專利名稱：一種土與結構物接觸面力學雙向振動力學特性測試儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于土木水利工程技術領域，特別涉及一種土與結構物接觸面力學特性測試儀器和方法。
背景技術：
土石壩作為目前世界的主流壩型，其內部結構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。由于接觸界面兩側材料特性的差異，界面兩側常存在較大的剪應力和位移不連續(xù)現(xiàn)象，從而導致較為復雜的應力和變形性狀，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、強度演變規(guī)律、破壞形式等力學特性成為土石壩抗震研究的熱點課題。目前關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性質的儀器，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， 在施加水平雙向剪切荷載過程中，結構比較復雜，在任意組合動應力荷載作用下，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，在往復多向運動過程中，會導致誤差較大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種土與結構物接觸面雙向振動力學特性測試儀器和使用方法。本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是一種土與結構物接觸面力學雙向振動力學特性測試儀器，其特征在于其結構由模型底板、X向應力加載器、X向位移傳感器、Y向應力加載器、Y向位移傳感器、Z向應力加載器、Z向位移傳感器、Z向壓力板、方形疊環(huán)、土容器盒、X向運動導向槽和Y向運動導向槽組成。土容器盒通過滾動支撐固定在模型底板上，通過X和Y向的應力加載器實現(xiàn)任意組合荷載作用下的接觸面力學特性測試。所述方形疊環(huán)兩側均開有半圓形凹槽，當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部滾動，準確測量動位移；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滾動。所述土容器盒兩側開有X和Y向運動定位槽，從而實現(xiàn)X和Y向同時施加動荷載時容器盒能自由運動。所述模型底板在土容器盒正下方位置設有圓盤形凹槽，圓盤直徑小于土容器盒寬度，在其內部放置鋼球，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構物接觸面雙向振動力學特性測試儀器使用方法，包括以下技術步驟
(1)在土容器盒內安裝結構物。(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向應力加載器；
(6)根據試驗要求通過Z向應力加載器施加Z向應力。(7)根據試驗要求，通過X和Y向應力加載器施加任意組合的動應力；土盒正下方設有圓盤形凹槽，在其內部放置鋼球，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向導曹的引導下分別運動，互不干擾，從而實現(xiàn)任意方向的運動組合。(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、縮運動，側向滑移運動對傳感器的影響通過滑輪進行消減。本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)通過土容器盒兩側的導向槽可以方便的施加水平方向任意組合的動應力。(2)通過疊環(huán)兩側的U形凹槽，可以方便的測量疊環(huán)在任意方向運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)點和效果將在具體實施方式
中進一步描述。


圖1本發(fā)明的結構主視圖； 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向應力加載器，(3) X向應力加載器，(4) X向位移傳感器， (5)Y向位移傳感器，(6)Ζ向應力加載器，(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向運動導向槽，(12)Υ向運動導向槽，(13)環(huán)形凹槽，(14)Χ或 Y向應力加載桿，(15)半圓凹槽，(16)滾動圓盤。
具體實施例方式如圖廣5所示，一種土與結構物接觸面力學雙向振動力學特性測試儀器，其結構由模型底板(1)、γ向應力加載器(2)、χ向應力加載器(3)、Χ向位移傳感器(4)、Υ向位移傳感器(5)、Ζ向應力加載器(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向運動導向槽(11)和Y向運動導向槽(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特性測試。本試驗裝置可測試土體與結構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，對于土體與結構物接觸面動力特性，下部剪切盒中安置結構物，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;兩側的水平導向槽(11)和(12)寬度外部寬度為Icm, 內部寬度為2cm，深度為0. 5cm ；X和Y向應力加載器(3)和(2)通過滑塊與土容器盒進行鏈接，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計，圓柱直徑為0. 25cm，如圖5所示。X，Y和Z方向的應力加載器的量程均為50kN，最大加載頻率為IOHz。
一種土與結構物接觸面雙向振動力學特性測試儀器測試方法，包括以下技術步驟 (1)在土容器盒(10)內安裝結構物。(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向應力加載器(3)和(2 )；
(6)根據試驗要求通過Z向應力加載器(6)施加Z向應力。(7)根據試驗要求，通過X和Y向應力加載器(3)和(2)施加任意組合的動應力； 土盒正下方設有圓盤形凹槽，在其內部放置鋼球，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向導曹的引導下分別運動，互不干擾，從而實現(xiàn)任意方向的運動組合。(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、縮運動，側向滑移運動對傳感器的影響通過滑輪進行消減。
權利要求
1.一種土與結構物接觸面力學雙向振動力學特性測試儀器，包括x向應力加載器、Y 向應力加載器、Z向應力加載器、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向的應力加載器實現(xiàn)任意組合荷載作用下的接觸面力學特性測試；所述模型底板(1)在土容器盒正下方位置設有圓盤形凹槽，圓盤直徑小于土容器盒寬度，在其內部放置鋼球，以滾動摩擦代替常規(guī)的滑動摩擦，減小摩擦阻力；所述土容器盒兩側開有X和Y向運動定位槽(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動；所述方形疊環(huán)兩側均開有半圓形凹槽，其目的在于當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部滾動，準確測量動位移；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滾動。
2.根據權利要求1所述的一種土與結構物接觸面雙向振動力學特性測試儀器測試方法，包括以下技術步驟(1)在土容器盒(10)內安裝結構物；(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向應力加載器(3)和(2);(6)根據試驗要求通過Z向應力加載器(6)施加Z向應力；(7)根據試驗要求施加，通過X和Y向應力加載器(3)和(2)施加任意組合的動應力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于測試土體與結構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。其結構主要由模型底板Y向應力加載器、X向應力加載器、X向位移傳感器、Y向位移傳感器、Z向應力加載器、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、豎向應力加載和水平動應力加載等步驟。本發(fā)明結構簡明，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