CN111398018B - 一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置 - Google Patents

一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，包括基座、滚球装置、试样托板、阻隔板、推力装置、数据监测装置和数据采集装置；试样具有两条预制裂缝；试样托板包括中间托板和两块侧托板，并通过滚动导向装置相连；两者间均具有与预制裂缝等宽的缝隙槽；滚动导向装置包括大滚槽、小滚槽、大滚球和小滚球。本发明采用双裂缝并使用双阻隔板，用来消除试样裂缝延伸处的弯矩，实现纯剪切型断裂；中间托板与侧托板安装滚动导向装置，三块托板相互之间仅允许沿滚槽方向相对错动且阻止其他任何相对运动方式，以此来减少托板之间错动对试验的影响；托板下部安装抹油润滑油的滚球装置，形成滚动摩擦，减小摩擦力，提高试验的准确性。

Description

一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置
技术领域
本发明涉及一种土工试验装置，特别是一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置。
背景技术
土体的剪切型断裂，也称为滑开型或纯II型断裂，如图1所示，为土体主要的断裂破坏类型。
申请号为CN201010576948.3的中国发明专利，其发明名称为“土体II型断裂破坏的试验装置”，其采用前挡铁和推力提供装置分别连接在底座的两端，且前挡铁和推力提供装置，二者中的一者与底座滑动连接；推力提供装置的动力输出部与荷重传感器的一端连接，荷重传感器的另一端与推力板连接；荷重传感器和位移传感器的信号输出端都连接到计算机；荷重传感器检测施加于试样的荷载；位移传感器检测试样在试验中的变形。
上述专利申请，虽然能够实现II型断裂试验，然而，还存在着如下不足，有待进一步改进：
1、受到裂缝面以上部分土体自重的影响，在试验过程中裂缝面上存在因试样自重引起的摩擦力，从而影响试验的结果。
2、只能对一条裂缝进行试验研究，但剪切型断裂试验又不能对同一个试样进行两次试验，故而没有对照组，不便于比较试验结果。
3、试验过程中滑轨滑动所产生的的摩擦是干扰试验的一主要因素，会造成测量到的推力过大的现象，从而影响试验的结果。
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，而提供一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，该滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置中试样采用双裂缝并使用双阻隔板，用来消除试样裂缝延伸处的弯矩为零，从而实现纯剪切型断裂；中间托板与侧托板安装滚动导向装置，三块托板相互之间仅允许沿滚槽方向相对错动且阻止其他任何相对运动方式，以此来减少托板之间相互作用对试验的影响；托板下部安装抹油润滑油的滚球装置，形成滚动摩擦，减小摩擦力，提高试验的准确性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，包括基座、滚球装置、试样托板、阻隔板、推力装置、数据监测装置和数据采集装置。
滚球装置嵌入在基座中。
试样托板位于滚球装置上方，用于承托试样。
试样具有两条对称且相平行的预制裂缝。
试样托板包括中间托板和位于中间托板两侧的两块侧托板。中间托板与两块侧托板长度、宽度及厚度均相同，中间托板与两块侧托板之间均通过滚动导向装置相连接。同时，中间托板和两块侧托板之间均具有缝隙槽。两条缝隙槽分别与两条预制裂缝位置相对应，且宽度相等。
