CN108106949A - 用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，包括支架，所述支架上设有两个对称分布的剪切装置，所述剪切装置包括剪切盒、向所述剪切盒内的土样施加法向力的扇形分布式法向力提供机构、测量所述剪切盒剪切位移的剪切位移测量机构和向所述剪切盒施加剪切力的砝码。本发明还提供了一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法。本发明的有益效果是：利用扇形分布式法向力提供机构施加均匀分布的法向力，无需外接压力源或加荷设备，采用通过试样中心的扇形分布式法向力提供机构进行法向力的施加，保证界面处各点的法向力大小相同，均指向圆心，使得剪切面受力均匀，避免试样受偏心受荷而使试验结果存在偏差。

Description

用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪
技术领域
本发明涉及对称式直剪仪，尤其涉及一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪。
背景技术
直剪试验最早在100多年前被Alexandre Collin用于边坡稳定研究。目前，室内直剪仪的开发和研制技术比较成熟，除了常规的小型直剪仪外，国内外均研制出了一些大型直剪仪，剪切盒形式繁多，尺寸大小不一。直剪仪样式繁多，但基本原理相同，都是将试样装填入剪切盒内，分别在不同的垂直压力σ下，施加水平剪切力进行剪切，使试样在上、下剪切盒之间的水平面上发生剪切至破坏，得到破坏时的剪切应力τ，根据摩尔-库仑定律确定土的内摩擦角φ和黏聚力c。
目前，直剪仪可分为应变控制式和应力控制式两种，前者是通过弹性钢环变形控制剪切位移的速率；后者则是通过杠杆用砝码控制施加剪应力的速率，进而测出相应的剪切位移。随着技术手段的进步，目前较为先进的直剪仪为大型恒刚度界面循环剪切仪，大型恒刚度界面循环剪切仪采用弹簧提供法向恒刚度，通过变频电机及行程开关实现下剪切盒的往复循环剪切运动。恒刚度桩-土界面剪切仪不仅避免了传统直剪仪中存在的尺寸效应问题，而且在剪切过程中始终保持剪切面积恒定。但随着直剪试验仪器的日益复杂化和精密化，直剪仪的制造成本逐渐增加，仪器的保养和维护费用变得日益昂贵，另外，仪器尺寸过大，仅能进行室内试验，无法进行工地现场桩土界面的抗剪强度的测量。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法与对称式直剪仪。
本发明提供了一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，包括支架，所述支架上设有两个对称分布的剪切装置，所述剪切装置包括剪切盒、向所述剪切盒内的土样施加法向力的扇形分布式法向力提供机构、测量所述剪切盒剪切位移的剪切位移测量机构和向所述剪切盒施加剪切力的砝码，其中，所述剪切盒设有放置土样的土样放置腔体和控制所述土样放置腔体的剪切盒上盖，所述剪切盒上盖与所述剪切盒形成移动副，所述扇形分布式法向力提供机构的固定端通过弹簧支架与所述支架连接，所述扇形分布式法向力提供机构的施力端与所述剪切盒上盖连接，所述剪切位移测量机构设置在所述剪切盒的顶部，所述砝码与所述剪切盒的底部连接。
作为本发明的进一步改进，所述扇形分布式法向力提供机构包括环形滑块和弹簧，所述弹簧的一端与所述弹簧支架连接，所述弹簧的另一端与所述环形滑块连接，所述环形滑块与所述剪切盒上盖连接。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧与所述环形滑块沿所述剪切盒上盖的周向间隔均匀设置。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧、环形滑块之间设有弹簧垫片，所述弹簧支架上设有弹簧导杆，所述弹簧套设在所述弹簧导杆上。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧导杆上设有调节所述弹簧变形量的限位螺母，所述弹簧支架通过固定螺栓与所述支架连接。
作为本发明的进一步改进，所述剪切盒上盖与所述剪切盒之间设有低阻密封胶条。
作为本发明的进一步改进，所述剪切位移测量机构包括百分表支架和固定在所述百分表支架的第一百分表，所述第一百分表的测杆与所述剪切盒的顶部接触，所述弹簧支架上设有第二百分表，所述第二百分表的测杆与所述剪切盒上盖接触。
