磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法

摘要

本发明提供磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法，能够有效模拟黏性土，并获得准确、可靠的试验数据。剪切试验装置包括：多根表面带有磁性、截面为椭圆形的磁棒；剪切盒，用于容纳由多根磁棒组合形成的磁棒相似土，包括匹配设置的下剪切盒和上剪切盒；传压板，与上剪切盒的上侧开口相匹配，盖设在上剪切盒的上侧开口中，与磁棒相似土的上表面接触，将垂直载荷加压头施加的压力传递至磁棒相似土；剪力主动施加构件，设置在下剪切盒的外侧面上，与直剪仪剪力施加头相匹配，用于传递该剪力施压头主动施加的剪力给磁棒相似土；以及剪力被动承受构件，设置在上剪切盒的外侧面上，与直剪仪应力环的测量头相匹配，将剪切力传递给测量头。

权利要求

1.一种基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于，包括：多根表面带有磁性的磁棒，每个所述磁棒的横截面均为椭圆形，通过磁棒之间的磁力模拟黏性土的粘聚力；

剪切盒，内部中空用于容纳由多根所述磁棒组合形成的磁棒相似土，包括匹配设置的下剪切盒和上剪切盒；所述上剪切盒的上、下两侧均设有开口；所述下剪切盒的底部设置有与直剪仪的滚珠相匹配的滚珠滑轨；

传压板，与所述上剪切盒的上侧开口相匹配，盖设在所述上剪切盒的上侧开口中，与所述磁棒相似土的上表面接触，将垂直载荷加压头施加的压力传递至所述磁棒相似土；

剪力主动施加构件，设置在所述下剪切盒的外侧面上，与直剪仪剪力施加头相匹配，用于传递该剪力施压头主动施加的剪力给所述磁棒相似土；以及剪力被动承受构件，设置在所述上剪切盒的与所述剪力主动施加构件相背向的外侧面上，且与直剪仪应力环的测量头相匹配，将所述磁棒相似土的剪切力传递给测量头。

2.根据权利要求1所述的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于：其中，所述多根表面带有磁性的磁棒为至少两组不同截面尺寸的磁棒，每根所述磁棒的长度均与所述剪切盒的内腔长度相对应，并且每根所述磁棒均平行于所述剪切盒的内腔长度方向设置。

3.根据权利要求2所述的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于：其中，所述磁棒为外表面沿轴向缠绕粘贴有可充磁的磁贴的钢棒。

4.根据权利要求3所述的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于：其中，所述钢棒至少设有三种尺寸，椭圆短轴×椭圆长轴分别为：3mm×6mm；4mm×8mm；

5mm×10mm。

5.根据权利要求3所述的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于：其中，所述传压板上设有分压十字架，该分压十字架具有两条相互交叉并且向着所述上剪切盒的两条对角线延伸的分压臂，所述分压臂的四个端部作为四个分压点位均为圆角；在所述分压臂的交叉区域设有与加压头相匹配的凹槽，施加至该凹槽的点载荷被均匀分散至所述分压臂的四个端部。

6.根据权利要求1所述的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于：其中，所述剪力主动施加构件设置在所述下剪切盒长度方向的侧面上，为扁长方体状，中部设有截面为三角形的第一连接凹槽，该第一连接凹槽与直剪仪剪力施加头相匹配；

所述剪力被动承受构件设置在所述上剪切盒长度方向的侧面上，连接端为直角钩状，该连接端的前部设有截面呈三角形的第二连接凹槽，该第二连接凹槽与测量头相匹配；

所述下剪切盒宽度方向的侧面上设有防错位片。

7.一种基于磁棒相似土技术的剪切试验方法，采用权利要求1至6中任意一项所述的剪切试验装置进行剪切试验，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.将多根带有磁性的磁棒平行放置于剪切盒中，并填满剪切盒，形成待测试的磁棒相似土，然后在该待测试的磁棒相似土上盖上传压板；

