CN103076230A - 土体-结构接触面力学特性的试验方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了土体-结构接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：1）制备试样；2）施加围压；3）饱和环状土样；4）疏干环状土样；5）饱水-疏干循环环状土样；6）向所述圆柱形结构样的底端或顶端施加静荷载或动载荷；7）向所述圆柱形结构样的顶端或底端施加静荷载或动载荷；8）反复剪切荷载循环；9）结束试验。本发明还公开了土体-结构接触面力学特性的试验装置。本发明土体-结构接触面力学特性的试验方法和试验装置能够模拟复杂条件下的非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性，并能够对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切载荷和反复剪切载荷，能够模拟复杂条件下的土体-结构接触面力学特性。

Description

土体-结构接触面力学特性的试验方法及试验装置

技术领域

本发明涉及一种用机械应力测试固体材料的强度特性的方法及装置，具体的为一种在室内试验条件下研究非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性的试验方法及试验装置。

背景技术

大型水库蓄水运行后，库水位随水库调度呈周期性的上升、下降变化。例如长江三峡水库，按其调度计划，正常蓄水后坝前库水位每年在175 m-145 m之间变化，库水位最大变幅达30 m。在库水位的周期性上升、下降变化中，库岸地下水位及拦河土石坝浸润线也呈周期性的上升、下降变化。当库水位从高水位逐渐向低水位变化时，地下水位也随之逐渐下降变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体内的水体将在重力作用下逐渐排出，这一过程称为地下水的重力疏干或重力排水过程，本发明中称之为“疏干”。当库水位从低水位逐渐向高水位变化时，地下水位也随之逐渐上升变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体因水的渗入逐渐变为饱和状态，这一过程称为库水位上升引起库岸及大坝土体的饱水过程，本发明中称之为“饱水”。

库水位和地下水位的周期性上升、下降变化，必然使得其变化范围内的库岸土体及拦河土石坝土体经受周期性的饱水和疏干的循环作用。在饱水作用、疏干作用及饱水-疏干循环作用下，土体的强度、变形特性可能发生变化，土体-结构（如混凝土结构、钢结构等）的接触界面力学特性也可能发生变化。

大型水库的库水位上升过程、下降过程的历时往往均较长，从数十日到数个月不等，这使得库岸土体和拦河大坝土体的“饱水”、“疏干”过程历时也较长。在室内试验条件下，研究土体-结构接触面在饱水作用、疏干作用及饱水-疏干循环作用下的力学特性，需要尽可能真实地模拟库岸及拦河大坝土体经历的饱水、疏干条件，但为了节约试验时间，试验的历时又不能很长。

目前，研究接触面力学特性的试验方法主要是直剪试验（试验仪器为直剪仪）和单剪试验（试验仪器为单剪仪）。直剪试验时，直剪仪的下盒内放置结构材料，上盒内放置土样，沿接触面施加水平剪切力，量测上下盒剪切位移，建立剪切应力应变关系，研究接触面的力学特性。直剪仪结构简单容易操作，可以较好地测量接触面上的剪应力与相对切向位移关系。但直剪试验存在以下不足：（1）接触面的面积在剪切试验过程中随剪切位移的增大在逐渐减小；（2）剪切破坏面的位置被限定为上、下剪切盒分界面；（3）剪切试验过程中，接触面上的剪应力和剪应变分布不均匀；（4）无法在模拟土体经受饱水作用、疏干作用及饱水-疏干循环作用的条件下进行剪切试验。

单剪试验中，单剪仪的下盒内放置结构材料，叠环式上盒内放置土样，沿接触面施加水平剪切力，量测上下盒剪切位移，建立剪切应力应变关系，研究接触面的力学特性。由于叠环式上盒的每个环均有一定厚度且叠环面之间光滑，在单剪试验过程中，土样可以有一定的错动变形，且接触面的面积保持不变。与直剪试验相比，单剪试验在一定程度上改善土样的应力状态，但无法在模拟土体经受饱水作用、疏干作用及饱水-疏干循环作用的条件下进行单剪试验。

