專利名稱：一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)雙向振動力學(xué)特性測試儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木水利工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性測試儀器和方法。
背景技術(shù)：
土石壩作為目前世界的主流壩型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著防滲心墻與反濾料、壩體與岸坡及基巖、混凝土面板與墊層、壩基覆蓋層與防滲墻等接觸面問題。由于接觸界面兩側(cè)材料特性的差異，界面兩側(cè)常存在較大的剪應(yīng)力和位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致較為復(fù)雜的應(yīng)力和變形性狀，也使得這些部位在壩體受到地震等破壞作用時，成為易發(fā)生事故的薄弱環(huán)節(jié)。因此，正確描述土石壩中各類接觸面的變形、強(qiáng)度演變規(guī)律、破壞形式等力學(xué)特性成為土石壩抗震研究的熱點(diǎn)課題。目前關(guān)于接觸面靜動力特性研究的儀器主要有直剪儀、單剪儀、扭剪儀、 動三軸儀和共振柱儀等。在本發(fā)明之前，中國專利(專利號ZL02131066. 1和專利號ZL200920047^3)公開的用于測試接觸面力學(xué)性質(zhì)的儀器，由于規(guī)定了剪切面位置或剪切環(huán)厚度較厚，無法得到試驗過程中土體真實的剪切破壞面位置，試驗過程中只能施加單向剪切荷載；中國專利(專利號ZL200610165M4. 0)公開的大型三維多功能土工試驗機(jī)， 在施加水平雙向剪切荷載過程中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在任意組合動應(yīng)力荷載作用下，水平向動位移測試過程中位移傳感器與加載環(huán)為滑動摩擦，在往復(fù)多向運(yùn)動過程中，會導(dǎo)致誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面雙向振動力學(xué)特性測試儀器和使用方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)雙向振動力學(xué)特性測試儀器，其特征在于其結(jié)構(gòu)由模型底板、X向應(yīng)力加載器、X向位移傳感器、Y向應(yīng)力加載器、Y向位移傳感器、Z向應(yīng)力加載器、Z向位移傳感器、Z向壓力板、方形疊環(huán)、土容器盒、X向運(yùn)動導(dǎo)向槽和Y向運(yùn)動導(dǎo)向槽組成。土容器盒通過滾動支撐固定在模型底板上，通過X和Y向的應(yīng)力加載器實現(xiàn)任意組合荷載作用下的接觸面力學(xué)特性測試。所述方形疊環(huán)兩側(cè)均開有半圓形凹槽，當(dāng)土容器盒受到任意組合荷載作用時，X和 Y向位移傳感器能夠在其內(nèi)部滾動，準(zhǔn)確測量動位移；方形疊環(huán)的尺寸略小于土容器盒的尺寸。所述X和Y向位移傳感器頂部采用滾軸設(shè)計，在常規(guī)的傳感器頂部增加一個圓環(huán)， 使其能夠在半圓形凹槽內(nèi)滾動。所述土容器盒兩側(cè)開有X和Y向運(yùn)動定位槽，從而實現(xiàn)X和Y向同時施加動荷載時容器盒能自由運(yùn)動。所述模型底板在土容器盒正下方位置設(shè)有圓盤形凹槽，圓盤直徑小于土容器盒寬度，在其內(nèi)部放置鋼球，以滾動摩擦代替常規(guī)的滑動摩擦，減小摩擦阻力。
本發(fā)明還涉及一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面雙向振動力學(xué)特性測試儀器使用方法，包括以下技術(shù)步驟
(1)在土容器盒內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)物。(2)把方形疊環(huán)按順序排放好，置于土容器盒上，分層填入土樣。(3)在方形疊環(huán)上放置Z向壓力板、通過固定支架安裝Z向位移傳感器、連接Z向應(yīng)力加載器；
(4)通過固定支架安裝X和Y向位移傳感器；
(5)連接X和Y向應(yīng)力加載器；
