CN102005154B - 渐进累积破坏的模拟演示仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐进累积破坏的模拟演示仪器。在铝合金轨道的两端分别安装控制定滑轮和定滑轮，轨道上安装三块铁块与轨道形成滑动配合，各铁块的前端分别安装高强磁铁，各铁块开有中心孔，第一铁块朝向定滑轮的一端焊接导向筒，孔中设置电子测力计，第二铁块的两端分别焊接滑筒，两个滑筒分别套有弹簧后插入前后中心孔中，电子测力计的一端固定在导向筒一端，另一端连接钢丝绳穿过导向筒、三块铁块和两个滑筒后，绕控制定滑轮再穿过铝合金轨道内并绕过定滑轮，最后固定在导向筒上。本发明可观察单个单元的应变软化过程以及三个单元从局部破坏到整体破坏的渐进累积破坏过程。

Description

渐进累积破坏的模拟演示仪器

技术领域

本发明涉及一种测量摩擦力的实验装置，尤其是涉及一种渐进累积破坏的模拟演示仪器。

背景技术：

土工构筑物的渐进累积破坏是应变软化型岩土材料较为普遍且重要的破坏模式，包括超固结粘土的边坡失稳和基坑坍塌，填埋场沿底部衬垫系统界面的滑移等。应变软化型岩土材料主要包括超固结粘土、密实砂、脆性岩石及填埋场衬垫系统界面，其典型的应力应变关系一般可分为弹性阶段、软化阶段及残余阶段等三个阶段(如图1所示)：弹性阶段剪应力随应变增加而增加，当达到峰值强度后，进入软化阶段，此时剪应力随应变增加而减少，最后达到残余阶段，剪应力保持不变。渐进累积破坏即为应变软化型岩土材料在加载过程中一种复杂的力学响应：(1)加载时土工构筑物中产生不均匀的应变及应力，导致岩土体各处的抗剪强度发挥不一致；(2)各个土体单元的破坏不是同时产生的，而是一个由局部破坏逐渐扩展以致整体贯通而形成破坏面的过程。

上述应变软化及渐进累积破坏现象可以利用该渐进累积破坏模拟演示仪形象地演示出来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种渐进累积破坏模拟演示仪器，它可以形象地演示三个单元体在水平推力作用下渐进累积破坏的整个过程。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括控制定滑轮，定滑轮，电子测力计，三块铁块，三块高强磁铁，两个滑筒，两根弹簧，铝合金轨道，钢丝绳，导向筒；在铝合金轨道的两端分别安装控制定滑轮和定滑轮，在控制定滑轮和定滑轮之间的铝合金轨道安装第一铁块、第二铁块和第三铁块，设置在三块铁块下端的导向块与铝合金轨道形成滑动配合，从定滑轮朝向控制定滑轮方向的第一铁块、第二铁块和第三铁块的前端分别依次安装第一高强磁铁、第二高强磁铁和第三高强磁铁，三块高强磁铁均设置在铝合金轨道下面，第一铁块、第二铁块和第三铁块的中心分别开有贯通的中心孔，第一铁块朝向定滑轮的一端焊接导向筒，导向筒孔中设置电子测力计，第二铁块的两端分别焊接第一滑筒和第二滑筒，第一滑筒外圆柱面套有第一弹簧后插入第一铁块中心孔中，第二滑筒外圆柱面套有第二弹簧后插入第三铁块中心孔中，电子测力计的一端固定在导向筒靠近定滑轮的一端，电子测力计的另一端连接钢丝绳，钢丝绳依次穿过导向筒内孔、第一铁块、第一滑筒、第二铁块、第二滑筒和第三铁块的中心孔后，绕控制定滑轮，再穿过铝合金轨道内并绕过定滑轮，最后扣在导向筒上。

所述的第一铁块与第二铁块首尾相距80-100cm，第二铁块与第三铁块首尾相距50-70cm。

本发明具有的有益效果是：

1)铁块模拟土体单元，连接铁块之间的弹簧模拟土体单元之间的相互作用。

2)本发明运用铁块与轨道之间的摩擦力模拟土体单元的剪应力，并以磁铁与铁块之间距离改变时两者摩擦力的变化模拟土体单元剪应力的应变软化：将高强磁铁固定在铝合金轨道内部，当铁块由远至近靠近磁铁时，铁块与轨道之间的吸力逐渐增加，导致其摩擦力逐渐增加，当铁块中心到达磁铁中心时，其摩擦力达到最大值，该过程对应于应力应变曲线中的弹性阶段；当铁块继续向前滑移时，铁块与轨道之间的吸力逐渐减少，导致其摩擦力也逐渐减少，该过程对应于应力应变曲线中的软化阶段；当铁块远离磁铁足够距离即铁块与磁铁之间吸力为零时，铁块与轨道之间的摩擦力降低到稳定的动摩擦力，该过程对应于应力应变曲线中的残余阶段。

