较为真实模拟土与结构接触面应力变形性状的剪切试验盒

摘要

较为真实模拟土与结构接触面应力变形性状的剪切试验盒，设有填装土样的上剪切盒，该上剪切盒通过上剪切盒固定装置固定在试验仪器框架上；该上剪切盒顶部设有加压帽；该上剪切盒底部设有填装结构物材料的下剪切盒；其特征在于，所述上剪切盒由顶部自由伸缩弹簧管、上部顶板、前部有机玻璃挡板、后部金属挡板、左右链式挡板、动支架和约束支架组成。本发明克服了传统技术的不足，链式挡板的引入使得接触面试验比较符合真实的接触面附近土体工作状态。下剪切盒尺寸大于上剪切盒尺寸，能够保证试验过程中，土与结构接触面的剪切面积不发生变化。该土与结构接触面新型试验盒可实现接触面区域土体沿剪切方向自由变形，试验结果准确，观察效果好。

说明书

技术领域

本发明属于岩土力学试验设备技术领域，涉及一种土与结构试验的剪切盒装置。该剪切盒可较为真实模拟和研究土与结构接触区域土体的应力变形性状，为描述接触面力学特性提供了有力的试验手段。

本专利受中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y314002），水利部公益性行业科研专项项目（201301040），国家自然科学基金项目（41401016），江苏省自然科学基金项目（BK20140998），以及干旱气象科学研究基金项目（IAM201208）的资助。

背景技术

在岩土力学领域，土与结构物的接触形式多种多样，比如：混凝土面板堆石坝的面板与后部坝料之间、地下防渗墙与周围土体之间以及桩与桩间土之间等，由于土与结构物两种材料性质差异很大，强度和变形特性相差悬殊，在荷载作用下可能沿两者接触面附近区域产生滑移和开裂，甚至出现不连续变形现象。因此正确分析土与结构物的相互作用、研究接触面的力学特性、并进行合理的数值模拟是至关重要的。如何在一个可以人为控制的条件下，尽可能真实地模拟实际土与结构接触区域的土体应力变形性状，是目前土与结构接触面研究的难点和热点问题。目前，研究土与结构接触面剪切试验的常用手段基本有两类，分别是直剪试验和单剪试验。其中直剪试验的剪切盒由上盒与下盒两部分组成，试验时分别把土样和结构材料装入上下盒内，施加竖向荷载，推动剪切盒施加剪切力，量测上下盒相对位移和剪应力，研究接触面力学性质。但是直剪试验是假定土与结构接触面的破坏面就是土与结构接触表面，然而在许多实际工程中发现接触面破坏往往发生在土与结构接触表面的附近一个区域内而不只在接触表面上，采用直剪试验来研究接触面的力学特性是有其固有的局限性；单剪试验时下剪切盒放置结构材料（混凝土或钢板等），上剪切盒由重叠的矩形钢环或铝环组成，内填土样，每个环均有一定厚度且叠环之间光滑，试验时推动下剪切盒施加剪切力。虽然单剪试验容许接触面和土体自身具有不同的剪切位移，然而不难发现单剪仪是多个直剪仪的叠加，还存在某些缺陷例如：剪切破坏面依然是一些平行的面、无法直接量测到接触区的范围大小和土颗粒的变形情况等，所以对于接触面（区）的试验研究依然需要研制更符合接触区土体实际变形的仪器。现有技术中尚未公开过能够满足这种要求的仪器。

发明内容

为了克服现有的传统土与结构接触面剪切试验盒的不足，本发明提供一种可实现接触面区域土体沿剪切方向自由变形的土与结构物接触面新型剪切试验盒，不仅可以实现接触区域土体的自由和连续变形，允许土体内部任意部位产生剪切破坏，而且可方便观察剪切盒内土颗粒的运动情况，并且能方便地更换结构材料，以模拟实际工程领域中可能遇到的各种结构面问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种较为真实模拟土与结构接触面应力变形性状的剪切试验盒，设有填装土样的上剪切盒，该上剪切盒通过上剪切盒固定装置固定在试验仪器框架上；该上剪切盒顶部设有加压帽；该上剪切盒底部设有填装结构物材料（混凝土、土工膜等）的下剪切盒；其特征在于，所述上剪切盒由顶部自由伸缩弹簧管、上部顶板、前部有机玻璃挡板、后部金属挡板、左右链式挡板、动支架和约束支架组成。

