专利名称：大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法
技术领域：
本发明是一种在冻土一结构接触面力学行为研究中使用的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及其试验操作方法，属于岩土工程室内模型试验中的低温接触面剪切器设备。
背景技术：
目前的剪切设备多是针对常温土的各种力学性能研制和使用的，而用于研究冻土与结构接触面力学行为的大型多功能低温循环直剪仪未见报道
发明内容
本发明提出的是一种冻土一结构直剪仪及其试验操作方法，其目的旨在进一步深入研究冻土一结构接触面及界面层的力学特性及影响因素，建立实用的冻土 -结构接触面本构模型及评估方法，探讨冻土一结构接触面力学特性的基本强度指标以及在各因素下的变化规律。本发明的技术解决方案其特征是伺服电机的输出轴与减速机相接，升降机位于伺服电机的下部，用于调节伺服电机的竖向位置，升降机右侧依次连接拉压力传感器和传力棒，其中传力棒的右侧通过螺栓连接试样盒，手轮下部连接称重传感器，称重传感器通过拉力棒和结构面板相连；滚动膜片气缸上部固定在主支架上部，滚动膜片气缸下部与法向荷载传感器连接，法向荷载传感器下部连接上翼板，上翼板左右两边分别设有A移动支架，A移动支架能在竖导轨中实现上下滑动，上翼板下部是调节接触面法向边界的装置，调节接触面法向边界的装置的下方是结构面板。其试验操作方法，包括如工艺步骤
一、配置重塑土，将土样在105 110°C温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过O. 5_筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土。重塑土的含水率与原土样含水率的误差须控制在±1%以内；将重塑土分3层填入容积200 X 100 X 75mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度误差控制在±0. 01g/cm3以内；
二、将制备好的重塑土试样放入低温恒温箱中，按试验规划的负温条件恒温养护4小
时；
三、把养护好的土样放入铜制土样盒中，并将试样表面修平整；将试验所需粗糙度的钢板用内置螺栓固定在结构面板下部，并用湿布擦拭粗糙面，启动气缸将试验预定的法向边界条件施加在结构面板上；启动制冷装置“低温(恒温)搅拌反应浴”，制冷液开始在试样盒的制冷孔中高速流动对土样实施降温，高精度温度传感器实时记录土样温度并同步反馈给温度自稳调节系统，当土样温度降到设定的数值，温度自稳系统转入保温模式；
四、当接触面温度达到目标温度并稳定后，且长期(30min)摆动幅度小于±0.3°C时，启动水平剪切系统按照试验设定的剪切速率，进行单调或循环剪切试验；温度、压力、位移数据的采集频率调节至10次/s (本仪器是这么多吗？，应该突出其循环加载)；单调剪切吋，当应カ达到峰值后，I)继续剪切直至应カ稳定，2)再增加2%的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应カ!■与剪切位移的T-曲线;循环剪切时，将剪切速度调为0. lmm/s (因为剪切幅度为20mm,故一个剪切周期为400s)，往复剪切直至试验设定次数，在此过程中数据采集系统实时采集接触面应カ应变关系；
五、水平剪切结束后，关闭水平加载系统和竖向加载系统，提升结构面板，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，井分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况及土体破坏情况(尤其是接触带的厚度)。本发明的优点能实现0 _20°C范围内对接触面温度的精确控制；能精确施加常刚度、常位移和常应カ三种法向边界条件；能够模拟多种粗糙度的接触面；能实现循环剪切和单调剪切两种剪切形式；应力施加及位移控制精准。
