專利名稱：土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置，該裝置可廣泛 應(yīng)用于土與結(jié)構(gòu)相互作用條件下的巖土邊坡工程、基坑防護(hù)工程、具有軟質(zhì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的 水利水電與礦山等地下工程的剪切試驗(yàn)。
背景技術(shù)：
巖土工程中普遍存在土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸問題，如邊坡防護(hù)工程中土與抗 滑樁、錨桿索、擋墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，水利水電等地下工程中層間錯(cuò)動(dòng)帶土與硬質(zhì)母巖接 觸。接觸面的力學(xué)特性與本構(gòu)模型是研究土與結(jié)構(gòu)相互作用及支護(hù)設(shè)計(jì)最為重要的依據(jù)。 目前，國內(nèi)外對(duì)接觸面的相關(guān)研究主要還是基于宏觀認(rèn)識(shí)方面，對(duì)接觸面剪切變化過程的 細(xì)觀分析非常缺乏。迄今為止，開展室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)仍然是研究接觸面力學(xué)特性最 為有效的方法之一。在進(jìn)行土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切試驗(yàn)方面，采用的傳統(tǒng)剪切儀，主要由 上、下剪切盒、承壓板、水平和豎直 方向的力加載裝置及測(cè)試系統(tǒng)組成。中國專利公開號(hào)為 CN200410061351. X，發(fā)明創(chuàng)造名稱為“巖土力學(xué)直剪試驗(yàn)系統(tǒng)”，該申請(qǐng)案公開了一種巖土 力學(xué)直剪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)由外框架、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒及測(cè)量系 統(tǒng)組成。該系統(tǒng)在剪切試驗(yàn)過程中，隨著剪切位移的發(fā)生，上下剪切盒的錯(cuò)動(dòng)使得剪切面積 逐漸減小，從而導(dǎo)致應(yīng)力值增大，最終使得試驗(yàn)結(jié)果不可避免產(chǎn)生誤差。并且，該剪切儀的 上、下剪切盒均由封閉鋼板組裝而成，試驗(yàn)過程中只能通過傳感器測(cè)讀接觸面外在宏觀特 征的變化，如水平和法向荷載、位移等。對(duì)土與結(jié)構(gòu)相互作用接觸面的剪切試驗(yàn)可視化細(xì)觀研究方面，有的研究人員通過 X射線照相技術(shù)來觀測(cè)剪切帶的變化，該試驗(yàn)可以有效地觀測(cè)到剪切帶，但試驗(yàn)操作復(fù)雜， 剪切帶的識(shí)別比較粗糙，也無法準(zhǔn)確定位。也有學(xué)者通過潛望鏡觀測(cè)接觸面的變形特性，具 體做法是在土與結(jié)構(gòu)物的接觸面附近安裝微型潛望鏡，通過潛望鏡觀測(cè)相對(duì)位移沿接觸面 的分布，但缺點(diǎn)是不能定量獲得土體剪切帶的厚度及變形等因素的變化。還有學(xué)者通過數(shù) 碼相機(jī)透過有機(jī)玻璃記錄顆粒位移情況，在這一方面，《巖土工程學(xué)報(bào)》2001年23卷4期上 發(fā)表的名稱為“土與結(jié)構(gòu)物接觸面物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究”的文章，該文章中公開了一種土 與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切試驗(yàn)的可視化技術(shù)方案，采用了全有機(jī)玻璃的上剪切盒裝置，接觸面 結(jié)構(gòu)物用鋼板進(jìn)行模擬，并且由于受到有機(jī)玻璃抗壓、抗剪性能的限制，相對(duì)剪切位移由手 輪施加，法向應(yīng)力由杠桿加載系統(tǒng)施加，因此，該系統(tǒng)只適用于小尺寸試樣、低垂直和水平 荷載的試驗(yàn)條件，再加上其測(cè)量系統(tǒng)采用量力環(huán)和百分表，精度較低，不能滿足巖土工程中 土石混合體等大型直剪試驗(yàn)要求。其次，《巖土工程學(xué)報(bào)》2003年25卷2期上發(fā)表的名稱 為“大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀的研制及應(yīng)用”的文章，該文章中也公開了一種接 觸面變形的細(xì)觀測(cè)試技術(shù)。在土體容器推車中設(shè)計(jì)了一個(gè)有機(jī)玻璃視窗，其剪切試驗(yàn)接觸 面也為結(jié)構(gòu)面板。