CN109443954B - 一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置及方法，包括试样、围压及试样固定装置、扭矩施加装置、传力装置以及量测装置。电机、齿轮和齿轮条机构实现瞬时扭剪，电机、偏轮和摇杆机构实现循环扭剪，对齿轮条砝码加载以产生恒定扭矩，实现蠕变扭剪，齿轮条上设置位移基准面，通过监测齿轮条的水平位移来监测桩或锚与岩土体界面扭转角的变化情况。本发明所提供的测试装置原理清晰、结构简单，实现了试样制备与测试的分离，提高了试验效率，可用于测试桩或锚与岩土体界面的瞬时扭剪特性、循环扭剪特性以及扭剪蠕变特性，进而确定出桩或锚的瞬时以及长期界面抗扭剪强度。
Description
技术领域
本发明涉及房建、交通、矿山、水利水电等行业中的岩土体与结构体界面剪切特性测试技术，尤其涉及一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置及方法。
背景技术
锚杆和桩基技术因安全可靠、技术成熟、施工便捷等优点被广泛运用到岩土工程的各领域中，两者在设计计算、施工工艺等方面存在一定的区别，但在荷载传递及外形等方面相似，其外形通常为圆柱形，其承载性能均主要取决于桩或锚与岩土体界面剪切特性。到目前为止，国内外基本上是通过沿桩体或锚固体的轴向施加压力或拉力的方式来测试桩或锚与岩土体界面剪切特性，如基桩的静(动)压试验或锚杆的中心拉拔试验、室内直剪试验等。采用现场试验或室内模型试验测试轴向荷载作用下桩或锚与岩土体的界面剪切特性时，虽然与实际工况相符，但测试费用高、周期长且难以保证测试材料的均匀。采用室内单元试验测试桩或锚与岩土体的界面剪切特性时，虽然费用低、周期短且能够保证测试材料的均匀，但采用对单元体试件施加轴向力的方式进行界面剪切测试，剪切面的面积是不断变化的，影响测试结果；而采用扭转方式测试桩或锚与岩土体的界面剪切特性则能较好地克服这一缺陷，即能够保证剪切面的面积保持恒定。
而且，实际岩土工程中，岩土体和锚杆或基桩等结构物除承受轴向荷载的作用外也会承受扭矩的作用，在扭矩的作用下，岩土体将产生扭转变形，锚杆或基桩等结构物与岩土体将产生相对的扭转剪切位移，进而影响桩基或锚杆的承载性能。获得岩土体这种单一介质的扭剪特性相对容易，对应的测试技术也相对成熟，如空心扭剪试验或环剪试验等。然而，测试桩或锚等结构物与岩土体界面扭剪特性却较为困难，目前，部分研究机构采用环剪或直剪的方式测试两者界面的扭剪特性，并以此获得其瞬时扭剪特性以及其瞬时抗扭剪强度。但是，该类方法与桩基或锚杆的实际受力状况不符，因而其测试结果难以反映桩或锚与岩土体真实的界面扭剪特性。
此外，外扭矩对桩基或锚杆的作用是较为复杂的，如瞬时的扭剪作用、循环扭剪作用、甚至长期扭矩荷载下的蠕变扭剪作用等。然而，目前为止，国内尚没有出现一种简单且易于操作、同时与桩基或锚杆实际工况相符的装置以测试桩或锚与岩土体界面的瞬时扭剪特性、循环扭剪特性以及蠕变扭剪特性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，针对工程中基桩或锚杆的微元段，提供一种简便、可行且与桩基或锚杆实际工况相符的装置及方法以测试扭转状态下桩或锚与岩土体界面剪切特性，得到不同工况下桩或锚与岩土体界面的瞬时扭剪特性、循环扭剪特性以及蠕变扭剪特性，进而确定出桩或锚的瞬时和长期界面抗扭剪强度。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，包括钢架，钢架内安装有岩/土坯，所述岩/土坯上下两端分别安装有下盖板和上盖板；岩/土坯与下盖板及上盖板之间均安装有硅胶垫片；岩/土坯侧面安装有嵌入到岩/土坯中的侧楔；侧楔上下端分别插入下盖板和上盖板固定；侧楔和岩/土坯的外表面包裹有橡皮膜，橡皮膜外侧安装有压力囊，压力囊外侧安装有套筒；套筒上下端分别插入下盖板和上盖板固定；下盖板和上盖板通过第一螺栓固定连接；岩/土坯通过胶凝体连接有筋体，筋体通过扭矩传感器连接扭力杆；扭力杆连接有第一齿轮，第一齿轮啮合有第一齿轮条，第一齿轮条连接有扭矩施加装置；所述扭矩施加装置为瞬时扭剪施力装置和/或循环扭剪施力装置和/或常恒力施力装置；所述瞬时扭剪施力装置包括与第一齿轮条相连的S型力传感器，S型力传感器连接有第二齿轮条第二齿轮条通过第二齿轮连接有电机；所述循环扭剪施力装置包括S型力传感器，S型力传感器铰接有摇杆，所述摇杆铰接连接在偏轮的偏心位置，偏轮连接电机；所述常恒力施力装置包括分别啮合在第一齿轮两侧的第一齿轮条，第一齿轮条通过拉力传感器连接钢绞线；配合钢绞线安装有滑轮，钢绞线连接有砝码盘，砝码盘上放置有砝码；所述第一齿轮条连接有位移基准面，配合位移基准面安装有位移计；所述压力囊通过调压阀和压力表连通有空压机。