附图I是大型多功能冻土 -结构接触面循环直剪仪的结构示意图。附图2是图I的侧视图。图中的I是A移动支架；2是上翼板；3是伺服电机；4是减速机；5是竖导轨；6是传カ棒；7是拉压力传感器；8是升降机；9是手轮；10是称重传感器；11是滚动膜片气缸；12是法向荷载传感器；13是法向位移传感器；14是弹簧；15是B移动支架；16是挡土板；17是结构面板；18是试样盒；19是保温层；20是温度传感器；21是制冷孔；22是水平导轨；23是水平位移传感器；24是机架。
具体实施例方式对照附图1、2，其结构是伺服电机3的输出轴与減速机4相接，升降机8位于伺服电机3的下部，用于调节伺服电机3的竖向位置，升降机8右侧依次连接拉压カ传感器7和传カ棒6，其中传カ棒6的右侧通过螺栓连接试样盒18，试样盒18的右侧设置水平位移传感器23 ;试样盒18的四个侧面和底面由保温层19紧密围绕，在试样盒18的侧壁和底面内分布着相互连通的制冷孔21，同时试样盒内设置了温度传感器20，试样盒利用其下部的滚轮在水平导轨22内实现左右运动，在试样盒18的左右侧面上部设有挡土板16 ;手轮9下部连接称重传感器10，称重传感器通过拉カ棒和结构面板17相连；滚动膜片气缸11上部固定在支架上，滚动膜片气缸11下部与法向荷载传感器12连接，法向荷载传感器下部连接上翼板2，上翼板左右两边分别设有移动支架A，移动支架A能在竖导轨5中实现上下滑动，上翼板下部是调节接触面法向边界的装置(其中包括调节接触面法向刚度条件的弹簧14)，再往下是结构面板17，结构面板上设有法向位移传感器13，结构面板左右与移动支架B 15相连，移动支架B也能在竖导轨5中实现上下滑动；大型多功能冻土 -结构接触面循环直剪仪放置在机架24之上。大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪试验操作方法，包括如下操作エ艺步骤
一、配置重塑土，将土样在105 110°C温度下烘干8小时，烘干后将士样碾散并通过O. 5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土。重塑土的含水率与原土样含水率的误差须控制在±1%以内；将重塑土分3层填入容积200 X 100 X 75mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度误差控制在±0. 01g/cm3以内；
二、将制备好的重塑土试样放入低温恒温箱中，按试验规划的负温条件恒温养护4小
时；
三、把养护好的土样放入铜制土样盒中，并将试样表面修平整；将试验所需粗糙度的钢板用内置螺栓固定在结构面板下部，并用湿布擦拭粗糙面，启动气缸将试验预定的法向边界条件施加在结构面板上；启动制冷装置“低温(恒温)搅拌反应浴”，制冷液开始在试样盒的制冷孔中高速流动对土样实施降温，高精度温度传感器实时记录土样温度并同步反馈给温度自稳调节系统，当土样温度降到设定的数值，温度自稳系统转入保温模式；
四、当接触面温度达到目标温度并稳定后，且长期(30min)摆动幅度小于±0.3°C时， 启动水平剪切系统按照试验设定的剪切速率，进行单调或循环剪切试验；温度、压力、位移数据的采集频率调节至10次/s (本仪器是这么多吗？，应该突出其循环加载)；单调剪切时，当应力达到峰值后，I)继续剪切直至应力稳定，2)再增加2%的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力T与剪切位移Λ 的f-Afi曲线；循环剪切时，将剪切速度调为O. lmm/s (因为剪切幅度为20mm，故一个剪切周期为400s)，往复剪切直至试验设定次数，在此过程中数据采集系统实时采集接触面应力应变关系；
五、水平剪切结束后，关闭水平加载系统和竖向加载系统，提升结构面板，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况及土体破坏情况(尤其是接触带的厚度)。
