[发明专利]用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪

说明书

技术领域

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用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪。

采用的技术方案是：

用于观测结构件与土接触面力学特性的循环加载剪切仪，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。

本发明的有益效果是：

1、该设备具有较大的接触面尺寸(45cmX36cm)，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。