更优化和更具体地说，本发明的结构是：

⑴.所述加压帽由高强度合金钢加工而成，其底部尺寸与上剪切盒内部尺寸一致，顶部通过大钢珠与试验仪器框架上的法向力施加装置相连，起到将法向力均匀施加到试验土样的作用；

⑵.上剪切盒顶部的自由伸缩弹簧管，由内部弹簧和外部金属伸缩管组成，该自由伸缩弹簧管的底部固定在上剪切盒的顶板上，该自由伸缩弹簧管的上部与左右链式挡板相连；从而赋予了左右链式挡板具有一定的弹性，可以自动地复位。

⑶.所述上剪切盒固定装置为航空铝材制成的夹具，用将上剪切盒固定到仪器框架上；该固定装置的左右两边固定在仪器框架上；

⑷.上剪切盒的上部顶板由航空铝材加工而成，受上剪切盒固定装置限制，在剪切过程中位置不变，以实现固定上剪切盒目的。该上部顶板中间位置开口，该顶板前后两侧有加工好的螺丝孔，用以固定前部有机玻璃挡板和后部金属挡板；

所述上剪切盒固定装置的左右固定在仪器框架上；

⑸.上剪切盒的前部有机玻璃挡板由高强度特种有机玻璃板加工而成，该有机玻璃挡板的上部边缘有预留的螺丝孔用以固定在上部顶板上。采用有机玻璃挡板实现了剪切盒开“天窗”的目的，允许试验人员直观的观测剪切盒内土样的真实运动，结合数字图像位移测量技术等非接触测量技术，可以实现土样颗粒运动的精确测量，为人们研究土与结构接触面变形特性提供了详实的试验数据。

⑹.上剪切盒的后部金属挡板由航空铝材加工而成，顶部有预留的螺丝孔用以固定在上部顶板上，金属挡板表面经过抛光处理，可明显地减少与下剪切盒以及剪切盒内土样的摩擦力，金属挡板的左右两侧和后部均有加工好的螺丝孔，用以安装固定支架用的滚轴。

⑺.所述的左右链式挡板采用航空铝材加工而成，由单独的表面光滑小金属条组成，金属条之间采用铰链结构连接，铰链结构既能实现金属条之间相互的自由运动，又能保证金属条之间相互密封，由此实现链式挡板在整个剪切试验过程中跟随土样的剪切变形而移动，达到了保证剪切盒内土样自由变形的目的。

⑻.所述的动支架采用航空铝材铣出，由安装在后部金属挡板上的滚轴固定，可以在水平方向自由的移动，竖直方向不能移动。动支架表面经过精细抛光处理，并在滚轴上均匀涂上凡士林或车用润滑油，有效地减少了传力支架与滚轴之间的摩擦力，从而实现动支架无损传递剪力的目的；最下部的动支架采用铰链结构与左右链式挡板相连，起到拉住左右链式挡板的目的，防止在剪切过程中剪切盒内土样漏出；

⑼.动支架与左右链式挡板相接触部分均加工成圆弧型样式，达到点面式接触的目的，保证了动支架只能传递剪切力的目的；

⑽.动支架表面进行了镂空处理，以实现在满足支架强度的前提下，尽量减少支架自身重量的目的，这样做即可以减少滚轴的变形压力，保证动支架在试验过程中能一直保持水平运动，又能有效的减少整个上剪切盒的自重，从而达到减少上下剪切盒之间摩擦力的目的。

⑾.所述的约束支架用以固定前后挡板，为防止法向压力较大时，两侧挡板向外变形导致剪切盒内土样截面积发生变化，试料从挡板之间的连接处漏出。

⑿.所述下剪切盒是由航空铝材加工而成的长方形金属盒，其内部尺寸沿剪切方向是上剪切盒的内部尺寸的1.5~2.0倍，垂直于剪切方向的内部尺寸与上剪切盒一致，以保证在整个剪切过程中，土与结构接触表面的接触面积不变。下剪切盒底部装有滑轮，可以在试验仪器框架上滑动。

