观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪

1.一种观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪，所述剪切仪包括 支架、土容器车、液压加载及控制系统、法向边界控制单元、数据采集系统及数 字照相装置，其特征在于：土容器放置在支架内底面上的水平轨道上，结构面板 平放在装满试验土体的车上面；结构面板与上翼板一起卡入支架两边的竖直轨道 内，在上翼板和结构面板之间安装有法向边界控制单元和竖向位移传感器，竖直 荷载传感器安装在上翼板上面，并与固定在支架上边的竖向液压缸连接；水平、 竖直荷载传感器、水平、竖向位移传感器分别与数据采集系统连接，数字照相装 置的信号输出线端连接到数据采集系统的信号输入端；水平液压缸固定在支架左 侧的支架平台上，通过水平荷载传感器与土容器车左侧连接在一起，水平位移传 感器穿过支架右侧与土容器车右侧连接，在土容器的运动方向两侧设置了带弹簧 的土挡板和用于观察结构面附近土的细观状态以及接触面的变形的有机玻璃视 窗，便于数字照相装置进行记录，进行分析。

技术领域\n本发明属于力学特性试验设备，特别用于再现和观测土与结构物接触面的静 动力学响应的一种观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪。\n背景技术\n土与结构件接触面静动力学特性试验研究的主要仪器有直剪仪、单剪仪、扭 剪仪、动三轴仪和共振柱仪等。其中，直剪和单剪型接触面试验仪器是在研究土 的力学特性的直剪仪和单剪仪的基础上改进得到的，目前在接触面力学特性试验 研究中得到广泛应用。\n近年来国内外研制和开发了一批专用于再现接触面力学响应的设备以及相 应的测试技术。这些试验设备包括可进行接触面静动力学特性研究的多自由度循 环剪切仪，及能够在接触面上自由剪切，实现常压力、常刚度和常位移三类法向 约束条件的循环三维接触面剪切仪。在观测技术方面，除了宏观测量技术在自动 化程度和数采精度进一步提高外，细观测量技术也逐渐得到应用，两种测量技术 的紧密结合已成为接触面测量技术的一个重要发展趋势。如殷宗泽等人在“岩土 工程学报”1994年5月，16卷，第3期，P14-22上的“微型潜望镜装置”和胡黎 明等人在“岩土工程学报”2001年7月，23卷，第4期，P431-435上的“数字照 相技术”直接用于观测结构面附近土与结构件相对位移分布。但是，现有的试验 设备大多都是在土的静动力学特性试验设备(如直剪仪、单剪仪等)基础上改进 得到的，没有充分考虑接触面本身的特点。譬如，法向应力一般施加在土体上而 不是直接施加于接触面本身，从而造成控制接触面法向边界条件的困难和测量法 向应力的误差等；又如，已有的接触面试验大都局限于观察其剪切特性上，而忽 视了接触面还存在着不可忽略的法向变形以及法向应力应变关系与切向应力应 变关系的耦合特性，因此要求再现接触面在更复杂应力路径下的响应；另外，已 有的接触面试验设备的尺寸一般较小，只适用于砂土等细粒土，难以模拟粒径更 大的粗粒土与结构件接触面在单调加载或者循环加载作用条件下的实际力学行 为；接触面的细观和微观测量技术虽然得到初步应用，但却未达到成熟，尤其是 在大型设备中未得到广泛应用以及较好的结合。这些缺陷明显限制了土与结构件 接触面尤其是粗粒土与结构件接触面静动力学特性的研究。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切 仪，所述剪切仪包括支架、土容器车、液压加载及控制系统、法向边界控制单元、 数据采集系统及数字照相装置组成，其特征在于：土容器车放置在支架内底面上 的水平轨道上，试验土体装满车内，结构面板平放在上面；结构面板与上翼板一 起卡入支架两边的竖直轨道内，在上翼板和结构面板之间安装有法向边界控制单 元和竖向位移传感器，竖直荷载传感器安装在上翼板上面，并与固定在支架上边 的竖向液压缸连接；水平、竖直荷载传感器、水平、竖向位移传感器分别与数据 采集系统连接，数据采集系统和数字照相装置的信号输出线端连接。