作为本发明的进一步改进，所述剪切盒靠近桩身的端部设有滑轮组。
作为本发明的进一步改进，所述支架靠近桩身的部分设有滑轮。
本发明还提供了一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法，采用所述的对称式直剪仪进行以下步骤：
使用所述的对称式直剪仪测量时，采用土工刀工具将桩侧试验土体与周围土体分开,先按剪切盒大小进行粗修,然后将剪切盒放置于土样上，安装支架，确保两侧的土样处于同一水平面上，压缩剪切盒上盖，从而实现对土样施加法向应力的目的，待垂直压力稳定、垂直变形达到每小时不超过0.05mm后，以桩身作为剪切盒下盒，通过砝码均匀施加竖直方向的剪切力，剪应力按预估最大荷载的8％-10％分级等量施加,每级剪切荷载施加分钟后，再施加下一级剪切荷载,当剪切变形急剧增加或剪切位移达到试件边长的1/10时时终止试验；
在实验过程中，记录剪切位移测量机构的读数以及砝码的质量，然后计算作用在土样上的法向应力和平均剪应力；
计算弹簧的压缩量x,通过下式计算出作用在土样上的法向荷载N：
N＝n·k·x
其中，k为弹簧的刚度系数，单位为：N/mm，n为弹簧的根数；
由法向荷载N计算土样上的平均法向应力σn：
其中，A为试样的面积，单位为：m2，通过剪切位移测量机构的读数得到剪切过程中土样的体积变化；
试样剪切过程中的平均剪应力τ根据下式计算：
其中，A为试样的面积，单位为：m2，F为砝码的重量，单位为：kN，G为剪切盒的重量单位为：kN；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制τ-s关系曲线，取曲线上的剪应力τ的峰值作为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度；
以试样的峰值抗剪强度τ为纵坐标，法向应力σn为横坐标，绘制σn-τ关系曲线，直线的倾角为桩土界面的外摩擦角，纵坐标上的截距为粘聚力。
本发明的有益效果是：利用扇形分布式法向力提供机构施加法向力，无需外接压力源或加荷设备，采用通过试样中心的扇形分布式法向力提供机构进行法向力的施加，保证桩-土界面处各点的法向力大小相同，均指向圆心，使得剪切面受力均匀，避免试样受偏心受荷而使试验结果存在偏差；组件少，质量轻便，组装简单，便于野外现场使用。
附图说明
图1是本发明一种对称式直剪仪的俯视方向的示意图。
图2是本发明一种对称式直剪仪的主视方向的示意图。
图3是本发明一种对称式直剪仪的扇形分布式法向力提供机构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，包括支架1，所述支架1上设有两个对称分布的剪切装置，所述剪切装置包括剪切盒11、向所述剪切盒11内的土样100施加法向力的扇形分布式法向力提供机构、测量所述剪切盒11剪切位移的剪切位移测量机构和向所述剪切盒11施加剪切力的砝码16，其中，所述剪切盒11设有放置土样100的土样放置腔体和控制所述土样放置腔体的剪切盒上盖5，所述剪切盒上盖5与所述剪切盒11形成移动副，所述扇形分布式法向力提供机构的固定端通过弹簧支架2与所述支架1连接，所述扇形分布式法向力提供机构的施力端与所述剪切盒上盖5连接，所述剪切位移测量机构设置在所述剪切盒11的顶部，所述砝码16与所述剪切盒11的底部连接。
如图1至图3所示，所述扇形分布式法向力提供机构包括环形滑块8和弹簧7，所述弹簧7的一端与所述弹簧支架2连接，所述弹簧7的另一端与所述环形滑块8连接，所述环形滑块8与所述剪切盒上盖5连接。
如图1至图3所示，所述弹簧7与所述环形滑块5沿所述剪切盒上盖5的周向间隔均匀设置。
如图1至图3所示，所述弹簧7、环形滑块5之间设有弹簧垫片9，所述弹簧支架2上设有弹簧导杆12，所述弹簧7套设在所述弹簧导杆12上。
如图1至图3所示，所述弹簧导杆12上设有调节所述弹簧7变形量的限位螺母6，所述弹簧支架2通过固定螺栓3与所述支架1连接。
如图1至图3所示，所述剪切盒上盖5与所述剪切盒11之间设有低阻密封胶条15。
如图1至图3所示，所述剪切位移测量机构包括百分表支架13和固定在所述百分表支架13的第一百分表14，所述第一百分表14的测杆与所述剪切盒11的顶部接触，所述弹簧支架2上设有第二百分表4，所述第二百分表4的测杆与所述剪切盒上盖5接触。
如图1至图3所示，所述剪切盒11靠近桩身200的端部设有滑轮组10。
