CN108487333A - 一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 - Google Patents
一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108487333A CN108487333A CN201810073691.6A CN201810073691A CN108487333A CN 108487333 A CN108487333 A CN 108487333A CN 201810073691 A CN201810073691 A CN 201810073691A CN 108487333 A CN108487333 A CN 108487333A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pile
- measured
- air bag
- soil
- dynamometer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 16
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 137
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims abstract description 28
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 55
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 55
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 44
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000007660 shear property test Methods 0.000 claims description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 3
- 230000003319 supportive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000007605 air drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 7
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 1
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009666 routine test Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D33/00—Testing foundations or foundation structures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，装置包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统，固定系统包括底座、导轨和加固装置，用于对管桩进行固定，围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压，土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对气囊施加牵引力。本发明提供了能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性的简易试验装置及其操作方法，待测模型桩不发生位移，而由待测土样发生位移，模拟了管桩与土塞的剪切过程，围压系统置于待测模型桩内，极大地节省了试验空间，使操作性更强。
Description
技术领域
本发明涉及桩基工程技术领域，尤其涉及一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法。
背景技术
近年来，跨海大桥、海上钻井平台、海上风电机场等大型工程不断涌现，各类大直径管桩因其施工快捷、打入性好、承载力高等特点，在上述工程的基础建设中发挥了重要作用。与挤土桩不同，管桩在贯入过程中，土层中部分土体会挤入桩内，形成土塞。大量文献表明，当土塞达到一定高度后，至桩底向上两到三倍桩径范围内的土体密实度极高，形成所谓的“楔紧区”，该区域内土塞会对桩体产生极大的侧向力，导致该区域桩土界面上单位内摩阻力远大于桩外单位外摩阻力，从而影响管桩打入特性和成桩后管桩的承载力。
在海洋工程的基础建设中，基桩在成桩过程及成桩后服役期间，会持续受到上部构筑物荷载和洋流、风浪等外部荷载的循环扰动，使基桩的承载性能发生改变，即所谓的“循环荷载效应”；其中比较显著的现象之一就是桩侧摩阻力在循环荷载作用下的退化。目前，对这一现象的理论研究多集中于桩与外侧土接触面，而对土塞与管桩接触面在循环荷载扰动作用下剪切特性的研究较少。在试验开展方面，对桩土界面剪切特性的研究仍集中于桩与外侧土接触面上；其中，现场试验主要在桩身内安装测量元件，通过测量元件监测桩体在打桩和承载过程中的应力变化，从而反映其剪切特性的改变；此类方法可信度较高，但试验周期长，试验开销大，且测量元件一旦发生损坏则监测数据不再具有可信度，因此难以作为常规试验方式；室内试验目前应用较为广泛的是对直剪试验装置进行改造，例如将剪切盒用钢板替代，来模拟桩土界面，但上述试验装置剪切面积会发生改变，不能很好地反映桩土接触面的实际几何特性和受荷特性；为解决上述问题，环剪仪和恒刚度剪切仪等新型设备也不断被研制出来，但上述试验仪器成本较高，尺寸较小，仍不能很好反映桩土实际接触特性。
