模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统及方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统及方法。


背景技术：

2.随着社会的发展和城市化进程的加快，土地需求与供应之间的矛盾越来越明显。城市建筑物密集程度越来越高，为解决此类问题，人们不得不向天空和地下发展，地下空间的开发利用日益受到重视。与此同时，存在一些基坑工程不得不紧临城市重要建筑设施，使得基坑工程呈现“大、紧、深”的特点。在基坑开挖、桩基施工和隧道施工等施工过程中，不可避免的对周围土体造成扰动和对邻近既有建筑造成影响，对于软黏土地区，由于天然淤泥质黏土结构性强，灵敏度高，因此外界对土体产生的扰动非常明显。尤其对于深基坑工程来说，由于其施工地质环境复杂和技术难度大，人们对由基坑开挖引起的坑周土体性质的改变、土体结构和土体介质的变形、失稳、破坏的发展过程研究不足，即使有所研究，却缺乏较好地理论和方法进行解决，导致地下工程施工过程中产生基坑边坡失稳和坍塌的事故屡见不鲜。综上所述，由基坑开挖土体扰动造成土体强度损失而引起的工程事故非常严重，基坑开挖严重影响着邻近既有建筑物、构筑物等结构工程的安全，而在基坑开挖过程中对扰动土体的强度损失方面的研究还不是很多，以至于不能及时采取合理有效的支护手段。
3.基坑开挖的过程中，由于大型机械开挖产生振动，会对土体产生疲劳扰动效应，包括边坡失稳，地下水位下降、地基下沉等，严重影响了安全生产。因此，基坑土体剪切破坏机理研究对土体的长期稳定性评价具有重要价值，深入研究基坑土体发生剪切破坏的规律和周期荷载作用下地质体变形过程的演化规律是十分必要的。
4.伴随着dic技术的发展，近年来被学术界广泛应用于工程实践中，此项技术具有光路简单、环境适应性好、测量范围广以及自动化程度高等诸多优点。dic技术可代替引伸计来测量土试样在拉伸中的实时应变分布。对于传统的拉伸与直剪试验，要想获得实验过程中的应变数据，就需要在土试样上装卡一个引伸计来得到应变的数据，它测量的是土试样的平均应变，而dic技术可以给出土试样中点对点的应变信息，从而可以画出实验过程中的应变分布云图的变化过程，为分析研究土试样的变形行为及剪切破坏机理提供了良好的途径。但是，现有技术中还没有将dic技术与土体剪切破坏的可视化相结合的试验系统，无法从视觉上直观真实地分析土试样各个阶段应变的变化情况。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统及方法，不仅可以模拟振动过程中形成的周期荷载对土体结构的剪切破坏模式，通过直剪试验测出土样内摩擦角、内聚力等力学参数，还可以准确反映每个时刻试件表面点的位移大小，从视觉上更加直观真实地分析土试样各个阶段应变的变化情况。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统，其特征在于：包括安装座和反力框架，所述反力框架内设有用于固定土样的土样固定组件，所述安装座与所述反力框架内设有用于产生工程扰动的工程扰动模拟组件，所述工程扰动模拟组件与所述土样固定组件连接；所述安装座上还安装有控制器，所述控制器与所述工程扰动模拟组件连接；所述可视化试验系统还包括可视化组件，所述可视化组件位于所述反力框架的侧面。
8.进一步的，所述土样固定组件包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒和下剪切盒可拆卸连接，所述上剪切盒的底部开设有上土样固定槽，所述下剪切盒的顶部开设有与所述上土样固定槽相匹配的下土样固定槽，所述土样安装在所述上土样固定槽和所述下土样固定槽之间；
9.所述上剪切盒的底部开设有两个上弧形槽，两个所述上弧形槽对称分布在所述上土样固定槽的两侧，所述下剪切盒的顶部开设有两个与所述上弧形槽相对应的下弧形槽，所述上弧形槽与所述下弧形槽之间设有滑动组件。
10.进一步的，所述滑动组件为设置在相互对应的上弧形槽与下弧形槽之间的尼龙棒。
11.进一步的，所述滑动组件包括设置在所述上弧形槽内的上固定组件，以及设置在所述下弧形槽内的下固定组件，所述上固定组件与所述下固定组件之间也为可拆卸连接；
