CN103344508A - 考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的是提供考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置及方法。所述装置包括剪切盒、底板和垫条。所述底板具有承载待测钢板的水平上表面，所述剪切盒具有容纳被测土样的中空腔体，还包括固定在所述底板上方、且相互平行的导轨Ⅰ和导轨Ⅱ。在所述底板上放置待测钢板时，所述剪切盒的下端与待测钢板的上表面之间具有间隙。所述垫条填在所述间隙中。采用上述装置进行测试包括以下步骤：1）固定待测钢板；2）将垫条垫入间隙；3）向剪切盒装入被测土样；4）抽出垫条；5）对剪切盒施加平行于导轨反向的水平荷载，钢土界面发生剪切破坏；6）对剪切盒施加与步骤5）方向相反的水平荷载；7）重复步骤5）和6）若干次。

Description

考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及材料接触界面力学参数测量领域，具体是土木工程中钢-土界面剪切特性测试。

背景技术

随着内河航运事业的繁荣，山区河流港口码头建设任务繁重。为了满足山区河流复杂水文地质条件下现代码头建设的要求，西部山区在建或新建的深水码头广泛采用了架空直立的结构形式，而桩基础刚采用大尺寸钢护筒嵌岩桩。桩基承载力由桩侧阻力及桩端阻力提供，桩基侧摩阻力（包括负摩阻力）的实质是桩身与桩周岩土体接触界面（即钢－土界面）的剪切作用，因此桩基界面剪切规律是研究桩基承载性状、确定桩基承载能力的关键问题之一。

钢护筒嵌岩桩的界面接触问题有着自身的特点：①钢护筒嵌岩桩与覆盖填土层的接触问题为钢-土界面接触；②山区河流，如长江中上游，水位变幅大，码头回填覆盖土层常年经历饱和-非饱和的循环过程，界面接触规律随饱和度变化规律亟待研究。③码头承受船舶的撞击荷载，撞击荷载为水平作用力，且具有重复作用的特点。因此，重复作用下的钢-土界面剪切规律对确定钢护筒嵌岩桩的承载能力具有重要的作用。

现有技术采用改造的传统直接剪切试验装置进行钢－土界面的剪切特性测定，具有以下缺点：①人为的将钢土接触面定为破坏面。而实际上钢土界面剪切破坏时界面剪切强度可能高于土体本身的剪切强度，使得界面破坏发生在土体内部；②假定了剪切破坏面为一个无厚度的平面。实际上界面剪切是一个剪切带，具有一定的厚度；③试验装置剪切盒之间存在着不可避免的摩擦，影响试验的精度。因此，现有技术难以准确的测定钢－土界面之间的剪切特性。

发明内容

本发明创造的目的之一是提供一种考虑剪切带厚度的钢土界面接触特性测定装置。

为实现本发明创造目的而采用的技术方案是这样的，一种考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，包括剪切盒、底板和垫条。所述底板具有承载待测钢板的水平上表面，所述剪切盒具有容纳被测土样的中空腔体，还包括固定在所述底板上方、且相互平行的导轨Ⅰ 和导轨Ⅱ。所述导轨Ⅰ 和导轨Ⅱ穿过所述剪切盒的上端，所述剪切盒的下端悬空。在所述底板上放置待测钢板时，所述剪切盒的下端与待测钢板的上表面之间具有间隙。所述垫条填在所述间隙中。

值得说明的是，被测土样的制备可以根据实际情况配置不同土体颗粒组成、不同土体密实度或不同土体饱和度的试样，其基本方法和采用常规剪切盒进行剪切试验的方法相同。剪切盒的下端与待测钢板的上表面之间的间隙通过垫条来密封，保证了在制备被测土样时，土体不会从剪切盒的底部溢出。而在所述垫条撤除后，形成具有一定厚度的钢-土界面剪切带。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置进行钢-土界面接触特性测定的方法，在该方法中考虑了剪切带厚度对试验结果的影响，包括以下步骤：