由于土塞处于管桩内，所处的应力场与位移场和桩外侧土有很大的不同，不能直接将桩土外侧界面的循环剪切特性与内侧进行等效，因此，研究管桩与土塞接触面在循环荷载作用下剪切特性的变化，从而为打桩工艺和管桩承载力的设计提供参考，将具有十分重要的工程和科研意义。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，所述管桩与土塞接触面循环剪切特性的试验装置能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性。
为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；
所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；
所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；
所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；
所述牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对所述气囊施加牵引力；所述位移监测装置与所述气囊连接，用于记录并控制所述气囊的移动距离；所述第一测力计分别与所述第一伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力；所述第二测力计分别与所述第二伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力。
进一步地，所述轴向加固装置可根据所述待测模型桩长度安放于所述导轨上的不同凹槽处；所述径向加固装置可根据所述待测模型桩的直径改变其高度，使其加固中心的高度与所述待测模型桩的轴线处于同一水平，从而保证所述待测模型桩在试验过程中不会发生移动。
进一步地，所述轴向加固装置包括第一钢棍和第二钢棍，所述径向加固装置包括上盒和下盒，调节所述下盒中的下轴承，使所述上盒的中心与所述待测模型桩的轴线位于同一水平，进一步调节所述上盒中的上轴承，使所述上轴承前的橡皮垫与所述待测模型桩紧密结合。
进一步地，所述气囊为橡胶气囊，其外径略小于待测模型桩的内径，加压后可实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的紧密接触，所述气囊可提供不同围压。
进一步地，所述气囊的两端分别安装有第一金属头和第二金属头，保证所述气囊具有一定骨架；所述第一金属头和所述第二金属头上分别安装有进气管和出气管，所述进气管通过所述导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接。
进一步地，所述第一金属头上还安装有第一挂钩和第二挂钩，所述第二金属头上还安装有第三挂钩，所述第一挂钩、所述第二挂钩和所述第三挂钩分别通过第一钢绳、第二钢绳和第三钢绳与所述牵引系统连接，所述牵引系统施加的牵引力方向与所述气囊的轴线方向共线，保证牵引力不在其他方向产生分力。
进一步地，所述第一挂钩通过第一钢绳与所述位移监测装置连接，所述第二挂钩通过所述第二钢绳与所述第一测力计连接，所述第一测力计通过所述第二钢绳与所述第一伺服电机连接，所述第三挂钩通过所述第三钢绳与所述第二测力计连接，所述第二测力计通过所述第三钢绳与所述第二伺服电机连接。
进一步地，所述待测土样由待测土层中取得，经过浸泡、风干、涂胶处理后与粘附于所述尼龙袋上，所述待测土样具有一定厚度。
为实现上述目的，本发明采用了另一种技术方案：一种管桩与土塞接触面循环剪切试验方法，采用上述任一项所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括以下步骤：
步骤S1：试验前准备：进行试验前各个测量元件及仪表的检查与校正，例如对所述气囊的气密性进行检查，对所述第一测力计、所述第二测力计、所述气压计、所述位移监测装置等进行校正；
步骤S2：固定模型桩：将所述待测模型桩置于两个所述导轨之间，根据所述待测模型桩的尺寸，通过所述加固装置对所述待测模型桩的径向和轴向位移进行控制，保证所述待测模型桩在试验过程中不发生移动；
步骤S3：准备土样：对所述待测土层进行取样，将所述待测土样进行浸泡、烘干、涂胶处理后与所述尼龙袋的外侧粘连在一起，并将所述尼龙袋的内侧捆绑于所述气囊的外侧；
步骤S4：准备牵引系统：通过第一钢绳将所述第一挂钩与所述位移监测装置进行连接，通过所述第二钢绳将所述第二挂钩、所述第一测力计、所述第一伺服电机进行连接，通过所述第三钢绳将所述第三挂钩、所述第二测力计、所述第二伺服电机进行连接；
步骤S5：准备气囊：将所述气囊卸压，使所述气囊保持其初始形态，并将所述气囊置于所述待测模型桩内；将所述气囊的所述进气管通过所述导管与所述气压表、所述压力控制装置及所述高压气瓶分别连接，对所述气囊进行加压，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁紧密接触，记录此时所述气压表读数；
