加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，包括豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒，所述的剪切盒包括均填充有填料的上剪切盒和下剪切盒，所述的水平加載系統包括推拉電動機和滑動平衡頂推桿，所述的推拉電動機上安裝有位移傳感器和壓力傳感器，所述的滑動平衡頂推桿的一端與推拉電動機連接，該滑動平衡頂推桿的另一端與下剪切盒連接，所述的剪切盒遠離滑動平衡頂推桿的一側安裝有反力裝置，所述的反力裝置與上剪切盒連接，所述的上剪切盒一側壁沿剪切方向設有透明的鋼化玻璃，所述的鋼化玻璃前面安裝有數碼攝錄裝置，所述的下剪切盒的一端上安裝有土工物彈簧夾具。本實用新型適用方便，試驗誤差小，試驗數據精確，便于廣泛推廣使用。
【專利說明】加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種直剪試驗設備，特別是一種加筋土可視化大模型直剪試驗數米儀。

【背景技術】
[0002]加筋土技術的廣泛應用，迫切需要準確測定筋土直剪界面的抗剪強度，直接剪切試驗是測定筋土界面的抗剪強度的一種常用方法。試驗的原理是根據庫侖定律，筋土界面的抗剪強度與剪切面上的法向壓力成正比。直剪試驗設備雖在近年得到了發展，但仍存在以下方面的不足:
[0003](I)試驗儀器中的土工盒尺寸一般都相對較小，試驗會受到室內模型尺寸效應的限制，關于筋土界面相互作用的研究不可避免的受到邊界效應的影響；
[0004](2)剪切面上的剪應力分布不均勻，土樣剪切破壞先從邊緣開始，在邊緣發生應力集中現象。因而在剪切時，剪切面中央部分與靠近剪切盒壁區域的試樣應變會不一致，靠近剪切盒壁試樣的應變較大，而中央部分的應變較小；
[0005](3)由于現有的剪切盒上下盒的大小相同，剪切過程中，土樣剪切面逐漸縮小，而計算抗剪強度時卻按土樣的原截面積計算的；
[0006](4)豎向荷載會發生偏轉，主應力的大小及方向是動態的；
[0007](5)現有剪切盒的上下剪切盒之間的縫隙中易嵌入砂粒，使試驗結果偏大；
[0008](6)剪切過程中，試樣發生體積變化，上剪切盒會限制試樣在垂直方向的升降，試樣與剪切盒內壁之間產生摩擦力，這個摩擦力相當于在試樣上施加一個附加正應力與實際外加的正應力不一致；
[0009](7)現有試驗設備僅能得到筋土界面相互作用過程的宏觀力學響應，而無法探明筋土作用過程中界面砂土細觀組構的演化規律，從而也無法從顆粒介質層面揭示筋土界面相互作用的細觀力學本質；
[0010](8)試驗數據的讀取、記錄和處理，也存在著許多缺陷，容易產生人為誤差，無法獲得精確的試驗結果。


【發明內容】

[0011]本實用新型要解決的技術問題是:針對現階段直剪驗設備的不足，提供一種剪切盒可視化、直剪試驗過程中誤差小、試驗數據精確的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀。
[0012]解決上述技術問題的技術方案是:一種加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，包括豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒，所述的豎向加載系統安裝在剪切盒的上方，該豎向加載系統包括液壓千斤頂、反力框架和液壓板，所述的剪切盒包括均填充有填料的上剪切盒和下剪切盒，所述的水平加載系統包括推拉電動機和滑動平衡頂推桿，所述的推拉電動機上安裝有位移傳感器和壓力傳感器，所述的滑動平衡頂推桿的一端與推拉電動機連接，該滑動平衡頂推桿的另一端與下剪切盒連接，所述的上剪切盒的寬度與下剪切盒的寬度相等，該上剪切盒的長度比下剪切盒的長度小，所述的上剪切盒放置在下剪切盒上，所述的剪切盒遠離滑動平衡頂推桿的一側安裝有反力裝置，所述的反力裝置與上剪切盒連接，所述的上剪切盒一側壁沿剪切方向設有透明的鋼化玻璃，所述的鋼化玻璃前面安裝有用于拍攝并記錄剪切盒中筋土界面土體顆粒變化過程的數碼攝錄裝置，所述的下剪切盒的一端上安裝有土工物彈簧夾具。