12.所述上固定组件包括上半圆柱杆，所述上半圆柱杆内转动设有第一转轴，所述上半圆柱杆沿轴向开设有与所述第一转轴相匹配的转动槽，所述转动槽的端部连通设有安装孔，所述安装孔贯穿所述上半圆柱杆的顶部和底部，所述第一转轴的一端位于所述安装孔内，且所述第一转轴位于所述安装孔内的一端固设有第一伞齿轮，所述安装孔内还设有第二伞齿轮，所述第一伞齿轮与所述第二伞齿轮啮合设置，所述第二伞齿轮内固定设有内螺纹套筒，所述内螺纹套筒的外侧壁上转动设有两个支撑杆，所述支撑杆远离所述内螺纹套筒的一端与所述安装孔的侧壁固定连接，所述内螺纹套筒内螺纹连接有限位螺杆。
13.进一步的，所述上剪切盒上还开设有第一限位孔，所述第一限位孔位于所述安装孔的上方，所述下固定组件上与所述安装孔相对应的位置处开设有第二限位孔，所述第一限位孔和第二限位孔内均固设有限位方杆，所述限位螺杆内开设有与所述限位方杆相匹配的方形通孔；
14.所述方形通孔的顶部对称开设有两个第一卡合槽，所述第一卡合槽内固设有弹簧钢挂钩，所述限位方杆的外侧壁上开设有与所述第一卡合槽相匹配的第二卡合槽，所述第二卡合槽的底部固设有卡合凸块；
15.所述下固定组件与所述上固定组件结构相同，安装位置相互对称。
16.进一步的，所述工程扰动模拟组件包括横向千斤顶、纵向千斤顶和油源，所述横向千斤顶位于所述反力框架的内侧壁上，所述纵向千斤顶位于所述反力框架的顶壁上，所述横向千斤顶的自由端与所述下剪切盒的外侧壁连接，所述上剪切盒的顶部设有上压垫块，所述纵向千斤顶的自由端与所述上压垫块的顶面接触但不连接；所述油源与所述横向千斤顶和纵向千斤顶连接，所述控制器与所述油源控制连接。
17.进一步的，所述反力框架的底部固设有下压垫块，所述下压垫块与所述下剪切盒之间设有多个圆辊；
18.所述反力框架的内侧壁上还安装有反力垫块，所述反力垫块与所述横向千斤顶位
于所述反力框架相对的两个侧壁上，且所述反力垫块与所述上剪切盒的外侧壁接触但不连接。
19.进一步的，所述上压垫块和所述下压垫块上均安装有千分表，所述反力框架的顶部和底部均安装有用于固定所述千分表的磁力表座。
20.进一步的，所述可视化组件包括三脚架，所述三脚架的顶部安装有转盘，所述转盘的顶部安装有摄像机。
21.进一步的，模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，
22.s1：设计实验方案，包括土样的尺寸大小、用来模拟工程扰动过程中产生疲劳扰动的周期荷载形式；
23.s2：制备不同尺寸的土样，在土样表面喷涂黑白漆，以获取散斑点，作为土样的标记；
24.s3：将土样安装在土样固定组件中，调整土样的位置；
25.s4：调整可视化组件的高度以及角度，对准土样，观察土样表面的散斑点，调整后直至清晰；
26.s5：通过控制器输入既定的周期荷载，启动试验系统，记录试验数据，直至土试样剪切破坏；
27.s6：待该组试验完成后，重复上述操作过程，进行多组试验，记录多组数据，用于分析不同周期荷载作用下剪切破坏的规律；
28.s7：全部试验完成后，依次关闭控制器以及试验系统；
29.s8：对试验数据进行处理。
30.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
31.1、本发明中模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统，主要针对基坑开挖过程中大型机械施工对周围土体造成的疲劳扰动以及土体的剪切破坏，由于无法对现场基坑开挖进行大型试验，采用室内相似试验进行，通过从现场取样或者根据相似原理制备不同尺寸大小的土试样，在土试样的表面喷涂黑白漆，获取散斑点后，置于上剪切盒与下剪切盒中间，只需要通过控制器设置加载方式如正弦波、三角波、矩形波等周期荷载，用以模拟现场基坑开挖机械施工过程中产生的疲劳扰动，同时可以利用安装在上压垫块与下压垫块的四个千分表实时监测土样在每个方向的整体形变量。本发明中的可视化试验系统结构简单，操作便捷，不仅可以模拟振动过程中形成的周期荷载对土体结构的剪切破坏模式，通过直剪试验测出土样内摩擦角、内聚力等力学参数，还可以准确反映每个时刻试件表面点的位移大小，从视觉上更加直观真实地分析土试样各个阶段应变的变化情况。
