CN101846606B - 土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置。它主要由上剪切盒(1)、加长下剪切盒(2)、透视窗(3)、摄像装置(15)和连接座(16)等组合而成。该装置利用摄像系统拍摄剪切试验全过程的剪切带变形及土石颗粒变化过程，获得一系列不同时刻的剪切带数字图像和全程视频，提供了土与结构接触面剪切带的范围、变形和厚度的定量分析试验依据。本发明结构合理，拆卸方便，在实现接触面剪切带全面可视化观测的同时，也确保了剪切盒的刚度，具有试验荷载大、试样尺度大、剪切试验过程可视化、数据采集自动化等特点。可广泛应用于岩土工程中土与结构相互作用下的接触面力学参数测试、剪切带宏细观特性定性与定量分析。

Description

土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置

技术领域

本发明涉及一种土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，该装置可广泛应用于土与结构相互作用条件下的岩土边坡工程、基坑防护工程、具有软质层间错动带的水利水电与矿山等地下工程的剪切试验。

背景技术

岩土工程中普遍存在土与结构相互作用的接触问题，如边坡防护工程中土与抗滑桩、锚杆索、挡墙等支护结构接触，水利水电等地下工程中层间错动带土与硬质母岩接触。接触面的力学特性与本构模型是研究土与结构相互作用及支护设计最为重要的依据。目前，国内外对接触面的相关研究主要还是基于宏观认识方面，对接触面剪切变化过程的细观分析非常缺乏。迄今为止，开展室内和现场剪切试验仍然是研究接触面力学特性最为有效的方法之一。在进行土与结构接触面的剪切试验方面，采用的传统剪切仪，主要由上、下剪切盒、承压板、水平和竖直方向的力加载装置及测试系统组成。中国专利公开号为CN200410061351.X，发明创造名称为“岩土力学直剪试验系统”，该申请案公开了一种岩土力学直剪实验系统，该试验系统由外框架、水平加载系统、垂直加载系统、剪切盒及测量系统组成。该系统在剪切试验过程中，随着剪切位移的发生，上下剪切盒的错动使得剪切面积逐渐减小，从而导致应力值增大，最终使得试验结果不可避免产生误差。并且，该剪切仪的上、下剪切盒均由封闭钢板组装而成，试验过程中只能通过传感器测读接触面外在宏观特征的变化，如水平和法向荷载、位移等。

对土与结构相互作用接触面的剪切试验可视化细观研究方面，有的研究人员通过X射线照相技术来观测剪切带的变化，该试验可以有效地观测到剪切带，但试验操作复杂，剪切带的识别比较粗糙，也无法准确定位。也有学者通过潜望镜观测接触面的变形特性，具体做法是在土与结构物的接触面附近安装微型潜望镜，通过潜望镜观测相对位移沿接触面的分布，但缺点是不能定量获得土体剪切带的厚度及变形等因素的变化。还有学者通过数码相机透过有机玻璃记录颗粒位移情况，在这一方面，《岩土工程学报》2001年23卷4期上发表的名称为“土与结构物接触面物理力学特性试验研究”的文章，该文章中公开了一种土与结构物接触面剪切试验的可视化技术方案，采用了全有机玻璃的上剪切盒装置，接触面结构物用钢板进行模拟，并且由于受到有机玻璃抗压、抗剪性能的限制，相对剪切位移由手轮施加，法向应力由杠杆加载系统施加，因此，该系统只适用于小尺寸试样、低垂直和水平荷载的试验条件，再加上其测量系统采用量力环和百分表，精度较低，不能满足岩土工程中土石混合体等大型直剪试验要求。其次，《岩土工程学报》2003年25卷2期上发表的名称为“大型土与结构接触面循环加载剪切仪的研制及应用”的文章，该文章中也公开了一种接触面变形的细观测试技术。在土体容器推车中设计了一个有机玻璃视窗，其剪切试验接触面也为结构面板。该细观测试技术的缺陷在于：结构面板和土体接触带设计了一个不透明的挡板，以防止试验过程中土体侧向挤出，而这一土挡板结构在很大程度上限制了剪切带的全面观察和细观分析的有效性，因为对于土和土石混合体这类介质，在室内试验尺寸的限制条件下，其剪切带的厚度往往很薄，其范围一般只有几个mm或者1-2cm。并且，该大型试验机较为庞大，仅适用室内试验研究，不能装卸和运输进行现场原位试验。此外，上述技术方案和系统均缺乏对剪切带及其土体内部细观变化的定量分析，如获得剪切带的厚度、颗粒位移矢量、土或土石混合体颗粒的滑移、转动、滚动、破碎和错位等运行形式。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷，同时面向室内和现场原位试验，提供一种土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置。

其技术解决方案为：土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，该装置包括外框架、水平加载系统、垂直加载系统、上剪切盒、下剪切盒、测量系统组成，在上剪切盒下端两侧壁沿剪切方向设置有透视窗，透视窗外正前方中部固定装有摄像装置，摄像装置通过连接座固定在上剪切盒，摄像装置垂直于透视窗，上剪切盒和下剪切盒的长度比为1∶1.2。