[0013]本實用新型的進一步技術方案是:所述的土工物彈簧夾具由上夾板和下夾板組成，所述的上夾板和下夾板通過彈簧螺栓連接。
[0014]所述的下剪切盒的內徑尺寸為:長=800 mm、寬=400 mm、高=500mm,所述的上剪切盒的內徑尺寸為:長=600 mm、寬=400 mm、高=500mm。
[0015]所述的鋼化玻璃的尺寸為:長=400mm、高=200mm。
[0016]所述的液壓千斤頂通過球形可旋轉連桿與液壓板連接。
[0017]所述的上剪切盒和下剪切盒均為由鋼材料制造的鋼剪切盒，所述的上剪切盒和下剪切盒的接觸面上涂抹有潤滑油。
[0018]所述的下剪切盒底部安裝有滑動支座和定向滑輪。
[0019]所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀還包括控制臺，該控制臺中設有集成電板和控制面板，所述的推拉電動機、位移傳感器和壓力傳感器均安裝在該控制臺中。
[0020]所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀還包括用于放置豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒的承重臺，所述的承重臺的底端設有腳支座。
[0021 ] 由于采用上述技術方案，本實用新型之加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀與現有的直剪試驗設備相比，具有以下有益效果:
[0022]1.實驗數據的可靠度提高:本實用新型的上剪切盒放置在下剪切盒上，且剪切盒亦可使用鋼造剪切盒，試驗時上下剪切盒之間的縫隙中不易嵌入砂粒，使試驗結果更符合實際，解決了現有技術中上下剪切盒之間，砂粒會嵌入縫隙中帶來試驗數據偏大的試驗誤差。本實用新型通過對剪切盒的優化，采取上小下大的上下剪切盒組成，上剪切盒的寬度與下剪切盒的寬度相等，上剪切盒的長度比下剪切盒的長度小，進而減小了邊緣處發生的應力集中，使得計算抗剪強度時保持了土樣的截面積不變，并使剪切位移遠大于常規設備；在進行直剪試驗時，當產生了剪切位移，上面的剪切盒仍覆蓋在下面的剪切盒上，增加了試驗的可操作剪切位移，另一方面，在整個剪切過程中，有效土體的直剪仍為上剪切盒覆蓋的土體部分，就使得土樣截面積保持不變。減少了在剪切過程中，因為土樣剪切面逐漸縮小，而計算抗剪強度時卻按土樣的原截面積計算所帶來的試驗誤差。
[0023]2.試驗箱(即剪切盒)的可視化:本實用新型中所述的上剪切盒的一端面設有透明的鋼化玻璃，通過上剪切盒的鋼化玻璃實現直剪試驗過程中筋土界面的可視化，在鋼化玻璃前端安裝有用于拍攝并記錄剪切盒中筋土界面土體顆粒變化過程的數碼攝錄裝置，利用顯微數碼攝錄技術，采用高清數碼和體視顯微鏡對鋼化玻璃區域內筋土界面土體顆粒進行實時攝錄，由數字圖像細觀結構分析軟件統計得到筋土荷載傳遞過程中顆粒配位數、粒間接觸法向、顆粒長軸定向、局部孔隙率等主要細觀組構參量的變化規律；獲取加筋粗粒土直剪試驗過程中筋土界面附近土體顆粒的位移場和應變場變化，研究分析筋土界面土體顆粒的運動規律。
[0024]3.試驗箱尺寸的大型化:本實用新型設計改良的大型直剪試驗箱內徑，相較于現有的一般直剪試驗箱在試驗過程中受到尺寸效應的影響更小，試驗所得的結果更貼合實際。這是因為在直剪試驗過程中由于上覆應力的加載與土體顆粒間的應力傳遞作用，必然會有一部分的應力被試驗箱中的試樣與直剪試驗箱間的側壁摩擦力所抵消，使得試驗結果不可避免的受到尺寸效應影響，在直剪試驗中使用體積更大的直剪試驗箱時可以有效增大筋土界面的接觸面積從而削弱尺寸效應對直剪試驗的影響得到更好的試驗結果。
