CN103994969A - 一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪及试验方法。在大坝运行过程中，上游库水会沿着土与结构物间的接触面发生渗流，并在接触面上形成一定的水压力作用。在水压力的作用下接触面上的剪应力和抗剪强度会发生变化，发生既不同于土体又不同于结构的力学响应，这些响应最终会对工程结构造成不同程度的负面影响。本试验仪对常规直剪仪进行了改进，主要由剪切框、竖向加载电机、水平向加载电机、水压控制***、数据采集***、自反力架等部件组成，构造简单，使用方便。能够在不同水力条件下进行土与结构物的接触剪切试验，研究不同水力条件下土与结构物的接触特性。

Description

一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪及试验方法

一、技术领域

本发明属于测试仪器及方法的技术领域，具体是涉及一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪及试验方法。

二、背景技术

据中国大坝委员会统计，截止2003年底，在全世界范围内共建造的15米高以上大坝为41418座，其中土石坝33958座，占总数的82.7%。近十几年，随着大容量、多功能、高效率施工机械的发展和岩土工程试验手段及计算技术的进步，我国的土石坝工程得到了较大发展，截至2005年底，中国30米以上已建在建大坝共有4860座，土石坝2865座，约占59%。这些土石坝建设过程中必然会遇到土与结构物的接触问题。土与结构接触面特性研究一直是土木和岩土领域的重要课题之一，是解决土与结构相互作用的前提。由于研究涉及土力学和基础工程的多个方面，所以具有很大的难度。目前常用的研究接触面特性的测试方法有（1）大型接触面直剪仪，该设备适用于混凝土材料，土石等多种材料的内摩擦特性，特别适合不同材料之间如混凝土材料与土石、编织物接触面的力学特性与变形机理的研究。其缺点是不能考虑水压力对接触面力学特性和变形机理的影响；（2）循环荷载作用大型接触面特性直剪仪，该设备的优点在于可以施加不同频率和振幅的循环荷载，缺点是造价昂贵，操作不便；（3）一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的实验装置，该设备的优点在于能够在平行于和垂直于接触面的方向上对土体进行渗流冲刷试验，为分析土体在不同应力条件下的抗渗流冲刷能力提供基础实验数据，缺点是没有考虑剪应力条件下土体变形对接触渗流冲刷的影响。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪及试验方法，该设备能够在不同水压力条件下进行土与结构物的接触剪切试验，研究不同水力条件下接触面的剪切特性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于该试验仪由刚性传力杆1，加压板2，滚轮3，顶盖4，剪切框5，结构物试件6，透水石7，刚性底板8，橡胶管9，水压控制***10，水平向位移传感器11，刚性连接杆12，水平向拉压力传感器13，水平向加载电机14，竖向加载电机15，竖向位移传感器16，竖向压力传感器17，自反力架18，数据采集***19，电机伺服控制器20，可拆卸式滚轮21所制成；其中刚性底板8、水平向加载电机14和竖向加载电机15分别用螺栓固定安装在自反力架18上，水平向加载电机14和竖向加载电机15分别用导线与电机伺服控制器20相连，结构物试件6置于刚性底板8之上，结构物试件6中设置一个空腔，填满透水石7，透水石7上部结构物试件6上布置有通水孔，橡胶管9的一端连接透水石，并贯通刚性底板8，另一端连接着水压控制***10，剪切框5置于结构物试件6之上，并通过刚性连接杆12连接水平向拉压力传感器13，进而连接水平向加载电机14，剪切框5两侧与结构物试件6之间设有可拆卸式滚轮21，剪切框5上放置顶盖4，顶盖4和加压板2之间安装滚轮3，加压板2与刚性传力杆1之间通过螺纹连接，刚性传力杆1上表面与竖向位移传感器17的工作端相接触，竖向压力传感器16固定在竖向加载电机15上，水平向位移传感器11用螺栓固定在自反力架18上，水平向拉压力传感器13、水平向位移传感器11、竖向压力传感器17和竖向位移传感器16分别用数据线与数据采集***19相连。

所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的结构物试件6中设置一个方形空腔，空腔中填满透水石7。

所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的透水石7上部结构物试件6中均匀布置有通水孔，直通结构物试件6上表面。

所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于不考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(a) 准备试样，将已知质量、密度和含水率的土样装入剪切框5内；

(b) 调节试验装置，放置好顶盖4，装上加压板2、刚性传力杆1以及水平向拉压力传感器13和竖向压力传感器17，使竖向压力传感器17的工作端刚好与刚性传力杆1顶端相接触；