32.2.本发明可结合dic技术追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量；dic技术在整个测量的过程中，只需要以一台(2d)或两台(3d)至多台(阵列)图像采集器(本发明中只采用了一台摄像机)，拍摄变形前后待测对象图像，经图像比对运算后3d全场应变数据分布即可一目了然，避免了应变片需花费大量时间做表面的磨平及黏贴，同时也只能测量到一个点某个方向的应变数据的问题。dic技术获得的数据为测量范围内的3d全场数据信息，在室内室外的普通环境均可使用，应变测量范围从0.005％到2000％，配合不同的图像采集硬件，测量对象尺度可以从纳米级到卫星图像的
千米级，理论上只要能够获取高质量的图像，即可进行精确的应变与变形测量，试验过程可追溯、可评估相关图像数据可反复分析处理，以实现不同研究目的，而无须重复试验，节约经济和时间成本。
附图说明
33.图1为本发明实施例一中可视化试验系统结构示意图。
34.图2为本发明实施例一中可视化试验系统结构后视图。
35.图3为本发明实施例一中可视化组件结构示意图。
36.图4为本发明实施例一中土样固定组件结构示意图。
37.图5为本发明实施例一中上剪切盒和下剪切盒结构示意图。
38.图6为本发明实施例二中上半圆柱杆和下半圆柱杆分离状态结构示意图。
39.图7为本发明实施例二中上半圆柱杆和下半圆柱杆连接状态结构示意图。
40.图8为本发明图6中a部分结构局部放大图。
41.图9为本发明图7中c部分结构局部放大图。
42.图10为本发明实施例二中限位方杆与限位螺杆之间连接结构示意图。
43.图11为本发明图7中bb方向剖面结构示意图。
44.其中：1-安装座，2-反力框架，3-土样，4-控制器，5-上剪切盒，501-上土样固定槽，502-上弧形槽，6-下剪切盒，601-下土样固定槽，602-下弧形槽，7-横向千斤顶，8-纵向千斤顶，9-油源，10-上压垫块，11-下压垫块，12-圆辊，13-反力垫块，14-第一管线，15-第二管线，16-第三管线，17-第四管线，18-千分表，19-磁力表座，20-三脚架，21-转盘，22-摄像机，23-尼龙棒，24-上半圆柱杆，25-第一转轴，26-转动槽，27-安装孔，28-第一伞齿轮，29-第二伞齿轮，30-内螺纹套筒，3001-支撑杆，31-限位螺杆，32-第一限位孔，33-第二限位孔，34-限位方杆，35-方形通孔，36-第一卡合槽，37-弹簧钢挂钩，38-第二卡合槽，39-卡合凸块，40-下半圆柱杆。
具体实施方式
45.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
46.实施例一：
47.参照附图1-5所示的模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统，包括安装座1和反力框架2，所述反力框架2内设有用于固定土样3的土样固定组件，所述安装座1与所述反力框架2内设有用于产生工程扰动的工程扰动模拟组件，所述工程扰动模拟组件与所述土样固定组件连接；所述安装座1上还安装有控制器4，所述控制器4与所述工程扰动模拟组件连接；所述可视化试验系统还包括可视化组件，所述可视化组件位于所述反力框架2的侧面。
48.具体的，所述土样固定组件包括上剪切盒5和下剪切盒6，所述上剪切盒5和下剪切盒6可拆卸连接，所述上剪切盒5的底部开设有上土样固定槽501，所述下剪切盒6的顶部开设有与所述上土样固定槽501相匹配的下土样固定槽601，所述土样3安装在所述上土样固定槽501和所述下土样固定槽601之间。所述上剪切盒5的底部开设有两个上弧形槽502，两
个所述上弧形槽502对称分布在所述上土样固定槽501的两侧，所述下剪切盒6的顶部开设有两个与所述上弧形槽502相对应的下弧形槽602，相互对应的上弧形槽502与下弧形槽602之间可拆卸连接有尼龙棒23，相互对应的上弧形槽502和下弧形槽602形成一个圆形结构，所述尼龙棒23可插入上弧形槽502和下弧形槽602形成的圆形结构中，且所述上剪切盒5和下剪切盒6在尼龙棒23的作用下可发生左右滑动。