步骤2.将剪切盒放置在土体直剪仪上，使得下剪切盒底部的滚珠滑轨与土体直剪仪的滚珠良好接触；

步骤3.将垂直荷载加压头对准传压板，控制剪力施加头与下剪切盒上的剪力主动施加构件相接触，控制测量头与上剪切盒上的剪力被动承受构件相接触；

步骤4.施加垂直荷载，控制直剪仪进行剪切，获取垂直载荷数据和剪切数据；

步骤5.根据获取的不同垂直载荷下的试验数据，得到垂直应力与剪应力的对应关系，进而得到所述磁棒相似土的内摩擦角和粘聚力。

说明书

磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程相似模型试验领域，具体涉及一种磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法。
技术背景

[0002] 在岩土工程相似模型试验领域，二维棒材相似土(analogical soil)被广泛地应用于揭示路堤、垫层材料以及挡土墙后土体的变形与荷载传递现象，相似土材料一般采用
钢棒、铝棒、木棒和玻璃棒等。由于普通棒材之间无粘结作用，因此目前的二维棒材相似土
仅能模拟砂土的工程特性，而无法模拟黏性土。同时，目前的相似土技术一般采用圆形截
面，由于圆形截面棒材截面的配位数(单个颗粒的平均接触点数量)较低，剪胀性较低，强度
普遍偏低，与真实土体存在较大差异，容易造成模拟失真。

发明内容

[0003] 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法，能够有效模拟黏性土，并获得准确、可靠的试验数据。

[0004] 本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

[0005] <基于磁棒相似土技术的剪切试验装置>

[0006] 本发明提供一种基于磁棒相似土技术的剪切试验装置，其特征在于，包括：多根表面带有磁性的磁棒，每个磁棒的横截面均为椭圆形；剪切盒，内部中空用于容纳由多根磁棒
组合形成的磁棒相似土，包括对向、匹配设置的下剪切盒和上剪切盒；上剪切盒的上、下两
侧均设有开口；下剪切盒的底部设置有与直剪仪的滚珠相匹配的滚珠滑轨；传压板，与上剪
切盒的上侧开口相匹配，盖设在上剪切盒的上侧开口中，与磁棒相似土的上表面接触，将垂
直载荷加压头施加的压力传递至磁棒相似土；剪力主动施加构件，设置在下剪切盒的外侧
面上，与直剪仪剪力施加头相匹配，用于传递该剪力施压头主动施加的剪力给磁棒相似土；
以及剪力被动承受构件，设置在上剪切盒的与剪力主动施加构件相背向的外侧面上，且与
直剪仪应力环的测量头相匹配，将磁棒相似土的剪切力传递给测量头。

[0007] 优选地，本发明提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置还可以具有以下特征：多根表面带有磁性的磁棒为至少两组不同截面尺寸的磁棒，每根磁棒的长度均与剪切
盒的内腔长度相对应，并且每根磁棒均平行于剪切盒的内腔长度方向设置。

[0008] 优选地，本发明提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置还可以具有以下特征：磁棒为外表面沿轴向缠绕粘贴有可充磁的磁贴的钢棒。

[0009] 优选地，本发明提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置还可以具有以下特征：钢棒至少设有三种尺寸，椭圆短轴×椭圆长轴分别为：3mm×6mm；4mm×8mm；5mm×10mm。

[0010] 优选地，本发明提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置还可以具有以下特征：传压板上设有分压十字架，该分压十字架具有两条相互交叉并且向着上剪切盒的两条
对角线延伸的分压臂，分压臂的四个端部作为四个分压点位均为圆角；在分压臂的交叉区
域设有与加压头相匹配的凹槽，施加至该凹槽的点载荷被均匀分散至分压臂的四个端部。

[0011] 优选地，本发明提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置还可以具有以下特征：剪力主动施加构件设置在下剪切盒长度方向的侧面上，为扁长方体状，中部设有截面为
三角形的第一连接凹槽，该第一连接凹槽与直剪仪剪力施加头相匹配；剪力被动承受构件
设置在上剪切盒长度方向的侧面上，连接端为直角钩状，该连接端的前部设有截面呈三角
形的第二连接凹槽，该第二连接凹槽与测量头相匹配；下剪切盒宽度方向的侧面上设有防
错位片。

[0012] <磁棒相似土>

[0013] 进一步，本发明还提供一种磁棒相似土，其特征在于，包括：多根表面带有磁性的磁棒，每个磁棒的横截面均为椭圆形，通过磁棒之间的磁力模拟黏性土的粘聚力。

[0014] 优选地，本发明提供的装药精确定位装置还可以具有以下特征：多根表面带有磁性的磁棒为至少两组不同截面尺寸的磁棒，将不同截面尺寸的磁棒组合，通过磁棒之间的
磁力模拟黏性土的粘聚力。

[0015] 优选地，本发明提供的磁棒相似土还可以具有以下特征：磁棒为外表面沿轴向缠绕粘贴有可充磁的磁贴的钢棒，或者，也可以直接采用带有磁性的棒材。

[0016] <基于磁棒相似土技术的剪切试验方法>

[0017] 相应地，本发明还提供一种基于磁棒相似土技术的剪切试验方法，采用上文<基于磁棒相似土技术的剪切试验装置>所描述的剪切试验装置进行剪切试验，其特征在于，包括
如下步骤：

[0018] 步骤1.将多根带有磁性的磁棒平行放置于剪切盒中，并填满剪切盒，形成待测试的磁棒相似土，然后在该待测试的磁棒相似土上盖上传压板。

[0019] 步骤2.将剪切盒放置在土体直剪仪上，使得下剪切盒底部的滚珠滑轨与土体直剪仪的滚珠良好接触。

[0020] 步骤3.将垂直荷载加压头对准传压板，控制剪力施加头与下剪切盒上的剪力主动施加构件相接触，控制测量头与上剪切盒上的剪力被动承受构件相接触。

[0021] 步骤4.施加垂直荷载，控制直剪仪进行剪切，获取垂直载荷数据和剪切数据。

[0022] 步骤5.根据获取的不同垂直载荷下的试验数据，得到垂直应力与剪应力的对应关系，进而得到磁棒相似土的内摩擦角和粘聚力。

[0023] 发明的作用与效果

[0024] 根据本发明提供的磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法，将截面为椭圆形的磁棒组合形成磁棒相似土，椭圆截面可以提供更多的接触点，相比于其它
形状，采用椭圆截面模拟土的性质和真实土的性质更加接近，通过磁棒相互之间的磁力作
用可以有效地模拟黏性土的粘聚力，该磁棒相似土可用于二维模型试验中，作为挡土墙、桩
承式路堤中的模拟土体，模拟黏性土在路堤、垫层与挡土墙后填土等岩土工程中的应力与
应变特性。进一步，将多根带有磁性的磁棒平行放置于剪切盒中，并填满剪切盒，形成待测
试的磁棒相似土，然后在该待测试的磁棒相似土上盖上传压板，采用传压板将垂直荷载均
匀施加至磁棒相似土，再通过主动施加构件和剪力被动承受构件配合土体直剪仪进行测
试，可获得准确的测试数据，进而得到模拟黏性土的磁棒相似土的摩擦角和粘聚力。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例中涉及的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置的结构示意图，其中(a)为三种不同尺寸的磁棒，(b)和(c)分别为剪切试验装置对向侧观察的立体图；

[0026] 图2为本发明实施例中涉及的磁棒相似土的结构示意图；

[0027] 图3为本发明实施例中涉及的传压板的结构示意图；

[0028] 图4为本发明实施例中涉及的上剪切盒和剪力主动施加构件的结构示意图；

[0029] 图5为本发明实施例中涉及的下剪切盒和剪力被动承受构件的结构示意图。

[0030] 图中，10‑剪切试验装置、11‑磁棒、11a‑钢棒、11b‑磁贴、12‑剪切盒、12a‑下剪切盒、12a‑1‑滚珠滑轨、12a‑2‑防错位片、12b‑上剪切盒、13‑传压板、13a‑分压十字架、13b‑凹
槽、14‑剪力主动施加构件、14a‑第一连接凹槽、15‑剪力被动承受构件、15a‑第二连接凹槽。

具体实施方式

[0031] 以下结合附图对本发明涉及的磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法的具体实施方案进行详细地说明。

[0032] <实施例>

[0033] 如图1所示，本实施例所提供的基于磁棒相似土技术的剪切试验装置10，包括：多根磁棒11、剪切盒12、传压板13、剪力主动施加构件14以及剪力被动承受构件15。

[0034] 如图1和2所示，每根磁棒11的横截面均为椭圆形，并且表面带有磁性。本实施例中，共设有三组不同截面尺寸的磁棒11，所有磁棒11的长度均相同，与剪切盒12的内腔长度
相当，正好可以沿长度方向放入剪切盒12内。本实施例中，采用的磁棒11为外表面粘贴缠绕
有橡胶磁贴11b的钢棒11a，橡胶磁贴11b沿着钢棒11a的长轴方向缠绕设置，包裹住钢板的
外表面，通过橡胶磁贴11b使得钢棒11a带上磁性形成磁棒，通过磁棒之间相互作用的磁力
来模拟黏性土的粘聚力。本实施例中，采用的橡胶磁贴11b是一种往橡胶中参入了钕铁硼强
磁粉、厚度为0.4mm的条带片状橡胶磁，磁贴11b的一面进行了多级充磁，带有磁性，另一面
附有双面胶，用于包裹钢棒11a；具体地，采用的磁贴11b为600高斯，模拟粘聚力为5kPa左
右。三种钢棒11a椭圆短轴×椭圆长轴×钢棒11a长度分别为：3mm×6mm×145mm；4mm×8mm
×145mm；5mm×10mm×145mm，三种尺寸表面包裹有橡胶磁贴11b的钢棒11a按设定的质量比
选取对应的数量组合，可配置成级配不同的二维磁棒相似土。

[0035] 如图1、4、5所示，剪切盒12为长方体状，内部中空用于容纳由多根磁棒11组合配置形成的磁棒相似土，它包括对向、匹配设置的下剪切盒12a和上剪切盒12b。下剪切盒12a的
上部开口，底部设置有与直剪仪的滚珠相匹配的两条滚珠滑轨12a‑1，用于滑动剪切；在下
剪切盒12a宽度方向的两个侧面上均设有防错位片12a‑2，防止下剪切盒12a宽与上剪切盒
12b之间发生侧向错位。上剪切盒12b的上、下两侧均设有开口，下侧开口与下剪切盒12a的
开口相匹配。

[0036] 如图1和3所示，传压板13与上剪切盒12b的上侧开口相匹配，盖设在上剪切盒12b的上侧开口中，在剪切盒12内是空的情况下，可在剪切盒12内进行无阻力的垂直运动，在剪
切盒12内容纳有磁棒相似土后，与磁棒相似土的上表面接触，将直剪仪垂直载荷加压头施
加的压力有效地传递至磁棒相似土上。为了使得传递的压力能够更加均匀地作用于磁棒相
似土，传压板13上设置了分压十字架13a，该分压十字架13a具有两条相互交叉并且向着上
剪切盒12b的两条对角线延伸的分压臂，分压臂的四个端部作为四个分压点位均为圆角；在
分压臂的交叉区域设有与加压头相匹配的凹槽13b，施加至该凹槽13b的点载荷沿着分压臂
被均匀分散，形成更加均匀的压应力。

[0037] 如图1和4所示，剪力主动施加构件14设置在下剪切盒12a长度方向的侧面上，为扁长方体状，与直剪仪剪力施加头相匹配，用于将剪力施压头主动施加的剪力传递给剪切盒
12内的磁棒相似土，使上剪切盒12b与下剪切盒12a发生相对位移，从而对磁棒相似土的水
平面施加上剪力。剪力主动施加构件14的中部设有截面为正三角形的第一连接凹槽14a，第
一连接凹槽14a与直剪仪剪力施加头相匹配接触，使得剪力施加头能够均匀施加剪切力，同
时可以防止剪力施加头发生左右错动，且可以上下进行调整。

[0038] 如图1和5所示，剪力被动承受构件15设置在上剪切盒12b长度方向的侧面上，并且与剪力主动施加构件14相背向，与应力环的测量头相匹配，用于将磁棒相似土内产生的剪
力传递至测量头，进而通过测量头测出剪力大小。剪力被动承受构件15包括长条状的主体
和从主体外伸突出的连接端，该连接端为直角钩状，并且前部设有截面呈三角形的第二连
接凹槽15a，该第二连接凹槽15a与测量头相匹配接触，将磁棒相似土的剪切力传递给测量
头，同时可以防止测量头发生左右错动，且可以上下进行调整。

[0039] 以上是本实施例所提供的剪切试验装置10的具体结构，下面对采用该剪切试验装置10进行相似土剪切试验的操作方法进行详细说明。

[0040] 试验用到的装置：传统环刀形土体直剪仪一台，上述剪切试验装置10，足量能够填满剪切盒12的三种尺寸磁棒11若干(磁贴11b充磁方向与钢棒11a长度方向一致)。

[0041] 试验过程：

[0042] 步骤1.将直剪盒12的下剪切盒12a和上剪切盒12b紧密放置，将三种尺寸磁棒11平行于直剪盒12横向随机混合放置填满剪切盒12(每根磁棒11均平行于剪切盒的内腔长度方
向设置)，盖上传压板13；这里，先采用三种尺寸磁棒11(钢板椭圆短轴×椭圆长轴×钢棒
11a长度：3mm×6mm×145mm；4mm×8mm×145mm；5mm×10mm×145mm)，粘贴厚度0.4mm的片状
钕铁硼强磁粉橡胶磁，按照质量比1:1:1进行混合作为待测试的磁棒相似土。

[0043] 步骤2.将盖上传压板13的剪切盒12整体放置在传统环刀形土体直剪仪的滚珠上，取代原环刀形直剪盒12的位置，使下剪切盒12a底部的两条滑轨12a‑1与滚珠良好接触。

[0044] 步骤3.将传压板13上部圆形凹槽13b对准垂直荷载加压头，施加初级荷载使其稳定；调节直剪仪上应力环，使应力环测量头部与剪力被动承受构件15的第二连接凹槽15a接
触，通过应力环测出剪力大小；控制直剪仪剪力施加头与剪力主动施加构件14的第一连接
凹槽14a接触，并使应力环读数表指针有所跳动。

[0045] 步骤4.施加并记录第一级垂直荷载，控制直剪仪剪力施加头进行匀速快剪，记录应力环读数，当读数停止增长并出现回撤时，终止剪切；

[0046] 步骤5.按照以上步骤1至4重新进行试验安装，并依次施加第二级、第三级……垂直荷载，进行直剪试验并记录相关数据。

[0047] 步骤6.数据处理：将垂直荷载按原直剪盒与现剪切盒12的水平受力截面面积进行等比例换算，可计算得到各级垂直荷载对应的垂直应力值σ。通过应力环记录的数据得到的
最大剪力值除以水平受力截面，可计算得到相应垂直应力下的剪应力值τ。由此可绘制出τ‑
σ关系曲线，结合公式 可以得到磁棒11的内摩擦角 和粘聚力c。试验数据如下表
1：

[0048] 表1磁棒相似土直剪试验数据

[0049]

[0050] 将剪应力τ和垂直应力σ线性回归得到τ‑σ线性关系曲线：τ＝0.37σ+4.3409，结合公式 可计算得到磁棒相似土的内摩擦角 约为20.30°，粘聚力c约为4.34kPa。

[0051] 结论：使用设计的剪切盒12对磁棒11进行直剪试验，可以得到稳定的内摩擦角 和粘聚力c，剪应力τ和垂直应力σ的线性相关系数达到0.99，具有较高的线性相关性。

[0052] 基于以上方法，可测试不同磁通量、配比与粘聚力之间的关系，从而得到多组不同性质的磁棒相似土。然后根据要模拟的真实黏性土体的情况，调整和选取性能最为接近的
(在可接受阈值偏差范围内的)磁棒相似土作为模型土，用于工程土体模拟，例如，作为挡土
墙、桩承式路堤等试验中的模拟土体，模拟黏性土在路堤、垫层与挡土墙后填土等岩土工程
中的应力与应变特性，从而能够获得最为接近真实情况的试验数据。

[0053] 以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的磁棒相似土、基于磁棒相似土技术的剪切试验装置及方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的
内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上
所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。