專利名稱：觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于力學特性試驗設(shè)備，特別用于再現(xiàn)和觀測土與結(jié)構(gòu)物接觸面的靜動力學響應的一種觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀。
背景技術(shù)：
土與結(jié)構(gòu)件接觸面靜動力學特性試驗研究的主要儀器有直剪儀、單剪儀、扭剪儀、動三軸儀和共振柱儀等。其中，直剪和單剪型接觸面試驗儀器是在研究土的力學特性的直剪儀和單剪儀的基礎(chǔ)上改進得到的，目前在接觸面力學特性試驗研究中得到廣泛應用。
近年來國內(nèi)外研制和開發(fā)了一批專用于再現(xiàn)接觸面力學響應的設(shè)備以及相應的測試技術(shù)。這些試驗設(shè)備包括可進行接觸面靜動力學特性研究的多自由度循環(huán)剪切儀，及能夠在接觸面上自由剪切，實現(xiàn)常壓力、常剛度和常位移三類法向約束條件的循環(huán)三維接觸面剪切儀。在觀測技術(shù)方面，除了宏觀測量技術(shù)在自動化程度和數(shù)采精度進一步提高外，細觀測量技術(shù)也逐漸得到應用，兩種測量技術(shù)的緊密結(jié)合已成為接觸面測量技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢。如1994年殷宗澤等將微型“潛望鏡”裝置，和在2000年胡黎明等將數(shù)字照相技術(shù)直接用于觀測結(jié)構(gòu)面附近土與結(jié)構(gòu)件相對位移分布。但是，現(xiàn)有的試驗設(shè)備大多都是在土的靜動力學特性試驗設(shè)備(如直剪儀、單剪儀等)基礎(chǔ)上改進得到的，沒有充分考慮接觸面本身的特點。譬如，法向應力一般施加在土體上而不是直接施加于接觸面本身，從而造成控制接觸面法向邊界條件的困難和測量法向應力的誤差等；又如，已有的接觸面試驗大都局限于觀察其剪切特性上，而忽視了接觸面還存在著不可忽略的法向變形以及法向應力應變關(guān)系與切向應力應變關(guān)系的耦合特性，因此要求再現(xiàn)接觸面在更復雜應力路徑下的響應；另外，已有的接觸面試驗設(shè)備的尺寸一般較小，只適用于砂土等細粒土，難以模擬粒徑更大的粗粒土與結(jié)構(gòu)件接觸面在單調(diào)加載或者循環(huán)加載作用條件下的實際力學行為；接觸面的細觀和微觀測量技術(shù)雖然得到初步應用，但卻未達到成熟，尤其是在大型設(shè)備中未得到廣泛應用以及較好的結(jié)合。這些缺陷明顯限制了土與結(jié)構(gòu)件接觸面尤其是粗粒土與結(jié)構(gòu)件接觸面靜動力學特性的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀，所述剪切儀主要由支架、土容器車、液壓加載及控制系統(tǒng)、法向邊界控制單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其特征在于土容器車放置在支架內(nèi)底面上的水平軌道上，試驗土體裝滿車內(nèi)，結(jié)構(gòu)面板平放在上面；結(jié)構(gòu)面板與上翼板一起卡入支架兩邊的豎直軌道內(nèi)，在上翼板和結(jié)構(gòu)面板之間安裝有法向邊界控制單元和豎向位移傳感器，豎向荷載傳感器安裝在上翼板上面，并與固定在支架上邊的豎向液壓缸連接，水平液壓缸固定在支架左側(cè)的支架平臺上，通過水平荷載傳感器與土容器車左側(cè)連接在一起，水平位移傳感器穿過支架右側(cè)與土容器車右側(cè)連接，在土容器的左右兩側(cè)分別安裝帶彈簧的土擋板。
所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與水平、豎直荷載傳感器、水平豎直位移傳感器及數(shù)字照相裝置的信號輸出線端連接。
所述土容器車裝有有機玻璃視窗用于觀察結(jié)構(gòu)面附近土的細觀狀態(tài)以及接觸面的變形，并便于采用數(shù)字照相技術(shù)進行記錄，進行分析。
本發(fā)明的有益效果是1.該設(shè)備具有較大的接觸面尺寸(45cm×36cm)，較高的荷載(20t)和較大的剪切位移(10cm)，從而能夠滿足粒徑較大的粗粒土接觸面的試驗要求；發(fā)明者采用了機械同步四缸液壓系統(tǒng)，克服在剪切過程中出現(xiàn)的傾覆力矩，不僅較好的滿足了試驗要求，而且成本很低，不需要復雜的控制系統(tǒng)。2.本發(fā)明在試驗時允許結(jié)構(gòu)面板在接觸面法向方向上可以自由運動，并將法向力作用于結(jié)構(gòu)面板上，直接測量結(jié)構(gòu)面板的受力變形，因此相當于將法向壓力直接作用于接觸面上，并且直接測量接觸面的受力變形，從而提高了試驗和測量精度；同時對土容器車進行了改進，在車的運動方向兩側(cè)增加了彈性擋板，既能夠允許土與結(jié)構(gòu)面緊密接觸，又能夠保證土在接觸面剪切時漏出，保持接觸面面積恒定，這種做法經(jīng)試驗檢驗效果良好，且成本很低，便于實現(xiàn)。3.本發(fā)明設(shè)計了常壓、常位移和常剛度三種不同的法向邊界條件，為模擬和觀測接觸面在復雜應力條件下的力學特性，本設(shè)備均由法向邊界控制單元施加這三類邊界條件，既保證了測量精度，成本又低。4.本發(fā)明的加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均實現(xiàn)了自動化。采用數(shù)字照相技術(shù)直接記錄土顆粒的細觀狀態(tài)排列、顆粒長軸方向、顆粒沿結(jié)構(gòu)面滑動、顆粒轉(zhuǎn)動，以及顆粒破碎等細觀現(xiàn)象。并且，開發(fā)了數(shù)字圖象顆粒細觀位移測量技術(shù)，可進一步確定土與結(jié)構(gòu)相對位移沿接觸面高度的分布以及接觸面的厚度。