步骤S6：进行试验：开启所述第一伺服电机和/或所述第二伺服机，牵引所述气囊匀速移动，记录所述气囊的移动速度，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁进行剪切，通过所述位移监测装置记录剪切位移，记录剪切结束后的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；对所述气囊卸压，将其移动到初始位置，进行第二次剪切，记录剪切结束后的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；重复步骤S6，记录对应不同剪切次数时的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；并通过改变改变剪切位移、剪切速度、围压，分别进行单向剪切试验、双向剪切试验、变速度剪切试验、变位移剪切试验、变围压剪切试验；
步骤S7：分析结果：针对步骤S6中记录的试验数据进行分析，得到循环次数与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪应力衰减系数、不同循环次数对应的围压与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切速度与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切位移与剪应力的关系。
进一步地，所述围压系统可以对所述待测土样所受围压进行控制，所述牵引系统可对剪切位移、剪切速度、剪切方向进行控制，进而实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的单向循环剪切、双向循环剪切、变速度剪切、变位移剪切、变围压剪切的不同剪切模式。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明提供了一种能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性的简易试验装置及其操作方法；(2)本发明的试验方法中，待测模型桩不发生位移，而由待测土样发生位移，从另一个角度模拟了管桩与土塞的剪切过程；(3)围压系统置于待测模型桩内，极大地节省了试验空间，使试验方法操作性更强。
附图说明
图1为土塞受力简化图(不计土重)；
图2为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的组成示意图；
图3为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的结构示意图；
图4为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的固定系统俯视图；
图5为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的固定系统正视图；
图6为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的径向固定装置示意图；
图7为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的土塞模拟系统示意图；
图8为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置的气囊示意图；
图9为本发明的管桩与土塞接触面循环剪切试验方法的流程图。
图中，1.底座；2.导轨；3.第一钢棍；4.下盒；5.上盒；6.下轴承；7.竖向轴承；8.上轴承；9.橡皮垫；10.凹槽；11.第一挂钩；12.第二挂钩；13.进气管；14.出气管；15.第二金属头；16.第一金属头；17.第一钢绳；18.位移监测装置；19.第一测力计；20.第一伺服电机；21.第二测力计；22.第二伺服电机；23.待测土样；24.尼龙袋；25.绑带；26.气囊；27.导管；28.气压计；29.压力控制装置；30.高压气瓶；31.待测模型桩；32.待测模型桩内壁；33.第二钢棍；34.第三挂钩；35.第二钢绳；36.第三钢绳；41.固定系统；42.土塞模拟系统；43.围压系统；44.牵引系统；45.加固装置；46.轴向加固装置；47.径向加固装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
为了研究海洋工程桩基础中管桩与桩内土塞接触面在循环荷载作用下的剪切特性，考虑已有桩土界面特性试验装置存在的不足，本发明提供了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，所述管桩与土塞接触面循环剪切特性的试验装置能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性。图1所示的是土塞受力简化图(不计土重)，反映了土塞与桩壁的接触和受力情况。如图2所示，所述管桩与土塞接触面循环剪切试验装置包括固定系统41、围压系统42、土塞模拟系统43和牵引系统44。
如图3-8所示，所述固定系统41包括底座1、导轨2、加固装置45，用于固定待测模型桩31。所述底座1为本发明的试验装置提供框架，起支撑作用；所述导轨2的表面预制有凹槽10，两个导轨2对称焊接于所述底座1的中轴线两侧，用于安放所述待测模型桩31，为所述待测模型桩31提供基本固定。优选的，所述底座1和所述导轨2的制成材料为钢。所述加固装置45包括轴向加固装置46和径向加固装置47，所述轴向加固装置46用于控制所述待测模型桩31的轴向位移，可根据所述待测模型桩31的长度安放于所述导轨2上的不同凹槽10处，所述轴向加固装置46包括两根钢棍，也即第一钢棍3和第二钢棍33，所述第一钢棍3和所述第二钢棍33的宽度与所述凹槽10的宽度相同、高度略大于所述凹槽10的高度，所述第一钢棍3和所述第二钢棍33分别置于所述待测模型桩31两侧的所述导轨凹槽10中。所述径向加固装置47用于控制所述待测模型桩31的径向位移，可根据所述待测模型桩31的直径改变其高度，使其加固中心的高度与所述待测模型桩31的轴线处于同一水平，从而保证所述待测模型桩31在试验过程中不会发生移动；所述径向加固装置47包括两个活动盒组成，也即上盒5和下盒4，两个活动盒内均为轴承组合，所述下盒4通过竖直轴承7控制竖直向位移，所述上盒5控制水平向位移；所述上盒5中的上轴承8前组合有橡皮垫9。根据不同模型桩直径，调节所述下盒4中的下轴承6，使所述上盒5的中心与所述待测模型桩31的轴线位于同一水平，进一步调节所述上轴承8，使所述橡皮垫9与所述待测模型桩31紧密结合。