滚动导向装置包括大滚槽、小滚槽、大滚球和小滚球。大滚槽和小滚槽分别沿托板长侧边方向设置在侧托板靠近中间托板一侧，并形成具有侧边开口的插接槽。中间托板的两条长侧边均具有插接边，插接边沿中间托板宽度方向向两侧伸出一部分，分别插接在对应的插接槽内。中间托板的每个插接边上沿托板长侧边方向均设置有一排大滚球和一排小滚球，其中，大滚球位于大滚槽内，小滚球位于小滚槽内，且大滚球和小滚球直径分别小于大滚槽和小滚槽。
阻隔板有两块，均固定在基座上，且与两块侧托板位置相对应，用于对两块侧托板以及位于两块侧托板正上方的试样形成阻挡。
推力装置包括推力板、推力控制器，推力板用于将位于中间托板正上方的试样向着阻隔板的方向进行推移。推力控制器用于向推力板提供垂直于推力板面的水平推力。
数据监测装置包括应力传感器、位移传感器和位移传感器持力架，其中，应力传感器用于检测推力板的推力，位移传感器用于检测推力板的位移。
数据采集装置包括数据采集线和数据采集器，用于采集数据监测装置监测的数据并传输至电脑。
小滚槽邻近缝隙槽设置，且具有侧边开口，大滚槽邻近小滚槽，但位于小滚槽内侧，大滚槽、小滚槽直径均小于侧托板厚度。
大滚球的直径为小滚球直径的1.5～3倍，但小于滚球装置中滚球的直径。大滚球邻近小滚球，且大滚球在插接边外侧，小滚球在插接边内侧，大滚球、小滚球直径均小于托板厚度。
两块阻隔板均呈L型，阻挡板的宽度不大于侧托板的宽度。
推力控制器通过推力杆与推力板相连接。
应力传感器安装在推力杆中部。
本发明具有如下有益效果：
1、试样具有两条平行的预制裂缝，且预制裂缝深入试样总长一定的距离，保证试样裂缝延伸处的弯矩为零，同时对称的双预制裂缝便于设置对照组，方便比较同一次试验的两个预制裂缝试验结果。在试样托板的大小范围内，可以使用任意大小的试样，但是要保证试样的预制裂缝始终处于两块侧托板与中间托板之间的缝隙槽内，且预制裂缝宽度始终与缝隙槽宽度相同。
2、上述双阻隔板的设置，避免了试样单侧受压，能将试样裂缝延伸处的弯矩消除为零，实现纯剪切型断裂。
3、中间托板与两块侧托板之间滚动导向装置的设置，三块托板相互之间仅允许沿滚槽方向相对错动且阻止其他任何相对运动方式，以此来减少托板之间错动对试验的影响；这样使得试样发生断裂时，中间托板以及两侧托板之间的摩擦力几乎为零，消除摩擦力对试验的影响。另外，托板下部安装抹油润滑油的滚球装置，形成滚动摩擦，减小摩擦力，提高试验的准确性。
附图说明
图1显示了剪切型断裂的示意图。
图2显示了本发明一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置的结构示意图。
图3显示了试样的示意图。
图4显示了试样托板的示意图。
图5显示了本发明中滚球装置的示意图；
图6显示了本发明中安装在基座上推力装置、阻隔板以及数据监测装置的示意图。
图7显示了本发明中基座的示意图。
其中有：1、基座，2、数据采集器，3、中间托板，3-1、大滚球，3-2、小滚球，3-3、插接边，4、滚球装置，4-1、滚球，4-2、滚球基座，5、侧托板，5-1、大滚槽，5-2、小滚槽，6、试样，6-1、预制裂缝，7、阻隔板，8、推力控制器，9、数据采集线，10、应力传感器，11、位移传感器，12、推力板，13、位移传感器持力架。
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，一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，包括基座1、滚球装置4、试样托板、阻隔板7、推力装置、数据监测装置和数据采集装置。
