。通过演示，让学生看到，月亮慢慢地移动，月光从东窗移向了前窗，既而又移向西窗，通过窗户照进了空空荡荡的楼阁。演示后，我出示一个问题：通过视频演示，你们都看到了什么？谁能用自己的话把它表达出来？同学们都会争先恐后回答：一轮圆月转过朱红色楼阁，低低地照在雕有花纹的窗户上。紧接着我又抛出一问：假设苏轼就在这楼阁里，联系课文，发挥想象，又该怎么说？——“一轮圆月转过朱红色的楼阁，低低地照在雕有花纹的窗户上，诗人辗转反侧，久久难以入眠。”“同学们的眼睛真毒，表达能力真强。那么，在如此夜阑人静，万物沉睡之际，唯作者辗转床榻，彻夜难眠，他在想什么呢？”他可能在想：与自己阔别7年，素未蒙面的胞弟……毋庸多说，现已泾渭分明，学生对课文内涵的挖掘，可以说是淋漓尽致。而这一切都得益于多媒体在课堂教学中的合理运用。
三、多媒体教学激发学生写作欲望
作文教学自古以来就是语文教学中的一大难题。为了避免学生写作空洞无物，空发议论，空抒情感，适时合理地运用多媒体教学，在一堂课中，有音乐、有图片、有看的、有听的，形式多样，或许能解决这个问题。例如，学生学习朱自清的散文《春》后，我给学生布置了一篇题为《感受大自然》的作文。为了让学生打开写作思路，写出来的作文有血有肉，并且有真情实感。我让学生亲自感受自然，触摸心中的美。学生的思路打开了，写作文的欲望有了；写出来的作文自然就言之有物了，也就自然是自己真实感情的流
露了。
剪切作用 篇4
在众多的下料方法中,剪切法是一种重要的下料方法,具有生产效率高、无材料损耗、能耗小及成本低等优点。随着科学技术和工业生产的不断发展,通过剪切钢管来获得所需的毛坯件在工业生产中的应用已越来越广泛。然而,在钢管的剪切过程中,不同的剪切间隙会对钢管的剪切质量造成不同的影响。间隙过小,刃口处产生的裂纹在两侧裂纹中间部分将产生二次剪切,使断面中部产生撕裂面,并在剪切断面出现挤长的毛刺;间隙过大,钢管弯曲和拉伸变形增大,拉应力增大使裂纹出现在离开刃口稍远的侧面上,从而使光亮带减小,圆角和断裂斜度增大,毛刺增大。因此,只有当剪切间隙合理时,两侧的裂纹才会重合,此时钢管断面虽有一定的斜度,但断面平直、光洁,毛刺很小[1]。为了研究剪切间隙与剪切质量的关系,对几种不同剪切间隙下的钢管剪切分别进行了有限元分析。
1钢管剪切过程概述
钢管在剪切过程中,将钢管放入钢管剪切装置的动、静模具中,通过动、静模具对钢管进行剪切。为防止钢管受剪时切口变形,在钢管中加入芯棒。其中,静模与固定芯棒将钢管固定在模具中,动模与活动芯棒按设定轨迹进行运动,动模从钢管的外壁向内切入,活动芯棒从钢管的内壁向外切出,一起将钢管切断,其结构图如图1所示。
2钢管剪切过程的有限元分析
由于钢管的剪切过程是将钢管置于模具中进行的,所以将钢管剪断的力并没有直接作用在钢管上,而是作用在模具上,通过模具将钢管剪断。所以应对钢管剪切过程进行接触分析。又由于钢管在剪切过程中发生了大的变形,超过了屈服极限,属于非线性过程。因此,综合以上两方面,对钢管剪切过程进行的分析属于状态非线性分析。下面采用ANSYS12.0对钢管剪切过程进行分析。
2.1建立几何模型
用于剪切实验的钢管选用20钢,其参数分别为弹性模量EX=2.06×1011Pa,泊松比NUXY=0.3,应力—应变关系数值见表1,根据表1绘制应力—应变的关系曲线如图2所示。用于剪切试验的模具参数为弹性模量EX=3.6×1011Pa,泊松比NUXY=0.3[2]。
实验所选钢管外径为42.2mm,内径为31.6mm;模具外径为79mm,内径为42.2mm;芯棒直径为31.6mm。由于模具与芯棒长度相等,取模具与芯棒长度为10mm,钢管的剪切间隙为0.6～1.4mm,所以钢管长度为40.6～41.4mm。由于钢管剪切整体模型具有对称性,所以只需建立一半模型即可。
2.2划分网格
首先定义钢管、模具和芯棒的单元类型,因三者的模型均为立体模型,所以选择solid brick 8node45单元类型,并选择手动划分网格。一般来说,网格的划分越细,网格数量越大,计算结果越精确,但同时计算规模也会增大,所以,在划分网格时要综合考虑各个因素。对于钢管,由于剪切带附近区域为敏感区域,所以对此区域划分较细,周向划分为40等分,轴向宽度范围为0.6～1.4mm,划分为2～3等分,径向划分为6等分;对于剪切带两侧区域,周向划分为40等分,轴向划分为10等分,径向划分为6等分。对于钢管外部两侧模具,周向划分为50等分,轴向与径向均划分为15等分。对于钢管内部两端芯棒,周向长度划分为50等分,轴向与径向均划分为15等分。进行网格划分后的效果图如图3所示。
2.3设置接触对
钢管在剪切过程中,剪切间隙两侧部分外侧与模具接触,内侧与芯棒接触。为防止模具与芯棒在对钢管进行剪切的过程中接触表面相互穿过,因此,在钢管与模具和钢管与芯棒的接触表面间应建立接触对。由于剪切过程是模具与芯棒对钢管进行剪切,所以将模具和芯棒表面与钢管接触处作为“目标”面,钢管表面与模具和芯棒的接触处作为“接触”面。又已知所建模型为3D模型,因此选用Targe170模拟“目标”面,Conta173模拟“接触”面。钢管与模具和钢管与芯棒共有4对表面相互接触,故应建立4对接触对。建立接触对后的效果图如图4所示。
2.4施加约束与载荷