所述围压系统42包括气囊26、气压表28、压力控制装置29、高压气瓶30，用于对管桩与土塞接触面施加围压。所述气囊26具有一定的弹性与空间，置于所述待测模型桩31的内侧，其外径略小于所述待测模型桩31的内径，加压后可实现待测土样23与所述模型桩内表面的紧密接触，且可提供不同的围压。优选的，所述气囊26用橡胶制成。所述气囊26的两端分别安装有第一金属头16和第二金属头15，保证所述气囊26具有一定骨架。所述第一金属头16上安装有第一挂钩11、第二挂钩12和进气管13，所述第二金属头15上安装有第三挂钩34与出气管14。所述第一挂钩11、所述第二挂钩12和所述第三挂钩34分别通过第一钢绳17、第二钢绳35和第三钢绳36与所述牵引系统44连接。所述进气管13通过导管27依次连接所述气压表28、所述压力控制装置29与所述高压气瓶30。所述气压表28用于读取所述气囊26的气压；所述压力控制装置29用于对气压进行控制；所述高压气瓶30用于提供气压。所述围压系统42能为所述土塞模拟系统43提供稳定、均匀、可控的径向压力，并且最大围压到达1.5Mpa，有效解决了砝码加载难于施加高压的缺点。
所述土塞模拟系统43包括附着所述待测土样23的尼龙袋24，所述尼龙袋24具有弹性；所述待测土样23从现场待测地层中取得，经过浸泡、烘干、涂胶等工序后与所述尼龙袋24有机粘连在一起，并具有一定厚度，能有效解决传统剪切盒剪切面积发生改变的不足，能很好反映管桩和土塞的接触面的几何特性。所述尼龙袋24的外侧粘有所述待测土样23，所述尼龙袋24的内侧系有绑带25，将所述尼龙袋24绑于所述气囊26的外侧，也即所述尼龙袋24的内侧紧贴于所述气囊26的外侧，使得附着所述待测土样23的所述尼龙袋24形成与所述待测模型桩31类似的柱体状，所述待测土样23与模型桩内壁32接触。
所述牵引系统44包括位移监测装置18、第一测力计19、第一伺服电机20、第二测力计21、第二伺服电机22，用于对所述气囊26施加牵引力。所述第一伺服电机20和所选第二伺服电机22为交流伺服电机，运行平稳，功率调节范围大，能以不同速度牵引所述气囊26移动，模拟管桩与土塞接触面的不同剪切速度。所述位移监测装置18用于记录并控制所述气囊26的移动距离，即土塞的剪切位移。所述第一测力计19和所述第二测力计21用于读取所述气囊26移动时的牵引力，即为土塞所受的竖向力。所述第一挂钩11通过第一钢绳17与所述位移监测装置18连接，所述第二挂钩12通过所述第二钢绳35与所述第一测力计19连接，所述第一测力计19通过所述第二钢绳35与所述第一伺服电机20连接，所述第三挂钩34通过所述第三钢绳36与所述第二测力计21连接，所述第二测力计21通过所述第三钢绳36与所述第二伺服电机22连接。所述牵引系统44在所述气囊26的两侧安装，通过与所述气囊26的自由组合，可实现桩土界面的单向剪切和双向剪切两种剪切模式。所述牵引系统44施加的牵引力方向与所述气囊26的轴线方向共线，保证牵引力不在其他方向产生分力。
如图9所示，一种管桩与土塞接触面循环剪切试验方法，利用所述管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括以下步骤：
步骤S1：试验前准备：进行试验前各个测量元件及仪表的检查与校正，例如对所述气囊26的气密性进行检查，对所述第一测力计19、所述第二测力计21、所述气压计28、所述位移监测装置18等进行校正；
步骤S2：固定模型桩：将所述待测模型桩31置于两个所述导轨2之间，根据所述待测模型桩31的尺寸，通过所述加固装置45对所述待测模型桩31的径向和轴向位移进行控制，保证所述待测模型桩31在试验过程中不发生移动；
步骤S3：准备土样：对所述待测土层进行取样，将所述待测土样23进行浸泡、烘干、涂胶等处理后与所述尼龙袋24的外侧粘连在一起，并将所述尼龙袋24的内侧捆绑于所述气囊26的外侧；
步骤S4：准备牵引系统：通过第一钢绳17将所述第一挂钩11与所述位移监测装置18进行连接，通过所述第二钢绳35将所述第二挂钩12、所述第一测力计19、所述第一伺服电机20进行连接，通过所述第三钢绳36将所述第三挂钩34、所述第二测力计21、所述第二伺服电机22进行连接；
步骤S5：准备气囊：将所述气囊26卸压，使所述气囊26保持其初始形态，并将所述气囊26置于所述待测模型桩31内；将所述气囊26的所述进气管13通过所述导管27与所述气压表28、所述压力控制装置29及所述高压气瓶30分别连接，对所述气囊26进行加压，使所述待测土样23与所述待测模型桩内壁32紧密接触，记录此时所述气压表28读数；
步骤S6：进行试验：开启所述第一伺服电机20和/或所述第二伺服机22，牵引所述气囊26匀速移动，记录所述气囊26的移动速度，使所述待测土样23与所述待测模型桩内壁32进行剪切，通过所述位移监测装置18记录剪切位移，记录剪切结束后的所述第一测力计19和/或所述第二测力计21的读数；对所述气囊26卸压，将其移动到初始位置，进行第二次剪切，记录剪切结束后的所述第一测力计19和/或所述第二测力计21的读数；重复步骤S6，记录对应不同剪切次数时的所述第一测力计19和/或所述第二测力计21的读数；并通过改变剪切位移、剪切速度、围压等，可分别进行单向剪切试验、双向剪切试验、变速度剪切试验、变位移剪切试验、变围压剪切试验；
