CN108871935B - 一种用于桩土接触面剪切特性测试装置的压力室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桩土接触面剪切力学特性测试装置的压力室，包括顶板、底板和滑动设置在顶板和底板之间的多块外侧立板，底板、顶板和多块外侧立板共同围合成用于装置桩试样和土试样的型腔，压力室的型腔内设有伸缩室，伸缩室由顶板、底板、所有外侧立板和多块伸缩板围成，每块外侧立板的内侧竖向设有与其垂直的两块伸缩板，伸缩板的上下两端分别与顶板和底板滑动连接；测试时，通过测试装置的多个推力装置对压力室的不同侧施加水平推力，以通过对土试样进行挤压而对桩试样的各侧施加水平力，对桩周不同方向上施加相同或不同大小的水平压力，有效模拟实际工况。该压力室可对圆桩、方桩等截面形状规则的桩基础进行测试。

Description

一种用于桩土接触面剪切特性测试装置的压力室

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别地，涉及一种用于桩土接触面剪切特性测试装置的压力室。

背景技术

随着我国城建设的快速发展，为了在较小的土地范围内建造更多的建筑面积，建筑物不得不向高层发展，因此近年来高层和超高层建筑建设的越来越多，这些建筑对地基基础的承载力要求较高，桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，随着桩基础工程实际经验的累积和理论研究的深入，桩基础的利用方式和使用环境均趋于多样化，如挡土桩多用于工程初期建设支护挡土，然而为了充分发挥挡土桩的作用，减少工程造价，会将挡土桩用于竖向承载，因此研究挡土桩的承载力具有实际工程意义。

中国专利申请CN201710050592.1公开了一种可模拟上覆压力变化的桩土接触面剪切测试装置，该装置包括圆形模型箱、加载板、反力梁和伺服加载电机，圆形模型箱由圆形框架和底座组成，模型箱内部需填筑一定密实度的砂土，砂土内部放置土压力传感器测试竖向及水平土压力；但该装置的圆形模型箱的结构固定，用于模拟实际工程中桩周侧所受水平地压不同情况下桩基的受力工况。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种用于桩土接触面剪切特性测试装置的压力室，结构简单，为不同环境中桩基础的承载特性研究提供良好的基础。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于桩土接触面剪切特性测试装置的压力室，所述压力室设置在测试装置的支撑板上，其包括顶板、底板和滑动设置在所述顶板和底板之间的多块外侧立板，所述底板、顶板和多块外侧立板共同围合成用于装置桩试样和土试样的型腔，所述型腔的水平截面大小能够调节。

进一步的，所述压力室的型腔内设有伸缩室，所述伸缩室由顶板、底板、所有外侧立板和多块伸缩板围成，每块所述外侧立板的内侧竖向设有与其垂直的两块伸缩板，所述伸缩板的上下两端分别与所述顶板和底板滑动连接，所述伸缩板由单件伸缩板A和单件伸缩板B插接而成，所述单件伸缩板A和单件伸缩板B的插接部上分别设有插接槽和插接板，所述插接板水平滑动的安装在所述插接槽内。具体地，伸缩室用于装置桩试样和土试样；伸缩板的外端均与外侧立板相接触但不固连，相邻两块外侧立板之间相靠近的两块伸缩板的内端相交；定位前，同一块外侧立板内侧的两块伸缩板之间的距离可根据桩试样的大小进行调整；土试样填装在两平行伸缩板之间，当推力装置对外侧立板施加水平作用力时，外侧立板沿水平方向向压力室的中部移动，以通过对伸缩室内的土试样进行挤压进而对桩试样的各侧施加相同或不同的水平力。伸缩板的高度于外侧立板的高度相同；通过在压力室内进一步设置伸缩室，使该测试装置能够适用于桩周不同方向上土体所受压力互不干扰的测试，提高测试装置的模拟相似度。

