CN108489828A - 一种混凝土与土体界面剪切试验装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土与土体界面剪切试验装置及其测试方法，属于岩土工程测试技术领域。本发明界面剪切装置由支架单元、剪切单元、加载单元及测量单元四部分组成。支架单元由方形底板、圆形支柱和带圆形凹槽顶板构成；剪切单元由带孔土样桶、混凝土圆柱形试件构成；加载单元由加载支架、加载传力支座、传力钢珠和加载盘构成；测量单元由升降装器、量力钢环、百分表和钢环定位支架组成。该界面剪切装置通过加载单元给土样桶中土体施加竖向压力，并通过土体对混凝土试件施加径向压力，然后通过测量单元中的升降器和量力钢环，对混凝土试件施加竖向推力，并同步测量量力钢环的变形量，从而对混凝土与土体界面的剪切特性进行试验。

Description

一种混凝土与土体界面剪切试验装置及其测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，更具体的，涉及一种混凝土与土体界面剪切试验装置及其测试方法。

背景技术

混凝土与土体界面剪切试验是岩土工程中十分重要的力学试验之一，是获取不同材料界面之间力学参数的重要手段，其试验装置轻便性，试验操作步骤的简便程度，以及试验结果的精度等对岩土工程相关设计和施工都具有重要的指导意义。

岩土工程中确定土层锚杆抗拔力，桩身侧摩阻力等很多领域都涉及到混凝土与土体界面相互作用关系。现有的混凝土与土体界面相互作用主要通过现场试验或室内直剪试验进行确定，但是受到现场试验条件的影响，很多情况下现场试验效果并不理想。室内直剪试验简便，但是传统的直剪试验由于试样尺寸较小，不能考虑试件的形状特征以及试验过程中剪切面积在发生改变等，试验结果误差也较大。

发明内容

针对现有室内直剪试验无法考虑试样尺寸及试件形状的问题，本发明的目的是提供一种试验成本低、能同时考虑试验尺度及形状对界面特性影响的混凝土与土体界面剪切试验装置。

本发明另一目的在于提供一种混凝土与土体界面剪切试验装置的测试方法。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现：

一种混凝土与土体界面剪切试验装置，该装置包括：

剪切单元，包括带孔土样桶、桶内的击实土体和混凝土圆柱形试件，所述带孔土样桶的孔为设置在桶底中心的通孔，所述通孔的直径与混凝土圆柱形试件相适配，所述混凝土圆柱形试件插入击实土体并穿过所述通孔；

测量单元，包括对混凝土圆柱形试件施加竖向推力的升降器、设置在混凝土圆柱形试件下方的量力钢环和测量量力钢环的变形量的百分表。

支架单元，其被设置为支撑所述剪切单元；

加载单元，其被设置为对所述土样桶中装有的土样顶部施加竖向压力。

本发明界面剪切装置通过加载单元给土样桶中土体施加竖向压力，并通过土体对混凝土试件施加径向压力，然后通过测量单元中的升降器和量力钢环，对混凝土试件施加竖向推力，并同步测量量力钢环的变形量，从而对混凝土与土体界面的剪切特性进行试验，试验成本低，能同时考虑试验尺度及形状对界面特性的影响。

进一步地，所述量力钢环、升降器、混凝土圆柱形试件、百分表表轴在同一条竖直线上。

进一步地，所述测量单元还包括钢环定位支架，其被设置为竖直定位所述量力钢环。

进一步地，所述支架单元由底板、顶板及设置在底板与顶板之间的支柱构成，所述土样桶置于顶板上部，顶板上部对应通孔位置开有圆形孔一，圆形孔直径与通孔直径以及混凝土圆柱形试件外径相匹配。

进一步优选地，所述顶板上设有凹槽，所述凹槽内径与土样桶外径相匹配，所述土样桶置于凹槽内固定。

进一步地，所述加载单元包括加载支架、传力钢珠、加载传力支座和加载桶，加载支架一端固连在试验平台上，所述加载桶设置在加载支架另一端，通过设置在加载支架中间的传力钢珠将竖向荷载施加于加载传力支座上，通过所述加载传力支座实现对土样桶中土体表面施加竖向压力。

