一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪制造技术

本发明专利技术公开了一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪，包括直剪仪本体，可拆卸渗流模块、温度作用模块及可视化高清颗粒捕捉模块。本发明专利技术的直剪仪本体利用切向及法向两套伺服系统可实现常应力、常刚度、常体积法向边界下的界面直剪试验。直剪仪本体的法向边界条件，主要依靠法向伺服电机对反馈来的位移和力信号，实现等体积、等应力、等刚度法向边界控制。本发明专利技术的直剪仪不仅能实现常应力、常刚度、常体积的法向边界，还可考虑土体渗蚀‑剪切作用、温度‑剪切作用，结合可视化高清捕捉手段，可深入探究结构物界面土体发生渗流前后，经受温度循环之后的剪切强度特性以及界面处颗粒运移微观机制。

A visualized interface direct shear instrument considering temperature and seepage

The invention discloses a visual interface direct shear instrument which can consider temperature and seepage effect, including the body of the direct shear instrument, a detachable seepage module, a temperature effect module and a visual high-definition particle capture module. The direct shear apparatus body of the invention can realize the interface direct shear test under the normal boundary of constant stress, constant stiffness and constant volume by using two sets of servo systems of tangential and normal directions. The normal boundary condition of the body of the direct shear apparatus mainly relies on the displacement and force signals fed back by the normal servo motor to realize the normal boundary control of equal volume, equal stress and equal stiffness. The direct shear apparatus of the invention can not only realize the normal boundary of constant stress, constant stiffness and constant volume, but also consider the soil erosion \u2011 shear action and temperature \u2011 shear action. In combination with the visualized high-definition capture means, it can deeply explore the shear strength characteristics of the soil at the structure interface before and after the seepage, after the temperature cycle, and the micro mechanism of particle migration at the interface.

【技术实现步骤摘要】
一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪
本专利技术涉及一种温度控制模块、渗流模块及可视化高清颗粒捕捉模块，尤其涉及一种可考虑温度-剪切、渗流-剪切作用的可视化界面直剪仪。该直剪仪不仅能实现常应力、常刚度、常体积的法向边界，还可考虑土体渗蚀-剪切作用、温度-剪切作用，结合可视化高清捕捉手段，可深入探究结构物界面土体发生渗流前后，经受温度循环之后的剪切强度特性以及界面处颗粒运移微观机制。
技术介绍
在海洋工程中，吸力锚由于其适用范围广、施工时间短、可重复利用及造价低等特点而广泛地被应用。沉贯安装是吸力桶基础施工过程中的关键步骤。吸力桶在安装过程中通过水泵将桶内水抽出形成负压，通过桶内外的压力差将吸力桶基础沉贯至设计标高。在抽水贯入中，会在吸力桶壁附近形成渗流场，间断级配土体中的细小颗粒在渗透力的作用下极有可能被冲蚀，随着土颗粒渗流量的增加，会导致土体与桶壁之间的界面强度的降低，使其实际抗拔承载力低于设计值。海洋环境昼夜温差较大，且从海平面至较深海域，温度梯度较大；另外，目前地热能源桩由于其既能承受上部结构荷载，又能作为竖向换热系统而应用广泛。在温度作用下，会在能源桩内部形成温度场，热胀冷缩则在桩身内部形成应变场，进而在桩体内形成应力场，此时的应变应力场由于受周围土体、上下段约束等因素影响表现出于常规桩-土界面不同的特征。在实际工程中，常涉及土体和结构在经受渗流作用或者温度作用前后界面剪切行为变化的评估和测试，然而目前没有相关的实验设备和技术能够检测和评估渗流或温度对界面抗剪强度的影响。界面直剪仪是一种较好的界面强度测试设备，因其操作简便，测得数据较为精确而应用较多。就目前看来，国内外的直剪仪逐渐向大型化、综合化、自动化方向发展，试验设备功能完善，加载及数据采集基本实现自动化。但目前关于界面剪切的土颗粒运移、剪切带的形成、物态演化及局部变形机理的研究和设备还较少。基于上述背景，为了更好地研究土体渗流-剪切作用以及温度-剪切作用对界面剪切行为的影响，本专利技术提出一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪，包括可拆卸渗流模块、温度作用模块、可视化高清颗粒捕捉模块，探究温度或者渗流作用对界面强度的影响，既能模拟海洋吸力桶内外侧土体在发生渗流后与钢界面的剪切行为变化以及海底油气管道周围的土体被冲刷导致的管道破坏，又能研究在温度作用下结构与土体界面抗剪强度的变化。本专利技术将温度作用以及渗流作用集成在一台界面直剪仪上，有效提高了仪器的功能性、便利性。本专利技术采取以下技术方案：一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪，包括直剪仪本体、可拆卸渗流模块、温度作用模块及可视化高清颗粒捕捉模块；所述的直剪仪本体包括底座、切向伺服电机、刚性反力架、伺服控制系统、以及自下而上依次设于底座上的水平滑轨、滑块、可拆卸模拟界面镀锌钢板、无盖水浴箱、可竖向移动盖板、承载板、法向伺服电机；所述的刚性反力架设置于底座上，所述的法向伺服电机设置于刚性反力架上，所述的刚性反力架的两个侧面还设有竖向滑轨；所述的可竖向移动盖板与竖向滑轨的连接处设有竖向限位调节阀；所述的无盖水浴箱内设有方形透明限位环；所述的方形透明限位环内部中空，其顶部与可竖向移动盖板底部相连，且内部装有试验土体；所述的滑块与切向伺服电机之间设有力传感器，滑块可沿水平滑轨水平移动；所述的伺服控制系统用于控制切向伺服电机和法向伺服电机；切向伺服电机和法向伺服电机分别用于控制滑块的水平移动和方形透明限位环的上下移动，从而可模拟试验土体的界面剪切；所述的可拆卸渗流模块包括进水管路、出水管路和渗压流量调控系统；所述的进水管路依次连接储水箱、第一阀门、水压力传感器、电磁流量计、方形透明限位环，所述的出水管路依次连接方形透明限位环、第二阀门、颗粒收集装置、水泵、储水箱；所述的方形透明限位环靠近进水管路侧设有透水石，用于对进水整流并使之均匀平稳地流入试验土体；所述的方形透明限位环靠近出水管路侧均匀开有圆孔，该侧沿垂直渗流方向面上设有两块带孔的夹板，圆孔与夹板上的孔的孔径一致，使两块夹板垂直于渗流路径向两侧对称张开与闭合，可控制渗流孔径在需要的范围内变化(当夹板的孔与方形透明限位环上的孔完全错开时渗流孔径为0，当夹板的孔与方形透明限位环上的孔完全重合时渗流孔径最大)；所述的夹板外