首先,因只建立了关于xoz面对称的一半模型,故应对模具、钢管与芯棒的xoz面进行y向约束;其次,对左侧模具和芯棒的左侧面及钢管的左侧面进行z向约束,对左侧模具的外表面进行x向约束;再次,对右侧模具与芯棒的右侧面进行z向约束;最后,对右侧模具的外表面在x负方向上施加1.0mm的位移载荷。
2.5求解
设置分析类型为大位移静态分析,迭代子步为25步,并且记录每一步。分析完成后的计算迭代收敛曲线如图5所示。
2.6查看求解结果
在钢管剪切过程中,分别将其剪切间隙设置为0.6mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm和1.4mm进行有限元分析,分析后的整体模型应力云图如图6所示,各剪切间隙下的钢管受剪部分应力云图和应力等值线图分别如图7和图8所示。
3结果分析
根据钢管的应力分布,可以初步判断裂纹产生的起始位置及扩展方向。已知等效应力首先达到断裂极限的位置将首先产生裂纹,前面分别对剪切间隙在0.6～1.4mm的钢管剪切过程进行了分析,从分析结果中分别将各剪切间隙下钢管受剪区域及其附近等效应力最接近钢管断裂极限的节点找出,则该点就是首先产生裂纹的地方。以1mm剪切间隙为例,钢管受剪区域及其附近各节点的等效应力分析结果如图9所示。通过图9即可找出最大等效应力节点。在找出最大等效应力节点之后,根据该节点各个方向的应力情况即可计算出裂纹的方向角。在剪切过程中,剪切带及其附近应力节点的受力情况及方向角α可简化为如图10所示。
为使图10所示简图中各方向的应力与分析结果中各方向的应力对应,取图10中σ1方向为x方向,σ2方向为y方向,σ3方向为z方向。为便于计算,将对各节点的分析简化为二向应力状态分析,即只对xoz平面上剪切带及其附近的节点进行分析计算。根据材料力学知识,可得出以下公式[3]:
根据以上公式,编制Matlab程序,并将0.6～1.4mm各剪切间隙下的剪切带及其附近的等效应力最接近钢管断裂极限的节点所受的各个方向的应力的相应数据导入程序中,则可得出钢管受剪区域裂纹产生的方向角,见表2。
根据表1中所示数据,可绘制出剪切间隙与裂纹方向角的关系曲线如图11所示。
已知要获得较好的断面品质,需使钢管受剪区域产生的上、下裂纹刚好重合,即如图12所示。因此,剪切间隙不能太大,也不能太小,需满足以下关系式[1]:
c=(t-b)tanβ式中:c——剪切间隙;t——钢管壁厚;
b——产生裂纹时模具挤入钢管的深度;
β——剪裂纹与垂线间的夹角。
从上式可知,合理的剪切间隙与t,b和β三个因素有关,要想获得合理的剪切间隙,三个要素要符合上述关系式。
通过进行上述分析知最大拉应力导致裂纹的产生,如何判断裂纹的产生条件,模拟分析裂纹的扩展有待进一步探讨与尝试。
4结语
本文采用有限元分析软件ANSYS对不同剪切间隙下的钢管剪切过程进行了分析,采用接触类型单元处理模具与钢管的贴合与分离,提高了准确性,并通过对分析结果进行比较得出了剪切间隙与断面品质的关系。
摘要：采用有限元分析软件ANSYS对不同剪切间隙下的钢管剪切过程进行了有限元分析,并对分析结果进行讨论,探讨了钢管剪切间隙与剪切质量的关系。通过设置接触类型单元处理模具与钢管的贴合与分离,提高了分析的准确性。
关键词：有限元分析,剪切间隙,剪切质量
参考文献
[1]齐克敏,丁桦.材料成形工艺学[M].北京:冶金工业出版社,2006.
[2]徐灏.机械设计手册1[M].2版.北京:机械工业出版社,2000.
剪切与挤压电子教案 篇5
教学目标：
1、了解剪切与挤压的概念；
2、掌握剪切与挤压强度计算。
3、利用剪切与挤压强度条件解决工程实际问题。培养分析问题和解决问题的能力。教学重点：
1、剪切与挤压的受力特点、变形特点；
2、剪切与挤压强度计算。
3、挤压面积计算。课时安排： 3课时 教学过程：
一、复习：
1、拉压强度
2、拉压变形
二、新课教学：
1、剪切的概念（剪切变形的特点）：
1)受力特点 杆件两侧作用有大小相等，方向相反，作用线相距很近的外力。2)变形特点 两外力作用线间截面发生错动，由矩形变为平行四边形。
maxlNmaxANLEAE
2、挤压的概念：联接和被联接件接触面相互压紧的现象。构件发生剪切变形时，往往会受到挤压作用。例：铆钉孔被铆钉压成长圆孔。
挤压：发生在两个构件相互接触的表面。压缩：发生在一个构件上。
3、剪切的强度计算： 计算剪切面上的内力
实用计算法：假定切力在剪切面上的分布是均匀的。
保证构件在工作时不发生剪切破坏，强度条件为
剪切强度条件也可用来解决强度计算的三类问题：校核强度、设计截面和确定许可载荷。
4、挤压的强度计算：
认为挤压应力在挤压面上的分布是均匀的。
挤压面积的计算： 1）当接触面为圆柱面的一部分（螺栓、销钉、铆钉）：
其中，d为圆柱体的直径(mm)，δ为被联接件的厚度(mm)2）接触面是平面时，接触面积为挤压面积 保证构件局部不发生挤压塑性变形，强度条件为
挤压强度条件也可以解决强度计算的三类问题。
注意：当联接件与被联接件的材料不同时，应对挤压强度较低的构件进行强度计算。 讨论：
不属于剪切破坏的是（）
A、铆钉连接 B、键连接
C、钢板用对接焊缝连接 D、钢板用填角焊缝连接
5、例题分析：教材例3-