步骤S7：分析结果：针对步骤S6中记录的试验数据进行分析，得到循环次数与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪应力衰减系数、不同循环次数对应的围压与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切速度与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切位移与剪应力的关系。
在步骤S2中，通过调节所述第一钢棍3和所述第二钢棍33在所述凹槽10中的位置，对所述待测模型桩31的轴向位移进行控制；调节所述下盒4中的所述下轴承6，使所述上盒5中心与所述待测模型桩31的轴线位于同一水平，进一步调节所述上轴承8，使所述橡皮垫9与所述待测模型桩31紧密接触，控制其径向位移。
在步骤S3中，记录所述待测土样23的展开面积，即所述尼龙袋24的有效剪切面积为As。
在步骤S6中，可以分别进行如下试验：
①单向剪切试验
a.将所述气囊26置于所述待测模型桩31内某一位置处(例如靠近桩端左侧)，此时卸下所述气囊26左侧刚绳与挂钩(图3中为所述第三挂钩34和所述第三钢绳36)的连接；
b.打开所述高压气瓶30，调节所述压力控制装置29，给所述气囊26加压，使所述待测土样23与所述模型桩内壁32紧密接触，记录所述气压计28的此时读数，为P0；
c.进行第一次(n＝1)剪切，开启右侧的所述第一伺服电机20，使所述气囊26以速度V0匀速向右移动；设定剪切位移为S0，通过所述位移监测装置18进行控制；当所述气囊26位移达到S0时，记录此时所述第一测力计19的读数，记为F0，关闭所述第一伺服电机20；
d.关闭所述高压气瓶30，打开所述出气管14，使所述气囊26卸压；移动所述气囊26到初始位置，保证所述待测土样23在移动过程中不与所述模型桩内壁32接触；
e.重复上述步骤b和c，保持气囊压力P0、剪切速度V0、剪切位移S0不变，进行第二次(n＝2)剪切；
f.重复上述步骤，记录n＝50、n＝100、n＝200、n＝500时对应的所述第一测力计19的读数F o(50)、F o(100)、F o(200)、F o(500)。
②双向剪切试验
a.双向剪切试验的初始步骤与单向剪切步骤a、b、c一致，且参数设置保持一致；
b.卸下所述气囊26右侧的所述第二挂钩12与所述第一伺服电机20的连接，将所述气囊26与左侧的所述第二伺服电机22连接；开启所述第二伺服电机22，保持所述气囊26以速度V0匀速移动到初始位置；
c.上述步骤为一个双向循环剪切(N0＝1)，重复上述步骤，记录n＝50、n＝100、n＝200、n＝500时对应的测力计(21)读数F t(50)、F t(100)、F t(200)、F t(500)。
③变速度剪切试验
变速度剪切试验的试验步骤与试验①(或②)的步骤基本一致，只是改变其中剪切速度V，并保持气囊压力P和剪切位移S不变，记录对应不同剪切速度V下，不同循环次数对应的测力计读数F。
④变位移剪切试验
变位移剪切试验试验步骤与试验①(或②)的步骤基本一致，只是改变其中剪切位移S，并保持气囊压力P和剪切速度V不变，记录对应不同剪切位移S下，不同循环次数对应的测力计读数F。
⑤变围压剪切试验
变位移剪切试验试验步骤与试验①(或②)的步骤基本一致，只是改变其中气囊压力P，并保持剪切位移S和剪切速度V不变，记录对应不同气囊压力P下，不同循环次数对应的测力计读数F。
在步骤S7中，以试验①单向剪切试验为例，对试验数据进行分析。
τ＝F/As (1)
式(1)中，τ为所述待测土样23与所述模型桩内壁32间的剪应力，F为对应某一循环次数时的牵引力，As为有效剪切面积。
D＝τ0/τn (2)
式(2)中，D为剪应力衰减系数，τ0为第一次剪切过程对应的剪应力，τn为第n次循环时对应的剪应力；
由上述公式(1)和(2)，可得到如下参数及关系：
a.循环次数n与剪应力的关系；
b.不同循环次数对应的剪应力衰减系数；
c.不同循环次数对应的围压与剪应力的关系；
d.不同循环次数对应的剪切速度与剪应力的关系；
e.不同循环次数对应的剪切位移与剪应力的关系。
对于其他试验，分析方法与上述类似；需要强调的是，本发明的内容及使用方法不限于上述分析。
步骤S3、S4和S5并不一定严格按照该顺序执行，这三个步骤可同时进行或任意交换顺序进行，只要不影响所述待测土样23、所述牵引系统44和所述气囊26的准备工作。
为更好的理解本发明，举例说明本发明各主要装置参数如下，但需要注意的是，以下尺寸为本发明给出的建议尺寸，具体尺寸可根据实际要求进行更改，均应包含在本发明的保护范围之内。
所述底座1尺寸为100cm*45cm*5cm；
所述导轨2尺寸为100cm*5cm*3cm，间距为15cm，所述凹槽10尺寸为2cm*2cm；
所述钢棍3尺寸为20cm*2cm*3cm；
所述尼龙袋24尺寸为80cm*40cm，有效剪切面积As为2560cm2；
所述气囊26长40cm，直径25cm，所能产生最大径向变形为10cm，所能产生最大围压为1.5Mpa；
所述待测模型桩31可为钢管桩，也可为混凝土管桩，内径为30±5cm。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明提供了一种能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性的简易试验装置及其操作方法；(2)本发明的试验方法中，待测模型桩不发生位移，而由待测土样发生位移，从另一个角度模拟了管桩与土塞的剪切过程；(3)围压系统置于待测模型桩内，极大地节省了试验空间，使试验方法操作性更强。
值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；
所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；