(c) 调节数据采集装置，装好水平向位移传感器11和竖向位移传感器16，使水平向位移传感器11的工作段与剪切框5右侧面相接触，竖向位移传感器16的工作端与加压板2顶面相接触，连接电机伺服控制器20和数据采集***19，并检查其是否正常工作；

(d) 施加荷载，启动电机伺服控制器20，使用竖向加载电机15施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小，使用水平向加载电机14施加水平剪力，设定水平向剪切速率和最大剪切位移；

(e) 数据记录，试验过程中，通过数据采集***19记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(f) 试验结束，当实验剪切位移达到最大剪切位移时，试验终止。

所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(a) 准备试样，将已知质量、密度和含水率的土样装入剪切框5内；

(b) 调节试验装置，放置好顶盖4，装上加压板2、刚性传力杆1以及水平向拉压力传感器13和竖向压力传感器17，使竖向压力传感器17的工作端刚好与刚性传力杆1顶端相接触；

(c) 调节数据采集装置，装好水平向位移传感器11和竖向位移传感器16，使水平向位移传感器11的工作段与剪切框5右侧面相接触，竖向位移传感器16的工作端与加压板2顶面相接触，连接电机伺服控制器20和数据采集***19，并检查其是否正常工作；

(d) 施加水压力，启动水压控制***10，设定水头值，水通过橡胶管9、透水石7，流入通水孔，进而使水压均匀分布在土与结构物试件6的接触面上，保证接触面上的水压力维持在设定值；

(e) 施加荷载，启动电机伺服控制器20，使用竖向加载电机15施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小，使用水平向加载电机14施加水平剪力，设定水平向剪切速率和最大剪切位移；

(f) 数据记录，试验过程中保持水压力不变，通过数据采集***19记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(g) 试验结束，当试验剪切位移达到最大剪切位移时，试验终止。

通过以上技术方案，可以实现以下有益效果：

（1） 可以进行多种实验，既可以进行普通的土与结构物的接触面剪切试验，又可以进行水压力条件的土与结构物接触面剪切试验；

（2） 加压板和顶盖之间设有滚轮，剪切框两侧与结构物之间也设有可拆卸式滚轮，减小了摩擦带来的误差；

（3）使用该设备进行试验时，荷载施加和数据记录均由计算机自动完成，使用方便，快捷安全。

四、附图说明

图1 一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪结构示意图

图2 本发明的剪切框俯视图

图3 本发明的透水石分布图

图4 剪切框与结构物试件侧视图

附图标记：1-刚性传力杆，2-加压板，3-滚轮，4-顶盖，5-剪切框，6-结构物试件，7-透水石，8-刚性底板，9-橡胶管，10-水压控制***，11-水平向位移传感器，12-刚性连接杆，13-水平向拉压力传感器，14-水平向加载电机，15-竖向加载电机，16-竖向位移传感器，17-竖向压力传感器，18-自反力架，19-数据采集***，20-电机伺服控制器，21-可拆卸式滚轮。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明

实施例1：一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪

如图1所示的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于该试验仪由刚性传力杆1，加压板2，滚轮3，顶盖4，剪切框5，结构物试件6，透水石7，刚性底板8，橡胶管9，水压控制***10，水平向位移传感器11，刚性连接杆12，水平向拉压力传感器13，水平向加载电机14，竖向加载电机15，竖向位移传感器16，竖向压力传感器17，自反力架18，数据采集***19，电机伺服控制器20，可拆卸式滚轮21所制成；其中刚性底板8、水平向加载电机14和竖向加载电机15分别用螺栓固定安装在自反力架18上，水平向加载电机14和竖向加载电机15分别用导线与电机伺服控制器20相连，结构物试件6置于刚性底板8之上，试件中设置一个空腔，填满透水石7，透水石7上部试件上布置有通水孔，橡胶管9的一端连接透水石，并贯通刚性底板8，另一端连接着水压控制***10，剪切框5置于结构物试件6之上，并通过刚性连接杆12连接水平向拉压力传感器13，进而连接水平向加载电机14，剪切框5两侧与结构物试件6之间设有可拆卸式滚轮21，剪切框5上放置顶盖4，顶盖4和加压板2之间安装滚轮3，加压板2与刚性传力杆1之间通过螺纹连接，刚性传力杆1上表面与竖向位移传感器17的工作端相接触，竖向压力传感器16固定在竖向加载电机15上，水平向位移传感器11用螺栓固定在自反力架18上，水平向拉压力传感器13、水平向位移传感器11、竖向压力传感器17和竖向位移传感器16分别用数据线与数据采集***19相连。

所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的结构物试件6中设置一个方形空腔，空腔中填满透水石7。

