一種考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀的製作方法

2023-05-13 21:37:36

本發明涉及一種巖土體剪切流變儀，具體涉及一種考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀，屬於巖土工程技術領域。

背景技術：

巖土體的流變性質即指其隨時間變化的變形性質，主要包括蠕變、鬆弛及彈性後效，巖土體的流變性質是在進行重大工程設計與穩定性分析時必須要考慮的重要因素。作為自然界最活躍的因素之一，水對於巖土體變形、強度性質有極大的影響，主要包括軟化、衝刷、化學腐蝕、動水壓力等；此外，在水利、交通、礦山等領域的施工中，爆破是進行坡形改造、地基處理、礦石開採等工作的必要程序，因此，對於這些工程邊坡長期穩定性的分析，降雨和爆破振動的反覆作用對巖土體流變特性的影響不可忽視。

常規剪切流變的基本步驟包括試樣取樣與加工、法向壓力施加、逐級施加剪應力(每一級變形穩定之後施加下一級剪應力)直至試樣破壞。巖土體流變性質的研究方法主要包括現場原位流變試驗與室內試驗，相對於現場試驗，室內試驗具有經濟易行、數據採集與處理方便、試驗條件可控性強等優點，因此室內試驗現已成為研究巖土體流變性質的主要手段。

對於動荷載擾動下巖土體流變性質的研究主要採用三軸卸荷流變試驗的方式，對於降雨影響下巖土體流變性質的研究主要採用先對試樣進行乾濕循環處理再進行流變試驗的方式，但這些模擬方式顯然與實際中降雨與爆破荷載的作用方式不符。此外，目前的剪切流變試驗裝置中，試樣變形多採用千分尺或在試樣表面貼應變片的方式測定，但是這些測定方式主觀因素太大，如千分尺或應變片的位置、變形量大小等，且在添加爆破荷載擾動時採用自動計數方式會存在很大的誤差，如何合理模擬爆破擾動對於巖土體流變性質的影響並準確測定變形量是巖土體流變性質試驗研究中亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對先有技術的不足，提供一種可模擬多種爆破荷載頻率與強度，並能在流變試驗過程中對試樣進行乾濕循環，適用於降雨和爆破振動反覆作用下各類巖土體流變性質研究的試驗裝置。

實現本發明目的所採用的技術方案為，一種考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀，至少包括由反力架、法向加壓系統、切向加壓系統、上剪切盒和下剪切盒構成的剪切流變單元和用於檢測下剪切盒位移的位移量測系統，下剪切盒位於反力架的底座上，法向加壓系統和切向加壓系統均通過反力架支撐並且分別作用於上剪切盒和下剪切盒，還包括乾濕循環單元和爆破擾動單元；乾濕循環單元由水槽、水泵、進水管、電熱絲、出水管和底板開設透水孔的水箱構成，水槽、進水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通，水泵安裝於進水管上，電熱絲封裝於上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；所述爆破擾動單元包括作用於法向加壓系統的法向擾動組件和作用於切向加壓系統的切向擾動組件，法向擾動組件和切向擾動組件均由剛性支架及其支撐的振動電機構成，振動電機安裝於剛性支架上並通過剛性支架作用於法向加壓系統和切向加壓系統，所述剛性支架由豎向支撐杆件以及通過豎向支撐杆件連接的上剛性杆件和下剛性杆件構成，豎向支撐杆件與上剛性杆件和下剛性杆件的連接位置均可調，下剛性杆件固定於反力架的底座上，振動電機固定於上剛性杆件的活動端；所述位移量測系統為CCD位移自動量測系統，由光源發射器、CCD晶片和帶孔的擋光片構成，光源發射器和擋光片均固定於下剪切盒上，CCD晶片固定於底座上，擋光片位於光源發射器與CCD晶片之間，光源發射器與擋光片的孔位置相對。

上剪切盒的盒底為中空結構，空腔通過位於上剪切盒盒底上的通孔與上剪切盒的盒腔連通，上剪切盒盒底的空腔構成水箱、通孔構成透水孔。

法向加壓系統和切向加壓系統均由加載元件和剛性墊塊構成，剛性墊塊位於加載元件與加載元件作用的上剪切盒或下剪切盒之間，法向擾動組件和切向擾動組件的上剛性杆件分別與法向加壓系統和切向加壓系統的剛性墊塊固連。

