[發明專利]土與結構接觸面試驗機

在審

• 申請號: 201810860415.4
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN109060504A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 張建民;劉和鑫;王睿;王賀
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/24
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發明公開了一種土與結構接觸面試驗機，所述土與結構接觸面試驗機包括主體框架、結構面板、X向運動系統、Y向運動系統、Z向運動系統、液壓加載及控制系統、數據采集系統、圍壓室系統和溫度控制系統等。本發明的土與結構接觸面試驗機，專門為研究土與結構接觸面問題而設計，可完成多種土類，諸如黏土，細粒土及粗粒土等在飽和或非飽和的各種溫度場情況下與各類結構面板的接觸面問題研究。試驗時法向應力直接加到接觸面上，概念清晰，受力狀態明確，可保證土體應變均勻，消除應變局部化現象，保證接觸面面積恒定，保證結果真實可靠。

技術領域

本發明涉及一種土與結構接觸面三維試驗機，屬于土工試驗儀器技術領域。

背景技術

土體與結構面板之間的接觸面力學特性研究是土力學研究的重要課題之一，對于結構的計算、設計及施工技術等有重大的影響。土與結構面板之間的接觸面間的力學特性研究主要有兩種方法，試驗方法與數值方法。當下，試驗方法主要使用的試驗儀器有直剪型試驗儀、單剪型試驗儀、扭剪儀、動三軸儀以及共振柱儀。其中，直剪型試驗儀及單剪型試驗儀兩類接觸面試驗儀器是由直剪儀及單剪儀改進而來，因其原理簡單，使用方便，目前研究中使用較多。但是以上儀器存在以下缺陷：

1、目前的大多數土與結構接觸面研究中使用的儀器多是由已有的土工試驗儀器改進而來，法向應力施加在土體上而非接觸面上，受力不明確，概念不清晰；

2、目前的試驗儀器存在試驗時土體應變不均勻，存在應變局部化現象，導致試驗結果失真，數據可靠性降低；

3、目前的試驗儀器中，土與結構面板之間的接觸面無法做到在飽和的情況下進行接觸，限制了儀器的研究領域，比如水下的土與結構的接觸面問題；

4、目前的試驗儀器中，無法實現在有圍壓的情況下進行土與結構面板間接觸面的研究，限制了儀器的研究領域，比如深海中土與結構間的接觸面不排水問題。

現有技術中提出了大型三維土工試驗機的發明，專利號為ZL200610165244.0，經實踐檢驗并且與現實需求相比，主要存在以下不足：

1、土與結構面板間的接觸面無法做到在飽和的情況下進行試驗，既無法進行飽和黏土的試驗；

2、無法實現在有圍壓的情況下進行土與結構面板之間的接觸面研究；

3、無法實現溫度場與應力場之間耦合的土與結構接觸面試驗；

4、結構面板與土容器間切向摩擦力過大，導致接觸面力學參數測量失真。試驗時，土容器與結構面板間存在不均勻的法向應力，在土體與結構面板發生相對位移時，結構面板與土容器間存在很大的切向摩擦力，且此摩擦不均勻，難以標定并從試驗結果中扣 除，這種摩擦對于粗粒土，大試樣而言仍有可接受的余地，但是，對于細粒土或者小試樣而言，這種土容器與結構面板之間的摩擦是不可接受的，其大小甚至會超過土樣與結構面板間的摩擦。這會導致土與結構之間接觸面的力學性質難以準確測量，進而導致試驗結果失真，設計偏于危險，對計算和設計產生極大的危害。甚至結構面板與土容器間因摩擦自鎖現象而卡住，土體與結構面板脫開導致無法接觸的情況；

5、試驗時，為防止結構面板與土容器相接觸而產生法向應力進而導致切向應力的產生，會使土容器上沿低于土樣頂面，這造成土容器上沿與結構面板間留有很大的縫隙，造成在試驗時土顆粒從結構面板與土容器間的縫隙中流失，造成接觸面面積的減小。

目前為止，能模擬水下海洋土與結構接觸面力學行為的儀器還沒有出現；而且隨著社會的發展，能源負擔日益沉重，海中可燃冰的開采面臨諸多的問題，顯而易見的就是可燃冰在開采過程中的相變問題，可燃冰只有在高壓低溫的環境中才能穩定存在，開采設備的建設也要以海洋土為基礎，基礎與海洋土間的接觸面問題亟待研究，研究海洋中可燃冰開采亦需要一套能模擬水下高壓低溫情況的土與結構接觸面試驗儀器。

發明內容