CN211347754U

CN211347754U - 一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪

Info

Publication number: CN211347754U
Application number: CN201922309080.XU
Authority: CN
Inventors: 高玉峰; 柯力俊; 戴光宇; 舒爽; 叶至韬; 吴敏; 袁文勤
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2029-12-20

Abstract

本实用新型提出一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，包括加载系统、透明的圆环剪切盒和监测系统；加载系统包括竖向动力装置、环向动力装置和竖向加载杆、龙门支架；竖向动力装置连接龙门支架的两个立柱，施加竖直方向的载荷；环向动力装置设置在龙门支架的横梁上；环向动力装置的转动轴连接竖向加载杆，驱动竖向加载杆转动；圆环剪切盒位于竖向加载杆的正下方，用于放置土体试样；圆环剪切盒内间隙配合嵌入有环状压盘结构；环状压盘结构的下端面接触土体试样，上端面固定在竖向加载杆的下端；监测系统用于监测环状压盘结构与土体试样接触界面。本实用新型能够模拟测定基础结构与土体接触界面的界面剪切带的形成和变化。

Description

一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪

技术领域

本实用新型涉及土木测试仪器技术领域，具体地说是涉及一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪。

背景技术

基础结构（如桩基础）在道路工程、桥梁工程以及离岸工程中得到越来越广泛的应用，目前基础结构的工程实践与理论研究还存在脱节，基础的承载性能受多种因素的影响，仍未形成成熟的理论体系。基础结构—土体界面剪切问题在岩土工程中屡见不鲜，基础工程中多采用预制混凝土桩或钢结构，无论采用何种形式，基础结构—土体共同作用是决定基础服役性能的关键。基础结构—土体相互作用的直接途径是结构—土体界面。因此，基础结构—土体界面剪切问题在基础工程中举足轻重。此外，基础结构在服役期间不仅承受上部结构自重产生的静力荷载作用，还承受车辆、波浪、风等产生的循环荷载作用，如竖向交通循环荷载下的单桩以及水平向波浪和风荷载下的群桩。循环荷载作用下基础结构—土体界面弱化机制的研究有助于深入揭示基础结构—土体界面力学特性和荷载传递机理，对于深入研究基础结构的长期承载性能具有重要意义。

传统界面剪切仪用于监测土体界面的剪切实验及分析，无法用于接触结构—土体界面的实验，且存在应力应变不均匀、只能满足小位移剪切等。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，能够模拟测定基础结构与土体接触界面的抗剪强度、摩擦角、粘聚力，并实时观测在剪切过程中结构—土体界面处土体的运动状态和界面剪切带的形成和变化，且应力施加均匀，剪切位移范围大。

技术方案：本实用新型提出一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，包括加载系统、透明的圆环剪切盒和监测系统；

所述加载系统包括竖向动力装置、环向动力装置和竖向加载杆、龙门支架；所述竖向动力装置连接龙门支架的两个立柱，施加竖直方向的载荷；所述环向动力装置设置在龙门支架的横梁上；所述环向动力装置的转动轴连接竖向加载杆，驱动竖向加载杆转动；

所述圆环剪切盒位于竖向加载杆的正下方，用于放置土体试样；所述圆环剪切盒内间隙配合嵌入有环状压盘结构；所述环状压盘结构的下端面接触土体试样，上端面固定在竖向加载杆的下端；

所述监测系统用于监测环状压盘结构与土体试样接触界面。

进一步，所述圆环剪切盒包括透明的中心圆柱和套装在中心圆柱外周的透明的圆环套筒；土体试样置于中心圆柱与圆环套筒的环状间隙内。

进一步，所述圆环剪切盒的下方设置有底座；所述底座与中心圆柱及圆环套筒固定连接；所述底座上设置有用于承接土体试样的透水石；所述底座上还设置有位于透水石下方的排水孔。

进一步，所述底座上设置有扭矩传感器；所述扭矩传感器位于竖向加载杆的旋转轴线上。

进一步，所述龙门支架的立柱上设置有竖向位移传感器，用于测量竖向加载杆的竖向位移。

进一步，所述监测系统是电子显微镜；所述电子显微镜用于监测环状压盘结构与土体试样连接界面处的界面剪切带的形成并测定其厚度的变化。

有益效果：

1.本实用新型竖向动力装置和环向动力装置均直接向环状压盘结构施加往复的竖向压力及剪切位移；因此本实用新型可以实现对环状压盘结构竖向压力往复加载，同时对环状压盘结构在环向实现同频率的往复转动剪切，真实模拟基础结构在受到倾斜荷载时的受力状态；

2.本实用新型真实模拟基础结构在受到倾斜荷载时的界面剪切状态时，电子显微镜可实时测定界面剪切带的形成及其厚度变化，为研究其对界面剪切强度和基础承载力的影响提供有效依据；

3.本实用新型的竖向加载和转动加载应力施加均匀，剪切位移范围大；

4.本实用新型通过透明的圆环剪切盒能直观地观测界面的细观动态变化来更好地理解和解释基础结构与土体的接触行为，观察界面剪切行为等缺陷。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2 为本实用新型的局部剖视图；

图3 为本实用新型的转动盘处的俯视图；

图4 为圆环剪切盒处的结构分解图；

图5 为电子显微镜测量的视域图。

具体实施方式

本实用新型提出一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，包括加载系统、透明的圆环剪切盒和监测系统。

如图1和图2，所述加载系统包括竖向动力装置101、环向动力装置102和竖向加载杆103、龙门支架。

所述竖向动力装置101位于整个仪器底部的封闭箱体内；所述竖向动力装置101连接龙门支架的两个立柱104，施加竖直方向的载荷；所述环向动力装置102设置在龙门支架的横梁105上；所述环向动力装置102的转动轴连接竖向加载杆103，驱动竖向加载杆103转动。

