CN111458221A - 一种磁悬浮式土体ⅱ型断裂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，包括土体试样、试验平台、磁悬浮装置、阻拦器、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和三个磁悬浮支座；三个磁悬浮支座平行并列且等距摆放，均包括T型支架、水平磁铁和垂直磁铁；三个磁悬浮平台均为C型平台；每个磁悬浮平台的C型内腔中设有两个水平电磁线圈和两个垂直电磁线圈；相邻两个磁悬浮平台之间均具有与土体试样预制裂缝相对应的间隔缝隙；阻拦器包括固定座、控制器、伸缩杆和阻拦板。本发明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，不仅完全消除土体试样下侧摩擦力，还可以限制磁悬浮平台的运动方式。

Description

一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置
技术领域
本发明涉及土工试验装置，特别是一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置。
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动力板连接，位移传感器设置在动力板和推力提供装置之间，动力板通过第一滑轨设置在底座上，在动力板与前挡板之间用于安放土体试样的底座上设置有第二滑轨，动力板与前挡板分别位于土体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：
1、采用左右两垫板放置在土体试样和底座之间，垫板与底座通过滑轨连接。实际试验中，垫板与滑轨之间存在的摩擦力可能会影响试验结果，因此该方法需要进行改进。
2、土体试样尺寸固定，无法考虑土体试样尺寸以及初始裂缝尺寸变化对土体试样断裂韧度的影响。
3、只能对一条裂缝进行试验研究，但Ⅱ型断裂试验又不能对同一个土体试样进行两次试验，故而没有对照组，不便于比较试验结果。
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，而提供一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，该磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置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，不仅完全消除土体试样下侧摩擦力，还可以限制磁悬浮平台的运动方式，使之只能沿T型支架长度方向滑动，防止其在试验中晃动对试验结果的影响。
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Ⅱ型断裂装置，包括土体试样、试验平台、磁悬浮装置、阻拦器、推拉动力装置和数据采集装置。
土体试样预制两条等长度的预制裂缝。
磁悬浮装置包括三个磁悬浮平台和三个磁悬浮支座。
三个磁悬浮支座均包括T型支架，T型支架包括T型横板和T型竖板。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，位于T型竖板两侧的T型横板底部对称布设有垂直磁铁。
三个磁悬浮平台均为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和两个垂直电磁线圈，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电磁力，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电磁力，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，用于支撑土体土体试样。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。
推拉动力装置包括动力板，动力板与位于中部磁悬浮平台正上方土体试样的前端部位置相对应。
数据采集装置包括应力传感器和位移传感器，分别用于采集动力板推动过程中的应力和位移。
每个阻拦器均包括固定座、控制器、伸缩杆和阻拦板。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。
还包括两块矫正板，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。
数据采集装置还包括安装在试验平台上的位置传感器持力架、收集器和传输线，收集器通过传输线分别与应力传感器和位移传感器相连接。
推拉动力装置还包括动力杆与安装在试验平台上的推力动力源，推力动力源的输出端与应力传感器相连接，应力传感器与动力杆相连接，动力杆与动力板相连接。
本发明具有如下有益效果：
1、使用磁悬浮平台和磁悬浮支座，使托起土体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，不仅完全消除土体试样下侧的摩擦力，还可以限制磁悬浮平台的运动方式，使之只能沿磁悬浮支座长度方向滑动，防止其在试验中晃动对试验结果的影响。
2、土体试样上有两条预制裂缝，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。
3、矫正板抵在试样左右两侧，使试样受到一对剪切力的作用时，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。
3、本发明能对同一个土体试样上的两条预制裂缝同时进行试验，并对照比较试验结果。
附图说明
图1显示了土体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Ⅱ型断裂装置的结构示意图。
图3 显示了本发明中土体试样的示意图。
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。
其中有：
1、土体试样；
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、动力杆；
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，包括土体试样1、试验平台13、磁悬浮装置、阻拦器2、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体试样，并在土体试样上沿长度方向预制两条相平行的预制裂缝，形成土体试样。
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。此时三个磁悬浮平台的上表面在同一高度，三个磁悬浮平台邻近动力板的一端保持齐平。
步骤3，间隔缝隙调整：对每个磁悬浮平台中的两个垂直电磁线圈均缓慢通入大小及方向相同的电流，形成磁场与垂直磁铁产生垂直方向的引力，使得三个磁悬浮平台带动土体试样同步上升至设定高度。此时，三个磁悬浮平台与三个磁悬浮支座彼此分离，并处于悬浮状态。再对每个磁悬浮平台中的两个水平电磁线圈均缓慢通入大小及方向相同的电流，形成磁场与水平磁铁产生水平方向的斥力，使磁悬浮平台与磁悬浮支座位置固定，避免磁悬浮平台的左右晃动。根据步骤1中土体试样预制的裂缝宽度大小，调整并安装三个磁悬浮支座到试验平台上，从而保证套设在其外周的三个磁悬浮平台相互之间的间隙为预制裂缝宽度，随后缓慢减少电流，使三个磁悬浮平台再次落在磁悬浮支座上，由磁悬浮支座支撑。
步骤4，放置土体试样并通电：将步骤1完成的土体试样，放置在步骤3中三个磁悬浮平台的正上方，并使土体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。随后，每个磁悬浮平台中的两个垂直电磁线圈均缓慢通入大小及方向相同的电流，形成磁场与垂直磁铁产生垂直方向的引力，使得三个磁悬浮平台带动土体试样同步上升至设定高度。此时，三个磁悬浮平台与三个磁悬浮支座彼此分离，并处于悬浮状态。再对每个磁悬浮平台中的两个水平电磁线圈均缓慢通入大小及方向相同的电流，形成磁场与水平磁铁产生水平方向的斥力，使磁悬浮平台与磁悬浮支座位置固定，避免磁悬浮平台的左右晃动。
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。
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。
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 (6)

1.一种磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：包括土体试样、试验平台、磁悬浮装置、阻拦器、推拉动力装置和数据采集装置；
土体试样预制两条等长度的预制裂缝；
磁悬浮装置包括三个磁悬浮平台和三个磁悬浮支座；
三个磁悬浮支座均包括T型支架，T型支架包括T型横板和T型竖板；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，位于T型竖板两侧的T型横板底部对称布设有垂直磁铁；
三个磁悬浮平台均为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和两个垂直电磁线圈，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电磁力，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电磁力，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，用于支撑土体土体试样；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；
推拉动力装置包括动力板，动力板与位于中部磁悬浮平台正上方土体试样的前端部位置相对应；
数据采集装置包括应力传感器和位移传感器，分别用于采集动力板推动过程中的应力和位移。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：每个阻拦器均包括固定座、控制器、伸缩杆和阻拦板；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。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：还包括两块矫正板，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。
5.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：数据采集装置还包括安装在试验平台上的位置传感器持力架、收集器和传输线，收集器通过传输线分别与应力传感器和位移传感器相连接。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮式土体Ⅱ型断裂装置，其特征在于：推拉动力装置还包括动力杆与安装在试验平台上的推力动力源，推力动力源的输出端与应力传感器相连接，应力传感器与动力杆相连接，动力杆与动力板相连接。
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