一种砂土与结构接触面剪切特性的观测方法与流程

本发明涉及一种岩土工程试验研究的观测方法，尤其是涉及一种室内大型直剪试验中砂土与结构接触面剪切特性的观测方法。

背景技术：

土与结构的相互作用问题在岩土工程中广泛存在，一直是岩土工程领域长期研究的课题。如挡土结构中墙与墙后土的接触、土坝混凝土心墙和土的接触、桩与桩周土体的接触、土工织物与土的接触等等。由于两种接触材料物理力学性质差异很大，因此，在受到外部荷载时，两种材料的变形也不一致，这样就会在界面上产生较大的剪应力，影响结构的受力安全。因此，正确地分析接触面上的受力变形机理和剪切破坏的发展，并进行合理的计算，对结构的安全是至关重要的。土与结构接触面的剪切特性的研究是解决土与结构相互作用的前提和理论基础。

目前对土与结构物剪切特性研究主要有试验研究和数值模研究。试验研究主要是大型直剪试验，数值模拟主要有限元和离散元的方法。目前试验研究的不足之处有：(1)不能实现接触面的可视化；(2)不能很好地观察剪切带的变形形态。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种砂土与结构接触面剪切特性的观测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种砂土与结构接触面剪切特性的观测方法，包括以下步骤：

(1)取上下两个剪切盒叠放，在下部的剪切盒内安置结构物，上部的剪切盒内填试验砂土，保证结构物的底部与下部的剪切盒的上边缘齐平，结构物与试验砂土接触；

(2)在试验砂土上均匀开设多排定位孔，并保证定位孔垂直贯穿整个试验砂土并直至结构物表面；

(3)再往定位孔内灌满上色砂土，形成上色砂土条；

(4)按设计要求对剪切盒施加特定荷载，使试验砂土与结构物之间发生剪切；

(5)拆下上部剪切盒的一端，从外到内除去试验砂土，并完全暴露某一排的上色砂土条的形状，采集每一个上色砂土条的剪切变形临界点的空间位置；

(6)重复步骤(5)的操作，进行下一排的上色砂土条的剪切变形临界点的空间位置的采集；

(7)对获得的所有上色砂土条的剪切变形临界点进行拟合得到空间曲面，即得到所述特定荷载下的试验砂土与结构物的剪切带的空间分布。

上色砂土条的形成具体包括以下方法：

(a)取均匀分布有限位孔的限位板放置在试验砂土上，用成孔器通过限位孔在试验砂土上开设刚好贯穿试验砂土的定位孔；

(b)再取上色砂土从限位孔处灌入定位孔，灌满后取出限位板，即在试验砂土中形成上色砂土条。

优选的，所述的上色砂土通过以下方法制成：取与试验砂土材质一样的砂土，置于上色染料中浸泡，烘干，即得到上色砂土。

更优选的，所述的上色染料为在水中不褪色的上色油性染料。

更更优选的，所述的上色油性染料为红色油性染料。

优选的，上部的剪切盒由四块钢板活动连接组成矩形的可拆卸结构。

更优选的，所述的四块钢板之间通过螺栓结构连接。

优选的，采集数据的工具包括测距尺和摄像机。

本发明提出的观测方法由可拆卸的剪切盒、限位板、成孔器、上色砂土、铁铲、工具刀、测距尺和摄像机等共同实施，其中，所述可拆卸的剪切盒上盒填试验砂土，下盒安置结构物，用来模拟土与结构物的剪切作用；所述限位板用来控制定位孔的位置以及疏密程度，限位板放置在上剪切盒中的土层的顶面；所述成孔器通过限位板上的限位孔在砂土中进行成孔；所述上色砂土用来灌满所打的定位孔，进行颜色标识；所述铁铲和工具刀用来铲土；所述钢尺用来测量彩色沙条的变形；所述摄像机用来记录彩色沙条的图像信息。通过对比试验前后的彩色砂条的变化可以揭示土与结构物相互作用的机理。

与现有技术相比，本发明提供了一种适用于观测砂土与结构物接触面剪切变形特性的细观研究方法，能够方便的观测和测量结构物表面土颗粒的变形形态和规律，揭示土与结构物相互作用时剪切带的空间分布特性。

附图说明

图1为剪切前本发明的观测系统的结构示意图；

图2为剪切完毕后本发明的观测系统的结构示意图；

图3为上部剪切盒的结构示意图；

图4为限位板的结构示意图；

图5为本发明的实验结果图；

图中，1-上部剪切盒，2-下部剪切盒，3-结构物，4-上色砂土条，5-成孔器，6-限位孔，7-限位板，8-试验砂土，9-定位孔，10-临界变形点，11-测距尺，12-上剪切盒前端，13-上剪切盒后端，14-上剪切盒左端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种砂土与结构接触面剪切特性的观测方法，具体包括以下步骤：

(1)制备上色砂土。选取的染料为红色油性染料，该染料的优点为用其所染的砂土在水中不褪色，满足试验需求。为了使上色砂土不影响试验结果，所染色的砂土为试验砂土8，保证砂土的一致性。

(2)按试验要求在下部剪切盒2安置结构物3，要求结构物3表面与下部剪切盒2上边缘齐平。在上部剪切盒1中分层填入试验砂土8，填完后把砂土整平。

(3)在填好的试验砂土8的上表面放置带限位孔6的限位板7。

(4)用成孔器5通过限位板7上的限位孔6，在试验砂土8中制备一系列的定位孔9，定位孔9垂直贯穿整个试验砂土8，直至结构物3的表面。限位板7的主要作用是用来限制上色砂土条4的空间位置，保证彩色砂条的垂直度。

(5)制孔结束后，取出成孔器5，暂不取出限位板7。通过限位板7上的限位孔6在上述竖直孔洞内灌入自制的上色砂土。

(6)上色砂土灌入完毕后取出限位板7，此时，整个观测系统的结构如图1所示。

(7)将两个剪切盒固定就位，按设计要求施加荷载和剪切，剪切完毕后停止加载后，将上剪切盒前端12打开，此时，整个观测系统的结构如图2所示。

(8)从打开上部剪切盒1的一侧用铁铲从外向里把土样铲出，直至完全暴露正排上色砂土条4为止。

(9)将测距尺11放置在需要采集数据的上色砂土条4旁边。架好的摄像机拍摄图像，完成图像采集。

(10)重复上述步骤(8)的操作，完成每一排所有上色砂土条4的图像信息采集。

(11)在剪切过程中靠近结构物3表面的土颗粒会产生一定的变形，形成具有一定厚度的剪切带。可知上色砂土条4靠近接触面的一定范围内也会产生变形，这样在上色砂土条4上就存在一个临界变形点10，此位置以下的上色砂土颗粒都发生了颗粒运动，以上位置没有发生颗粒运动。此位置距离结构物3表面的距离就是剪切带在此处的厚度，用坐标Z来表示。可知，每个上色砂土条4都有一个这样的空间临界位置，该临界位置也对应着一个空间三维坐标X_i、Y_i、Z_i。X_i为距上剪切盒左端14的距离，Y_i为距离上剪切盒后端13的距离，Z_i为上色砂土条4变形位置的高度，参见图3和图4。数据处理时记录每个上色砂土条4临界位置的空间坐标，所有临界位置空间坐标点构成的空间曲面就是剪切带在空间的分布规律。

实施例2

采用如实施例1所示的方式，具体选择：步骤(1)的砂土为ISO标准砂，结构物为粗糙度R＝8mm的PVC硬质板；步骤(7)中的法向加载应力为200Kpa，剪切位移为30mm。在上述条件下采集各上色砂土条的变形临界点，拟合作图可得此条件下的剪切带的空间分布，具体如图5所示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。