CN103940652B - 一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法，包括样筒、垫筒、样筒固定组件、击实锤、芯管组件、限位器。采用本发明用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法，可按试验设计所要求的任意土性指标，或者按现场土体实际土性指标制作样坯，从而使大批量室内锚-土或者桩-土界面摩阻性能试验成为现实。同时，由于试样中采用相对较短的胶结段，能较真实地反映锚-土或者桩-土界面的实际摩阻性能。

Description

一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法

技术领域

本发明涉及房建、公路、铁路、市政、矿山等工程中经常使用的锚杆或桩基试验技术，尤其涉及一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法。

背景技术

锚杆和桩基技术被广泛应用于房建、公路、铁路、市政、矿山等工程领域，其承载力试验通常在室外原位进行。近年来，有部分高校和科研院所通过室内模型试验来试验锚或桩与土的界面摩阻性能，但都是在地槽或模型箱中进行试验，其试验手段和方法与室外原位试验相类似，它们与原位试验一样，都存在费时、费力、可重复性差等缺陷。为此，国内外也有通过土与结构物的直剪试验来推定锚或桩与土的界面摩阻性能的，但因该法与锚或桩的实际工况不符，不能模拟锚-土或桩-土界面的真实受力过程，所得结果不能真实反映锚或桩与土的实际界面摩阻性能。

目前室内能大致模拟锚杆或桩受力状况的锚-土或桩-土界面摩阻性能试验技术和装置中，其试验系统和试样基本上都是同时制作完成，试验完成后就将试验装置(包括试样)全部拆卸，若要做下一个试验，再重新制作。这类试验技术和方法主要存在以下缺点：

①由于模型尺寸相对较大，试验系统和试样又基本上不可分开利用，故可重复性差、不能大批量地进行不同工况或组合工况下锚或桩与土的界面摩阻性能试验；

②缺少密封保水装置，很难保证试验过程中土体含水量的恒定，若用来试验不同含水量对锚-土界面或桩-土界面的长期摩阻性能或者蠕变特性时，试验结果难免不失真；

③由于在理论上分析锚杆或者桩的荷载传递规律时，用到的是微段上锚-土界面或桩-土界面的摩阻性能(比如界面的剪应力与位移或者剪应力与剪应变之间关系)，因此试验这种界面摩阻性能时，试样中锚-土胶结段或桩-土胶结段长度应是越小越好，而现有的模型试验装置和方法中，锚-土或者桩-土胶结段长度都很大，这样得到的是这一长段上的平均界面摩阻性能，不能真实反映锚-土或者桩-土界面的摩阻性能。

因此，有必要研发一套简便、易行、与实际工况相符、试验系统与试样可分离的锚-土或桩-土界面摩阻性能室内试验仪器和试验方法，而且供这类试验用的试样制作装置和方法，必须能够模拟室外工程锚杆或桩基与土的真实受力和环境条件。这类试样制作过程可分为样坯和锚固体(或桩体)制作两部分。制作样坯时，其土的颗粒级配、干密度、含水量等土性指标应能按要求制备并尽量与现场土体一致，同时样坯中央应预留供制作锚固体或桩体的空间；而锚固体或桩体制作时，则应能大致模拟锚杆或桩基的实际施工过程。但是，目前尚未见能满足上述要求，专门用于锚-土或桩-土界面摩阻性能试验的试样(即样坯以及锚固体或桩体)制作装置和方法。

发明内容

本发明的目的就是要提出一种装置，按照一定的操作方法，制作锚或桩与土的界面摩阻性能试验所需试样中的样坯，使样坯中土的干密度、含水量等土性指标与现场土体一致，并在样坯中央预留供制作锚固体或桩体用的柱状空间。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，包括样筒、垫筒，还包括：

样筒固定组件，所述样筒固定组件包括增高筒、底座以及连接件，通过在所述底座及增高筒四周均匀布置的复数组连接件，将样筒和垫筒固定于所述增高筒与底座之间，并使所述增高筒、底座、样筒和垫筒的中轴线重合；因本装置制作的样坯是用于模拟锚或桩的一个“微元段”的剪应力-位移关系，因此理论上样筒的高度应是越小越好，但为了便于试样制作和试验操作，故样筒的高度以5cm～20cm为佳。