1）将待测钢板固定在底板的水平上表面上；

2）将垫条放在待测钢板上表面；

3）安装剪切盒，使其放置在垫条上方；所述导轨Ⅰ 和导轨Ⅱ穿过剪切盒；步骤2）～3）也可以是先安装好剪切盒，然后将垫条垫入所述剪切盒与待测钢板之间的间隙中；

4）向剪切盒内部装入被测土样，抽出垫条；

5）对剪切盒施加平行于导轨方向的水平荷载，使剪切盒匀速运动，使得被测土样与被测钢板的界面发生剪切破坏；

6）对剪切盒施加与步骤5）方向相反的水平荷载，使剪切盒匀速回初始位置；

7）重复步骤5）和6）若干次。

本发明所公开的测定钢－土界面剪切特性的装置和方法，相对于现有技术具有如下有益效果：

①钢-土界面剪切破坏时，剪切破坏面不再是一个无厚度的平面，而是一个具有一定厚度的剪切带，模拟了现实中钢护筒嵌岩桩与覆盖填土层的接触面发生剪切破坏的真实情况；②试验装置各部分之间，特别是剪切盒与待测钢板之间，不存在接触摩擦，保证了试验的高精度。

附图说明

本发明创造的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的俯视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为一个实施例中垫条组合示意图；

图5为一个实施例中垫条的立体图；

图6为图4的剖视图；

图7为一个实施例所采用的1种土体颗粒级配；

图8为符合图7级配曲线的试样在5种不同法向应力条件下进行界面剪切测试，得到的剪应力与剪位移之间的变化关系。

图9为符合图7级配曲线的试样在5种不同法向应力条件下进行界面剪切测试，得到的界面极限剪应力与法向应力之间的关系。

图10为符合图7级配曲线的试样在重复剪切作用下得到的剪应力与剪位移之间的变化关系。

图中： 1-导轨Ⅰ ，2-剪切盒，3-导轨Ⅱ，4-侧限板，5-被测土样，6-待测钢板，7-刚性盖板，8-托盘，9-堆载，11-千斤顶Ⅰ ，12-荷重传感器Ⅰ ，13-位移百分表，14-荷重传感器Ⅱ，15-千斤顶Ⅱ，16-侧板Ⅰ ，17-侧板Ⅱ，18-垫条，20-底板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明创造作进一步说明，但不应该理解为本发明创造上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明创造上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明创造的保护范围内。

实施例1：

一种考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，包括剪切盒2、底板20和垫条18。所述底板20具有用于承载待测钢板6的水平上表面，所述剪切盒2具有容纳被测土样5的中空腔体。还包括固定在所述底板20上方、且相互平行的导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3。所述导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3穿过所述剪切盒2的上端，所述剪切盒2的下端悬空，即导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3承载剪切盒2的重量，剪切盒2悬挂在导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ3上。在所述底板20上放置待测钢板6时，本实施例中，剪切盒2底面的投影面积小于待测钢板6的上表面积，即剪切盒2的底部处于待测钢板6之上，所述剪切盒2的下端与待测钢板6的上表面之间具有间隙。若干所述垫条18填在所述间隙中，试验中，可以是先将若干垫条18摆放在待测钢板6的上表面，然后安装剪切盒2，使得剪切盒2的下端搁置在垫条18的上端。

本实施例中，将导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3固定在底板20上方的方式多种多样。一种实现方式是：所述底板20的两端具有垂直于底板20上表面的侧板Ⅰ 16和侧板Ⅱ 17。所述侧板Ⅰ 16和侧板Ⅱ 17板面相向，均面向底板20的中部。所述导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3的两端分别固定在侧板Ⅰ 16和侧板Ⅱ 17上。进一步地，所述导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3的两端均是固定在侧板Ⅰ 16和侧板Ⅱ 17上的升降装置上，即导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3的离地高度可调节。

所述剪切盒2由刚性侧壁围成，在剪切盒2上端的刚性侧壁的内部具有两个相互平行的通孔，所述导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3穿过所述通孔。实施例中，剪切盒2是由刚性侧壁围成的正方体，其上下两端均敞口，其内部的空腔为容纳被测土样5的正方体空间。在相对的两个刚性侧壁内部，具有用以供导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3穿过的通孔。使得剪切盒2能够沿导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3滑动。在剪切盒2下方，即底板20的上表面安放待测钢板6后，剪切盒2的刚性侧壁下端与待测钢板6的上表面之间的间隙高度为H。如前所述，高度H可以通过调解导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3的离地高度来调节。

实施例中，所述剪切盒2在底板20上表面的投影为矩形，优选地为正方形。所述(四根)垫条18拼接成方框。即如图4所示，包括四根垫条18，其首尾拼接成方框，正好与剪切盒2的底部重合，填充了剪切盒2与待测钢板6之间的间隙。

