CN106644757A - 一种考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，整体包括剪切流变单元、干湿循环单元、爆破扰动单元和用于检测下剪切盒位移的CCD位移自动量测系统，爆破扰动单元通过刚性支架和振动电机对剪切流变单元提供扰动，模拟爆破荷载，刚性支架由竖向支撑杆件、上刚性杆件和下刚性杆件构成，竖向支撑杆件与上、下刚性杆件的连接位置可调，调整传递至加压系统的扰动大小，实现不同强度的扰动荷载，实现流变试验过程中爆破荷载的定量模拟；本发明可在剪切流变试验过程中有效模拟不同频率、强度与周期的爆破荷载及降雨的反复作用，准确测量试验过程中试样的位移变化情况，用于定量研究岩土体在降雨和爆破振动反复作用下的剪切流变特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土体剪切流变仪，具体涉及一种考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，属于岩土工程技术领域。
背景技术
岩土体的流变性质即指其随时间变化的变形性质，主要包括蠕变、松弛及弹性后效，岩土体的流变性质是在进行重大工程设计与稳定性分析时必须要考虑的重要因素。作为自然界最活跃的因素之一，水对于岩土体变形、强度性质有极大的影响，主要包括软化、冲刷、化学腐蚀、动水压力等；此外，在水利、交通、矿山等领域的施工中，爆破是进行坡形改造、地基处理、矿石开采等工作的必要程序，因此，对于这些工程边坡长期稳定性的分析，降雨和爆破振动的反复作用对岩土体流变特性的影响不可忽视。
常规剪切流变的基本步骤包括试样取样与加工、法向压力施加、逐级施加剪应力(每一级变形稳定之后施加下一级剪应力)直至试样破坏。岩土体流变性质的研究方法主要包括现场原位流变试验与室内试验，相对于现场试验，室内试验具有经济易行、数据采集与处理方便、试验条件可控性强等优点，因此室内试验现已成为研究岩土体流变性质的主要手段。
对于动荷载扰动下岩土体流变性质的研究主要采用三轴卸荷流变试验的方式，对于降雨影响下岩土体流变性质的研究主要采用先对试样进行干湿循环处理再进行流变试验的方式，但这些模拟方式显然与实际中降雨与爆破荷载的作用方式不符。此外，目前的剪切流变试验装置中，试样变形多采用千分尺或在试样表面贴应变片的方式测定，但是这些测定方式主观因素太大，如千分尺或应变片的位置、变形量大小等，且在添加爆破荷载扰动时采用自动计数方式会存在很大的误差，如何合理模拟爆破扰动对于岩土体流变性质的影响并准确测定变形量是岩土体流变性质试验研究中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对先有技术的不足，提供一种可模拟多种爆破荷载频率与强度，并能在流变试验过程中对试样进行干湿循环，适用于降雨和爆破振动反复作用下各类岩土体流变性质研究的试验装置。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，至少包括由反力架、法向加压系统、切向加压系统、上剪切盒和下剪切盒构成的剪切流变单元和用于检测下剪切盒位移的位移量测系统，下剪切盒位于反力架的底座上，法向加压系统和切向加压系统均通过反力架支撑并且分别作用于上剪切盒和下剪切盒，还包括干湿循环单元和爆破扰动单元；干湿循环单元由水槽、水泵、进水管、电热丝、出水管和底板开设透水孔的水箱构成，水槽、进水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管顺序连通，水泵安装于进水管上，电热丝封装于上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；所述爆破扰动单元包括作用于法向加压系统的法向扰动组件和作用于切向加压系统的切向扰动组件，法向扰动组件和切向扰动组件均由刚性支架及其支撑的振动电机构成，振动电机安装于刚性支架上并通过刚性支架作用于法向加压系统和切向加压系统，所述刚性支架由竖向支撑杆件以及通过竖向支撑杆件连接的上刚性杆件和下刚性杆件构成，竖向支撑杆件与上刚性杆件和下刚性杆件的连接位置均可调，下刚性杆件固定于反力架的底座上，振动电机固定于上刚性杆件的活动端；所述位移量测系统为CCD位移自动量测系统，由光源发射器、CCD芯片和带孔的挡光片构成，光源发射器和挡光片均固定于下剪切盒上，CCD芯片固定于底座上，挡光片位于光源发射器与CCD芯片之间，光源发射器与挡光片的孔位置相对。