4、例3-5。
三、小结：
1、剪切概念、内力、应力；挤压概念、内力、应力。
2、剪切与挤压强度
四、作业：练习册
视频画面剪切 也能轻松自如 篇6
安装运行狸窝全能视频转换器，单击左上角的“添加视频”按钮，通过资源管理器可以添加一个或多个FLV、MP4等格式的网络或手机视频文件。单击“视频编辑”按钮，打开“视频编辑”对话框，单击“剪切”标签，既可以在左侧的原始视图中，通过拖动八个视频画面控制按钮来剪切画面大小，也可以通过下方的设置框进行剪切，注意要保留原来的字幕内容，并在“缩放”下拉列表中选择“全景（保持长宽）”项，避免视频画面失真。单击“确定”按钮，就可以完成一个视频画面的剪切工作，返回主程序界面。此外，在“截取”标签下，还可以截取部分时长的动画片作为一个独立的文件，在“水印”标签下，还可以为剪切后的视频文件设置水印效果等。
在主程序界面的左下方，可以设置视频文件的转换格式、质量和存储位置等信息（如图2），单击“高级设置”按钮，还可以选择详细的视频、音频转换方案。如果一次要剪切多个视频文件，则需要勾选“应用到所有”项；如果要合并剪切后的多个视频文件，则需要勾选“合并到一个文件”项，单击右下方的“执行”按钮，很快就可以完成视频的剪切转码等操作。
多股线缆剪切痕迹特征研究 篇7
多股裸线线缆, 顾名思义即是全部裸露的多股线, 如普通高压电线。所选用的承痕客体为铝质多股裸线线缆, 其整体直径为13mm, 单股线的直径约为2.5mm。从其横截面可以看出此多股裸线线缆可分为外、中、内三层, 最外层有11根单股裸线组成, 中间一层有6根单股裸线组成, 最内层仅有1根单股裸线。
多股裸线线缆在被断线钳剪切时所形成的痕迹与断线钳剪切其他大直径客体所形成的痕迹有一定的相似之处, 但由于多股裸线线缆自身结构的特殊性与复杂性, 其被断线钳剪切后在断头上所形成的痕迹也具有一定的独特性。例如:多股裸线中的个别单股在受剪切时, 因受挤压而产生位移使线痕扭曲, 出现单股线上的印压痕迹与周围各股上的印压痕迹明显不连贯的现象。
2 实验过程及方法
2.1 实验器材
在本次实验中, 主要的实验仪器有:断线钳、铝质多股裸线线缆、比对显微镜、立体显微镜、橡皮泥、透明胶带、手锯等。
2.2 实验样本的制作
由于断线钳没有明确的里刃、外刃和上刃、下刃之分, 并且多股线与单股线是两种不同的客体, 多股线在剪切时, 各股受力不均, 股与股之间互相挤压, 容易引起剪切痕迹的变化。在提取剪切断头时, 方法不当容易使断头松散, 股与股之间关系不易理顺, 给检验研究增加了难度。为了更准确的制作出合格的检验样本, 采用以下方法:将断线钳一端的其中一刃用胶带纸进行粘贴, 并在上面书写一“外”字, 这一刃称之为外侧下刃, 同侧另一刃则为外侧上刃。
对多股线被断线钳剪切后所形成的断面一端的各单股线进行数字编号, 以避免在随后所进行的单股线线条对接比对时顺序发生混乱给检验增加不必要的麻烦。编号方法:以内层单股线的立顶中点为原点, 以平行于内层单股线的立顶的直线为横轴, 以垂直于立顶的直线为纵轴, 把剪切优越面作为一、四象限, 把挤压优越面作为二、三象限, 然后把最外层的靠近纵轴的单股线编号为1, 按顺时针旋转依次编号为2-11, 同理把中间一层的单股线编号为12-17, 内层的单股线编号为18。
2.3 实验步骤
用透明胶带将多股裸线线缆的剪切断头一端紧紧包裹, 然后截取一个长约1cm的断头。用上述方法得到其它的几个断头, 并把整个断头放在立体显微镜下进行观察。
把断头一端的透明胶带除去, 然后把每一单股线的断头放在立体显微镜下进行观察并把观察到的断面特征用文字记录下来。
因为在样本制作过程中已将各单股断头进行了数字编号, 所以可直接把编号相同且是断线钳同一刃口部位所剪切的各单股断头放在一起作为一个组。并把同一组的两个单股断头分别放在立体显微镜下进行观察。
断线钳在剪切多股裸线线缆时, 单股断头因受到挤压往往会产生位移, 这就需要把编号比较接近的不同组的两根单股线放在比对显微镜下进行观察比对。如把多股线断头上编号为5的单股线与另一根多股线断头上编号为4或者是6的单股线进行观察比对。
把两根多股裸线线缆的剪切样本断头中具有立顶的单股线断头按“一”字形排列。进行重点的观察比对检验。
由于所选用的断线钳具有咬合间隙, 且铝质多股裸线线缆的强度比较小, 因此在用断线钳剪切时不能完全剪断, 还需用手把线缆扭断。这时在断头上常常会留下能够清晰反映断线钳刃口特征的断头立顶碎屑, 对于这些碎屑也应进行观察。
3 实验结果与讨论
3.1 坡面的痕迹特征
通过实验发现铣削纹线比较粗大的刃侧加工特征特定性较差, 而铣削纹线比较细小的刃侧加工特征特定性稍强。
在实验中所采用的多股裸线线缆整体直径为13mm, 通过实验得出多股线的断头在挤压优越面上的挤压优越性比较强, 痕迹的形象接近工具上加工特征的形貌, 即能够原本的反映断线钳刃侧的加工特征原貌, 剪切优越面上的伴随线条痕迹比较少。
