结构物凹槽与砂土界面剪切测定系统及粗糙度计算方法
本发明属于岩土工程，涉及一种结构物凹槽与砂土界面剪切测定系统及粗糙度计算方法。
背景技术：
1、岩土工程中通常采用界面剪切试验评定粗糙度对界面强度的影响，目前结构物粗糙形状样式繁多，但缺乏对结构物凹槽中砂的细观研究，传统的剪切设备和评定方法无法满足研究需求，因此新型的剪切设备和评定方法尤为关键。中国专利cn 111929179 a公开了一种适用于测量结构物与土界面直剪摩擦特性的装置，该装置由剪切推动系统、水平加载系统、反力框架、局部可视化剪切盒、设备控制采集系统组成，可用于测定结构物与土的直剪摩擦特性，由于可视化窗口尺寸、相机与下剪切盒无法同步的原因，该装置只能观测上剪切盒中土样的局部范围，无法获取下剪切盒结构物凹槽中砂土的位移变形和剪切域形状，不能从粗糙度有效体积角度进行粗糙度的评定。
2、在岩土领域中，结构物与土之间的界面强度是导致桩基下沉、边坡失稳等工程问题的关键诱因，而粗糙度作为影响界面强度的主要因素之一，一直是岩土领域的研究热点。中国专利cn 113804560 b公开了一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法，该方法通过dic黑箱和ccd相机开展非饱和土与结构物的可视化直剪试验，通过实时数据采集、分析并编程处理获得界面剪切带实时饱和度和基质吸力变化，为非饱和土界面剪切过程中饱和度和剪切带发展的相关理论提出了一种新的研究方法，但该方法的ccd相机位于剪切下盒(结构物)的正下方，导致研究的结构物必须为透明材质才可实现可视化，对于实际工程中的其他非透明材料不适用，且只能观察与透明结构物紧密接触的土的水平向位移，无法观测垂直向位移。
技术实现思路
1、针对现有试验方法的不足，本发明所要解决的问题是：(1)解决常规直剪装置无法观测下盒结构物凹槽中砂土变形特征及剪切域发展过程问题；(2)解决结构物更换不方便问题；(3)解决由于剪切盒移动导致图片像素丢失问题(4)解决大形状凹槽的结构物粗糙度计算问题。
2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
3、第一方面，本发明提供一种结构物凹槽与砂土界面剪切测定系统，所述测定系统包括剪切域观测子系统和力学特性测定子系统，所述力学特性测定子系统为粗粒土直剪仪，所述剪切域为结构物单个凹槽的砂土在界面剪切过程中形成的强烈变形区域；所述结构物的上表面具有若干均匀重复的凹槽，凹槽沿视口方向贯穿结构物，且深度小于结构物的高度；
4、所述剪切域观测子系统包括内嵌式可视化剪切盒装置、拍摄装置，所述内嵌式可视化剪切盒装置由内、外剪切盒两部分组成，每部分又分为上盒和下盒；内剪切盒为可拆卸组装形式；
5、所述外剪切盒的上、下盒相接位置处的两个侧边上分别设有定位孔；外剪切盒的上、下盒相接位置处的另外两个侧边上设置有限位块，外剪切盒的下盒上的限位块整体为l型，l型的水平面高于下盒上端平面，外剪切盒的上盒上的限位块为长方形块状，上盒上的限位块滑动接在l型水平面上，螺栓依次连接外剪切盒的上下盒上的相应定位孔，并配合限位块实现外剪切盒的上下盒的对准固定；在外剪切盒的上下盒的相同侧面上均设置有视口，组装后，上下盒的视口对接在一起，上下盒由限位块的作用使得二者相对面之间除视口区外均存在缝隙，在视口相反侧的上下盒之间的缝隙内设置海绵条进行密封；
6、所述内剪切盒是将构件依次放入外剪切盒中组装而成，自下而上分别是井字支架、平面钢板、剪切盒面板、加载盖板，平面钢板的上表面与外剪切盒的下盒视口的下端面平齐，平面钢板垂直投影面积与外剪切盒底板垂直投影面积重合；平面钢板上表面对称设置四块剪切盒面板，四块剪切盒面板分成上下两组，这两组上下对齐排列，位于下部的两块剪切盒面板为一组，一组内两块剪切盒面板之间的横向距离与视口长度一致；每块剪切盒面板的高度与外剪切盒的下盒上的视口高度的一致；
7、内剪切盒装样完成后盖上加载盖板；