进一步的改进，所述位移计通过磁性表座固定在钢架顶面。
进一步的改进，所述侧楔上下端成形有导向块，侧楔外侧为弧面，弧面的曲率半径与岩/土坯的半径相同，内侧凸起成形有嵌入岩/土坯的条形楔，条形楔的截面形状为三角形；条形楔的长度与岩/土坯高度相同。
进一步的改进，所述硅胶垫片与上盖板和下盖板接触面间涂抹润滑剂，并设置供导向块穿过的导向块槽和供条形楔、条形楔穿过的条形楔槽。
进一步的改进，所述下盖板顶面和上盖板底面中心分别呈放射状设置若干个嵌入岩/土坯的截面形状为三角形的条形楔和条形楔，此外，还设有固定套筒的套筒卡槽和套筒卡槽以及限制侧楔转动的限位槽和限位槽.
进一步的改进，所述钢架底面的承台直径与下盖板底面凹槽直径相同，钢架底面成形有限位槽，限位槽与下盖板底面的限位楔楔合。
一种桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性的试验方法，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架底面承台上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三、界面扭剪蠕变特性测试：在砝码盘上放置设定重量的砝码，砝码的重力可依次经过砝码盘、螺杆、钢绞线以及拉力传感器作用在两个第一齿轮条上，进而形成一恒定的扭矩作用在第一齿轮上，扭矩通过传力装置作用在胶凝体上，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯的转动，则胶凝体与岩/土坯发生相对转动，扭转位移稳定后施加下一级荷载直至试样发生扭转破坏，获得测试结果。
一种桩或锚与岩土体界面循环扭剪特性的试验方法，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架底面承台上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三、界面循环扭剪特性测试：启动电机并控制偏轮以及摇杆转动，而导轨限制第一齿轮条只能沿水平方向运动，则与第一齿轮条依次螺纹连接的S型力传感器和连接件将沿水平方向往复运动，从而使第一齿轮产生循环转动，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯的转动，则在传力装置的带动下胶凝体与岩/土坯发生循环相对转动，直至扭矩传感器测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果。
一种锚与岩土体界面瞬时扭剪特性的试验方法，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架底面承台上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三、界面瞬时扭剪特性测试：启动电机并控制第二齿轮转动，进而依次带动第二齿轮条、S型力传感器和第一齿轮条沿水平方向运动，从而使第一齿轮转动，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯的转动，则在传力装置的带动下胶凝体与岩/土坯发生相对转动，直至扭矩传感器测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果。
进一步的改进，所述测试结果为桩或锚与岩土体界面的扭转角α，其计算方法如下：
式中，为位移计(503)所监测的两个第一齿轮条(308)位移量(x1和x2)的均值或瞬时和循环扭剪特性测试时为位移计(503)监测值，R为第一齿轮(309)的半径。
本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：
本发明所提供的测试装置原理清晰、结构简单，实现了试样制备与测试的分离，提高了试验效率，可用于测试桩或锚与岩土体界面的瞬时扭剪特性、循环扭剪特性以及蠕变扭剪特性，得到不同工况下桩或锚与岩土体界面的扭剪特性，进而确定出桩或锚的瞬时以及长期界面抗扭剪强度；测试过程中，桩或锚与岩土体的界面接触面积保持不变，克服了一般的基桩静压试验或锚杆拉拔试验中桩或锚与岩土体界面接触面积不断变化的缺点，使测试结果更加准确；侧楔及上下盖板的条形楔与试样固定装置配合并嵌入到岩土体中，而试样固定装置与钢架底面榫接，可限制岩土体的转动且操作简便；传力装置各部件间的连接方式为榫接，便于各部件的装配并有利于传递扭矩、减小传力部件的扭转变形所带来的试验误差；钢架顶部设置导轨固定孔和滑轮移动槽，便于调整滑轮及齿轮条的水平位置，进而可以根据桩或锚与岩土体界面扭剪力的大小更换不同直径的齿轮，实现了增大或减小作用在桩体或锚体上的扭矩的功能；在齿轮条上设置位移基准面，通过监测齿轮条的水平位移来间接监测桩或锚与岩土体界面扭转角随时间的变化情况，监测精度高且便于操作。