纹线比较粗大的铣纹特定性本已较差, 再通过材料发生压缩变形反映到痕迹中, 就将更差了。实际工作中一定要注意, 不能把断头坡面上的这种“线条” (压缩变形形成) 当作线条痕迹 (剪切变形形成) 进行接合认定。若剪切优越面上有可供接合的线条痕迹 (刃口或刃侧突出部位剪切形成) , 可以利用这些线条痕迹为主要认定依据;如果剪切优越面上没有可供接合的线条痕迹, 则应重点利用剪切优越面上痕止缘特征, 因为痕止缘与工具刃口对应的刃口的空间形态是由相邻两个加工面 (刃顶和刃侧) 相交所决定的, 刃顶加工形成的表面特征, 会破坏刃侧铣纹痕的重复性, 从而大大提高了刃口形状的特定性。
用断线钳剪切金属客体, 在对口开始切入而未切断客体时, 刀片刃口是以圆柱销为轴咬合, 作弧线运动, 与客体的剪切面是动态接触。对口斜面上的加工花纹和磨损特征在客体剪切面上形成擦划线条即动态接触痕迹。这与钢丝钳剪切客体形成痕迹的原理相似。但这种动态接触痕迹大部分被随后产生的静态接触痕迹所覆盖, 反映不理想。但铝质多股裸线线缆的硬度较小, 断头是被剪切到底的, 则这种动态接触痕迹擦划线条反映好, 痕迹底部反映出刀片刃顶的形态特征。如果刀片刃口有较严重的损伤, 如卷刃, 所形成的动态接触痕迹较深, 不被静态接触痕迹完全覆盖, 这样的擦划线条痕迹特征反映比较稳定, 具有一定的鉴定价值。
3.2 立顶的痕迹特征
断线钳的刃部是由两片对称钳刃组成, 剪切时两个刃呈对口咬合状态, 由于多股线缆的直径较大, 钳刃在剪切时, 刃口与刃顶几乎同时压入客体, 当工具停止剪切的瞬间刃顶以印压接触留下印压痕迹, 以凸凹坑丘的形状反映出刃口与刃顶的特征。
影响因素主要有断线钳刃口的咬合间隙和刃顶的宽度。在剪切的断头上, 立顶部位的宽度可反映出断线钳的咬合间隙。一般情况, 咬合间隙大则立顶宽, 反之则立顶窄。钳刃刃顶的宽窄不一, 在一定的条件下, 刃顶宽则断头立顶高, 反之, 刃顶窄则断头立顶低。
由于所选用的断线钳已经被使用过很长一段时间, 其刀片刃口变钝, 并具有一定的咬合间隙, 所以在多股线缆的断面上有若干单股线具有断头立顶。经检验, 立顶表面及其周围具有线条痕迹或凹陷痕迹, 这是刃口以印压形式在断头剪止缘部位形成的凹陷痕迹以及刃顶以印压形式在断头立顶处形成的凹陷痕迹与线条痕迹。这两种痕迹形态明显, 稳定性好, 能够准确的反映出断线钳的刃口特征, 是很好的认定依据。
4 结论
通过对断线钳剪切多股裸线线缆的研究, 得出如下结论:
4.1 在多股裸线线缆的剪切断头中处于剪切优
越面上的具有剪止缘痕迹的单股断头与具有断头立顶的单股线断头上的线条痕迹和凹陷痕迹稳定性好, 鉴定价值比较高。
4.2 在多股裸线线缆的剪切断头中处于挤压优
越面上的具有断头立顶的单股线断头上的凹陷痕迹比较稳定, 具有鉴定价值。
4.3 在有18根单股线所组成的多股线缆中, 在
一、四象限上靠近横轴的编号为12、17的单股线, 在二、三象限上靠近横轴的编号为14、15的单股线, 及由横轴穿过的编号为3、9、13、16、18单股线上的痕迹特征比较稳定, 具有鉴定价值。
参考文献
[1]张书杰.工具痕迹学.[M].北京:中国人民公安大学出版社.
[3]赵连文, 李冀, 王居思, 谭铁军.线缆剪的加工特征及痕迹反映[J].中国刑警学院学报.
[4]欧阳常青.断线钳剪切多股线痕迹的检验[J].中国刑警学院学报, 2000 (3) .
飞剪剪切控制系统改造 篇8
关键词：飞剪,控制,改进
0 引言
飞剪是板材热连轧线的关键设备之一, 其工作的稳定性及剪切精度直接影响到整条轧线的生产, 并对产品质量和成材率产生较大影响。在某些情况下, 若飞剪工作不正常, 会因叠轧等原因造成堆钢或者重大的设备事故。安钢1780热连轧主要工艺流程:加热炉→R1两辊轧机→R2四辊轧机→切头切尾剪→精轧机组→卷取机。精轧机组由四辊七机架连轧机 (F1-F7) 组成。飞剪控制系统采用西门子公司的SIMA-DYN D全数字控制系统对各机架实现电机控制, 并用通信线连接, 在系统中实现监视和统一管理。SIMA-DYN D控制系统用以实现飞剪传动交交变频同步电机矢量变换运算, 通过现场总线实现与远程I/O站的数据交换, 与上位机的数据传输以及与用于实现故障诊断、运行监控画面之间的信息传递由通信网络完成。针对飞剪主传动可控硅性能欠佳、飞剪切头速度低、飞剪剪切跟踪不完善等缺陷, 提出改造方案, 以提升主传动的可靠性, 提高飞剪切头速度和剪切精度, 提高产品成材率。
1 飞剪的剪切控制
1.1 飞剪的组成
飞剪采用转毂式结构, 由一台2800k W交流电机通过齿式联轴器与主减速机相连, 主减速机输出端通过鼓形齿联轴器与下转毂相连。上下转毂间由同步齿轮相连。当电机转动时带动下转毂转动, 上转毂也同时转动, 由装在上下转毂上的剪刃剪切带坯。切头剪、切尾剪位于精轧除鳞机前, 由传动装置、机架本体、剪切机构、剪刃间隙调整装置、剪刃更换装置等部件组成。切头时, 剪刃速度应与飞剪前辊道的速度 (即板材运行速度) 同步;切尾时, 剪刃速度应当与F1机座的咬入速度同步。剪刃采用喷水冷却, 夹持装置为张力弹簧 (液压松驰) , 剪刃由专用工具更换, 在主电机和主减速机之间设液压安全联轴器。
1.2 飞剪的任务
飞剪的任务:切头、切尾, 将中间坯头尾形状不规则部位去除, 以便精轧区域能够顺利地咬钢、抛钢。
1.3 主要参数