如图1至图3所示，所述支架1靠近桩身200的部分设有滑轮17。
一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法，通过对称式直剪仪进行抗剪强度测试：
使用仪器测量时，采用土工刀等工具将桩侧试验土体与周围土体分开,先按剪切盒大小进行粗修,然后将剪切盒11放置于土样100上，安装支架1、调节固定螺栓3，确保两侧的剪切试样处于同一水平面上，并且，与弹簧7连接的弹簧垫片9置于剪切盒上盖5上的环形滑块8上，然后安装百分表支架13和第一百分表14。调节限位螺母6，以使得弹簧7压缩剪切盒上盖5，从而实现对土样100施加法向应力的目的，待垂直压力稳定、垂直变形达到相对稳定(每小时不超过0.05mm)后，以桩身200作为剪切盒下盒，通过砝码16均匀施加竖直方向的剪切力，剪应力按预估最大荷载的8％-10％分级等量施加,每级剪切荷载施加5min后，再施加下一级剪切荷载,当剪切变形急剧增加或剪切位移达到试件边长的1/10时时可终止试验。在实验过程中，记录第一百分表14、第二百分表4的读数以及砝码16的质量，并通过这些读数计算作用在土样100上的法向应力和平均剪应力。
根据弹簧导杆12上的刻度可以计算得到弹簧的压缩量x,通过下式计算出作用在土样100上的法向荷载N：
N＝n·k·x
其中，k为弹簧7的刚度系数(单位为：N/mm)，n为弹簧7的根数。
由法向荷载N可以计算土样100上的平均法向应力σn：
其中，A为试样的面积(单位为：m2)，通过第二百分表4的读数可得剪切过程中土样的体积变化。
试样剪切过程中的平均剪应力τ根据下式计算：
其中，A为试样的面积(单位为：m2)，F为砝码的重量(单位为：kN)，G为剪切盒的重量(单位为：kN)。
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制τ-s关系曲线，取曲线上的剪应力τ的峰值作为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度。
以试样的峰值抗剪强度τ为纵坐标，法向应力σn为横坐标，绘制σn-τ关系曲线，用直线拟合曲线，直线的倾角为桩土界面的外摩擦角，纵坐标上的截距为粘聚力。
本发明提供的一种抗剪强度测试方法与对称式直剪仪，用于原位桩土界面抗剪强度测试，适用于在工地现场对大直径桩与土(或泥皮)界面在恒刚度条件下的抗剪切力和剪切过程中的剪切位移进行测定；仪器设备简单、携带方便、操作简单、结果准确、经济实用，可同时对两个试样进行对称剪切试验，稳定性好，适用性强，具有良好的推广应用前景。
本发明提供的一种对称式直剪仪，法向荷载采用扇形分布式弹簧加载的方式，即可以通过调节弹簧7的压缩量来达到施加不同法向荷载，并同时保证每根弹簧7施加的作用力与界面法向一致，通过对不同法向荷载下的试样施加竖直向的推力进行剪切，得出每个试样的剪应力-剪切位移曲线和试样的σ-τ关系曲线，然后用最小二乘法得出土体的抗剪强度参数c、并确定其抗剪强度特性。
本发明提供的一种抗剪强度测试方法与对称式直剪仪，具有以下优点：
(1)组件少，质量轻便，组装简单，便于野外现场使用。
(2)利用扇形分布式弹簧施加法向力，无需外接压力源或加荷设备，
采用通过试样中心的弹簧组进行法向力的施加，保证桩-土界面处各点的法向力大小相同，且均指向圆心，使得剪切面受力均匀，避免试样偏心受荷而使试验结果存在偏差；而采用弹簧恒刚度加载，试验机理更接近真实的桩-土应力场。
(3)以桩身200作为剪切下盒，可以在现场直接对桩土界面的抗剪强度进行精确测试，无需对桩和土进行取样。
(4)可同时进行两组剪切试验，提高直剪仪的工作效率，缩短试验的时间。
(5)通过采用(替换)不同曲率半径的弹簧支架2，可适用于不同桩径的桩土界面测试。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：包括支架，所述支架上设有二个对称分布的剪切装置，所述剪切装置包括剪切盒、向所述剪切盒内的土样施加法向力的扇形分布式法向力提供机构、测量所述剪切盒剪切位移的剪切位移测量机构和向所述剪切盒施加剪切力的砝码，其中，所述剪切盒设有放置土样的土样放置腔体和控制所述土样放置腔体的剪切盒上盖，所述剪切盒上盖与所述剪切盒形成移动副，所述扇形分布式法向力提供机构的固定端通过弹簧支架与所述支架连接，所述扇形分布式法向力提供机构的施力端与所述剪切盒上盖连接，所述剪切位移测量机构设置在所述剪切盒的顶部，所述砝码与所述剪切盒的底部连接。