附图说明
图1为测试装置整体示意图。
图2为测试装置结构示意图。
图3为试样固定装置俯视图。
图4为侧楔结构图。
图5为测试桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性装置示意图。
图6为测试桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性受力示意图。
图7为测试桩或锚与岩土体界面循环扭剪特性装置示意图。
图8为测试桩或锚与岩土体界面瞬时扭剪特性装置示意图。
图9为硅胶垫片结构示意图。
图10为钢架整体示意图。
图11为第一齿轮、第一齿轮条及导轨示意图。
图12为传力装置拆解图。
图13为套筒结构图。
图14为上盖板底视图。
图15为下盖板底视图。
图16为下盖板俯视图。
图17为扭剪蠕变特性测试时试样受力示意图。
图中标号所示名称为：
试样：101-岩/土坯、102-筋体、103-胶凝体；
围压及试样固定装置：201-钢架、201a-滑轮移动槽、201b-导轨固定孔、201c-通气孔、201d-限位槽、201e-电机移动槽、201f-承台、201g-轴承槽、202-下盖板、202a-固定孔、202b-限位槽、202c-条形楔、202d-通孔、202e-限位楔、202f-套筒卡槽、203-套筒、203a-限位楔、204-上盖板、204a-固定孔、204b-条形楔、204c-出线孔、204d-通孔、204e-限位槽、204f-套筒卡槽、205-压力囊、206-橡皮膜、207-侧楔、207a-导向块、207b-条形楔、208-硅胶垫片、208a-导向块槽、208b-条形楔槽、208c-通孔、209-第一螺栓、210-第一螺母、211-空压机、212-调压阀、213-压力表；
扭矩施加装置：301-砝码盘、302-螺杆、303-砝码、304-吊环、305-钢绞线、306-滑轮、307-U型吊环、308-第一齿轮条、309-第一齿轮、310-导轨、311-钢珠、312-第二螺栓、313-第二螺母、314-滑轮支架、315-连接件、316-摇杆、317-偏轮、318-电机、319-第二齿轮条、320-第二齿轮；
传力装置：401-轴承、402-扭力杆、402a-上榫头、402b-下榫头、403-上连接件、403a-固定孔、403b-榫槽、404-第三螺栓、405-第三螺母、406-下连接件、406a-固定孔、406b-榫槽、407-第四螺栓、408-第四螺母；
量测装置：501-拉力传感器、502-扭矩传感器、503-位移计、504-磁性表座、505-位移基准面、506-S型力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。
一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置主要包括试样、围压及试样固定装置、扭矩施加装置、传力装置以及量测装置。其中围压及试样固定装置包括钢架201、下盖板202和上盖板204，岩/土坯101上下两端均安装硅胶垫片208，侧楔207嵌入到岩/土坯101中并与岩/土坯101外侧弧面齐平，侧楔207上下端的导向块207a分别穿过限位槽202b和限位槽204e，橡皮膜206包裹在岩/土坯101和侧楔207的外表面，橡皮膜206外侧安装压力囊205，压力囊205外侧安装套筒203，套筒203上下端的限位楔203a分别嵌入到套筒卡槽204f和套筒卡槽202f中，第一螺栓209穿过固定孔202a以及固定孔204a与第一螺母210螺纹连接，空压机211、调压阀212、压力表213以及压力囊205依次连接，下盖板202底部凹槽与钢架承台201f配合，限位楔202e嵌入到限位槽201d中；所述扭矩施加装置包括砝码盘301、砝码303、钢绞线305、第一齿轮条308、第一齿轮309和电机318，第一齿轮条308与第一齿轮309啮合，钢珠311置于导轨310中，第二螺栓312与第二螺母313将导轨310固定在钢架201顶面，滑轮306通过滑轮支架314固定在钢架201两端，砝码盘301与螺杆302以及吊环304