公开号为CN102628767A的中国专利申请公开了一种桩土接触面力学特性测试装置和测试方法，该测试装置由密封压力室、空心圆柱土试样、实心圆柱混凝土桩试样等组成；该测试方法为先施加围压固结土试样，再在桩试样上施加静（动）荷载，测量桩、土的轴向变形、孔隙水应力。虽然该测试装置和测试方法在一定程度上能够实现对空心圆柱土试样的饱和，但是无法模拟土体在经受疏干作用以及饱水-疏干循环作用条件下测试接触面的力学特性，也不能测试反复剪切荷载作用下的接触面力学特性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种土体-结构接触面力学特性的试验方法及试验装置，该试验方法和试验装置能够模拟复杂条件下的非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性。

为达到上述目的，本发明首先提出了一种土体-结构接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：

1）制备试样：制备土体-结构接触面力学特性试验试样，所述试样包括圆柱形结构样和环绕在圆柱形结构样上的环状土样，所述圆柱形结构样和环状土样同心；

2）施加围压：向所述试样施加围压，使所述环状土样固结；

若要测试非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤3）；

3）饱和环状土样：沿着所述环状土样底端至顶端的方向对环状土样施加无气水，无气水从环状土样底端向顶端渗透并排除环状土样内的气体；

若要测试经过饱水作用但未经过疏干作用的饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤4）；

4）疏干环状土样：沿着所述环状土样顶端至底端的方向对环状土样施加气体，气体从环状土样的顶端向底端渗透并排除环状土样内的重力水；

5）饱水-疏干循环：循环步骤3）和步骤4）；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6）；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的饱和土体-结构接触面的力学特性，先沿着所述环状土样底端至顶端的方向对环状土样施加无气水，无气水从环状土样底端向顶端渗透并排除环状土样内的气体；然后再接步骤6）；

6）向所述圆柱形结构样的底端/顶端施加静荷载或动载荷，测量作用于圆柱形结构样底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样上的围压，测量作用于环状土样顶端的荷载，测量环状土样顶端的位移变化，测量环状土样的孔隙水应力和体积变化；

若不测试反复剪切荷载作用下的土体-结构接触面的力学特性，下接步骤9），否则下接步骤7）；

7）向所述圆柱形结构样的顶端/底端施加静荷载或动载荷，且步骤7）与步骤6）分别向所述圆柱形结构样的两端施加静载荷或动载荷；测量作用于圆柱形结构样底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样上的围压，测量作用于环状土样顶端的荷载，测量环状土样顶端的位移变化，测量环状土样的孔隙水应力和体积变化；

8）反复剪切荷载循环：循环步骤6）和步骤7）；

9）结束试验。

本发明还提出了一种适用于如上所述试验方法的土体-结构接触面力学特性的试验装置，包括密闭的压力室，所述压力室内设有用于安装试样的底座、用于盖装在环状土样顶端的试样帽和用于对环状土样施加围压的施加围压系统，所述压力室内还设有用于饱和-疏干环状土样的饱和-疏干模拟试验系统、用于对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切载荷及反复剪切载荷的剪切载荷模拟试验系统和用于测量试验数据的数据采集系统；

所述饱和-疏干模拟试验系统包括设置在所述试样帽底面上的上侧环形透水石和设置在所述底座顶面上的下侧环形透水石、环形陶土板，所述压力室内设有与所述上侧环形透水石相连的上侧透水石进气-排气控制调节管路系统、与所述下侧环形透水石相连的下侧透水石进水-排水控制调节管路系统、与所述环形陶土板相连的陶土板进水-排水控制调节管路系统和与所述环形陶土板相连的陶土板气压控制调节管路系统；

所述剪切载荷模拟试验系统包括设置在所述压力室底部并用于向圆柱形结构样施加轴向载荷的下侧轴向加载系统和设置在所述压力室顶部并用于向圆柱形结构样施加轴向载荷的上侧轴向加载系统。

进一步，所述数据采集系统包括设置在所述压力室底部用于测量圆柱形结构样底端位移变化的位移传感器I和用于测量圆柱形结构样底端载荷的载荷测量传感器I、设置在压力室顶部用于测量圆柱形结构样顶端位移变化的位移传感器II和用于测量圆柱形结构样顶端载荷的载荷测量传感器II，以及设置在所述试样帽上用于测量环状土样顶端位移变化的位移传感器III和用于测量环状土样顶端载荷的载荷测量传感器III。

