测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验装置及方法与流程

本发明涉及一种岩土体的实验装置及实验方法，具体是一种测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验装置及实验方法。

背景技术：

目前，随着经济的发展，基坑、边坡工程的数量持续增多，对基坑、边坡的安全性研究日益重视。针对基坑、边坡工程的室内模型实验都是相似性模拟实验，通过相似性，计算基坑、边坡在实际受到不同条件的动载和静载情况下的内部结构破坏位置、应力变化及位移变化信息。

传统研究基坑、边坡结构受载的装置主要是各式各样的静载装置，且应力加载面不能做到设置应力梯度，对于某些地质条件特殊、水平方向受力环境复杂或者地震活动较为强烈地区的基坑、边坡，不能做到更好的模拟岩土层的实际受力环境。

技术实现要素：

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种对模拟岩土层采用动加载和静加载结合的方式、从而可更好的模拟岩土层在实际环境下的受力情况的测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验装置。

本发明的另一目的是提供一种测试岩土体动载、静载作用下力学特性的方法。

按照本发明提供的技术方案，所述测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验装置，在试验台上固定有内外两块限位板，内外两块限位板均垂直于试验台的台面，且内外两块限位板呈平行设置，在内外两块限位板之间滑动安装有若干层左侧预制钢板与右侧预制钢板，左侧预制钢板垂直于试验台并垂直于限位板的台面，右侧预制钢板垂直于试验台并垂直于限位板的台面，同一层中的左侧预制钢板的宽度与右侧预制钢板的宽度相等，位于最上层的左侧预制钢板的上端面、右侧预制钢板的上端面与内外两块限位板的上端面平齐，在左侧预制钢板左侧的试验台上固定有霍普金森压杆控制器，在霍普金森压杆控制器上安装有数量与预制钢板层数相同的霍普金森压杆，每根霍普金森压杆的右端部均对准与其对应的左侧预制钢板的左侧壁几何中心进行固定，在右侧预制钢板右侧的试验台上固定有水平方向恒压控制器，在水平方向恒压控制器上安装有数量与预制钢板层数相同的水平方向恒压杆，每根水平方向恒压杆的左端部均对准与其对应的右侧预制钢板的右侧壁几何中心进行固定，在右侧预制钢板的右侧壁上固定有声发射探测头；

由左侧预制钢板、右侧预制钢板与内外两块限位板构成岩土层的填充空间，在填充空间内放置待测的岩土层，岩土层的上表面与左侧预制钢板、右侧预制钢板的上端面平齐，岩土层的下表面与左侧预制钢板、右侧预制钢板的下端面平齐，在岩土层内埋设位移传感器与土压力盒；

在最上层填充空间的上方设有竖直方向加载控制器，在竖直方向加载控制器上安装有若干竖直方向恒压杆，竖直方向恒压杆的下端部固定有刚性板，在刚性板的下表面固定有柔性垫；

还包括试验数据采集器、计算机主机与显示器；声发射探测头、位移传感器、土压力盒均与试验数据采集器相连，试验数据采集器、霍普金森压杆控制器、水平方向恒压控制器以及竖直方向加载控制器均与计算机主机连接，计算机主机与显示器连接。

作为优选，所述位移传感器与土压力盒均设置在岩土层内层厚中部位置并对应于水平方向恒压杆的左端部与霍普金森压杆的右端部之间位置，位移传感器与土压力盒之间间隔一段距离。

作为优选，在右侧预制钢板的右侧壁上并沿水平方向恒压杆为中心均设3个声发射探测头。

作为优选，所述岩土层的填充空间为长方体型。

一种测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验方法包括以下步骤：

a：将霍普金森压杆控制器、水平方向恒压控制器均与计算机主机相连，计算机主机与显示器连接；根据每实验岩土层厚度将霍普金森压杆控制器的每根霍普金森压杆与对应的左侧预制钢板的几何中心固定、将水平方向恒压控制器的水平方向恒压杆与对应的右侧预制钢板的几何中心固定，保证内外两块限位板在试验台上的安装位置正确，使左侧预制钢板、右侧预制钢板可沿两限位板间可水平方向自由滑动；

b：将每岩土层按相似模拟要求分层填充到由左侧预制钢板、右侧预制钢板与内外两块限位板构成的填充空间内，填充过程中将用于监测岩土层内土体位移参数的位移传感器与用于监测岩土层内土体压力参数的土压力盒埋设在岩土层内；

c：将用于监测岩土层内土体能量释放参数的声发射探测头固定到右侧预制钢板的右侧壁上，确保声发射探测头与右侧预制钢板贴合紧密不松动，将声发射探测头、位移传感器、土压力盒均与试验数据采集器相连，试验数据采集器与计算机主机相连；

d：将竖直方向加载控制器与计算机主机相连，根据实验要求，竖直方向加载控制器通过竖直方向恒压杆、刚性板与柔性垫将竖直方向上的恒压均匀加载到位于最上层的岩土层上；

e：根据实验要求，霍普金森压杆控制器对每一岩土层施加不同动载或者相同动载，在水平方向恒压杆和竖直方向恒压杆的恒压作用下，岩土层内会发生应力集中、变形；

f：试验数据采集器实时对整个动加载和静加载过程中的位移传感器所监测到的岩土层内的土体位移参数、土压力盒所监测到的岩土层内土体的压力参数以及声发射探测头所监测到的能量释放参数进行数据采集；

g：将试验数据采集器采集到的信息传输到计算机主机上进行数据分析，可得出实验岩土层整个动加载和静加载的过程中的位移情况、压力情况与能量释放情况并在显示器上进行显示。

本发明通过对岩土体采用动加载和静加载结合的加载方式，可以更好的模拟组合岩土体层试样在实际环境下的受力、变形情况，为后续工程实践提供理论支持。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的右视图。