进一步优选地，所述加载传力支座包括上顶板和下底板，所述上顶板设有用于放置传力钢珠的圆形凹槽，所述下底板为与土样桶内径相适配的圆形钢板，所述圆形钢板上设有圆形孔二，圆孔直径与土样桶桶底通孔直径以及混凝土圆柱形试件外径相匹配。

本发明还公开了上述混凝土与土体界面剪切试验装置的测试方法，具体包括以下步骤：

包括以下步骤：

S1.制作试件：通过模具，制作混凝土圆柱形试件，浇筑混凝土前在模具中心位置插入一根钢筋，具体尺寸和强度根据估计极限下拉力大小选用，待拆模后将钢筋两端采用打磨工具打磨光滑平整；

S2.试验装置的安装：

(1)剪切单元的安装：将混凝土圆柱形试件插入土样桶中心位置，并将试验用土分层填入土样桶中，击实备用；

(2)支架单元的安装：将支架单元固定于试验平台上，并将带孔土样桶固定在支架单元顶部，土样桶底部孔和支架单元顶部孔相对应，混凝土圆柱形试件底部穿过支架单元顶部孔；

(3)加载单元的安装：将加载支架固定于试验平台上，加载传力支座放入土样桶中土体顶面，通过加载盘进行加载，利用加载支架、加载钢珠和加载传力支座，对土样桶中土体施加竖向压力，加载传力支座底板孔、土样桶底部孔和支架单元顶板孔的中心点在同一个竖直线上；

(4)测量单元的安装：将升降器固定在支架单元底部，所述升降器的升降头与量力钢环相对应，用钢环定位支架将量力钢环竖直定位，确保量力钢环、升降器、混凝土试件、百分表表轴在同一条竖直线上；

S3.剪切试验：通过测量单元中的升降器的伸长，使量力钢环产生变形，并使混凝土试件出现向上的位移，记录不同时刻百分表读数，并根据量力环的应力系数，确定界面剪应力大小，同步绘制剪应力-位移曲线。

本发明最后的试验结果分析为：通过绘制20kPa、50kPa、100kPa、200kPa竖向压力情况下的剪应力-位移曲线，确定不同竖向压力下的混凝土与土体界面极限剪应力值。以竖向压力为横坐标，以极限剪应力值为纵坐标，绘制散点图，并采用线性拟合法进行拟合，得到混凝土与土体界面抗剪强度线。该直线斜率为界面内摩擦角，直线在纵坐标轴上的截距为界面黏聚力。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明混凝土与土体界面剪切试验装置的试验成本低，能同时考虑试验尺度及形状对界面特性的影响。

(2)本发明混凝土与土体界面剪切试验装置采用普通型钢及钢板焊接而成，试件采用混凝土预制，试验设备轻便，造价低廉，试验步骤相对简单，对试验环境没有特殊的要求。

附图说明

附图1为混凝土与土体界面剪切试验装置结构示意图。

其中：1—支架单元，2—带孔土样桶，3—加载传力支座，4—混凝土圆柱试件，5—加载支架，6—传力钢珠，7—加载桶，8—土样，9—钢环定位支架，10—百分表，11—量力钢环，12—升降头，13—升降盘；14—升降器；15—螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种混凝土与土体界面剪切试验装置。

如图1所示，该界面剪切装置包括支架单元1，剪切单元，加载单元及测量单元四部分组成，具体为：

剪切单元：包括带孔土样桶2、桶内的击实土体8和混凝土圆柱形试件4，带孔土样桶2的孔为设置在桶底的通孔，该通孔的直径与混凝土圆柱形试件4相适配，混凝土圆柱形试件4插入击实土体8并穿过该通孔；

用于支撑剪切单元的支架单元1：由底板、顶板及设置在底板与顶板之间的支柱构成，本实施例中支柱为4根圆柱形支柱，带孔土样桶2置于顶板上部，顶板上部对应通孔位置开有圆形孔一，圆形孔一直径与通孔直径以及混凝土圆柱形试件4外径相匹配；顶板上设有凹槽，凹槽内径与带孔土样桶2外径相匹配，带孔土样桶2置于凹槽内固定；