实施例I)仪器外形尺寸支架尺寸长2000X高700X宽800mm，仪器外形尺寸长1500 X 高 900 X 宽 500mm。2)水平往复剪切由伺服电机3、蜗轮蜗杆减速机4、拉压力传感器7、传力棒6、水平位移传感器23和升降机8完成。水平往复剪切源动力由伺服电机(功率I. IkW)实现，为确保试验设定的剪切速度，在伺服电机和土盒连杆之间设置了减速机(减速比为I :15)，同时在连杆和减速机之间设置拉压力传感器以实现对水平剪切荷载的实时监控，升降机(推动速比为I :24)安装在伺服电机下部以实现对伺服电机竖直方向上位置的精确控制，水平位移传感器安装在土样盒右侧以实现对土盒水平位移的监测。该模块能实现对往复循环剪切速率的无级变速控制，剪切速率控制范围为l-20mm/min，剪切幅度为20mm(即一个剪切周期40mm)，剪切速度误差为±3%，最大水平剪切力为IOOkN (5MPa)。常规直剪仪剪切过程中，随着剪切位移的逐渐增大，试样与材料块体的接触面积逐渐减小，接触面内的压力分布会发生变化，造成测量结果出现偏差；而在本剪切仪中，上部结构面板的尺寸大于土样盒的尺寸，在下部试样盒往复剪切的过程中，其与结构面板的接触面积始终保持恒定。3)法向边界加载功能由滚动膜片气缸11、气源及气压控制器等配套装置、法向载荷传感器12、法向位移传感器13、刚度控制弹簧14、包含粗糙钢板的结构面板17、手轮9和称重传感器10实现。气源及气压控制器通过滚动膜片气缸提供试验所设定的竖向荷载，法向载荷传感器设置在滚动膜片气缸下部实时测量竖向荷载，法向位移传感器探头顶在粗糙钢板上部以检测粗糙钢板的竖向位移，刚度控制弹簧能够提供不同的恒定法向刚度，粗糙钢板能够模拟不同粗糙的结构界面。该模块能提供三种法向边界条件和数种粗糙面首先常应カ法向边界的应カ为50kPa、100kPa、200kPa或400kPa，控制精度为±1%;法向恒定位移边界有1mm、2mm、3mm或4mm四种选择；常刚度法向边界的刚度有三个800kg/cm(4根弹簧)，1200kg/cm(6根弹簧)，1600kg/cm(8根弹簧)，试验时弹簧的压缩量为20mm ;接触面钢板粗糖度 Ra=O. 3mm、0. 7mm、1mm、I. 5mm 或 3mm。4)温控由铜制土样盒18、低温(恒温)搅拌反应浴及制冷孔21、整体灌注式聚氨酯保温层19和温度传感器20组成。铜制土样盒传热性能优良，且五个面内部由直径为12mm的冷却管道环绕，管道内部充满制冷液；铜制土样盒外部设置整体灌注式聚氨酯保温层(厚度为40mm)以防止热量的大量丧失来維持温度的恒定；温度传感器实时测量土样的温度。温控模块的试验參数如下最低控制温度_20°C，试验温度区间为0°C _15°C，试验拟采用温度为0°C、-5°C、-10°C、-15°C，温度控制精度为±0. 3°C。5)数据采集及自稳功能由水平荷载传感器7、水平位移传感器23、竖向荷载传感器12、竖向位移传感器13、温度传感器20、传感线路、A/D转换器、数据处理软件和计算机完成；其主要作用是对荷载、位移和温度数据进行实时记录和采集并同步的反馈给相关系统以实现某个指标的恒定。试验工程中，计算机能根据设定的试验參数自行的对试验数据和參数进行记录和调整。法向荷载传感器、水平荷载传感器、水平荷载传感器和温度传测量精度为±1%;法向位移传感器的精度为±0. 06%。6)支架部分由外部框架24、水平导轨22、竖直导轨5、提升手轮9、上翼板2、结构面板17、挡土板16和防翘机构等组成。其主要作用是保持整套设备的结构稳定和运行方便精准。其中竖向导轨能够确保上翼板和结构面板只能在竖直方向上运动，水平导轨则确保剪切盒只能在水平方向左右运动，防翘机构可消除剪切过程中由剪切カ矩引起土样盒上翘现象，而且其摩擦力为滚动摩擦，这样就使由防翘机构引起的摩擦降到可以忽略的范围之内。挡土板在竖直方向上的刚度很小，在水平方向的刚度极大，这样就能有效地防止土样在试验过程中的侧漏现象。试验发现在制冷开始时立刻加载法向应カ和制冷开始一段时间后再加载法向应力得到的接触面最大剪切力差异很大，前者远大于后者，经过分析认为，制冷开始时立刻加载法向应カ更符合实际情况，同时由于制冷过程中，土样表面各处的冻胀率不一致，会使得土样表面凹凸不平，为保证冻土与结构接触面有效的接触面积。因此最终采用制冷开始时立刻加载法向应カ的方式进行试验。大型多功能冻土 -结构接触面循环直剪仪的技术指标 试样尺寸100mm*200mm*75mm ;