换言之，本发明土与结构接触面新型剪切试验盒，上剪切盒填装土样，通过上剪切盒固定装置固定在试验仪器框架上；下剪切盒填装结构物材料（混凝土、土工膜等），下剪切盒底部装有滑轮，可以在试验仪器框架上沿水平方向自由滑动。剪切试验时，法向应力通过加压帽作用到上剪切盒内土样上，由于其底部尺寸与上剪切盒内部尺寸一致，顶部通过大钢珠与试验仪器框架上法向力施加装置相连，保证了法向应力全部均匀地加载到上剪切盒内土样上。下剪切盒与试验仪器框架上剪切应力施加装置相连，剪切应力施加装置推动下剪切盒做水平向剪切位移，从而模拟土与结构物接触面的剪切变形。由左右链式挡板和动支架共同组成的左右柔性剪切盒壁，可以在水平方向自由移动，从而保证了上剪切盒内土样受到结构物剪切作用时，沿水平剪切方向可以自由运动，克服了传统剪切盒刚性剪切盒壁的约束，较为真实地再现了土与结构物剪切区土体变形特性。

本发明针对传统的直剪试验盒和单剪试验盒的不足，发明了土与结构接触面新型剪切试验盒，具有下列特点：（1）上剪切盒左右两端挡板为链式柔性板，且板面光滑，与动支架（在水平方向上可自由移动）共同作用可实现任意高度的土样沿水平方向自由移动，从而保证接触区土体的水平位移不受传统剪切盒刚性剪切盒壁（或剪切环）的约束，较真实地呈现接触区土体变形特征。2）剪切盒前部挡板为透明有机玻璃板，便于采用数字图像位移测量技术观测与测定接触区土体颗粒的位移。

本发明具有以下效果：本发明设计合理、工艺简单、易于加工，剪切盒操作方便，能够利用现有的试验仪框架，成本低、易于推广，特别适用于传统剪切仪的二次改造。

附图说明

图1是本发明仪器的原理图；

图2-1、图2-2是本发明上剪切盒的前挡板图；

图3是本发明上剪切盒的后挡板图；

图4-1、图4-2是本发明上剪切盒的左右链式挡板图；

图5-1是本发明上剪切盒的上部顶板示意图；图5-2是图5-1的1-1向视图；

图6-1、图6-2是本发明上剪切盒的最底部动支架；

图7-1、图7-2是本发明上剪切盒的动支架；

图8-1、图8-2是本发明约束支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明方法作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1-图8-1、图8-2，试验前，首先将前后挡板用螺丝固定到上部顶板9上，然后将固定支架3用的滚轴和支架安装到后挡板上，具体步骤是自上而下，安装一层滚轴放一个支架，直到最下部一个动支架（图6-1、6-2），并在滚轴与支架接触部位涂好润滑油。将左右链式挡板7安装到位，底部与最底部动支架固定好，上部与安装在上部顶板9上的弹簧管1铰链好。将试验用的结构面板12放入下剪切盒内，并用水准尺调平，将安装好的上剪切盒2放到下剪切盒上，调整好位置后用安装在仪器框架上的上剪切盒2固定装置3固定好。从上部顶板9上的开口处将试验土样4装入上剪切盒2中，装入完毕后盖上加压帽，将试验框架的法向应力施加装置和剪切应力施加装置与上下剪切盒相连，预压一段时间后，即可开始剪切试验。试验时，由剪切应力施加装置推动下剪切盒移动，带动上剪切盒内土体运动，模拟土与结构物剪切过程，由于由左右链式挡板和7动支架10共同组成的左右柔性剪切盒壁，可以在任意高度的水平方向自由移动，从而允许试验土体在任意高度发生剪切破坏，通过透明的前部有机玻璃板5，试验人员可以很直观的观察和量测土体剪切变形情况，和最终的剪切破坏厚度，为建立土与结构物剪切破坏模型提供详实的室内试验数据。

图1中，剪切力6，法向应力8，上部顶板9，静支架11；

图2-1中，前挡板上的三个孔13；

图3中，后挡板上的固定孔位14；滚轴固定孔位15；

图5-1中，上部顶板上的六个孔16。