CN103149095A - 研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究钢-土接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：1）制备试样：制备钢-土接触面力学特性试验试样，所述试样包括柱形土样和套装在柱形土样上的钢结构样，所述柱形土样的中心设有中通的加载通孔；2）柱形土样固结：通过所述加载通孔向所述柱形土样施加径向载荷，使柱形土样固结；3）加载：向所述钢结构样施加轴向载荷，测量作用于钢结构样的轴向载荷和钢结构样相对于柱形土样的位移变化。本发明还公开了一种研究钢-土接触面力学特性的试验装置。本发明研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置不仅能够满足钢-土接触面力学特性的模拟试验要求，而且能够降低对钢试件的结构尺寸要求，减少试验成本。

Description

研究钢-土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钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置。

背景技术

在钢管桩、钢板桩、钢护筒桩基及其它地下钢结构工程中，钢-土接触界面的力学特性是设计人员关心的问题之一。

目前，研究土与结构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，直剪仪的上盒内放置土样，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得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。

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。

直剪试验和单剪试验从理论上讲均可用于研究钢-土接触界面的力学特性。两种试验中，结构材料（用于研究钢-土接触界面力学特性时为钢试件）均置于仪器的下盒内，这就需要在试验前根据直剪仪和单剪仪的下盒的几何尺寸制备好钢试件。由于直剪仪和单剪仪的下盒的几何尺寸要求严格，制备满足试验要求的钢试件成本较高，使得直剪试验和单剪试验并不能很好地用于研究钢-土接触界面的力学特性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置，该试验方法及试验装置不仅能够满足钢-土接触面力学特性的模拟试验要求，而且能够降低对钢试件的结构尺寸要求，减少试验成本。

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

1）制备试样：制备钢-土接触面力学特性试验试样，所述试样包括柱形土样和套装在柱形土样上的钢结构样，所述柱形土样的中心设有中通的加载通孔；

2）柱形土样固结：通过所述加载通孔向所述柱形土样施加径向载荷，使柱形土样固结；

3）加载：向所述钢结构样施加轴向载荷，测量作用于钢结构样的轴向载荷和钢结构样相对于柱形土样的位移变化。

本发明还提出了一种适用于如上所述试验方法的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，包括底座、用于盖装在柱形土样端面上的试样帽、固定安装在底座上的反力架、固定设置在所述反力架上的轴向载荷加载系统、用于对柱形土样施加径向载荷的径向载荷加载系统和用于测量试验数据的数据采集系统；

所述底座上设有用于安装试样的柱形安装台，所述柱形安装台的外径与钢结构样的内径配合；所述柱形安装台的顶面与柱形土样之间设有下侧环状透水石，所述下侧环状透水石的底面连接有排水管路系统；所述试样帽的中心与柱形土样的加载通孔对应设有安装通孔，试样帽的外径与钢结构样的内径配合，且所述试样帽的底面与柱形土样之间设有上侧环状透水石；

所述轴向载荷加载系统包括环形加载板和至少三个环形均布安装在所述反力架上的轴向载荷加载器，所述环形加载板上设有用于嵌入钢结构样的凹槽，所述环形加载板与所述轴向载荷加载器固定连接；

所述径向载荷加载系统包括安装在所述安装通孔内的位移约束板、与所述位移约束板密闭连接的加载囊和与所述位移约束板固定连接的液压加载器或气压加载器。

进一步，所述数据采集系统包括用于测量柱形土样位移变化量的位移传感器I、用于测量所述液压加载器或气压加载器输出压力的压力传感器，以及与所述轴向载荷加载器一一对应设置的载荷传感器和位移传感器II。

