CN111398014B - 一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，包括步骤1，矫正前准备；步骤2，试样位置矫正：两套矫正板均根据试样的尺寸同步相向运动相同位移，保证试样上的两条预制裂缝位于间隔缝隙的正上方，且试样与矫正板接触；步骤3，试验前矫正：两块矫正板缓慢反向运动，当两块矫正板与土体试样的左右两侧边相接触，但无挤压力时，保持此位置不动，形成矫正位姿；步骤4，试验中矫正：推动动力板前进，向试样施加水平荷载，矫正板始终保持矫正位姿不动，从而使本发明能防止预制裂缝从尖端向两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，遏制从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂的发展趋势，实现纯Ⅱ型断裂。

Description

一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法

技术领域

本发明涉及土工试验方法，特别是一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法。

背景技术

断裂是由于新裂缝萌生或已存在裂缝的扩展而引起的一种破坏过程，是材料和结构的破坏失效形式之一。在断裂力学中，裂缝扩展按其受力状态可分为三种基本类型，即：张开型（也即I型）、滑开型（也即Ⅱ型）和撕开型（也即III型），分别如图1所示。在土体断裂破坏中，主要涉及I型和Ⅱ型断裂两种，本发明主要适用于纯Ⅱ型断裂的研究。

申请号为CN201210518436.0的中国发明专利，其发明名称为“ 土体剪切断裂破坏试验装置及方法 ”，包括有底座、前挡板、推力提供装置、荷重传感器、位移传感器和数据采集器；前挡板安装在底座的端部，推力提供装置安装在底座上，推力提供装置的动力输出端通过荷重传感器与推力板连接，位移传感器设置在推力板和推力提供装置之间，推力板通过第一滑轨设置在底座上，在推力板与前挡板之间用于安放试样的底座上设置有第二滑轨，推力板与前挡板分别位于试样裂缝的左右两侧，位移传感器和荷重传感器的数据输出端与数据采集器的数据接收端连接。

上述专利申请，虽然能够加载II型断裂，然而，还存在着如下不足，有待进一步改进：

试样在向前推动时，没有左右两侧的压力，很容易造成试样的预制裂缝尖端向两侧开裂，从而使断裂方式从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂发展，但如果在左右两侧施加荷载防止试样裂缝尖端向裂缝两侧开裂，又会使裂缝尖端摩擦力增大从而造成二型断裂的断裂韧度KIC变大，造成测量值偏大的现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，该磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法能在试样左右两侧形成抵靠，使试样在一对剪切力的作用下，防止试样裂缝尖端向裂缝两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，避免断裂方式从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂发展，甚至转变为Ⅰ型断裂，实现纯Ⅱ型断裂。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，包括如下步骤。

步骤1，矫正前准备：三个磁悬浮装置中的垂直电磁线圈、水平电磁线圈均通入设定大小方向的电流，使得三个磁悬浮装置带动土体试样同步上升至设定高度，并与三个磁悬浮支座相分离，从而处于悬浮状态，并根据预制裂缝来调整磁悬浮平台位置，并使三个磁悬浮平台稳定在该位置，不会轻易晃动。将土体试样，放置在中三个磁悬浮装置的正上方，预制裂缝尽可能对齐磁悬浮平台之间的间隔缝隙。

步骤2，试样位置矫正：两套矫正器的矫正板在对应控制器的作用下，均根据试样的尺寸同步相向运动相同位移，如果此时试样不在间隔缝隙的正上方，在一侧矫正板挤压力的作用下，试样上的两条预制裂缝位于间隔缝隙的正上方。继续对试样施加微小的挤压力，保证两侧矫正板与试样均接触，且该挤压力很小，不会对试样及预制裂缝产生影响。

每块矫正板的形状和大小均优选与土体试样的长侧边相同。

步骤3，试验前矫正：两块矫正板在对应控制器的作用下，缓慢反向运动，当两块矫正板与土体试样的左右两侧边相接触，但无挤压力时，保持此位置不动，形成矫正位姿。此时，接触传感器能检测到矫正板与土体试样相接触，但测力传感器检测到的挤压力为零。

步骤4，试验中矫正：推拉动力源接通电源，推动动力板前进，从而向试样施加水平荷载，阻挡板在尾部阻隔试样前进，试样底部与磁悬浮平台之间相对静止。随着，动力板继续前移，矫正板始终保持矫正位姿不动，并抵靠在土体试样左右两侧，形成一对相向的侧剪切力，防止预制裂缝从尖端向两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，遏制从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂的发展趋势，从而使得土体试样在两条预制裂缝的尖端处产生纯Ⅱ型断裂。