所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的透水石7上部结构物试件6中均匀布置有通水孔，直通结构物试件6上表面。

其中：

(1)     刚性传力杆1由直径为30mm的不锈钢柱制成，通过螺纹连接加压板2；

(2)     加压板2由钢板制成，厚25mm，长200mm，宽200mm；

(3)     滚轮3由钢柱切割制成，直径20mm，高20mm，滚轮3固定在顶盖4上；

(4)     顶盖4由钢板制成，厚25mm，长200mm，宽200mm；

(5)     剪切框5钢板焊接制成，外框为边长230mm的正方形，内框为边长200mm的正方形，框厚15mm，框高100mm，剪切框5与顶盖4之间留有一定空间，以保证顶盖4不会接触到剪切框；

(6)     结构物试件6由混凝土浇筑而成，尺寸：长350mm×宽350mm×高100mm，内部空腔尺寸：长200mm×宽200mm×高10mm，空腔内填有25块长40mm×宽40mm×高10mm的透水石7，刚好填满空腔，透水石7上部试件分布设置4×4个圆形通水孔，每个通水孔直径为3mm；

(7)     刚性底板8由钢板制成，长500mm×宽400mm×厚30mm，底板右侧有长400mm×宽25mm×高10mm的凸起，挡住混凝土结构物6，防止其滑动；

(8)     橡胶管9连接着透水石7和水压控制***10，其伸入结构物中的部分直径为20mm，伸出刚性底板的部分直径为10mm；

(9)     水压控制***10可以采用型号为TCK-1型三轴试验测量控制仪；

(10) 刚性连接杆12由直径为40mm的不锈钢柱制成，左端通过螺钉固定在剪切框5上，右端设有螺纹与水平向拉压力传感器13相连接；

(11) 水平向拉压力传感器13和竖向压力传感器17均为BLR-1型称重传感器，最大称量10t，NH精度等级D0.2；

(12) 水平向加载电机14和竖向加载电机15均为功率750W的三菱电机；

(13) 水平向位移传感器11和竖向位移传感器16均为TKA-50-11直滑式导电塑料电位器，阻值5K欧姆，独立线性度0.1%；

(14) 自反力架18由12块角钢焊接制成，其中上下两面为长方形，用2块长1.2m，宽0.6m的角钢焊接制成，竖向用4根长1.2m的角钢与上面两个长方形方框焊接，再用8块三角形钢板分别焊接在8个角上加固制成；

(15)  数据采集***19，由计算机、TKA荷重/位移数据采集器组成；

(16)  电机伺服控制器20，为ZJ-300型试件剪切***；

(17)  可拆卸式滚轮21，长250mm×宽20mm×高3mm。

 

实施例2：所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于不考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(1) 准备试样，将含水率为9.5%的质量7.64 kg，密度为1.91g/cm³的土样装入剪切框5内；

(2) 调节试验装置，放置好顶盖4，装上加压板2、刚性传力杆1以及水平向拉压力传感器13和竖向压力传感器17，使竖向压力传感器17的工作端刚好与刚性传力杆1顶端相接触；

(3) 调节数据采集装置，装好水平向位移传感器11和竖向位移传感器16，使水平向位移传感器11的工作段与剪切框5右侧面相接触，竖向位移传感器16的工作端与加压板2顶面相接触，连接电机伺服控制器20和数据采集***19，并检查其是否正常工作；

(4) 施加荷载，启动电机伺服控制器20，使用竖向加载电机15施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小为40kN，使用水平向加载电机14施加水平剪力，设定水平向剪切速率为1mm/min，最大剪切位移为15mm；

(5) 数据记录，试验过程中，通过数据采集***19记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(6) 试验结束，当实验剪切位移达到15mm时，试验终止。

 

实施例3：所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(1) (2) (3)同实施例2；

(4) 施加水压力，启动水压控制***10，设定水头值为100kPa，水通过橡胶管9、透水石7，流入通水孔，进而使水压分布在土与结构物试件6的接触面上，保证接触面上的水压力维持在100kPa；

(5) 施加荷载，启动电机伺服控制器20，使用竖向加载电机15施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小为40kN，使用水平向加载电机14施加水平剪力，设定水平向剪切速率为1mm/min，最大剪切位移为15mm；

(6) 数据记录，试验过程中保持水压力不变，通过数据采集***19记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(7) 试验结束，当实验剪切位移达到15mm时，试验终止。

Claims (5)