上剪切盒的盒底为中空结构，空腔通过位于上剪切盒盒底上的通孔与上剪切盒的盒腔连通，上剪切盒盒底的空腔构成水箱、通孔构成透水孔。
法向加压系统和切向加压系统均由加载元件和刚性垫块构成，刚性垫块位于加载元件与加载元件作用的上剪切盒或下剪切盒之间，法向扰动组件和切向扰动组件的上刚性杆件分别与法向加压系统和切向加压系统的刚性垫块固连。
所述上刚性杆件与对应的刚性垫块焊接。
所述上刚性杆件和下刚性杆件上均沿其轴向开设有2个以上螺纹孔，上刚性杆件和下刚性杆件分别通过螺纹紧固件安装于竖向支撑杆件的顶端和底端。
所述出水管贯穿下剪切盒的盒底。
挡光片的孔为方形孔。
由上述技术方案可知，本发明提供的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，在现有岩土体剪切流变仪的基础上增加爆破扰动单元，通过法向扰动组件和切向扰动组件分别对法向加压系统和切向加压系统提供一定的扰动，模拟爆破荷载，振动电机和加压系统分别位于刚性支架两侧，振动扰动通过刚性支架传递至加压系统，对法向压力与剪切应力产生扰动，刚性支架由竖向支撑杆件及其连接的上刚性杆件和下刚性杆件构成，下刚性杆件固定于反力架的底座上，稳定刚性支架，竖向支撑杆件与上、下刚性杆件的连接位置可调，通过改变竖向支撑杆件与上刚性杆件的连接位置可调节振动电机作用的力臂的大小，调整传递至加压系统的扰动大小，实现不同强度的扰动荷载，可实现流变试验过程中爆破荷载的定量模拟。
本发明改进了现有的剪切盒结构，将剪切盒盒底设置为导通结构、盒壁内置电热丝，即上剪切盒盒底中空且与盒腔连通，出水管贯穿下剪切盒的盒底，水槽、进水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管顺序连通形成渗透回路，在剪切流变试验的过程中，水泵提供具有一定渗透压的水，通至水箱中，通过水箱下方的透水孔渗透试样，试样渗水饱和后连接下剪切盒的水管会有水分渗出，试样饱和后对剪切盒内的电热丝通电，对试样进行烘干处理，通过定期对试样进行饱和与烘干，模拟降雨的干湿循环作用。
为克服现有技术中采用千分尺或在试样表面贴应变片的方式测定位移存在的主观因素大、测量误差大的弊端，本发明采用CCD位移自动量测系统检测下剪切盒的切向位移，当试样在剪切流变过程中发生位移时，光源发射器与挡光片相对于CCD芯片产生相对运动，从而改变了通过挡光片的孔的光线照射在CCD芯片上的位置，引起CCD芯片输出信号的变化，然后通过信号采集电路，获得CCD芯片的输出信号，通过计算机或微处理器进行运算显示，即可测量岩样的剪切变形量的大小，测量精度高。
为精简装置结构，本发明将水箱设置于上剪切盒的盒底，将上剪切盒的盒底设置为中空结构，并在靠近试样的盒底板上开设通孔作为水箱的透水孔；法向加压系统和切向加压系统均由加载元件和刚性垫块构成，加载元件产生的载荷通过刚性垫块作用于上剪切盒和下剪切盒上，使得载荷分布均匀，另外法向扰动组件和切向扰动组件的上刚性杆件分别与法向加压系统和切向加压系统的刚性垫块固连，法向扰动组件和切向扰动组件的震动扰动通过刚性垫块传递至上剪切盒和下剪切盒，由于刚性垫块与加载元件和对应的剪切盒均为接触传力，并无直接连接关系，因此刚性垫块传递的震动扰动不会干扰加载元件的运行。
与现有剪切流变仪相比，本发明提供考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪的优点如下：
(1)利用本发明的岩土体剪切流变仪进行剪切流变试验，在试验过程中可对试样进行定期的干湿循环处理，并可通过简单的杆件位置调整与仪器设定，定量模拟不同强度、频率及时间的爆破荷载；