切头切尾剪设备系统, 型式:转毂式;剪切能力:50 (60) ×1630mm;剪切温度:≥900℃;剪切应力:140 N/mm2 (板坯厚度为50mm) 、120N/mm2 (板坯厚度为60mm) ;剪切力:13700k N;剪切带坯速度:0.5~2.5m/s;剪刃长度:1780mm;剪刃布置型式:双剪刃90°;转鼓中心距:1280mm;剪刃圆弧半径:19330mm;剪刃重合度:max 5mm;剪刃间隙:0.6~0.9mm;主传动减速机速比:21.78;主传动电机:AC 2300k W, 600r/min, 1台;辊子传动电动机:AC 6k W, 133r/min, 调速, 2台;料头横移小车:AC 18k W, 1500r/min, 1台。
2 飞剪剪切控制系统的优化改造
2.1 飞剪主传动可控硅性能改造
2.1.1 环境对可控硅的影响
可控硅对温度有严格要求, 实际应用中技术人员发现当可控硅温度超过41℃时, 可控硅性能会急剧下降, 导致大电流由可控硅阴极串入脉冲功放板隔离变压器, 致使隔离变压器烧损脉冲丢失。经实际测量, 可控硅表面温度比环境温度高6℃左右, 室内温度达到35℃以上发生故障的次数远远大于室内温度低于35℃。
改造措施:在功率柜室增加实时温度监控, 放置交交变频柜的房间室温要求不高于35℃, 在实际的应用中, 控制温度在30℃以下, 保证功率柜良好运行。
2.1.2 脉冲功放板对可控硅的影响
脉冲丢失将造成可控硅不能导通, 则其他可控硅将承担全部负载, 经过一段时间运行后势必造成可控硅击穿, 产生系统重故障停车。除可控硅元件质量因素外, 可控硅脉冲触发线松动、触发插头表面氧化是导致可控硅烧损的主要因素。脉冲功放板的脉冲触发线与可控硅的连接一般采用焊接或螺母压紧的方式, 但SIMADYN D主传动功率柜脉冲线采用插接方式。
经过长时间运行, 震动、环境温度等外界因素会造成插头松动, 插头和插座间接触电阻增大, 产生接触压降, 影响触发信号的稳定;另外, 压降在插头和插座间形成火花, 加速了插头及插座的氧化, 使脉冲的触发功率急剧下降, 导致可控硅不能正常导通。
改造措施:对所有功放板插头进行打磨处理, 使插头表面光洁, 减小压降;对插件重新压接, 保证可靠接触, 从而减小接触压降。
2.1.3 可控硅性能改造
可控硅性能下降导致电机电流、转矩出现尖峰, 电流尖峰会对可控硅造成恶性循环损伤。
针对可控硅绝缘性能下降的问题, 利用检修期间将飞剪可控硅全部更换为性能良好的ABB可控硅, 避免由于可控硅自身性能不好而造成击穿事故。
2.2 飞剪剪切速度低, 制约生产节奏的提高
轧线节奏提高之后, 飞剪的剪切速度需要跟随轧线的节奏。在完成对主传动的可控硅更换、飞剪跟踪优化改造之后, 飞剪切头速度的提升得到了保证。
在主传动的控制系统中, 技术人员在程序中降低了飞剪的速度提升斜坡时间, 增加了飞剪辊道速度和飞剪切头时的速度。修改完成后, 主传动阶跃测试及在生产中的带载测试均能满足设计需求, 切头速度由原来的1m/s提高到1.2~1.3 m/s。
2.3 飞剪剪切跟踪不完善, 易造成剪切异常堆钢
2.3.1 飞剪切头技术优化
存在的问题:飞剪优化剪切未投用, 钢种变化时常造成剪切不稳定;轧制过程中飞剪偶尔出现不切头现象, 导致薄规格时轧废。
改进措施:
(1) 结合厂部的成材率攻关, 采用扫描式热检对中间坯尾部进行位置修正, 采用跟踪数据优化扫描式热检对尾部的标定数值, 投用优化剪切功能。改造后, 扫描式热检正头尾位置比较稳定, 钢种变化对于剪切的影响不明显, 操作人员可根据实际情况输入修正量, 达到良好的剪切效果, 减少了头尾剪切的损失。
(2) 对薄规格的头部剪切问题进行程序完善:在精轧不允许进钢时, 针对飞剪前热检信号会在中间坯停止并会在正向启动时丢失的问题, 增加头部位置的判断, 来确保头部正常剪切, 避免不切头造成废钢;针对节奏较快时飞剪剪切逻辑出错的问题, 增加剪切完成判断延时, 避免头尾间距造成的废钢。
2.3.2 飞剪切尾技术优化
飞剪跟踪存在的问题:热检、激光测速仪、扫描式热检的检测信号容易受到现场水汽的影响而异常, 从而触发飞剪剪切功能;辊道速度由二级下发, 但随着轧线节奏的提高, 二级下发会出现异常, 中间辊道第六组速度下发异常时, 会导致飞剪切尾异常, 造成堆钢。
改进措施:优化飞剪跟踪程序, 在跟踪程序中添加过滤器和逻辑判断功能。通过过滤器过滤异常信号, 避免现场水汽对检测信号的干扰。逻辑判断主要用于判断检测信号是否异常, 和过滤器共同实现对检测信号的精确判断, 避免误信号的产生。而对于中间辊道第六组速度, 加入第五组的速度逻辑判断, 当扫描式热检存在, 而第六组辊道速度出现异常, 采用第五组辊道速度来完成对带钢尾部的跟踪, 实现精确切尾。
2.4 提升飞剪剪切稳定性和精度, 提高产品成产率
2.4.1 提高剪切稳定性
(1) 与相关专业配合, 通过采取减少测速仪下辊道冷却水、在除鳞机和飞剪前增加横向吹扫水等措施, 降低水对测速仪的干扰。
(2) 在满足剪切速度的前提下, 适当增大传动的速度给定加减速时间, 以减小电机启动、制动时的电流, 避免传动过电流跳闸。
2.4.2 提高剪切精度
(1) 钢板上异物对飞剪前热检信号的干扰, 常导致飞剪提前剪切, 造成废钢。针对该问题, 优化跟踪程序:如果热检信号掉了以后在很短时间 (小于出钢节奏时间) 内再来, 此块钢不允许飞剪动作, 避免钢板上掉下异物引起飞剪误切。