侧设有不透水板，二者之间形成密闭腔体，密闭腔体与出水管路相连；所述的温度作用模块包括S型铜管、温度传感器、温度调控系统、储水箱；所述的S型铜管埋设在所述的可拆卸模拟界面镀锌钢板上，并通过水管与储水箱相连；所述的温度调控系统用于控制储水箱中循环水的温度，所述的S型铜管通过循环水对无盖水浴箱进行加热，所述的温度传感器用于对无盖水浴箱内的温度进行测量，并将温度反馈至温度调控系统进行调整；所述的可视化高清颗粒捕捉模块包括水下高清摄像头和图像处理系统，所述的水下高清摄像头设置在所述的无盖水浴箱内壁，用于监测界面位置的土体运动情况；所述的伺服控制系统、渗压流量调控系统、温度调控系统、图像处理系统集成在一台计算机进行控制；所述的方形透明限位环和可调整渗流孔径的方形透明限位环距离可拆卸模拟界面镀锌钢板2mm处在垂直剪切方向设有一对弯曲元，用于检测各种状态下的土体剪切波速，评估土体在剪切(渗蚀)的剪切模量。上述技术方案中，进一步地，所述的滑块通过螺母与可拆卸模拟界面镀锌钢板连接，方形透明限位环与可竖向移动盖板通过螺母连接，通过竖向限位调节阀、竖向滑轨以及可竖向移动盖板可调节方形透明限位环与可拆卸模拟界面镀锌钢板距离。进一步地，所述的承载板底部中心设有土压力计，可与力传感器对比法向力大小。进一步地，所述渗流模块可由渗压调控系统及进、出水管路对土体施加1～500kPa的渗流压力及0～20cm3/s的流量。进一步地，所述的切向伺服电机及法向伺服电机均可提供0～1MPa的剪切力和法向压力。进一步地，所述的颗粒收集装置包括一套标准筛，孔径由上至下依次减小，用于确定整体渗蚀量以及颗粒级配变化。进一步地，所述的温度传感器呈直线均匀布置在可拆卸模拟界面镀锌钢板上，可验证无盖水浴箱内钢-砂界面处温度的均匀性，实现温度循环，温度范围为0～70℃。进一步地，所述的矩形透水石嵌入方形透明限位环中，嵌入深度为方形透明限位环侧壁厚度的一半。本专利技术的直剪仪本体利用切向及法向两套伺服系统可实现常应力、常刚度、常体积法向边界下的界面直剪试验。所述的界面直剪仪本体的法向边界条件，主要依靠法向伺服电机对反馈来的位移和力信号，实现等体积、等应力、等刚度法向边界控制。其中等体积和等应力控制为保持剪切过程中位移和轴力示数保持不变，其中等刚度控制主要通过实测土的竖向位移通过刚度计算公式来调节法向压力，实现等刚度边界情况。在进行土体渗流-剪切试验时，先调整法向边界条件，通过法向伺服电机驱动可竖向移动盖板，从而调整方形透明限位环的位置，使之与无盖水浴箱底部紧密接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪，包括直剪仪本体(1)，其特征在于，还包括可拆卸渗流模块(2)、温度作用模块(3)及可视化高清颗粒捕捉模块(4)；/n所述的直剪仪本体(1)包括底座(5)、切向伺服电机(6)、刚性反力架(7)、伺服控制系统(8)、以及自下而上依次设于底座(5)上的水平滑轨(9)、滑块(10)、可拆卸模拟界面镀锌钢板(11)、无盖水浴箱(12)、可竖向移动盖板(13)、承载板(14)、法向伺服电机(15)；所述的刚性反力架(7)设置于底座(5)上，所述的法向伺服电机(15)设置于刚性反力架(7)上，所述的刚性反力架(7)的两个侧面还设有竖向滑轨(16)；所述的可竖向移动盖板(13)与竖向滑轨(16)的连接处设有竖向限位调节阀(17)；所述的无盖水浴箱(12)内设有方形透明限位环(18)；所述的方形透明限位环(18)内部中空且装有试验土体，其顶部与可竖向移动盖板(13)底部相连；所述的滑块(10)与切向伺服电机(6)之间设有力传感器(19)；所述的伺服控制系统(8)用于控制切向伺服电机(6)和法向伺服电机(15)；/n所述的可拆卸渗流模块(2)包括进水管路(20)、出水管路(21)和渗压流量调控系统(22)；所述的进水管路(20)依次连接储水箱(23)、渗压流量调控系统(22)、第一阀门(24)、水压力传感器(25)、电磁流量计(26)、方形透明限位环(18)，所述的出水管路(21)依次连接方形透明限位环(18)、第二阀门(27)、颗粒收集装置(28)、水泵(29)、储水箱(23)；所述的方形透明限位环(18)靠近进水管路(20)侧设有透水石(43)，用于对进水整流并使之均匀平稳地流入试验土体；所述的方形透明限位环