所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；
所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；
所述牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对所述气囊施加牵引力；所述位移监测装置与所述气囊连接，用于记录并控制所述气囊的移动距离；所述第一测力计分别与所述第一伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力；所述第二测力计分别与所述第二伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力。
2.根据权利要求1所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述轴向加固装置可根据所述待测模型桩长度安放于所述导轨上的不同凹槽处；所述径向加固装置可根据所述待测模型桩的直径改变其高度，使其加固中心的高度与所述待测模型桩的轴线处于同一水平，从而保证所述待测模型桩在试验过程中不会发生移动。
3.根据权利要求2所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述轴向加固装置包括第一钢棍和第二钢棍，所述径向加固装置包括上盒和下盒，调节所述下盒中的下轴承，使所述上盒的中心与所述待测模型桩的轴线位于同一水平，进一步调节所述上盒中的上轴承，使所述上轴承前的橡皮垫与所述待测模型桩紧密结合。
4.根据权利要求1所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述气囊为橡胶气囊，其外径略小于待测模型桩的内径，加压后可实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的紧密接触，所述气囊可提供不同围压。
5.根据权利要求4所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述气囊的两端分别安装有第一金属头和第二金属头，保证所述气囊具有一定骨架；所述第一金属头和所述第二金属头上分别安装有进气管和出气管，所述进气管通过所述导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接。
6.根据权利要求5所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述第一金属头上还安装有第一挂钩和第二挂钩，所述第二金属头上还安装有第三挂钩，所述第一挂钩、所述第二挂钩和所述第三挂钩分别通过第一钢绳、第二钢绳和第三钢绳与所述牵引系统连接，所述牵引系统施加的牵引力方向与所述气囊的轴线方向共线，保证牵引力不在其他方向产生分力。
7.根据权利要求6所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述第一挂钩通过第一钢绳与所述位移监测装置连接，所述第二挂钩通过所述第二钢绳与所述第一测力计连接，所述第一测力计通过所述第二钢绳与所述第一伺服电机连接，所述第三挂钩通过所述第三钢绳与所述第二测力计连接，所述第二测力计通过所述第三钢绳与所述第二伺服电机连接。
8.根据权利要求1所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述待测土样由待测土层中取得，经过浸泡、风干、涂胶处理后与粘附于所述尼龙袋上，所述待测土样具有一定厚度。
9.一种管桩与土塞接触面循环剪切试验方法，采用权利要求1-8任一项所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：试验前准备：进行试验前各个测量元件及仪表的检查与校正，例如对所述气囊的气密性进行检查，对所述第一测力计、所述第二测力计、所述气压计、所述位移监测装置等进行校正；
步骤S2：固定模型桩：将所述待测模型桩置于两个所述导轨之间，根据所述待测模型桩的尺寸，通过所述加固装置对所述待测模型桩的径向和轴向位移进行控制，保证所述待测模型桩在试验过程中不发生移动；
步骤S3：准备土样：对所述待测土层进行取样，将所述待测土样进行浸泡、烘干、涂胶处理后与所述尼龙袋的外侧粘连在一起，并将所述尼龙袋的内侧捆绑于所述气囊的外侧；
步骤S4：准备牵引系统：通过第一钢绳将所述第一挂钩与所述位移监测装置进行连接，通过所述第二钢绳将所述第二挂钩、所述第一测力计、所述第一伺服电机进行连接，通过所述第三钢绳将所述第三挂钩、所述第二测力计、所述第二伺服电机进行连接；
步骤S5：准备气囊：将所述气囊卸压，使所述气囊保持其初始形态，并将所述气囊置于所述待测模型桩内；将所述气囊的所述进气管通过所述导管与所述气压表、所述压力控制装置及所述高压气瓶分别连接，对所述气囊进行加压，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁紧密接触，记录此时所述气压表读数；
步骤S6：进行试验：开启所述第一伺服电机和/或所述第二伺服机，牵引所述气囊匀速移动，记录所述气囊的移动速度，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁进行剪切，通过所述位移监测装置记录剪切位移，记录剪切结束后的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；对所述气囊卸压，将其移动到初始位置，进行第二次剪切，记录剪切结束后的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；重复步骤S6，记录对应不同剪切次数时的所述第一测力计和/或所述第二测力计的读数；并通过改变改变剪切位移、剪切速度、围压，分别进行单向剪切试验、双向剪切试验、变速度剪切试验、变位移剪切试验、变围压剪切试验；