(2) 原程序中切头、切尾时的钢板位置均利用激光测速仪修正, 但是激光测速仪非常容易受干扰, 导致位置修正出错, 造成剪切不稳定。为此, 切头时增加飞剪前扫描式热检位置修正, 切尾时增加飞剪前高温计位置修正, 确保头尾位置计算和修正正确, 解决了厚规格管线钢或其它中间坯翘头时切头过大的问题。
(3) 优化切尾控制。原来精除鳞出口夹送辊下压动作的位置跟踪仅由测速仪决定, 测速仪受干扰没有速度反馈会导致钢板位置跟踪出错, 引起精除鳞出口夹送辊不下压, 导致钢板尾部无法利用夹送辊编码器进行精确位置计算, 造成尾部剪切长度不稳定。为此, 对中间坯位置跟踪进行优化, 即在测速仪正常时采用测速仪的速度, 测速仪没有速度反馈时采用辊道速度, 提高了切尾的稳定性和精度。
(4) 为避免在废钢处理时飞剪的误动作, 修改程序, 只要轧线快停就将飞剪切到OFF模式, 节省了操作工处理废钢的时间, 避免了操作工失误引起的飞剪误动作。
3 结语
通过对飞剪剪切控制系统的优化改造, 提升了主传动的可靠性, 提高了飞剪切头速度、轧线的生产节奏, 提高了剪切精度, 特别保证了薄规格产品的顺利生产。
参考文献
[1]张梅, 王万新, 王庭宽, 等.T400剪切工艺板实现飞剪控制[J].电气传动, 2006, 36 (6) :58-60
[2]葛延津, 陈栋, 高峰.飞剪的定位控制[J].控制与决策, 2003, 18 (5) :604-606
浅谈土的直接剪切实验 篇9
1.1 概念
所谓直接剪切实验, 是指在某一特定面上剪切土的试件, 直接测定该面上的剪应力和抗剪强度的实验。直接剪切实验的主要目的是, 根据已知剪切面上的垂直应力σ与抗剪强度T的关系, 求强度参数c和φ, 以提供稳定检算及确定土体材料性能之用。目前, 直接剪切实验大部分是单面剪切实验 (区别于扭曲剪切和单纯剪切) , 只有1个剪切面, 是将土试件的一侧 (上半部或下半部) 沿剪切面与土试件的另一侧平行错动的剪切实验。直接剪切实验 (直剪实验) 是室内测定土体抗剪强度的一种常用方法。通常用4个试样, 通过测定, 便可方便地为土木工程治理、加固及破坏分析提供所需的土体抗剪强度参数:粘聚力c和内摩擦角φ。该方法因其快捷方便, 结果处理简单, 几经改进后现被广泛采用。也是测定土的抗剪强度最简单的和最老的试验方法。
1.2 分类
按剪切前土的固结程度, 剪切时排水条件以及剪切加荷快慢, 把直剪试验分为快剪、固结快剪、慢剪。同一种土用同1台仪器做试验, 如果采取的试验方法不同, 测得结果往往差别很大, 有时甚至相差十分悬殊, 工程负责人应根据模拟现场条件, 选择接近实际情况的试验方法是非常很重要的。
快剪 (不排水剪) :试样在垂直压力施加后立即进行快速剪切, 试验全过程都不允许有排水现象产生。适用于施工进度快, 排水条件差, 如斜坡的稳定性, 厚度很大的饱和粘土地基。
固结快剪 (固结不排水剪) 试样在垂直压力下, 经过一定程度的排水固结后, 再进行快速剪切。适用于一般建筑物的地基稳定性, 施工期间有一定的固结作用。
慢剪 (排水剪) 试样在垂直压力下, 排水固结后慢慢地进行剪切, 剪切过程中孔隙水可自由排出。一般工程的正常施工进度都不符合这样的条件, 所以, 工程试验中较少直接采用。
2 直剪试验的原理和仪器
2.1 原理
直剪仪分应变式直剪仪、应力式直剪仪两种。应变式直剪仪能够较准确地测定剪切变形曲线的峰值和最后值, 室内较多采用应变式。试验时用环刀切出厚为20mm的圆形土饼, 将土饼推入剪切盒内, 分别在不同的垂直压力P下, 施加水平剪切力进行剪切, 使试样在上下盒之间的水平面上发生剪切至破坏。求得破坏值的剪切应力τ然后根据库伦定律确定土的抗剪强度参数:内摩擦角和凝聚力c。
2.2 仪器
实验仪器一般有:直剪仪、剪切盒、垂直加压框架、剪力传动装置、测力计以及位移量测系统、位移计 (百分表) 环刀、天平、削土刀、饱和器、滤纸、润滑油等组成。
3 直接剪切试验理论
直接剪切试验可直接测出预定剪破而上的抗剪强度, 所用直剪仪为手摇式电动直剪仪。剪切速率有4转/min, 6转/min, 12转/min, 3min~5min剪完, 如果遇到软粘土没有明显峰值时, 则取某一剪位移 (如4mm) 相对应的剪应力作为它的抗剪强度当土体内某部分的剪应力达到了它的抗剪强度, 该部分就开始出现剪切破坏或产牛塑性流动, 最终导致一部分土体产牛滑动, 即整体破坏。剪切试验就是测定土的抗剪强度和强度参数的, 土的抗剪强度规律的表达式为:Tr=C+σlg (φ) 式中:Tr为土的抗剪强度 (k Pa) σ为作用于剪切面上的法向应力 (k Pa) ;c为土的凝聚力 (k Pa) , 对非粘性土c=0;φ为土的内摩擦角 (度) 。
这一公式是剪切试验的理论基础, 根据这一简单公式形成了现行的各种稳定分析方法。
由该式可知, 非粘性土的抗剪强度仅山土体之间的摩阻力形成, 且与法向应力σ成正比, 而粘性土的抗剪强度则包括摩阻力和凝聚力两部分, 后者不随其而改变;对于高塑性粘土其中值很小, 抗剪强度以凝聚力为主, 所以在进行稳定分析时可近似取中二φo。
