[发明专利]土与结构接触面试验机

说明书

本发明公开了一种土与结构接触面试验机，所述土与结构接触面试验机包括主体框架、结构面板、X向运动系统、Y向运动系统、Z向运动系统、液压加载及控制系统、数据采集系统、围压室系统和温度控制系统等。本发明的土与结构接触面试验机，专门为研究土与结构接触面问题而设计，可完成多种土类，诸如黏土，细粒土及粗粒土等在饱和或非饱和的各种温度场情况下与各类结构面板的接触面问题研究。试验时法向应力直接加到接触面上，概念清晰，受力状态明确，可保证土体应变均匀，消除应变局部化现象，保证接触面面积恒定，保证结果真实可靠。

技术领域

本发明涉及一种土与结构接触面三维试验机，属于土工试验仪器技术领域。

背景技术

土体与结构面板之间的接触面力学特性研究是土力学研究的重要课题之一，对于结构的计算、设计及施工技术等有重大的影响。土与结构面板之间的接触面间的力学特性研究主要有两种方法，试验方法与数值方法。当下，试验方法主要使用的试验仪器有直剪型试验仪、单剪型试验仪、扭剪仪、动三轴仪以及共振柱仪。其中，直剪型试验仪及单剪型试验仪两类接触面试验仪器是由直剪仪及单剪仪改进而来，因其原理简单，使用方便，目前研究中使用较多。但是以上仪器存在以下缺陷：

1、目前的大多数土与结构接触面研究中使用的仪器多是由已有的土工试验仪器改进而来，法向应力施加在土体上而非接触面上，受力不明确，概念不清晰；

2、目前的试验仪器存在试验时土体应变不均匀，存在应变局部化现象，导致试验结果失真，数据可靠性降低；

3、目前的试验仪器中，土与结构面板之间的接触面无法做到在饱和的情况下进行接触，限制了仪器的研究领域，比如水下的土与结构的接触面问题；

4、目前的试验仪器中，无法实现在有围压的情况下进行土与结构面板间接触面的研究，限制了仪器的研究领域，比如深海中土与结构间的接触面不排水问题。

现有技术中提出了大型三维土工试验机的发明，专利号为ZL200610165244.0，经实践检验并且与现实需求相比，主要存在以下不足：

1、土与结构面板间的接触面无法做到在饱和的情况下进行试验，既无法进行饱和黏土的试验；

2、无法实现在有围压的情况下进行土与结构面板之间的接触面研究；

3、无法实现温度场与应力场之间耦合的土与结构接触面试验；

4、结构面板与土容器间切向摩擦力过大，导致接触面力学参数测量失真。试验时，土容器与结构面板间存在不均匀的法向应力，在土体与结构面板发生相对位移时，结构面板与土容器间存在很大的切向摩擦力，且此摩擦不均匀，难以标定并从试验结果中扣 除，这种摩擦对于粗粒土，大试样而言仍有可接受的余地，但是，对于细粒土或者小试样而言，这种土容器与结构面板之间的摩擦是不可接受的，其大小甚至会超过土样与结构面板间的摩擦。这会导致土与结构之间接触面的力学性质难以准确测量，进而导致试验结果失真，设计偏于危险，对计算和设计产生极大的危害。甚至结构面板与土容器间因摩擦自锁现象而卡住，土体与结构面板脱开导致无法接触的情况；

5、试验时，为防止结构面板与土容器相接触而产生法向应力进而导致切向应力的产生，会使土容器上沿低于土样顶面，这造成土容器上沿与结构面板间留有很大的缝隙，造成在试验时土颗粒从结构面板与土容器间的缝隙中流失，造成接触面面积的减小。

目前为止，能模拟水下海洋土与结构接触面力学行为的仪器还没有出现；而且随着社会的发展，能源负担日益沉重，海中可燃冰的开采面临诸多的问题，显而易见的就是可燃冰在开采过程中的相变问题，可燃冰只有在高压低温的环境中才能稳定存在，开采设备的建设也要以海洋土为基础，基础与海洋土间的接触面问题亟待研究，研究海洋中可燃冰开采亦需要一套能模拟水下高压低温情况的土与结构接触面试验仪器。

发明内容