本发明的有益效果在于：

本发明研究钢-土接触面力学特性的试验方法，通过将试样设置为柱形土样和套装在柱形土样上的钢结构样，通过在柱形土样中心设置的加载通孔能够对柱形土样施加径向载荷，从而使柱形土样固结，通过对钢结构样施加轴向载荷，即向钢结构样和柱形土样的接触面施加剪切载荷，能够满足钢-土接触面力学特性的模拟试验要求，而且在剪切过程中，仅需驱动钢结构样相对于柱形土样发生位移变化，不需要严格限定钢结构样和柱形土样之间的剪切位置，即降低了钢结构样的尺寸要求，减少了钢结构样的制作成本，节省了试验成本。

本发明的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，通过设置安装有排水管路系统的底座，并在底座上设置与钢结构样内径配合的柱形安装台，在柱形安装台的顶面设置与柱形土样和柱形安装台尺寸配合的下侧环状透水石，试验时，将下侧环状透水石安装在柱形安装台的顶面，将试样安装在已安装下侧环状透水石的柱形安装台上，将上侧环状透水石安装在柱形土样的顶面，将试样帽安装在上侧环状透水石上，并安装径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统，将加载囊置于柱形土样的加载通孔内，通过液压加载器或气压加载器向加载囊内输入压力，加载囊能够向柱形土样施加均匀的径向载荷，使柱形土样固结；通过环形均布的轴向载荷加载器向钢结构样施加均匀的轴向载荷，即能够满足试验所需的向钢结构样和柱形土样的接触面施加剪切载荷，能够满足研究钢-土接触面力学特性试验的要求。

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为本发明研究钢-土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为试验试样的剖视图。

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。

首先对本发明研究钢-土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，为本发明研究钢-土接触面力学特性的试验装置实施例的结构示意图。本实施例的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，包括底座4、用于盖装在柱形土样2端面上的试样帽5、固定安装在底座4上的反力架6、固定设置在反力架6上的轴向载荷加载系统、用于对柱形土样2施加径向载荷的径向载荷加载系统和用于测量试验数据的数据采集系统。

本实施例的底座4上设有用于安装试样1的柱形安装台4a，柱形安装台4a的外径与钢结构样3的内径配合；柱形安装台4a的顶面与柱形土样2之间设有下侧环状透水石16，下侧环状透水石16的尺寸与柱形土样2和柱形安装台4a的尺寸配合，下侧环状透水石16的底面连接有排水管路系统18，本实施例的排水管路系统18设置在柱形安装台4a内。试样帽5的中心与柱形土样2的加载通孔2a对应设有安装通孔，试样帽5的外径与钢结构样3的内径配合，本实施例的柱形安装台4a的外径和试样帽5的外径均略小于钢结构样3的内径，防止在试验过程中相互干涉。

本实施例的轴向载荷加载系统包括环形加载板7和至少三个环形均布安装在反力架6上的轴向载荷加载器8，环形加载板7上设有用于嵌入钢结构样3的凹槽7a，环形加载板7与轴向载荷加载器8固定连接，轴向载荷加载器8输出的轴向载荷通过环形加载板7施加在钢结构样上。

本实施例的径向载荷加载系统包括安装在安装通孔内的位移约束板9、与位移约束板9密闭连接的加载囊10和与位移约束板9固定连接的液压加载器11或气压加载器，本实施例采用液压加载器11。试验时，将加载囊10置于柱形土样2的加载通孔2a内，通过液压加载器11输出的液压力，加载囊10向加载通孔2a的内壁施加均匀的径向载荷，使柱形土样2固结。

本实施例的数据采集系统包括用于测量柱形土样2位移变化量的位移传感器I 12、用于测量液压加载器11或气压加载器输出压力的压力传感器13，以及与轴向载荷加载器8一一对应设置的载荷传感器14和位移传感器II 15，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。