依次螺纹连接，钢绞线305穿过滑轮306连接吊环304与拉力传感器501、U型吊环307连接拉力传感器501与第一齿轮条308，第一齿轮条308与S型力传感器506螺杆连接，S型力传感器506与连接件315螺纹连接，连接件315、摇杆316以及偏轮317铰接，偏轮317与电机318榫接，第一齿轮条308、S型力传感器506以及第二齿轮条319依次螺杆连接，第二齿轮条319与第二齿轮320啮合，第二齿轮320与电机318榫接；所述传力装置包括扭力杆402、上连接件403和下连接件406，轴承401固定到钢架201的顶面中心的轴承槽201g中，扭力杆402顶部与第一齿轮309中心榫接，扭力杆402底部穿过轴承401并与上连接件403中心榫接，下转接件406与筋体102顶部榫接；所述量测装置包括拉力传感器501、扭矩传感器502和位移计503，扭矩传感器501顶部通过第三螺栓404和第三螺母405与上转接件402固定，扭矩传感器501底部通过第四螺栓407和第四螺母408与下转接件406固定，位移计基准面505固定在第一齿轮条308上，位移计503抵在位移基准面505上并通过磁性表座504固定在钢架201顶面。
具体的如图1～4所示，岩/土坯101上下两端均安装硅胶垫片208，侧楔207嵌入到岩/土坯101中并与岩/土坯101外侧弧面齐平，侧楔207上下端的导向块207a分别穿过限位槽202b和限位槽204e，以确保岩/土坯101与试样固定装置同步转动，橡皮膜206包裹在岩/土坯101和侧楔207的外表面，橡皮膜206外侧安装压力囊205，压力囊205外侧安装套筒203，第一螺栓209穿过下盖板202的固定孔202a以及上盖板204的固定孔204a与第一螺母210螺纹连接，下盖板202底部凹槽与承台201f配合，限位楔202e嵌入到限位槽201e中，以将试样固定装置与钢架201连接为整体并达到限制岩/土坯101转动的目的，空压机211、调压阀212、压力表213以及压力囊205依次连接为岩/土坯101侧面施加恒定的围压σ；轴承401固定在钢架201的顶面中心的轴承槽201g中，扭力杆402穿过轴承401以约束其水平位移，扭力杆402顶部与第一齿轮309中心榫接、底部与上连接件403中心榫接，下转接件406与筋体102顶部榫接，扭矩传感器501顶部通过第三螺栓404和第三螺母405与上转接件402固定，扭矩传感器501底部通过第四螺栓407和第四螺母408与下转接件406固定，则在第一齿轮309上施加的扭矩可依次通过扭力杆402、上转接件403、扭矩传感器501、下转接件406以及筋体102传递至胶凝体103上；第二螺栓312和第二螺母313将导轨310固定在钢架201顶面，进而使第一齿轮条309只能沿导轨310的横向移动，滑轮306固定在滑轮支架314上，滑轮支架314固定在钢架201的两端。
侧楔207外侧为弧面，该弧面的曲率半径与岩/土坯101半径相同，以确保侧楔207完全嵌入岩/土坯101中后岩/土坯101外表面光滑，侧楔207中间为截面形状为三角形的条形楔207b，条形楔207b的长度与岩/土坯(101)高度相同，如图4。
如图2、5和6所示，测试桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性时，砝码盘301、螺杆302以及吊环304依次螺纹连接，钢绞线305穿过滑轮306将吊环304和拉力传感器501连为整体，而U型吊环又将拉力传感器501和第一齿轮条308连为整体，此时，在砝码盘301上放置砝码303时，砝码303的重力可转化为拉力并依次通过砝码盘301、螺杆302、吊环304、钢绞线305、拉力传感器501以及U型吊环307作用在第一齿轮条308上，第一齿轮条308与第一齿轮309啮合使得第一齿轮条308上的拉力传递至第一齿轮309的两侧，如此即可在第一齿轮309上施加恒定的扭矩。
如图7所示，测试桩或锚与岩土体界面循环扭剪特性时，第一齿轮条308与S型力传感器506螺杆连接，S型力传感器506与连接件315螺纹连接，连接件315、摇杆316以及偏轮317铰接，偏轮317与电机318榫接，电机318转动时，将带动偏轮317以及摇杆316转动，进而依次带动连接件315、S型力传感506以及第一齿轮条308水平往复运动，如此使得第一齿轮309产生往复转动，
如图8所示，测试桩或锚与岩土体界面瞬时扭剪特性时，第一齿轮条308、S型力传感器506以及第二齿轮条319依次螺杆连接，第二齿轮条319与第二齿轮320啮合，第二齿轮320与电机318榫接，电机318转动时，将带动第二齿轮320转动，从而使得第二齿轮条320、S型力传感器506以及第一齿轮条308水平移动，进而使第一齿轮309转动。
