[发明专利]循环荷载作用大型接触面特性直剪仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的研究土体之间及土工合成材料—土体之间或者土工合成材料之间界面摩擦特性的大型直剪仪，适用于任意二者之间的等剪切面或者变剪切面试验；尤其可以进行在竖向和水平向循环荷载作用下的界面特性试验研究，这是本发明的重点创新所在。

背景技术

在土木工程尤其是岩土工程中，通常遇到加筋土结构例如加筋土路基、加筋土挡墙结构、加筋边坡结构等等。又如水利大坝工程中，混凝土坝与土体之间的接触面由于两种材料的差异导致了较大的初始内部剪应力和位移不连续现象，故接触面部位是大坝工程发生事故的薄弱环节。这些工程结构的薄弱点在于筋材与土体的接触面，筋材的加入虽然在—定意义上加强了土体(砂性土尤为明显)的整体约束性，但同时也削弱破坏了土体内部的天然结构性，使得筋土接触面成为结构中的最危险局部破坏点。因此，筋土界面特性研究成为了加筋土领域的热点问题。

目前，国内外相关领域专家和学者研究筋土界面特性的试验仪器大都集中在：直剪仪和拉拔仪。但目前大多数直剪仪多为尺寸较小，不能满足实际工程中所要求的边界效应的影响；或者上下剪切盒尺寸相等，在剪切过程中剪切面发生变化，须在后期的计算中予以一定的修正，会导致试验数据的有效性和真实性降低；还有很多界面剪切仪需要只包含上剪切盒，下剪切盒为刚性平板，这样会造成土工合成材料开口处的界面强度为土颗粒与钢板之间的摩擦，而不是颗粒与格栅之间的真正摩擦，所得结果较真实情况低。另外，目前的直剪仪大多集中在静荷载作用下的界面特性研究上，对于动力荷载作用下的试验研究较少，这就涉及到加载方式的异同了。基于课题组交通荷载作用下路基动力响应的研究方向，自主设计研发了可以施加循环动荷载作用的大型直剪仪，满足了科研需要以及提供了较为真实可靠的试验数据。

查阅国内外相关文献可知，目前国内代表性的动荷载循环试验仪有：清华大学岩土工程研究所研制开发的大型接触面循环加载剪切仪，剪切盒尺寸为250*250mm，法向及切向最大荷载为200kN。在剪切盒侧壁装有有机玻璃视窗，并采用数字照相技术可以全程记录土颗粒的细观状态排列、颗粒长轴方向、颗粒眼结构面滑动、颗粒转动以及颗粒破碎等现象，便于分析；并可进一步确定土与结构件相对位移沿接触面的分布以及接触面的厚度。另外，同济大学研制的大型结构面剪切仪(SJW-200)可以进行多种材料结构接触面的静动力试验研究，通过伺服加载仪能在竖直方向上施加简单的循环荷载。长江科学院等研制的剪切盒尺寸为600*600mm的单剪仪可以进行土体内部与土工合成材料的界面摩擦特性研究。

上述直剪仪虽然较传统的仪器多了些改进的地方，但是还是不能够满足工程实际中较为真实模拟筋土界面摩擦特性的要求。存在一些问题：上下剪切盒尺寸固定(尺寸相同或者不同)不能进行相关对比试验；使用液压控制系统测量精度达不到科研要求；下剪切盒为刚性垫板，对土体与各种土工合成材料摩擦特性研究进行了限制，降低了剪切仪的适用范围；未能施加竖向循环荷载而不能模拟交通荷载作用下土体内部的剪切摩擦特性；其他还有设备的自动化水平不高。

发明内容

本发明目的在于提出一种循环加载大型接触面直剪仪，该设备是自主研发设计的大型筋材土体界面摩擦特性研究设备，不但能进行土体自身内部的剪切特性试验，而且能进行土体与接触面(包括混凝土接触面、其他不同类型土体接触面、土工合成材料等)之间摩擦特性的试验研究。此大型直剪仪能够在竖向和水平向施加不同加载频率及振幅的动荷载(包括静载)，而且还可以进行等剪切面与变剪切面直剪试验的功能，进行相关对比试验分析。试样剪切面积500*500mm，申请者通过查阅国内外相关规范表明：水利部颁布的《土工合成材料测试规程》及交通部颁布的《公路土工合成材料试验》给出了直剪试验的最小尺寸为300mm；美国土木材料协会制定的ASTM D5321标准规定了直剪试验的最小试样尺寸也为300mm。对本设备而言，不但满足了相关规范对直剪试验的尺寸要求，而且能够使用更大尺寸的试样，足以淡化了边界效应带来的试验误差。另外下剪切盒外部还有一个尺寸较大的水浴箱，可以在装满水的情况下模拟饱和砂土的界面摩擦特性研究。

完成上述发明的技术方案是：