如图3所示，试样6具有两条对称且相平行的预制裂缝6-1，预制裂缝的长度可根据需要进行预制。预制裂缝深入试样总长一定的距离，保证试样预制裂缝延伸处的弯矩为零，同时对称的双预制裂缝便于设置对照组，方便比较同一次试验的两个预制裂缝试验结果。在两侧托板与中间托板所组成的托板大小范围内，可以使用任意大小的试样，但是要保证试样的预制缝始终处于两侧托板与中间托板间隔的距离，且预制缝宽度始终与间隔距离相同。
基座1结构，如图7所示，为整个试验装置的底盘，基座具有滚动槽1-1。
滚球装置嵌入在基座中的滚动槽1-1内。滚动装置的结构，如图5所示，包括滚球基座4-2和均匀嵌套在滚球基座上表面的若干个滚球4-1。滚球4-1一部分置于滚球基座4-2中，一部分外露。整个滚球装置4放入基座1的滚动槽1-1内，放入后滚球基座4-2刚好与基座1同高，露出滚球4-1便于在上方放置试样托板，实际使用中会在滚球4-1上摸润滑油，有助于进一步消除摩擦力。
试样托板位于滚球装置上方，用于承托试样。
如图4所示，试样托板包括中间托板3和位于中间托板两侧的两块侧托板5。中间托板与两块侧托板长度、宽度及厚度均相同，中间托板与两块侧托板之间均通过滚动导向装置相连接。同时，中间托板和两块侧托板之间均具有缝隙槽。两条缝隙槽分别与两条预制裂缝位置相对应，且宽度相等。
中间托板与两侧托板均优选由低合金高强度结构钢16Mn构成，这种材料因具有重量轻、强度高等优点，使用这种材料，托板在滚球装置上滑动的更为轻便，摩擦更小。
滚动导向装置包括大滚槽5-1、小滚槽5-2、大滚球3-1和小滚球3-2。大滚槽和小滚槽分别沿托板长侧边方向设置在侧托板靠近中间托板一侧，且分别与预制裂缝相平行，并形成具有侧边开口的插接槽。其中，小滚槽优选邻近缝隙槽设置，且具有侧边开口，大滚槽邻近小滚槽，但位于小滚槽内侧，大滚槽、小滚槽直径均小于侧托板厚度。
中间托板的两条长侧边均具有插接边3-3，插接边沿中间托板宽度方向向两侧伸出托板一部分，分别插接在对应的插接槽内。中间托板的每个插接边上沿托板长侧边方向均设置有一排大滚球和一排小滚球，其中，大滚球位于大滚槽内，小滚球位于小滚槽内，且大滚球和小滚球直径分别略小于大滚槽和小滚槽。大滚球的直径优选为小滚球直径的1.5～3倍，但小于滚球装置中滚球的直径，大滚球邻近小滚球，且大滚球在插接边外侧，小滚球在插接边内侧，大滚球、小滚球直径均小于托板厚度。
一大一小双排滚球结构保证了中间托板3仅可以沿滚槽方向从两侧托板5中水平滑出，且防止中间托板3与侧托板5之间其他任何相对运动方式，这样可以消除试样发生断裂时，中间托板3以及两侧托板5之间相互作用对试验的影响。
阻隔板有两块，结构如图6所示，均呈L型，且均固定在基座上，且与两块侧托板位置相对应，用于对两块侧托板以及位于两块侧托板正上方的试样形成阻挡。阻隔板的高度优选不小于试样的高度，宽度不大于侧托板的宽度，优选为预制裂缝到试样边的距离，阻隔板与预制裂缝对齐。
推力装置包括推力控制器8和推力板12，推力控制器安装在基座上，通过推力杆与推力板相连接。推力板用于将位于中间托板正上方的试样向着阻隔板的方向进行推移。推力板的高度优选不小于试样的高度，宽度为中间托板的宽度，并放置在两预制裂缝之间，推力板两侧与预制裂缝及中间托板两侧对齐。
数据监测装置应力传感器10、位移传感器11和位移传感器持力架13。其中，应力传感器用于检测推力板的推力，优选安装在推力杆中部。位移传感器用于检测推力板的位移，优选安装在位移传感器持力架13上，而位移传感器持力架13固定在基座上。
数据采集装置包括数据采集线9和数据采集器2，应力传感器10和位移传感器11均优选通过数据采集线9与数据采集器2相连接，进行相应数据的采集与处理，并传输至电脑。
