CN205262881U - 可视化测量冻土平面应变的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可视化测量冻土平面应变的装置，其结构特征是采用设有透明视窗的压力舱，压力舱为中空结构，内部设有冷液循环管。舱内试样在一个方向的应变使用两块透明的高强度有机玻璃板约束为零。试样的轴向压力（位移）通过与试样顶端承压板连接的滚珠丝杠加压系统施加；试样的围压通过与压力舱连接的围压加载系统施加。试样受力变形过程中的轴向和侧向位移通过安装在相应位置的轴向压力传感器和位移传感器测量，试样的温度通过相应位置的温度传感器测量。试验过程中，使用安装在压力舱视窗外的高分辨率相机进行连续拍摄，以此实现冻土平面应变状态下获取试样剪切带和局部应变的可视化测量。

Description

可视化测量冻土平面应变的装置

技术领域

本实用新型涉及一种可视化测量冻土平面应变状态下剪切带和局部应变发展过程的装置。

背景技术

平面应变试验主要进行平面应变条件下土体应力应变关系、剪切带的发展过程和剪切破坏机理的研究。平面应变状态下岩土体的物理力学特性是一个典型的岩土工程问题，普遍存在于线性工程中，例如挡土墙、路基和条形基础。在寒区岩土工程中平面应变问题也相当普遍，如我国修建于多年冻土地区的青藏公路和青藏铁路等线性工程均处于平面应变状态。

从上世纪50年代开始，国内外研究者开展了大量平面应变试验研究，研制了多种类型的平面应变仪。尽管各种设备由于试验目的不同，其具体结构和功能也不尽相同，但作为平面应变仪它们最基本的结构框架是相同的，即：通过使用刚性约束，限制土样在一个主应力方向上的应变为零。在此基础上，研究者通过试验研究平面应变状态下土体的应力应变状态、强度、土体剪切带的发展和破坏机理。对应力应变状态和强度的测量手段均与常规三轴试验相同。而对土体剪切带的发展和破坏机理的研究，平面应变试验起到了极大的推动作用。人们使用立体影像技术（Stereophotogrammetry）、X射线技术（X-rayTomography）以及数字图像修正技术（DigitalImageCorrelation）实现了土体剪切破坏过程中剪切带发展的可视化和数值化。基于这些技术，研究者可以直观的研究土体剪切带发展过程，揭示土体剪切破坏机理。以上提到的仪器均是针对融土进行的平面应变试验研究，而对于冻土处于平面应变状态的物理力学特性的试验研究，尚未发现相关报道。因此，迫切需要一种可视化的平面应变装置来测量冻土平面应变状态下的其力学行为、剪切带和局部应变的发展规律。

要测量冻土平面应变状态下剪切带和局部应变发展的试验，首先要保证土样处于低温状态，其次冻土试验所需的压力级别远高于融土试验，这极大地增加了仪器结构的复杂性和仪器功能实现的难度。

发明内容

鉴于上述，本实用新型的目的在于提供一种可视化测量冻土平面应变的装置，即利用该装置观察冻土平面应变状态下剪切带和局部应变发展的过程。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

一种可视化测量冻土平面应变的装置，主要是由传动钢梁、滚珠丝杠、轴向压力传感器、保温护罩、压力舱、冷液循环管、围压加载系统、滑动底板、试样、有机玻璃板、顶端承压板、轴向加载轴、压力舱冷浴、温度传感器、位移传感器、保温护罩有机玻璃视窗、压力舱钢化玻璃视窗、约束板固定螺栓和相机组成。压力舱为中空结构，内部设有冷液循环管，顶部设有排气阀，压力舱外围有保温护罩，保温护罩的一侧开有压力舱钢化玻璃视窗和有机玻璃视窗，相机正对压力舱钢化玻璃视窗和有机玻璃视窗；试样置放在压力舱内，试样一侧装有温度传感器，左右两侧由两块有机玻璃板约束，试样上下两端置有顶端承压板和滑动底板，滑动底板中装有位移传感器，两块有机玻璃板由固定螺栓夹紧，并坐落在承压底座上；压力舱外围，上顶端承压板与轴向加载轴相连，轴向加载轴端部轴向压力传感器通过附在钢架上的滚珠丝杠与传动钢梁接触，滚珠丝杠底部与加压马达连接，压力舱冷浴通过导管与冷液循环管连接，围压加载系统中的加压马达通过液压油传送管与压力舱联通，液压油传送管上装有围压传感器；压力舱冷浴、围压加载系统和控制器分别通过导线相连，轴向压力传感器、围压传感器、温度传感器、位移传感器通过导线与控制器相连，控制器与计算机相连。

