較為真實(shí)模擬土與結(jié)構(gòu)接觸面應(yīng)力變形性狀的剪切試驗(yàn)盒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種土與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的剪切盒裝置。該剪切盒可較為真實(shí)模擬和研究土與結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域土體的應(yīng)力變形性狀，為描述接觸面力學(xué)特性提供了有力的試驗(yàn)手段。
[0002]本專利受中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(Y314002)，水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201301040)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401016)，江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140998)，以及干旱氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目(IAM201208)的資助。
【背景技術(shù)】
[0003]在巖土力學(xué)領(lǐng)域，土與結(jié)構(gòu)物的接觸形式多種多樣，比如:混凝土面板堆石壩的面板與后部壩料之間、地下防滲墻與周圍土體之間以及粧與粧間土之間等，由于土與結(jié)構(gòu)物兩種材料性質(zhì)差異很大，強(qiáng)度和變形特性相差懸殊，在荷載作用下可能沿兩者接觸面附近區(qū)域產(chǎn)生滑移和開(kāi)裂，甚至出現(xiàn)不連續(xù)變形現(xiàn)象。因此正確分析土與結(jié)構(gòu)物的相互作用、研究接觸面的力學(xué)特性、并進(jìn)行合理的數(shù)值模擬是至關(guān)重要的。如何在一個(gè)可以人為控制的條件下，盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際土與結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的土體應(yīng)力變形性狀，是目前土與結(jié)構(gòu)接觸面研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，研究土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)的常用手段基本有兩類，分別是直剪試驗(yàn)和單剪試驗(yàn)。其中直剪試驗(yàn)的剪切盒由上盒與下盒兩部分組成，試驗(yàn)時(shí)分別把土樣和結(jié)構(gòu)材料裝入上下盒內(nèi)，施加豎向荷載，推動(dòng)剪切盒施加剪切力，量測(cè)上下盒相對(duì)位移和剪應(yīng)力，研究接觸面力學(xué)性質(zhì)。但是直剪試驗(yàn)是假定土與結(jié)構(gòu)接觸面的破壞面就是土與結(jié)構(gòu)接觸表面，然而在許多實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)接觸面破壞往往發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)接觸表面的附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)而不只在接觸表面上，采用直剪試驗(yàn)來(lái)研究接觸面的力學(xué)特性是有其固有的局限性；單剪試驗(yàn)時(shí)下剪切盒放置結(jié)構(gòu)材料(混凝土或鋼板等)，上剪切盒由重疊的矩形鋼環(huán)或鋁環(huán)組成，內(nèi)填土樣，每個(gè)環(huán)均有一定厚度且疊環(huán)之間光滑，試驗(yàn)時(shí)推動(dòng)下剪切盒施加剪切力。雖然單剪試驗(yàn)容許接觸面和土體自身具有不同的剪切位移，然而不難發(fā)現(xiàn)單剪儀是多個(gè)直剪儀的疊加，還存在某些缺陷例如:剪切破壞面依然是一些平行的面、無(wú)法直接量測(cè)到接觸區(qū)的范圍大小和土顆粒的變形情況等，所以對(duì)于接觸面(區(qū))的試驗(yàn)研究依然需要研制更符合接觸區(qū)土體實(shí)際變形的儀器。現(xiàn)有技術(shù)中尚未公開(kāi)過(guò)能夠滿足這種要求的儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有的傳統(tǒng)土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)盒的不足，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)接觸面區(qū)域土體沿剪切方向自由變形的土與結(jié)構(gòu)物接觸面新型剪切試驗(yàn)盒，不僅可以實(shí)現(xiàn)接觸區(qū)域土體的自由和連續(xù)變形，允許土體內(nèi)部任意部位產(chǎn)生剪切破壞，而且可方便觀察剪切盒內(nèi)土顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，并且能方便地更換結(jié)構(gòu)材料，以模擬實(shí)際工程領(lǐng)域中可能遇到的各種結(jié)構(gòu)面問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種較為真實(shí)模擬土與結(jié)構(gòu)接觸面應(yīng)力變形性狀的剪切試驗(yàn)盒，設(shè)有填裝土樣的上剪切盒，該上剪切盒通過(guò)上剪切盒固定裝置固定在試驗(yàn)儀器框架上；該上剪切盒頂部設(shè)有加壓帽；該上剪切盒底部設(shè)有填裝結(jié)構(gòu)物材料(混凝土、土工膜等)的下剪切盒；其特征在于，所述上剪切盒由頂部自由伸縮彈簧管、上部頂板、前部有機(jī)玻璃擋板、后部金屬擋板、左右鏈?zhǔn)綋醢?、?dòng)支架和約束支架組成。