进一步地，如图3所示，围成所述剪切盒2的刚性侧壁的下端具有倒角，即剪切盒2底部外侧（外边缘）离开待测钢板6的上表面的高度（与待测钢板6上表面之间的垂直距离）为H₂、剪切盒2底部内侧（内边缘）离开待测钢板6的上表面的高度（与待测钢板6上表面之间的垂直距离）H₁，H₂＞H₁。如前所述，H₂和H₁可以通过调节导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3的离地高度来同步调节。相应地，所述垫条18的上端是与所述倒角配合的斜面，即如图5所示，垫条18为楔形垫。如图6所示，外观为楔形的垫条18的横截面为一个直角梯形，高为L、上底长度为H₁、下底长度为H₂。优选地，L等于剪切盒2的侧壁厚度，H₁取被测土样5平均颗粒粒径的5～6倍。更进一步，所述倒角与所述直角梯形的锐角均等于45°，即H₂＝H₁+L。

所述侧板Ⅰ 16和剪切盒2之间安装千斤顶，进一步，所述侧板Ⅱ 17和剪切盒2之间也安装千斤顶，所述千斤顶的活塞杆与剪切盒2之间安装荷重传感器。本装置试验过程中，需要沿导轨方向推动剪切盒2。作为优选，如图1～2所示，侧板Ⅰ 16面向剪切盒2的一侧安装了千斤顶Ⅰ 11，所述千斤顶Ⅰ 11的活塞杆与剪切盒2的一侧之间安装了荷重传感器Ⅰ 12；侧板Ⅱ 17面向剪切盒2的一侧安装了千斤顶Ⅱ 15，所述千斤顶Ⅱ 15的活塞杆与剪切盒2的另一侧之间安装了荷重传感器Ⅱ 14。这样能够方便地使得剪切盒2在试验过程中沿相反的两个方向水平运动。

本实施例中，还包括刚性盖板7和托盘7。试验时，所述刚性盖板7放置在剪切盒2内部的被测土样5的上端。所述托盘8的下端与刚性盖板7的上端接触、所述托盘8的上端放置堆载9。试验中，堆载9的重量可调，即根据需要对被测土样施加压力。

实施例2：

采用实施例1所述装置进行测试的方法，包括以下步骤：

1）将待测钢板6固定在底板20的水平上表面上。本实施例中，可以在底板20上表面安装若干侧限板4（一般是在待测钢板6两端方便安装）来防止试验过程中待测钢板6沿导轨方向滑动。进一步，所述侧限板4的厚度大于待测钢板6的厚度，目的是要限制在制样过程中垫条18的移动。即将垫条18通过刚性杆支撑于侧限板上，避免在制样过程中楔形垫被试样挤出；

2）将垫条18放在待测钢板6上表面。参见图4，四根楔形垫条18在待测钢板6上表面首尾拼接，形成一个方框。该方框在所述待测钢板6上表面的投影与剪切盒2底部的形状相同。进一步，四根楔形垫条18围成了预设剪切带，每根垫条18长度相同，两端呈45°倒角，优选地，四根楔形垫条18两两之间通过斜榫拼接成正方形框体。

3）安装剪切盒2，使其放置在垫条18上方。所述导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3穿过剪切盒2。

值得说明的是，上述步骤中安装完成后的剪切盒2同实施例1一样，底部不与待测钢板6相接触，而是安放在垫条18上。同时，垫条18使得待测钢板6与剪切盒2之间密封，土样不得从其间溢出。待垫条18取出后，剪切盒2悬空，能够在外力作用下沿着导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3滑动。另外，还有一种实现方式是先安装好剪切盒2，即使得导轨Ⅰ 1和导轨Ⅱ 3穿过其上端的通孔，再在剪切盒2与待测钢板6之间的间隙中楔入垫条18，使其密封。

4）向剪切盒2装入被测土样5，抽出垫条18；本实施例中，在剪切盒2的内腔中按预设的颗粒级配、密实度、饱和度制成被测土样5。进一步地，试样的高度与宽度相同。本实施例中，在被测土样5顶面安放刚性盖板7，即所述刚性盖板7的下表面与被测土样5上端接触。在刚性盖板7上方放入堆载9，使其对钢-土接触面施加预设的法向应力，进一步，所述刚性盖板7与堆载9之间具有托盘8。