进一步，所述施加围压系统包括设置在所述压力室内用于包裹环状土样的橡皮套和设置在所述压力室内用于对橡皮套施加水压的围压进水管路系统。

本发明的有益效果在于：

本发明的土体-结构接触面力学特性的试验方法，通过对环状土样进行饱和、疏干以及饱和-疏干循环，根据试验条件的不同，可以对非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性进行试验，且通过对圆柱形结构样的底端或顶端施加轴向载荷以及反复对圆柱形结构样底端和顶端施加轴向载荷，能够对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切载荷和反复剪切载荷，以更好的对复杂条件下的土体-结构接触面力学特性试验进行模拟试验。采用本发明土体-结构接触面力学特性的试验方法能够试验以下条件下的土体-结构接触面力学特性：

1）未经过饱水作用和疏干作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

2）经过饱水作用和疏干作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

3）经过饱水-疏干循环作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

4）经过饱水作用但未经过疏干作用的饱和土体-结构接触面的力学特性；

5）经过饱水-疏干循环作用的饱和土体-结构接触面的力学特性；

6）静力荷载作用下土体-结构接触面的力学特性；

7）动力荷载作用下土体-结构接触面的力学特性；

8）反复剪切荷载作用下土体-结构接触面的力学特性。

本发明的土体-结构接触面力学特性的试验装置，通过设置饱和-疏干模拟试验系统和剪切载荷模拟试验系统，能够模拟复杂条件下的土体-结构接触面力学特性，可以对非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性进行试验，并能够对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切载荷和反复剪切载荷。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明土体-结构接触面力学特性的试验装置实施例的结构示意图；

图2为试验试样的立体图；

图3为试验试样的剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

首先对本发明的土体-结构接触面力学特性的试验装置的具体实施方式进行说明。

如图1所示，为本发明土体-结构接触面力学特性的试验装置实施例的结构示意图。本实施例的土体-结构接触面力学特性的试验装置，包括密闭的压力室4，压力室4内设有用于安装试验试样1的底座5、用于盖装在环状土样3顶端的试样帽6和用于对环状土样3施加围压的施加围压系统7，压力室4内还设有用于饱和-疏干环状土样3的饱和-疏干模拟试验系统、用于对环状土样3与圆柱形结构样2的接触面施加剪切荷载及反复剪切载荷的剪切载荷模拟试验系统和用于测量试验数据的数据采集系统。压力室4包括压力室圆筒4a和压力室顶盖4b，底座5、压力室圆筒4a和压力室顶盖4b之间设有密封结构，本实施例的压力室顶盖4b上设有压力室顶部进水管路系统23，试验试样1安装在底座5上，且试验试样1的轴线竖直。

本实施例的施加围压系统7包括设置在压力室4内用于包裹环状土样的橡皮套和设置在压力室4上用于对橡皮套施加水压的围压进水管路系统，通过向橡皮套施加水压，能够对环状土样的外周壁均匀地施加围压。

本实施例的饱和-疏干模拟试验系统包括设置在试样帽6底面上的上侧环形透水石8和设置在底座5顶面上的下侧环形透水石9、环形陶土板10，压力室4内设有与上侧环形透水石8相连的上侧透水石进气-排气控制调节管路系统11、与下侧环形透水石9相连的下侧透水石进水-排水控制调节管路系统12、与环形陶土板10相连的陶土板进水-排水控制调节管路系统13和与环形陶土板10相连的陶土板气压控制调节管路系统14。

采用该结构的饱和-疏干模拟试验系统，在对环状土样饱和的时候，从下侧透水石进水-排水控制调节管路系统12和陶土板进水-排水控制调节管路系统13向环状土样3底端施加具有一定压力的无气水，无气水从环状土样3的底端缓慢向顶端渗透，以驱动环状土样3内的气体自下而上渗透并从上侧透水石进气-排气控制调节管路系统11排出，无气水的压力根据环状土样3的材质以及围压的大小等实际条件确定。

在对环状土样3进行疏干的时候，从上侧透水石进气-排气控制调节管路系统11向环状土样3的顶端施加具有一定压力的气体，气体从环状土样3的顶端缓慢向底端渗透，并驱动环状土样3内的重力水自上而下渗透并从下侧透水石进水-排水控制调节管路系统12和陶土板进水-排水控制调节管路系统13排出，气体的压力根据环状土样3的材质以及围压的大小等实际条件确定。

本实施例的剪切载荷模拟试验系统包括设置在压力室4底部并用于向圆柱形结构样2施加轴向载荷的下侧轴向加载系统15和设置在压力室4顶部并用于向圆柱形结构样2施加轴向载荷的上侧轴向加载系统16，通过设置下侧轴向加载系统15和上侧轴向加载系统16，能够根据试验条件选择向环状土样3与圆柱形结构样2的接触面施加剪切载荷或施加反复剪切载荷。

本实施例的数据采集系统包括设置在压力室4底部用于测量圆柱形结构样2底端位移变化的位移传感器I 17和用于测量圆柱形结构样2底端载荷的载荷测量传感器I 18、设置在压力室4顶部用于测量圆柱形结构样2顶端位移变化的位移传感器II 19和用于测量圆柱形结构样2顶端载荷的载荷测量传感器II 20，以及设置在试样帽6上用于测量环状土样3顶端位移变化的位移传感器III 21和用于测量环状土样3顶端载荷的载荷测量传感器III 22，能够满足对各个试验数据的测量，便于采集数据和试验后的数据分析。

本实施例的土体-结构接触面力学特性的试验装置，通过设置饱和-疏干模拟试验系统和剪切载荷模拟试验系统，能够模拟复杂条件下的土体-结构接触面力学特性，可以对非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性进行试验，并能够对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切载荷和反复剪切载荷。

下面结合上述试验装置对本发明的土体-结构接触面力学特性的试验方法的具体实施方式作详细说明。

本实施例的土体-结构接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：

1）制备试样：制备土体-结构接触面力学特性试验试样1，如图2和图3所示，试样1包括呈圆柱形结构样2和环绕在圆柱形结构样2上的环状土样3，圆柱形结构样2和环状土样3同心，试样1制备完成后安装在底座5上，且试样1的轴线呈竖直；

2）施加围压：向试样1施加围压，使环状土样3固结；

若要测试非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤3）；

3）饱和环状土样3：沿着环状土样3底端至顶端的方向对环状土样3施加无气水，无气水从环状土样3底端向顶端渗透并排除环状土样内的气体；

若要测试经过饱水作用但未经过疏干作用的饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤4）；

4）疏干环状土样：沿着环状土样3顶端至底端的方向对环状土样3施加气体，气体从环状土样3的顶端向底端渗透并排除环状土样3内的重力水；

5）饱水-疏干循环：循环步骤3）和步骤4），循环的次数根据设定的试验条件确定；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6）；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的饱和土体-结构接触面的力学特性，先沿着环状土样3底端至顶端的方向对环状土样3施加无气水，无气水从环状土样3底端向顶端渗透并排除环状土样3内的气体，然后再接步骤6）；

6）向圆柱形结构样2的底端或顶端施加静荷载或动载荷，测量作用于圆柱形结构样2底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样2底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样3上的围压，测量作用于环状土样3顶端的荷载，测量环状土样3顶端的位移变化，测量环状土样3的孔隙水应力和体积变化；

若不测试反复剪切荷载作用下的土体-结构接触面的力学特性，下接步骤9），否则下接步骤7）；

7）向圆柱形结构样2的顶端或底端施加静荷载或动载荷，测量作用于圆柱形结构样2底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样2底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样3上的围压，测量作用于环状土样3顶端的荷载，测量环状土样3顶端的位移变化，测量环状土样3的孔隙水应力和体积变化；

8）反复剪切荷载循环：循环步骤6）和步骤7），循环的次数根据设定的试验条件确定；

9）结束试验。

本实施例的土体-结构接触面力学特性的试验方法，通过对环状土样3进行饱和、疏干以及饱和-疏干循环，根据试验条件的不同，可以对非饱和土体、饱和土体、饱水-疏干循环土体与结构之间的接触界面力学特性进行试验，且通过对圆柱形结构样2的底端、顶端以及反复对圆柱形结构样底端和顶端施加载荷，能够对环状土样3与圆柱形结构样2的接触面施加剪切载荷和反复剪切载荷，以更好地对复杂条件下的土体-结构接触面力学特性试验进行模拟试验。采用本实施例土体-结构接触面力学特性的试验方法能够试验以下条件下的土体-结构接触面力学特性：

1）未经过饱水作用和疏干作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

2）经过饱水作用和疏干作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

3）经过饱水-疏干循环作用的非饱和土体-结构接触面的力学特性；

4）经过饱水作用但未经过疏干作用的饱和土体-结构接触面的力学特性；

5）经过饱水-疏干循环作用的饱和土体-结构接触面的力学特性；

6）静力荷载作用下土体-结构接触面的力学特性；

7）动力荷载作用下土体-结构接触面的力学特性；

8）反复剪切荷载作用下土体-结构接触面的力学特性。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种土体-结构接触面力学特性的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）制备试样：制备土体-结构接触面力学特性试验试样，所述试样包括圆柱形结构样和环绕在圆柱形结构样上的环状土样，所述圆柱形结构样和环状土样同心；

2）施加围压：向所述试样施加围压，使所述环状土样固结；

若要测试非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤3）；

3）饱和环状土样：沿着所述环状土样底端至顶端的方向对环状土样施加无气水，无气水从环状土样底端向顶端渗透并排除环状土样内的气体；

若要测试经过饱水作用但未经过疏干作用的饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6），否则下接步骤4）；

4）疏干环状土样：沿着所述环状土样顶端至底端的方向对环状土样施加气体，气体从环状土样的顶端向底端渗透并排除环状土样内的重力水；

5）饱水-疏干循环：循环步骤3）和步骤4）；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的非饱和土体-结构接触面的力学特性，下接步骤6）；

若要测试经过饱水-疏干循环作用后的饱和土体-结构接触面的力学特性，先沿着所述环状土样底端至顶端的方向对环状土样施加无气水，无气水从环状土样底端向顶端渗透并排除环状土样内的气体；然后再接步骤6）；

6）向所述圆柱形结构样的底端/顶端施加静荷载或动载荷，测量作用于圆柱形结构样底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样上的围压，测量作用于环状土样顶端的荷载，测量环状土样顶端的位移变化，测量环状土样的孔隙水应力和体积变化；

若不测试反复剪切荷载作用下的土体-结构接触面的力学特性，下接步骤9），否则下接步骤7）；

7）向所述圆柱形结构样的顶端/底端施加静荷载或动载荷，且步骤7）与步骤6）分别向所述圆柱形结构样的两端施加静载荷或动载荷；测量作用于圆柱形结构样底端和顶端的荷载，测量圆柱形结构样底端和顶端的位移变化，测量作用于环状土样上的围压，测量作用于环状土样顶端的荷载，测量环状土样顶端的位移变化，测量环状土样的孔隙水应力和体积变化；

8）反复剪切荷载循环：循环步骤6）和步骤7）；

9）结束试验。

2.一种适用于如权利要求1所述试验方法的土体-结构接触面力学特性的试验装置，包括密闭的压力室，所述压力室内设有用于安装试样的底座、用于盖装在环状土样顶端的试样帽和用于对环状土样施加围压的施加围压系统，其特征在于：所述压力室内还设有用于饱和-疏干环状土样的饱和-疏干模拟试验系统、用于对环状土样与圆柱形结构样的接触面施加剪切荷载及反复剪切载荷的剪切载荷模拟试验系统和用于测量试验数据的数据采集系统；

所述饱和-疏干模拟试验系统包括设置在所述试样帽底面上的上侧环形透水石和设置在所述底座顶面上的下侧环形透水石、环形陶土板，所述压力室内设有与所述上侧环形透水石相连的上侧透水石进气-排气控制调节管路系统、与所述下侧环形透水石相连的下侧透水石进水-排水控制调节管路系统、与所述环形陶土板相连的陶土板进水-排水控制调节管路系统和与所述环形陶土板相连的陶土板气压控制调节管路系统；

所述剪切载荷模拟试验系统包括设置在所述压力室底部并用于向圆柱形结构样施加轴向载荷的下侧轴向加载系统和设置在所述压力室顶部并用于向圆柱形结构样施加轴向载荷的上侧轴向加载系统。

3.根据权利要求2所述的土体-结构接触面力学特性的试验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括设置在所述压力室底部用于测量圆柱形结构样底端位移变化的位移传感器I和用于测量圆柱形结构样底端载荷的载荷测量传感器I、设置在压力室顶部用于测量圆柱形结构样顶端位移变化的位移传感器II和用于测量圆柱形结构样顶端载荷的载荷测量传感器II，以及设置在所述试样帽上用于测量环状土样顶端位移变化的位移传感器III和用于测量环状土样顶端载荷的载荷测量传感器III。

4.根据权利要求2所述的土体-结构接触面力学特性的试验装置，其特征在于：所述施加围压系统包括设置在所述压力室内用于包裹环状土样的橡皮套和设置在所述压力室内用于对橡皮套施加围压的围压进水管路系统。

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