一种观测水下土与结构界面力学特性的剪切试验装置

摘要

本发明涉及一种力学特性试验设备，尤其适用于研究水工建（构）筑物中水下土与结构的界面力学特性的一种观测水下土与结构界面力学特性的剪切试验装置。装置包括固定机构、水平移动机构、土料盒、加载系统，装置借助于电液伺服动静万能试验机作为主机框架。将设计好的土料装入固定于水平移动机构上的土料盒中，将结构试块安装在电液伺服动静万能试验机的上夹头，通过竖向加载系统施加法向应力，通过水平加载系统可再现常法向应力及复杂应力路径下的水下土与结构界面的剪切力学行为。界面剪切试验中法向力和剪切力通过荷载传感器测得，结构试样顶面布置的竖向位移计测量试验中界面的法向位移，布置在土料盒两侧的水平位移计测量试验中的剪切位移。

说明书

技术领域

本发明涉及一种力学特性试验设备，尤其适用于研究水工建（构）筑物中水 下土与结构的界面力学特性的一种观测水下土与结构界面力学特性的剪切试验 装置。

背景技术

目前对土-结构相互作用问题的研究，主要是通过物理试验的方法研究相应 条件下土-结构界面基本力学性能，在试验的基础上建立描述界面力学特性的本 构模型或对已有模型进行相应改进。因此所采用的试验仪器就至关重要。国内外 许多学者对土-结构界面性能的试验仪器进行了研究，目前广泛应用的仪器包括 直剪仪、单剪仪两大类。由于土的种类繁多，物理性质复杂多样，因此土与结构 相互作用的研究也具有很强的针对性。如张嘎等人在“岩土工程学报”2003年3 月，第25卷，第2期，P149-153上的“大型土与结构接触面循环加载剪切仪” 研究粗粒土与结构界面的力学性能。周国庆等人在“中国矿业大学学报”2001 年3月，第30卷，第2期，P118-121上的超高压直残剪试验系统研究深部土- 结构接触面的力学特性。对于水工结构，其土与结构界面始终处于浸水条件下， 目前的试验仪器难以模拟浸水条件下土与结构界面的实际力学行为。常规的界面 剪切仪试样尺寸较小，并且无法实现复杂应力路径下的界面力学响应。这些缺陷 都限制了土与水工结构界面力学特性的研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足之处，提供一种观测水下土与结 构界面力学特性的剪切试验装置。该试验装置借助于电液伺服动静万能试验机作 为主机框架，主要由固定机构、水平移动机构、土料盒、加载系统以及测量系统 组成。将设计好的土料装入固定于水平移动机构上的土料盒中，将结构试块安装 在电液伺服动静万能试验机的上夹头，通过竖向加载系统施加法向应力，通过水 平加载系统可再现常法向应力及复杂应力路径下的水下土与结构界面的剪切力 学行为。界面剪切试验中法向力和剪切力通过荷载传感器测得，结构试样顶面布 置的竖向位移计测量试验中界面的法向位移，布置在土料盒两侧的水平位移计测 量试验中的剪切位移。

本发明是以如下技术方案实现的：一种观测水下土与结构界面力学特性的剪 切试验装置，该剪切试验装置包括固定机构、水平移动机构、土料盒、加载系统， 其特征是：整个试验装置借助于电液伺服动静万能试验机作为主机框架；通过螺 栓将连接工字钢固定于试验机的底座，所述的连接工字钢上有支撑底板，支撑底 板上焊接有导轨；由滚轮和水平移动底板组成的水平移动机构置于导轨上；所述 的水平移动底板上通过螺栓固定有包括角钢外框架和有机玻璃盒子组成的土料 盒；结构试块通过连接构件固定在电液伺服动静万能试验机的上夹头；水平作动 器通过支架固定在支撑底板上，通过水平荷载传感器与水平移动底板连接在一 起；水平位移传感器、竖向位移传感器、水平荷载传感器以及PWS系列电液伺服 动静万能试验机分别与数据采集系统连接。

所述的水平移动底板、角钢外框架和有机玻璃盒子组成的土料盒上均置有 水平位移传感器。

所述的结构试块上置有竖向位移传感器。

所述的角钢外框架和有机玻璃盒子组成的土料盒内有土料。

本发明的优点是：该试验装置借助于电液伺服动静万能试验机作为主机框 架，且部件之间均通过高强螺栓连接，便于安装和拆卸，建立该试验系统的成本 很低。装置可以模拟水下土与结构界面的实际力学行为，同时也可以实现其他剪 切仪器的功能，其成本比常规的剪切仪器要低很多。装置的结构试样的尺寸最大 可以达到400×400mm，可以方便地制作不同尺寸的结构试样，以研究试样尺寸 对界面力学性能的影响，还可以研究常法向应力下的界面的力学性能，以实现复 杂应力路径下界面的力学行为。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图中：1、连接工字钢，2、支撑底板，3、导轨，4、滚轮，5、水平移动底 板，6、水平位移传感器，7、角钢外框架，8、有机玻璃盒子，9、结构试块，10、 竖向位移传感器，11、电液伺服动静万能试验机，12、连接构件，13、土料，14、 水平荷载传感器，15、水平作动器。16、支架。

具体实施方式

如图所示：一种观测水下土与结构界面力学特性的剪切试验装置，该剪切 试验装置包括固定机构、水平移动机构、土料盒、加载系统，整个试验装置借助 于电液伺服动静万能试验机11作为主机框架；通过螺栓将连接工字钢1固定于 试验机的底座，所述的连接工字钢上有支撑底板2，支撑底板上焊接有导轨3； 由滚轮4和水平移动底板5组成的水平移动机构置于导轨3上；所述的水平移动 底板上通过螺栓固定有包括角钢外框架7和有机玻璃盒子8组成的土料盒；结构 试块9通过连接构件12固定在电液伺服动静万能试验机的上夹头；水平作动器 15通过支架16固定在支撑底板2上，通过水平荷载传感器14与水平移动底板5 连接在一起；水平位移传感器6、竖向位移传感器10、水平荷载传感器14以及 PWS系列电液伺服动静万能试验机11分别与数据采集系统连接。

所述的水平移动底板5、角钢外框架7和有机玻璃盒子8组成的土料盒上 均置有水平位移传感器6。

所述的结构试块9上置有竖向位移传感器10。

所述的角钢外框架7和有机玻璃盒子8组成的土料盒内有土料13。

工作过程：在土料盒中装入土样，压实到设计密实度，将结构试块9通过 连接构件12固定在电液伺服动静万能试验机的上夹头，启动电液伺服动静万能 试验机控制上夹头向下移动，使结构试块9与土样接触，在土料盒中注水浸过土 与结构试块9的界面。通过电液伺服动静万能试验机施加界面法向应力后，水平 移动装置在水平作动器15的驱动下在导轨3上做水平运动，带动土料盒的移动 以实现土与结构试样的相对切向运动。通过控制电液伺服动静万能试验机上夹头 和水平作动器15可以实现复杂应力路径下的界面力学行为。界面的切向和法向 的相对位移和应力通过相应的位移和荷载传感器测得，通过数据采集仪将有关数 据传到计算机上，通过有机玻璃可以观察水下土与结构界面的变形情形。