图4是图1的a-a剖视图。

图5是本发明的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验装置，在试验台15上固定有内外两块限位板10，内外两块限位板10均垂直于试验台15的台面，且内外两块限位板10呈平行设置，在内外两块限位板10之间滑动安装有若干层左侧预制钢板41与右侧预制钢板42，左侧预制钢板41垂直于试验台15并垂直于限位板10的台面，右侧预制钢板42垂直于试验台15并垂直于限位板10的台面，同一层中的左侧预制钢板41的宽度与右侧预制钢板42的宽度相等，位于最上层的左侧预制钢板41的上端面、右侧预制钢板42的上端面与内外两块限位板10的上端面平齐，在左侧预制钢板41左侧的试验台15上固定有霍普金森压杆控制器7，在霍普金森压杆控制器7上安装有数量与预制钢板层数相同的霍普金森压杆5，每根霍普金森压杆5的右端部均对准与其对应的左侧预制钢板41的左侧壁几何中心进行固定，在右侧预制钢板42右侧的试验台15上固定有水平方向恒压控制器8，在水平方向恒压控制器8上安装有数量与预制钢板层数相同的水平方向恒压杆6，每根水平方向恒压杆6的左端部均对准与其对应的右侧预制钢板42的右侧壁几何中心进行固定，在右侧预制钢板42的右侧壁上固定有声发射探测头9；

由左侧预制钢板41、右侧预制钢板42与内外两块限位板10构成岩土层11的填充空间，在填充空间内放置待测的岩土层11，岩土层11的上表面与左侧预制钢板41、右侧预制钢板42的上端面平齐，岩土层11的下表面与左侧预制钢板41、右侧预制钢板42的下端面平齐，在岩土层11内埋设位移传感器14与土压力盒13；

在最上层填充空间的上方设有竖直方向加载控制器16，在竖直方向加载控制器16上安装有若干竖直方向恒压杆1，竖直方向恒压杆1的下端部固定有刚性板2，在刚性板2的下表面固定有柔性垫3；

还包括试验数据采集器100、计算机主机200与显示器300；声发射探测头9、位移传感器14、土压力盒13均与试验数据采集器100相连，试验数据采集器100、霍普金森压杆控制器7、水平方向恒压控制器8以及竖直方向加载控制器16均与计算机主机200连接，计算机主机200与显示器300连接。

所述位移传感器14与土压力盒13均设置在岩土层11内层厚中部位置并对应于水平方向恒压杆6的左端部与霍普金森压杆5的右端部之间位置，位移传感器14与土压力盒13之间间隔一段距离。

在右侧预制钢板42的右侧壁上并沿水平方向恒压杆6为中心均设3个声发射探测头9。

所述岩土层11的填充空间为长方体型。

一种测试岩土体动载、静载作用下力学特性的实验方法包括以下步骤：

a：将霍普金森压杆控制器7、水平方向恒压控制器8均与计算机主机200相连，计算机主机200与显示器300连接；根据每实验岩土层11厚度将霍普金森压杆控制器7的每根霍普金森压杆5与对应的左侧预制钢板41的几何中心固定、将水平方向恒压控制器8的水平方向恒压杆6与对应的右侧预制钢板42的几何中心固定，保证内外两块限位板10在试验台15上的安装位置正确，使左侧预制钢板41、右侧预制钢板42可沿两限位板10间可水平方向自由滑动；

b：将每岩土层11按相似模拟要求分层填充到由左侧预制钢板41、右侧预制钢板42与内外两块限位板10构成的填充空间内，填充过程中将用于监测岩土层11内土体位移参数的位移传感器14与用于监测岩土层11内土体压力参数的土压力盒13埋设在岩土层11内；

c：将用于监测岩土层11内土体能量释放参数的声发射探测头9固定到右侧预制钢板42的右侧壁上，确保声发射探测头9与右侧预制钢板42贴合紧密不松动，将声发射探测头9、位移传感器14、土压力盒13均与试验数据采集器100相连，试验数据采集器100与计算机主机200相连；

d：将竖直方向加载控制器16与计算机主机200相连，根据实验要求，竖直方向加载控制器16通过竖直方向恒压杆1、刚性板2与柔性垫3将竖直方向上的恒压均匀加载到位于最上层的岩土层11上；

e：根据实验要求，霍普金森压杆控制器7对每一岩土层11施加不同动载或者相同动载，在水平方向恒压杆6和竖直方向恒压杆1的恒压作用下，岩土层11内会发生应力集中、变形；

f：试验数据采集器100实时对整个动加载和静加载过程中的位移传感器14所监测到的岩土层11内的土体位移参数、土压力盒13所监测到的岩土层11内土体的压力参数以及声发射探测头9所监测到的能量释放参数进行数据采集；

g：将试验数据采集器100采集到的信息传输到计算机主机200上进行数据分析，可得出实验岩土层11整个动加载和静加载的过程中的位移情况、压力情况与能量释放情况并在显示器300上进行显示。

本发明中，霍普金森压杆5的数量以及水平方向恒压杆6的数量根据实验岩土层11层数而设置。

本发明中，霍普金森压杆控制器7、水平方向恒压控制器8以及竖直方向加载控制器16均采用plc进行控制。

本发明中，声发射探测头9采用长沙鹏翔电子科技有限公司提供的pxwae-4g4通道千兆网声发射仪；土压力盒13采用泰安科大洛赛尔传感器技术有限公司提供的tgh型振弦式土压力盒；位移传感器14采用南京葛南实业有限公司提供额vwd-c型振弦式土体位移计用。

本发明中，试验数据采集器100包括与土压力盒13配合使用的gsj－2a型电脑检测仪以及与位移传感器14配合使用的gda1602(4)型振弦采集模块。