一种土与结构物接触面力学双向振动力学特性测试仪器

摘要

本发明公开一种用于测试土体与结构接触面在双向振动剪切下的接触面动力特性的仪器和测试方法。其结构主要由模型底板Y向应力加载器、X向应力加载器、X向位移传感器、Y向位移传感器、Z向应力加载器、Z向位移传感器、Z向压力板、方形叠环、土容器盒组成。其测试方法包括试验材料安装、水平位移和竖向传感器安装、竖向应力加载和水平动应力加载等步骤。本发明结构简明，传力可靠，可施加水平方向任意组合的动力荷载，并方便测量土体在水平方向的动位移，测量精度高。

说明书

技术领域

本发明属于土木水利工程技术领域,特别涉及一种土与结构物接触面力学特性测试仪器和方法。

背景技术

土石坝作为目前世界的主流坝型，其内部结构存在着防渗心墙与反滤料、坝体与岸坡及基岩、混凝土面板与垫层、坝基覆盖层与防渗墙等接触面问题。由于接触界面两侧材料特性的差异，界面两侧常存在较大的剪应力和位移不连续现象，从而导致较为复杂的应力和变形性状，也使得这些部位在坝体受到地震等破坏作用时，成为易发生事故的薄弱环节。因此，正确描述土石坝中各类接触面的变形、强度演变规律、破坏形式等力学特性成为土石坝抗震研究的热点课题。

目前关于接触面静动力特性研究的仪器主要有：直剪仪、单剪仪、扭剪仪、动三轴仪和共振柱仪等。在本发明之前，中国专利（专利号:ZL02131066.1和专利号:ZL200920047263）公开的用于测试接触面力学性质的仪器，由于规定了剪切面位置或剪切环厚度较厚，无法得到试验过程中土体真实的剪切破坏面位置，试验过程中只能施加单向剪切荷载；中国专利（专利号:ZL200610165244.0）公开的大型三维多功能土工试验机，在施加水平双向剪切荷载过程中，结构比较复杂，在任意组合动应力荷载作用下，水平向动位移测试过程中位移传感器与加载环为滑动摩擦，在往复多向运动过程中，会导致误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种土与结构物接触面双向振动力学特性测试仪器和使用方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种土与结构物接触面力学双向振动力学特性测试仪器，其特征在于：其结构由模型底板、X向应力加载器、X向位移传感器、Y向应力加载器、Y向位移传感器、Z向应力加载器、Z向位移传感器、Z向压力板、方形叠环、土容器盒、X向运动导向槽和Y向运动导向槽组成。土容器盒通过滚动支撑固定在模型底板上，通过X和Y向的应力加载器实现任意组合荷载作用下的接触面力学特性测试。

所述方形叠环两侧均开有半圆形凹槽，当土容器盒受到任意组合荷载作用时，X和Y向位移传感器能够在其内部滚动，准确测量动位移；方形叠环的尺寸略小于土容器盒的尺寸。

所述X和Y向位移传感器顶部采用滚轴设计，在常规的传感器顶部增加一个圆环，使其能够在半圆形凹槽内滚动。

所述土容器盒两侧开有X和Y向运动定位槽，从而实现X和Y向同时施加动荷载时容器盒能自由运动。

所述模型底板在土容器盒正下方位置设有圆盘形凹槽，圆盘直径小于土容器盒宽度，在其内部放置钢球，以滚动摩擦代替常规的滑动摩擦，减小摩擦阻力。

 

本发明还涉及一种土与结构物接触面双向振动力学特性测试仪器使用方法，包括以下技术步骤：

(1) 在土容器盒内安装结构物。 

(2) 把方形叠环按顺序排放好，置于土容器盒上，分层填入土样。 

(3) 在方形叠环上放置Z向压力板、通过固定支架安装Z向位移传感器、连接Z向应力加载器；

(4) 通过固定支架安装X和Y向位移传感器；

(5) 连接X和Y向应力加载器；

(6) 根据试验要求通过Z向应力加载器施加Z向应力。

(7) 根据试验要求，通过X和Y向应力加载器施加任意组合的动应力；土盒正下方设有圆盘形凹槽，在其内部放置钢球，以滚动摩擦代替常规的滑动摩擦，减小摩擦阻力，在X和Y向导曹的引导下分别运动，互不干扰，从而实现任意方向的运动组合。