本实用新型与现有技术相比，其优点是：

1、传统平面应变仪的压力舱不具备温度控制功能，本实用新型在控制冻土试样的温度处于恒定负温和平面应变的状态下，对其施加恒定的轴向压力（应变速率）和围压同时观测试样在加载过程中剪切带和局部应变的发展过程。所采用的压力舱为中空结构，内部设有冷液循环管，通过与冷液循环管连接的压力舱冷浴对压力舱内温度进行控制，用于低温平面应变试验；

2、压力舱和保温护罩均设有透明视窗（即双层视窗），视窗使用高强度钢化玻璃以及耐高压密封条，能够显著提高压力舱相对于融土试验的承压能力。以便试验过程中拍摄试样变形发展的图片，能够实现低温下冻土平面应变状态下剪切单和局部应变的可视化测量。

附图说明

图1本实用新型示意图。

图2是图1中压力舱侧立面剖视图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本实用新型的技术方案再作进一步的说明：

如图1-2所示，一种可视化测量冻土平面应变的装置，主要是由传动钢梁2、滚珠丝杠3、轴向压力传感器4、保温护罩5、压力舱6、冷液循环管7、围压加载系统9、滑动底板13、试样14、有机玻璃板15、顶端承压板16、轴向加载轴18、压力舱冷浴21、温度传感器22、位移传感器23、保温护罩有机玻璃视窗24、压力舱钢化玻璃视窗25、约束板固定螺栓26和相机27组成。压力舱6为中空结构，内部设有冷液循环管7，顶部设有排气阀17，为了保证压力舱6内目标温度的精准度，在压力舱6外围增设一层保温护罩5。保温护罩5的一侧开有压力舱钢化玻璃视窗25和有机玻璃视窗24，相机27正对有机玻璃视窗24；试样14为长方体，放置在压力舱6内，在试样14顶端、底端以及中间位置安装的温度传感器22能够实时测量试样14三个点的温度。试样14的温度是通过中空的压力舱6内的冷液循环管7与压力舱冷浴21相连进行控制的。试样14左右两侧由两块有机玻璃板15约束，来限制试样14在一个方向的应变为0；试样14上下两端置有顶端承压板16和滑动底板13，滑动底板13两侧装有位移传感器23，两块有机玻璃板15用固定螺栓26夹紧，坐落在承压底座12上；压力舱6外围，上顶端承压板16与轴向加载轴18相连，轴向加载轴18端部轴向压力传感器4通过附在钢架1上的滚珠丝杠3与传动钢梁2接触，滚珠丝杠3与加压马达8连接，压力舱冷浴21通过导管与冷液循环管7连接，围压加载系统9中的加压马达8通过液压油传送管11与压力舱6连接，液压油传送管11上装有围压传感器10；压力舱冷浴21、围压加载系统9和控制器20分别通过导线相连，轴向压力传感器4、围压传感器10、温度传感器22、位移传感器23通过导线与控制器20相连，控制器20通过导线与计算机19相连。