1.一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于该试验仪由刚性传力杆（1），加压板（2），滚轮（3），顶盖（4），剪切框（5），结构物试件（6），透水石（7），刚性底板（8），橡胶管（9），水压控制***（10），水平向位移传感器（11），刚性连接杆（12），水平向拉压力传感器（13），水平向加载电机（14），竖向加载电机（15），竖向位移传感器（16），竖向压力传感器（17），自反力架（18），数据采集***（19），电机伺服控制器（20），可拆卸式滚轮（21）所制成；其中刚性底板（8）、水平向加载电机（14）和竖向加载电机（15）分别用螺栓固定安装在自反力架（18）上，水平向加载电机（14）和竖向加载电机（15）分别用导线与电机伺服控制器（20）相连，结构物试件（6）置于刚性底板（8）之上，结构物试件（6）中设置一个空腔，填满透水石（7），透水石（7）上部结构物试件（6）上布置有通水孔，橡胶管（9）的一端连接透水石，并贯通刚性底板（8），另一端连接着水压控制***（10），剪切框（5）置于结构物试件（6）之上，并通过刚性连接杆（12）连接水平向拉压力传感器（13），进而连接水平向加载电机（14），剪切框（5）两侧与结构物试件（6）之间设有可拆卸式滚轮（21），剪切框（5）上放置顶盖（4），顶盖（4）和加压板（2）之间安装滚轮（3），加压板（2）与刚性传力杆（1）之间通过螺纹连接，刚性传力杆（1）上表面与竖向位移传感器（17）的工作端相接触，竖向压力传感器（16）固定在竖向加载电机（15）上，水平向位移传感器（11）用螺栓固定在自反力架（18）上，水平向拉压力传感器（13）、水平向位移传感器（11）、竖向压力传感器（17）和竖向位移传感器（16）分别用数据线与数据采集***（19）相连。

2.根据权利要求1所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的结构物试件（6）中设置一个方形空腔，空腔中填满透水石（7）。

3.根据权利要求1所述的一种水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪，其特征在于所述的透水石（7）上部结构物试件（6）中均匀布置有通水孔，直通结构物试件（6）上表面。

4.一种使用权利要求1所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于不考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(a) 准备试样，将已知质量、密度和含水率的土样装入剪切框（5）内；

(b) 调节试验装置，放置好顶盖（4），装上加压板（2）、刚性传力杆（1）以及水平向拉压力传感器（13）和竖向压力传感器（17），使竖向压力传感器（17）的工作端刚好与刚性传力杆（1）顶端相接触；

(c) 调节数据采集装置，装好水平向位移传感器（11）和竖向位移传感器（16），使水平向位移传感器（11）的工作段与剪切框（5）右侧面相接触，竖向位移传感器（16）的工作端与加压板（2）顶面相接触，连接电机伺服控制器（20）和数据采集***（19），并检查其是否正常工作；

 (d) 施加荷载，启动电机伺服控制器（20），使用竖向加载电机（15）施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小，使用水平向加载电机（14）施加水平剪力，设定水平向剪切速率和最大剪切位移；

(e) 数据记录，试验过程中，通过数据采集***（19）记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(f) 试验结束，当实验剪切位移达到最大剪切位移时，试验终止。

5.一种使用权利要求1所述的水力共同作用下土与结构物的接触特性试验仪进行试验的方法，其特征在于考虑水压力影响的土与混凝土结构物接触面剪切试验方法步骤如下：

(a) 准备试样，将已知质量、密度和含水率的土样装入剪切框（5）内；

(b) 调节试验装置，放置好顶盖（4），装上加压板（2）、刚性传力杆（1）以及水平向拉压力传感器（13）和竖向压力传感器（17），使竖向压力传感器（17）的工作端刚好与刚性传力杆（1）顶端相接触；

(c) 调节数据采集装置，装好水平向位移传感器（11）和竖向位移传感器（16），使水平向位移传感器（11）的工作段与剪切框（5）右侧面相接触，竖向位移传感器（16）的工作端与加压板（2）顶面相接触，连接电机伺服控制器（20）和数据采集***（19），并检查其是否正常工作；

(d) 施加水压力，启动水压控制***（10），设定水头值，水通过橡胶管（9）、透水石（7），流入通水孔，进而使水压均匀分布在土与结构物试件（6）的接触面上，保证接触面上的水压力维持在设定值；

(e) 施加荷载，启动电机伺服控制器（20），使用竖向加载电机（15）施加竖向荷载，根据实验要求，设定荷载大小，使用水平向加载电机（14）施加水平剪力，设定水平向剪切速率和最大剪切位移；

(f) 数据记录，试验过程中保持水压力不变，通过数据采集***（19）记录下水平剪应力、水平位移和竖向位移随时间的变化曲线；

(g) 试验结束，当试验剪切位移达到最大剪切位移时，试验终止。