水平液压缸 固定在支架左侧的支架平台上，通过水平荷载传感器与土容器车左侧连接在一 起，水平位移传感器穿过支架右侧与土容器车右侧连接，在土容器车的运动方向 两侧分别安装带弹簧的土挡板和在土容器车侧面安装用于观察结构面附近土的 细观状态以及接触面的变形的有机玻璃视窗，便于数字照相装置进行记录，进行 分析。\n本发明的有益效果是1.该设备具有较大的接触面尺寸(45cm×36cm)，较高的 荷载(20t)和较大的剪切位移(10cm)，从而能够满足粒径较大的粗粒土接触面 的试验要求；发明者采用了机械同步四缸液压系统，克服在剪切过程中出现的倾 覆力矩，不仅较好的满足了试验要求，而且成本很低，不需要复杂的控制系统。 2.本发明在试验时允许结构面板在接触面法向方向上可以自由运动，并将法向力 作用于结构面板上，直接测量结构面板的受力变形，因此相当于将法向压力直接 作用于接触面上，并且直接测量接触面的受力变形，从而提高了试验和测量精度； 同时对土容器车进行了改进，在车的运动方向两侧增加了弹性挡板，既能够允许 土与结构面紧密接触，又能够保证土在接触面剪切时漏出，保持接触面面积恒定， 这种做法经试验检验效果良好，且成本很低，便于实现。3.本发明设计了常压、 常位移和常刚度三种不同的法向边界条件，为模拟和观测接触面在复杂应力条件 下的力学特性，本设备均由法向边界控制单元施加这三类边界条件，既保证了测 量精度，成本又低。4.本发明的加载系统和数据采集系统均实现了自动化。采用 数字照相技术直接记录土颗粒的细观状态排列、颗粒长轴方向、颗粒沿结构面滑 动、颗粒转动，以及颗粒破碎等细观现象。并且，开发了数字图象颗粒细观位移 测量技术，可进一步确定土与结构相对位移沿接触面高度的分布以及接触面的厚 度。\n附图说明\n图1为循环加载剪切仪结构组成示意图。\n图2为土容器车示意图。\n具体实施方式\n图1所示为观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪结构组成示意 图，该剪切仪由支架、土容器车、液压加载及控制系统、法向边界控制单元、数 据采集系统组成，其土容器车14放置在支架1内底面上的水平轨道15上，试验 土体装满车内，结构面板4平放在上面，同上翼板5一起卡入支架1两边的竖直 轨道13内，在上翼板5和结构面板4之间安装有法向边界控制单元9和竖向位 移传感器10，竖直荷载传感器7安装在上翼板5上面和固定在支架1上边的竖向 液压缸8连接，水平液压缸2固定在支架1左侧的支架1平台上，通过水平荷载 传感器3与土容器车14左侧连接在一起，水平位移传感器12穿过支架1右侧与 土容器车14右侧连接。数据采集系统16分别与水平、竖直荷载传感器3、7，水 平、竖向位移传感器12、10及数字照相装置的信号输出线端连接。液压控制系 统6分别和水平液压缸2、竖向液压缸8连接，在土容器车14的运动方向两侧设 置了带弹簧的土挡板17和有机玻璃视窗11(如图2所示)。\n其主要工作原理为：在土容器车14内装入土样，在结构面板4上固定试验 用的结构面；土容器车14在水平液压缸2驱动下做往返水平(接触面切向)运 动，而在竖直(接触面法向)方向上不发生位移，实现接触面上土与结构的相对 切向运动；结构面板4在水平方向固定不动，但可在竖直方向上自由运动，从而 反映出接触面的法向相对运动(法向相对运动包括由于法向压力变化引起的接触 面压缩和回弹，还包括由于剪切引起的接触面体变)。试验时上翼板5固定不动， 法向边界条件(即常压力、常位移和常刚度边界条件)由法向边界控制单元9直 接施加在结构面板4上。接触面的切向和法向的相对位移及应力由相应的荷载和 位移传感器测得，通过数据采集系统将有关数据传到计算机中。通过有机玻璃视 窗11观察接触面附近土的细观状态以及接触面变形情形，并使用数字照相技术 进行记录以便进行分析。