所述上剛性杆件與對應的剛性墊塊焊接。

所述上剛性杆件和下剛性杆件上均沿其軸向開設有2個以上螺紋孔，上剛性杆件和下剛性杆件分別通過螺紋緊固件安裝於豎向支撐杆件的頂端和底端。

所述出水管貫穿下剪切盒的盒底。

擋光片的孔為方形孔。

由上述技術方案可知，本發明提供的考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀，在現有巖土體剪切流變儀的基礎上增加爆破擾動單元，通過法向擾動組件和切向擾動組件分別對法向加壓系統和切向加壓系統提供一定的擾動，模擬爆破荷載，振動電機和加壓系統分別位於剛性支架兩側，振動擾動通過剛性支架傳遞至加壓系統，對法向壓力與剪切應力產生擾動，剛性支架由豎向支撐杆件及其連接的上剛性杆件和下剛性杆件構成，下剛性杆件固定於反力架的底座上，穩定剛性支架，豎向支撐杆件與上、下剛性杆件的連接位置可調，通過改變豎向支撐杆件與上剛性杆件的連接位置可調節振動電機作用的力臂的大小，調整傳遞至加壓系統的擾動大小，實現不同強度的擾動荷載，可實現流變試驗過程中爆破荷載的定量模擬。

本發明改進了現有的剪切盒結構，將剪切盒盒底設置為導通結構、盒壁內置電熱絲，即上剪切盒盒底中空且與盒腔連通，出水管貫穿下剪切盒的盒底，水槽、進水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通形成滲透迴路，在剪切流變試驗的過程中，水泵提供具有一定滲透壓的水，通至水箱中，通過水箱下方的透水孔滲透試樣，試樣滲水飽和後連接下剪切盒的水管會有水分滲出，試樣飽和後對剪切盒內的電熱絲通電，對試樣進行烘乾處理，通過定期對試樣進行飽和與烘乾，模擬降雨的乾濕循環作用。

為克服現有技術中採用千分尺或在試樣表面貼應變片的方式測定位移存在的主觀因素大、測量誤差大的弊端，本發明採用CCD位移自動量測系統檢測下剪切盒的切向位移，當試樣在剪切流變過程中發生位移時，光源發射器與擋光片相對於CCD晶片產生相對運動，從而改變了通過擋光片的孔的光線照射在CCD晶片上的位置，引起CCD晶片輸出信號的變化，然後通過信號採集電路，獲得CCD晶片的輸出信號，通過計算機或微處理器進行運算顯示，即可測量巖樣的剪切變形量的大小，測量精度高。

為精簡裝置結構，本發明將水箱設置於上剪切盒的盒底，將上剪切盒的盒底設置為中空結構，並在靠近試樣的盒底板上開設通孔作為水箱的透水孔；法向加壓系統和切向加壓系統均由加載元件和剛性墊塊構成，加載元件產生的載荷通過剛性墊塊作用於上剪切盒和下剪切盒上，使得載荷分布均勻，另外法向擾動組件和切向擾動組件的上剛性杆件分別與法向加壓系統和切向加壓系統的剛性墊塊固連，法向擾動組件和切向擾動組件的震動擾動通過剛性墊塊傳遞至上剪切盒和下剪切盒，由於剛性墊塊與加載元件和對應的剪切盒均為接觸傳力，並無直接連接關係，因此剛性墊塊傳遞的震動擾動不會干擾加載元件的運行。

與現有剪切流變儀相比，本發明提供考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀的優點如下：

(1)利用本發明的巖土體剪切流變儀進行剪切流變試驗，在試驗過程中可對試樣進行定期的乾濕循環處理，並可通過簡單的杆件位置調整與儀器設定，定量模擬不同強度、頻率及時間的爆破荷載；

(2)本發明的巖土體剪切流變儀採用光源發射器與CCD晶片進行剪切變形的測量，精度高、響應快、量程大及易於實現數據自動化採集存儲；

(3)本發明的巖土體剪切流變儀機械結構簡單、易於調節、操作方便，適用於研究爆破荷載擾動下各類巖土體剪切流變特性的研究。

附圖說明

圖1為本發明提供的考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀的主視圖。

圖2為本發明提供的考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀的左視圖。

圖3為CCD位移自動量測系統的結構示意圖。

其中，1-法向加壓系統；2-剛性墊塊；3-上剛性杆件；4-螺紋孔；5-振動電機；6-下剛性杆件；7-豎向支撐杆件；8-水箱；9-電熱絲；10-上剪切盒；11-下剪切盒；12-光源發射器；13-擋光片，131-方形孔；14-CCD晶片；15-底座；16-出水管；17-進水管；18-切向加壓系統；19-水槽；20-水泵；21-試樣；22-透水孔；23-反力架。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細具體說明，本發明的內容不局限於以下實施例。