8、所述拍摄装置包括连接件、相机平台和相机，所述连接件为长条形，其上设置若干数量的螺孔，装样完成后拔出定位孔处的螺栓，连接件后部的螺孔与相邻定位孔的间距一致，利用螺栓依次穿过连接件上的螺孔和外剪切盒的下盒上的定位孔，将连接件和外剪切下盒二者连接在一起；连接件前部的螺孔开设地较密集，用于通过加长螺丝与相机平台固定在一起，能通过调节加长螺丝的位置来改变相机平台与视口的距离；所述相机放置于相机平台上，通过连接件使得相机能与外剪切盒的下盒实现同步运动。
9、进一步地，所述拍摄装置还包括有线快门，所述有线快门，用于与相机通过导线连接。
10、进一步地，视口位于外剪切盒的上、下盒侧面的中部位置，采用透明亚克力材料制成，外剪切盒的上盒上的视口下端面低于外剪切盒的上盒的下端面，组装好后与下盒视口的上端面平齐；优选地，在外剪切盒的上下盒左侧1/4至右侧1/4范围内设置可视化视口；外剪切盒下盒的视口的左侧设置有加载连接孔，用于与力学特性测定子系统的剪应力加载装置连接；
11、所述井字支架高度加平面钢板厚度的值为外剪切盒下盒高度的1/2。
12、进一步地，所述剪切盒面板包括竖直板、水平延伸翼板以及支撑板，竖直板的一端向外设有水平延伸翼板，竖直板与水平延伸翼板呈l型；在竖直板的外侧面固定安装有均匀分布的若干支撑板，所述支撑板的一端与竖直板平齐，另一端与水平延伸翼板相接固定，且支撑板垂直于竖直板和水平延伸翼板，支撑板一方面与竖直板垂直固定连接在一起，另一方面与外剪切盒内壁相接；四块剪切盒面板的水平延伸翼板一侧相互对接，没有水平延伸翼板的一侧分别与平面钢板相接或与加载盖板平齐，围成内剪切盒的装样空间；
13、上下放置的两块剪切盒面板连接的支撑板之间通过凹槽滑轨的形式进行固定拼接形成一个整体，在凹槽滑轨中放入滚珠使得二者能够滑动搭接。
14、进一步地，所述力学特性测定子系统包括反力架、剪应力传感器、法向应力加载装置、剪应力加载装置、两个水平位移计和采集控制器。
15、进一步地，所述外剪切盒的上下盒上视口的长高尺寸为200～300mm×80～160mm；
16、优选地，所述内剪切盒的内部装样空间尺寸为200mm×400mm×190mm，内剪切盒的上盒中砂土、下盒中结构物尺寸分别为200mm×400mm×95mm，上盒的视口1尺寸为200mm×105mm×25mm，下盒的视口1尺寸为200mm×95mm×25mm，内剪切盒各构件厚10mm；所述砂土最大粒径小于1/30内剪切盒高度；外剪切盒内部尺寸为400×400×410mm。
17、第二方面，本发明提供一种粗糙度计算方法，使用所述的测定系统进行结构物粗糙度计算，所述计算方法包括以下内容：
18、(1)在外剪切盒的下盒内装入结构物试样并装入两块剪切盒面板完成内剪切盒下盒的安装，所述结构物试样表面的凹槽为通槽，凹槽的纵向长度已知；然后将另外两块剪切盒面板放置在内剪切盒的下盒上并对齐滑动安装，将外剪切盒的上盒的限位块及定位孔与外剪切盒的下盒相应位置对齐并限位，实现外剪切盒上下盒的对准固定，此时内剪切盒的上盒恰好位于外剪切盒的上盒内，外剪切盒的上下盒上的视口对齐，将砂土试样装入内剪切盒的上盒中，并盖上加载盖板；
19、装样结束后，卸下外剪切盒的上下盒连接定位孔的螺栓，将连接件沿外剪切盒的上下盒之间的间隙插入定位孔位置，组装拍摄装置并调试使得相机能够清楚拍摄到结构物单凹槽内的砂土试样，实现相对静止以拍摄结构物凹槽中砂土的位移变形情况；
20、将装样、组装完成的内嵌式可视化剪切盒装置利用推车运至粗粒土直剪仪上，外剪切盒下盒与两根位移计连接，利用螺栓通过外剪切盒下盒上的加载连接孔与剪应力加载装置连接，令内嵌式可视化剪切盒装置中心正对着法向加载装置；