伸缩驱动装置采用调速电机控制，步骤3中，矫正板的反向运动速度小于步骤2中的相向运动速度。

根据土体试样的长度，选择每块矫正板外连接伸缩驱动装置的数量。

每块矫正板均由两个伸缩驱动装置进行控制。

本发明具有如下有益效果：

1、矫正板抵在试样左右两侧，使试样在一对剪切力的作用下，防止试样裂缝尖端向裂缝两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，避免断裂方式从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂发展，甚至转变为Ⅰ型断裂，实现纯Ⅱ型断裂。

2、使用磁悬浮平台和磁悬浮支座，使托起试样的磁悬浮平台与试验平台完全分离，消除摩擦力，提高试验的准确性。也即通过通电线圈产生磁场，利用同性相斥异性相吸的原理，实现磁悬浮效应，不仅完全消除试样下侧摩擦力，还可以限制磁悬浮平台的运动方式，使之只能沿磁悬浮平台长度方向滑动，防止其在试验中晃动对试验结果的影响

3、试样上有两条预制裂缝，裂缝深入试样总长一定的距离，不管试样的尺寸如何，其中部的两条预制裂缝式中与两个磁悬浮平台中的空隙对齐，可以对不同尺寸的试样进行试验，适用面广。

4、本发明能对同一个试样上的两条预制裂缝同时进行试验，并对照比较实验结果。

附图说明

图1显示了试样的几种断裂类型图。

图2显示了本发明一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法的结构示意图。

图3 显示了本发明中试样的示意图。

图4 显示了本发明中阻拦器在伸缩杆处于原始状态时的示意图。

图5 显示了本发明中阻拦器在伸缩杆处于伸长状态时的示意图。

图6 显示了本发明中三个磁悬浮平台的示意图。

图7 显示了图6中一个磁悬浮平台的局部示意图。

图8 显示了本发明中试验平台上其他设备的示意图。

图9 显示了本发明中试验平台的示意图。

图10显示了本发明中矫正伸装置中伸缩杆处于原始状态时的示意图。

图11 显示了本发明中矫正伸装置中伸缩杆处于伸长状态时的示意图。

其中有：

1、试样；

2、阻拦器；2-1、固定座；2-2、控制器；2-3、伸缩杆；2-4、阻拦板；

3、矫正器；3-1、控制器，3-2、测力传感器，3-3、矫正板，3-4、伸缩杆；3-5、接触传感器；3-6、位移传感器；

4、磁悬浮平台；4-1、磁悬浮平台；4-2、垂直电磁线圈；4-3、水平电磁线圈；

5、磁悬浮支座；5-1、T型竖板；5-2、T型横板；5-3、垂直磁铁；5-4、水平磁铁；

6、动力板；7、位移传感器；8、应力传感器；9、位置传感器持力架；

10、推拉动力源；11、收集器；12、传输线；13、试验平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图2所示，一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，包括试样1、试验平台13、磁悬浮装置、阻拦器2、矫正板、推拉动力装置和数据采集装置。

磁悬浮装置包括三个磁悬浮平台4和三个磁悬浮支座5。

如图6和图7所示，三个磁悬浮支座均包括T型支架，均包括T型竖板5-1和T型横板5-2。三个磁悬浮支座平行并列且等距摆放，且每个磁悬浮支座的T型竖板底端均固定安装在试验平台上。每个T型横板的两个外侧端上均安装有水平磁铁5-4，位于T型竖板两侧的T型横板底部对称布设有垂直磁铁5-3。

三个磁悬浮平台4-1均为C型平台，分别套设在三个磁悬浮支座外周。每个磁悬浮平台的C型内腔中设置有两个水平电磁线圈4-3和两个垂直电磁线圈4-2，其中，水平电磁线圈与水平磁铁位置相对应，通电后形成磁场与水平磁铁产生水平方向的斥力，避免磁悬浮平台的晃动；垂直电磁线圈与垂直磁铁位置相对应，通电后形成磁场与垂直磁铁产生垂直方向的引力，用来使磁悬浮平台脱离T型支架并悬浮；位于中部的磁悬浮支座的长度大于套装在其外侧的磁悬浮平台的长度；在相同电流的通入下三个磁悬浮平台悬浮后上表面同高，用于支撑土体试样1。

