本發(fā)明涉及一種巖土體剪切流變儀，具體涉及一種考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀，屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

巖土體的流變性質(zhì)即指其隨時間變化的變形性質(zhì)，主要包括蠕變、松弛及彈性后效，巖土體的流變性質(zhì)是在進(jìn)行重大工程設(shè)計與穩(wěn)定性分析時必須要考慮的重要因素。作為自然界最活躍的因素之一，水對于巖土體變形、強(qiáng)度性質(zhì)有極大的影響，主要包括軟化、沖刷、化學(xué)腐蝕、動水壓力等；此外，在水利、交通、礦山等領(lǐng)域的施工中，爆破是進(jìn)行坡形改造、地基處理、礦石開采等工作的必要程序，因此，對于這些工程邊坡長期穩(wěn)定性的分析，降雨和爆破振動的反復(fù)作用對巖土體流變特性的影響不可忽視。

常規(guī)剪切流變的基本步驟包括試樣取樣與加工、法向壓力施加、逐級施加剪應(yīng)力(每一級變形穩(wěn)定之后施加下一級剪應(yīng)力)直至試樣破壞。巖土體流變性質(zhì)的研究方法主要包括現(xiàn)場原位流變試驗與室內(nèi)試驗，相對于現(xiàn)場試驗，室內(nèi)試驗具有經(jīng)濟(jì)易行、數(shù)據(jù)采集與處理方便、試驗條件可控性強(qiáng)等優(yōu)點，因此室內(nèi)試驗現(xiàn)已成為研究巖土體流變性質(zhì)的主要手段。

對于動荷載擾動下巖土體流變性質(zhì)的研究主要采用三軸卸荷流變試驗的方式，對于降雨影響下巖土體流變性質(zhì)的研究主要采用先對試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理再進(jìn)行流變試驗的方式，但這些模擬方式顯然與實際中降雨與爆破荷載的作用方式不符。此外，目前的剪切流變試驗裝置中，試樣變形多采用千分尺或在試樣表面貼應(yīng)變片的方式測定，但是這些測定方式主觀因素太大，如千分尺或應(yīng)變片的位置、變形量大小等，且在添加爆破荷載擾動時采用自動計數(shù)方式會存在很大的誤差，如何合理模擬爆破擾動對于巖土體流變性質(zhì)的影響并準(zhǔn)確測定變形量是巖土體流變性質(zhì)試驗研究中亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對先有技術(shù)的不足，提供一種可模擬多種爆破荷載頻率與強(qiáng)度，并能在流變試驗過程中對試樣進(jìn)行干濕循環(huán)，適用于降雨和爆破振動反復(fù)作用下各類巖土體流變性質(zhì)研究的試驗裝置。

實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀，至少包括由反力架、法向加壓系統(tǒng)、切向加壓系統(tǒng)、上剪切盒和下剪切盒構(gòu)成的剪切流變單元和用于檢測下剪切盒位移的位移量測系統(tǒng)，下剪切盒位于反力架的底座上，法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)均通過反力架支撐并且分別作用于上剪切盒和下剪切盒，還包括干濕循環(huán)單元和爆破擾動單元；干濕循環(huán)單元由水槽、水泵、進(jìn)水管、電熱絲、出水管和底板開設(shè)透水孔的水箱構(gòu)成，水槽、進(jìn)水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通，水泵安裝于進(jìn)水管上，電熱絲封裝于上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；所述爆破擾動單元包括作用于法向加壓系統(tǒng)的法向擾動組件和作用于切向加壓系統(tǒng)的切向擾動組件，法向擾動組件和切向擾動組件均由剛性支架及其支撐的振動電機(jī)構(gòu)成，振動電機(jī)安裝于剛性支架上并通過剛性支架作用于法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)，所述剛性支架由豎向支撐桿件以及通過豎向支撐桿件連接的上剛性桿件和下剛性桿件構(gòu)成，豎向支撐桿件與上剛性桿件和下剛性桿件的連接位置均可調(diào)，下剛性桿件固定于反力架的底座上，振動電機(jī)固定于上剛性桿件的活動端；所述位移量測系統(tǒng)為CCD位移自動量測系統(tǒng)，由光源發(fā)射器、CCD芯片和帶孔的擋光片構(gòu)成，光源發(fā)射器和擋光片均固定于下剪切盒上，CCD芯片固定于底座上，擋光片位于光源發(fā)射器與CCD芯片之間，光源發(fā)射器與擋光片的孔位置相對。

上剪切盒的盒底為中空結(jié)構(gòu)，空腔通過位于上剪切盒盒底上的通孔與上剪切盒的盒腔連通，上剪切盒盒底的空腔構(gòu)成水箱、通孔構(gòu)成透水孔。

法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)均由加載元件和剛性墊塊構(gòu)成，剛性墊塊位于加載元件與加載元件作用的上剪切盒或下剪切盒之間，法向擾動組件和切向擾動組件的上剛性桿件分別與法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)的剛性墊塊固連。

