[发明专利]大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法

说明书

技术领域

本发明是一种在冻土—结构接触面力学行为研究中使用的大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及其试验操作方法，属于岩土工程室内模型试验中的低温接触面剪切器设备。

背景技术

目前的剪切设备多是针对常温土的各种力学性能研制和使用的，而用于研究冻土与结构接触面力学行为的大型多功能低温循环直剪仪未见报道。

发明内容

本发明提出的是一种冻土—结构直剪仪及其试验操作方法，其目的旨在进一步深入研究冻土—结构接触面及界面层的力学特性及影响因素，建立实用的冻土-结构接触面本构模型及评估方法，探讨冻土—结构接触面力学特性的基本强度指标以及在各因素下的变化规律。

本发明的技术解决方案：其特征是伺服电机的输出轴与减速机相接，升降机位于伺服电机的下部，用于调节伺服电机的竖向位置，升降机右侧依次连接拉压力传感器和传力棒，其中传力棒的右侧通过螺栓连接试样盒，手轮下部连接称重传感器，称重传感器通过拉力棒和结构面板相连；滚动膜片气缸上部固定在主支架上部，滚动膜片气缸下部与法向荷载传感器连接，法向荷载传感器下部连接上翼板，上翼板左右两边分别设有A移动支架 ，A移动支架能在竖导轨中实现上下滑动，上翼板下部是调节接触面法向边界的装置，调节接触面法向边界的装置的下方是结构面板。

其试验操作方法，包括如工艺步骤：

一、配置重塑土，将土样在105～110℃温度下烘干8小时，烘干后将土样碾散并通过0.5mm筛，按原土样的含水率配置重塑土，充分搅匀后装入塑料袋内浸润24小时作为重塑土。重塑土的含水率与原土样含水率的误差须控制在±1%以内；将重塑土分3层填入容积200×100×75mm的长方体模具中，并将模具两端面修平，测定重塑土密度，重塑土与原土样密度误差控制在±0.01g/cm³以内；

二、将制备好的重塑土试样放入低温恒温箱中，按试验规划的负温条件恒温养护4小时；

三、把养护好的土样放入铜制土样盒中，并将试样表面修平整；将试验所需粗糙度的钢板用内置螺栓固定在结构面板下部，并用湿布擦拭粗糙面，启动气缸将试验预定的法向边界条件施加在结构面板上；启动制冷装置“低温（恒温）搅拌反应浴”，制冷液开始在试样盒的制冷孔中高速流动对土样实施降温，高精度温度传感器实时记录土样温度并同步反馈给温度自稳调节系统，当土样温度降到设定的数值，温度自稳系统转入保温模式；

四、当接触面温度达到目标温度并稳定后，且长期（30min）摆动幅度小于±0.3℃时，启动水平剪切系统按照试验设定的剪切速率，进行单调或循环剪切试验；温度、压力、位移数据的采集频率调节至10次/s（本仪器是这么多吗？，应该突出其循环加载）；单调剪切时，当应力达到峰值后，1）继续剪切直至应力稳定，2）再增加2％的位移应变值，停止试验；通过采集得到的压力、位移的变化量获得剪切应力                                                与剪切位移的曲线；循环剪切时，将剪切速度调为0.1mm/s（因为剪切幅度为20mm，故一个剪切周期为400s），往复剪切直至试验设定次数，在此过程中数据采集系统实时采集接触面应力应变关系；

五、水平剪切结束后，关闭水平加载系统和竖向加载系统，提升结构面板，取下试样，记录试样接触面破坏后的情况，并分层测定土样含水率，获取土样表层含水率以及深度方向上的水分迁移情况及土体破坏情况（尤其是接触带的厚度）。

本发明的优点：能实现0～-20℃范围内对接触面温度的精确控制；能精确施加常刚度、常位移和常应力三种法向边界条件；能够模拟多种粗糙度的接触面；能实现循环剪切和单调剪切两种剪切形式；应力施加及位移控制精准。

附图说明

附图1 是大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪的结构示意图。

附图2是图1的侧视图。

图中的1是A移动支架；2是上翼板；3是伺服电机；4是减速机；5是竖导轨；6是传力棒；7是拉压力传感器；8是升降机；9是手轮；10是称重传感器；11是滚动膜片气缸；12是法向荷载传感器；13是法向位移传感器；14是弹簧；15是B移动支架；16是挡土板；17是结构面板；18是试样盒；19是保温层；20是温度传感器；21是制冷孔；22是水平导轨；23是水平位移传感器；24是机架。

具体实施方式