土体试样1的结构，如图3所示，开设有两条均与长度方向相平行且对称的预制裂缝。裂缝深入土体试样总长一定的距离，不管土体试样的尺寸如何，其中部的两条预制裂缝式中与两个磁悬浮平台中的空隙对齐，可以对不同尺寸的土体试样进行试验，适用面广。试验中，推动土体试样中部，并阻拦土体试样两侧，保证土体试样在试验过程中不会倾斜扭曲，且可以在同一组试验中对比两条裂缝走势；

相邻两个磁悬浮平台之间均具有间隔缝隙，间隔缝隙与土体试样上的预制裂缝位置相对应。

阻拦器有两个，安装在与两个外侧磁悬浮支座后端部相对应的试验平台上。如图4和图5所示，每个阻拦器均包括固定座2-1、控制器2-2、伸缩杆2-3和阻拦板2-4。固定座安装在试验平台上，控制器安装在固定座上，控制器通过伸缩杆与阻拦板相连接，控制阻拦板沿着磁悬浮平台长度方向伸缩，阻拦板的底部高度不低于磁悬浮平台的顶面高度，且两块阻拦板下边缘与外侧两个磁悬浮平台上边缘齐平。

固定座呈L型，其L型竖板抵靠在对应外侧磁悬浮支座后端部。L型竖板的顶面高度与磁悬浮平台悬浮后高度相同。

数据采集装置包括应力传感器8、位移传感器7和安装在试验平台上的收集器11、位置传感器持力架9、传输线12，应力传感器8和位移传感器7分别用于采集动力板的应力和位移，并分别同时传输线12与收集器相连接。其中，位移传感器安装在位移传感器持力架9上，位移传感器持力架安装在试验平台上。

推拉动力装置包括动力板6、动力杆3和安装在试验平台上的推力动力源10，动力板与位于中部磁悬浮支座正上方试样的前端部位置相对应，推力动力源的输出端与应力传感器相连接，应力传感器安装与动力杆相连接，动力杆与动力板相连接。

两块矫正板均与磁悬浮支座长度方向相平行，用于对试样的左右侧向位移进行限位阻挡。

一种基于磁悬浮效应的土体滑开型断裂试验方法，包括如下步骤。

步骤1，制样：将待试验的土体制作成设定长宽尺寸的土样，并在土样上沿长度方向预制两条相平行的预制裂缝，形成试样。

步骤2，组装磁悬浮装置：将三个磁悬浮平台依次套设在三个磁悬浮支座外周，并使磁悬浮平台处于初始状态。其中，初始状态为：三个磁悬浮平台中的两个垂直电磁线圈均不通电，通过磁悬浮支座中的T型支架对磁悬浮平台进行支撑，三个磁悬浮平台的顶面高度相同，三个磁悬浮平台邻近推力板的一端保持齐平。三个磁悬浮平台中的两个垂直电磁线圈均通入大小及方向相同的电流，使得三个磁悬浮平台带动试样同步上升至设定高度。位于中部磁悬浮平台中的两个水平电磁线圈通入大小相等、方向相同足够大的电流，使中部磁悬浮平台关于中部T型支架的轴线对称，并稳定在该位置，不会轻易晃动。位于外侧的两个磁悬浮平台中的两个水平电磁线圈均不通电，并均与中部磁悬浮平台相贴合，无缝隙。

步骤3，间隔缝隙调整：根据步骤1中试样预制裂缝的宽度大小，对两个外侧磁悬浮平台中的两个水平电磁线圈通入适当方向和适当大小的电流，使两个外侧磁悬浮平台向两侧移动，从而使得相邻两个磁悬浮平台之间的间隔缝隙均等于步骤1中试样预制裂缝的宽度，再通过对垂直电磁线圈、水平电磁线圈通过电流及方向的调整，使两侧磁悬浮平台稳定在该位置，不会轻易晃动。

步骤4，放置试样：将步骤1完成的试样，放置在步骤3中三个磁悬浮平台的正上方，并使试样上的两条预制裂缝位于步骤3中两个间隔缝隙的正上方。

土体试样放样时，靠近动力板的土体试样前端优选与磁悬浮平台前端相齐平，也即能够方便动力板下边缘与土体试样下表面和中部的磁悬浮平台上表面对齐，方便推动位于中部的磁悬浮平台正上方的土体试样向阻拦板方向移动。

步骤5，装夹土体试样：动力板和两个阻拦器中的两块阻拦板相向移动，两块阻拦板与两个外侧磁悬浮平台正上方的土体试样后端部相贴合接触，且不对土体试样施加推力。动力板与中部的磁悬浮平台正上方的土体试样前端部相贴合接触，且不对土体试样施加推力。