对带孔土样桶2中装有的土样顶部施加竖向压力的加载单元：由加载支架5、传力钢珠6、加载传力支座3和加载桶7组成，加载支架5一端通过螺栓15固连在试验平台上，加载桶7设置在加载支架5另一端，通过设置在加载支架5中间的传力钢珠5将竖向荷载施加于加载传力支座3上，加载传力支座3包括上顶板和下底板，上顶板设有用于放置传力钢珠6的圆形凹槽，下底板为与带孔土样桶2内径相适配的圆形钢板，该圆形钢板上设有圆形孔二，圆形孔二直径与带孔土样桶2桶底通孔直径以及混凝土圆柱形试件4外径相匹配，通过加载传力支座3实现对带孔土样桶2中土体8表面施加竖向压力；

测量单元：包括对混凝土圆柱形试件4施加竖向推力的升降器14、设置在混凝土圆柱形试件4下方的量力钢环11、测量量力钢环11的变形量的百分表10和竖直定位量力钢环11的钢环定位支架9，本实施例中升降器14包括升降盘13和升降头12，升降盘13固定安装在支架单元1的下底板上，升降头12设置在量力钢环11下方。

需要说明的是，圆形孔一直径、圆形孔二直径、通孔直径比混凝土圆柱形试件4的外径稍大，在测试过程中不影响混凝土圆柱形试件4的上、下移动；

为确保本试验装置精度达到要求，安装界面剪切装置的时候，要求加载传力支座3底部圆形钢板的圆形孔二、带孔土样桶2底部小孔和支架单元1顶板圆形孔一的中心点必须在同一个竖直线上，误差不超过0.1mm，三个小孔孔径相等，误差控制在1mm。

为确保本试验装置精度达到要求，安装测量单元时，量力钢环11需要采用钢环定位支架8定位，确保量力钢环11竖直，且能够确保量力钢环11、升降器14、混凝土圆柱形试件4、百分表10表轴在同一条竖直线上。

该界面剪切装置通过加载单元给带孔土样桶2中土体8施加竖向压力，并通过土体8对混凝土圆柱形试件4施加径向压力，然后通过测量单元中的升降器14和量力钢环11，对混凝土圆柱形试件4施加竖向推力，并同步测量量力钢环11的变形量，从而对混凝土与土体界面的剪切特性进行试验。

实施例2

本实施例提供实施例1中一种混凝土与土体界面剪切试验装置的测试方法，具体步骤如下：

S1.制作试件：通过模具，制作混凝土圆柱形试件4，浇筑混凝土前在模具中心位置插入一根钢筋，具体尺寸和强度根据估计极限下拉力大小选用，待拆模后将钢筋两端采用打磨工具打磨光滑平整；

S2.实验装置的安装：

(1)剪切单元的安装：将混凝土圆柱形试件4插入带孔土样桶2中心位置，穿过通孔，并将试验用土分层填入带孔土样桶2中，击实备用；

(2)支架单元的安装：将支架单元1固定于试验平台上，并将带孔土样桶2固定在支架单元1的顶板，带孔土样桶2底部孔和支架单元1顶板的圆形孔一相对应，混凝土圆柱形试件4底部穿过支架单元1顶板圆形孔一，圆形孔一直径与通孔直径以及混凝土圆柱形试件4外径相匹配；

(3)加载单元的安装：将加载支架5固定于试验平台上，加载传力支座3放入带孔土样桶2中土体8顶面，通过加载盘7进行加载，利用加载支架5、加载钢珠6和加载传力支座3，对带孔土样桶2中土体施加竖向压力，混凝土圆柱形试件4顶端穿过圆形钢板的圆形孔二，加载传力支座3底部圆形钢板的圆形孔二、带孔土样桶2底部通孔和支架单元1顶板圆形孔一的中心点在同一个竖直线上；

(4)测量单元的安装：升降器14包括升降头12和升降盘13，将升降盘13固定在支架单元1底部，升降头12与量力钢环11相对应，用钢环定位支架9将量力钢环11竖直定位，确保量力钢环11、升降器14、混凝土圆柱形试件4、百分表10表轴在同一条竖直线上；

S3.剪切试验：通过测量单元中的升降器14的伸长，升降头12与量力钢环11接触并产生推力，使量力钢环11产生变形，并使混凝土圆柱形试件4出现向上的位移，记录不同时刻百分表8读数，并根据量力钢环11的应力系数，确定界面剪应力大小，同步绘制剪应力-位移曲线。