进一步的，每一块所述外侧立板的内侧均设有至少两个连接组件，所述连接组件包括水平设置的锚杆和多个螺帽A，至少一根锚杆贯穿相靠近的两块单件伸缩板A，且至少一根锚杆贯穿相靠近的两块单件伸缩板B，每根锚杆上且于每块伸缩板的两侧各设有一个螺帽A，两所述伸缩板通过多个连接组成件连接形成伸缩板组；螺帽A用于约束两平行伸缩板之间的距离，螺帽B用于约束伸缩板组的位置。

进一步的，所述外侧立板的内表面在竖直方向设有多个定位组件，所述定位组件包括两个固定块、连接两个固定块的水平滑杆和多个螺帽B，水平滑杆贯穿所述伸缩板组设置，每根水平滑杆上且于伸缩板组的两侧各设有一个螺帽B；位于同一外侧立板内侧的两块伸缩板之间的距离与方形桩试样的宽度或圆形桩试样直径对应的内接多边形直径相等。

进一步的，多块所述外侧立板的结构相同，所述外侧立板的水平方向一侧设有连接部A，所述外侧立板的水平方向另一侧设有与另一块外侧立板的连接部A相适配的连接部B，所述连接部A包括从上到下依次间隔设置的多对连接块A和连接槽A，所述连接部B包括从上到下依次间隔设置的多对连接槽B和连接块B，所述连接块A和连接块B分别滑动安装在所述连接槽A和连接槽B中。

进一步的，所述压力室内且于相邻两所述外侧立板的连接处设有内拉板，所述内拉板为与两相邻所述外侧立板所形成的夹角相适配的L型板或类L型板；所述内拉板的两个壁板均设有在竖直方向上均匀布置的多个水平卡条，所述外侧立板上设有与所述水平卡条相适配的多个水平卡槽。具体地，内拉板用于相邻两外侧立板的连接，且当土试样直接填筑在压力室内时，内拉板还可以起到挡土的作用，即防止土试样从压力室内漏出。

进一步的，所述压力室内设有多根顶杆，顶杆的下端与所述底板固定连接，顶杆的上端设有用于与所述顶板相连接的连接孔A，所述顶杆通过连接孔A与所述顶板可拆式固定连接。具体地，连接孔A为螺钉孔；顶板上设有与顶杆相适配的多个连接孔B，顶板通过螺钉与顶杆相连。

进一步的，所述顶板由结构相同的多块单元顶板插装而成，所述单元顶板的一侧设有插杆，所述单元顶板的另一侧设有与另一单元顶板的插接杆相适配的插接孔，所述顶板的中心设有与所述桩试样相适配的通孔A；所述底板的中心部设有透水板，所述透水板上设有供所述桩试样贯穿设置的通孔B。具体地，每块单元顶板上设有至少一个连接孔B，使得每块单元顶板都可以与顶杆相连。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的一种用于桩土接触面剪切力学特性测试装置的压力室，压力室设置在测试装置的支撑板上，其包括顶板、底板和滑动设置在所述顶板和底板之间的多块外侧立板，所述底板、顶板和多块外侧立板共同围合成用于装置桩试样和土试样的型腔，所述型腔的水平截面大小能够调节；测试时，通过测试装置的多个推力装置对压力室的不同侧施加水平推力，以通过对土试样进行挤压而对桩试样的各侧施加水平力，对桩周不同方向上施加相同或不同大小的水平压力，有效模拟实际工况。该压力室可对圆桩、方桩等截面形状规则的桩基础进行测试。

(2)、本发明的压力室的型腔内设置有伸缩室，使使该测试装置能够适用于桩周不同方向上土体所受压力互不干扰的测试，提高测试装置的模拟相似度；伸缩板为刚性件，其由单件伸缩板A和单件伸缩板B插接而成，结构简单合理，能在伸缩的实现伸缩的同时保证土试样不会从伸缩室内漏出；该结构的测试装置能够适用于桩周不同方向上土体所受压力互不干扰的测试，提高测试模拟相似度。