所述的上剪切盒、下剪切盒分别采用钢板并通过螺栓连接，透视窗镶嵌在上剪切盒下端沿剪切方向的两侧壁内，其厚度与上剪切盒的壁厚一致。

所述的上剪切盒与下剪切盒的接触面设有滚珠排，滚珠排的长度和下剪切盒长度一致。

由于采用了以上技术方案，本发明土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，由于直接在上剪切盒下端设置了透视窗，透视窗可实现对接触面剪切带进行全范围的观测，克服了以往试验全过程中无法直接有效观测和记录剪切带变形和运动形式的缺陷；其次，透视窗是镶嵌在上剪切盒中，不影响上剪切盒的刚度，仍可实现大荷载条件下的剪切试验；再次，采用加长的下剪切盒，改变了原装置中上下剪切盒宽度一致的结构，有效避免了试验过程中因剪切面积逐渐减小而带来的测试误差；此外，摄像装置通过连接座固定在上剪切盒上并位于透视窗正前方，摄像装置与上剪切盒同步移动，确保了试验过程中图像采集的稳定性，并有效克服了非同步观测带来的图像失真和定量分析的复杂处理。本发明结构合理，拆卸方便，可实现对剪切试验过程中接触面剪切带的全范围观测，测试结果可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是图1的俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置作进一步详细的描述。

见附图，本发明剪切试验装置由外框架18、水平和垂直加载系统，剪切试验可视化装置、测量系统组成。剪切试验可视化装置的基本结构主要包括上剪切盒1、下剪切盒2、透视窗3、加强钢板4、钢螺栓5、摄像装置15、连接座16、滚珠排17；水平和垂直加载系统包括方形承压板6、滚轴排7、千斤顶10、水平推力杆13、电机14、吊环孔19；测量系统包括垂直荷载传感器8、水平荷载传感器9、垂直位移传感器11、水平位移传感器12。上剪切盒1和下剪切盒2是由钢板拼接而成，钢板之间通过钢螺栓5连接，方形承压板6的边长略小于上剪切盒1和下剪切盒2的内腔边长，方形承压板6和加载板之间设有滚轴排7，垂直位移传感器11对称安装在加载板上，加载板上方设置有垂直荷载传感器8和千斤顶10，上剪切盒1与下剪切盒2的接触面设有滚珠排17，滚珠排17的长度和下剪切盒2长度一致。水平荷载传感器9安装在水平推力杆13和上剪切盒1之间，而水平位移传感器12安装在上剪切盒1前端，水平荷载通过水平推力杆13连接电机14施加，而垂直荷载则通过千斤顶10提供。

透视窗3镶嵌在上剪切盒1下端两侧壁剪切方向上，摄像装置15通过连接座16固定在剪切盒1上，位于透视窗3正前方中央并垂直于透视窗3。在上剪切盒1和下剪切盒2的前后端面四个边角上，设置加强钢板4，加强钢板4采用钢螺栓分别固定在上剪切盒1和下剪切盒2的四个边角上，加强钢板4可以有效地防止剪切盒在压力作用下发生变形。上剪切盒1内装土体、土石混合体或软质层间错动带材料，下剪切盒2内装不同接触特征的硬质材料，如混凝土、金属板和岩石等。当接触面剪切试验装置获得电机14和千斤顶10施加的水平和垂直荷载后，其水平和垂直位移通过位移传感器11、位移传感器12采集，而水平和垂直荷载则由荷载传感器8、荷载传感器9采集。下剪切盒2长于上剪切盒1，其长度比例为1.2∶1，该设计有效避免了试验过程中因剪切面积逐渐减小带来的试验误差。图2所示上剪切盒1的顶端有两个吊环孔19，这样可以通过桁吊或者起重装置吊起上剪切盒1，从而方便拆卸整个装置和清除下剪切盒2中的土样残渣。试验全过程中接触面剪切带变形的数字图像和视频通过摄像装置15获得，采集得到的数据均通过监控系统自动传输到计算机进行处理，剪切带变形、厚度定量分析采用基于Matlab平台的GeoPIV(Particle Image Velocimetry)数字图像处理技术。

Claims (3)

1.土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，该装置包括外框架(18)、水平加载系统、垂直加载系统、上剪切盒(1)、下剪切盒(2)、测量系统组成，其特征在于：在上剪切盒(1)下端两侧壁沿剪切方向设置有透视窗(3)，透视窗(3)外正前方中部固定装有摄像装置(15)，摄像装置(15)通过连接座(16)固定在上剪切盒(1)，摄像装置(15)垂直于透视窗(3)，上剪切盒(1)和下剪切盒(2)的长度比为1∶1.2。

2.根据权利要求1所述的土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，其特征在于：所述的上剪切盒(1)、下剪切盒(2)各采用钢板，各剪切盒的钢板之间通过螺栓(5)连接。

3.根据权利要求1所述的土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置，其特征在于：所述的上剪切盒(1)与下剪切盒(2)的接触面设有滚珠排(17)，滚珠排(17)的长度与下剪切盒(2)长度一致。

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