最大法向力20kN (IMPa);出力精度±1% ;
法向最大行程20mm ；
最大水平剪切力IOOkN (5MPa)；
剪切速率l-20mm/min，剪切幅度20mm(即ー个剪切周期40mm)，循环次数20次，剪切
速度误差误差土 3% ；
常刚度法向边界的刚度有三个800kg/cm(4根弹簧)，1200 kg/cm出根弹簧)，1600kg/cm(8根弹簧)。每根弹簧的劲度系数为200kg/cm，试验时弹簧的压缩量为20mm ；
常应力控制方式能实现计算机闭环控制的恒定法向应力，如法向应力50kPa、100kPa、200kPa 或 400kPa，控制精度± 1% ；
法向恒定位移控制，如1mm、2mm、3mm或4mm ；
仪器外形尺寸长1500mm*高900mm*宽500mm ;
温控系统最低温度_20°C，试验温度区间为0°C _15°C，温度控制精度为±0. 30C ； 接触面粗糖度 R=O. 3mm, O. 7mm, 1mm, I. 5mm, 3mm ；
能够对两个法向位移传感器、四个法向荷载传感器、6个温度传感器、剪切位移传感器、剪切力载荷传感器数据采集，测量精度±1%;
支架尺寸长2000mm*高700mm*宽800_。水平往复剪切源动力由伺服电机实现，为确保试验设定的剪切速度，在伺服电机和土盒连杆之间设置了减速机，同时在连杆和减速机之间设置拉压力传感器以实现对水平剪切荷载的实时监控，升降机安装在伺服电机下部以实现对伺服电机竖直方向上位置的精确控制，水平位移传感器安装在土样盒右侧以实现对土盒水平位移的监测。气源及气压控制器通过滚动膜片气缸提供试验所设定的竖向荷载，法向载荷传感器设置在滚动膜片气缸下部实时测量竖向荷载，法向位移传感器探头顶在粗糙钢板上部以检测粗糙钢板的竖向位移，刚度控制弹簧能够提供不同的恒定法向刚度，粗糙钢板能够模拟不同粗糙的结构界面。铜制土样盒传热性能优良，且五个面内部由直径为12mm的管道环绕，管道内部充满制冷液；铜制土样盒外部设置整体灌注式聚氨酯保温层以防止热量的大量丧失来维持温度的恒定；温度传感器实时测量土样的温度。为消除剪切过程中由剪切力矩引起土样盒上翘现象，设置了防翘系统，其摩擦力为滚动摩擦，这样就使由防翘机构引起的摩擦降到可以接受的范围之内。数据采集和控制系统在试验过程中对荷载、位移和温度数据进行实时记录和采集并同步反馈给相关系统以实现某个指标的恒定。
权利要求
1.大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪，其特征是伺服电机的输出轴与减速机相接，升降机位于伺服电机的下部，用于调节伺服电机的竖向位置，升降机右侧依次连接拉压力传感器和传力棒，其中传力棒的右侧通过螺栓连接试样盒，手轮下部连接称重传感器，称重传感器通过拉力棒和结构面板相连；滚动膜片气缸上部固定在主支架上部，滚动膜片气缸下部与法向荷载传感器连接，法向荷载传感器下部连接上翼板，上翼板左右两边分别设有A移动支架，A移动支架能在竖导轨中实现上下滑动，上翼板下部是调节接触面法向边界的装置，调节接触面法向边界装置的下方是结构面板。
2.根据权利要求I所述的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪，其特征是试样盒的右侧设置水平位移传感器；试样盒的四个侧面和底面由保温层紧密围绕，在试样盒的侧壁和底面内分布着相互连通的制冷孔，同时试样盒内设置了温度传感器，试样盒利用其下部的滚轮在水平导轨内实现左右运动，在试样盒的左右侧面上部设有挡土板。