击实锤，设置于样筒固定组件上部，所述击实锤为中部具有轴向向上突出部的穿心锤,轴向突出部起导向作用，使击实锤在下落时均匀击实样土；

芯管组件，穿过所述样筒固定组件以及击实锤，所述芯管组件中芯管为下端具有凸缘的可分瓣拆卸式空心管；所述芯管的上端通过上插销和罩箍将其内外夹紧固定；所述罩箍至少有部分内径小于所述芯管外径；所述芯管的下端通过下插销将其固定于底座中心孔内；以及

限位器，所述限位器通过复位弹簧将位于限位环中内腔里的十字形限位销，插入设置于所述芯管上不同高度的销孔中，用于限定击实锤提升高度以控制击实功能。

进一步的，所述样筒上端嵌入所述增高筒的外缘的内槽内、下端嵌入所述垫筒的上突出部的内槽内，所述垫筒的下端则嵌入所述底座的外缘的内槽内；所述样筒与所述垫筒用固定螺钉限定；所述增高筒和垫筒的内径与所述样筒的内径一致。

进一步的，所述芯管是由2～4瓣截面为圆弧形的刚性薄壁直杆依次拼合而成的空心圆管，各瓣之间以弧线紧密贴合，以便于拆卸。

进一步的，所述底座中心孔的内径与所述芯管的外径密切配合；所述底座中心孔的高度不小于5cm，目的是保证芯管有足够的长度嵌入到底座中，避免击实时芯管晃动，影响样坯中央孔洞的成孔质量。

进一步的，所述下插销中销体的外径与所述芯管的内径密切配合，所述销体的长度不小于所述底座中心孔、垫筒、样筒和增高筒的高度之和，保证击实时样土不向内挤压芯管，造成芯管向内松动脱落；所述下插销的销头与所述底座的座芯以螺纹连接方式，压紧所述芯管下端凸缘，从而实现将所述芯管固定于底座上。

进一步的，所述上插销的销体的外径与所述芯管的内径密切配合；所述上插销的销头的外径小于所述芯管的外径。

进一步的，所述罩箍由弹性材料制成，其内腔下端具有一尖形、环状的内突出部，所述内突出部的内径小于所述芯管的外径，且保证所述罩箍能顺利压入箍紧所述芯管。

进一步的，所述击实锤为锥形或阶梯形，其内径大于所述芯管外径、外径小于所述样筒内径。

进一步的，所述连接件为螺栓副结构。

一种利用上述装置制作用于锚或桩与土界面摩阻性能试验样坯的制作方法，包括下述步骤：

(1)将所述垫筒、样筒、增高筒依次嵌合，并用所述螺栓副将其固定于所述底座上，垫筒和增高筒涂抹脱模剂；

(2)将所述芯管从所述底座中心孔下端向上穿出，再将所述下插销的销体插入所述芯管中心，旋转所述下插销的销头，直到将所述芯管下端牢固地固定在底座上；

(3)在所述芯管上端中心插入所述上插销；将所述击实锤套入所述芯管；再将所述限位器套入所述芯管，并使所述限位销插入所述销孔中；然后将所述罩箍从所述芯管上端压入；

(4)根据试验要求，由土坯的密度和体积，计算所需样土的质量m，土坯的密度ρ可由土坯的干密度ρ_d和样土的含水量w求得，即：

ρ＝ρ_d(1+w)(1)

样筒与垫筒的体积之和由垫筒和样筒的内径和高度求得，同时还需考虑土坯上表面超出样筒一定高度，方便试样加工，因此土坯的体积V可按下式计算：

$V=\mathrm{\π}\frac{(D^2-d^2)(h_1+h_2+\mathrm{\Δ}h)}{4}---\left(2\right)$

式中，h₁和h₂分别为所述垫筒和样筒的高度；Δh为超出高度，取5mm；D为所述垫筒和样筒的内径；d为所述芯管的外径；

则所需样土的质量m可按下式计算：

$m=\mathrm{\ρ}V={\mathrm{\ρ}}_d(1+w)\mathrm{\π}\frac{(D^2-d^2)(h_1+h_2+\mathrm{\Δ}h)}{4}---\left(3\right)$

