一种可视化直剪仪装置及方法与流程

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种可视化直剪仪装置及方法。

背景技术：

直剪仪是土工试验中常规的一种试验设备，传统的直剪仪由于试验材料、设备等原因，在测量土体抗剪强度时，无法直观的反映土体受剪过程中内部的剪切变化状态，只能通过后期数据分析或者观察受剪破坏后的土体状态进而推断其受剪过程中内部可能的剪切变化状态，存在“黑箱”问题，分析滞后，较为复杂过程较慢，且对试验的准确性、可信度以及完整性造成了一定的影响，同时对科研人员进一步研究抗剪强度等特性造成了一定的阻碍。

此外，传统的直剪仪在测量土的抗剪强度时，需要手动控制剪切力施加装置，同时无法直接测量剪切位移，需要通过记录手轮的转数，手轮每转一圈剪切位移是多少厂家会提供信息，通过手轮的转数乘以每圈的剪切位移得到总的剪切位移，但是这样工作量会很大，你既要读取量力环的读数，还得数着手轮的转数，一个人完成的话有点困难，同时容易产生较大的试验误差；同时由于传统的直剪仪无法测量垂直方向位移，在研究岩土体的剪胀性等物理性质方面存在一定的欠缺。

技术实现要素：

针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种可视化直剪仪装置，该装置可实现土体剪切过程中内部剪切变化状态的可视化操作，同时操作简便，精确度高，极大地减少了试验人员的工作量。

本发明的第二目的是一种可视化直剪仪装置的操作方法，通过该方法实现试样的制作，具体的操作步骤，实现直剪仪的有效可视化操作。

本发明提供的第一方案是：

一种可视化直剪仪装置，包括：

上下对应设置的土样盒，土样盒设于滑动框内，土样盒均由透明或半透明材料制成，在土样盒内设置由透明或半透明材料制成的类土体试样，以便于肉眼观测；

在土样盒上方设置加压盖，加压盖与用于向试样施加垂直载荷的竖向加载装置固定，在加压盖与竖向加载装置之间设置分别与控制系统单独连接的竖向荷载拉压力传感器和竖向位移传感器，以获得竖向荷载拉压力和竖向位移，加压盖对试样进行直接接触

在土样盒的一侧或两侧设置与土样盒连接的水平荷载装置，在试样上方或一侧设置片光源激光器，片光源激光器设置在试样上方时，加压盖是透明材料以使激光通过；或者，片光源激光器设于水平荷载装置的一侧，距离水平荷载装置设定的距离，如1cm～3cm，片光源激光器发射激光以在试样内形成切面，切面内形成粒子散斑，在土样盒的一侧设置摄像机以记录粒子散斑图像，数据采集过程较快，此外，本装置还实现了竖向位移和竖向荷载拉压力数据的获得，指导意义更贴近实际，测量数据更加准确可靠。

或者，水平荷载拉压力传感器设置于土样盒上部，水平位移传感器位于土样盒下部，靠近底部，这样土样盒中间就会空出位置，片光源激光源设置于土样盒中部的一侧，激光就可以照射在剪切面上，这样就会形成粒子散斑，虽然会存在上部下部无法形成散斑的情况，但是主要研究的中间部位会形成散斑。

由上述直剪仪的设置，可实现操作人员对土样盒内试样在应力变化过程中的直观观测，同时，通过片光源激光器的设置，可发射片状激光照射在土样盒内，使土样盒内部出现粒子散斑，再由摄像机对粒子散斑的运动进行记录，以便于后续的分析。

其中，在土样盒一侧设置水平位移传感器，在土样盒与水平荷载装置之间设置水平荷载拉压力传感器，所述水平位移传感器、水平荷载拉压力传感器分别与控制系统单独连接。

所述水平荷载装置包括动力源，动力源带动推进杆与土样盒连接，动力源与控制系统连接，由动力源如电机带动推进杆推动土样盒的横向位移。

所述推进杆一侧与所述的摄像机连接，实现摄像机、土样盒与推进杆的同时移动；摄像机与所述控制系统连接以分析采集的粒子散斑图像，控制系统为计算机，可实现对各传感器检测数据的记录。

在所述下剪切盒相对于推进杆的另一侧设置与上剪切盒连接的前置顶杆，前置顶杆与后置顶头连接以对压紧或分离顶杆与上剪切盒，所述水平荷载拉压力传感器设于前置顶杆与后置顶头之间，后置顶头对水平荷载拉压力传感器起到固定作用。