本發明提供的考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀，其結構如圖1和圖2所示(為方便顯示，圖2中拆除了水槽、進水管、水泵以及反力架的上部分)，整體包括剪切流變單元、乾濕循環單元、爆破擾動單元和用於檢測下剪切盒位移的位移量測系統；

剪切流變單元由反力架23、法向加壓系統1、切向加壓系統18、上剪切盒10和下剪切盒11構成，下剪切盒11位於反力架的底座15上，法向加壓系統和切向加壓系統均通過反力架支撐並且分別作用於上剪切盒和下剪切盒，法向加壓系統和切向加壓系統均由加載元件和剛性墊塊2構成，剛性墊塊2位於加載元件與加載元件作用的剪切盒之間，用於均勻施壓和傳遞振動擾動；

乾濕循環單元由水槽19、水泵20、進水管17、電熱絲9、出水管16和底板開設透水孔22的水箱8構成，本實施例中，上剪切盒10的盒底為中空結構，空腔通過位於上剪切盒盒底上的通孔與上剪切盒的盒腔連通，該空腔構成水箱8、該通孔構成透水孔22，出水管貫穿下剪切盒的盒底，水槽、進水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通，水泵20安裝於進水管17上，電熱絲9封裝於上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；

爆破擾動單元包括作用於法向加壓系統的法向擾動組件和作用於切向加壓系統的切向擾動組件，法向擾動組件和切向擾動組件均由剛性支架及其支撐的振動電機5構成，振動電機5安裝於剛性支架上並通過剛性支架作用於法向加壓系統和切向加壓系統，參見圖1和圖2，所述剛性支架由豎向支撐杆件7以及通過豎向支撐杆件連接的上剛性杆件3和下剛性杆件6構成，豎向支撐杆件7與上剛性杆件3和下剛性杆件6的連接位置均可調，優選在上剛性杆件3和下剛性杆件6上沿軸向開設2個以上螺紋孔、通過螺紋緊固件與豎向支撐杆件連接的方式實現連接位置的調節，當然也可以通過現有的任何其他結構實現連接位置的調節，下剛性杆件固定於反力架的底座上，穩定剛性支架整體，振動電機5固定於3上剛性杆件的其中一端，上剛性杆件的另一端與對應的剛性墊塊2焊接固定，振動電機5可人為設定振動頻率與振動時間，利用槓桿原理，通過調整豎向支撐杆件7的位置，可改變作用在法向加壓系統和切向加壓系統上的擾動強度；

參見圖3，所述位移量測系統為CCD位移自動量測系統，由光源發射器12、CCD晶片14和帶方形孔131的擋光片13構成，擋光片13直接安裝於下剪切盒上，光源發射器通過一支架固定於下剪切盒上、位於擋光片13正上方，並且與擋光片的方形孔131位置相對，CCD晶片14固定於底座上、位於擋光片13正下方。

利用上述考慮降雨和爆破振動反覆作用的巖土體剪切流變儀進行剪切流變試驗，具體實施步驟如下：

①首先設計好試驗過程中需要的擾動荷載強度與頻率，採用預實驗的方式，調整振動電機的頻率、豎向支撐杆件的位置，測定作用於加壓系統的擾動荷載強度與頻率是否符合要求，並進行相應的調整；

②將切割好的試樣放置在下剪切盒中，依次放置好上剪切盒、法向荷載傳遞裝置與剛性墊塊，調整剪切縫的大小，在下剪切盒上安裝光源發射器與開有方形孔的擋光片，在底座上安裝CCD晶片；

③按照試驗方案施加法向應力，達到預定法向應力之後開始逐級施加剪應力，開始剪切流變試驗；

④在剪切流變試驗過程中，按照預期的試驗方案，定期設定振動電機開關，模擬剪切流變試驗過程中的爆破擾動荷載；此外，定期通過水泵提供由一定滲透壓的水，通過水箱滲入試樣，待試樣飽和後對試樣進行烘乾處理，模擬剪切流變試驗過程中的降雨作用；

⑤在整個剪切流變試驗過程中，CCD位移自動量測系統實時自動記錄試樣的位移變化情況。