所述上剛性桿件與對應(yīng)的剛性墊塊焊接。

所述上剛性桿件和下剛性桿件上均沿其軸向開設(shè)有2個以上螺紋孔，上剛性桿件和下剛性桿件分別通過螺紋緊固件安裝于豎向支撐桿件的頂端和底端。

所述出水管貫穿下剪切盒的盒底。

擋光片的孔為方形孔。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀，在現(xiàn)有巖土體剪切流變儀的基礎(chǔ)上增加爆破擾動單元，通過法向擾動組件和切向擾動組件分別對法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)提供一定的擾動，模擬爆破荷載，振動電機(jī)和加壓系統(tǒng)分別位于剛性支架兩側(cè)，振動擾動通過剛性支架傳遞至加壓系統(tǒng)，對法向壓力與剪切應(yīng)力產(chǎn)生擾動，剛性支架由豎向支撐桿件及其連接的上剛性桿件和下剛性桿件構(gòu)成，下剛性桿件固定于反力架的底座上，穩(wěn)定剛性支架，豎向支撐桿件與上、下剛性桿件的連接位置可調(diào)，通過改變豎向支撐桿件與上剛性桿件的連接位置可調(diào)節(jié)振動電機(jī)作用的力臂的大小，調(diào)整傳遞至加壓系統(tǒng)的擾動大小，實現(xiàn)不同強(qiáng)度的擾動荷載，可實現(xiàn)流變試驗過程中爆破荷載的定量模擬。

本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有的剪切盒結(jié)構(gòu)，將剪切盒盒底設(shè)置為導(dǎo)通結(jié)構(gòu)、盒壁內(nèi)置電熱絲，即上剪切盒盒底中空且與盒腔連通，出水管貫穿下剪切盒的盒底，水槽、進(jìn)水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通形成滲透回路，在剪切流變試驗的過程中，水泵提供具有一定滲透壓的水，通至水箱中，通過水箱下方的透水孔滲透試樣，試樣滲水飽和后連接下剪切盒的水管會有水分滲出，試樣飽和后對剪切盒內(nèi)的電熱絲通電，對試樣進(jìn)行烘干處理，通過定期對試樣進(jìn)行飽和與烘干，模擬降雨的干濕循環(huán)作用。

為克服現(xiàn)有技術(shù)中采用千分尺或在試樣表面貼應(yīng)變片的方式測定位移存在的主觀因素大、測量誤差大的弊端，本發(fā)明采用CCD位移自動量測系統(tǒng)檢測下剪切盒的切向位移，當(dāng)試樣在剪切流變過程中發(fā)生位移時，光源發(fā)射器與擋光片相對于CCD芯片產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而改變了通過擋光片的孔的光線照射在CCD芯片上的位置，引起CCD芯片輸出信號的變化，然后通過信號采集電路，獲得CCD芯片的輸出信號，通過計算機(jī)或微處理器進(jìn)行運(yùn)算顯示，即可測量巖樣的剪切變形量的大小，測量精度高。

為精簡裝置結(jié)構(gòu)，本發(fā)明將水箱設(shè)置于上剪切盒的盒底，將上剪切盒的盒底設(shè)置為中空結(jié)構(gòu)，并在靠近試樣的盒底板上開設(shè)通孔作為水箱的透水孔；法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)均由加載元件和剛性墊塊構(gòu)成，加載元件產(chǎn)生的載荷通過剛性墊塊作用于上剪切盒和下剪切盒上，使得載荷分布均勻，另外法向擾動組件和切向擾動組件的上剛性桿件分別與法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)的剛性墊塊固連，法向擾動組件和切向擾動組件的震動擾動通過剛性墊塊傳遞至上剪切盒和下剪切盒，由于剛性墊塊與加載元件和對應(yīng)的剪切盒均為接觸傳力，并無直接連接關(guān)系，因此剛性墊塊傳遞的震動擾動不會干擾加載元件的運(yùn)行。

與現(xiàn)有剪切流變儀相比，本發(fā)明提供考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀的優(yōu)點如下：

(1)利用本發(fā)明的巖土體剪切流變儀進(jìn)行剪切流變試驗，在試驗過程中可對試樣進(jìn)行定期的干濕循環(huán)處理，并可通過簡單的桿件位置調(diào)整與儀器設(shè)定，定量模擬不同強(qiáng)度、頻率及時間的爆破荷載；

(2)本發(fā)明的巖土體剪切流變儀采用光源發(fā)射器與CCD芯片進(jìn)行剪切變形的測量，精度高、響應(yīng)快、量程大及易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集存儲；

(3)本發(fā)明的巖土體剪切流變儀機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)、操作方便，適用于研究爆破荷載擾動下各類巖土體剪切流變特性的研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀的主視圖。

圖2為本發(fā)明提供的考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀的左視圖。

圖3為CCD位移自動量測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-法向加壓系統(tǒng)；2-剛性墊塊；3-上剛性桿件；4-螺紋孔；5-振動電機(jī)；6-下剛性桿件；7-豎向支撐桿件；8-水箱；9-電熱絲；10-上剪切盒；11-下剪切盒；12-光源發(fā)射器；13-擋光片，131-方形孔；14-CCD芯片；15-底座；16-出水管；17-進(jìn)水管；18-切向加壓系統(tǒng)；19-水槽；20-水泵；21-試樣；22-透水孔；23-反力架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)具體說明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下實施例。