当然, 影响土的抗剪强度的因素很多, 特别是与土中孔隙水压力的大小有非常密切的关系, 即使是同一种土, φ、中值也不是一个定值, 而是随试验方法与排水条件的不同而发生变化的。天然的原状土样并非都是均匀的, 土壤在成土过程中受到各种因素的影响, 有的土壤含有粗颗粒和砂砾, 有的含有芦根、草根等杂物, 在切土时切入环刀, 有的土在取样过程中受到扰动等等, 所以在剪切过程中, 如何根据不同试验方法合理的选择c、φ值是很重要的。经验做法是同一种土固结快剪c值应当停偏小, φ值应当偏大;饱和快剪值应当偏大, φ值应当偏小;自然快剪则居其中。
如果试验方法相同而土质不同, 在选择c、φ值时就要注意土质的特性, 如果是粘土值c要大, φ值要小, 如果是粉性较大的轻亚粘土值c要小, φ值要大, 亚粘土则居其中;砂土等于零。
4 直剪试验存在的问题
在试验过程中主应力的方向不断变化。当试样剪破时, 靠近剪力盒边缘的应变最大, 而试样中间部分的应变相对要小得多, 剪切面附近的应变又大于试样顶部和底部的应变。所以, 在剪切过程中, 特别是在剪切破坏时, 试样内部的应力和应变既非均匀又难确定。
由于直剪仪构造简单, 试样在剪切时不能严格控制排水, 不能量测试验过程中试样内孔隙水压力的变化。
土往往是不均匀的。直接试验的剪切面限于上下盒之间的平面, 而不同沿土样最薄弱的面剪切。
在剪切过程中, 垂直荷载发生偏移, 土样的剪切面逐渐减小, 但在计算强度时, 仍按土样的原截面积计算。
5 提高直剪试验质量的办法
避免土体结构的严重破坏, 应在取土样方法和设备, 土样运输以及室内试验操作方法等方面, 尽量避免土样扰动。
在剪切过程中, 直剪仪手轮应连续匀速转动, 不应有停顿间歇, 以免试样受力不均匀, 否则, 所测得的剪应力与匀速转动所测得的剪应力有差别, 特别在接近破坏时, 影响更大, 故手轮持续不断地匀速转动。
土是不均匀的, 密度、含水量是影响抗剪强度的重要因素, 因而测定试验前的密度、含水量可以了解试样的均匀性, 按其变化规律来判断试验成果的正确性。
固结快剪, 剪切前要使试样在垂直荷载下充分固结, 快剪应在施加垂直荷载后, 快速施加水平剪切力, 以4~6转/min的均匀速度旋转手轮, 使试样在3min~5min内剪损, , 其目的是为了在剪切过程中尽量避免试样有排水现象, 能保持孔隙水压力基本不消散, 密度基本不变。
新的直剪仪或用久了的直剪仪, 使用过程中的磨损、搬动, 应对直剪仪进行定期检修和校正工作, 包括仪器是否安置稳固;称垂直加压盘、加压框架、加压盖板、透水石等总质量;加压框架竖杆;手轮每转一转, 横轴应前进0.2mm, 法码重量, 量力环率定等, 确保试验的精度提高试验的质量, 减少由仪器给试验带来的误差。
6 结语
直剪仪构造简单, 试样的厚度薄, 固结快, 试验历时短, 操作方便, 仪器盒的刚度大, 试样没有侧向膨胀的可能, 根据试样的竖向变形量就能直接算出试验过程中的试样体积变化, 虽然也有诸多缺点, 但至今在工程实践中仍广泛应用, 也积累了很多宝贵的经验数据, 给出的抗剪强度值仍然有实用价值。当然, 测试土的抗剪强度参数的试验方法很多, 我们可以根据工程的实际情况选择试验方法, 以满足工程设计的需要。
摘要：直剪试验是最直接的抗剪强度的测定方法, 其设备简单, 操作简易。本文简单介绍了实验室内的直剪切实验, 并提出试验中存在的问题及如何提高其试验质量的相关方法。以供参考。
冻土剪切特性的试验方法综述 篇10
冻土的抗剪强度是指冻土体抵抗剪切破坏的极限能力, 当冻土体受到荷载作用后, 冻土各点将产生剪应力, 若某点的剪应力达到其抗剪强度, 在剪切面两侧的土体将产生相对位移而产生滑动破坏, 这种滑动首先是从局部开始, 随着荷载的继续增加, 土体中的剪应力达到抗剪强度的区域愈来愈大, 最后各滑动面连成整体, 土体将发生整体剪切破坏而丧失稳定性。
冻土的抗剪强度是计算建筑物地基土的极限强度, 计算各类围护结构物的强度, 以及计算受剪切荷载作用下冻土体的稳定性的依据。然而冻土属于流变体, 冻土的抗剪强度与冻土的生产环境和过程、外载大小和特征、含盐量、土性、土的含水率、温度和土颗粒组成等因素有关, 其中温度、土性、生成环境和荷载过程是影响冻土强度的主要因素[1]。因此, 采用合理的试验方法就显得非常重要。
2 相关试验方法调研
实验室内测定冻土抗剪强度指标的仪器有球模仪、直接 (变角) 剪切仪、扭剪仪及冻土三轴压缩仪等, 对应的试验方法有球形压模试验、直接 (变角) 剪切试验、扭剪试验及三轴压缩试验。而室外测定冻土抗剪强度指标的有原位试验。
2.1 球形压模试验。
如果按照对理想粘性非强化体的塑性理论的严密解, 假定硬度与流限应力之比为一常数0.36。崔托维奇提出了粘性土 (其中包括所有分散性冻结和非冻结粘土、分散性冻结砂及冰) 的粘聚力计算公式:
式中:p-施加于球形压模上的荷载;D-球形压模的直径;St-球的沉落值, 不同时间间隔有不同的数值, 并与1947研制了球模仪[2]。将球模仪是将放在试样表面, 借助外力P, 球的沉降从开始加载时一直测量得到土的变形实际上完全停止时为止。由此, 可以绘制出冻土的完整长期强度曲线, 通常将载后的使球下沉10秒时的应力作为瞬时强度。青藏冻土力学研究组 (1976) 对青藏公路的原状土, 马世敏 (1983) 为了确定青藏沿线冻土进行了球形压模试验[3]。