5）对剪切盒2施加平行于导轨方向的水平荷载，使剪切盒2匀速运动，使得被测土样5与被测钢板6的界面发生剪切破坏。本步骤中，记录水平荷载的变化，待剪切盒2位移为s时停止水平荷载，记录s的数值。进一步地，所述剪切盒2发生位移s停止时，即被测土样5与被测钢板6的界面完全发生剪切破坏，所示s为剪位移。

6）对剪切盒2施加与步骤5）方向相反的水平荷载，使剪切盒2匀速回初始位置。

7）重复步骤5）和6）若干次。

参见图3，本实施例步骤4中所述被测土样符合该颗粒级配。变更所述堆载9的数值，使其对钢-土接触面施加不同的法向应力，重复进行上述试验。参见图4所示，得到所被测土样5在五种不同法向应力条件下进行界面剪切测试，得到的剪应力与剪位移之间的变化关系。如图5所示，得到所被测土样5在五种不同法向应力条件下界面极限剪应力与法向应力之间的关系。

同样在步骤4）中采用符合图3所示颗粒级配曲线的被测土样。如图6所示，被测土样在重复剪切作用下，得到的剪应力与剪位移之间的变化关系。

Claims (7)

1. 一种考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，包括剪切盒（2）、底板（20）和垫条（18）；所述底板（20）具有承载待测钢板（6）的水平上表面，所述剪切盒（2）具有容纳被测土样（5）的中空腔体，其特征在于：还包括固定在所述底板（20）上方、且相互平行的导轨Ⅰ （1）和导轨Ⅱ（3）；所述导轨Ⅰ （1）和导轨Ⅱ（3）穿过所述剪切盒（2）的上端，所述剪切盒（2）的下端悬空；在所述底板（20）上放置待测钢板（6）时，所述剪切盒（2）的下端与待测钢板（6）的上表面之间具有间隙；所述垫条（18）填在所述间隙中。

2.根据权利要求1所述的考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，其特征在于：所述底板（20）的两端具有垂直于底板（20）上表面的侧板Ⅰ （16）和侧板Ⅱ（17），所述导轨Ⅰ （1）和导轨Ⅱ（3）的两端分别固定在侧板Ⅰ （16）和侧板Ⅱ（17）上；

所述剪切盒（2）由刚性侧壁围成，在剪切盒（2）上端的刚性侧壁的内部具有两个相互平行的通孔，所述导轨Ⅰ （1）和导轨Ⅱ（3）穿过所述通孔。

3.根据权利要求1所述的考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，其特征在于：所述剪切盒（2）在底板（20）上表面的投影为矩形，所述垫条（18）拼接成方框；

围成所述剪切盒（2）的刚性侧壁的下端具有倒角，所述垫条（18）的上端是与所述倒角配合的斜面。

4.根据权利要求1所述的考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，其特征在于：所述侧板Ⅰ （16）和剪切盒（2）之间安装千斤顶，所述千斤顶的活塞杆与剪切盒（2）之间安装荷重传感器。

5.根据权利要求1或4所述的考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，其特征在于：所述侧板Ⅱ（17）和剪切盒（2）之间安装千斤顶，所述千斤顶的活塞杆与剪切盒（2）之间安装荷重传感器。

6.根据权利要求1所述的考虑剪切带厚度的钢-土界面剪切特性测试装置，其特征在于：还包括刚性盖板（7）和托盘（7）；试验时，所述刚性盖板（7）放置在剪切盒（2）内部的被测土样（5）的上端；所述托盘（8）下端与刚性盖板（7）接触、上端放置堆载（9）。

7.采用1～5任一项权利要求所述装置进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待测钢板（6）固定在底板（20）的水平上表面上；

2）将垫条（18）放在待测钢板（6）上表面；

3）安装剪切盒（2），使其放置在垫条（18）上方；所述导轨Ⅰ （1）和导轨Ⅱ（3）穿过剪切盒（2）；

4）向剪切盒（2）内部装入被测土样（5），抽出垫条（18）；

5）对剪切盒（2）施加平行于导轨方向的水平荷载，使剪切盒（2）匀速运动，使得被测土样（5）与被测钢板（6）的界面发生剪切破坏；

6）对剪切盒（2）施加与步骤5）方向相反的水平荷载，使剪切盒（2）匀速回初始位置；

7）重复步骤5）和6）若干次。

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