本發(fā)明提供的考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示(為方便顯示，圖2中拆除了水槽、進(jìn)水管、水泵以及反力架的上部分)，整體包括剪切流變單元、干濕循環(huán)單元、爆破擾動單元和用于檢測下剪切盒位移的位移量測系統(tǒng)；

剪切流變單元由反力架23、法向加壓系統(tǒng)1、切向加壓系統(tǒng)18、上剪切盒10和下剪切盒11構(gòu)成，下剪切盒11位于反力架的底座15上，法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)均通過反力架支撐并且分別作用于上剪切盒和下剪切盒，法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)均由加載元件和剛性墊塊2構(gòu)成，剛性墊塊2位于加載元件與加載元件作用的剪切盒之間，用于均勻施壓和傳遞振動擾動；

干濕循環(huán)單元由水槽19、水泵20、進(jìn)水管17、電熱絲9、出水管16和底板開設(shè)透水孔22的水箱8構(gòu)成，本實施例中，上剪切盒10的盒底為中空結(jié)構(gòu)，空腔通過位于上剪切盒盒底上的通孔與上剪切盒的盒腔連通，該空腔構(gòu)成水箱8、該通孔構(gòu)成透水孔22，出水管貫穿下剪切盒的盒底，水槽、進(jìn)水管、水箱、上剪切盒、下剪切盒和出水管順序連通，水泵20安裝于進(jìn)水管17上，電熱絲9封裝于上剪切盒和下剪切盒的盒壁中；

爆破擾動單元包括作用于法向加壓系統(tǒng)的法向擾動組件和作用于切向加壓系統(tǒng)的切向擾動組件，法向擾動組件和切向擾動組件均由剛性支架及其支撐的振動電機(jī)5構(gòu)成，振動電機(jī)5安裝于剛性支架上并通過剛性支架作用于法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)，參見圖1和圖2，所述剛性支架由豎向支撐桿件7以及通過豎向支撐桿件連接的上剛性桿件3和下剛性桿件6構(gòu)成，豎向支撐桿件7與上剛性桿件3和下剛性桿件6的連接位置均可調(diào)，優(yōu)選在上剛性桿件3和下剛性桿件6上沿軸向開設(shè)2個以上螺紋孔、通過螺紋緊固件與豎向支撐桿件連接的方式實現(xiàn)連接位置的調(diào)節(jié)，當(dāng)然也可以通過現(xiàn)有的任何其他結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接位置的調(diào)節(jié)，下剛性桿件固定于反力架的底座上，穩(wěn)定剛性支架整體，振動電機(jī)5固定于3上剛性桿件的其中一端，上剛性桿件的另一端與對應(yīng)的剛性墊塊2焊接固定，振動電機(jī)5可人為設(shè)定振動頻率與振動時間，利用杠桿原理，通過調(diào)整豎向支撐桿件7的位置，可改變作用在法向加壓系統(tǒng)和切向加壓系統(tǒng)上的擾動強(qiáng)度；

參見圖3，所述位移量測系統(tǒng)為CCD位移自動量測系統(tǒng)，由光源發(fā)射器12、CCD芯片14和帶方形孔131的擋光片13構(gòu)成，擋光片13直接安裝于下剪切盒上，光源發(fā)射器通過一支架固定于下剪切盒上、位于擋光片13正上方，并且與擋光片的方形孔131位置相對，CCD芯片14固定于底座上、位于擋光片13正下方。

利用上述考慮降雨和爆破振動反復(fù)作用的巖土體剪切流變儀進(jìn)行剪切流變試驗，具體實施步驟如下：

①首先設(shè)計好試驗過程中需要的擾動荷載強(qiáng)度與頻率，采用預(yù)實驗的方式，調(diào)整振動電機(jī)的頻率、豎向支撐桿件的位置，測定作用于加壓系統(tǒng)的擾動荷載強(qiáng)度與頻率是否符合要求，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；

②將切割好的試樣放置在下剪切盒中，依次放置好上剪切盒、法向荷載傳遞裝置與剛性墊塊，調(diào)整剪切縫的大小，在下剪切盒上安裝光源發(fā)射器與開有方形孔的擋光片，在底座上安裝CCD芯片；

③按照試驗方案施加法向應(yīng)力，達(dá)到預(yù)定法向應(yīng)力之后開始逐級施加剪應(yīng)力，開始剪切流變試驗；

④在剪切流變試驗過程中，按照預(yù)期的試驗方案，定期設(shè)定振動電機(jī)開關(guān)，模擬剪切流變試驗過程中的爆破擾動荷載；此外，定期通過水泵提供由一定滲透壓的水，通過水箱滲入試樣，待試樣飽和后對試樣進(jìn)行烘干處理，模擬剪切流變試驗過程中的降雨作用；

⑤在整個剪切流變試驗過程中，CCD位移自動量測系統(tǒng)實時自動記錄試樣的位移變化情況。