将松散样土平分为3～10等份，逐份平铺于样筒组件的内腔，逐层均匀击实，每层击实后土层表面进行刮毛处理，样土分层击实后所形成的所述土坯表面超出样筒顶面不大于5mm，且不小于3mm；

(5)将所述罩箍、上插销、限位器和击实锤依次取出，拧开所述螺栓副，取出所述增高筒，将所述下插销从所述底座中拧开后抽出，再将所述芯管分瓣向内旋转并逐瓣抽出，至此由所述样筒、垫筒以及其包裹的土坯组成的样坯制作完毕。

本发明所采用的技术方案具有的有益效果是：

采用本发明用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法，可按试验设计所要求的任意土性指标(比如级配、干密度、含水量等)，或者按现场土体实际土性指标制作样坯，从而使大批量室内锚-土或者桩-土界面摩阻性能试验成为现实；同时，由于试样中采用相对较短的胶结段，能较真实地反映锚-土或者桩-土界面的实际摩阻性能。

本发明的的优点和效果将在具体实施方式中进一步描述。

附图说明

图1为本发明样坯制作装置的组成结构示意图；

图2为本发明样坯制作装置的装配结构示意图；

图3为本发明样坯制作装置的内部结构示意图；

图4为本发明样坯制作装置沿AA线剖视图；

图5为本发明样坯制作装置沿BB线剖视图；

图6为本发明样坯制作装置沿CC线剖视图；

图7为利用本发明制作完毕的样坯示意图。

图中标号所示名称为：101-样筒；102-增高筒；102a-外缘；102b-开孔；103-垫筒；103a-上突出部；104-底座；104a-外缘；104b-开孔；104c-外壁；104d-座芯；104e-肋板；105-中心孔；106-开口；107-螺栓副；109-固定螺钉；110-土坯；201-芯管；201a-凸缘；202-罩箍；202a-突出部；203-上插销；203a-销体；203b-销头；204-下插销；204a-销体；204b-销头；205-销孔；301-击实锤；301a-突出部；302-提手；4-限位器；401-限位环；402-限位销；403-复位弹簧；404-提手；405-内腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

如图1～7所示，一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置及方法如下所述：

(1)将有机玻璃材料制成，壁厚1cm，内径为30cm，高度分别为4cm、10cm、4cm的增高筒102、样筒101和垫筒103利用增高筒102的外缘102a的内槽和垫筒103的上突出部103a的内槽依次嵌合，具体方式为样筒101上端嵌入增高筒102的外缘102a的内槽内、下端嵌入垫筒103的上突出部103a的内槽内，垫筒103的下端则嵌入底座104外缘104a的内槽内，样筒101与垫筒103用固定螺钉109限定。再用4组规格为M8的螺栓副107穿过均匀布置的增高筒102的开孔102b和底座104的开孔104b，达到将增高筒102、样筒101和垫筒103固定于底座104的卡槽内的目的，同时使增高筒102、样筒101和垫筒103的中轴线重合。增高筒102和垫筒103在使用前还须涂抹润滑油等脱模剂，便于试样加工。

(2)芯管201为可拆卸成三瓣截面为圆弧形的直杆，截面参照图5，其外径4cm，各瓣之间以弧线紧密贴合，将其从底座中心孔105下端向上穿出，芯管201的凸缘201a反扣在底座104的座芯104d的开口106上。底座中心孔105的高度应不小于5cm，其内径与芯管201的外径密切配合，目的是限制分瓣的芯管201在击实过程中向外散开和保证芯管201垂直度。再将下插销204的销头204b与底座104的座芯104d以螺纹连接方式，压紧芯管201下端凸缘201a，从而实现将芯管201固定于底座104上。下插销204的销体204a外径应与芯管201的内径密切配合，且销体204a的长度不小于底座中心孔105、垫筒103、样筒101和增高筒102的高度之和，以免分瓣的芯管201在击实过程中向内散开。

