CN110987663B - 一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法 - Google Patents

一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法，解决了现有技术剪切仪不能够准确的模拟实际工程中的界面剪切模式的问题，实现了恒应力或恒刚度加载，并可用于不同干湿度的岩土体结构的剪切试验。其技术方案为：包括操作平台和安装于操作平台上方的竖向加载装置、水平加载装置和剪切模拟装置，其中，所述剪切模拟装置包括套装在一起的下剪切盒和上剪切盒，且上剪切盒与下剪切盒之间具有用于剪切运动的空间；所述下剪切盒与操作平台之间设置水平导轨；所述竖向加载装置位于上剪切盒上方，且连接恒刚度提供装置；所述水平加载装置安装于上剪切盒一侧，水平加载装置能够推动下剪切盒沿水平导轨移动。

Description

一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法
技术领域
本发明涉及剪切试验领域，尤其涉及一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法。
背景技术
随着我国建筑施工工程数量和规模的不断扩大，不同结构物-岩土体界面剪切或者岩土体界面剪切的工程案例不断增加，如何能够通过界面剪切理论快速准确的确定不同界面间的剪切抗力，已成为现在科学研究的一大热点。通过室内试验更为精确细致的模拟实际工程中的界面剪切现象，通过先进的数据采集和记录设备获取数据，是当前确定不同界面间剪切抗力的主要手段。
发明人发现，传统的直剪仪器存在着尺寸效应大，不能够保证剪切面积的不变，不能够提供恒定的刚度，不能够保证剪切面的干湿度等问题，不能够十分准确的模拟实际工程中的界面剪切模式，所测量的数据不够准确，很难直接应用于工程实践问题的计算中去。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法，实现了恒应力或恒刚度加载，并可用于不同干湿度的岩土体结构的剪切试验。
本发明采用下述技术方案：
一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，包括操作平台和安装于操作平台上方的竖向加载装置、水平加载装置和剪切模拟装置，其中，所述剪切模拟装置包括套装在一起的高透光性下剪切盒和上剪切盒，且上剪切盒与下剪切盒之间具有用于剪切运动的空间，并可通过在接触面喷涂或添加水来控制接触面的湿度；所述下剪切盒与操作平台之间设置水平导轨；
所述竖向加载装置位于上剪切盒上方，且连接恒刚度提供装置；所述水平加载装置安装于上剪切盒一侧，水平加载装置能够推动下剪切盒沿水平导轨移动。
进一步的，所述竖向加载装置包括液压加载装置、与液压加载装置相连的加载板，所述加载板固定有应力传感器。
进一步的，所述竖向加载装置通过恒刚度提供装置连接反力架，所述反力架下方安装位移传感器。
进一步的，恒刚度提供装置包括多个螺栓或弹簧，竖向加载装置通过螺栓或弹簧与反力架固定连接。
进一步的，所述水平加载装置包括直线电机、与直线电机相连的传动杆；所述直线电机固定于三角支撑平台侧面。
进一步的，所述三角支撑平台安装气泡水准仪。
进一步的，所述操作平台上与水平加载装置相对一侧设置竖向安装平台，所述竖向安装平台固定有位移传感器，所述下剪切盒与竖向安装平台相对一侧安装应力传感器。
进一步的，所述水平导轨表面安装若干钢珠，所述操作平台底部安装调平支座。
一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切监测系统，包括非接触式图像监测系统、计算机和所述的可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，所述竖向加载装置、水平加载装置连接计算机；所述非接触式图像监测系统能够采集盛放于剪切模拟装置内部试样的剪切变形数据，并将数据传输至计算机。
一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切监测系统的使用方法，包括以下步骤：
A.安装可控界面湿度的恒刚度循环加载剪切仪，并连接计算机，调试设备；
B.将预制的结构物或岩土体放入下剪切盒，将上剪切盒放置于下剪切盒内部，并向上剪切盒内填充试验材料或注水，调平操作平台；
C.安装竖向加载装置，通过计算机控制施加初始压力；
D.调整水平加载装置，使传动杆刚好与下剪切盒接触，调零应力传感器、位移传感器，激活非接触式图像监测系统；
E.设定水平位移的速率及距离，开始试验；
F.试验结束，解除水平、竖向加载，取出试验材料，拆解可控界面湿度的恒刚度循环加载剪切仪，清理后保存。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可根据不同工况进行精细化试验模拟，以得到更为准确试验结果及数据；竖向加载装置能够提供恒刚度或恒应力的荷载施加方式，更加复合工程实际，模拟效果更好；水平加载装置能够提供稳定的水平位移，并能够精确控制位移的大小及方向实现循环剪切；