49.在安装土样3时，先将上剪切盒5从下剪切盒6上取下，将土样3放入下土样固定槽601中，然后将上剪切盒5盖在下剪切盒6上，土样3的顶部位于上土样固定槽501中，在上弧形槽502和下弧形槽602之间插入尼龙棒23，上剪切盒5和下剪切盒6之间发生相对滑动时，即可对土样3产生剪切破坏力，且土样3收到的剪切破坏力是比较均匀的，能够更好的模拟土体剪切破坏的真实情况；尼龙棒23的设置可以方便上剪切盒5与下剪切盒6之间的滑动，减小滑动摩擦阻力。
50.进一步的，所述工程扰动模拟组件包括横向千斤顶7、纵向千斤顶8和油源9，所述横向千斤顶7位于所述反力框架2的内侧壁上，所述纵向千斤顶8位于所述反力框架2的顶壁上，所述横向千斤顶7的自由端与所述下剪切盒6的外侧壁连接，所述上剪切盒5的顶部设有上压垫块10，所述纵向千斤顶8的自由端与所述上压垫块10的顶面接触但不连接；所述油源9通过第一管线14和第二管线15与所述横向千斤顶7连接，所述油源9通过第三管线16和第四管线17与所述纵向千斤顶8连接，所述控制器4与所述油源9控制连接。横向千斤顶7可带动下剪切盒6左右移动，从而使上剪切盒5和下剪切盒6发生相对互动，对土样3产生剪切破坏力。纵向千斤顶8对土样3产生垂直方向的作用力，结合横向千斤顶7的水平推力使土样3破坏，上压垫块10使纵向千斤顶8的作用力均匀分布。
51.所述反力框架2的底部固设有下压垫块11，所述下压垫块11与所述下剪切盒6之间设有多个圆辊12，通过圆辊12可以的滚动可以降低下剪切盒6左右移动过程中的摩擦阻力。
52.所述反力框架2的内侧壁上还安装有反力垫块13，所述反力垫块13与所述横向千斤顶7位于所述反力框架2相对的两个侧壁上，且所述反力垫块13与所述上剪切盒5的外侧壁接触但不连接，反力垫块13与上剪切盒5接触，为上剪切盒5提供反作用力，避免上剪切盒5在横向千斤顶7推动下剪切盒6左右移动时随下剪切盒6发生移动。
53.所述上压垫块10和所述下压垫块11上分别安装有两个千分表18，所述反力框架2的顶部和底部均安装有用于固定所述千分表18的磁力表座19，所述磁力表座19的底座具有吸力，可固定在反力框架2的顶部或者底部，磁力表座19用于夹持千分表18，同时可以对千分表18的任意角度进行固定，千分表18用于测量土样3在剪切破坏过程中的水平位移和法向位移。
54.所述可视化组件包括三脚架20，所述三脚架20的顶部安装有转盘21，所述转盘21的顶部安装有摄像机22，所述转盘21可在三脚架20的顶部任意角度转动，且转动至所需角度后可进行固定，转盘21与三脚架20之间的连接方式采用现有的连接方式即可，本发明中不做赘述。
55.进一步的，模拟工程扰动下土体剪切破坏的可视化试验系统的试验方法，包括以下步骤，
56.s1：设计实验方案，包括土样3的尺寸大小、用来模拟工程扰动过程中产生疲劳扰动的周期荷载形式，如正弦波、三角波、矩形波等；
57.s2：现场取样或者根据相似原理，制备不同尺寸的土样3，在土样3表面喷涂黑白漆，以获取散斑点，作为土样3的标记，用以捕捉这些特征位置并进行数据的采集与计算；
58.s3：将土样3安装上剪切盒5和下剪切盒6之间，调整土样3的位置，达到最佳；
59.s4：调整可视化组件的高度以及角度，具体的，将摄像机22安装在转盘21上，调整三脚架20的高度和转盘21的角度，使摄像机22对准土样3，观察土样3表面的散斑点，调整后直至清晰；
60.s5：开启dic系统，通过控制器4输入既定的周期荷载，启动横向千斤顶7和纵向千斤顶8，记录试验数据，直至土试样剪切破坏；
61.s6：待该组试验完成后，重复上述操作过程，进行多组试验，记录多组数据，用于分析不同周期荷载作用下剪切破坏的规律；
62.s7：全部试验完成后，依次关闭控制器4以及试验系统，并清扫试验系统；
63.s8：对试验数据进行处理，借助计算机辅助软件整理并分析所得数据，获取土试样相关的力学参数，全场应变特性与扰动荷载的关系，揭示基坑土体试样剪切破坏规律。
64.实施例二：
65.在实施例的基础上，上剪切盒5和下剪切盒6之间的左右滑动采用如下结构来实现：