(18)靠近出水管路(21)侧均匀开有圆孔，其外侧设有带孔的夹板(30)，圆孔与夹板(30)上的孔的孔径一致，通过控制夹板(30)的运动可调节渗流孔径；所述的夹板(30)外侧设有不透水板，二者之间形成密闭腔体(42)，密闭腔体(42)与出水管路(21)相连；/n所述的温度作用模块(3)包括S型铜管(31)、温度传感器(32)、温度调控系统(33)，储水箱(23)；所述的S型铜管(31)埋设在所述的可拆卸模拟界面镀锌钢板(11)上，并通过水管与储水箱(23)相连；所述的温度调控系统(33)用于控制储水箱(23)中循环水的温度，所述的S型铜管(31)通过循环水对无盖水浴箱(12)进行加热，所述的温度传感器(32)用于对无盖水浴箱(12)内的温度进行测量，并将温度反馈至温度调控系统(33)进行调整；/n所述的可视化高清颗粒捕捉模块(4)包括水下高清摄像头(34)和图像处理系统(35)，所述的水下高清摄像头(34)设置在所述的无盖水浴箱(12)内壁，用于监测界面位置的土体运动情况；所述的图像处理系统(35)用于对水下高清摄像头(34)拍摄的图像进行处理；/n所述的伺服控制系统(8)、渗压流量调控系统(22)、温度调控系统(33)、图像处理系统(35)集成在一台计算机(36)进行控制；/n所述的方形透明限位环(18)距离可拆卸模拟界面镀锌钢板(11)2mm处在垂直剪切方向设有一对弯曲元(37)，用于检测各种状态下的土体剪切波速。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可考虑温度、渗流作用的可视化界面直剪仪，包括直剪仪本体(1)，其特征在于，还包括可拆卸渗流模块(2)、温度作用模块(3)及可视化高清颗粒捕捉模块(4)；
所述的直剪仪本体(1)包括底座(5)、切向伺服电机(6)、刚性反力架(7)、伺服控制系统(8)、以及自下而上依次设于底座(5)上的水平滑轨(9)、滑块(10)、可拆卸模拟界面镀锌钢板(11)、无盖水浴箱(12)、可竖向移动盖板(13)、承载板(14)、法向伺服电机(15)；所述的刚性反力架(7)设置于底座(5)上，所述的法向伺服电机(15)设置于刚性反力架(7)上，所述的刚性反力架(7)的两个侧面还设有竖向滑轨(16)；所述的可竖向移动盖板(13)与竖向滑轨(16)的连接处设有竖向限位调节阀(17)；所述的无盖水浴箱(12)内设有方形透明限位环(18)；所述的方形透明限位环(18)内部中空且装有试验土体，其顶部与可竖向移动盖板(13)底部相连；所述的滑块(10)与切向伺服电机(6)之间设有力传感器(19)；所述的伺服控制系统(8)用于控制切向伺服电机(6)和法向伺服电机(15)；
所述的可拆卸渗流模块(2)包括进水管路(20)、出水管路(21)和渗压流量调控系统(22)；所述的进水管路(20)依次连接储水箱(23)、渗压流量调控系统(22)、第一阀门(24)、水压力传感器(25)、电磁流量计(26)、方形透明限位环(18)，所述的出水管路(21)依次连接方形透明限位环(18)、第二阀门(27)、颗粒收集装置(28)、水泵(29)、储水箱(23)；所述的方形透明限位环(18)靠近进水管路(20)侧设有透水石(43)，用于对进水整流并使之均匀平稳地流入试验土体；所述的方形透明限位环(18)靠近出水管路(21)侧均匀开有圆孔，其外侧设有带孔的夹板(30)，圆孔与夹板(30)上的孔的孔径一致，通过控制夹板(30)的运动可调节渗流孔径；所述的夹板(30)外侧设有不透水板，二者之间形成密闭腔体(42)，密闭腔体(42)与出水管路(21)相连；
所述的温度作用模块(3)包括S型铜管(31)、温度传感器(32)、温度调控系统(33)，储水箱(23)；所述的S型铜管(31)埋设在所述的可拆卸模拟界面镀锌钢板(11)上，并通过水管与储水箱(23)相连；所述的温度调控系统(33)用于控制储水箱(23)中循环水的温度，所述的S型铜管(31)通过循环水对无盖水浴箱(12)进行加热，所述的温度传感器(32)用于对无盖水浴箱(12)内的温度进行测量，并将温度反...

【专利技术属性】
技术研发人员：国振，王立忠，李雨杰，洪义，李玲玲，周文杰，芮圣洁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33