2.2 直接 (变角) 剪切试验。
直接 (变角) 剪切试验可直接测出试样在预定剪切面上的抗剪强度。直接 (变角) 剪切试验通常采用4个试样, 分别在不同垂直压力p下, 施加水平剪力进行剪切, 求得破坏时的剪力τ, 然后根据库仑定律确定冻土的抗剪强度指标。直接 (变角) 剪切仪本身有很多缺点, 但由于操作简单、试样制备容易、试验费用低等优点, 得到广泛采用。梁惠生等 (1980) , 利用国产WE-60型万能材料试验机, 对冻结砂土的瞬时强度进行了初步研究, 得到了冻结砂在不同温度下 (-5℃、-10℃、-15℃和-20℃) 的抗剪强度与正应力之间的关系式[4], 试块剪切面积为10×10cm, 土样剪切面与主平面的夹角分别成35°、45°、60°。Knutsson, S. (1981) 研究了冻结砂、冻结粉土、冻结粘土以及冰晶的剪切强度。对试样进行了48h的等向和单向冻结, 然后在对其进行直剪试验, 试验温度为-15℃[5]。Brian J.A.Stuckert等 (1983) , 介绍了大型土-冻土直剪系统, 试样尺寸30cm×30 cm×30 cm, 用热敏电阻控制剪切面的温度[6]。K.A.Czurda, M.Hohmann (1997) 研究了在开放和封闭系统下, 不同冻结时间、不同的冻结温度下, 冻结对粘土抗剪强度的影响。封闭系统的温度为-3℃到-5℃, 开放系统的温度为-0.4℃到-2.5℃。剪切试验在直剪仪上进行, 所用试样高度2cm, 直剪7.12cm, 剪切速率0.03m/s[7]。李栋伟 (2004) 利用自行研制的WDT-100冻土性能试验机内进行, 试验采用变角剪切试验方法:每组试样分别安装30°、45°、60°和75°四种固定剪切面通过应变控制进行剪切试验, 试验温度为-5℃、-10℃和-15℃[8]。
2.3 扭剪试验。
对冻土扭剪性质的研究, 由于其试验方法难得较大, 国内外的研究比较少。彭万巍, 张建明等 (1995) , 对冻结黄土进行了扭转试验, 试验温度为0到-10℃, 得到了扭剪强度。所有试验在青山试验机厂生产的NJ-100B型扭转试验机上进行[9,10,11]
2.4三轴压缩试验。
冻土三轴仪是测量冻土抗剪强度较为完善的仪器, 但其设备负责, 试验操作繁琐, 试验费用较高等缺点, 国内只有少数的几家冻土研究单位拥有, 使用及研究不是很普及。国内外对冻土进行了很多三轴剪切试验研究, 但试验的压力比较高一般都超过1Mpa, 只有少数研究的应力小于1Mpa, 取得了很多有意义的结论。陈湘生 (1992) 并对人工冻土的瞬时剪切强度进行了三轴试验研究, 试验温度-5℃~-25℃[12]。李昆等 (1993) 对深部粘土进行了不同固结-冻结过程的三轴剪切对比试验, 试验温度-10℃[13]。吴紫旺 (1994) 对兰州冻结砂进行了三轴抗剪试验研究[14,15]。马巍 (1995, 1996, 1999) 对兰州冻结砂和淮北淤泥质粘土进行了三轴压缩试验的研究, 试验温度为-2℃~-15℃, 围压从0~22MPa[16,17,18]杨平 (1995) 对两淮地区的深厚粘土人工冻土进行了三轴试验研究, 试验温度-5~-25℃[19]。戚家忠 (1999) 对祁东矿的人工冻土进行了三轴试验研究[20]。孙星亮等 (2005) 对冻结粉质粘土进行了3种负温 (-3℃、-6℃和-10℃) 、4种低围压 (0~1Mpa) 条件下的三轴试验[21]。王丽霞等 (2005) 对青藏铁路冻结粉质粘土进行了动静三轴试验, 试验温度为-2℃和-12℃[22]。张照太 (2006) , 对深部人工冻土的的力学性能进行了三轴试验研究, 试验温度为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃[23]。张世银等 (2007) , 介绍了一种W3Z-200型多功能冻土三轴试验机[24]。李生生 (2007) , 介绍了中国矿业大学的TATW-500土与冻土动静态三轴试验系统。可进行土与冻土静态、动态单轴和三轴试验, 主要用于研究土与冻土在三向应力 (σ1、σ2=σ3) 作用下的物理力学特性及冻土的疲劳力学特性[25]。
2.5 原位测试。
原位试验是为了研究岩土体的工程性质, 在现场原位地层中进行有关岩土体物理力学性质指标的各种测试方法的总称。Sean J.Fitzsimons等 (2001) , 对位于南极洲维多利亚大陆上的Suess冰河的冰层和底层的强度和特性进行了研究, 并对36个试样进行了应变速率为0.85mm/h的原位直剪试验, 试验温度-14℃[26]。鲁先龙等 (2004) , 对新疆皇吉220kv输电线路天山段多年冻土进行了原位直剪试验[27]。沈宇鹏 (2007) , 对青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基土的抗剪强度进行了现场抗剪强度试验[28]。
3 结论
通过上述分析可知:目前确定冻土抗剪强度的室内试验方法有球形压模试验、冻土直接 (变角) 剪切试验、扭剪试验、三轴压缩试验以及原位测试, 每种方法都有其优缺点。