一种采用滚动摩擦实现土体纯Ⅱ型断裂的试验方法，包括如下步骤：
步骤1，准备试样：假设中间托板和侧与托板的长和宽分别为L'和W'，中间托板与侧托板之间的缝隙槽长和宽分别为L'和R，中间托板与侧托板组装后长和宽分别为L'和3W'+2R，准备长、宽和厚分别为J、K和D的试样3N个。其中，J≤L'，K≤3W'+2R，N≥2。3N个试样均分为三组，每个试样上均预制两条与长边相平行且对称的裂缝，从而形成预制裂缝，预制裂缝长和宽分别为C和R，每组试样内预制裂缝的长度相同，三组试样形成预制裂缝的长度分别为C1、C2和C3，且C1＜C2＜C3＜L'。
进一步，C/L'∈[0.3,0.7]，C1、C2和C3优选取值为：C1＝0.4L'，C2＝0.5L'，C3＝0.6L'。
步骤2，组装试样托板：将中间托板的两个插接边分别插接在两侧的两个侧托板的插接槽内，并使大滚球位于大滚槽内，小滚球位于小滚槽内。中间托板和两块侧托板之间均形成与预制裂缝宽度相等的缝隙槽。与此同时，将滚球装置放置在基座上的滚动槽内，假设滚球装置的长和宽分别为L和W，则L'≤L，3W'+2R≤W，也即组装后试样托板的长度不超过滚球装置的长度，组装后试样托板的宽度不超过滚球装置的宽度。
步骤3，放置试样：将其中一块预制裂缝长度为C1的试样放置在步骤2组装完成的试样托板正上方，试样放置要求为：试样中的两条预制裂缝与试样托板上两条缝隙槽位置相对应。接着，将承载有试样的试样托板放在滚球装置上，由滚球装置中的滚球支撑试样托板底部。调整试样托板在滚球装置在的位置，使得试样托板中的两块侧托板以及位于两块侧托板正上方的试样与安装在基座上的阻隔板相接触并对齐。
上述阻隔板的高度优选大于等于试样厚度与垫板厚度之和，宽度优选为侧托板的宽度W'，阻隔板与预制裂缝及侧托板两侧对齐。
步骤4，调整推力板：调整推力板，使得推力板与位于中间托板正上方的试样形成无压力接触，推力板两侧与中间托板两侧对齐，下方与中间托板顶部齐平。其中，推力板的高度优选为M，其中M≥D，即推力板的高度大于等于试样厚度，推力板的下边缘与试样下边缘及中间托板上边缘在同一高度，从而方便进行不同厚度及长度的试样试验，宽度为中间托板的宽度W'，并放置在两预制裂缝之间，推力板两侧与预制裂缝及中间托板两侧对齐。
步骤5，纯Ⅱ型断裂试验，包括如下步骤：
步骤51，仪器归零：将应力传感器和位移传感器进行归零，保证应力和位移的初始值为零。
步骤52，施加水平推力：推力控制器接通电源，优选以恒定较小的速率，向应力传感器施加推力，从而推动推力板，向试样中部施加水平推力。另一端试样两侧被阻隔板阻挡，试样底部与试样托板相对静止。
步骤53，产生纯Ⅱ型断裂：随着试样所受水平推力进一步增大，将在两条预制裂缝的尖端处产生纯Ⅱ型断裂。此时，试样预制裂缝中间部分将脱离两侧试样向阻隔板方向微小移动，中间托板在试样的带动下，会与下方滚球装置发生滚动摩擦，将插接边从两侧托板的插接槽中产生微小的水平滑出，由于中间托板与滚球装置发生滚动摩擦，进一步减少中间托板下侧摩擦力对试验的影响，且中间托板与侧托板之间安装滚动导向装置，故三块托板相互之间仅允许沿滚槽方向相对错动且阻止其他任何相对运动方式，从而提高试验准确性。与此同时，由于试样断裂，此时应力传感器测得的应力值会突然下降。
步骤54，数据采集：在纯Ⅱ型断裂产生的整个过程中，应力传感器和位移传感器将实时记录对应的应力值与位移值。
步骤6，绘制线图：数据采集器接收来自应力传感器与位移传感器的数据并传输至电脑，自动绘制应力-时间、位移-时间过程线图。
步骤7，计算试验的强度因子，Ⅱ型断裂应力强度因子KⅡ计算公式如下：
Figure BDA0002431264880000071
其中，F为试样断裂时的最大荷载。C为预制裂缝的长度。W'为两条预制裂缝之间的宽度，即中间托板的宽度。D为试样的厚度。