本实施例的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，通过设置安装有排水管路系统18的底座4，并在底座4上设置与钢结构样3内径配合的柱形安装台4a和下侧环状透水石16，试验时，将试样1安装在安装有下侧环状透水石16的柱形安装台4a上，柱形土样顶面依次安装上侧环状透水石17和试样帽5，并安装径向载荷加载系统和轴向载荷加载系统，将加载囊10置于柱形土样2的加载通孔2a内，通过液压加载器11或气压加载器向加载囊10内输入压力，加载囊10能够向加载通孔2a内壁施加均匀的径向载荷，使柱形土样固结；通过环形均布的轴向载荷加载器8向钢结构样施加均匀的轴向载荷，即能够满足试验所需的向钢结构样和柱形土样的接触面施加剪切载荷，能够满足研究钢-土接触面力学特性试验的要求。

下面结合上述试验装置对本发明的研究钢-土接触面力学特性的试验方法的具体实施方式进行说明。

本实施例研究钢-土接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：

1）制备试样：制备钢-土接触面力学特性试验试样1，如图2和图3所示，试样1包括柱形土样2和套装在柱形土样上的钢结构样3，柱形土样2的中心设有中通的加载通孔2a；

2）柱形土样固结：将试样1安装在柱形安装台4a上，通过设置在加载通孔2a内的加载囊10向柱形土样2施加径向载荷，使柱形土样固结；

3）加载：通过轴向载荷加载器8向钢结构样3施加轴向载荷，通过载荷传感器14测量作用于钢结构样3的轴向荷载，钢结构样3相对于柱形土样2的位移变化通过位移传感器I 12和位移传感器II 15测量得到。

本实施例研究钢-土接触面力学特性的试验方法，通过将试样1设置为柱形土样2和套装在柱形土样上的钢结构样3，通过在柱形土样2中心设置的加载通孔2a能够对柱形土样施加径向载荷，从而使柱形土样2固结，通过对钢结构样3施加轴向载荷，即向钢结构样3和柱形土样2的接触面施加剪切载荷，能够满足钢-土接触面力学特性的模拟试验要求，而且在剪切过程中，仅需驱动钢结构样3相对于柱形土样2发生位移变化，不需要严格限定钢结构样3和柱形土样2之间的剪切位置，即降低了钢结构样的尺寸要求，减少了钢结构样的制作成本，节省了试验成本。

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 (3)

1.一种研究钢-土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：制备钢-土接触面力学特性试验试样，所述试样包括柱形土样和套装在柱形土样上的钢结构样，所述柱形土样的中心设有中通的加载通孔；

2）柱形土样固结：通过所述加载通孔向所述柱形土样施加径向载荷，使柱形土样固结；

3）加载：向所述钢结构样施加轴向载荷，测量作用于钢结构样的轴向载荷和钢结构样相对于柱形土样的位移变化。

2.一种适用于如权利要求1所述试验方法的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，其特征在于：包括底座、用于盖装在柱形土样端面上的试样帽、固定安装在底座上的反力架、固定设置在所述反力架上的轴向载荷加载系统、用于对柱形土样施加径向载荷的径向载荷加载系统和用于测量试验数据的数据采集系统；

所述底座上设有用于安装试样的柱形安装台，所述柱形安装台的外径与钢结构样的内径配合；所述柱形安装台的顶面与柱形土样之间设有下侧环状透水石，所述下侧环状透水石的底面连接有排水管路系统；所述试样帽的中心与柱形土样的加载通孔对应设有安装通孔，试样帽的外径与钢结构样的内径配合，且所述试样帽的底面与柱形土样之间设有上侧环状透水石；

所述轴向载荷加载系统包括环形加载板和至少三个环形均布安装在所述反力架上的轴向载荷加载器，所述环形加载板上设有用于嵌入钢结构样的凹槽，所述环形加载板与所述轴向载荷加载器固定连接；

所述径向载荷加载系统包括安装在所述安装通孔内的位移约束板、与所述位移约束板密闭连接的加载囊和与所述位移约束板固定连接的液压加载器或气压加载器。

3.根据权利要求2所述的研究钢-土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用于测量柱形土样位移变化量的位移传感器I、用于测量所述液压加载器或气压加载器输出压力的压力传感器，以及与所述轴向载荷加载器一一对应设置的载荷传感器和位移传感器II。

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