(3)、本发明的压力室中，每一块外侧立板的内侧均设有至少两个连接组件，连接组件用于调整并定位两伸缩板之间的距离，位于同一外侧立板内侧的两块伸缩板之间的距离与方形桩试样的宽度或圆形桩试样直径对应的内接多边形直径相等；外侧立板的内表面在竖直方向设有多个定位组件，在确定两伸缩板之间距离前两个伸缩板可沿水平滑杆轴向滑动，在采用连接组件确定两伸缩板之间距离后能对伸缩板组进行定位，该结构方便对压缩室的大小进行调节以不同尺寸的桩试样，有效节约测试成本，提高测试效率。

(4)、本发明中，压力室的多块外侧立板的结构相同，外侧立板的水平方向一侧设有连接部A，外侧立板的水平方向另一侧设有与另一块外侧立板的连接部A相适配的连接部B，连接部A包括从上到下依次间隔设置的多对连接块A和连接槽A，连接部B包括从上到下依次间隔设置的多对连接槽B和连接块B，连接块A和连接块B分别滑动安装在连接槽A和连接槽B中；该结构设置中外侧立板为刚性件，连接槽A和连接槽B的深度分别大于连接块A和连接块B的厚度，能方便实现压力室的各外侧立板之间的滑动连接，施加在外侧立板上的水平推力由土试样准确传递至桩试样，提高测试准确度。

(5)、本发明中压力室内且于相邻两外侧立板的连接处设有内拉板，内拉板为与两相邻外侧立板所形成的夹角相适配的L型板或类L型板；内拉板用于相邻两外侧立板的连接，且当土试样直接填筑在压力室内时，内拉板还可以起到挡土的作用，即防止土试样从压力室内漏出。

(6)、本发明中压力室内设有多根顶杆，顶杆的下端与底板固定连接，顶杆的上端设有用于与顶板相连接的连接孔A，顶杆通过连接孔A与顶板可拆式固定连接。该结构采用顶杆对顶板进行固定，实现外侧立板和伸缩板受推力作用而滑动时顶板不发生移位，方便操作。

(7)、本发明中顶板由多块单元顶板插装而成，每块单元顶板上设有至少一个连接孔B，使得每块单元顶板都可以与顶杆相连，该结构通过插接形成压力室顶板，便于顶板的安装；顶板的中心设有与桩试样相适配的通孔A，底板的中心部设有透水板，透水板上设有供桩试样贯穿设置的通孔B，该压力室可通过更换透水板和顶板，适应不同桩径和不同截面形状桩基的剪切力学特性测试，适用范围广。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中压力室的立体结构示意图；