(2)本发明的岩土体剪切流变仪采用光源发射器与CCD芯片进行剪切变形的测量，精度高、响应快、量程大及易于实现数据自动化采集存储；
(3)本发明的岩土体剪切流变仪机械结构简单、易于调节、操作方便，适用于研究爆破荷载扰动下各类岩土体剪切流变特性的研究。
附图说明
图1为本发明提供的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪的主视图。
图2为本发明提供的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪的左视图。
图3为CCD位移自动量测系统的结构示意图。
其中，1-法向加压系统；2-刚性垫块；3-上刚性杆件；4-螺纹孔；5-振动电机；6-下刚性杆件；7-竖向支撑杆件；8-水箱；9-电热丝；10-上剪切盒；11-下剪切盒；12-光源发射器；13-挡光片，131-方形孔；14-CCD芯片；15-底座；16-出水管；17-进水管；18-切向加压系统；19-水槽；20-水泵；21-试样；22-透水孔；23-反力架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
本发明提供的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其结构如图1和图2所示(为方便显示，图2中拆除了水槽、进水管、水泵以及反力架的上部分)，整体包括剪切流变单元、干湿循环单元、爆破扰动单元和用于检测下剪切盒位移的位移量测系统；
剪切流变单元由反力架23、法向加压系统1、切向加压系统18、上剪切盒10和下剪切盒11构成，下剪切盒11位于反力架的底座15上，法向加压系统和切向加压系统均通过反力架支撑并且分别作用于上剪切盒和下剪切盒，法向加压系统和切向加压系统均由加载元件和刚性垫块2构成，刚性垫块2位于加载元件与加载元件作用的剪切盒之间，用于均匀施压和传递振动扰动；
干湿循环单元由水槽19、水泵20、进水管17、电热丝9、出水管16和底板开设透水孔22的水箱8构成，本实施例中，上剪切盒10的盒底为中空结构，空腔通过位于上剪切盒盒底上的通孔与上剪切盒的盒腔连通，该空腔构成水箱8、该通孔构成透水孔22，出水管贯穿下剪切盒的盒底，水槽、进水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管顺序连通，水泵20安装于进水管17上，电热丝9封装于上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；
爆破扰动单元包括作用于法向加压系统的法向扰动组件和作用于切向加压系统的切向扰动组件，法向扰动组件和切向扰动组件均由刚性支架及其支撑的振动电机5构成，振动电机5安装于刚性支架上并通过刚性支架作用于法向加压系统和切向加压系统，参见图1和图2，所述刚性支架由竖向支撑杆件7以及通过竖向支撑杆件连接的上刚性杆件3和下刚性杆件6构成，竖向支撑杆件7与上刚性杆件3和下刚性杆件6的连接位置均可调，优选在上刚性杆件3和下刚性杆件6上沿轴向开设2个以上螺纹孔、通过螺纹紧固件与竖向支撑杆件连接的方式实现连接位置的调节，当然也可以通过现有的任何其他结构实现连接位置的调节，下刚性杆件固定于反力架的底座上，稳定刚性支架整体，振动电机5固定于3上刚性杆件的其中一端，上刚性杆件的另一端与对应的刚性垫块2焊接固定，振动电机5可人为设定振动频率与振动时间，利用杠杆原理，通过调整竖向支撑杆件7的位置，可改变作用在法向加压系统和切向加压系统上的扰动强度；
参见图3，所述位移量测系统为CCD位移自动量测系统，由光源发射器12、CCD芯片14和带方形孔131的挡光片13构成，挡光片13直接安装于下剪切盒上，光源发射器通过一支架固定于下剪切盒上、位于挡光片13正上方，并且与挡光片的方形孔131位置相对，CCD芯片14固定于底座上、位于挡光片13正下方。
利用上述考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪进行剪切流变试验，具体实施步骤如下：