圖1為循環(huán)加載剪切儀結(jié)構(gòu)組成示意2為土容器車示意圖具體實施方式
圖1所示為觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀結(jié)構(gòu)組成示意圖，該剪切儀主要由支架、土容器車、液壓加載及控制系統(tǒng)、法向邊界控制單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其土容器車14放置在支架1內(nèi)底面上的水平軌道15上，試驗土體裝滿車內(nèi)，結(jié)構(gòu)面板4平放在上面，同上翼板5一起卡入支架1兩邊的豎直軌道13內(nèi)，在上翼板5和結(jié)構(gòu)面板4之間安裝有法向邊界控制單元9和豎向位移傳感器10，豎向荷載傳感器7安裝在上翼板5上面和固定在支架1上邊的豎向液壓缸8連接，水平液壓缸2固定在支架1左側(cè)的支架1平臺上，通過水平荷載傳感器3與土容器車14左側(cè)連接在一起，水平位移傳感器12穿過支架1右側(cè)與土容器車14右側(cè)連接。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16分別與水平、豎直荷載傳感器3、7，水平、豎直位移傳感器12、10及數(shù)字照相裝置的信號輸出線端連接。液壓控制系統(tǒng)6分別和水平液壓缸2、豎向液壓缸8連接，。在容器車14的運動方向兩側(cè)設(shè)置了帶彈簧的土擋板17(如圖2所示)。
其主要工作原理為在土容器車14內(nèi)裝入土樣，在結(jié)構(gòu)面板4上固定試驗用的結(jié)構(gòu)面；土容器車14在水平液壓缸2驅(qū)動下做往返水平(接觸面切向)運動，而在豎直(接觸面法向)方向上不發(fā)生位移，實現(xiàn)接觸面上土與結(jié)構(gòu)的相對切向運動；結(jié)構(gòu)面板4在水平方向固定不動，但可在豎直方向上自由運動，從而反映出接觸面的法向相對運動(法向相對運動包括由于法向壓力變化引起的接觸面壓縮和回彈，還包括由于剪切引起的接觸面體變)。試驗時上翼板5固定不動，法向邊界條件(即常壓力、常位移和常剛度邊界條件)由法向邊界控制單元9直接施加在結(jié)構(gòu)面板4上。接觸面的切向和法向的相對位移及應力由相應的荷載和位移傳感器測得，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將有關(guān)數(shù)據(jù)傳到計算機中。通過有機玻璃視窗11觀察接觸面附近土的細觀狀態(tài)以及接觸面變形情形，并使用數(shù)字照相技術(shù)進行記錄以便進行分析。
權(quán)利要求
1.一種觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀，所述剪切儀主要由支架、土容器車、液壓加載及控制系統(tǒng)、法向邊界控制單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其特征在于土容器車放置在支架內(nèi)底面上的水平軌道上，試驗土體裝滿車內(nèi)，結(jié)構(gòu)面板平放在上面；結(jié)構(gòu)面板與上翼板一起卡入支架兩邊的豎直軌道內(nèi)，在上翼板和結(jié)構(gòu)面板之間安裝有法向邊界控制單元和豎向位移傳感器，豎向荷載傳感器安裝在上翼板上面，并與固定在支架上邊的豎向液壓缸連接，水平液壓缸固定在支架左側(cè)的支架平臺上，通過水平荷載傳感器與土容器車左側(cè)連接在一起，水平位移傳感器穿過支架右側(cè)與土容器車右側(cè)連接，在土容器的左右兩側(cè)分別安裝帶彈簧的土擋板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與水平、豎直荷載傳感器、水平豎直位移傳感器及數(shù)字照相裝置的信號輸出線端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀，其特征在于所述土容器車裝有有機玻璃視窗用于觀察接觸面附近土的細觀狀態(tài)以及接觸面的變形，及便于數(shù)字照相技術(shù)進行記錄，進行分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于力學特性試驗設(shè)備的一種觀測土與結(jié)構(gòu)件接觸面力學特性的循環(huán)加載剪切儀，主要由裝在支架內(nèi)的土容器車、法向邊界控制單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及固定在支架邊上的液壓加載及控制系統(tǒng)組成，土容器車放置在支架內(nèi)底面上的水平軌道上，試驗土體裝滿車內(nèi)，結(jié)構(gòu)面板平放在上面，法向邊界控制單元放在結(jié)構(gòu)面板上面及土容器車裝有有機玻璃視窗。該設(shè)備能夠再現(xiàn)復雜應力條件下接觸面的靜動力學特性，并且直接在接觸面上施加法向邊界條件和測量接觸面的受力變形，從而提高了試驗和測量精度；采用數(shù)字照相技術(shù)直接記錄土顆粒的細觀狀態(tài)排列、顆粒長軸方向、顆粒沿結(jié)構(gòu)面滑動、顆粒轉(zhuǎn)動，以及顆粒破碎等細觀現(xiàn)象，以便進行分析；可進一步確定土與結(jié)構(gòu)件相對位移沿接觸面的分布以及接觸面的厚度。
文檔編號G01N3/08GK1401987SQ0213106
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月28日
發(fā)明者張建民, 張嗄 申請人:清華大學