3)电子测力计及各铁块之间的弹簧可测得整个滑移过程中三个铁块共同承担的作用力及每个铁块之间的相互作用力。

4)摇动手轮可观察单个单元的应变软化过程以及三个单元从局部破坏到整体破坏的渐进累积破坏过程。

附图说明

图1是剪应力与应变(或剪切位移)的关系图

图2是本发明的结构原理主视图。

图3是图1的俯视图。

图4是推力与剪切位移的关系图。

图中：1、控制滑轮，2、定滑轮，3、手轮，4、电子测力计，5、第一铁块，6、第二铁块，7、第三铁块，8、第一高强磁铁，9、第二高强磁铁，10、第三高强磁铁，11、第一滑筒，12、第一弹簧，13、第二滑筒，14、第二弹簧，15、铝合金轨道，16、钢丝绳，17、导向筒，18、导向块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2、图3所示，本发明控制定滑轮1，定滑轮2，电子测力计4，三块铁块5、6、7，三块高强磁铁8、9、10，两个滑筒11、13，两根弹簧(12、14)，铝合金轨道15，钢丝绳16，导向筒17和导向块18。在铝合金轨道15的两端分别安装控制定滑轮1和定滑轮2，在控制定滑轮1和定滑轮2之间的铝合金轨道15安装第一铁块5、第二铁块6和第三铁块7，设置在三块铁块下端的导向块与铝合金轨道15形成滑动配合，从定滑轮2朝向控制定滑轮1方向的第一铁块5、第二铁块6和第三铁块7的前端分别依次安装第一高强磁铁8、第二高强磁铁9和第三高强磁铁10，三块高强磁铁均设置在铝合金轨道15下面，第一铁块5、第二铁块6和第三铁块7的中心分别开有贯通的中心孔，第一铁块5朝向定滑轮2的一端焊接导向筒17，导向筒17孔中设置电子测力计4，第二铁块6的两端分别焊接第一滑筒11和第二滑筒13，第一滑筒11外圆柱面套有第一弹簧12后插入第一铁块5中心孔中，第二滑筒13外圆柱面套有第二弹簧14后插入第三铁块7中心孔中，电子测力计4的一端固定在导向筒17靠近定滑轮2的一端，电子测力计4的另一端连接钢丝绳16，钢丝绳16依次穿过导向筒17内孔、第一铁块5、第一滑筒11、第二铁块6、第二滑筒13和第三铁块7的中心孔后，绕控制定滑轮1，再穿过铝合金轨道15内并绕过定滑轮2，最后扣在导向筒17上。

所述的第一铁块5与第二铁块6首尾相距80-100cm，第二铁块6与第三块铁块7首尾相距50-70cm。

将本发明装置依照发明内容所述安装完成，逆时针慢速摇动手轮3，使第一铁块5慢速向前滑动，电子测力计4读数持续增加，当第一铁块5中心达到第一高强磁铁8中心上方时，电子测力计4读数第一次达到极大值，继续推动第一铁块5，电子测力计4读数减少，当第一铁块5脱离第一高强磁铁8影响区时，电子测力计4读数达到稳定的最小值，此时第一铁块5已达到残余阶段；继续逆时针摇动手轮3，当第一铁块5与第二铁块6上的第一弹簧12接触时，第二铁块6受到第一铁块5传递的推力而向前滑移，电子测力计4读数继续增加，当第二铁块6中心达到第二高强磁铁9中心上方时，电子测力计4读数再一次达到极大值，继续摇动手轮3直至电子测力计4读数又一次达到稳定的较小值，此时第二铁块6到达残余阶段；继续摇动手轮3，第二铁块6与第三铁块7上的第二弹簧14接触，第三铁块7受到第二铁块6传递的推力而向前滑移，电子测力计4读数继续增加，当第三铁块7中心达到第三块高强磁铁10中心上方时，电子测力计4读数最后一次达到极大值，随后电子测力计4读数持续减少直至达到最后的小值，此时第三铁块7也达到残余阶段，最终三个单元均达到了残余阶段，土体发生了整体破坏，整个过程模拟了土体单元从局部破坏到整体破坏的渐进累积破坏过程。在此过程中连续读取电子测力计中的读数，可得到推力与剪切位移的关系，如图4所示。顺时针摇动手轮3回原处，即可方便地进行下一次实验。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种渐进累积破坏的模拟演示仪器，其特征在于：包括控制定滑轮(1)，定滑轮(2)，电子测力计(4)，三块铁块(5、6、7)，三块高强磁铁(8、9、10)，两个滑筒(11、13)，两根弹簧(12、14)，铝合金轨道(15)，钢丝绳(16)和导向筒(17)；在铝合金轨道(15)的两端分别安装控制定滑轮(1)和定滑轮(2)，在控制定滑轮(1)和定滑轮(2)之间的铝合金轨道(15)安装第一铁块(5)、第二铁块(6)和第三铁块(7)，设置在三块铁块下端的导向块与铝合金轨道(15)形成滑动配合，从定滑轮(2)朝向控制定滑轮(1)方向的第一铁块(5)、第二铁块(6)和第三铁块(7)的前端分别依次安装第一高强磁铁(8)、第二高强磁铁(9)和第三高强磁铁(10)，三块高强磁铁均设置在铝合金轨道(15)下面，第一铁块(5)、第二铁块(6)和第三铁块(7)的中心分别开有贯通的中心孔，第一铁块(5)朝向定滑轮(2)的一端焊接导向筒(17)，导向筒(17孔中设置电子测力计(4)，第二铁块(6)的两端分别焊接第一滑筒(11)和第二滑筒(13)，第一滑筒(11)外圆柱面套有第一弹簧(12)后插入第一铁块(5)中心孔中，第二滑筒(13)外圆柱面套有第二弹簧(14)后插入第三铁块(7)中心孔中，电子测力计(4)的一端固定在导向筒(17)靠近定滑轮(2)的一端，电子测力计(4)的另一端连接钢丝绳(16)，钢丝绳(16)依次穿过导向筒(17)内孔、第一铁块(5)、第一滑筒(11)、第二铁块(6)、第二滑筒(13)和第三铁块(7)的中心孔后，绕控制定滑轮(1)，再穿过铝合金轨道(15)内并绕过定滑轮(2)，最后扣在导向筒(17)上。

2.根据权利要求1所述的一种渐进累积破坏的模拟演示仪器，其特征在于：所述的第一铁块(5)与第二铁块(6)首尾相距80-100cm，第二铁块(6)与第三铁块(7)首尾相距50-70cm。 

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