(3)将锥形或阶梯形的击实锤301穿过芯管201，击实锤301的内径大于芯管201外径3mm，避免其在下落时与芯管201产生摩擦，击实锤301的外径小于样筒101内径5mm，避免其在击实样土时与样筒101发生碰撞。击实锤301的中部具有一个轴向突出部301a，用于限定击实锤301的下落方向，保证击实锤301下落时不发生扭转偏心，从而达到均匀击实样土的效果。

(4)将限位器4套入到芯管201中，限位器4的限位环401内径与芯管201的外径紧密配合，拉动提手404，通过复位弹簧403将位于限位环401中内腔405里的十字形限位销402，插入设置于芯管201上不同高度的销孔205中，由于复位弹簧和十字销的共同作用，限位器4被紧紧卡在芯管201上。安装完后限位器4的截面参照图4。再将上插销203插入到芯管201中，销体203a的外径与芯管201的内径密切配合，将由橡胶材料制成的罩箍202由芯管201上端压入，达到将芯管201内外夹紧固定目的。为保证夹紧固定效果，突出部202a位于罩箍202的内腔下端，具有尖形、环状的特征，且突出部202a的内径小于芯管外径1mm。上插销203的销体203a末端应超出罩箍202的突出部202a，销头203b直径还应略小于芯管201的外径，避免罩箍202在压入过程中与销头203b发生挤压，影响突出部202a的夹紧效果。

(5)根据试验要求按照下式计算所需样土的质量m

$m={\mathrm{\ρ}}_d(1+w)\mathrm{\π}\frac{(D^2-d^2)(h_1+h_2+\mathrm{\Δ}h)}{4}---\left(1\right)$

式中，ρ_d为所述土坯(110)的设计干密度，取1.6g/cm³；w为所述样土的设计含水量，取20％；h₁和h₂分别为所述垫筒(103)和样筒(101)的高度，即分别为4cm和10cm；Δh为超出高度，取0.5cm；D为所述垫筒(103)和样筒(101)的内径，即30cm；d为所述芯管(201)的外径，即4cm；

因此所需样土质量为19.33kg，将松散样土平分为5等份，逐份平铺于样筒组件的内腔，逐层均匀击实，每层击实后土层表面进行刮毛处理，样土分层击实后所形成的所述土坯(110)表面超出样筒顶面，预设的超出高度为5mm，具体操作时超出3～5mm即视为满足试验要求。

(6)将罩箍202和上插销203取出，拧开螺栓副107，取出增高筒102，然后将下插销204从底座104下方拧开后抽出，芯管201分瓣向内旋转并逐瓣抽出。至此，由样筒101、垫筒103以及其包裹的土坯110所组成的样坯制作完毕，如图7所示。

本发明样坯尺寸较小，可大批重复制备，实现试验的可重复性和可比较性，利于试验比较和参数分析，能够在室内按同一方法手段，按不同工况、不同土体的特性指标，大量制备可供试样加工的样坯。

Claims (9)

1.一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，包括样筒(101)、垫筒(103)，其特征在于，还包括：

样筒固定组件，所述样筒固定组件包括增高筒(102)、底座(104)以及连接件，通过在所述底座(104)及增高筒(102)四周均匀布置的复数组连接件，将样筒(101)和垫筒(103)固定于所述增高筒(102)与底座(104)之间，并使所述增高筒(102)、底座(104)、样筒(101)和垫筒(103)的中轴线重合；所述样筒(101)上端嵌入所述增高筒(102)的外缘(102a)的内槽内、下端嵌入所述垫筒(103)的上突出部(103a)的内槽内，所述垫筒(103)的下端则嵌入所述底座(104)的外缘(104a)的内槽内；所述增高筒(102)和垫筒(103)的内径与所述样筒(101)的内径一致；