(2)本发明的剪切模拟装置能够实现不同干湿度条件下的循环剪切，以及在剪切过程中保持剪切面积的不变；
(3)本发明的操作平台下部设置调平支座，能够保证剪切仪在任何试验平台下保持水平，以保证试验结果的精确性；
(4)本发明的应力传感器、位移传感器由计算机直接控制，能够采集下剪切盒的水平位移及应力和上剪切盒内材料的竖向位移及应力，自动采集两个方向的数据记录到计算机上，形成相关数据的数据库及数据图表，数据记录更加准确，同时也方便了试验人员的分析；
(5)本发明的非接触式图像监测系统能够在不与试样接触的情况下对试样内部进行监测，减小了对试验的扰动，同时又提高了数据的准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
其中，1.恒刚度提供装置；2.液压加载装置；3.应力传感器；4.加载板；5.试验材料；6.反力架；7.顶板；8.上剪切盒；9.应力传感器；10.下剪切盒；11.位移传感器；12.岩土体或结构物；13.竖向安装平台；14.钢珠；15.操作平台；16.三角支撑平台；17.直线电机；18.传动杆；19.水平导轨；20.气泡水准仪；21.调平支座；22.位移传感器；23.固定架；24.恒刚度循环剪切仪；25.非接触式图像监测系统；26.计算机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不能够准确的模拟实际工程中的界面剪切模式的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪、监测系统及方法。
实施例一：
下面结合附图1对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：
本实施例提供了一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，包括操作平台15、反力架6、竖向加载装置、水平加载装置和剪切模拟装置，剪切模拟装置通过水平导轨19安装于操作平台15上方，水平加载装置位于剪切模拟装置一侧，竖向加载装置位于剪切模拟装置上方。
操作平台15底部安装多个调平支座21，通过调平支座21保证操作平台15保持水平。在本实施例中，调平支座21设置三个，且呈三角形布置，以增加支撑稳定性。
水平导轨19固定安装于操作平台15上表面，在水平导轨19的上表面开设有若干分布在同一水平线上的凹槽，凹槽内设有钢珠14；通过钢珠14减小剪切模拟装置沿水平导轨19运动的摩擦力。水平导轨19能够实现不同剪切工况的模拟，同时保证了剪切面积不变。
所述剪切模拟装置包括透明的上剪切盒8和下剪切盒10，下剪切盒10放置于水平导轨19上方，且下剪切盒10的横向尺寸小于水平导轨19长度，使下剪切盒10在水平导轨19上有一定的水平移动距离。上剪切盒8套设于下剪切盒10内部，当下剪切盒10内盛装岩土体或结构物12后，上剪切盒8放置于岩土体12上方。上剪切盒8的横向尺寸小于下剪切盒10的横向尺寸，使上剪切盒8与下剪切盒10之间形成用于剪切运动的移动空间，同时可实现干湿剪切的模拟。
上剪切盒8的侧面通过固定架23连接竖向安装平台13，竖向安装平台13位于下剪切盒10侧面(与水平加载装置相对的一侧)。竖向安装平台13侧面安装位移传感器11，通过位移传感器11检测下剪切盒10沿水平导轨19移动的位移信息。所述下剪切盒10与竖向安装平台13相对一侧安装应力传感器9。应力传感器9、位移传感器11能够将检测到的信息传输至后续处理设备。
所述竖向加载装置包括液压加载装置2和加载板4，液压加载装置2与加载板4相连，液压加载装置2控制加载板4对上剪切盒8内的试验材料5进行加载。液压加载装置2通过恒刚度提供装置1安装于反力架6的顶板7下方，反力架6的底部与操作平台15固定连接。在本实施例中，液压加载装置2为液压千斤顶。所述恒刚度提供装置1包括多个螺栓或弹簧，当液压加载装置2与顶板7通过螺栓连接时，提供恒应力加载；当液压加载装置2与顶板7通过弹簧连接时，提供恒刚度加载。
加载板4的上方固定有应力传感器3，通过应力传感器3感应应变信息；反力架6的顶板7下方固定位移传感器22，通过位移传感器22检测加载板4位置信息。应力传感器3、位移传感器22能够将检测到的信息传输至后续处理设备。
所述水平加载装置包括直线电机17和传动杆18，直线电机17连接控制系统，所述直线电机17固定于三角支撑平台16的侧面，通过三角支撑平台16能够保证直线电机17稳定安装。直线电机17的电机轴通过联轴器连接传动杆18，直线电机17能够驱动传动杆18使其与下剪切盒10的侧面接触；并可实现不同水平移动速度及方向的控制，实现了高效精确化控制，保证了试验的准确性。
所述三角支撑平台16侧面靠近操作平台15表面位置安装气泡水准仪20，通过气泡水准仪20检测操作平台15是否水平。
实施例二：
如图2所示，本实施例提供了一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切监测系统，包括非接触式图像监测系统25、计算机26和实施例一所述的恒刚度循环剪切仪24，应力传感器9、应力传感器3、位移传感器11、位移传感器22均连接计算机26，各传感器将检测到的信息传输至计算机26进行后续处理，形成相关数据的数据库及数据图表。