21、(2)根据《土工试验方法标准》进行界面剪切试验，同时对下盒中试样截面进行拍摄，试验过程中由采集控制器来进行参数设置和数据采集，剪应力加载装置的伺服电机控制外剪切盒下盒剪切位移和剪切速度，方向向右，利用剪应力传感器测量水平应力，位移计测量水平位移，法向应力加载装置通过油缸加载控制法向应力，采用固定时间间隔拍摄试样图像；对试验结果进行处理得到剪应力-剪切位移的关系曲线图和各位移阶段的剪切域图像，并将剪切域图像与剪应力-剪切位移关系曲线特征点相对应；所述特征点是根据剪应力-剪切位移曲线变化趋势、试样拍摄图像及剪切域图像定义的，分为位移为零点、试样挤密点a、剪切域最大点b、剪应力峰值点c及软化点d；
22、(3)找到不同凹槽形状剪切域最大时的图像，对图像描点得到剪切域的形状，并求出该区域的面积；剪切域形状因结构物凹槽形状的不同而存在差异，当凹槽形状为矩形时，剪切域为弧形且与二次多项式曲线相似；当凹槽形状为倒三角形时，剪切域为内部梯形轮廓；当凹槽为矩形时，对弧形剪切域的二次多项式曲线进行拟合，获得二次多项式参数和剪切域轮廓曲线表达式，根据定积分求解剪切域的面积；当凹槽形状为倒三角形时，获得内部梯形剪切域轮廓的顶边、底边和高，并求出内部梯形剪切域面积；
23、定义剪切域轮廓以外的凹槽体积为粗糙度无效体积，根据剪切域面积s剪切域与凹槽纵向长度、凹槽数量计算出剪切域体积v剪切域，粗糙度评定公式为粗糙度r＝v剪切域/s结构物，s结构物为结构物凹槽深度方向的投影面积。
24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25、本发明突出的实质性特点是：
26、本发明能够对不同法向应力、结构物材料、凹槽形状等条件下的结构物试样进行界面剪切试验，利用本技术界面剪切测定系统可实现动态过程中可视化观测，在不同条件下得到剪切过程中力学特性、结构物凹槽中砂土的剪切域变形情况和剪切域最大时的轮廓，对轮廓进行曲线拟合或长度测量，计算出剪切域的面积并结合凹槽长度、凹槽个数求出剪切域体积，定义其为粗糙度有效体积并据此计算得到粗糙度，有利于实际工程和科研领域对粗糙度更加深入研究。其中动态过程中的可视化观测可保证相机与运动中的下盒结构物处于相对静止状态，避免了下盒由于剪切运动造成的大位移，使剪切域图像更加精确、完整。
27、本发明的显著进步是：
28、(1)提出一种内嵌式可视化剪切设备，内剪切盒根据视口尺寸定制，剪切盒面板两侧设有水平延伸翼板，内剪切盒可分块安装、拆卸，实现剪切过程中凹槽剪切域的观测，有效解决漏砂现象，便于更换不同样式的结构物，使剪切试验操作更加便利、试验结果更加精确。
29、(2)本发明在上下盒装样结束后拆除定位孔处的螺栓，将拍摄装置中的相机平台仅与外剪切盒下盒通过连接件在定位孔处连接，使二者成为一个整体，此时连接件不与上剪切盒连接，相机平台与连接件用200mm的加长螺丝连接，有效解决下盒由于剪切推动导致像素丢失问题，并可根据结构物凹槽深度调节相机平台的位置，得到更为精确清晰的剪切域图像。
30、(3)本发明可根据凹槽内砂土剪切域面积，从粗糙度有效体积角度计算结构物的粗糙度，对结构物-砂土界面剪切试验全过程力学特性及凹槽中砂土试样变形特征展开分析，得到剪切域形状的发展过程图像，将特征点时刻的剪切域形状与力学参数对应，深度了解细观颗粒运动和剪切域对结构物粗糙度、界面宏观力学特性的影响，有利于推动科研和工程中对规则型结构物作出深入研究。
31、(4)本发明用于结构物凹槽与砂土的界面剪切试验，观察结构物凹槽中砂样的剪切域，现有的用于砂与砂的内剪试验设备不适用，本技术的外剪切盒尺寸较大，内剪切盒可以分块组装，方便结构物的拿取且不会使结构物破损，在内剪切盒中由于设计空间更大，可以呈现结构物的多个凹槽，这样在可以丰富多种结构物凹槽样式的测试。本技术中上下盒上视口的长高尺寸较大(约200～300mm×80～160mm)，能够用于对凹槽截面积大且凹槽个数多(4-10个)的结构物的细观研究。