該細(xì)觀測(cè)試技術(shù)的缺陷在于結(jié)構(gòu)面板和土體接觸帶設(shè)計(jì)了一個(gè)不透明 的擋板，以防止試驗(yàn)過程中土體側(cè)向擠出，而這一土擋板結(jié)構(gòu)在很大程度上限制了剪切帶 的全面觀察和細(xì)觀分析的有效性，因?yàn)閷?duì)于土和土石混合體這類介質(zhì)，在室內(nèi)試驗(yàn)尺寸的限制條件下，其剪切帶的厚度往往很薄，其范圍一般只有幾個(gè)mm或者l-2cm。并且，該大型 試驗(yàn)機(jī)較為龐大，僅適用室內(nèi)試驗(yàn)研究，不能裝卸和運(yùn)輸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)。此外，上述技 術(shù)方案和系統(tǒng)均缺乏對(duì)剪切帶及其土體內(nèi)部細(xì)觀變化的定量分析，如獲得剪切帶的厚度、 顆粒位移矢量、土或土石混合體顆粒的滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)、破碎和錯(cuò)位等運(yùn)行形式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在的缺陷，同時(shí)面向室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，提供一 種土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置。其技術(shù)解決方案為土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置，該裝置 包括外框架、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、上剪切盒、下剪切盒、測(cè)量系統(tǒng)組成，在上剪切 盒下端兩側(cè)壁沿剪切方向設(shè)置有透視窗，透視窗外正前方中部固定裝有攝像裝置，攝像裝 置通過連接座固定在上剪切盒，攝像裝置垂直于透視窗，上剪切盒和下剪切盒的長度比為 1 1.2。所述的上剪切盒、下剪切盒分別采用鋼板并通過螺栓連接，透視窗鑲嵌在上剪切 盒下端沿剪切方向的兩側(cè)壁內(nèi)，其厚度與上剪切盒的壁厚一致。所述的上剪切盒與下剪切盒的接觸面設(shè)有滾珠排，滾珠排的長度和下剪切盒長度一致。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝 置，由于直接在上剪切盒下端設(shè)置了透視窗，透視窗可實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸面剪切帶進(jìn)行全范圍的 觀測(cè)，克服了以往試驗(yàn)全過程中無法直接有效觀測(cè)和記錄剪切帶變形和運(yùn)動(dòng)形式的缺陷； 其次，透視窗是鑲嵌在上剪切盒中，不影響上剪切盒的剛度，仍可實(shí)現(xiàn)大荷載條件下的剪切 試驗(yàn)；再次，采用加長的下剪切盒，改變了原裝置中上下剪切盒寬度一致的結(jié)構(gòu)，有效避免 了試驗(yàn)過程中因剪切面積逐漸減小而帶來的測(cè)試誤差；此外，攝像裝置通過連接座固定在 上剪切盒上并位于透視窗正前方，攝像裝置與上剪切盒同步移動(dòng)，確保了試驗(yàn)過程中圖像 采集的穩(wěn)定性，并有效克服了非同步觀測(cè)帶來的圖像失真和定量分析的復(fù)雜處理。本發(fā)明 結(jié)構(gòu)合理，拆卸方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)剪切試驗(yàn)過程中接觸面剪切帶的全范圍觀測(cè)，測(cè)試結(jié)果可靠 性高。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是圖1的俯視圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置作進(jìn)一 步詳細(xì)的描述。見附圖，本發(fā)明剪切試驗(yàn) 裝置由外框架18、水平和垂直加載系統(tǒng)，剪切試驗(yàn)可視化 裝置、測(cè)量系統(tǒng)組成。剪切試驗(yàn)可視化裝置的基本結(jié)構(gòu)主要包括上剪切盒1、下剪切盒2、透 視窗3、加強(qiáng)鋼板4、鋼螺栓5、攝像裝置15、連接座16、滾珠排17 ；水平和垂直加載系統(tǒng)包括 方形承壓板6、滾軸排7、千斤頂10、水平推力桿13、電機(jī)14、吊環(huán)孔19 ；測(cè)量系統(tǒng)包括垂直荷載傳感器8、水平荷載傳感器9、垂直位移傳感器11、水平位移傳感器12。上剪切盒1和 下剪切盒2是由鋼板拼接而成，鋼板之間通過鋼螺栓5連接，方形承壓板6的邊長略小于上 剪切盒1和下剪切盒2的內(nèi)腔邊長，方形承壓板6和加載板之間設(shè)有滾軸排7，垂直位移傳 感器11對(duì)稱安裝在加載板上，加載板上方設(shè)置有垂直荷載傳感器8和千斤頂10，上剪切盒 1與下剪切盒2的接觸面設(shè)有滾珠排17，滾珠排17的長度和下剪切盒2長度一致。