所述非接触式图像监测系统25与计算机26相连，能够通过透明的剪切盒，在监测设备不与剪切仪器及试样接触的情况下，对试样进行测量，可获得试样内部的剪切变形数据，并将数据传输至计算机26。非接触式图像检测系统25的主体为4k高清摄像机，可对剪切过程进行拍照对比，也可进行实时高清录像。利用专用软件可对其采集的图像进行分析，获得众多结构面剪切信息，例如界面破坏模式，破坏后残余物的移动轨迹等。
本实施例恒应力干湿循环剪切监测系统的使用方法，包括以下步骤：
A.安装恒应力干湿循环剪切仪24，并连接计算机26，调试设备，采集应力传感器9、应力传感器3、位移传感器11、位移传感器22及非接触式图像监测系统25的信息。
B.将预制的岩土体12或结构物(例如桩、隧道衬砌、管道等)放入下剪切盒10，将上剪切盒8放置于下剪切盒10内部，并向上剪切盒8内填充试验材料5或注水，通过调平支座21调平操作平台15。
C.选择不同刚度的恒刚度提供装置1安装竖向加载装置，通过计算机26控制施加初始压力。
D.启动直线电机17，通过控制系统控制直线电机17使传动杆18刚好与下剪切盒10接触，调零应力传感器9、应力传感器3、位移传感器11、位移传感器22，激活非接触式图像监测系统25。
E.设定水平位移的速率及距离，开始试验，应力传感器9、应力传感器3、位移传感器11、位移传感器22采集的信息由计算机26实时记录。
F.试验结束，解除水平、竖向加载，取出试验材料5，拆解恒应力干湿循环剪切仪，擦拭清理仪器各部分，并妥善保存。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，包括操作平台和安装于操作平台上方的竖向加载装置、水平加载装置和剪切模拟装置，其中，所述剪切模拟装置包括套装在一起的下剪切盒和上剪切盒，且上剪切盒与下剪切盒之间具有用于剪切运动的空间，通过在接触面喷涂或添加水来控制接触面的湿度；所述下剪切盒与操作平台之间设置水平导轨；
所述竖向加载装置位于上剪切盒上方，且连接恒刚度提供装置；所述水平加载装置安装于上剪切盒一侧，水平加载装置能够推动下剪切盒沿水平导轨移动；
所述水平导轨表面安装若干钢珠，所述操作平台底部安装调平支座；
所述上剪切盒套设于下剪切盒内部，当下剪切盒内盛装岩土体或结构物后，上剪切盒放置于岩土体上方，上剪切盒的横向尺寸小于下剪切盒的横向尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，所述竖向加载装置包括液压加载装置、与液压加载装置相连的加载板，所述加载板固定有应力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，所述竖向加载装置通过恒刚度提供装置连接反力架，所述反力架下方安装位移传感器。
4.根据权利要求3所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，恒刚度提供装置包括多个螺栓或弹簧，竖向加载装置通过螺栓或弹簧与反力架固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，所述水平加载装置包括直线电机、与直线电机相连的传动杆；所述直线电机固定于三角支撑平台侧面。
6.根据权利要求5所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，所述三角支撑平台安装气泡水准仪。
7.根据权利要求1所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切仪，其特征在于，所述操作平台上与水平加载装置相对一侧设置竖向安装平台，所述竖向安装平台固定有位移传感器，所述下剪切盒与竖向安装平台相对一侧安装应力传感器。
8.一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切监测系统，其特征在于，包括非接触式图像监测系统、计算机和如权利要求1-7任一所述的恒刚度循环剪切仪，所述竖向加载装置、水平加载装置连接计算机；所述非接触式图像监测系统能够采集盛放于剪切模拟装置内部试样的剪切变形数据，并将数据传输至计算机。
9.根据权利要求8所述的一种可控界面湿度的恒刚度循环剪切监测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.安装恒应力干湿循环剪切仪，并连接计算机，调试设备；
B.将预制的岩土体或结构物放入下剪切盒，将上剪切盒放置于下剪切盒内部，并向上剪切盒内填充试验材料或注水，调平操作平台；
C.安装竖向加载装置，通过计算机控制施加初始压力；
D.调整水平加载装置，使传动杆刚好与下剪切盒接触，调零应力传感器、位移传感器，激活非接触式图像监测系统；
E.设定水平位移的速率及距离，开始试验；
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