一種可視化直剪儀裝置及方法與流程

2023-05-18 09:04:51

本發明涉及土木工程領域，具體涉及一種可視化直剪儀裝置及方法。

背景技術：

直剪儀是土工試驗中常規的一種試驗設備，傳統的直剪儀由於試驗材料、設備等原因，在測量土體抗剪強度時，無法直觀的反映土體受剪過程中內部的剪切變化狀態，只能通過後期數據分析或者觀察受剪破壞後的土體狀態進而推斷其受剪過程中內部可能的剪切變化狀態，存在「黑箱」問題，分析滯後，較為複雜過程較慢，且對試驗的準確性、可信度以及完整性造成了一定的影響，同時對科研人員進一步研究抗剪強度等特性造成了一定的阻礙。

此外，傳統的直剪儀在測量土的抗剪強度時，需要手動控制剪切力施加裝置，同時無法直接測量剪切位移，需要通過記錄手輪的轉數，手輪每轉一圈剪切位移是多少廠家會提供信息，通過手輪的轉數乘以每圈的剪切位移得到總的剪切位移，但是這樣工作量會很大，你既要讀取量力環的讀數，還得數著手輪的轉數，一個人完成的話有點困難，同時容易產生較大的試驗誤差；同時由於傳統的直剪儀無法測量垂直方向位移，在研究巖土體的剪脹性等物理性質方面存在一定的欠缺。

技術實現要素：

針對上述問題，為了解決現有技術的不足，本發明的第一目的是提供一種可視化直剪儀裝置，該裝置可實現土體剪切過程中內部剪切變化狀態的可視化操作，同時操作簡便，精確度高，極大地減少了試驗人員的工作量。

本發明的第二目的是一種可視化直剪儀裝置的操作方法，通過該方法實現試樣的製作，具體的操作步驟，實現直剪儀的有效可視化操作。

本發明提供的第一方案是：

一種可視化直剪儀裝置，包括：

上下對應設置的土樣盒，土樣盒設於滑動框內，土樣盒均由透明或半透明材料製成，在土樣盒內設置由透明或半透明材料製成的類土體試樣，以便於肉眼觀測；

在土樣盒上方設置加壓蓋，加壓蓋與用於向試樣施加垂直載荷的豎向加載裝置固定，在加壓蓋與豎向加載裝置之間設置分別與控制系統單獨連接的豎向荷載拉壓力傳感器和豎向位移傳感器，以獲得豎向荷載拉壓力和豎向位移，加壓蓋對試樣進行直接接觸

在土樣盒的一側或兩側設置與土樣盒連接的水平荷載裝置，在試樣上方或一側設置片光源雷射器，片光源雷射器設置在試樣上方時，加壓蓋是透明材料以使雷射通過；或者，片光源雷射器設於水平荷載裝置的一側，距離水平荷載裝置設定的距離，如1cm～3cm，片光源雷射器發射雷射以在試樣內形成切面，切面內形成粒子散斑，在土樣盒的一側設置攝像機以記錄粒子散斑圖像，數據採集過程較快，此外，本裝置還實現了豎向位移和豎向荷載拉壓力數據的獲得，指導意義更貼近實際，測量數據更加準確可靠。

或者，水平荷載拉壓力傳感器設置於土樣盒上部，水平位移傳感器位於土樣盒下部，靠近底部，這樣土樣盒中間就會空出位置，片光源雷射源設置於土樣盒中部的一側，雷射就可以照射在剪切面上，這樣就會形成粒子散斑，雖然會存在上部下部無法形成散斑的情況，但是主要研究的中間部位會形成散斑。

由上述直剪儀的設置，可實現操作人員對土樣盒內試樣在應力變化過程中的直觀觀測，同時，通過片光源雷射器的設置，可發射片狀雷射照射在土樣盒內，使土樣盒內部出現粒子散斑，再由攝像機對粒子散斑的運動進行記錄，以便於後續的分析。

其中，在土樣盒一側設置水平位移傳感器，在土樣盒與水平荷載裝置之間設置水平荷載拉壓力傳感器，所述水平位移傳感器、水平荷載拉壓力傳感器分別與控制系統單獨連接。

所述水平荷載裝置包括動力源，動力源帶動推進杆與土樣盒連接，動力源與控制系統連接，由動力源如電機帶動推進杆推動土樣盒的橫向位移。

所述推進杆一側與所述的攝像機連接，實現攝像機、土樣盒與推進杆的同時移動；攝像機與所述控制系統連接以分析採集的粒子散斑圖像，控制系統為計算機，可實現對各傳感器檢測數據的記錄。

在所述下剪切盒相對於推進杆的另一側設置與上剪切盒連接的前置頂杆，前置頂杆與後置頂頭連接以對壓緊或分離頂杆與上剪切盒，所述水平荷載拉壓力傳感器設於前置頂杆與後置頂頭之間，後置頂頭對水平荷載拉壓力傳感器起到固定作用。

所述土樣盒包括上剪切盒和下剪切盒，具體地，水平位移傳感器通過水平位移傳感器底座與下剪切盒固連，水平荷載拉壓力傳感器與上剪切盒配合。

進一步地，下剪切盒設置於所述的滑動框內，滑動框上表面設置滾珠，滑動框固定於試驗平臺上。

所述攝像機設有兩個，均為CCD工業相機，一個設於上剪切盒的一側，另一個設於下剪切盒的一側，以分別觀測上剪切盒內與下剪切盒內類土體試樣的變化情況，因類土體與實際粘土或砂性土的性質相同，可更好地指導實際。

為了實現試樣受壓過程變化情況的可視，所述類土體試樣為熔融石英砂來模擬砂性土，採用無定型矽石粉末模擬粘性土，對粘性土，配置設定濃度的溴化鈣溶液模擬水的性質，其中配製的溴化鈣溶液的折射率應與無定型矽石粉末相同。為了貼近實際工況，在試樣中設有混合液體以模擬水，混合液體以正十二烷與白油按設定比例配製。

本發明提供的第二個方案是：

一種可視化直剪儀裝置的操作方法，具體步驟如下：

1)材料配置：製備試樣並放置於土樣盒內；

2)儀器連接：將豎向加載裝置、水平荷載裝置、攝像機、水平荷載拉壓力傳感器、水平位移傳感器、豎向荷載拉壓力傳感器和豎向位移傳感器分別與控制系統連接；通過數據採集軟體根據剪切變形間隔或時間間隔實現試驗數據採集、傳感器標定功能、試驗數據圖表的實時顯示、電機速率控制；

3)進行試驗：打開片光源雷射器，對試樣施加垂直荷載，根據進行的應力控制式直剪試驗和應變控制式直剪試驗的不同，通過電腦相關軟體進行相應的參數設置，實現實時測量，同時利用攝像機進行粒子散斑圖像的實時採集，直至試樣發生剪切破壞；

4)清理裝置：撤去垂直壓力，取出試樣，清理剪切盒，將各裝置歸置好。

5)試驗結果處理：試驗結束後，可採用Excel等多種形式輸出試驗數據以及相應的參數變化曲線，利用相應的數據圖像分析軟體如PIV軟體(PIV粒子圖像測速技術)對攝像機採集的粒子散斑圖像照片進行分析。

本發明的有益效果是：

1、實現了土體剪切過程中內部剪切變化狀態的可視化操作，使以往剪切試驗中存在的「黑箱」問題得到了一定程度的解決。

2、可用於教學試驗中，有利於學生直觀的觀察剪切過程中土體內部剪切變化狀態。

3、通過實現剪切過程的可視化，增加了試驗的準確性和可信度。

4、有利於相關科研人員測定抗剪強度的準確性以及提高其精確度等開展進一步的研究。

5、在相應數字照相變形量測技術的基礎上，對採集的粒子散斑圖像進行研究分析，得到剪切過程中試樣的剪切變化狀態以及相應的位移場、速度場等數據信息，為相關科研人員進行其他方面的研究提供了一種新的方法和思路。

6、本直剪儀裝置採用電腦控制，均勻加載，自動採集，操作簡便，試驗精度大大提高，同時極大地減少了試驗人員的工作量。

7、本直剪儀裝置採用電腦控制，可實時採集剪切過程豎向應力—豎向位移、剪切應力—剪切位移、豎向位移—剪切位移等多種變化曲線，既可進行應力控制式直剪試驗，又可進行應變控制式直剪試驗，可對巖土體的剪脹性等物理性質進行一定的研究。

8、本直剪儀裝置採用電腦控制，試驗結束後，可通過Excel等多種形式輸出試驗數據以及相應的參數變化曲線，極大地方便了試驗人員進行相應的數據處理，大大減少了後續工作時間，提高了工作效率。

附圖說明

圖1是本發明直剪儀裝置結構示意圖；

圖2是本發明剪切盒剖視圖；

圖3是本發明剪切盒側視圖；

圖4是本發明直剪儀滑動框俯視圖。

其中，1、試驗平臺；2、推動座；3、推進杆；4、電機；5、變速箱；6、上剪切盒；7、下剪切盒；8、加壓蓋；9、豎向荷載拉壓力傳感器；10、豎向位移傳感器；11、加壓橫杆；12、可控式加壓裝置；13、水平荷載拉壓力傳感器；14、後置頂頭；15、位移傳感器底座；16、水平位移傳感器；17、片光源雷射器；18、銷釘；19、CCD工業相機；20、CCD工業相機連杆裝置；21、滑動框；22、滾珠；23、固定螺栓；24、電腦；25、前置頂杆。

具體實施方式

下面結合說明書附圖具體實施例對本發明作進一步的描述：

實施例1

如圖1—圖4所示，一種可視化直剪儀裝置，其中該直剪儀包括試驗平臺1、通過滑動框20與試驗平臺1相配合的下剪切盒7，下剪切盒7上設置有上剪切盒6，所述上、下剪切盒由試驗材料折射率相同的透明有機玻璃製成，下剪切盒7的開口與上剪切盒6的開口對應，下剪切盒7的尺寸大於上剪切盒6的尺寸，所述上剪切盒6上設置有與上剪切盒6相對的加壓蓋8，上剪切盒6頂部設置開口，用於加壓蓋8與試樣接觸，所述加壓蓋8與豎向荷載拉壓力傳感器9和豎向位移傳感器10相連，豎向荷載拉壓力傳感器9和豎向位移傳感器10的上端與加壓橫杆11相連，所述加壓橫杆11上端與可控式加壓裝置12相配合。所述上剪切盒6一側與水平荷載拉壓力傳感器13相連，所述下剪切盒7一端與推進杆3相配合，另一端與水平位移傳感器16相連。

上剪切盒6、下剪切盒7二者兩側對角線分別設有對應的第一銷釘孔和第二銷釘孔，所述銷釘通過第一銷釘孔插入第二銷釘孔，所述銷釘由透明的有機玻璃或普通材料製成。

水平荷載裝置包括電機4、變速箱5、推進杆3和推進底座2，所述推進杆3與所述下剪切盒7接觸，且所述推進杆3一側設有連接CCD工業相機的連杆裝置20，以達到相機19與推進杆3、下剪切盒7同步運動、相對靜止的目的。

所述豎向加載裝置包括加壓橫杆11和可控式加壓裝置12，加壓蓋8下端與所述上剪切盒6相互作用，上端與豎向荷載拉壓力傳感器9和豎向位移傳感器10相配合，所述豎向荷載拉壓力傳感器9和豎向位移傳感器10相互平行，且二者上端分別與所述加壓橫杆11相連，所述加壓橫杆11上端與所述可控式加壓裝置12相配合。

所述水平荷載拉壓力傳感器13一端通過前置頂杆25與所述上剪切盒6相配合，另一端與後置頂頭14相配合，所述後置頂頭14起固定的作用，水平荷載拉壓力傳感器13為S型拉壓力傳感器。

所述水平位移裝置包括水平位移傳感器16和位移傳感器底座15，所述水平位移傳感器16與下剪切盒7相配合。

在上下剪切盒內試樣上方設置片光源雷射器，此時加壓蓋同樣是透明材料，以在試樣內形成切面，切面內形成粒子散斑，在上下剪切盒的一側設置攝像機以記錄粒子散斑圖像。或者，片光源雷射器設於水平荷載裝置的一側，距離水平荷載裝置設定的距離，如1cm～3cm，片光源雷射器發射雷射以在試樣內形成切面。

實施例2

本實施例與實施例1的區別是：

水平荷載拉壓力傳感器設置於土樣盒上部，水平位移傳感器位於土樣盒下部，靠近底部，這樣土樣盒中間就會空出位置，片光源雷射源設置於土樣盒中部的一側，雷射就可以照射在剪切面上，這樣就會形成粒子散斑，雖然會存在上部下部無法形成散斑的情況，但是主要研究的中間部位會形成散斑。

實施例3

一種可視化直剪儀裝置操作方法：

(1)材料配置：根據所要研究的土的性質(如砂性土、粘性土等)，選擇相應的透明土顆粒材料模擬自然土體顆粒，選擇相應的孔隙流體材料模擬自然土體中的孔隙液體(通常為水)，選擇的透明土顆粒材料和孔隙流體材料必須具有良好的透明度。例如選擇熔融石英砂模擬砂性土，正十二烷與白油按一定比例配製成混合液體模擬水的性質，其中配製的正十二烷與白油的混合液體的折射率應與熔融石英砂相同，進而保證配製土體的透明度。

(2)試樣製備：根據需要測試的不同類型土體的性質選擇不同的材料配置透明土試樣後，真空固結，用環刀切取試樣，用切土刀刮平環刀兩側。

(3)試樣安裝：將直剪儀按要求安裝好，裝入試樣。

(4)儀器調試：將電機4、CCD工業相機19、可控式加壓裝置12、豎向荷載拉壓力傳感器9、豎向位移傳感器10、水平荷載拉壓力傳感器13和水平位移傳感器16均與電腦相連接，將直剪儀各部分調整到相應的試驗狀態，調整CCD工業相機19，使鏡頭成像清晰，打開片光源雷射器17，使試樣內部呈現清晰的粒子散斑。

(5)進行試驗：通過電腦24控制對試樣施加垂直荷載，根據進行的應力控制式直剪試驗和應變控制式直剪試驗的不同，通過電腦相關軟體進行相應的參數設置，實現實時測量，同時利用CCD工業相機19進行粒子散斑圖像的實時採集，直至試樣發生剪切破壞。

(5)清理裝置：撤去垂直壓力，取出試樣，清理剪切盒等試驗裝置，將各裝置歸置好。

(6)試驗結果處理：試驗結束後，可通過Excel等多種形式輸出試驗數據以及相應的參數變化曲線，利用相應的軟體對相機採集的粒子散斑圖像照片進行分析。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不是本發明的全部實施例，不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

除說明書所述技術特徵外，其餘技術特徵均為本領域技術人員已知技術，為了突出本發明的創新特點，上述技術特徵在此不再贅述。