击实锤(301)，设置于样筒固定组件上部，所述击实锤(301)为中部具有轴向向上突出部(301a)的穿心锤；

芯管组件，穿过所述样筒固定组件以及击实锤(301)，所述芯管组件中芯管(201)为下端具有凸缘(201a)的可分瓣拆卸式空心管；所述芯管(201)的上端通过上插销(203)和罩箍(202)将其内外夹紧固定；所述罩箍(202)至少有部分内径小于所述芯管(201)外径；所述芯管(201)的下端通过下插销(204)将其固定于底座中心孔(105)内；所述底座中心孔(105)内径与所述芯管(201)的外径密切配合；所述下插销(204)的销体(204a)的外径与所述芯管(201)的内径密切配合，所述销体(204a)的长度不小于所述底座中心孔(105)、垫筒(103)、样筒(101)和增高筒(102)的高度之和；所述上插销(203)的销体(203a)的外径与所述芯管(201)的内径密切配合；所述上插销(203)的销头(203b)的外径小于所述芯管(201)的外径；以及

限位器(4)，所述限位器(4)通过复位弹簧(403)将位于限位环(401)中内腔(405)里的十字形限位销(402)，插入设置于所述芯管(201)上不同高度的销孔(205)中，用于限定击实锤(301)提升高度以控制击实功能；所述击实锤(301)内径大于所述芯管(201)外径、外径小于所述样筒(101)内径。

2.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述样筒(101)的高度为5cm～20cm；所述样筒(101)与所述垫筒(103)用固定螺钉(109)限定。

3.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述芯管(201)是由2～4瓣截面为圆弧形的刚性薄壁直杆依次拼合而成的空心圆管，各瓣之间以弧线紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述底座中心孔(105)的高度不小于5cm。

5.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述下插销(204)的销头(204b)与所述底座(104)的座芯(104d)以螺纹连接方式，压紧所述芯管(201)下端凸缘(201a)，从而实现将所述芯管(201)固定于底座(104)上。

6.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述罩箍(202)由弹性材料制成，其内腔下端具有一尖形、环状的内突出部(202a)，所述内突出部(202a)的内径小于所述芯管(201)的外径。

7.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述击实锤(301)为锥形或阶梯形。

8.根据权利要求1所述的一种用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置，其特征在于：所述连接件为螺栓副(107)结构。

9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作装置制作用于锚或桩与土界面摩阻性能试验的样坯制作方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将垫筒(103)、样筒(101)、增高筒(102)依次嵌合，并用螺栓副(107)将其固定于底座(104)上，垫筒(103)和增高筒(102)涂抹脱模剂；

(2)将芯管(201)从所述底座中心孔(105)下端向上穿出，再将下插销(204)的销体(204a)插入芯管(201)中心，旋转下插销(204)的销头(204b)，直到将芯管(201)下端牢固地固定在底座(104)上；

(3)在芯管(201)上端中心插入上插销(203)；将击实锤(301)套入芯管(201)；再将限位器(4)套入芯管(201)，并使限位销(402)插入销孔(205)中；然后将罩箍(202)从芯管(201)上端压入；

(4)根据试验要求，按照下式计算所需样土的质量m

$m={\mathrm{\ρ}}_d(1+w)\mathrm{\π}\frac{(D^2-d^2)(h_1+h_2+\mathrm{\Δ}h)}{4}---\left(1\right)$

式中，ρ_d为土坯(110)的设计干密度；w为样土的设计含水量；h₁和h₂分别为垫筒(103)和样筒(101)的高度；Δh为超出高度，取5mm；D为垫筒(103)和样筒(101)的内径；d为芯管(201)的外径；

将松散样土平分为3～10等份，逐份平铺于样筒组件的内腔，逐层均匀击实，每层击实后土层表面进行刮毛处理，样土分层击实后所形成的土坯(110)表面超出样筒顶面不大于5mm，且不小于3mm；

(5)将罩箍(202)、上插销(203)、限位器(4)和击实锤(301)依次取出，拧开螺栓副(107)，取出增高筒(102)，将下插销(204)从底座(104)中拧开后抽出，再将芯管(201)分瓣向内旋转并逐瓣抽出，至此由样筒(101)、垫筒(103)以及其包裹的土坯(110)组成的样坯制作完毕。