如图9所示，硅胶垫片208与上盖板204和下盖板202接触面间涂抹润滑剂，并设置供导向块207a穿过的导向块槽208a和供条形楔202c、条形楔204b穿过的条形楔槽207b；
如图10所示，钢架201的两端沿纵向设置长条形的滑轮移动槽201a，顶面中心位置处沿纵向设置若干个的导轨固定孔201b，以便更换第一齿轮309时能够调整滑轮306及第一齿轮条308的位置，钢架201底部设置与限位楔(202e)配合的限位槽(201d)以及与下盖板(202)底面凹槽直径相同的承台(201f)；
如图11所示，钢珠311安置于导轨310中，以减小第一齿轮条308与导轨310之间的摩擦力；
如图12所示，扭力杆402顶部与底部均设置榫头，以分别与第一齿轮309中心的榫槽和上连接件403中心的榫槽配合，下连接件406中心设置榫槽以与筋体102顶部的榫头配合；
如图13～16所示，套筒203上下端设置限位楔203a并分别与上盖板204的套筒卡槽204f和下盖板202的套筒卡槽202f配合，以实现限制套筒203转动的目的；下盖板202顶面和上盖板204底面的中心分别呈放射状设置若干个截面形状为三角形的条形楔202c和条形楔204b，条形楔202c和条形楔204b分别楔入到岩/土坯101的底面和顶面，以限制岩/土坯101竖向变形和水平向转动，条形楔202c和条形楔204b的外端不超过岩/土坯101的外边缘以防止其压在套筒203上、内端不超过通孔202d和通孔204d的外边缘，如此条形楔202c和条形楔204b内端到胶凝体103外侧的部分岩土体可在测试时随胶凝体103产生一定扭转，进而确保与桩或锚的实际情况相符；下盖板202和上盖板204中心处设有大于胶凝体直径的通孔202d和通孔204d，以供筋体102穿过并防止测试时试样两端出现真空现象，影响测试结果；下盖板202和上盖板204设置供侧楔207水平移动并限制侧楔207转动的限位槽204e；此外，上盖板204设置出线孔204c以供压力囊205的管线穿过。
一种利用桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置制作及安装桩或锚单元体试样的方法，步骤如下：
确定试样材料及尺寸，土/岩坯101的材料可选为原状或重塑的土体或岩体，本实施例选用重塑土；模拟桩体或锚体的胶凝体103的浆液材料可选为水泥砂浆或其他化学浆液，本实施例选用水泥砂浆；为准确测试桩或锚微元段的扭剪蠕变特性，试样的高度应足够小，胶凝体103的直径应与工程中桩体或锚体的直径相近，本实施例选用的试样直径为300mm，试样高度为100mm，岩/土坯101中心的钻孔直径为50mm；筋体102的材料可选用钢筋或其他纤维筋，其直径应小于钻孔直径，本实施例选用直径为30mm、长度为150mm的带肋钢筋，筋体102一端加工为榫头；
试样制作，首先，在岩/土坯101外侧安装侧楔207和橡皮膜206、两端安装硅胶垫片208以消除端部摩阻效应，安装完成后，岩/土坯101外表面光滑，侧楔207两端的导向块207a能够嵌入到上下盖板的限位槽204e和限位槽202b中；然后，利用穿过固定孔202b和固定孔204a的第一螺栓209和第一螺母210将击实后的重塑岩/土坯101、下盖板202、套筒203、上盖板204和套筒203固定成一个整体并使得条形楔202c和条形楔204b楔入到岩/土坯101的底面和顶面；然后，启动空压机211并调节调压阀212以使得压力囊205中的压力稳定至设定的围压σ直至试验完全结束，围压σ为桩或锚微元体所在位置的地层应力，即为自重应力与附加应力之和，本实施例选取围压σ为200kPa；接下来，利用钻孔装置在岩/土坯101的中心处按设计的50mm钻孔直径进行钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过岩/土坯101高度的2％；接下来，将筋体102置于钻孔的中心位置并将配置好的水泥砂浆灌入钻孔；最后，对试样进行密封养护，使注入钻孔的浆液凝固而形成的胶凝体103达到一定强度，本实施例选用的密封养护的时间为28d；
试样安装，将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架201底面承台201f上，下盖板202底面的限位楔202e嵌入到钢架201底面的限位槽201d中，以实现限制试样转动的目的；然后，在岩/土坯101与外界接触的地方均涂抹密封剂，以防止试样中的水分蒸发，本实施例选用的密封剂为凡士林；最后，将筋体102、下转接件406、扭矩传感器502、上转接件403、扭力杆402和第一齿轮309依次连接，并利用第三螺栓404、第三螺母405、第四螺栓407和第四螺母408将下转接件406、扭矩传感器502和上转接件403固定为一个整体；
