CN104931356B - 平面应变加载结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平面应变加载结构,属于土工应力应变测试技术领域。平面应变加载装置由前面板、后面板、加载水囊组件和轴向加载块组成;后面板通过螺栓连接在平面应变加载结构底座后端,二者垂直;两个加载水囊组件通过螺栓固定在后面板的凹型主体上,置于平面应变加载结构底座左右两端;前面板通过螺栓固定在两个加载水囊组件上,置于平面应变加载结构底座前端;前面板、后面板和两加载水囊组件形成一上端开口空间,该空间用于盛放试样,轴向加载块通过固定在后面板上的连接件悬于该空间上,试验时进行上下往复运动。本发明提出的改进后的平面应变压力室设计巧妙的解决了以往平面应变仪加载装置中遇到的问题。
Description
技术领域
本发明属于土工应力应变测试技术领域,涉及土工平面应变试验中减小σ2方向的摩擦力,尤其是一种借助特殊的压力室前、后面板来减小摩擦力,使得试验结果更准确。
背景技术
在岩土工程中,平面应变问题是一个很普遍的问题,比如挡土墙、土石坝、边坡、路基等。平面应变问题的求解是在ε2=0的条件下进行求解的,这样不仅可以简化问题的复杂性,而且具有较强的针对性,使求解的精度提高,因此对平面应变问题的研究具有重要的现实意义。此外,平面应变试验也是土体剪切带形成机理、土体局部破坏等研究课题的重要组成部分。
平面应变试验采用方形试样,并且保证在试验过程中在中主应力σ2方向的变形ε2=0等,基于以上的不同点,在平面应变实验中会存在方形土样制备困难的问题;σ1方向的加载块与σ2方向的约束之间存在摩擦的问题;刚性加载板式平面应变仪在加载过程中的干涉问题;端部约束效应等问题。因此,目前平面应变实验作为土工测试实验的实验结果的可靠性和测试精度还需要进一步提高,还需要对平面应变压力室进行进一步的研究和改进。
本发明基于以上原因解决平面应变在σ2方向存在摩擦力的问题,改进新面板获得的应力应变关系曲线峰值可降低60%左右,大大减少了σ2方向的摩擦。
发明内容
本发明一种平面应变加载装置解决了在试验过程中σ2方向存在摩擦的问题。本发明装置在σ3方向由一对柔性水囊进行加载,轴向采用刚性板加载。新的平面应变压力室设计中在σ2方向提供ε2=0约束的刚性板与包裹试样的橡皮膜之间填充一层3mm厚的水膜,用来减小σ2方向上的摩擦力,具有结构灵巧、装调方便、精度高、成本低等特点。
本发明采用的技术方案是:平面应变加载装置由前面板、后面板、加载水囊组件和轴向加载块组成;后面板通过螺栓连接在平面应变加载结构底座一端,二者垂直;两个加载水囊组件通过螺栓固定在后面板的凹型主体上,置于平面应变加载结构底座左右两端;前面板通过螺栓固定在两个加载水囊组件上;前面板、后面板和两加载水囊组件形成一空间,该空间用于盛放试样,轴向加载块通过固定在后面板上的连接件悬于该空间上,试验时进行上下往复运动。
其中前面板包括压板1、透明硅胶膜2、无气水3、钢化玻璃4和阶梯型主体5,钢化玻璃4镶嵌在阶梯型主体5的最前端,无气水3填充在钢化玻璃4和透明硅胶膜2之间,透明硅胶膜2两端通过压板1压紧,透明硅胶膜2与阶梯型主体5间通过O型圈密封。后面板与前面板类似,其包括压板1、透明硅胶膜2、无气水3和凹型主体6;无气水3填充在凹型主体6的凹槽和透明硅胶膜2之间,压板1压在透明硅胶膜2上,透明硅胶膜2与凹型主体6间通过O型圈密封。加载水囊组件由乳胶水囊7和水囊连接件8组成,水囊在试验中向试样在σ3方向施加围压,水囊连接件起到密封水囊,固定水囊位置的作用。轴向加载块是聚四氟块,用于给试样从σ1方向进行加载。
透明硅胶膜2与试样σ2方向的试样膜接触。试样左右两侧即σ3方向采用柔性水囊进行加载,轴向即σ1方向采用聚四氟加载块进行加载,采用聚四氟作为材料可以减小加载块与提供侧限约束的刚性板之间的摩擦力。
本发明的效果和益处是:(1)带水膜的压力室前、后面板。在σ2方向提供ε2=0约束的一对刚性板靠近试样一侧开一个深为3mm的槽用来充水,并形成一层水膜,用透明度高的硅胶膜和压板来密封水膜。新的平面应变压力室前面板还需要留有通水孔和排气孔,同时还需要在前面板上留有用于密封用的O型圈槽。在平面应变实验过程中,硅胶模与包裹试样的橡皮膜贴合在一起,二者随试样的压缩变形而变形,由于水不可压缩,在实验过程中,硅胶模不会贴合到压力室前、后表面上,从而可以减小压力室前、后面板与试样在σ2方向上的摩擦力。
(2)土样尺寸为100mm×60mm×120mm,由于在试样σ2方向增加了一层薄薄的水膜,所以需要增加试样在σ2方向上的尺寸,来近似的满足平面应变仪的约束条件。
(3)聚四氟加载块。平面应变仪压力室轴向采用聚四氟块作为加载块,在实验过程中,试样被压缩,而σ2方向的提供约束的刚性板不可以被压缩,聚四氟加载块与提供σ2方向的刚性板之间的摩擦力较小,可以有效减小σ2方向与σ1方向之间的摩擦力。