2.根据权利要求1所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述扇形分布式法向力提供机构包括环形滑块和弹簧，所述弹簧的一端与所述弹簧支架连接，所述弹簧的另一端与所述环形滑块连接，所述环形滑块与所述剪切盒上盖连接。
3.根据权利要求2所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述弹簧与所述环形滑块沿所述剪切盒上盖周向间隔均匀设置。
4.根据权利要求2所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述弹簧、环形滑块之间设有弹簧垫片，所述弹簧支架上设有弹簧导杆，所述弹簧套设在所述弹簧导杆上。
5.根据权利要求2所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述弹簧导杆上设有调节所述弹簧变形量的限位螺母，所述弹簧支架通过固定螺栓与所述支架连接。
6.根据权利要求2所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述剪切盒上盖与所述剪切盒之间设有低阻密封胶条。
7.根据权利要求2所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述剪切位移测量机构包括百分表支架和固定在所述百分表支架的第一百分表，所述第一百分表的测杆与所述剪切盒的顶部接触，所述弹簧支架上设有第二百分表，所述第二百分表的测杆与所述剪切盒上盖接触。
8.根据权利要求1所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述剪切盒靠近桩身的端部设有滑轮组。
9.根据权利要求1所述的用于桩土界面抗剪强度原位测试的对称式直剪仪，其特征在于：所述支架靠近桩身的部分设有滑轮。
10.一种用于桩土界面抗剪强度原位测试的方法，其特征在于：采用如权利要求2所述的对称式直剪仪进行以下步骤：
使用所述的对称式直剪仪测量时，采用土工刀工具将桩侧试验土体与周围土体分开,先按剪切盒大小进行粗修,然后将剪切盒放置于土样上，安装支架，确保两侧的土样处于同一水平面上，通过弹簧变形施加法向压力压缩剪切盒上盖，从而实现对土样施加法向应力的目的，待垂直压力稳定、垂直变形达到每小时不超过0.05mm后，以桩身作为剪切盒下盒，通过砝码均匀施加竖直方向的剪切力，剪应力按预估最大荷载的8％-10％分级等量施加,每级剪切荷载施加分钟后，再施加下一级剪切荷载,当剪切变形急剧增加或剪切位移达到试件边长的1/10时终止试验；
在实验过程中，记录剪切位移测量机构的读数以及砝码的质量，然后计算作用在土样上的法向应力和平均剪应力；
计算弹簧的压缩量x,通过下式计算出作用在土样上的法向荷载N：
N＝n·k·x
其中，k为弹簧的刚度系数，单位为：N/mm，n为弹簧的根数；
由法向荷载N计算土样上的平均法向应力σn：
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>A</mi> </mfrac> </mrow>
其中，A为试样的面积，单位为：m2，通过剪切位移测量机构的读数得到剪切过程中土样的体积变化；
试样剪切过程中的平均剪应力τ根据下式计算：
<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>+</mo> <mi>G</mi> </mrow> <mi>A</mi> </mfrac> </mrow>
其中，A为试样的面积，单位为：m2，F为砝码的重量，单位为：kN，G为剪切盒的重量单位为：kN；
以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制τ-s关系曲线，取曲线上的剪应力τ的峰值作为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度；
以试样的峰值抗剪强度τ为纵坐标，法向应力σn为横坐标，绘制σn-τ关系曲线，用直线拟合该曲线，直线的倾角为土与桩界面的外摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力。
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