水平荷 載傳感器9安裝在水平推力桿13和上剪切盒1之間，而水平位移傳感器12安裝在上剪切 盒1前端，水平荷載通過水平推力桿13連接電機(jī)14施加，而垂直荷載則通過千斤頂10提 {共。 透視窗3鑲嵌在上剪切盒1下端兩側(cè)壁剪切方向上，攝像裝置15通過連接座16 固定在剪切盒1上，位于透視窗3正前方中央并垂直于透視窗3。在上剪切盒1和下剪切 盒2的前后端面四個(gè)邊角上，設(shè)置加強(qiáng)鋼板4，加強(qiáng)鋼板4采用鋼螺栓分別固定在上剪切盒 1和下剪切盒2的四個(gè)邊角上，加強(qiáng)鋼板4可以有效地防止剪切盒在壓力作用下發(fā)生變形。 上剪切盒1內(nèi)裝土體、土石混合體或軟質(zhì)層間錯(cuò)動(dòng)帶材料，下剪切盒2內(nèi)裝不同接觸特征的 硬質(zhì)材料，如混凝土、金屬板和巖石等。當(dāng)接觸面剪切試驗(yàn)裝置獲得電機(jī)14和千斤頂10施 加的水平和垂直荷載后，其水平和垂直位移通過位移傳感器11、位移傳感器12采集，而水 平和垂直荷載則由荷載傳感器8、荷載傳感器9采集。下剪切盒2長于上剪切盒1，其長度 比例為1.2 1，該設(shè)計(jì)有效避免了試驗(yàn)過程中因剪切面積逐漸減小帶來的試驗(yàn)誤差。圖2 所示上剪切盒1的頂端有兩個(gè)吊環(huán)孔19，這樣可以通過桁吊或者起重裝置吊起上剪切盒1 ， 從而方便拆卸整個(gè)裝置和清除下剪切盒2中的土樣殘?jiān)Ｔ囼?yàn)全過程中接觸面剪切帶變形 的數(shù)字圖像和視頻通過攝像裝置15獲得，采集得到的數(shù)據(jù)均通過監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)傳輸?shù)接?jì) 算機(jī)進(jìn)行處理，剪切帶變形、厚度定量分析采用基于Matlab平臺(tái)的Ge0PIV(PartiCle Image Velocimetry)數(shù)字圖像處理技術(shù)。
權(quán)利要求
土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置，該裝置包括外框架(18)、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、上剪切盒(1)、下剪切盒(2)、測(cè)量系統(tǒng)組成，其特征在于在上剪切盒(1)下端兩側(cè)壁沿剪切方向設(shè)置有透視窗(3)，透視窗(3)外正前方中部固定裝有攝像裝置(15)，攝像裝置(15)通過連接座(16)固定在上剪切盒(1)，攝像裝置(15)垂直于透視窗(3)，上剪切盒(1)和下剪切盒(2)的長度比為1∶1.2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置，其特征在 于所述的上剪切盒(1)、下剪切盒(2)分別采用鋼板并通過螺栓(5)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置，其特征在 于所述的上剪切盒⑴與下剪切盒⑵的接觸面設(shè)有滾珠排(17)，滾珠排(17)的長度與 下剪切盒(2)長度一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土與結(jié)構(gòu)相互作用的接觸面剪切試驗(yàn)可視化裝置。它主要由上剪切盒(1)、加長下剪切盒(2)、透視窗(3)、攝像裝置(15)和連接座(16)等組合而成。該裝置利用攝像系統(tǒng)拍攝剪切試驗(yàn)全過程的剪切帶變形及土石顆粒變化過程，獲得一系列不同時(shí)刻的剪切帶數(shù)字圖像和全程視頻，提供了土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切帶的范圍、變形和厚度的定量分析試驗(yàn)依據(jù)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，拆卸方便，在實(shí)現(xiàn)接觸面剪切帶全面可視化觀測(cè)的同時(shí)，也確保了剪切盒的剛度，具有試驗(yàn)荷載大、試樣尺度大、剪切試驗(yàn)過程可視化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于巖土工程中土與結(jié)構(gòu)相互作用下的接觸面力學(xué)參數(shù)測(cè)試、剪切帶宏細(xì)觀特性定性與定量分析。
文檔編號(hào)G01N3/02GK101846606SQ201010182628
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者馮夏庭, 劉繼光, 李邵軍, 閔弘, 陳靜 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所