(4)柔性水囊加载。采用一对柔性水囊对土样进行σ3方向进行加载,并且可以调节加载速率和载荷大小,并且在试验过程中始终保持围压的稳定,最大载荷达0.6MPa。乳胶水囊的尺寸大小为148mm×95mm×40mm,厚度为2mm,必须保证平面应变仪压力室内部不能有任何空隙,任何小的缝隙或者尖角都会导致水囊破裂。还需要采用有机玻璃板和密封圈对柔性水囊的拔模孔进行密封。此外,还需要将乳胶水囊和水压力发生器连接到一起的连接件,该部件既要将水压力发生器中的水引入到水囊中,又要保证水囊的密封性。
(5)能从σ2方向对试样进行观察,并记录下试样变性的过程。平面应变仪在压力室前表面增加一个钢化玻璃板,水膜的密封采用弹性和透明度都很好的硅胶膜,在强度满足要求的前提下,可以从试样σ2方向观测到剪切带形成的全过程。
(6)图像测量技术的引用。首次将数字图像测量技术应用的平面应变试样的体积变化测量上。数字图像测量系统对平面应变仪试样的变形进行非接触式测量,对试样的扰动少,其精度也优于传统的量管法,同时,可以完整、直观的得到试样变性破坏的全过程,更便于对剪切带问题的研究。
(7)特殊的试样底座设计,可以对试样抽负压。平面应变仪的试样底座连接试样和平面应变压力室底板,保证式样的密封,并且还要完成通水通气的功能。
(8)数据的自动采集。所有的传感器均连到一个数据采集卡上,数据采集卡与下位机相连,可以实时对实验数据进行采集。
这个改进后的平面应变压力室设计巧妙的解决了以往平面应变仪加载装置中遇到的问题。使得在加载过程中轴向的刚性加载板和试样σ2方向的橡皮膜不会与σ2方向提供约束的刚性板之间存在摩擦,轴向加载板不会与σ2方向的约束板存在摩擦力,并且可以从试样σ2方向观测到试样剪切带行程的全过程。
附图说明
图1是平面应变加载结构前面板图。
图2是平面应变加载结构后面板图。
图3是平面应变加载结构加载水囊组件图。
图4是平面应变加载装置结构图。
图5是平面应变加载装置俯视图。
图中:1压板;2透明硅胶膜;3无气水;4钢化玻璃;5阶梯型主体;6凹型主体;7加载水囊;8加载水囊连接件;a前面板;b加载水囊组件;c轴向加载块;d平面应变加载结构底座;e后面板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1、2、3、4、5所示,试验开始前平面应变加载结构底座与后面板通过两个M6的螺栓连接。试验时先将试样膜与试样底座安装好,用6个M6得螺钉固定好,并保证不漏气,然后进行装样。装完样后将试样连同试样底座一起安装于平面应变加载结构底座上,通过4个M5螺钉固定试样位置。然后安装加载水囊组件于试样两侧,通过M6螺钉固定水囊位置,然后安装前面板,前面板安装好后,对加载水囊充水,使加载水囊有一定的围压,然后分别向前、后面板中充水,直至透明的硅胶模与试样膜贴合,最后在分别对前、后面板的水膜进行密封。之后就可以进行平面应变试验。
通过实验验证,在剪切过程中,使用老面板时,摩擦力对试验结果影响巨大,使得测得的土样强度偏高,而带水膜的新面板能有效地降低橡皮膜和前面板之间的摩擦,采用无气水充满透明的硅胶膜,不影响相机的拍摄和角点的识别,解决了摩擦力对试样应力应变测量结果的影响,效果显著。该装置机构结构灵巧,操作方便,具有较高的经济型。
Claims (2)
1.一种平面应变加载结构,其特征在于,平面应变加载装置由前面板、后面板、加载水囊组件和轴向加载块组成;后面板通过螺栓连接在平面应变加载结构底座后端,二者垂直;两个加载水囊组件通过螺栓固定在后面板的凹型主体上,置于平面应变加载结构底座左右两端;前面板通过螺栓固定在两个加载水囊组件上,置于平面应变加载结构底座前端;前面板、后面板和两加载水囊组件形成上端开口空间,该空间用于盛放试样,轴向加载块通过固定在后面板上的连接件悬于该空间上,试验时进行上下往复运动;
前面板包括压板、透明硅胶膜、无气水、钢化玻璃和阶梯型主体,钢化玻璃镶嵌在阶梯型主体的最前端,无气水填充在钢化玻璃和透明硅胶膜之间,透明硅胶膜两端通过压板压紧,透明硅胶膜与阶梯型主体间通过O型圈密封;后面板与前面板类似,其包括压板、透明硅胶膜、无气水和凹型主体;无气水填充在凹型主体的凹槽和透明硅胶膜之间,压板压在透明硅胶膜上,透明硅胶膜与凹型主体间通过O型圈密封;加载水囊组件由水囊和水囊连接件组成,水囊在试验中向试样在σ3方向施加围压,水囊连接件起到密封水囊,固定水囊位置的作用;轴向加载块用于给试样从σ1方向进行加载。
2.根据权利要求1所述的一种平面应变加载结构,其特征在于,轴向加载块是聚四氟块。
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