本实施例的试验结果分析：通过绘制20kPa、50kPa、100kPa、200kPa竖向压力情况下的剪应力-位移曲线，确定不同竖向压力下的混凝土与土体界面极限剪应力值。以竖向压力为横坐标，以极限剪应力值为纵坐标，绘制散点图，并采用线性拟合法进行拟合，得到混凝土与土体界面抗剪强度线。该直线斜率为界面内摩擦角，直线在纵坐标轴上的截距为界面黏聚力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混凝土与土体界面剪切试验装置，其特征在于，该装置包括：

剪切单元，包括带孔土样桶、桶内的击实土体和混凝土圆柱形试件，所述带孔土样桶的孔为设置在桶底中心的通孔，所述通孔的直径与混凝土圆柱形试件相适配，所述混凝土圆柱形试件插入击实土体并穿过所述通孔；

测量单元，包括对混凝土圆柱形试件施加竖向推力的升降器、设置在混凝土圆柱形试件下方的量力钢环和测量量力钢环的变形量的百分表；

支架单元，其被设置为支撑所述剪切单元；

加载单元，其被设置为对所述土样桶中装有的土样顶部施加竖向压力。

2.根据权利要求1所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述量力钢环、升降器、混凝土圆柱形试件、百分表表轴在同一条竖直线上。

3.根据权利要求1或2所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述测量单元还包括钢环定位支架，其被设置为竖直定位所述量力钢环。

4.根据权利要求1所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述支架单元由底板、顶板及设置在底板与顶板之间的支柱构成，所述土样桶置于顶板上部，顶板上部对应通孔位置开有圆形孔一，圆形孔直径与通孔直径以及混凝土圆柱形试件外径相匹配。

5.根据权利要求4所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述顶板上设有凹槽，所述凹槽内径与土样桶外径相匹配，所述土样桶置于凹槽内固定。

6.根据权利要求1所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述加载单元包括加载支架、传力钢珠、加载传力支座和加载桶，加载支架一端固连在试验平台上，所述加载桶设置在加载支架另一端，通过设置在加载支架中间的传力钢珠将竖向荷载施加于加载传力支座上，通过所述加载传力支座实现对土样桶中土体表面施加竖向压力。

7.根据权利要求6所述的界面剪切试验装置，其特征在于，所述加载传力支座包括上顶板和下底板，所述上顶板设有用于放置传力钢珠的圆形凹槽，所述下底板为与土样桶内径相适配的圆形钢板，所述圆形钢板上设有圆形孔二，圆孔直径与土样桶桶底通孔直径以及混凝土圆柱形试件外径相匹配。

8.一种权利要求1～7任一项混凝土与土体界面剪切试验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制作试件：通过模具，制作混凝土圆柱形试件，浇筑混凝土前在模具中心位置插入一根钢筋，待拆模后将试件两端采用打磨工具打磨光滑平整；

S2.试验装置的安装：

(1)剪切单元的安装：将混凝土圆柱形试件插入土样桶中心位置，并将试验用土分层填入土样桶中，击实备用；

(2)支架单元的安装：将支架单元固定于试验平台上，并将带孔土样桶固定在支架单元顶部，土样桶底部孔和支架单元顶部孔相对应，混凝土圆柱形试件底部穿过支架单元顶部孔；

(3)加载单元的安装：将加载支架固定于试验平台上，加载传力支座放入土样桶中土体顶面，通过加载盘进行加载，利用加载支架、加载钢珠和加载传力支座，对土样桶中土体施加竖向压力，加载传力支座底板孔、土样桶底部孔和支架单元顶板孔的中心点在同一个竖直线上；

(4)测量单元的安装：将升降器固定在支架单元底部，所述升降器的升降头与量力钢环相对应，用钢环定位支架将量力钢环竖直定位，确保量力钢环、升降器、混凝土试件、百分表表轴在同一条竖直线上；

S3.剪切试验：通过测量单元中的升降器的伸长，使量力钢环产生变形，并使混凝土试件出现向上的位移，记录不同时刻百分表读数，并根据量力环的应力系数，确定界面剪应力大小，同步绘制剪应力-位移曲线。