加筋土可视化大模型直剪试验数采仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，包括竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒，所述的剪切盒包括均填充有填料的上剪切盒和下剪切盒，所述的水平加载系统包括推拉电动机和滑动平衡顶推杆，所述的推拉电动机上安装有位移传感器和压力传感器，所述的滑动平衡顶推杆的一端与推拉电动机连接，该滑动平衡顶推杆的另一端与下剪切盒连接，所述的剪切盒远离滑动平衡顶推杆的一侧安装有反力装置，所述的反力装置与上剪切盒连接，所述的上剪切盒一侧壁沿剪切方向设有透明的钢化玻璃，所述的钢化玻璃前面安装有数码摄录装置，所述的下剪切盒的一端上安装有土工物弹簧夹具。本实用新型适用方便，试验误差小，试验数据精确，便于广泛推广使用。
【专利说明】加筋土可视化大模型直剪试验数采仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种直剪试验设备，特别是一种加筋土可视化大模型直剪试验数米仪。
【背景技术】
[0002]加筋土技术的广泛应用，迫切需要准确测定筋土直剪界面的抗剪强度，直接剪切试验是测定筋土界面的抗剪强度的一种常用方法。试验的原理是根据库仑定律，筋土界面的抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比。直剪试验设备虽在近年得到了发展，但仍存在以下方面的不足:
[0003](I)试验仪器中的土工盒尺寸一般都相对较小，试验会受到室内模型尺寸效应的限制，关于筋土界面相互作用的研究不可避免的受到边界效应的影响；
[0004](2)剪切面上的剪应力分布不均匀，土样剪切破坏先从边缘开始，在边缘发生应力集中现象。因而在剪切时，剪切面中央部分与靠近剪切盒壁区域的试样应变会不一致，靠近剪切盒壁试样的应变较大，而中央部分的应变较小；
[0005](3)由于现有的剪切盒上下盒的大小相同，剪切过程中，土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积计算的；
[0006](4)竖向荷载会发生偏转，主应力的大小及方向是动态的；
[0007](5)现有剪切盒的上下剪切盒之间的缝隙中易嵌入砂粒，使试验结果偏大；
[0008](6)剪切过程中，试样发生体积变化，上剪切盒会限制试样在垂直方向的升降，试样与剪切盒内壁之间产生摩擦力，这个摩擦力相当于在试样上施加一个附加正应力与实际外加的正应力不一致；
[0009](7)现有试验设备仅能得到筋土界面相互作用过程的宏观力学响应，而无法探明筋土作用过程中界面砂土细观组构的演化规律，从而也无法从颗粒介质层面揭示筋土界面相互作用的细观力学本质；
[0010](8)试验数据的读取、记录和处理，也存在着许多缺陷，容易产生人为误差，无法获得精确的试验结果。
【发明内容】
[0011]本实用新型要解决的技术问题是:针对现阶段直剪验设备的不足，提供一种剪切盒可视化、直剪试验过程中误差小、试验数据精确的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪。
[0012]解决上述技术问题的技术方案是:一种加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，包括竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒，所述的竖向加载系统安装在剪切盒的上方，该竖向加载系统包括液压千斤顶、反力框架和液压板，所述的剪切盒包括均填充有填料的上剪切盒和下剪切盒，所述的水平加载系统包括推拉电动机和滑动平衡顶推杆，所述的推拉电动机上安装有位移传感器和压力传感器，所述的滑动平衡顶推杆的一端与推拉电动机连接，该滑动平衡顶推杆的另一端与下剪切盒连接，所述的上剪切盒的宽度与下剪切盒的宽度相等，该上剪切盒的长度比下剪切盒的长度小，所述的上剪切盒放置在下剪切盒上，所述的剪切盒远离滑动平衡顶推杆的一侧安装有反力装置，所述的反力装置与上剪切盒连接，所述的上剪切盒一侧壁沿剪切方向设有透明的钢化玻璃，所述的钢化玻璃前面安装有用于拍摄并记录剪切盒中筋土界面土体颗粒变化过程的数码摄录装置，所述的下剪切盒的一端上安装有土工物弹簧夹具。
[0013]本实用新型的进一步技术方案是:所述的土工物弹簧夹具由上夹板和下夹板组成，所述的上夹板和下夹板通过弹簧螺栓连接。
[0014]所述的下剪切盒的内径尺寸为:长=800 mm、宽=400 mm、高=500mm,所述的上剪切盒的内径尺寸为:长=600 mm、宽=400 mm、高=500mm。
[0015]所述的钢化玻璃的尺寸为:长=400mm、高=200mm。
[0016]所述的液压千斤顶通过球形可旋转连杆与液压板连接。
[0017]所述的上剪切盒和下剪切盒均为由钢材料制造的钢剪切盒，所述的上剪切盒和下剪切盒的接触面上涂抹有润滑油。
[0018]所述的下剪切盒底部安装有滑动支座和定向滑轮。
[0019]所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪还包括控制台，该控制台中设有集成电板和控制面板，所述的推拉电动机、位移传感器和压力传感器均安装在该控制台中。
[0020]所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪还包括用于放置竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒的承重台，所述的承重台的底端设有脚支座。
[0021 ] 由于采用上述技术方案，本实用新型之加筋土可视化大模型直剪试验数采仪与现有的直剪试验设备相比，具有以下有益效果:
[0022]1.实验数据的可靠度提高:本实用新型的上剪切盒放置在下剪切盒上，且剪切盒亦可使用钢造剪切盒，试验时上下剪切盒之间的缝隙中不易嵌入砂粒，使试验结果更符合实际，解决了现有技术中上下剪切盒之间，砂粒会嵌入缝隙中带来试验数据偏大的试验误差。本实用新型通过对剪切盒的优化，采取上小下大的上下剪切盒组成，上剪切盒的宽度与下剪切盒的宽度相等，上剪切盒的长度比下剪切盒的长度小，进而减小了边缘处发生的应力集中，使得计算抗剪强度时保持了土样的截面积不变，并使剪切位移远大于常规设备；在进行直剪试验时，当产生了剪切位移，上面的剪切盒仍覆盖在下面的剪切盒上，增加了试验的可操作剪切位移，另一方面，在整个剪切过程中，有效土体的直剪仍为上剪切盒覆盖的土体部分，就使得土样截面积保持不变。减少了在剪切过程中，因为土样剪切面逐渐缩小，而计算抗剪强度时却按土样的原截面积计算所带来的试验误差。
[0023]2.试验箱(即剪切盒)的可视化:本实用新型中所述的上剪切盒的一端面设有透明的钢化玻璃，通过上剪切盒的钢化玻璃实现直剪试验过程中筋土界面的可视化，在钢化玻璃前端安装有用于拍摄并记录剪切盒中筋土界面土体颗粒变化过程的数码摄录装置，利用显微数码摄录技术，采用高清数码和体视显微镜对钢化玻璃区域内筋土界面土体颗粒进行实时摄录，由数字图像细观结构分析软件统计得到筋土荷载传递过程中颗粒配位数、粒间接触法向、颗粒长轴定向、局部孔隙率等主要细观组构参量的变化规律；获取加筋粗粒土直剪试验过程中筋土界面附近土体颗粒的位移场和应变场变化，研究分析筋土界面土体颗粒的运动规律。
[0024]3.试验箱尺寸的大型化:本实用新型设计改良的大型直剪试验箱内径，相较于现有的一般直剪试验箱在试验过程中受到尺寸效应的影响更小，试验所得的结果更贴合实际。这是因为在直剪试验过程中由于上覆应力的加载与土体颗粒间的应力传递作用，必然会有一部分的应力被试验箱中的试样与直剪试验箱间的侧壁摩擦力所抵消，使得试验结果不可避免的受到尺寸效应影响，在直剪试验中使用体积更大的直剪试验箱时可以有效增大筋土界面的接触面积从而削弱尺寸效应对直剪试验的影响得到更好的试验结果。
[0025]4.减少试验误差:本实用新型的上剪切盒后面加装有提供反力的反力装置，并在下剪切盒的底座处加装定向滑轮，使剪切盒不产生偏心，优化了反力装置。本实用新型在油压的反压装置处，使用与剪切盒相吻合的油压板，减少法向应力产生的应力集中，并在油压板的接驳处通过球形可旋转连杆连接，减小水平度对反压力的偏心影响。改良试验仪器，能减小力的偏心、外摩擦力的影响，提高试验数据的真实性。试验整个过程中，由多个结构组成，每个部位的优化与仿真性的提高，均会使得试验数据更可靠，减少了试验误差。
[0026]5.实验操作便捷性的提高:在以往的直剪试验设备里，力的输出，多为堆载重物的方法，而本实用新型的试验设备对于输出力装置的优化，利用油压法取代堆载式加载，使荷载可调，并卸载简单，减少了大量体力工作。在伸缩杆(即滑动平衡顶推杆)的顶推和反力装置的反推过程中，均会产生较大的反作用力，本试验设备通过增加承重台的方式，巧妙地把两个反作用力通过承重台连在一起，相互抵消，不再跟以往设备那样在两端均需要挡墙提供试验需要的反力。
[0027]6.数据采集自动化:现阶段的直剪设备大多还是采用人工读数记录结果的方法，这种方法不仅费时费力，而且在读数的过程中很容易产生误差，试验越繁杂这种现象越明显。而且试验过程中出现偏差，试验结果不理想时，数据的反馈也不及时。本实用新型的直剪试验设备通过集成电板实现了试验数据采集的自动化，可以将试验结果实时反映在仪器的液晶面板上，并联接个人计算机进行数据分析和后处理，不仅使得试验的结果一目了然，还可以实时监控试验的进展并及时发现问题，提高试验的效率。此外，还可以通过本实用新型的可输入式控制面板对试验各参数进行精确的设置，进一步减少试验过程中的人为误差。
[0028]下面，结合说明书附图和具体实施例对本实用新型之加筋土可视化大模型直剪试验数采仪的技术特征作进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1:本实用新型之加筋土可视化大模型直剪试验数采仪的结构示意图。
[0030]图2:本实用新型中剪切盒的结构示意图。
[0031]图3:本实用新型中土工物弹簧夹具的结构示意图。
[0032]在上述附图中，各标号说明如下:
[0033]1-剪切盒，11-上剪切盒，12-下剪切盒，13-钢化玻璃，14-滑动支座，15-定向滑轮，2-液压千斤顶，3-反力框架，4-液压板，5-滑动平衡顶推杆，6-反力装置，7- 土工物弹簧夹具，71-上夹板，72-下夹板，73-弹簧螺栓，8-控制台，9-承重台，10-脚支座。
【具体实施方式】
[0034]一种加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，包括竖向加载系统、水平加载系统、剪切盒1、控制台8和用于放置竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒I等试验用具的承重台9，该承重台的底端设有脚支座10，所述的控制台8中设有集成电板和控制面板，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，所述的填料可为碎石、砂土、粘性土等土工填料，所述的上剪切盒11和下剪切盒12均为由钢材料制造的钢剪切盒，试验前，可在所述的上剪切盒11和下剪切盒12的接触面上涂抹润滑油，这样可以减少上下剪切盒之间产生的摩擦力，减少试验误差。所述的上剪切盒11 一侧壁沿剪切方向设有双层透明的钢化玻璃13，所述的钢化玻璃13前面放置安装有用于拍摄并记录剪切盒I中筋土界面土体颗粒变化过程的数码摄录装置，该数码摄录装置用于对直剪试验过程中筋土界面的图像采集，研究拉拔试验过程中筋土界面附近土体颗粒的运动规律和土体内部的细观组构变化，所述的数码显微装置为数码显微镜及体视显微镜。所述的下剪切盒12底部安装有滑动支座14和定向滑轮15。所述的下剪切盒12的一端上安装有土工物弹簧夹具7，所述的土工物弹簧夹具7由上夹板71和下夹板72组成，所述的上夹板71和下夹板72之间通过弹簧螺栓73连接。所述的上剪切盒11的宽度与下剪切盒12的宽度相等，该上剪切盒11的长度比下剪切盒12的长度小，即所述的下剪切盒12的内径尺寸为:长=800-900mm、宽=400-500mm、高=500-600mm，所述的上剪切盒11的内径尺寸为:长=600-700mm、宽=400-500mm、高=500-600mm。所述的钢化玻璃13的尺寸为:长=400-500mm、高=200-300mm，所述的上剪切盒11、下剪切盒12和钢化玻璃13的尺寸大小亦可以根据需要而设定成其他尺寸。
[0035]所述的竖向加载系统安装在剪切盒I的上方，该竖向加载系统通过液压阀来调控竖向荷载的加载，通过观察配套液压表读数的方法来实现指定上覆应力的施加，所述的竖向加载系统包括液压千斤顶2、反力框架3和液压板4，所述的液压板4与剪切盒I相吻合，所述的反力框架3固定安装在承重台9上，所述的液压千斤顶2安装在反力框架3上，所述的液压板4通过球形可旋转连杆安装在液压千斤顶2上，使得液压板4可绕液压千斤顶2上下转动，在剪切过程中即使剪切盒I中填充的土样面发生倾斜变动时也能很好的施加纵向压力。所述的水平加载系统包括推拉电动机和滑动平衡顶推杆5，所述的推拉电动机上安装有位移传感器和压力传感器，所述的推拉电动机、位移传感器和压力传感器均安装在该控制台8中。所述的下剪切盒12靠近滑动平衡顶推杆5的端面上安装有受力钢板，所述的滑动平衡顶推杆5的一端与推拉电动机连接，该滑动平衡顶推杆5的另一端与下剪切盒12上的受力钢板连接，所述的剪切盒I远离滑动平衡顶推杆5的一侧安装有2个用以提供反力的反力装置6，所述的上剪切盒11靠近反力装置6的端面上安装有受力钢板，所述的反力装置6与上剪切盒11上的受力钢板连接。该反力装置6用以将上剪切盒11固定住，使得当下剪切盒12沿剪切方向移动时上剪切盒11任保持不动。
[0036]使用原理:将本实用新型的直剪试验设备准备就绪后，先将下剪切盒填满土样，通过液压板将下剪切盒中的土样压实压平，然后将试验的土工物通过下剪切盒上的土工物弹簧夹具固定在下剪切盒中(将土工物夹在上下夹板之间，拧紧弹簧螺栓)，此时土工物的上端面与下剪切盒侧壁的上端面持平，所述的土工物弹簧夹具安装在下剪切盒远离滑动平衡顶推杆的端面上，然后再将上剪切盒安装在下剪切盒上(即将上剪切盒直接放置在下剪切盒上)，在上剪切盒中填满土样，通过液压板将上剪切盒中的土样压实压平，并按要求进行维压。然后将上剪切盒与反力装置连接，调整滑动平衡顶推杆与下剪切盒的位置，将滑动平衡顶推杆与下剪切盒连接。试验时，滑动平衡顶推杆在控制台里面的推拉电动机的作用下向前移动，下剪切盒在滑动平衡顶推杆的作用下向前移动，在下剪切盒移动的整个过程中上剪切盒一直覆盖在下剪切盒上方，且上剪切盒在反力装置的作用下保持静止。在滑动平衡顶推杆向前顶推的过程中，上剪切盒与下剪切盒发生相对位移，产生剪切破坏。实验整个操作过程，必须保持在同一水平面上，并利用竖向加载系统对上剪切盒中的土体进行维压。在直剪试验开始前，通过控制台上的液晶控制面板设定各项试验参数(法向压力，加筋嵌入长度及宽度，直剪位移等)，然后进行试验实现直剪试验数据采集的自动化。试验过程中的剪切力和直剪位移是由附着在推拉电动机上的位移传感器和压力传感器记录，并实时反映在控制台上的控制面板的液晶屏上方便进行观察，及时发现试验过程中的异常现象。本实用新型利用高清数码和体视显微镜对剪切盒前侧钢化玻璃区域内筋土界面土体颗粒进行实时摄录，然后利用相应的图像后处理软件对摄录图像进行进一步的处理实现直剪试验的可视化。在直剪试验结束后，直剪试验设备会立即通过与控制台相连的打印机将当前试验的结果打印出来，包括当前试验的直剪速度及最大剪切力等试验数据，并联接个人计算机完成实验数据的采集、分析和后处理，然后记录在计算机中，进行文件存档。