[0025]4.減少試驗誤差:本實用新型的上剪切盒后面加裝有提供反力的反力裝置，并在下剪切盒的底座處加裝定向滑輪，使剪切盒不產生偏心，優化了反力裝置。本實用新型在油壓的反壓裝置處，使用與剪切盒相吻合的油壓板，減少法向應力產生的應力集中，并在油壓板的接駁處通過球形可旋轉連桿連接，減小水平度對反壓力的偏心影響。改良試驗儀器，能減小力的偏心、外摩擦力的影響，提高試驗數據的真實性。試驗整個過程中，由多個結構組成，每個部位的優化與仿真性的提高，均會使得試驗數據更可靠，減少了試驗誤差。
[0026]5.實驗操作便捷性的提高:在以往的直剪試驗設備里，力的輸出，多為堆載重物的方法，而本實用新型的試驗設備對于輸出力裝置的優化，利用油壓法取代堆載式加載，使荷載可調，并卸載簡單，減少了大量體力工作。在伸縮桿(即滑動平衡頂推桿)的頂推和反力裝置的反推過程中，均會產生較大的反作用力，本試驗設備通過增加承重臺的方式，巧妙地把兩個反作用力通過承重臺連在一起，相互抵消，不再跟以往設備那樣在兩端均需要擋墻提供試驗需要的反力。
[0027]6.數據采集自動化:現階段的直剪設備大多還是采用人工讀數記錄結果的方法，這種方法不僅費時費力，而且在讀數的過程中很容易產生誤差，試驗越繁雜這種現象越明顯。而且試驗過程中出現偏差，試驗結果不理想時，數據的反饋也不及時。本實用新型的直剪試驗設備通過集成電板實現了試驗數據采集的自動化，可以將試驗結果實時反映在儀器的液晶面板上，并聯接個人計算機進行數據分析和后處理，不僅使得試驗的結果一目了然，還可以實時監控試驗的進展并及時發現問題，提高試驗的效率。此外，還可以通過本實用新型的可輸入式控制面板對試驗各參數進行精確的設置，進一步減少試驗過程中的人為誤差。
[0028]下面，結合說明書附圖和具體實施例對本實用新型之加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀的技術特征作進一步的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1:本實用新型之加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀的結構示意圖。
[0030]圖2:本實用新型中剪切盒的結構示意圖。
[0031]圖3:本實用新型中土工物彈簧夾具的結構示意圖。
[0032]在上述附圖中，各標號說明如下:
[0033]1-剪切盒，11-上剪切盒，12-下剪切盒，13-鋼化玻璃，14-滑動支座，15-定向滑輪，2-液壓千斤頂，3-反力框架，4-液壓板，5-滑動平衡頂推桿，6-反力裝置，7- 土工物彈簧夾具，71-上夾板，72-下夾板，73-彈簧螺栓，8-控制臺，9-承重臺，10-腳支座。

【具體實施方式】
[0034]一種加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，包括豎向加載系統、水平加載系統、剪切盒1、控制臺8和用于放置豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒I等試驗用具的承重臺9，該承重臺的底端設有腳支座10，所述的控制臺8中設有集成電板和控制面板，所述的剪切盒I包括均填充有填料的上剪切盒11和下剪切盒12，所述的上剪切盒11放置在下剪切盒12上，所述的填料可為碎石、砂土、粘性土等土工填料，所述的上剪切盒11和下剪切盒12均為由鋼材料制造的鋼剪切盒，試驗前，可在所述的上剪切盒11和下剪切盒12的接觸面上涂抹潤滑油，這樣可以減少上下剪切盒之間產生的摩擦力，減少試驗誤差。所述的上剪切盒11 一側壁沿剪切方向設有雙層透明的鋼化玻璃13，所述的鋼化玻璃13前面放置安裝有用于拍攝并記錄剪切盒I中筋土界面土體顆粒變化過程的數碼攝錄裝置，該數碼攝錄裝置用于對直剪試驗過程中筋土界面的圖像采集，研究拉拔試驗過程中筋土界面附近土體顆粒的運動規律和土體內部的細觀組構變化，所述的數碼顯微裝置為數碼顯微鏡及體視顯微鏡。