专利名称：循环荷载作用大型接触面特性直剪仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的研究土体之间及土工合成材料一土体之间或者土工合成材料之间界面摩擦特性的大型直剪仪，适用于任意二者之间的等剪切面或者变剪切面试验；尤其可以进行在竖向和水平向循环荷载作用下的界面特性试验研究，这是本发明的重点创新所在。
背景技术：
在土木工程尤其是岩土工程中，通常遇到加筋土结构例如加筋土路基、加筋土挡墙结构、加筋边坡结构等等。又如水利大坝工程中，混凝土坝与土体之间的接触面由于两种材料的差异导致了较大的初始内部剪应力和位移不连续现象，故接触面部位是大坝工程发生事故的薄弱环节。这些工程结构的薄弱点在于筋材与土体的接触面，筋材的加入虽然在一定意义上加强了土体(砂性土尤为明显)的整体约束性，但同时也削弱破坏了土体内部的天然结构性，使得筋土接触面成为结构中的最危险局部破坏点。因此，筋土界面特性研究成为了加筋土领域的热点问题。目前，国内外相关领域专家和学者研究筋土界面特性的试验仪器大都集中在直剪仪和拉拔仪。但目前大多数直剪仪多为尺寸较�。荒苈闶导使こ讨兴蟮谋呓缧вΦ挠跋欤换蛘呱舷录羟泻谐叽缦嗟龋诩羟泄讨屑羟忻娣⑸浠朐诤笃诘募扑阒杏枰砸欢ǖ男拚岬贾率匝槭莸挠行院驼媸敌越档停换褂泻芏嘟缑婕羟幸切枰话霞羟泻校录羟泻形招云桨澹庋嵩斐赏凉ず铣刹牧峡诖Φ慕缑媲慷任量帕Ｓ敫职逯涞哪Σ粒皇强帕Ｓ敫裾ぶ涞恼嬲Σ粒媒峁险媸登榭龅�。另外，目前的直剪仪大多集中在静荷载作用下的界面特性研究上，对于动力荷载作用下的试验研究较少，这就涉及到加载方式的异同了。基于课题组交通荷载作用下路基动力响应的研究方向， 自主设计研发了可以施加循环动荷载作用的大型直剪仪，满足了科研需要以及提供了较为真实可靠的试验数据。查阅国内外相关文献可知，目前国内代表性的动荷载循环试验仪有清华大学岩土工程研究所研制开发的大型接触面循环加载剪切仪，剪切盒尺寸为250*250mm，法向及切向最大荷载为200kN。在剪切盒侧壁装有有机玻璃视窗，并采用数字照相技术可以全程记录土颗粒的细观状态排列、颗粒长轴方向、颗粒眼结构面滑动、颗粒转动以及颗粒破碎等现象，便于分析；并可进一步确定土与结构件相对位移沿接触面的分布以及接触面的厚度。另外，同济大学研制的大型结构面剪切仪(SJW-200)可以进行多种材料结构接触面的静动力试验研究，通过伺服加载仪能在竖直方向上施加简单的循环荷载。长江科学院等研制的剪切盒尺寸为600*600_的单剪仪可以进行土体内部与土工合成材料的界面摩擦特性研究。上述直剪仪虽然较传统的仪器多了些改进的地方，但是还是不能够满足工程实际中较为真实模拟筋土界面摩擦特性的要求。存在一些问题上下剪切盒尺寸固定(尺寸相同或者不同)不能进行相关对比试验；使用液压控制系统测量精度达不到科研要求；下剪切盒为刚性垫板，对土体与各种土工合成材料摩擦特性研究进行了限制，降低了剪切仪的
3适用范围；未能施加竖向循环荷载而不能模拟交通荷载作用下土体内部的剪切摩擦特性； 其他还有设备的自动化水平不高。
发明内容
本发明目的在于提出一种循环加载大型接触面直剪仪，该设备是自主研发设计的大型筋材土体界面摩擦特性研究设备，不但能进行土体自身内部的剪切特性试验,而且能进行土体与接触面(包括混凝土接触面、其他不同类型土体接触面、土工合成材料等)之间摩擦特性的试验研究。此大型直剪仪能够在竖向和水平向施加不同加载频率及振幅的动荷载(包括静载)，而且还可以进行等剪切面与变剪切面直剪试验的功能，进行相关对比试验分析。试样剪切面积500*500mm，申请者通过查阅国内外相关规范表明水利部颁布的《土工合成材料测试规程》及交通部颁布的《公路土工合成材料试验》给出了直剪试验的最小尺寸为300mm ;美国土木材料协会制定的ASTM D5321标准规定了直剪试验的最小试样尺寸也为300mm。对本设备而言，不但满足了相关规范对直剪试验的尺寸要求，而且能够使用更大尺寸的试样，足以淡化了边界效应带来的试验误差。另外下剪切盒外部还有一个尺寸较大的水浴箱，可以在装满水的情况下模拟饱和砂土的界面摩擦特性研究。完成上述发明的技术方案是一种循环荷载作用下大型界面直剪仪，此发明的直剪试验盒采用上下盒尺寸不等尺寸设计，在下剪切盒侧壁添加刚性块使得上下剪切面积相等，从而进行相关等截面或不等截面的试验对比分析。