磁悬浮平台两个上述阻拦板优选分别对准在土体试样两条预制裂缝外侧的部分。阻拦板的一条侧条与邻近的一条预制裂缝位置对齐，阻拦板的其他三条侧边均与相贴合接触的土体试样边缘对齐。

动力板的左右侧边优选与两条预制裂缝位置对齐，动力板的上侧边与土体试样的上边缘对齐，动力板的下边缘与土体试样的下边缘或中部的磁悬浮平台上表面齐平。

步骤6，Ⅱ型断裂试验：推拉动力源接通电源，推动动力板前进，从而向土体试样施加水平荷载，阻挡板在尾部阻隔土体试样前进，土体试样底部与磁悬浮平台之间相对静止。随着，动力板继续前移，从而使得土体试样在两条预制裂缝的尖端处产生纯Ⅱ型断裂。

步骤7，数据采集及绘图：在Ⅱ型断裂试验过程中，应力传感器和位移传感器分别实时记录动力板的应力值与位移值，并传输给电脑。由电脑绘制应力-时间、位移-时间过程线图。

步骤8，停止试验：当应力传感器采集的应力值突降时，显示土体试样断裂，停止试验。

步骤9，通过更换土体试样的长宽尺寸、调整土体试样的预制裂缝长度或宽度，重复步骤2至步骤8，寻找土体试样尺寸或预制裂缝尺寸对Ⅱ型断裂的影响规律以及尺寸以及初始裂缝尺寸变化对土体试样断裂韧度的影响。

一种土体Ⅱ型断裂试验用矫正装置，包括两套矫正器，两套矫正器对称设置在土体试样的长边两侧。土体试样放置在Ⅱ型断裂装置平台上，且土体试样具有与长边相平行的两条预制裂缝。

上述Ⅱ型断裂装置平台优选为磁悬浮装置，磁悬浮装置包括三个磁悬浮平台，三个磁悬浮平台平行并列设置，且能在磁力的作用下进行升降悬浮，并保持在相同高度；相邻两个磁悬浮平台之间均具有间隔缝隙，间隔缝隙与土体试样上的预制裂缝位置相对应。磁悬浮装置的具体结构如上所述。作为替换，Ⅱ型断裂装置平台也可以为滚动式支撑平台或背景技术中的滑动垫板等。

每套矫正器均包括矫正板3-3、伸缩驱动装置、测力传感器3-2、位移传感器3-6和接触传感器3-6。

伸缩驱动装置，用于驱动矫正板沿着垂直于土体试样长边方向进行伸缩运动。伸缩驱动装置优选包括控制器3-1和伸缩杆3-4。控制器位置固定，并通过伸缩杆与矫正板相连接。控制器优选采用调速电机进行控制。

测力传感器用于检测矫正板与土体试样之间的挤压力，优选安装在伸缩杆上。

位移传感器用于检测矫正板的伸缩位移，优选安装在伸缩杆上。

接触传感器安装在邻近土体试样一侧的矫正板上，用于检测矫正板与土体试样的接触情况。

每套矫正器中的伸缩驱动装置、测力传感器、位移传感器和接触传感器各具有两个，测力传感器和位移传感器均安装在对应的伸缩杆上，接触传感器安装在与伸缩杆相对应的邻近土体试样一侧的矫正板上。

本实施例中，以磁悬浮装置为例，对本发明的矫正方法，进行详细介绍。

每套矫正器均包括矫正板3-3、伸缩驱动装置、测力传感器3-2、位移传感器3-6和接触传感器3-6。

伸缩驱动装置，用于驱动矫正板沿着垂直于土体试样长边方向进行伸缩运动。伸缩驱动装置优选包括控制器3-1和伸缩杆3-4。控制器位置固定，并通过伸缩杆与矫正板相连接。控制器优选采用调速电机进行控制。

测力传感器用于检测矫正板与土体试样之间的挤压力，优选安装在伸缩杆上。

位移传感器用于检测矫正板的伸缩位移，优选安装在伸缩杆上。

接触传感器安装在邻近土体试样一侧的矫正板上，用于检测矫正板与土体试样的接触情况。

每套矫正器中的伸缩驱动装置、测力传感器、位移传感器和接触传感器各具有两个，测力传感器和位移传感器均安装在对应的伸缩杆上，接触传感器安装在与伸缩杆相对应的邻近土体试样一侧的矫正板上。