步骤S7：分析结果：针对步骤S6中记录的试验数据进行分析，得到循环次数与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪应力衰减系数、不同循环次数对应的围压与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切速度与剪应力的关系、不同循环次数对应的剪切位移与剪应力的关系。
10.根据权利要求9所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验方法，其特征在于：所述围压系统可以对所述待测土样所受围压进行控制，所述牵引系统可对剪切位移、剪切速度、剪切方向进行控制，进而实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的单向循环剪切、双向循环剪切、变速度剪切、变位移剪切、变围压剪切的不同剪切模式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810073691.6A CN108487333B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810073691.6A CN108487333B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108487333A true CN108487333A (zh) | 2018-09-04 |
| CN108487333B CN108487333B (zh) | 2019-08-30 |
Family
ID=63343711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810073691.6A Expired - Fee Related CN108487333B (zh) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | 一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108487333B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109459319A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-12 | 北京科技大学 | 用于高清图像重构与工业ct机配套的气囊式围压加载系统 |
| CN114136811A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-04 | 河南省建科基础工程有限公司 | 一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201671118U (zh) * | 2010-05-26 | 2010-12-15 | 山西潞安矿业(集团)有限责任公司 | 预应力混凝土管桩应变测定装置 |
| CN102587423A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-07-18 | 中国石油大学(华东) | 海洋平台打入式钢管桩土塞深度测试装置及其测试方法 |
| CN106013269A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-10-12 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 管桩内外侧壁摩阻力测试方法 |
| CN205712210U (zh) * | 2016-04-01 | 2016-11-23 | 青岛理工大学 | 一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置 |
| CN106383057A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-02-08 | 浙江大学 | 一种土样扭转直剪试验装置及试验方法 |
| CN106638725A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-05-10 | 太原理工大学 | 一种管桩挤土效应测试装置及方法 |
-
2018
- 2018-01-25 CN CN201810073691.6A patent/CN108487333B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201671118U (zh) * | 2010-05-26 | 2010-12-15 | 山西潞安矿业(集团)有限责任公司 | 预应力混凝土管桩应变测定装置 |
| CN102587423A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-07-18 | 中国石油大学(华东) | 海洋平台打入式钢管桩土塞深度测试装置及其测试方法 |
| CN205712210U (zh) * | 2016-04-01 | 2016-11-23 | 青岛理工大学 | 一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置 |