主要创新点在于竖向加载方式，在顶部框架结构上本发明采用美国进口的MOOG伺服加载装置，在竖向施加不同频率和振幅的循环荷载，同时配有竖向荷重传感器及竖向LVDT位移传感器；在框架结构的右侧设有水平剪切力加载装置，该装置中设置了伺服电机施加水平荷载，同时配有水平向的荷重传感器及水平LVDT位移传感器。该大型直剪仪包括上剪切盒、下剪切盒和置于上剪切盒上的竖向压力加载板，特征在于上下剪切盒一边对齐另一边下剪切盒较大，传压板的外围与上剪切盒的内侧相吻合并留有一定缝隙，确保施加竖向压力的时候不会产生金属压板与不会与上剪切盒侧壁产生摩擦，本发明中竖向压力加载板分为两种，一种是厚度为20_的平板式传压板,另一种是厚度为60 70_的梯形纵截面传压板，不同厚度传压板的采用使得试验中不同厚度土层成为可可能， 研究不同覆盖土层对于筋土界面特性的影响；下剪切盒内可以放置T字型刚性垫块，进行土体与土工合成材料之间的界面摩擦特性试验。其中，所述上剪切盒的尺寸为500mm*500mm*150mm。其中，所述下剪切盒的尺寸为600mm*500mm*150mm ;即较上剪切盒而言纵向尺寸增加IOOmm ；其中，所述下剪切盒内部可以放置刚性垫块，垫块的外围与下剪切盒内侧相吻合， 表面尺寸为600mm*500mm,下侧为刚性条以支撑平板。其中，所述下剪切盒沿剪切方向另一边侧板顶部包含5个螺孔，另外包括不锈钢压条一片，将土工合成材料固定在其表面，并在固定好的土工合成材料上装土。本发明与现有的现有技术相比具有以下优化方案(I).所述的下剪切盒比上剪切盒长，内置与剪切盒高、宽尺寸吻合的刚性垫块，可以调节下剪切盒的大�。械燃羟忻娴闹奔羰匝椋部山斜浼羟忻娴闹奔羰匝椋欢呖梢越卸员仁匝椋治黾羟泻谐叽缧вΧ杂诮钔两缑嫣匦缘挠跋�。(2).所述的传压板分为两种一种是如上所述的平板式传压板，另一种是梯形纵截面传压板；两种不同传压板尺寸的应用使得上剪切盒土层厚度可以灵活变化，可模拟实际工程中不同深度加筋土层的界面摩擦特性，分析上覆土层厚度对于加筋土工程的影响。(3).所述的下剪切盒部分是放置在尺寸和下剪切盒吻合的水浴箱中，箱中可以充满水或者部分水，来模拟不同含水率(饱和非饱和)或不同地下水位出加筋土岑的界面特性，全面分析水敏感性土加筋效果的分析。(4).所述的仪器右端具有一体化仪器操纵台，分水平和竖向两块操作面板，可对仪器的法向荷载装置进行快速调整以方便土样的装配，同时可以对仪器的水平向荷载装置进行快速调整以方便剪切盒的对其调整，并且调节的速率可以由操作者自行控制。(5).所述的竖向力施加装置，使用美国MOOG伺服加载设备、自动升降机组成机械执行部分；另外还装配了竖向荷重传感器和竖向LVDT传感器以及数据采集电路组成了竖向力控制机构，通过操作面板和计算机软件组成了竖向力装置的闭环控制。(6).所述的水平剪切力施加装置，使用三菱伺服电机、自动变速机组成了机械执行部分；另外还装配了水平荷重传感器和水平LVDT传感器以及数据采集系统组成了竖向力控制机构，通过操作面板和计算机软件组成了竖向力装置的闭环控制。(7).所述的整个装备荷重传感器和位移传感器的量测由控制单元完成，完成竖向荷载及竖向位移的控制，并实时完成与计算机软件的数据交换、接受计算机软件的指令并完成相关控制。计算机数据采集系统采用两种不同单位制，工程单位制和电机步数制，两者之间转换方便准确方便数据的存储与记录。软件具有友好操作界面，及时进行数据的采集与记录，实时绘制相关压缩曲线、剪切力与竖向力关系曲线等，数据将采取二进制记录方式提高了大量数据的处理效率。本发明循环荷载作用大型界面直剪仪具有等剪切面与变剪切面两种操作用能，所拥有与其他专利不同之处在于试验过程中可以根据需要施加不同频率和振幅的竖向力模拟循环荷载作用下筋土界面特性的试验，更加真实全面地反映道路工程中循环荷载作用下的界面特性，剪切盒尺寸和功能较为全面可以模拟多种工况条件，数据的采集整理、图表的绘制显示可以做到准确高效。
图I—一本发明实例的主视图。
图2一本发明实例的俯视图。
图3一本发明实例的法向伺服加载装置示意图。
图4—一本发明实例的下剪切盒装置示意图。
图5一本发明实例的操作面板示意图。
图6本发明实例的顶部加载板示意图。