[0006]更優(yōu)化和更具體地說(shuō)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是:
(I).所述加壓帽由高強(qiáng)度合金鋼加工而成，其底部尺寸與上剪切盒內(nèi)部尺寸一致，頂部通過(guò)大鋼珠與試驗(yàn)儀器框架上的法向力施加裝置相連，起到將法向力均勻施加到試驗(yàn)土樣的作用；
⑵.上剪切盒頂部的自由伸縮彈簧管，由內(nèi)部彈簧和外部金屬伸縮管組成，該自由伸縮彈簧管的底部固定在上剪切盒的頂板上，該自由伸縮彈簧管的上部與左右鏈?zhǔn)綋醢逑噙B；從而賦予了左右鏈?zhǔn)綋醢寰哂幸欢ǖ膹椥裕梢宰詣?dòng)地復(fù)位。
[0007](3).所述上剪切盒固定裝置為航空鋁材制成的夾具，用將上剪切盒固定到儀器框架上；該固定裝置的左右兩邊固定在儀器框架上；
⑷.上剪切盒的上部頂板由航空鋁材加工而成，受上剪切盒固定裝置限制，在剪切過(guò)程中位置不變，以實(shí)現(xiàn)固定上剪切盒目的。該上部頂板中間位置開(kāi)口，該頂板前后兩側(cè)有加工好的螺絲孔，用以固定前部有機(jī)玻璃擋板和后部金屬擋板；
所述上剪切盒固定裝置的左右固定在儀器框架上；
(5).上剪切盒的前部有機(jī)玻璃擋板由高強(qiáng)度特種有機(jī)玻璃板加工而成，該有機(jī)玻璃擋板的上部邊緣有預(yù)留的螺絲孔用以固定在上部頂板上。采用有機(jī)玻璃擋板實(shí)現(xiàn)了剪切盒開(kāi)“天窗”的目的，允許試驗(yàn)人員直觀的觀測(cè)剪切盒內(nèi)土樣的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合數(shù)字圖像位移測(cè)量技術(shù)等非接觸測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)土樣顆粒運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量，為人們研究土與結(jié)構(gòu)接觸面變形特性提供了詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0008](6).上剪切盒的后部金屬擋板由航空鋁材加工而成，頂部有預(yù)留的螺絲孔用以固定在上部頂板上，金屬擋板表面經(jīng)過(guò)拋光處理，可明顯地減少與下剪切盒以及剪切盒內(nèi)土樣的摩擦力，金屬擋板的左右兩側(cè)和后部均有加工好的螺絲孔，用以安裝固定支架用的滾軸。
[0009](7).所述的左右鏈?zhǔn)綋醢宀捎煤娇珍X材加工而成，由單獨(dú)的表面光滑小金屬條組成，金屬條之間采用鉸鏈結(jié)構(gòu)連接，鉸鏈結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)金屬條之間相互的自由運(yùn)動(dòng)，又能保證金屬條之間相互密封，由此實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)綋醢逶谡麄€(gè)剪切試驗(yàn)過(guò)程中跟隨土樣的剪切變形而移動(dòng)，達(dá)到了保證剪切盒內(nèi)土樣自由變形的目的。
[0010](8).所述的動(dòng)支架采用航空鋁材銑出，由安裝在后部金屬擋板上的滾軸固定，可以在水平方向自由的移動(dòng)，豎直方向不能移動(dòng)。動(dòng)支架表面經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光處理，并在滾軸上均勻涂上凡士林或車用潤(rùn)滑油，有效地減少了傳力支架與滾軸之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)支架無(wú)損傳遞剪力的目的；最下部的動(dòng)支架采用鉸鏈結(jié)構(gòu)與左右鏈?zhǔn)綋醢逑噙B，起到拉住左右鏈?zhǔn)綋醢宓哪康?，防止在剪切過(guò)程中剪切盒內(nèi)土樣漏出；
O).動(dòng)支架與左右鏈?zhǔn)綋醢逑嘟佑|部分均加工成圓弧型樣式，達(dá)到點(diǎn)面式接觸的目的，保證了動(dòng)支架只能傳遞剪切力的目的；
(10).動(dòng)支架表面進(jìn)行了鏤空處理，以實(shí)現(xiàn)在滿足支架強(qiáng)度的前提下，盡量減少支架自身重量的目的，這樣做即可以減少滾軸的變形壓力，保證動(dòng)支架在試驗(yàn)過(guò)程中能一直保持水平運(yùn)動(dòng)，又能有效的減少整個(gè)上剪切盒的自重，從而達(dá)到減少上下剪切盒之間摩擦力的目的。
[0011](11).所述的約束支架用以固定前后擋板，為防止法向壓力較大時(shí)，兩側(cè)擋板向外變形導(dǎo)致剪切盒內(nèi)土樣截面積發(fā)生變化，試料從擋板之間的連接處漏出。
[0012](12).所述下剪切盒是由航空鋁材加工而成的長(zhǎng)方形金屬盒，其內(nèi)部尺寸沿剪切方向是上剪切盒的內(nèi)部尺寸的1.5-2.0倍，垂直于剪切方向的內(nèi)部尺寸與上剪切盒一致，以保證在整個(gè)剪切過(guò)程中，土與結(jié)構(gòu)接觸表面的接觸面積不變。下剪切盒底部裝有滑輪，可以在試驗(yàn)儀器框架上滑動(dòng)。
[0013]換言之，本發(fā)明土與結(jié)構(gòu)接觸面新型剪切試驗(yàn)盒，上剪切盒填裝土樣，通過(guò)上剪切盒固定裝置固定在試驗(yàn)儀器框架上；下剪切盒填裝結(jié)構(gòu)物材料(混凝土、土工膜等)，下剪切盒底部裝有滑輪，可以在試驗(yàn)儀器框架上沿水平方向自由滑動(dòng)。剪切試驗(yàn)時(shí)，法向應(yīng)力通過(guò)加壓帽作用到上剪切盒內(nèi)土樣上，由于其底部尺寸與上剪切盒內(nèi)部尺寸一致，頂部通過(guò)大鋼珠與試驗(yàn)儀器框架上法向力施加裝置相連，保證了法向應(yīng)力全部均勻地加載到上剪切盒內(nèi)土樣上。下剪切盒與試驗(yàn)儀器框架上剪切應(yīng)力施加裝置相連，剪切應(yīng)力施加裝置推動(dòng)下剪切盒做水平向剪切位移，從而模擬土與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切變形。由左右鏈