(6)根據(jù)試驗要求通過Z向應(yīng)力加載器施加Z向應(yīng)力。(7)根據(jù)試驗要求，通過X和Y向應(yīng)力加載器施加任意組合的動應(yīng)力；土盒正下方設(shè)有圓盤形凹槽，在其內(nèi)部放置鋼球，以滾動摩擦代替常規(guī)的滑動摩擦，減小摩擦阻力，在X 和Y向?qū)Р艿囊龑?dǎo)下分別運(yùn)動，互不干擾，從而實現(xiàn)任意方向的運(yùn)動組合。(8) X和Y向位移傳感器因在傳感器頂端裝有滑輪，因此在任意組合外力的作用下主要以伸、縮運(yùn)動，側(cè)向滑移運(yùn)動對傳感器的影響通過滑輪進(jìn)行消減。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)通過土容器盒兩側(cè)的導(dǎo)向槽可以方便的施加水平方向任意組合的動應(yīng)力。(2)通過疊環(huán)兩側(cè)的U形凹槽，可以方便的測量疊環(huán)在任意方向運(yùn)動情況下的水平動位移。(3)通過豎向位移傳感器可以測量循環(huán)荷載作用下試樣的體積變形規(guī)律；
(4)剪切環(huán)厚度較薄，能夠精確測量土體在動力荷載作用下接觸面附件剪應(yīng)變的變化規(guī)律；
(5)通過在水平方向不同位置布置傳感器，可以測量接觸面厚度、循環(huán)荷載下接觸面處的剪切變形規(guī)律、沿試樣高度的剪切變形規(guī)律等。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果將在具體實施方式
中進(jìn)一步描述。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2圖1中A位置剖面圖3圖1中B位置放大圖； 圖4圖1中C位置放大圖； 圖5圖1中D位置放大圖中(1)模型底板，(2) Y向應(yīng)力加載器，(3) X向應(yīng)力加載器，(4) X向位移傳感器， (5)Y向位移傳感器，(6)Ζ向應(yīng)力加載器，(7)Ζ向位移傳感器，(8)Ζ向壓力板，(9)方形疊環(huán)，(10) 土容器盒，(Il)X向運(yùn)動導(dǎo)向槽，(12)Υ向運(yùn)動導(dǎo)向槽，(13)環(huán)形凹槽，(14)Χ或 Y向應(yīng)力加載桿，(15)半圓凹槽，(16)滾動圓盤。
具體實施例方式如圖廣5所示，一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)雙向振動力學(xué)特性測試儀器，其結(jié)構(gòu)由模型底板(1)、γ向應(yīng)力加載器(2)、χ向應(yīng)力加載器(3)、Χ向位移傳感器(4)、Υ向位移傳感器(5)、Ζ向應(yīng)力加載器(6)、Ζ向位移傳感器(7)、Ζ向壓力板(8)、方形疊環(huán)(9)、土容器盒 (10)、X向運(yùn)動導(dǎo)向槽(11)和Y向運(yùn)動導(dǎo)向槽(12)組成。其特征在于土容器盒(10)通過滾動支撐固定在模型底板上，通過X和Y向的應(yīng)力加載器(3)和(2)實現(xiàn)任意組合荷載作用下的接觸面力學(xué)特性測試。本試驗裝置可測試土體與結(jié)構(gòu)物相互間的接觸面動力特性，也可以測試土體與土體之間的接觸面動力特性。在試驗過程中，對于土體與結(jié)構(gòu)物接觸面動力特性，下部剪切盒中安置結(jié)構(gòu)物，對于土體與土體接觸面動力特性，下部剪切和安置較為堅硬、密實的土體。模型底板(1)為鋼板，長、寬和高分別為40cm，40cm和3cm ；模型中部圓盤凹槽直徑為20cm，深度0. 9cm (如圖2所示)。試驗中采用的鋼球直徑為1cm。土容器盒(10)為由鋼板焊接而成，鋼板的厚度為0. 5cm，土容器盒(10)的外部尺寸長、寬和高分別為25，25和IOcm;兩側(cè)的水平導(dǎo)向槽(11)和(12)寬度外部寬度為Icm, 內(nèi)部寬度為2cm，深度為0. 5cm ；X和Y向應(yīng)力加載器(3)和(2)通過滑塊與土容器盒進(jìn)行鏈接，如圖3所示。在容器盒上部開有半圓形凹槽，寬度和深度均為0. 5cm。方形疊環(huán)(9)，外部尺寸，長、寬和高分別為21cm，21cm和Icm ；內(nèi)部尺寸，長、寬和高分別為20cm，20cm和Icm ；半圓形凹槽的寬度和深度均為0. 25cm，如圖4所示。X，Y和Z方向的位移傳感器量程均為5cm。X和Y方向的位移傳感器端頭采用圓柱設(shè)計，圓柱直徑為0. 25cm，如圖5所示。X，Y和Z方向的應(yīng)力加載器的量程均為50kN，最大加載頻率為IOHz。