图2是本发明中压力室的内部的结构示意图；

图3是本发明中压力室的分解结构示意图；

图4是发明中压力室的顶板单件的结构示意图；

图5是本发明中压力室的底板与顶杆配合的结构示意图；

图6是本发明中伸缩室的伸缩板的结构示意图；

图7是采用本发明的压力室的桩土接触面剪切力学特性测试装置的结构示意图；

图8是图7中桩土接触面剪切力学特性测试装置的纵向剖面结构示意图；

图9是图7中桩土接触面剪切力学特性测试装置的水平固定装置的结构示意图；

图10是本发明中推力装置的结构示意图；

图11是本发明中水平固定装置的结构示意图；

其中，1、支撑装置，1.1、框架，1.1a、支撑柱，1.1b、第一横撑，1.1c、第二横撑，1.1d、第三横撑，1.2、支撑板，1.3、反力架，2、压力室，2a、伸缩室，2.1、顶板，2.11、单元顶板，2.12、插杆，2.13、插接孔，2.2、底板，2.21、透水板，2.3、外侧立板，2.31、连接部A，2.32、连接部B，2.33、水平卡槽，2.34、固定块，2.35、水平滑杆，2.36、螺帽B，2.4、伸缩板，2.41、单件伸缩板A，2.42、单件伸缩板B，2.43、插接槽，2.44、插接板，2.45、锚杆孔，2.5、连接组件，2.51、锚杆，2.52、螺帽A，2.6、内拉板，2.61、水平卡条，2.7、顶杆，2.71、连接孔A，3、推力装置，3.1、水平加载装置，3.2、水平传力杆，3.3、压力传感器B，3.4、位移传感器B，4、压力装置，4.1、竖向加载装置，4.2、竖向传力杆，4.3、压力传感器A，4.4、位移传感器A，5、水平固定装置，5.1、滚轮，5.2、滚轮槽，5.3、伸缩杆，5.4、伸缩套筒，5.5、螺栓，6、桩试样。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图6所示，本发明的一种用于桩土接触面剪切力学特性测试装置的压力室，该压力室设置在支撑板上，其包括顶板2.1、底板2.2和滑动设置在顶板和底板之间的4块外侧立板2.3，底板、顶板和4块外侧立板共同围合成用于安装桩试样6和土试样的型腔，型腔的水平截面大小可调节。4块外侧立板的结构相同，外侧立板的水平方向一侧设有连接部A2.31，外侧立板的水平方向另一侧设有与另一块外侧立板的连接部A相适配的连接部B2.32，连接部A包括从上到下依次间隔设置的多对连接块A和连接槽A，连接部B包括从上到下依次间隔设置的多对连接槽B和连接块B，连接块A和连接块B分别滑动安装在连接槽A和连接槽B中；该结构设置中的4块外侧立板依次滑动连接，结构设置简单合理，易于组装；当推力装置施加水平推力于相应外侧立板上时，外侧立板会对压力室内的土试样进行挤压，使得水平推力通过土试样准确传递至桩试样，提高测试准确度。

在本实施例中，压力室内且于相邻两外侧立板的连接处内侧设有内拉板2.6，内拉板为与两相邻外侧立板所形成的夹角相适配的L型板或类L型板；外侧立板的水平方向两侧均设有在竖直方向上均匀布置的多个水平卡槽2.33，内拉板的两个壁板上均设有在竖直方向上均匀布置的多个卡条2.61，外侧立板上设有与水平卡条相适配的多个水平卡槽2.33；该结构通过设置内拉板与外侧立板的配合，可有效防止压力室内的土试样外泄，提高模拟准确度。

结合图5所示，压力室内设有多根顶杆2.7，顶杆的下端与底板固定连接，顶杆的上端设有连接孔A2.71；该连接孔A为螺纹孔，顶板通过螺钉与顶杆固定连接，最终实现顶杆与底板的可拆式固定连接。顶板由结构相同的多块单元顶板2.11插装而成，单元顶板的一侧设有插杆2.12，单元顶板的另一侧设有与另一单元顶板的插接杆相适配的插接孔2.13，顶板的中心设有与桩试样相适配的通孔A；底板的中心部设有透水板2.21，透水板上设有供桩试样贯穿设置的通孔B。本实施例的测试装置，可通过更换压力室的透水板和顶板实现适应圆桩、方桩等截面形状规则的桩基的剪切力学特性测试，适用范围广、节约成本。

结合图7至图9所示，为应用本发明压力室的一种桩土接触面剪切力学特性测试装置，包括支撑装置1、压力室2、压力装置3、多个推力装置4和多个水平固定装置5，支撑装置包框架1.1、支撑板1.2和设置在支撑板上方的反力架1.3；具体地，框架包括4根支撑柱1.1a，4根支撑柱中每相邻两根支承柱之间从下到上依次设有第一横撑1.1b、第二横撑1.1c和第二横撑1.1d，支撑板1.2水平设置在框架内且位于第一横撑1.1b和第二横撑1.1c之间，反力架1.3设置在框架的顶部，反力架上设有供竖向加载装置贯穿的通孔C。