一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，包括如下步骤。

步骤1，矫正前准备：三个磁悬浮装置中的垂直电磁线圈、水平电磁线圈均通入适当大小、适当方向的电流，使得三个磁悬浮装置带动土体试样同步上升至设定高度，并与三个磁悬浮支座相分离，从而处于悬浮状态，并根据预制裂缝来调整磁悬浮平台位置，并使三个磁悬浮平台稳定在该位置，不会轻易晃动。将土体试样，放置在中三个磁悬浮装置的正上方，预制裂缝尽可能对齐磁悬浮平台之间的间隔缝隙。

步骤2，试样位置矫正：两套矫正器的矫正板在对应控制器的作用下，均根据试样的尺寸同步相向运动相同位移，如果此时试样不在间隔缝隙的正上方，在一侧矫正板挤压力的作用下，试样上的两条预制裂缝位于间隔缝隙的正上方。继续对试样施加微小的挤压力，保证两侧矫正板与试样均接触，且该挤压力很小，不会对试样及预制裂缝产生影响。挤压力远小于预制裂缝的断裂拉力，如10N以下等。

每块矫正板的形状和大小均优选与土体试样的长侧边相同。

步骤3，试验前矫正：两块矫正板在对应伸缩驱动装置的作用下，缓慢反向运动，当两块矫正板与土体试样的左右两侧边相接触，但无挤压力时，保持此位置不动，形成矫正位姿。此时，接触传感器能检测到矫正板与土体试样相接触，但测力传感器检测到的挤压力为零。

上述伸缩驱动装置优选采用调速电机控制，本步骤中矫正板的反向运动速度优选小于步骤2中的相向运动速度。另外，根据土体试样的长度，选择每块矫正板外连接伸缩驱动装置的数量。本实施例中，每块矫正板均优选由两个伸缩驱动装置进行控制。

步骤4，试验中矫正：推拉动力源接通电源，推动动力板前进，从而向试样施加水平荷载，阻挡板在尾部阻隔试样前进，试样底部与磁悬浮平台之间相对静止。随着，动力板继续前移，矫正板始终保持矫正位姿不动，并抵靠在土体试样左右两侧，形成一对相向的侧剪切力，防止预制裂缝从尖端向两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，遏制从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂的发展趋势，从而使得土体试样在两条预制裂缝的尖端处产生纯Ⅱ型断裂。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，矫正前准备：三个磁悬浮装置中的垂直电磁线圈、水平电磁线圈均通入设定大小方向的电流，使得三个磁悬浮装置带动土体试样同步上升至设定高度，并与三个磁悬浮支座相分离，从而处于悬浮状态，并根据预制裂缝来调整磁悬浮平台位置，并使三个磁悬浮平台稳定在该位置，不会轻易晃动；将土体试样，放置在中三个磁悬浮装置的正上方，预制裂缝对齐磁悬浮平台之间的间隔缝隙；

步骤2，试样位置矫正：两套矫正器的矫正板在对应控制器的作用下，均根据试样的尺寸同步相向运动相同位移，如果此时试样不在间隔缝隙的正上方，在侧矫正板挤压力的作用下，试样上的两条预制裂缝位于间隔缝隙的正上方；继续对试样施加微小挤压力，保证两侧矫正板与试样均接触，且该挤压力小，不会对试样及预制裂缝产生影响；

每套矫正器均包括矫正板、伸缩驱动装置、测力传感器、位移传感器和接触传感器；

每块矫正板的形状和大小均与土体试样的长侧边相同；

步骤3，试验前矫正：两块矫正板在对应控制器的作用下，缓慢反向运动，当两块矫正板与土体试样的左右两侧边相接触，但无挤压力时，保持此位置不动，形成矫正位姿；此时，接触传感器能检测到矫正板与土体试样相接触，但测力传感器检测到的挤压力为零；

步骤4，试验中矫正：推拉动力源接通电源，推动动力板前进，从而向试样施加水平荷载，阻挡板在尾部阻隔试样前进，试样底部与磁悬浮平台之间相对静止；随着，动力板继续前移，矫正板始终保持矫正位姿不动，并抵靠在土体试样左右两侧，形成一对相向的侧剪切力，防止预制裂缝从尖端向两侧开裂，试样在裂缝处向两侧分开的情况，遏制从Ⅱ型断裂向Ⅰ—Ⅱ型混合断裂的发展趋势，从而使得土体试样在两条预制裂缝的尖端处产生纯Ⅱ型断裂。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，其特征在于：控制器采用调速电机控制，步骤3中，矫正板的反向运动速度小于步骤2中的相向运动速度。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，其特征在于：根据土体试样的长度，选择每块矫正板外连接伸缩驱动装置的数量。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮式土体剪切型断裂试验的矫正方法，其特征在于：每块矫正板均由两个控制器进行控制。

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