所述土样盒包括上剪切盒和下剪切盒，具体地，水平位移传感器通过水平位移传感器底座与下剪切盒固连，水平荷载拉压力传感器与上剪切盒配合。

进一步地，下剪切盒设置于所述的滑动框内，滑动框上表面设置滚珠，滑动框固定于试验平台上。

所述摄像机设有两个，均为CCD工业相机，一个设于上剪切盒的一侧，另一个设于下剪切盒的一侧，以分别观测上剪切盒内与下剪切盒内类土体试样的变化情况，因类土体与实际粘土或砂性土的性质相同，可更好地指导实际。

为了实现试样受压过程变化情况的可视，所述类土体试样为熔融石英砂来模拟砂性土，采用无定型硅石粉末模拟粘性土，对粘性土，配置设定浓度的溴化钙溶液模拟水的性质，其中配制的溴化钙溶液的折射率应与无定型硅石粉末相同。为了贴近实际工况，在试样中设有混合液体以模拟水，混合液体以正十二烷与白油按设定比例配制。

本发明提供的第二个方案是：

一种可视化直剪仪装置的操作方法，具体步骤如下：

1)材料配置：制备试样并放置于土样盒内；

2)仪器连接：将竖向加载装置、水平荷载装置、摄像机、水平荷载拉压力传感器、水平位移传感器、竖向荷载拉压力传感器和竖向位移传感器分别与控制系统连接；通过数据采集软件根据剪切变形间隔或时间间隔实现试验数据采集、传感器标定功能、试验数据图表的实时显示、电机速率控制；

3)进行试验：打开片光源激光器，对试样施加垂直荷载，根据进行的应力控制式直剪试验和应变控制式直剪试验的不同，通过电脑相关软件进行相应的参数设置，实现实时测量，同时利用摄像机进行粒子散斑图像的实时采集，直至试样发生剪切破坏；

4)清理装置：撤去垂直压力，取出试样，清理剪切盒，将各装置归置好。

5)试验结果处理：试验结束后，可采用Excel等多种形式输出试验数据以及相应的参数变化曲线，利用相应的数据图像分析软件如PIV软件(PIV粒子图像测速技术)对摄像机采集的粒子散斑图像照片进行分析。

本发明的有益效果是：

1、实现了土体剪切过程中内部剪切变化状态的可视化操作，使以往剪切试验中存在的“黑箱”问题得到了一定程度的解决。

2、可用于教学试验中，有利于学生直观的观察剪切过程中土体内部剪切变化状态。

3、通过实现剪切过程的可视化，增加了试验的准确性和可信度。

4、有利于相关科研人员测定抗剪强度的准确性以及提高其精确度等开展进一步的研究。

5、在相应数字照相变形量测技术的基础上，对采集的粒子散斑图像进行研究分析，得到剪切过程中试样的剪切变化状态以及相应的位移场、速度场等数据信息，为相关科研人员进行其他方面的研究提供了一种新的方法和思路。

6、本直剪仪装置采用电脑控制，均匀加载，自动采集，操作简便，试验精度大大提高，同时极大地减少了试验人员的工作量。

7、本直剪仪装置采用电脑控制，可实时采集剪切过程竖向应力—竖向位移、剪切应力—剪切位移、竖向位移—剪切位移等多种变化曲线，既可进行应力控制式直剪试验，又可进行应变控制式直剪试验，可对岩土体的剪胀性等物理性质进行一定的研究。

8、本直剪仪装置采用电脑控制，试验结束后，可通过Excel等多种形式输出试验数据以及相应的参数变化曲线，极大地方便了试验人员进行相应的数据处理，大大减少了后续工作时间，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明直剪仪装置结构示意图；

图2是本发明剪切盒剖视图；

图3是本发明剪切盒侧视图；

图4是本发明直剪仪滑动框俯视图。

其中，1、试验平台；2、推动座；3、推进杆；4、电机；5、变速箱；6、上剪切盒；7、下剪切盒；8、加压盖；9、竖向荷载拉压力传感器；10、竖向位移传感器；11、加压横杆；12、可控式加压装置；13、水平荷载拉压力传感器；14、后置顶头；15、位移传感器底座；16、水平位移传感器；17、片光源激光器；18、销钉；19、CCD工业相机；20、CCD工业相机连杆装置；21、滑动框；22、滚珠；23、固定螺栓；24、电脑；25、前置顶杆。