如图10所示，本实施例中的多个推力装置与多个外侧立板一一对应设置，推力装置包括水平加载装置3.1、水平传力杆3.2、压力传感器B3.3和位移传感器B3.4，水平加载装置与框架固定连接，水平传力杆的一端与水平加载装置相连，水平传力杆的另一端依次与压力传感器B和位移传感器B相连；具体地，每个推力装置与一个第二横梁固定连接，且所有推力装置的施力方向均指向桩试样的轴向中心(推力装置的施力方向与桩试样的轴向中心垂直)。该结构中每个推力装置均可用于单独对相应的外侧立板施加水平推力，所有外侧立板均可在推力装置的作用下沿水平方向向压力室的中部移动，以通过对土试样进行挤压而对桩试样的各侧施加相同或不同的水平力。

本实施例中，压力装置设置在反力架上，用于对桩试样施加竖向荷载；压力装置包括竖向加载装置4.1、竖向传力杆4.2、压力传感器A4.3和位移传感器A4.4；竖向加载装置设置在反力架上，竖向传力杆贯穿反力架设置，竖向传力杆的上端与竖向加载装置相连，竖向传力杆的下端从上至下依次设置有压力传感器A和位移传感器A。该结构的压力室适用于不同方向上土体所受压力互不干扰的测试，可模拟实际工程中桩基上部所能承受载荷的具体情况。

如图11所示，本实施例中的多个水平固定装置5用于约束桩试样的水平位移，多个水平固定装置分为两组分别设置在底板的下方和压力室的上方，每组水平固定装置的数量与推力装置的数量相等；水平固定装置均包括滚轮5.1、滚轮槽5.2、伸缩杆5.3和伸缩套筒5.4，滚轮活动设置在滚轮槽的内部，滚轮槽设置在伸缩杆的前端，伸缩杆的后端活动插设在伸缩套筒内，伸缩套筒上设有用于固定伸缩杆的螺栓5.5，伸缩套筒与框架固定连接。具体地，一组水平固定装置与第一横撑相连接，另一组水平固定装置与第三横撑相连接，定位时使滚轮表面贴近桩试样的外侧面，以限定桩试样在水平推力的作用下不会产生水平位移。该结构中设置多个水平固定装置，能有效避免因桩试样不同侧受力大小不同而发生位移、倾斜等，提高测试精度。

采用应用本发明压力室的桩土接触面剪切特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1、安装桩试样：先将预制好的桩试样6放置于测试装置的压缩室内2，并调整水平固定装置5，使水平固定装置的滚轮5.1表面贴近桩试样的外侧面，以控制桩试样不发生水平位移；该步骤中需在试样桩的底部设置垫块，以防止安装过程中桩下滑；

2、安装压力装置：将压力装置4安装在反力架1.3上，使桩试样的顶端通过竖向传力杆4.2与竖向加载装置4.1相连，且桩试样与竖向传力杆之间夹设有位移传感器A4.3和压力传感器A4.4；

3、压力室调整：将伸缩板2.4的内端与桩试样相接触，并控制同一外侧立板2.3内侧的两块伸缩板2.4的距离与桩试样相适配，先拧紧锚杆2.51上的螺帽A2.52，螺帽A用于约束两伸缩板之间的距离，再拧紧水平滑杆2.35上的螺帽B2.36，螺帽B用于约束伸缩板组不发生水平位移；

4、水平推力装置调试：启动水平加载装置3.1，使水平加载装置通过水平传力杆3.2与外侧立板的外表面相接触，并保持各个水平加载装置到桩试样的距离相等，外侧立板与水平传力杆之间设有位移传感器B3.3和压力传感器B3.4；

5、装置土试样：将备好的土试样填入压力室内，并根据实际工程需求对试样土均匀捣实，最终土试样与压力室的上边缘平齐；优选的，该步骤所取的土试样来源于所要模拟的实际工程中的土试样；

6、安装顶板：将多块单元顶板2.11通过插杆2.12与插接孔2.13插接，围绕桩试样拼合成顶板2.1，顶板与顶杆2.7通过螺钉连接；其中，顶板安装之前，需在顶板的下表面上涂润滑油处理，以减少外侧立板和顶板之间以及伸缩板与顶板之间相对滑动时所产生的摩擦力；