3.根据权利要求I所述的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪，其特征是上翼板下部是调节接触面法向边界的装置，包括调节接触面法向刚度条件的弹簧。
4.根据权利要求I所述的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪，其特征是结构面板上设有法向位移传感器，结构面板左右与B移动支架相连，B移动支架在竖导轨中实现上下滑动。
5.如权利要求I的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪试验操作方法，其特征包括如下操作工艺步骤 一、配置重塑土，将土样在105 110°C温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过O. 5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土，重塑土的含水率与原土样含水率的误差须控制在±1%以内；将重塑土分3层填入容积·200 X 100 X 75mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度误差控制在±0. 01g/cm3以内； 二、将制备好的重塑土试样放入低温恒温箱中，按试验规划的负温条件恒温养护4小时； 三、把养护好的土样放入铜制土样盒中，并将试样表面修平整；将试验所需粗糙度的钢板用内置螺栓固定在结构面板下部，并用湿布擦拭粗糙面，启动气缸将试验预定的法向边界条件施加在结构面板上；启动制冷装置即低温恒温搅拌反应浴，制冷液开始在试样盒的制冷孔中高速流动对土样实施降温，高精度温度传感器实时记录土样温度并同步反馈给温度自稳调节系统，当土样温度降到设定的数值，温度自稳系统转入保温模式； 四、当接触面温度达到目标温度并稳定后，且30min的长期摆动幅度小于±0.3°C时，启动水平剪切系统按照试验设定的剪切速率，进行单调或循环剪切试验；温度、压力、位移数据的采集频率调节至10次/s ;单调剪切时，当应力达到峰值后，I)继续剪切直至应力稳定，2)再增加2%的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力 T与剪切位移如的r-如曲线；循环剪切时，将剪切速度调为O. lmm/s，因为剪切幅度为20mm，故一个剪切周期为400s，往复剪切直至试验设定次数，在此过程中数据采集系统实时采集接触面应力应变关系； 五、水平剪切结束后，关闭水平加载系统和竖向加载系统，提升结构面板，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水 分迁移情况及土体破坏情况，尤其是接触带的厚度。
全文摘要
本发明是大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法，其结构包括水平、竖直加载系统；水平、竖直位移及荷载传感器；温控及制冷系统；温度传感器；数据采集及自稳系统；导轨系统；土样盒；支架。试验操作方法步骤一、安装所需粗糙度接触面钢板；二、对土样施加法向边界条件；三、对土样实施降温；四、降到目标温度，以选定的剪切速率对冻土界面实施剪切，同时数据采集系统开始记录冻土界面应力-应变关系。优点1)能实现0～-20℃范围内对接触面温度的精确控制；2)能精确施加常刚度、常位移和常应力三种法向边界条件；3)能够模拟多种粗糙度的接触面；4)能实现循环和单调两种剪切形式；5)应力施加及位移控制精准。
文档编号G01N3/24GK102798575SQ20121026565
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月30日 优先权日2012年7月30日
发明者杨平, 赵联桢, 王海波, 何文龙, 张婷 申请人:南京林业大学