32、(5)本发明中将结构物所处的外剪切盒下盒通过连接件与拍摄相机保持相对静止，从上下盒的侧面视口位置拍摄，即可得到凹槽中土体的剪切域，结合结构物纵向长度进而得到整个凹槽的受扰动砂体积，另外仅需凹槽横截面处的剪切盒透明即可，不需要整个结构物都透明即可测试，且对于结构物是否为透明材质没有限制。避免现有由于相机与结构物不能保持相对静止，而导致相机所拍摄到的位移为上部桶中类土试样的位移，无法拍摄到结构物凹槽中试样的不足。
33、(6)本技术计算方法中粗糙度未知，需要通过实验来确定粗糙度，若在粗糙度已知且相同的情况下，通过本技术的方法也能让结构物的宽度和深度设计更加合理。本技术能够同时设置多个较大凹槽，相机对准任意某一个凹槽，能够获得一个凹槽的完整状态，相机在平台上能够自动调整对焦物的精度，连接件设置强度足够，在剪切过程中避免了剪切波动。
技术特征：
1.一种结构物凹槽与砂土界面剪切测定系统，所述测定系统包括剪切域观测子系统和力学特性测定子系统，所述力学特性测定子系统为粗粒土直剪仪，其特征在于，所述剪切域为结构物单个凹槽的砂土在界面剪切过程中形成的强烈变形区域；所述结构物的上表面具有若干均匀重复的凹槽，凹槽沿视口方向贯穿结构物，且深度小于结构物的高度；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拍摄装置还包括有线快门，所述有线快门，用于与相机通过导线连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，视口位于外剪切盒的上、下盒侧面的中部位置，采用透明亚克力材料制成，外剪切盒的上盒上的视口下端面低于外剪切盒的上盒的下端面，组装好后与下盒视口的上端面平齐；优选地，在外剪切盒的上下盒左侧1/4至右侧1/4范围内设置可视化视口；外剪切盒下盒的视口的左侧设置有加载连接孔，用于与力学特性测定子系统的剪应力加载装置连接；
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述剪切盒面板包括竖直板、水平延伸翼板以及支撑板，竖直板的一端向外设有水平延伸翼板，竖直板与水平延伸翼板呈l型；在竖直板的外侧面固定安装有均匀分布的若干支撑板，所述支撑板的一端与竖直板平齐，另一端与水平延伸翼板相接固定，且支撑板垂直于竖直板和水平延伸翼板，支撑板一方面与竖直板垂直固定连接在一起，另一方面与外剪切盒内壁相接；四块剪切盒面板的水平延伸翼板一侧相互对接，没有水平延伸翼板的一侧分别与平面钢板相接或与加载盖板平齐，围成内剪切盒的装样空间；
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述力学特性测定子系统包括反力架、剪应力传感器、法向应力加载装置、剪应力加载装置、两个水平位移计和采集控制器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外剪切盒的上下盒上视口的长高尺寸为200～300mm×80～160mm；
7.一种粗糙度计算方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一所述的测定系统进行结构物粗糙度计算，所述计算方法包括以下内容：
技术总结
本发明为结构物凹槽与砂土界面剪切测定系统及粗糙度计算方法，能够对不同法向应力、结构物材料、凹槽形状等条件下的结构物试样进行界面剪切试验，利用本申请界面剪切测定系统可实现动态过程中可视化观测，在不同条件下得到剪切过程中力学特性、结构物凹槽中砂土的剪切域变形情况和剪切域最大时的轮廓，对轮廓进行曲线拟合或长度测量，计算出剪切域的面积并结合凹槽长度、凹槽个数求出剪切域体积，定义其为粗糙度有效体积并据此计算得到粗糙度，有利于实际工程和科研领域对粗糙度更加深入研究。其中动态过程中的可视化观测可保证相机与运动中的下盒结构物处于相对静止状态，避免了下盒由于剪切运动造成的大位移，使剪切域图像更加精确、完整。
技术研发人员：王子寒,李子超,景晓昆,肖成志,丁鲁强
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23