7、对土试样施加水平压力：根据实验要求控制所有水平加载装置对土试样的各侧施加大小相同或不同压力，并记录所有水平加载装置的压力传感器B3.3和位移传感器B3.4的读数；

8、桩土接触面剪切测试：启动竖向加载装置对桩试样施加竖向压力，同时记录应力传感器A4.3和位移传感器A4.4读数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种用于桩土接触面剪切力学特性测试装置的压力室，其特征在于，所述压力室设置在测试装置的支撑板上，其包括顶板(2.1)、底板(2.2)和滑动设置在所述顶板和底板之间的多块外侧立板(2.3)，所述底板、顶板和多块外侧立板共同围合成用于装置桩试样(6)和土试样的型腔，所述型腔的水平截面大小能够调节；

所述压力室的型腔内设有伸缩室(2a)，所述伸缩室由顶板(2.1)、底板(2.2)、所有外侧立板(2.3)和多块伸缩板(2.4)围成，每块所述外侧立板的内侧竖向设有与其垂直的两块伸缩板，所述伸缩板的上下两端分别与所述顶板和底板滑动连接。

2.根据权利要求1所述的压力室，其特征在于，所述伸缩板由单件伸缩板A(2.41)和单件伸缩板B(2.42)插接而成，所述单件伸缩板A和单件伸缩板B的插接部上分别设有插接槽(2.43)和插接板(2.44)，所述插接板水平滑动的安装在所述插接槽内。

3.根据权利要求2所述的压力室，其特征在于，每一块所述外侧立板的内侧均设有至少两个连接组件(2.5)，所述连接组件包括水平设置的锚杆(2.51)和多个螺帽A(2.52)，至少一根锚杆贯穿相靠近的两块单件伸缩板A，且至少一根锚杆贯穿相靠近的两块单件伸缩板B，每根锚杆上且于每块伸缩板的两侧各设有一个螺帽A，两所述伸缩板通过多个连接组成件连接形成伸缩板组。

4.根据权利要求3所述的压力室，其特征在于，所述外侧立板的内表面在竖直方向设有多个定位组件，所述定位组件包括两个固定块(2.34)、连接两个固定块的水平滑杆(2.35)和多个螺帽B(2.36)，水平滑杆贯穿所述伸缩板组设置，每根水平滑杆上且于伸缩板组的两侧各设有一个螺帽B。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的压力室，其特征在于，多块所述外侧立板的结构相同，所述外侧立板的水平方向一侧设有连接部A(2.31)，所述外侧立板的水平方向另一侧设有与另一块外侧立板的连接部A相适配的连接部B(2.32)，所述连接部A包括从上到下依次间隔设置的多对连接块A和连接槽A，所述连接部B包括从上到下依次间隔设置的多对连接槽B和连接块B，所述连接块A和连接块B分别滑动安装在所述连接槽A和连接槽B中。

6.根据权利要求5所述的压力室，其特征在于，所述压力室内且于相邻两所述外侧立板的连接处设有内拉板(2.6)，所述内拉板为与两相邻所述外侧立板所形成的夹角相适配的L型板或类L型板；所述内拉板的两个壁板均设有在竖直方向上均匀布置的多个水平卡条(2.61)，所述外侧立板上设有与所述水平卡条相适配的多个水平卡槽(2.33)。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的压力室，其特征在于，所述压力室内设有多根顶杆(2.7)，顶杆的下端与所述底板固定连接，顶杆的上端设有用于与所述顶板相连接的连接孔A，所述顶杆通过连接孔A与所述顶板可拆式固定连接。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的压力室，其特征在于，所述顶板由结构相同的多块单元顶板(2.11)插装而成，所述单元顶板的一侧设有插杆(2.12)，所述单元顶板的另一侧设有与另一单元顶板的插接杆相适配的插接孔(2.13)，所述顶板的中心设有与所述桩试样相适配的通孔A；所述底板的中心部设有透水板(2.21)，所述透水板上设有供所述桩试样贯穿设置的通孔B。

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