具体实施方式

下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

如图1—图4所示，一种可视化直剪仪装置，其中该直剪仪包括试验平台1、通过滑动框20与试验平台1相配合的下剪切盒7，下剪切盒7上设置有上剪切盒6，所述上、下剪切盒由试验材料折射率相同的透明有机玻璃制成，下剪切盒7的开口与上剪切盒6的开口对应，下剪切盒7的尺寸大于上剪切盒6的尺寸，所述上剪切盒6上设置有与上剪切盒6相对的加压盖8，上剪切盒6顶部设置开口，用于加压盖8与试样接触，所述加压盖8与竖向荷载拉压力传感器9和竖向位移传感器10相连，竖向荷载拉压力传感器9和竖向位移传感器10的上端与加压横杆11相连，所述加压横杆11上端与可控式加压装置12相配合。所述上剪切盒6一侧与水平荷载拉压力传感器13相连，所述下剪切盒7一端与推进杆3相配合，另一端与水平位移传感器16相连。

上剪切盒6、下剪切盒7二者两侧对角线分别设有对应的第一销钉孔和第二销钉孔，所述销钉通过第一销钉孔插入第二销钉孔，所述销钉由透明的有机玻璃或普通材料制成。

水平荷载装置包括电机4、变速箱5、推进杆3和推进底座2，所述推进杆3与所述下剪切盒7接触，且所述推进杆3一侧设有连接CCD工业相机的连杆装置20，以达到相机19与推进杆3、下剪切盒7同步运动、相对静止的目的。

所述竖向加载装置包括加压横杆11和可控式加压装置12，加压盖8下端与所述上剪切盒6相互作用，上端与竖向荷载拉压力传感器9和竖向位移传感器10相配合，所述竖向荷载拉压力传感器9和竖向位移传感器10相互平行，且二者上端分别与所述加压横杆11相连，所述加压横杆11上端与所述可控式加压装置12相配合。

所述水平荷载拉压力传感器13一端通过前置顶杆25与所述上剪切盒6相配合，另一端与后置顶头14相配合，所述后置顶头14起固定的作用，水平荷载拉压力传感器13为S型拉压力传感器。

所述水平位移装置包括水平位移传感器16和位移传感器底座15，所述水平位移传感器16与下剪切盒7相配合。

在上下剪切盒内试样上方设置片光源激光器，此时加压盖同样是透明材料，以在试样内形成切面，切面内形成粒子散斑，在上下剪切盒的一侧设置摄像机以记录粒子散斑图像。或者，片光源激光器设于水平荷载装置的一侧，距离水平荷载装置设定的距离，如1cm～3cm，片光源激光器发射激光以在试样内形成切面。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是：

水平荷载拉压力传感器设置于土样盒上部，水平位移传感器位于土样盒下部，靠近底部，这样土样盒中间就会空出位置，片光源激光源设置于土样盒中部的一侧，激光就可以照射在剪切面上，这样就会形成粒子散斑，虽然会存在上部下部无法形成散斑的情况，但是主要研究的中间部位会形成散斑。

实施例3

一种可视化直剪仪装置操作方法：

(1)材料配置：根据所要研究的土的性质(如砂性土、粘性土等)，选择相应的透明土颗粒材料模拟自然土体颗粒，选择相应的孔隙流体材料模拟自然土体中的孔隙液体(通常为水)，选择的透明土颗粒材料和孔隙流体材料必须具有良好的透明度。例如选择熔融石英砂模拟砂性土，正十二烷与白油按一定比例配制成混合液体模拟水的性质，其中配制的正十二烷与白油的混合液体的折射率应与熔融石英砂相同，进而保证配制土体的透明度。

(2)试样制备：根据需要测试的不同类型土体的性质选择不同的材料配置透明土试样后，真空固结，用环刀切取试样，用切土刀刮平环刀两侧。

(3)试样安装：将直剪仪按要求安装好，装入试样。

(4)仪器调试：将电机4、CCD工业相机19、可控式加压装置12、竖向荷载拉压力传感器9、竖向位移传感器10、水平荷载拉压力传感器13和水平位移传感器16均与电脑相连接，将直剪仪各部分调整到相应的试验状态，调整CCD工业相机19，使镜头成像清晰，打开片光源激光器17，使试样内部呈现清晰的粒子散斑。

(5)进行试验：通过电脑24控制对试样施加垂直荷载，根据进行的应力控制式直剪试验和应变控制式直剪试验的不同，通过电脑相关软件进行相应的参数设置，实现实时测量，同时利用CCD工业相机19进行粒子散斑图像的实时采集，直至试样发生剪切破坏。

(5)清理装置：撤去垂直压力，取出试样，清理剪切盒等试验装置，将各装置归置好。

(6)试验结果处理：试验结束后，可通过Excel等多种形式输出试验数据以及相应的参数变化曲线，利用相应的软件对相机采集的粒子散斑图像照片进行分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。