如图3和图4，所述圆环剪切盒位于竖向加载杆103的正下方，用于放置土体试样400。所述圆环剪切盒包括透明的中心圆柱202和套装在中心圆柱202外周的透明的圆环套筒203；土体试样400置于中心圆柱202与圆环套筒203的环状间隙内，土体试样400、中心圆柱202与圆环套筒203同步转动。所述圆环剪切盒内间隙配合嵌入有环状压盘结构201；所述环状压盘结构201的下端面接触土体试样400，上端面固定在竖向加载杆103的下端。

竖向动力装置101可通过竖向加载杆103向环状压盘结构201施加往复的竖向压力；环向动力装置102可通过竖向加载杆103向环状压盘结构201施加剪切位移，并可实现往复转动。因此本实用新型可以实现对环状压盘结构201竖向压力往复加载，同时对环状压盘结构201在环向实现同频率的往复转动剪切，真实模拟基础结构在受到倾斜荷载时的受力状态。

所述圆环剪切盒的下方设置有底座204；所述底座204与中心圆柱202及圆环套筒203固定连接；所述底座204上设置有用于承接土体试样400的透水石205；所述底座205上还设置有位于透水石205下方的排水孔206。所述环状压盘结构201挤压土体试样400，使土体试样400内的水分沿透水石205及排水孔206流出。

所述底座205上设置有扭矩传感器207；所述扭矩传感器207位于竖向加载杆103的旋转轴线上。

所述龙门支架的立柱104上设置有竖向位移传感器106。竖向位移传感器106为激光位移传感器；激光位移传感器照射封闭箱体，用于测定试验过程中环状压盘结构201发生的竖向位移，进而获得土体试样400在剪切过程中体积变化。

所述监测系统是电子显微镜301；所述电子显微镜301的镜头与接触界面在同一水平面，用于监测环状压盘结构201与土体试样400连接界面处的界面剪切带的形成并测定其厚度的变化。本实施例中电子显微镜301选用3800万工业电子显微镜HY-H3800。

使用时，通过竖向动力装置101将环状压盘结构201与土体试样400接触并施加一定的压力使其固结；固结完成后通过环向动力装置102向环状压盘结构201施加剪切位移，并可实现往复转动，进行不同形式的剪切试验。

环状压盘结构201转动时，与环状压盘结构201接触的土体试样400受到旋转力矩，扭矩传感器207实时测定转动剪切过程中环状压盘结构201与土体试样400接触界面所受到的扭矩。利用扭矩传感器207实时测定的接触界面所受扭矩推算出界面剪切应力τ = M /A，其中M为扭矩传感器207测得的界面所受到的扭矩，A为接触界面面积。

如图5所示，利用电子显微镜301配备的细观测量功能，在显示器上的视域内精确测定结构—土体接触界面剪切带的形成及其厚度的变化。

界面剪切带厚度测量步骤：

步骤1：利用电子显微镜301拍摄整个剪切试验过程，然后利用Photoshop软件提取各个试验阶段（可按每秒钟提取一个画面的界面图像），并保存在单独文件夹中。

步骤2：为了提高测量精度，在使用电子显微镜301测量功能之前需采用专用校正尺对其进行校准，要注意在不同的图像放大倍率下，应重新校准。校准后的校准值可以保存，以供以后同倍率下直接使用。为减小校准时的误差，可对同一个实际值进行多次测量取平均值的方式进行。

步骤3：在测量软件中打开此前保存的图像照片，选择合适的倍率将其放大，输入对应倍率下的校准值即可在显示器上直接进行剪切带厚度的测量，如图5所示。

Claims

1.一种观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：包括加载系统、透明的圆环剪切盒和监测系统；

所述加载系统包括竖向动力装置（101）、环向动力装置（102）和竖向加载杆（103）、龙门支架；所述竖向动力装置（101）连接龙门支架的两个立柱（104），施加竖直方向的载荷；所述环向动力装置（102）设置在龙门支架的横梁（105）上；所述环向动力装置（102）的转动轴连接竖向加载杆（103），驱动竖向加载杆（103）转动；

所述圆环剪切盒位于竖向加载杆（103）的正下方，用于放置土体试样（400）；所述圆环剪切盒内间隙配合嵌入有环状压盘结构（201）；所述环状压盘结构（201）的下端面接触土体试样（400），上端面固定在竖向加载杆（103）的下端；

所述监测系统用于监测环状压盘结构（201）与土体试样（400）接触界面。

2.根据权利要求1所述的观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述圆环剪切盒包括透明的中心圆柱（202）和套装在中心圆柱（202）外周的透明的圆环套筒（203）；土体试样（400）置于中心圆柱（202）与圆环套筒（203）的环状间隙内。

3.根据权利要求2所述的观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述圆环剪切盒的下方设置有底座（204）；所述底座（204）与中心圆柱（202）及圆环套筒（203）固定连接；所述底座（204）上设置有用于承接土体试样（400）的透水石（205）；所述底座（204）上还设置有位于透水石（205）下方的排水孔（206）。

4.根据权利要求3所述的观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述底座（204）上设置有扭矩传感器（207）；所述扭矩传感器（207）位于竖向加载杆（103）的旋转轴线上。

5.根据权利要求4所述的观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述龙门支架的立柱（104）上设置有竖向位移传感器（106），用于测量竖向加载杆（103）的竖向位移。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的观测基础结构—土体相互作用的可视化界面环剪仪，其特征在于：所述监测系统是电子显微镜（301）；所述电子显微镜（301）用于监测环状压盘结构（201）与土体试样（400）连接界面处的界面剪切带的形成并测定其厚度的变化。