一种利用桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置测试桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性的方法如下：
首先，将砝码盘301、螺杆302、吊环304、钢绞线305、拉力传感器501、U型吊环307和第一齿轮条308依次连接；然后，利用滑轮支架314调节滑轮306的水平位置，并调节第一齿轮条308的水平位置，保证其与第一齿轮309啮合，如图5、6；接下来，在砝码盘301上放置小砝码使装置的各部件连接紧密；接下来，安装位移基准面505并利用磁性表座504将位移计503固定在钢架201顶面，位移计503的测量杆抵在位移基准面505的一侧；最后，在砝码盘301上放置设定重量的砝码303，砝码303产生的拉力通过第一齿轮条308和第一齿轮309转化为恒定的扭矩M，扭矩M的大小可先通过公式M＝FR(F为悬挂的砝码303及砝码盘301的重力之和，R为第一齿轮309的半径)进行预估，该扭矩依次通过第一齿轮309、扭力杆402、上转接件403、扭矩传感器502、下转接件406以及筋体102作用在胶凝体103上，而岩/土坯101被上盖板204和下盖板202所固定，故无法转动，筋体102与胶凝体103界面间的粘结力远大于胶凝体103与岩/土坯101界面间的粘结力，故筋体102与胶凝体103间不存在相对转动，则胶凝体103与岩/土坯101发生相对转动，施加砝码荷载的同时开始记录位移计503的读数随时间的变化情况和扭矩传感器502的读数，扭转位移稳定后施加下一级荷载直至试样产生扭转破坏，终止试验并获得测试结果，测试结果为桩或锚与岩土体界面的扭转角α-时间t关系曲线(界面剪切蠕变曲线)，桩或锚与岩土体界面的扭转角α可由公式(为位移计503所监测的两个第一齿轮条308位移量(x1和x2)的均值，R为第一齿轮309的半径)计算获得。
一种利用桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置测试桩或锚与岩土体界面循环扭剪特性的方法如下：
首先，将电机318、偏轮317、摇杆316、连接件315、S型力传感506以及第一齿轮条308依次连接；然后，调整第一齿轮条308的水平位置，使第一齿轮条308与第一齿轮309啮合；接下来，安装位移基准面505并利用磁性表座504将位移计503固定在钢架201顶面，位移计503的测量杆抵在位移基准面505的一侧，如图7；接下来，启动电机318，带动偏轮317以及摇杆316转动，进而依次带动连接件315、S型力传感506以及第一齿轮条308产生循环水平移动，则第一齿轮309往复转动，进而通过传力装置使得胶凝体103往复扭转，而岩/土坯101被上盖板204和下盖板202所固定，故无法转动，筋体102与胶凝体103界面间的粘结力远大于胶凝体103与岩/土坯101界面间的粘结力，故筋体102与胶凝体103间不存在相对转动，则胶凝体103与岩/土坯101发生相对往复扭转，直至扭矩传感器502测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果，测试结果为扭矩M-扭转角α关系曲线，桩或锚与岩土体界面的扭转角α可由公式(/>为位移计503所监测的第一齿轮条308的位移量，R为第一齿轮309的半径)计算获得。
一种利用桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置测试桩或锚与岩土体界面瞬时扭剪特性的方法如下：
首先，将电机318、第二齿轮320、第一齿轮条319、S型力传感506以及第一齿轮条308依次连接；然后，调整第一齿轮条308的水平位置，使第一齿轮条308与第一齿轮309啮合；接下来，安装位移基准面504并利用磁性表座504将位移计503固定在钢架201顶面，位移计503的测量杆抵在位移基准面505的一侧，如图8；接下来，启动电机318，带动第二齿轮319转动，进而依次带动第二齿轮条、S型力传感506以及第一齿轮条308产生水平移动，则第一齿轮309转动，进而通过传力装置使得胶凝体103扭转，而岩/土坯101被上盖板204和下盖板202所固定，故无法转动，筋体102与胶凝体103界面间的粘结力远大于胶凝体103与岩/土坯101界面间的粘结力，故筋体102与胶凝体103间不存在相对转动，则胶凝体103与岩/土坯101发生相对扭转，直至扭矩传感器502测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果，测试结果为扭矩M-扭转角α关系曲线，桩或锚与岩土体界面的扭转角α可由公式(/>为位移计503所监测的第一齿轮条308的位移量，R为第一齿轮309的半径)计算获得。