【权利要求】
1.一种加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，包括竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒(1)，所述的竖向加载系统安装在剪切盒(1)的上方，该竖向加载系统包括液压千斤顶(2)、反力框架(3)和液压板(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:所述的水平加载系统包括推拉电动机和滑动平衡顶推杆(5)，所述的推拉电动机上安装有位移传感器和压力传感器，所述的滑动平衡顶推杆(5)的一端与推拉电动机连接，该滑动平衡顶推杆(5)的另一端与下剪切盒(12)连接，所述的上剪切盒(11)的宽度与下剪切盒(12)的宽度相等，该上剪切盒(11)的长度比下剪切盒(12)的长度小，所述的上剪切盒(11)放置在下剪切盒(12)上，所述的剪切盒(1)远离滑动平衡顶推杆(5)的一侧安装有反力装置(6)，所述的反力装置(6)与上剪切盒(11)连接，所述的上剪切盒(11) 一侧壁沿剪切方向设有透明的钢化玻璃(13)，所述的钢化玻璃(13)前面安装有用于拍摄并记录剪切盒(1)中筋土界面土体颗粒变化过程的数码摄录装置，所述的下剪切盒(12)的一端上安装有土工物弹簧夹具(7)。
2.根据权利要求1所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的土工物弹簧夹具(7)由上夹板(71)和下夹板(72)组成，所述的上夹板(71)和下夹板(72)通过弹簧螺栓(73)连接。
3.根据权利要求1所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的下剪切盒(12)的内径尺寸为:长=800 mm、宽=400 mm、高=500mm,所述的上剪切盒(11)的内径尺寸为:长=600 mm、宽=400 mm、高=500_。
4.根据权利要求3所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的钢化玻璃(13)的尺寸为:长=400mm、高=200mm。
5.根据权利要求1所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的液压千斤顶(2)通过球形可旋转连杆与液压板(4)连接。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的上剪切盒(11)和下剪切盒(12)均为由钢材料制造的钢剪切盒，所述的上剪切盒(11)和下剪切盒(12)的接触面上涂抹有润滑油。
7.根据权利要求6所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的下剪切盒(12)底部安装有滑动支座(14)和定向滑轮(15)。
8.根据权利要求7所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪还包括控制台(8 )，该控制台(8 )中设有集成电板和控制面板，所述的推拉电动机、位移传感器和压力传感器均安装在该控制台(8)中。
9.根据权利要求8所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪，其特征在于:所述的加筋土可视化大模型直剪试验数采仪还包括用于放置竖向加载系统、水平加载系统和剪切盒(1)的承重台(9)，所述的承重台(9)的底端设有脚支座(10)。
【文档编号】G01N3/24GK204142586SQ201420533326
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】王家全, 周岳富, 吴辉琴 申请人:广西科技大学