本發(fā)明涉及地震工程和土木工程領域，具體是一種全透明的多功能巖土體動力荷載系統(tǒng)及試驗方法。

背景技術：

1、動態(tài)模型試驗是研究巖土體動力特性的重要手段，它能模擬巖土體的動態(tài)過程，并能對巖土體的運行狀態(tài)進行分析和預測。常見的巖土體動力荷載系統(tǒng)主要由臺面、模型箱、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器組成。巖土體動力荷載系統(tǒng)應用的試驗條件更加真實，可以同時模擬水平、豎向和扭轉(zhuǎn)等復雜運動。通過建立合理的巖土體動力荷載系統(tǒng)，可以在模擬的地震等作用過程，巖土體和結(jié)構(gòu)性能評價的基礎上，進一步完善土木工程的抗震研究，提高經(jīng)濟效益。

2、盡管巖土體動力荷載系統(tǒng)具有重要的科研價值，但其成本較高，周期較長，但在實際工程中的應用十分廣泛，因此，近年來，技術指標逐漸提高。

3、例如，一般巖土體動力荷載系統(tǒng)僅通過單點傳感器測量巖土體內(nèi)部的應力、位移和孔壓等參數(shù)的演化規(guī)律，無法獲取巖土體在動力荷載下的變形及破壞機理，因此提出了一種單面固定的剪切模型箱，以實現(xiàn)巖土體的一個側(cè)面的可視化。但受限于固定的邊界約束，該方法獲得的巖土體變形信息往往是不準確的，工程中往往更關注箱體內(nèi)部土體的變形特性。

4、因此，開發(fā)一種完全內(nèi)部可視的多功能巖土體動力荷載系統(tǒng)具有重大意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種全透明的多功能巖土體動力荷載系統(tǒng)，包括剪切箱、加載系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、真空飽和系統(tǒng)和臺面。

2、所述剪切箱設置在臺面上，內(nèi)部放置有透明巖土體材料。

3、所述剪切箱包括疊環(huán)箱和防滲部件。

4、所述防滲部件貼附在疊環(huán)箱的內(nèi)壁及底面上。

5、所述疊環(huán)箱包括若干個疊環(huán)、連接部件和永磁體。

6、所述疊環(huán)的形狀包括“u”型和“口”字型。

7、相鄰疊環(huán)之間上下重疊，通過連接部件連接。

8、所述疊環(huán)的上、下表面均設有若干永磁體，用于限位。

9、所述連接部件和永磁體設置在疊環(huán)的四個角處。

10、相鄰疊環(huán)同一個角處的永磁體呈非對稱布置。

11、所述疊環(huán)每個角上的永磁體朝外一側(cè)的磁極相同。

12、當所述疊環(huán)的形狀為“u”型時，開口處設有視窗。

13、所述加載系統(tǒng)包括水平加載系統(tǒng)和豎直加載系統(tǒng)。

14、通過連接在臺面?zhèn)缺诨蚣羟邢鋫?cè)壁的水平加載系統(tǒng)給剪切箱施加水平荷載。

15、通過連接在臺面底壁或剪切箱底壁的豎直加載系統(tǒng)給剪切箱施加豎直荷載。

16、所述成像系統(tǒng)包括激光發(fā)射器、兩部相機和連接支架。

17、所述激光發(fā)射器和相機通過連接支架固定在臺面上，其中，兩部相機固定在同一連接支架上，并成30°～90°夾角布置。

18、所述激光發(fā)射器的中軸線與兩部相機的對稱軸垂直。

19、所述激光發(fā)射器發(fā)射出的激光平面豎直透過剪切箱進入透明巖土體材料形成高亮散斑場。

20、當剪切箱需要維持負壓狀態(tài)時，所述真空飽和系統(tǒng)將剪切箱密封，并對剪切箱中的透明巖土體材料抽真空。

21、進一步，當所述疊環(huán)為“u”型時，連接部件為柱滾輪形式；當所述疊環(huán)為“口”字型時，連接部件為球滾輪形式。

22、進一步，當所述疊環(huán)為“u”型時，所述防滲部件包括三個側(cè)面和一個底面。

23、當所述疊環(huán)為“口”型時，所述防滲部件包括四個側(cè)面和一個底面，且防滲部件的形狀和尺寸與“口”型剪切箱的形狀和尺寸相適配。

24、進一步，當所述疊環(huán)為“u”型時，所述防滲部件從疊環(huán)的開口中伸出。

25、所述視窗上開設有凹槽。

26、所述防滲部件嵌入視窗凹槽中。

27、所述疊環(huán)通過連接部件與視窗連接。

28、進一步，所述透明巖土體材料包括固體顆粒和液體。所述固體顆粒為熔融石英顆粒、氣相二氧化硅、折射率為1.6～1.8的玻璃顆?；?d打印透明樹脂顆粒；所述液體為礦物油混合液或無機鹽水溶液。