Claims (10)
1.一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，包括钢架(201)，其特征在于，所述钢架(201)内安装有岩/土坯(101)，所述岩/土坯(101)上下两端分别安装有下盖板(202)和上盖板(204)；岩/土坯(101)与下盖板(202)及上盖板(204)之间均安装有硅胶垫片(208)；岩/土坯(101)侧面安装有嵌入到岩/土坯(101)中的侧楔(207)；侧楔(207)上下端分别插入下盖板(202)和上盖板(204)固定；侧楔(207)和岩/土坯(101)的外表面包裹有橡皮膜(206)，橡皮膜(206)外侧安装有压力囊(205)，压力囊(205)外侧安装有套筒(203)；套筒(203)上下端分别插入下盖板(202)和上盖板(204)固定；下盖板(202)和上盖板(204)通过第一螺栓(209)固定连接；岩/土坯(101)通过胶凝体(103)连接有筋体(102)，筋体(102)通过扭矩传感器(502)连接扭力杆(402)；扭力杆(402)连接有第一齿轮(309)，第一齿轮(309)啮合有第一齿轮条(308)，第一齿轮条(308)连接有扭矩施加装置；所述扭矩施加装置为瞬时扭剪施力装置和/或循环扭剪施力装置和/或常恒力施力装置；所述瞬时扭剪施力装置包括与第一齿轮条(308)相连的S型力传感器(506)，S型力传感器(506)连接有第二齿轮条(319)第二齿轮条(319)通过第二齿轮(320)连接有电机(318)；所述循环扭剪施力装置包括S型力传感器(506)，S型力传感器(506)铰接有摇杆(316)，摇杆(316)铰接连接在偏轮(317)的偏心位置，偏轮(317)连接电机(320)；所述常恒力施力装置包括分别啮合在第一齿轮(309)两侧的第一齿轮条(308)，第一齿轮条(308)通过拉力传感器(501)连接钢绞线(305)，配合钢绞线(305)安装有滑轮(306)，钢绞线(305)连接有砝码盘(301)，砝码盘(301)上放置有砝码(303)；所述第一齿轮条(308)连接有位移基准面(505)，配合位移基准面(505)安装有位移计(503)；所述压力囊(205)通过调压阀(212)和压力表(213)连通有空压机(211)。
2.根据权利要求1所述的一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，其特征在于，所位移计(503)通过磁性表座(504)固定在钢架(201)顶面。
3.根据权利要求1所述的一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，其特征在于，所述侧楔(207)上下端成形有导向块(207a)，侧楔(207)外侧为弧面，弧面的曲率半径与岩/土坯(101)的半径相同，内侧凸起成形有嵌入岩/土坯(101)的条形楔(207b)，条形楔(207b)的截面形状为三角形，条形楔(207b)的长度与岩/土坯(101)高度相同。
4.根据权利要求1所述的一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，其特征在于：所述硅胶垫片(208)与上盖板(204)和下盖板(202)接触面间涂抹润滑剂，并设置供导向块(207a)穿过的导向块槽(208a)和供条形楔(202c)、条形楔(204b)穿过的条形楔槽(207b)。
5.根据权利要求1所述的一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，其特征在于：所述下盖板(202)顶面和上盖板(204)底面中心分别呈放射状设置若干个嵌入岩/土坯(101)的截面形状为三角形的条形楔(202c)和条形楔(204b)，此外，还设有固定套筒(203)的套筒卡槽(202f)和套筒卡槽(204f)以及限制侧楔(207)转动的限位槽(202b)和限位槽(204e)。
6.根据权利要求1所述的一种桩或锚与岩土体界面多工况扭剪特性测试装置，其特征在于：所述钢架(201)底面的承台(201f)直径与下盖板(202)底面凹槽直径相同，钢架(201)底面成形有限位槽(201d)，限位槽(201d)与下盖板(202)底面的限位楔(202e)楔合。