所述的下剪切盒12底部安裝有滑動支座14和定向滑輪15。所述的下剪切盒12的一端上安裝有土工物彈簧夾具7，所述的土工物彈簧夾具7由上夾板71和下夾板72組成，所述的上夾板71和下夾板72之間通過彈簧螺栓73連接。所述的上剪切盒11的寬度與下剪切盒12的寬度相等，該上剪切盒11的長度比下剪切盒12的長度小，即所述的下剪切盒12的內徑尺寸為:長=800-900mm、寬=400-500mm、高=500-600mm，所述的上剪切盒11的內徑尺寸為:長=600-700mm、寬=400-500mm、高=500-600mm。所述的鋼化玻璃13的尺寸為:長=400-500mm、高=200-300mm，所述的上剪切盒11、下剪切盒12和鋼化玻璃13的尺寸大小亦可以根據需要而設定成其他尺寸。
[0035]所述的豎向加載系統安裝在剪切盒I的上方，該豎向加載系統通過液壓閥來調控豎向荷載的加載，通過觀察配套液壓表讀數的方法來實現指定上覆應力的施加，所述的豎向加載系統包括液壓千斤頂2、反力框架3和液壓板4，所述的液壓板4與剪切盒I相吻合，所述的反力框架3固定安裝在承重臺9上，所述的液壓千斤頂2安裝在反力框架3上，所述的液壓板4通過球形可旋轉連桿安裝在液壓千斤頂2上，使得液壓板4可繞液壓千斤頂2上下轉動，在剪切過程中即使剪切盒I中填充的土樣面發生傾斜變動時也能很好的施加縱向壓力。所述的水平加載系統包括推拉電動機和滑動平衡頂推桿5，所述的推拉電動機上安裝有位移傳感器和壓力傳感器，所述的推拉電動機、位移傳感器和壓力傳感器均安裝在該控制臺8中。所述的下剪切盒12靠近滑動平衡頂推桿5的端面上安裝有受力鋼板，所述的滑動平衡頂推桿5的一端與推拉電動機連接，該滑動平衡頂推桿5的另一端與下剪切盒12上的受力鋼板連接，所述的剪切盒I遠離滑動平衡頂推桿5的一側安裝有2個用以提供反力的反力裝置6，所述的上剪切盒11靠近反力裝置6的端面上安裝有受力鋼板，所述的反力裝置6與上剪切盒11上的受力鋼板連接。該反力裝置6用以將上剪切盒11固定住，使得當下剪切盒12沿剪切方向移動時上剪切盒11任保持不動。
[0036]使用原理:將本實用新型的直剪試驗設備準備就緒后，先將下剪切盒填滿土樣，通過液壓板將下剪切盒中的土樣壓實壓平，然后將試驗的土工物通過下剪切盒上的土工物彈簧夾具固定在下剪切盒中(將土工物夾在上下夾板之間，擰緊彈簧螺栓)，此時土工物的上端面與下剪切盒側壁的上端面持平，所述的土工物彈簧夾具安裝在下剪切盒遠離滑動平衡頂推桿的端面上，然后再將上剪切盒安裝在下剪切盒上(即將上剪切盒直接放置在下剪切盒上)，在上剪切盒中填滿土樣，通過液壓板將上剪切盒中的土樣壓實壓平，并按要求進行維壓。然后將上剪切盒與反力裝置連接，調整滑動平衡頂推桿與下剪切盒的位置，將滑動平衡頂推桿與下剪切盒連接。試驗時，滑動平衡頂推桿在控制臺里面的推拉電動機的作用下向前移動，下剪切盒在滑動平衡頂推桿的作用下向前移動，在下剪切盒移動的整個過程中上剪切盒一直覆蓋在下剪切盒上方，且上剪切盒在反力裝置的作用下保持靜止。在滑動平衡頂推桿向前頂推的過程中，上剪切盒與下剪切盒發生相對位移，產生剪切破壞。實驗整個操作過程，必須保持在同一水平面上，并利用豎向加載系統對上剪切盒中的土體進行維壓。在直剪試驗開始前，通過控制臺上的液晶控制面板設定各項試驗參數(法向壓力，加筋嵌入長度及寬度，直剪位移等)，然后進行試驗實現直剪試驗數據采集的自動化。試驗過程中的剪切力和直剪位移是由附著在推拉電動機上的位移傳感器和壓力傳感器記錄，并實時反映在控制臺上的控制面板的液晶屏上方便進行觀察，及時發現試驗過程中的異常現象。本實用新型利用高清數碼和體視顯微鏡對剪切盒前側鋼化玻璃區域內筋土界面土體顆粒進行實時攝錄，然后利用相應的圖像后處理軟件對攝錄圖像進行進一步的處理實現直剪試驗的可視化。在直剪試驗結束后，直剪試驗設備會立即通過與控制臺相連的打印機將當前試驗的結果打印出來，包括當前試驗的直剪速度及最大剪切力等試驗數據，并聯接個人計算機完成實驗數據的采集、分析和后處理，然后記錄在計算機中，進行文件存檔。