具体实施例方式实例1，本发明为循环荷载作用大型界面直剪仪。请参见图I所示,其主要部件包括框架结构I、竖向荷载施加部件2、竖向LVDT位移传感器3、上剪切盒6、下剪切盒7、上剪切盒固定支架8、水浴箱9、竖向压力加载板10、水平荷载施加部件4、水平LVDT位移传感器5和底部支承设备11，另外包括外接控制设备器 13。请参见图2所示，其主要包括整体的框架结构I、上下剪切盒6、7以及竖向水平向荷载机载控制面板12。图3所示主要为本发明设备的竖向荷载施加装置，为伺服电机构成，可以施加不同频率和振幅的循环荷载，为研究动荷载作用下筋土界面特性提供了支持。图4所示为下剪切盒细部详图，包括固定土工合成材料的夹片14和控制下剪切盒尺寸的刚性垫块15，可以实现等剪切面和变剪切面的直剪试验。图5所示为本发明设备的加载装置控制面板12细部详图，可以通过竖向和水平向的操作来实现加载装置的快速升降和移动，提高了试验效率。图6所示为本发明设备的顶部加载板，一种是较厚梯形截面传压板16，另一种是较薄的平板式传压板17，可以实现不同厚度的上覆土层对于界面特性的影响效果。
权利要求
1.一种能施加循环荷载作用的大型界面特性直剪仪，在支承平板上设有大型的反力架，可供设备进行传力加载，在上部具有该直剪仪的主要部件包括上、下剪切盒和置于上剪切盒顶上的竖向压力加载板；在框架的上部设有法向力施加装置，该装置由伺服加载设备和自动升降机构成，施加不同频率和振幅的循环荷载；另外量测部件包括竖向荷重传感器和竖向LVDT位移传感器；在框架结构的右侧具有水平荷载施加装置，该装置由伺服电机设备和自动升降机组成，在施力装置的底部具有剪切力荷重传感器和水平LVDT位移传感器， 以及计算机自动控制的数据采集装置；其特征在于所述直剪仪的下剪切盒要比上剪切盒长，并且具有配套的刚性垫块，以实现等剪切面和变剪切面的试验。
2.根据权利要求I所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述的竖向荷载施加装置可以进行循环荷载的施加，实现循环荷载作用下土体与土工合成材料界面摩擦特性的研究。
3.根据权利要求I所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述的土工合成材料使用下剪切盒中附带的夹片(14)进行固定，以保证在剪切过程中土工合成材料不会发生滑移。
4.根据权利要求I所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述的竖向和水平向荷载施加装置通过控制面板(12)进行操作。
5.根据权利要求I所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述的下剪切盒被放置在尺寸与所述剪切盒相吻合的水浴箱中，通过调节水浴箱的高度，实现模拟不同含水层高度下路基中的界面特性试验。
6.根据权利要求2所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述的伺服循环荷载电机(2)具有可以施加不同频率和振幅的循环荷载，可进行静载和动载不同竖向荷载条件下的筋土界面特性试验。
7.根据权利要求2或5所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述直剪仪的竖向压力加载板采用两种不同设计形式一种是厚度为20mm的平板式传压板，另一种是厚度为60 70_的梯形纵截面传压板；两种不同传压板尺寸的应用使得上剪切盒土层厚度灵活变化，从而模拟实际工程中不同深度加筋土层的界面摩擦特性，分析上覆土层厚度对于加筋土工程的影响。
8.根据权利要求7所述的循环荷载大型界面直剪仪，其特征在于所述计算机自动控制的数据采集装置具有的采集设备由精确量测控制器和计算机软件组成，上述竖向荷载传感器、竖向位移传感器和水平剪力荷载传感器、水平位移传感器通过相关量测部件转换经接口传输至计算机，进行数据的采集和处理。
全文摘要
本发明为循环荷载作用大型接触面特性直剪仪，涉及一种新型的研究土体之间及土工合成材料—土体之间或者土工合成材料之间界面摩擦特性的大型直剪仪，适用于任意二者之间的等剪切面或者变剪切面试验；尤其可以进行在竖向和水平向循环荷载作用下的界面特性试验研究。
文档编号G01N3/32GK102607966SQ201210088040
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者丁光亚, 林旭, 熊焕, 王军, 胡秀青, 蔡袁强 申请人:王军
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