(8) X和Y向位移传感器因在传感器顶端装有滑轮，因此在任意组合外力的作用下主要以伸、缩运动，侧向滑移运动对传感器的影响通过滑轮进行消减。

本发明的优点在于：

(1)通过土容器盒两侧的导向槽可以方便的施加水平方向任意组合的动应力。

(2)通过叠环两侧的U形凹槽，可以方便的测量叠环在任意方向运动情况下的水平动位移。

(3)通过竖向位移传感器可以测量循环荷载作用下试样的体积变形规律；

(4)剪切环厚度较薄，能够精确测量土体在动力荷载作用下接触面附件剪应变的变化规律；

(5)通过在水平方向不同位置布置传感器，可以测量接触面厚度、循环荷载下接触面处的剪切变形规律、沿试样高度的剪切变形规律等。

本发明的优点和效果将在具体实施方式中进一步描述。

 

附图说明

图1  本发明的结构主视图；

图2  图1中A位置剖面图；

图3  图1中B位置放大图；

图4  图1中C位置放大图；

图5  图1中D位置放大图；

图中：（1）模型底板，（2）Y向应力加载器，（3）X向应力加载器，（4）X向位移传感器，（5）Y向位移传感器，（6）Z向应力加载器，（7）Z向位移传感器，（8）Z向压力板，（9）方形叠环，（10）土容器盒，（11）X向运动导向槽，（12）Y向运动导向槽，（13）环形凹槽，（14）X或Y向应力加载杆，（15）半圆凹槽，（16）滚动圆盘。

 

具体实施方式

如图1~5所示，一种土与结构物接触面力学双向振动力学特性测试仪器，其结构由模型底板（1）、Y向应力加载器（2）、X向应力加载器（3）、X向位移传感器（4）、Y向位移传感器（5）、Z向应力加载器（6）、Z向位移传感器（7）、Z向压力板（8）、方形叠环（9）、土容器盒（10）、X向运动导向槽（11）和Y向运动导向槽（12）组成。其特征在于土容器盒（10）通过滚动支撑固定在模型底板上，通过X和Y向的应力加载器（3）和（2）实现任意组合荷载作用下的接触面力学特性测试。

本试验装置可测试土体与结构物相互间的接触面动力特性，也可以测试土体与土体之间的接触面动力特性。在试验过程中，对于土体与结构物接触面动力特性，下部剪切盒中安置结构物，对于土体与土体接触面动力特性，下部剪切和安置较为坚硬、密实的土体。

模型底板（1）为钢板，长、宽和高分别为40cm，40cm和3cm；模型中部圆盘凹槽直径为20cm，深度0.9cm（如图2所示）。试验中采用的钢球直径为1cm。

土容器盒（10）为由钢板焊接而成，钢板的厚度为0.5cm，土容器盒（10）的外部尺寸长、宽和高分别为25，25和10cm；两侧的水平导向槽（11）和（12）宽度外部宽度为1cm，内部宽度为2cm，深度为0.5cm；X和Y向应力加载器（3）和（2）通过滑块与土容器盒进行链接，如图3所示。在容器盒上部开有半圆形凹槽，宽度和深度均为0.5cm。

方形叠环（9），外部尺寸，长、宽和高分别为21cm，21cm和1cm；内部尺寸，长、宽和高分别为20cm，20cm和1cm；半圆形凹槽的宽度和深度均为0.25cm，如图4所示。

X，Y和Z方向的位移传感器量程均为5cm。X和Y方向的位移传感器端头采用圆柱设计，圆柱直径为0.25cm，如图5所示。

X，Y和Z方向的应力加载器的量程均为50kN，最大加载频率为10Hz。

 

一种土与结构物接触面双向振动力学特性测试仪器测试方法，包括以下技术步骤：

(1) 在土容器盒（10）内安装结构物。 

(2) 把方形叠环（9）按顺序排放好，置于土容器盒（10）上，分层填入土样。 

(3) 在方形叠环（9）上放置Z向压力板（8）、通过固定支架安装Z向位移传感器（7）、连接Z向应力加载器；

(4) 通过固定支架安装X和Y向位移传感器（4）和（5）；

(5) 连接X和Y向应力加载器（3）和（2）；

(6) 根据试验要求通过Z向应力加载器（6）施加Z向应力。

(7) 根据试验要求，通过X和Y向应力加载器（3）和（2）施加任意组合的动应力；土盒正下方设有圆盘形凹槽，在其内部放置钢球，以滚动摩擦代替常规的滑动摩擦，减小摩擦阻力，在X和Y向导曹的引导下分别运动，互不干扰，从而实现任意方向的运动组合。

(8) X和Y向位移传感器（4）和（5）因在传感器顶端装有滑轮，因此在任意组合外力的作用下主要以伸、缩运动，侧向滑移运动对传感器的影响通过滑轮进行消减