【權利要求】
1.一種加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，包括豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒(1)，所述的豎向加載系統安裝在剪切盒(1)的上方，該豎向加載系統包括液壓千斤頂(2)、反力框架(3)和液壓板(4)，所述的剪切盒(1)包括均填充有填料的上剪切盒(11)和下剪切盒(12)，其特征在于:所述的水平加載系統包括推拉電動機和滑動平衡頂推桿(5)，所述的推拉電動機上安裝有位移傳感器和壓力傳感器，所述的滑動平衡頂推桿(5)的一端與推拉電動機連接，該滑動平衡頂推桿(5)的另一端與下剪切盒(12)連接，所述的上剪切盒(11)的寬度與下剪切盒(12)的寬度相等，該上剪切盒(11)的長度比下剪切盒(12)的長度小，所述的上剪切盒(11)放置在下剪切盒(12)上，所述的剪切盒(1)遠離滑動平衡頂推桿(5)的一側安裝有反力裝置(6)，所述的反力裝置(6)與上剪切盒(11)連接，所述的上剪切盒(11) 一側壁沿剪切方向設有透明的鋼化玻璃(13)，所述的鋼化玻璃(13)前面安裝有用于拍攝并記錄剪切盒(1)中筋土界面土體顆粒變化過程的數碼攝錄裝置，所述的下剪切盒(12)的一端上安裝有土工物彈簧夾具(7)。
2.根據權利要求1所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的土工物彈簧夾具(7)由上夾板(71)和下夾板(72)組成，所述的上夾板(71)和下夾板(72)通過彈簧螺栓(73)連接。
3.根據權利要求1所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的下剪切盒(12)的內徑尺寸為:長=800 mm、寬=400 mm、高=500mm,所述的上剪切盒(11)的內徑尺寸為:長=600 mm、寬=400 mm、高=500_。
4.根據權利要求3所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的鋼化玻璃(13)的尺寸為:長=400mm、高=200mm。
5.根據權利要求1所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的液壓千斤頂(2)通過球形可旋轉連桿與液壓板(4)連接。
6.根據權利要求1-5任一權利要求所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的上剪切盒(11)和下剪切盒(12)均為由鋼材料制造的鋼剪切盒，所述的上剪切盒(11)和下剪切盒(12)的接觸面上涂抹有潤滑油。
7.根據權利要求6所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的下剪切盒(12)底部安裝有滑動支座(14)和定向滑輪(15)。
8.根據權利要求7所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀還包括控制臺(8 )，該控制臺(8 )中設有集成電板和控制面板，所述的推拉電動機、位移傳感器和壓力傳感器均安裝在該控制臺(8)中。
9.根據權利要求8所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀，其特征在于:所述的加筋土可視化大模型直剪試驗數采儀還包括用于放置豎向加載系統、水平加載系統和剪切盒(1)的承重臺(9)，所述的承重臺(9)的底端設有腳支座(10)。
【文檔編號】G01N3/24GK204142586SQ201420533326
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】王家全, 周岳富, 吳輝琴 申請人:廣西科技大學