本实用新型的具体实施方案包括试验准备阶段和试验测试阶段。具体描述如下：

试验准备阶段：

首先，在压力舱6内注满透光性较好的乙二醇溶液，通过控制器20将压力舱6内温度控制为目标负温。随后，将事先制备好的冻土试样14使用有机玻璃板15和约束板固定螺栓26将试样14一个方向的位移固定。将有机玻璃板15和试样14放置在滑动底板13上，试样14的轴向压力是由传动钢梁2、滚珠丝杠3、轴向压力传感器4、顶端承压板16、加压马达8以及轴向加载轴18组成的轴压加载系统施加。试样14的围压是通过液压油传送管11将压力舱6与围压加载系统9联通施加的。并使用计算机19通过控制器20调节传动钢梁2高度使顶端承压板16与试样14接触。打开排气阀17，并调节围压加载系统9排出压力舱6内的空气，最后关闭排气阀17。控制压力舱6内溶液处于目标温度至少2个小时，并通过控制器20控制围压加载系统9使压力舱6内围压处于目标值。

试验测试阶段：

试验过程中，通过控制器20控制与之连接的加压马达8、滚珠丝杠3、传动钢梁2和轴向压力传感器4对试样14施加恒定目标压力（或目标移动速率）。试样14在加载过程中与顶端承压板16连接的轴向加载轴18只能上下移动。与试样14底端连接的滑动底板13能够保证试样14在平面应变状态下的水平方向（与有机玻璃板15平行方向）自由移动。与滑动底板13接触的位移传感器23能够实时测量试样14的水平方向变形，进而计算试样14的整体剪切应变，试样的轴向位移通过与控制器20连接的加压马达8的旋进量换算得到，试样的侧向位移由安装在滑动底板13两侧的位移传感器23获取。轴向压力和围压通过与控制器20连接的轴向压力传感器4和围压传感器10进行记录。试样14在加载过程中与有机玻璃板15接触表面的变形发展情况（剪切带和局部应变）是通过正对着压力舱开设的有机玻璃视窗24和压力舱钢化玻璃视窗25的相机27获取的，设置好拍摄时间间隔，通过以上实验步骤最终可以得到试验过程中试样14轴向和侧向变形、轴向压力和围压以及不同阶段试样14变形的图片。将这些图片通过计算机19PIV软件进行处理即可得到不同阶段试样局部应变和剪切带发展的可视化图像。

Claims (1)

1.一种可视化测量冻土平面应变的装置，主要是由传动钢梁（2）、滚珠丝杠（3）、轴向压力传感器（4）、保温护罩（5）、压力舱（6）、冷液循环管（7）、围压加载系统（9）、滑动底板（13）、试样（14）、有机玻璃板（15）、顶端承压板（16）、轴向加载轴（18）、压力舱冷浴（21）、温度传感器（22）、位移传感器（23）保温护罩有机玻璃视窗(24)、压力舱钢化玻璃视窗（25）、约束板固定螺栓（26）和相机（27）组成，其特征是压力舱（6）为中空结构，内部设有冷液循环管（7），顶部设有排气阀（17），压力舱（6）外围有保温护罩（5），保温护罩（5）的一侧开有压力舱钢化玻璃视窗（25）和有机玻璃视窗(24)，相机（27）正对压力舱钢化玻璃视窗（25）和有机玻璃视窗(24)；试样（14）置放在压力舱（6）内，试样（14）中装有温度传感器（22），左右两侧由两块有机玻璃板（15）约束，试样（14）上下两端置有顶端承压板（16）和滑动底板（13），滑动底板（13）中装有位移传感器（23），两块有机玻璃板（15）固定螺栓（26）夹紧，并坐落在承压底座（12）上；压力舱（6）外围，上顶端承压板（16）与轴向加载轴（18）相连，轴向加载轴（18）端部轴向压力传感器（4）通过附在钢架（1）上的滚珠丝杠（3）与传动钢梁（2）接触，滚珠丝杠（3）底部与加压马达（8）连接，压力舱冷浴（21）通过导管与冷液循环管（7）连接，围压加载系统（9）中的加压马达通过液压油传送管（11）与压力舱（6）联通，液压油传送管（11）上装有围压传感器（10）；压力舱冷浴（21）、围压加载系统（9）和控制器（20）分别通过导线相连，轴向压力传感器（4）、围压传感器（10）、温度传感器（22）、位移传感器（23）通过导线与控制器（20）相连，控制器（20）与计算机（19）相连。