一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面雙向振動力學(xué)特性測試儀器測試方法，包括以下技術(shù)步驟 (1)在土容器盒(10)內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)物。(2)把方形疊環(huán)(9)按順序排放好，置于土容器盒(10)上，分層填入土樣。(3)在方形疊環(huán)(9)上放置Z向壓力板(8)、通過固定支架安裝Z向位移傳感器 (7)、連接Z向應(yīng)力加載器；
(4)通過固定支架安裝X和Y向位移傳感器(4)和(5)；
(5)連接X和Y向應(yīng)力加載器(3)和(2 )；
(6)根據(jù)試驗要求通過Z向應(yīng)力加載器(6)施加Z向應(yīng)力。(7)根據(jù)試驗要求，通過X和Y向應(yīng)力加載器(3)和(2)施加任意組合的動應(yīng)力； 土盒正下方設(shè)有圓盤形凹槽，在其內(nèi)部放置鋼球，以滾動摩擦代替常規(guī)的滑動摩擦，減小摩擦阻力，在X和Y向?qū)Р艿囊龑?dǎo)下分別運(yùn)動，互不干擾，從而實現(xiàn)任意方向的運(yùn)動組合。(8) X和Y向位移傳感器(4)和(5)因在傳感器頂端裝有滑輪，因此在任意組合外力的作用下主要以伸、縮運(yùn)動，側(cè)向滑移運(yùn)動對傳感器的影響通過滑輪進(jìn)行消減。
權(quán)利要求
1.一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)雙向振動力學(xué)特性測試儀器，包括x向應(yīng)力加載器、Y 向應(yīng)力加載器、Z向應(yīng)力加載器、Z向位移傳感器、Z向壓力板，其特征在于模型底板、X向位移傳感器、Y向位移傳感器、方形疊環(huán)、土容器盒，通過X和Y向的應(yīng)力加載器實現(xiàn)任意組合荷載作用下的接觸面力學(xué)特性測試；所述模型底板(1)在土容器盒正下方位置設(shè)有圓盤形凹槽，圓盤直徑小于土容器盒寬度，在其內(nèi)部放置鋼球，以滾動摩擦代替常規(guī)的滑動摩擦，減小摩擦阻力；所述土容器盒兩側(cè)開有X和Y向運(yùn)動定位槽(11)和(12)，從而實現(xiàn)X 和Y向同時施加動荷載時容器盒能自由運(yùn)動；所述方形疊環(huán)兩側(cè)均開有半圓形凹槽，其目的在于當(dāng)土容器盒在任意組合荷載作用下時X和Y向位移傳感器能夠在其內(nèi)部滾動，準(zhǔn)確測量動位移；方形疊環(huán)的尺寸略小于土容器盒的尺寸；所述X和Y向位移傳感器頂部采用滾軸設(shè)計，在常規(guī)的傳感器頂部增加一個圓環(huán)，使其能夠在半圓形凹槽內(nèi)滾動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土與結(jié)構(gòu)物接觸面雙向振動力學(xué)特性測試儀器測試方法，包括以下技術(shù)步驟(1)在土容器盒(10)內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)物；(2)把方形疊環(huán)(9)按順序排放好，置于土容器盒(10)上，分層填入土樣；(3)在方形疊環(huán)(9)上放置Z向壓力板(8)、通過固定支架安裝Z向位移傳感器(7)、連接Z向應(yīng)力加載器；(4)通過固定支架安裝X和Y向位移傳感器(4)和(5);(5)連接X和Y向應(yīng)力加載器(3)和(2);(6)根據(jù)試驗要求通過Z向應(yīng)力加載器(6)施加Z向應(yīng)力；(7)根據(jù)試驗要求施加，通過X和Y向應(yīng)力加載器(3)和(2)施加任意組合的動應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于測試土體與結(jié)構(gòu)接觸面在雙向振動剪切下的接觸面動力特性的儀器和測試方法。其結(jié)構(gòu)主要由模型底板Y向應(yīng)力加載器、X向應(yīng)力加載器、X向位移傳感器、Y向位移傳感器、Z向應(yīng)力加載器、Z向位移傳感器、Z向壓力板、方形疊環(huán)、土容器盒組成。其測試方法包括試驗材料安裝、水平位移和豎向傳感器安裝、豎向應(yīng)力加載和水平動應(yīng)力加載等步驟。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡明，傳力可靠，可施加水平方向任意組合的動力荷載，并方便測量土體在水平方向的動位移，測量精度高。
文檔編號G01N3/00GK102564845SQ201210006950
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者丁選明, 劉彥辰, 劉漢龍, 楊貴, 蔣堯 申請人:河海大學(xué)