29、進一步，當所述疊環(huán)為“u”型時，視窗的截面形狀為方形，所述視窗面相相機一面的四個角上布置有參考點；

30、當所述疊環(huán)為“口”字型時，疊環(huán)箱最底部的疊環(huán)面相相機的一面上布置有參考點。

31、進一步，所述加載系統(tǒng)包括若干個電缸或若干個油缸。

32、當所述疊環(huán)為“u”型時，臺面或剪切箱的一個側(cè)面i上設置有水平加載系統(tǒng)，所述側(cè)面i與疊環(huán)開口面相垂直，此時，水平加載系統(tǒng)只能施加一個水平方向的荷載。

33、當所述疊環(huán)為“口”字型時，臺面或剪切箱的兩個相鄰側(cè)面上均設置有水平加載系統(tǒng)，此時，水平加載系統(tǒng)可施加兩個水平方向的荷載。

34、進一步，當啟動水平加載系統(tǒng)，相鄰疊環(huán)之間因水平錯動而產(chǎn)生位移時，上方疊環(huán)的底部永磁體與下方疊環(huán)頂部的永磁體越靠越近，當出現(xiàn)上下重疊區(qū)域時將產(chǎn)生阻力，且阻力隨錯動位移增大而增大。

35、進一步，所述真空飽和系統(tǒng)包括真空泵、蓋板、連接管和帶開關的氣閥。

36、當剪切箱需要維持負壓狀態(tài)時，所述蓋板固定在剪切箱的頂面上。

37、所述蓋板上開設有若干通氣孔，每個通氣孔安裝有帶開關的氣閥。所述連接管一端與帶開關的氣閥連接，另一端與真空泵連接。

38、本發(fā)明的另一個目的是提供一種基于全透明的多功能巖土體動力荷載系統(tǒng)的試驗方法，包括以下步驟：

39、1)按照比例調(diào)配好液體，使其與固體顆粒具有相同的折射率，然后將固體顆粒和液體混合并攪拌，初步形成透明巖土體材料；

40、2)將初步形成的透明巖土體材料置于剪切箱里的防滲部件中，并蓋上蓋板使得剪切箱頂部不漏氣，然后打開真空泵對剪切箱中的透明巖土體材料抽真空，使得剪切箱內(nèi)維持負壓狀態(tài)；

41、3)達到預設的時間后，關閉真空泵并揭開蓋板，通過加載系統(tǒng)或砝碼對透明巖土體材料進行固結(jié)；

42、達到固結(jié)時間后，撤除加載系統(tǒng)或砝碼，或是維持該狀態(tài)進入下一步；

43、4)打開激光發(fā)射器和兩部相機，調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的功率和相機的焦點，使高亮散斑場在兩部相機視口中清晰可見，然后開始記錄兩部相機中的圖像；

44、5)開啟加載系統(tǒng)，對剪切箱施加荷載；

45、6)通過兩部相機記錄施加荷載的全過程；通過將每個時刻圖像的參考點對齊，消除箱體的剛體位移，然后通過dic技術分析得到透明巖土體材料的變形位移信息。

46、本發(fā)明的技術效果是毋庸置疑的,本發(fā)明的有益效果如下：

47、1)本發(fā)明提出一種全透明的多功能巖土體動力荷載系統(tǒng)，能完全實現(xiàn)巖土體在在動力加載下的可視化，克服了目前的動力模型試驗中僅能從模型邊界進行有限觀察的局限。

48、2)地震、沖擊、交通、涌浪等荷載作用下巖土體內(nèi)部的動力響應均可通過相機捕捉。

49、3)采用永磁體同極相斥的原理實現(xiàn)疊環(huán)之間的限位，相比于傳統(tǒng)的限位桿限位措施，避免了疊環(huán)與限位桿相互碰撞對模型的干擾，也節(jié)約了系統(tǒng)整體的尺寸。

50、4)激光發(fā)射器發(fā)射出的激光平面能在試樣內(nèi)部形成高亮散斑場進而進行觀測，解決了以往技術僅能從試樣表面觀察破壞過程的局限性。

51、5)透明巖土體材料與防滲部件相同折射率，均為1.458，方便激光平面透射進入透明試樣時形成的高亮散斑場清晰可見。

52、6)除了動力加載功能，還集成了真空飽和功能，一方面排出空氣能增加透明試樣的透明度，另一方面控制巖土體的含氣量也可用于研究液化大變形等問題。

53、7)除了對飽和土，該系統(tǒng)還能進行非飽和巖土土體等的動力試驗。