步骤8，重复步骤3-7，完成其余预制裂缝长度为C1的试样的纯Ⅱ型断裂试验及强度因子计算。
步骤9，重复步骤3-8，完成预制裂缝长度为C2和C3的所有试样的纯Ⅱ型断裂试验及强度因子计算。
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)

1.一种滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，其特征在于：包括基座、滚球装置、试样托板、阻隔板、推力装置、数据监测装置和数据采集装置；
滚球装置嵌入在基座中；
试样托板位于滚球装置上方，用于承托试样；
试样具有两条对称且相平行的预制裂缝，且预制裂缝深入试样总长设定的距离，保证试样裂缝延伸处的弯矩为零，同时对称的双预制裂缝便于设置对照组，方便比较同一次试验的两个预制裂缝试验结果；
试样托板包括中间托板和位于中间托板两侧的两块侧托板；中间托板与两块侧托板长度、宽度及厚度均相同，中间托板与两块侧托板之间均通过滚动导向装置相连接；同时，中间托板和两块侧托板之间均具有缝隙槽；两条缝隙槽分别与两条预制裂缝位置相对应，且宽度相等；
滚动导向装置包括大滚槽、小滚槽、大滚球和小滚球；大滚槽和小滚槽分别沿托板长侧边方向设置在侧托板靠近中间托板一侧，并形成具有侧边开口的插接槽；中间托板的两条长侧边均具有插接边，插接边沿中间托板宽度方向向两侧伸出一部分，分别插接在对应的插接槽内；中间托板的每个插接边上沿托板长侧边方向均设置有一排大滚球和一排小滚球，其中，大滚球位于大滚槽内，小滚球位于小滚槽内，且大滚球和小滚球直径分别小于大滚槽和小滚槽；
大滚球的直径为小滚球直径的1.5~3倍，但小于滚球装置中滚球的直径；
在试样托板的大小范围内，能使用任意大小的试样，但是要保证试样的预制裂缝始终处于两块侧托板与中间托板之间的缝隙槽内，且预制裂缝宽度始终与缝隙槽宽度相同；
中间托板与两块侧托板之间滚动导向装置的设置，能使得中间托板与两块侧托板之间为滚动摩擦，摩擦力小，在提高试验准确性的同时，防止中间托板与两侧托板之间的上下错动，且保证中间托板能从两侧托板中水平滑出，使得试样发生断裂时，中间托板以及两侧托板之间的摩擦力几乎为零，消除摩擦力对试验的影响；
阻隔板有两块，均固定在基座上，且与两块侧托板位置相对应，用于对两块侧托板以及位于两块侧托板正上方的试样形成阻挡；双阻隔板的设置，能将试样裂缝延伸处的弯矩消除为零，实现纯剪切型断裂；托板下部安装抹油润滑油的滚球装置，形成滚动摩擦，摩擦力小，提高试验的准确性；
推力装置包括推力板、推力控制器，推力板用于将位于中间托板正上方的试样向着阻隔板的方向进行推移；推力控制器用于向推力板提供垂直于推力板面的水平推力；
数据监测装置包括应力传感器、位移传感器和位移传感器持力架，其中，应力传感器用于检测推力板的推力，位移传感器用于检测推力板的位移；
数据采集装置包括数据采集线和数据采集器，用于采集数据监测装置监测的数据并传输至电脑。
2.根据权利要求1所述的滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，其特征在于：两块阻隔板均呈L型，阻挡板的宽度不大于侧托板的宽度。
3.根据权利要求1所述的滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，其特征在于：推力控制器通过推力杆与推力板相连接。
4.根据权利要求3所述的滚球式土体剪切型断裂破坏试验装置，其特征在于：应力传感器安装在推力杆中部。
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