| CN106013269A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-10-12 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 管桩内外侧壁摩阻力测试方法 |
| CN106383057A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-02-08 | 浙江大学 | 一种土样扭转直剪试验装置及试验方法 |
| CN106638725A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-05-10 | 太原理工大学 | 一种管桩挤土效应测试装置及方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109459319A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-03-12 | 北京科技大学 | 用于高清图像重构与工业ct机配套的气囊式围压加载系统 |
| CN114136811A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-04 | 河南省建科基础工程有限公司 | 一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法 |
| CN114136811B (zh) * | 2021-12-07 | 2024-03-19 | 河南省建科基础工程有限公司 | 一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108487333B (zh) | 2019-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108872530B (zh) | 一种模拟非对称小净距隧道开挖过程的大型模型试验装置 | |
| CN106592655B (zh) | 一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法 | |
| Turan et al. | Design and commissioning of a laminar soil container for use on small shaking tables | |
| CN106644750A (zh) | 开放系统冻融土动静三轴测试仪 | |
| CN102914475B (zh) | 一种观测水下土与结构界面力学特性的剪切试验装置 | |
| CN104727354B (zh) | 模拟循环载荷下板锚极限动承载力的测试系统 | |
| CN111879536A (zh) | 一种模拟地铁隧道列车运营振动的试验装置及方法 | |
| Lee et al. | Experimental investigation of the vertical pullout cyclic response of bucket foundations in sand | |
| CN102478472B (zh) | 用于模拟土体三轴加卸荷对工程桩影响的试验装置 | |
| CN109738609A (zh) | 动力扰动作用下的滑移型岩爆剪切试验系统 | |
| CN108487333B (zh) | 一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法 | |
| CN203705253U (zh) | 一种岩土体土工格栅抗拉直剪测试仪器 | |
| CN112964563A (zh) | 模拟地铁运营荷载下隧道长期沉降的模拟箱及试验方法 | |
| CN105155593A (zh) | 变形可视的桩基模型试验加载箱 | |
| CN106290006A (zh) | 一种测量软黏土固结过程中抗剪强度参数变化的试验装置 | |
| CN111595682A (zh) | 大尺度复杂围岩条件锚注一体耦合作用试验系统及方法 | |
| CN205242461U (zh) | 变形可视的桩基模型试验加载箱 | |
| CN104155176A (zh) | 一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置及方法 | |
| CN103711152B (zh) | X型模型桩加载监测装置及监测方法 | |
| CN109141518A (zh) | 一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法 | |
| Rupar et al. | Loader crane inertial forces | |
| Fattah et al. | Vertical and horizontal displacement of model piles in dry soil with horizontal excitation | |
| CN207472306U (zh) | 一种带有液压吸力筒基础的原位管土作用测试系统 | |
| CN103808570B (zh) | 一种用于岩土体的土工织物抗拉拔摩擦测试方法 | |
| Dyvik et al. | Model tests of gravity platforms. I: Description |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190830 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |