【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土工试验领域，尤其涉及基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置及方法。
技术介绍
1、近年来受气候变暖影响，水循环加剧导致台风和暴雨等极端天气频发，滑坡、水土流失等环境地质灾害问题日益突出，造成大量人员伤亡和财产损失。
2、现有采用植物的保护修复技术改善上述问题，植物不仅可以减少水土流失、提高边坡稳定性，其强大的固碳能力还可以减少二氧化碳净排放，兼具工程防护和美化环境的效果，对于应对气候变化及其引起的自然灾害具有十分积极的作用。但由于根、土相互作用复杂，不同地域适宜生长的植被也十分不同，导致其基本理论尚未得到很好的发展，很多应用仍然是从经验出发，限制了植被在自然灾害防治和边坡防护领域的大规模应用。
3、根系可视为具有预应力效应的三维加筋材料，可以提高土体的抗剪强度。国内外学者通过直剪试验、三轴试验以及野外原位剪切试验，针对土壤含根量、根系构型等因素对植物根系的加筋固土作用进行了大量研究。其中，三轴试验仪存在着操作繁琐，试验周期长等问题。野外原位剪切试验对场地选取、土壤理化性质均一度的要求较高。直剪试验操作简便，重复性强，但是现有的直剪试验装置大都尺寸较小，剪切过程中边界效应影响较大，同时直剪试验常采用纤维或扰动后的根系的重塑加筋土开展试验，不能反映真实情况下根系与土壤的相互作用。
4、同时，实验室常用的针对加筋土的大型剪切试验装置，通常都是在整体剪切盒中直接装填、压实后进行剪切试验，土样的填装、压实过程往往会浪费大量的时间，多个加筋土试样制备无法同时进行，剪切效率较低。此外，针
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供一种基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置及方法，通过piv技术（粒子图像测速技术）对剪切试验过程中剪切带土颗粒和速率进行实时监测，可获取在未扰动的植物根系的加筋作用下土体剪切带演化过程，深入了解根系加筋土的稳定与安全问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置，包括试验台、设置于试验台顶端的嵌入组合式剪切盒、用于对嵌入组合式剪切盒内的试样进行加载的力学加载机构以及监测机构，监测机构包括设置于力学加载机构上的位移传感器组件与piv摄像组件，位移传感器组件、piv摄像组件均与计算机相连，且piv摄像组件与嵌入组合式剪切盒透明观测面对准。
3、优选的，嵌入组合式剪切盒包括上层直剪盒和位于上层直剪盒底端的下层直剪盒；
4、试验台的顶端固定有倒u型固定架，力学加载机构包括用于将上层直剪盒向上位移至设定距离的升降单元、用于对上层直剪盒内的试验施加垂直力的垂直加载单元和用于对下层直剪盒施加水平推力的水平加载单元。
5、优选的，垂直加载单元包括固定于倒u型固定架顶端内壁且位于嵌入组合式剪切盒正上方的顶板、固定于顶板底端的加载气缸、固定于加载气缸的活塞杆的底部输出端的垂直加载头，垂直加载头的底端还固定有垂直加载板，垂直加载板的中心与嵌入组合式剪切盒的中心位于同一垂直轴线上，且垂直加载板的横截面尺寸小于嵌入组合式剪切盒的横截面内尺寸；加载气缸的活塞杆上还固定有导向板，导向板与垂直导向杆的底端滑动连接，垂直导向杆的顶端与顶板固定连接；
6、水平加载单元包括固定于倒u型固定架底端一侧内壁上且位于嵌入组合式剪切盒一侧的水平伺服电机、与水平伺服电机的输出端连接的减速机、与减速机的输出端连接的水平丝杠、与水平丝杠螺纹连接的水平位移螺母和与水平位移螺母远离水平丝杠的一端固定连接的水平加载板，水平位移螺母还与固定于水平伺服电机的外壳上的水平导向杆水平滑动连接，水平加载板与下层直剪盒的一侧对准，水平加载板还经水平导向杆与倒u型固定架固定连接；
7、升降单元包括固定于倒u型固定架底端另一侧内壁上的升降驱动电机、经联轴器与升降驱动电机的顶部输出端连接的垂直丝杠、与垂直丝杠螺纹连接的垂直位移螺母和与垂直位移螺母连接的升降面板，升降面板面向嵌入组合式剪切盒的上层直剪盒的一侧经悬杆固定有升降连接板，升降连接板与上层直剪盒的侧部固定连接；倒u型固定架上且位于垂直丝杠的两侧均固定有垂直导轨，垂直导轨与升降面板垂直滑动连接，且垂直导轨的上下两端均固定有垂直限位块。
8、优选的，位移传感器组件包括设置于顶板四角的四个垂直位移传感器、设置于垂直加载板底端的第一压力传感器、设置于水平伺服电机上的水平位移传感器和设置于水平加载板面向下层直剪盒一侧的第二压力传感器，其中四个垂直位移传感器用于实时监测试样顶面的整体垂直位移，第一压力传感器用于监测垂直加载单元施加到嵌入组合式剪切盒顶端的垂直加载力，水平位移传感器用于监测下层直剪盒的水平位移，第二压力传感器用于监测水平加载单元施加到下层直剪盒侧部的水平加载力；
9、piv摄像组件包括三角支撑架、固定于三角支撑架顶端的固定台、固定于固定台顶端的piv摄像机，piv摄像机的摄像头面向嵌入组合式剪切盒的透明观测面，且piv摄像机的摄像头与嵌入组合式剪切盒之间的固定台上固定有环形光源。
10、优选的，嵌入组合式剪切盒的底端经底板和水平导轨滑动设置于试验台的顶端，水平导轨的两端均固定有垂直限位块。
11、优选的，试样包括土样和示踪粒子，上层直剪盒和下层直剪盒均包括半包围剪切盒和挡板，半包围剪切盒为上下以及一侧均开口的空心盒结构，且半包围剪切盒的侧部开口位置经螺钉与挡板固定连接。
12、优选的，试样包括土样、植物根系和示踪粒子，上层直剪盒和下层直剪盒均包括半包围剪切盒和植物培养盒，半包围剪切盒为上下以及一侧均开口的空心盒结构，植物培养盒为上下均开口的空心盒结构，且植物培养盒面向半包围剪切盒的一侧设置有装配板；
13、植物培养盒由半包围剪切盒的侧部开口侧插入半包围剪切盒内部，且装配板的两侧均经螺钉与半包围剪切盒的侧部开口位置固定连接；
14、植物培养盒的侧部开设有监测孔，监测孔内插接有土壤水分传感器或者卡接有密封板；
15、植物培养盒的底端与培养透水板或者底板接触。
16、优选的，当土样为砂砾土时，示踪粒子为白色陶瓷颗粒或加筋土样本材料；
17、当土样为粉土或者粘土时，示踪粒子为20目-80目的白色石英砂。
18、优选的，上层的半包围剪切盒和下层的半包围剪切盒之间依次经螺钉和耳板固定连接；
19、嵌入组合式剪切盒的顶端设置有透水板，或者嵌入组合式剪切盒的底端设置有阻水板。
20、所述的基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置的方法，包括以下步骤：
21、s1、试样获取与装填：
22、当试样包括土样和示踪粒子时，试样获取步骤如下：首先将土样和示踪粒子混合，获得试样，然后将两个挡板分别固定于上层的半包围剪切盒和下层的半包围剪切盒的开口端，组成嵌入组合式剪切盒，最后将试样分层压装到嵌本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：包括试验台、设置于试验台顶端的嵌入组合式剪切盒、用于对嵌入组合式剪切盒内的试样进行加载的力学加载机构以及监测机构，监测机构包括设置于力学加载机构上的位移传感器组件与PIV摄像组件，位移传感器组件、PIV摄像组件均与计算机相连，且PIV摄像组件与嵌入组合式剪切盒透明观测面对准。
2.根据权利要求1所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：嵌入组合式剪切盒包括上层直剪盒和位于上层直剪盒底端的下层直剪盒；
3.根据权利要求2所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：垂直加载单元包括固定于倒U型固定架顶端内壁且位于嵌入组合式剪切盒正上方的顶板、固定于顶板底端的加载气缸、固定于加载气缸的活塞杆的底部输出端的垂直加载头，垂直加载头的底端还固定有垂直加载板，垂直加载板的中心与嵌入组合式剪切盒的中心位于同一垂直轴线上，且垂直加载板的横截面尺寸小于嵌入组合式剪切盒的横截面内尺寸；加载气缸的活塞杆上还固定有导向板，导向板与垂直导向杆的底端滑动连接，垂直导向杆的顶端与顶板固定
4.根据权利要求3所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：位移传感器组件包括设置于顶板四角的四个垂直位移传感器、设置于垂直加载板底端的第一压力传感器、设置于水平伺服电机上的水平位移传感器和设置于水平加载板面向下层直剪盒一侧的第二压力传感器，其中四个垂直位移传感器用于实时监测试样顶面的整体垂直位移，第一压力传感器用于监测垂直加载单元施加到嵌入组合式剪切盒顶端的垂直加载力，水平位移传感器用于监测下层直剪盒的水平位移，第二压力传感器用于监测水平加载单元施加到下层直剪盒侧部的水平加载力；
5.根据权利要求4所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：嵌入组合式剪切盒的底端经底板和水平导轨滑动设置于试验台的顶端，水平导轨的两端均固定有垂直限位块。
6.根据权利要求5所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：试样包括土样和示踪粒子，上层直剪盒和下层直剪盒均包括半包围剪切盒和挡板，半包围剪切盒为上下以及一侧均开口的空心盒结构，且半包围剪切盒的侧部开口位置经螺钉与挡板固定连接。
7.根据权利要求5所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：试样包括土样、植物根系和示踪粒子，上层直剪盒和下层直剪盒均包括半包围剪切盒和植物培养盒，半包围剪切盒为上下以及一侧均开口的空心盒结构，植物培养盒为上下均开口的空心盒结构，且植物培养盒面向半包围剪切盒的一侧设置有装配板；
8.根据权利要求6或7所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：当土样为砂砾土时，示踪粒子为白色陶瓷颗粒或加筋土样本材料；
9.根据权利要求6或7所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：上层的半包围剪切盒和下层的半包围剪切盒之间依次经螺钉和耳板固定连接；
10.根据权利要求6或7所述的基于PIV技术的根系加筋土大型剪切试验装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：包括试验台、设置于试验台顶端的嵌入组合式剪切盒、用于对嵌入组合式剪切盒内的试样进行加载的力学加载机构以及监测机构，监测机构包括设置于力学加载机构上的位移传感器组件与piv摄像组件，位移传感器组件、piv摄像组件均与计算机相连，且piv摄像组件与嵌入组合式剪切盒透明观测面对准。
2.根据权利要求1所述的基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：嵌入组合式剪切盒包括上层直剪盒和位于上层直剪盒底端的下层直剪盒；
3.根据权利要求2所述的基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：垂直加载单元包括固定于倒u型固定架顶端内壁且位于嵌入组合式剪切盒正上方的顶板、固定于顶板底端的加载气缸、固定于加载气缸的活塞杆的底部输出端的垂直加载头，垂直加载头的底端还固定有垂直加载板，垂直加载板的中心与嵌入组合式剪切盒的中心位于同一垂直轴线上，且垂直加载板的横截面尺寸小于嵌入组合式剪切盒的横截面内尺寸；加载气缸的活塞杆上还固定有导向板，导向板与垂直导向杆的底端滑动连接，垂直导向杆的顶端与顶板固定连接；
4.根据权利要求3所述的基于piv技术的根系加筋土大型剪切试验装置，其特征在于：位移传感器组件包括设置于顶板四角的四个垂直位移传感器、设置于垂直加载板底端的第一压力传感器、设置于水平伺服电机上的水平位移传感器和设置于水平加载板面向下层直剪盒一侧的第二压力传感器，其中四个垂直位移传感器用于实时监测试样顶面的整体垂直位移，第一压力传感器用于监测垂直加载...
【专利技术属性】
技术研发人员：王冀鹏，康子健，高旭光，李现伟，邱焕翔，柏沫涵，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。