①首先设计好试验过程中需要的扰动荷载强度与频率，采用预实验的方式，调整振动电机的频率、竖向支撑杆件的位置，测定作用于加压系统的扰动荷载强度与频率是否符合要求，并进行相应的调整；
②将切割好的试样放置在下剪切盒中，依次放置好上剪切盒、法向荷载传递装置与刚性垫块，调整剪切缝的大小，在下剪切盒上安装光源发射器与开有方形孔的挡光片，在底座上安装CCD芯片；
③按照试验方案施加法向应力，达到预定法向应力之后开始逐级施加剪应力，开始剪切流变试验；
④在剪切流变试验过程中，按照预期的试验方案，定期设定振动电机开关，模拟剪切流变试验过程中的爆破扰动荷载；此外，定期通过水泵提供由一定渗透压的水，通过水箱渗入试样，待试样饱和后对试样进行烘干处理，模拟剪切流变试验过程中的降雨作用；
⑤在整个剪切流变试验过程中，CCD位移自动量测系统实时自动记录试样的位移变化情况。
Claims (7)
1.一种考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，至少包括由反力架、法向加压系统、切向加压系统、上剪切盒和下剪切盒构成的剪切流变单元和用于检测下剪切盒位移的位移量测系统，下剪切盒位于反力架的底座上，法向加压系统和切向加压系统均通过反力架支撑并且分别作用于上剪切盒和下剪切盒，其特征在于：还包括干湿循环单元和爆破扰动单元；干湿循环单元由水槽、水泵、进水管、电热丝、出水管和底板开设透水孔的水箱构成，水槽、进水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管顺序连通，水泵安装于进水管上，电热丝封装于上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；所述爆破扰动单元包括作用于法向加压系统的法向扰动组件和作用于切向加压系统的切向扰动组件，法向扰动组件和切向扰动组件均由刚性支架及其支撑的振动电机构成，振动电机安装于刚性支架上并通过刚性支架作用于法向加压系统和切向加压系统，所述刚性支架由竖向支撑杆件以及通过竖向支撑杆件连接的上刚性杆件和下刚性杆件构成，竖向支撑杆件与上刚性杆件和下刚性杆件的连接位置均可调，下刚性杆件固定于反力架的底座上，振动电机固定于上刚性杆件的活动端；所述位移量测系统为CCD位移自动量测系统，由光源发射器、CCD芯片和带孔的挡光片构成，光源发射器和挡光片均固定于下剪切盒上，CCD芯片固定于底座上，挡光片位于光源发射器与CCD芯片之间，光源发射器与挡光片的孔位置相对。
2.根据权利要求1所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：上剪切盒的盒底为中空结构，空腔通过位于上剪切盒盒底上的通孔与上剪切盒的盒腔连通，上剪切盒盒底的空腔构成水箱、通孔构成透水孔。
3.根据权利要求1所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：法向加压系统和切向加压系统均由加载元件和刚性垫块构成，刚性垫块位于加载元件与加载元件作用的上剪切盒或下剪切盒之间，法向扰动组件和切向扰动组件的上刚性杆件分别与法向加压系统和切向加压系统的刚性垫块固连。
4.根据权利要求3所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述上刚性杆件与对应的刚性垫块焊接。
5.根据权利要求1所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述上刚性杆件和下刚性杆件上均沿其轴向开设有2个以上螺纹孔，上刚性杆件和下刚性杆件分别通过螺纹紧固件安装于竖向支撑杆件的顶端和底端。
6.根据权利要求1所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：所述出水管贯穿下剪切盒的盒底。
7.根据权利要求1所述的考虑降雨和爆破振动反复作用的岩土体剪切流变仪，其特征在于：挡光片的孔为方形孔。
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