7.一种桩或锚与岩土体界面扭剪蠕变特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯(101)外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架(201)底面承台(201f)上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三、界面扭剪蠕变特性测试：在砝码盘(301)上放置设定重量的砝码(303)，砝码(303)的重力可依次经过砝码盘(301)、螺杆(302)、钢绞线(305)以及拉力传感器(501)作用在两个第一齿轮条(308)上，进而形成一恒定的扭矩作用在第一齿轮(309)上，扭矩通过传力装置作用在胶凝体(103)上，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯(101)的转动，则胶凝体(103)与岩/土坯(101)发生相对转动，扭转位移稳定后施加下一级荷载直至试样发生扭转破坏，获得测试结果。
8.一种桩或锚与岩土体界面循环扭剪特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯(101)外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架(201)底面承台(201f)上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三界面循环扭剪特性测试：启动电机(318)并控制偏轮(317)以及摇杆(316)转动，而导轨(310)限制第一齿轮条(308)只能沿水平方向运动，则与第一齿轮条(308)依次螺纹连接的S型力传感器(506)和连接件(315)将沿水平方向往复运动，从而使第一齿轮(309)产生循环转动，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯(101)的转动，则在传力装置的带动下胶凝体(103)与岩/土坯(101)发生循环相对转动，直至扭矩传感器(502)测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果。
9.一种桩或锚与岩土体界面瞬时扭剪特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、试样制作及养护：利用围压及试样固定装置在岩/土坯(101)外侧施加恒定的围压，然后依次对试样进行钻孔、压力注浆及密封养护；
二、试样安装：将养护完成的试样和围压及试样固定装置整体放置在钢架(201)底面承台(201f)上，然后安装传力装置、扭矩施加装置以及量测装置；
三、界面瞬时扭剪特性测试：启动电机(318)并控制第二齿轮(320)转动，进而依次带动第二齿轮条(319)、S型力传感器(506)和第一齿轮条(308)沿水平方向运动，从而使第一齿轮(309)转动，由于围压及试样固定装置限制了岩/土坯(101)的转动，则在传力装置的带动下胶凝体(103)与岩/土坯(101)发生相对转动，直至扭矩传感器(502)测得的扭矩恒定后，终止试验并获得测试结果。
10.根据权利要求7、8或9任一所述的桩或锚与岩土体界面扭剪特性的试验方法，其特征在于：所述测试结果为桩或锚与岩土体界面的扭转角α，其计算方法如下：
式中，为位移计(503)所监测的第一齿轮条(308)位移量的均值或瞬时和循环扭剪特性测试时为位移计(503)监测值，R为第一齿轮(309)的半径。
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2018
- 2018-12-24 CN CN201811578677.8A patent/CN109443954B/zh active Active
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| Title |
|---|
| 锚–土界面剪切蠕变试验及其经验模型研究;陈昌富等;《岩土工程学报》;第38卷(第10期);第1762-1768页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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