66.如附图6-11所示，所述滑动组件包括设置在所述上弧形槽502内的上固定组件，以及设置在所述下弧形槽602内的下固定组件，所述上固定组件与所述下固定组件之间也为可拆卸连接；
67.所述上固定组件包括上半圆柱杆24，所述上半圆柱杆24内转动设有第一转轴25，所述上半圆柱杆24沿轴向开设有与所述第一转轴25相匹配的转动槽26，所述上半圆柱杆24通过轴承与所述转动槽26转动连接，且所述第一转轴25贯穿所述转动槽26，所述第一转轴25位于所述上半圆柱杆24外的一端设有把手；所述转动槽26的端部连通设有安装孔27，所述安装孔27贯穿所述上半圆柱杆24的顶部和底部，所述第一转轴25的远离所述把手的一端位于所述安装孔27内，且所述第一转轴25位于所述安装孔27内的一端固设有第一伞齿轮28，所述安装孔27内还设有第二伞齿轮29，所述第一伞齿轮28与所述第二伞齿轮29啮合设置，所述第二伞齿轮29内固定设有内螺纹套筒30，所述内螺纹套筒30的外侧壁上转动设有两个支撑杆3001，两个所述支撑杆3001分别位于第二伞齿轮29的上方和下方，所述支撑杆3001远离所述内螺纹套筒30的一端与所述安装孔27的侧壁固定连接，所述支撑杆3001的设置为所述第二伞齿轮29和内螺纹套筒30提供支撑，且不影响第二伞齿轮29和内螺纹套筒30的转动，所述内螺纹套筒30内螺纹连接有限位螺杆31。转动第一转轴25端部的把手，第一转轴25转动带动第一伞齿轮28转动，从而带动与第一伞齿轮28啮合设置的第二伞齿轮29转动，内螺纹套筒30随着第二伞齿轮29的转动同步转动。
68.所述上剪切盒5上还开设有第一限位孔32，所述第一限位孔32位于所述安装孔27的上方，所述下固定组件上与所述安装孔27相对应的位置处开设有第二限位孔33，所述第一限位孔32和第二限位孔33内均固设有限位方杆34，所述限位螺杆31内开设有与所述限位方杆34相匹配的方形通孔35；在限位方杆34和方形通孔35的配合作用下，第二伞齿轮29转动时，限位螺杆31只能上下移动，限位螺杆31向上移动时，其顶端位于第一限位孔32内，可实现上剪切盒5与上半圆柱杆24之间的固定，限位螺杆31向下移动时，限位螺杆31的底端位
于下固定组件内，当限位螺杆31的顶端完全从第一限位孔32中脱离时，上固定组件与上剪切盒5脱离，同时，上固定组件与下固定组件连接形成一个整体结构。
69.所述方形通孔35的顶部对称开设有两个第一卡合槽36，所述第一卡合槽36内固设有弹簧钢挂钩37，所述限位方杆34的外侧壁上开设有与所述第一卡合槽36相匹配的第二卡合槽38，所述第二卡合槽38的底部固设有卡合凸块39；当限位螺杆31向上移动时，挤压弹簧钢挂钩37，使整个弹簧钢挂钩37全部位于第一卡合槽36内，待弹簧钢挂钩37移动与第二卡合槽38相对应的位置处，由于不受挤压作用下，弹簧钢挂钩37恢复形变，卡合在卡合凸块39上，实现上半圆柱杆24与上剪切盒5之间的固定；限位螺杆31向下移动时，拉动弹簧钢挂钩37的弯折部分变直，从而实现弹簧钢挂钩37与卡合凸块39的拆卸。
70.所述下固定组件与所述上固定组件结构相同，安装位置相互对称，具体包括下半圆柱杆40，第二限位孔33位于所述下半圆柱杆40上与安装孔27相对应的位置处，在下半圆柱杆40上也相应的设置有第一转轴29、第一伞齿轮28、第二伞齿轮29、内螺纹套筒30和限位螺杆31，具体连接方式与上固定组件相同，此处不做赘述。
71.本实施例中，先通过限位螺杆31将上半圆柱杆24与上剪切盒5固定连接，将下半圆柱杆40与下剪切盒6固定连接，安装土样3时，将连接有上半圆柱杆24的上剪切盒5从下剪切盒6顶部取下，安装完土样3后，将接有上半圆柱杆24的上剪切盒5放置在下剪切盒6顶部，转动第一转轴25，将对应的上半圆柱杆24与上剪切盒5分离，下半圆柱杆40与下剪切盒6分离，同时，上半圆柱杆24与下半圆柱杆40连接起来形成一个整体的结构，在横向千斤顶7的作用下可实现下剪切盒6的水平移动，其结构和滑动作用原理与实施例一中的尼龙棒23相似，但是无需像实施例一种那样插入尼龙棒23，避免了在插入尼龙棒23的过程中使得上剪切盒5和下剪切盒6之间发生位移，影响实验结果的精度。
72.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。