CN110411804B - 一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法 - Google Patents

一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法。其测试试样制作简单，方法易于实现，通过一个测试试样即可完成测试土体与测试结构之间的接触面各向受力时的力学特性测试，可用于测量静、动荷载作用下桩与土、沉垫与土以及管和土等接触面的各向力学特性。

Description

一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及 测试方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种基于真三轴仪的测试土体与测试结构接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法。
背景技术
近年来，我国展开了大规模的基础设施建设、能源开发和房地产等工程项目，其中涉及大量结构与土体的接触面力学行为问题。在结构表面通常不是光滑表面，甚至会存在具有方向性的纹理。当土体与结构的受力平面发生改变时，接触面力学相应会发生改变。
目前，多采用直剪和单剪试验探究接触面的力学特性，不能控制排水条件，结果不能很好地模拟接触面的受力状态。2012年刘平等申请的专利“一种桩土接触面力学特性测试装置和测试方法”(CN102628767B,2014-01-22)提出了一种基于常规土工三轴仪的桩土接触面力学特性测试装置和方法，可以便捷地测量土体的轴向变形和体积变形以及控制排水条件。该发明装置和方法适用于对桩基轴线方向上的桩土摩擦力学特性进行测试。2017年Reilly和Orr在《Tunnelling and Underground Space Technology》上发表的“Physicalmodelling of the effect of lubricants in pipe jacking”(2017，Vol.63，pp.44-53)一文中提出了一种基于常规三轴仪的测试装置对混凝土和土体间填充浆液的接触面力学行为进行研究。上述两个试验装置均基于常规三轴仪，故而其水平面内的两个主应力相等(σ2＝σ3)，对于每一试样只能测试单个方向上的土体与结构接触面力学特性。当结构表面存在纹理时，则要制作大量的试样，探究不同纹理方向下的接触面力学特性。试样制作成本比较高，而且试样的反复拆除和安装耗时比较长。
发明内容
本发明提出一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法，用以解决通过同一试样测得测试土体与测试结构之间的接触面各个方向的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种土体与结构的接触面力学特性测试试样，包括测试结构和测试土体，所述测试土体的形状与所述测试结构相匹配，以使两者组合形成正方体；
所述测试结构为直角三棱锥，正方体的所述测试试样的其中一个顶点为第一顶点，所述测试结构的直角顶点与第一顶点重合，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱分别和正方体的所述测试试样上与所述第一顶点邻接的三条边重合，并且，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱长度相等；
所述测试土体采用饱和土等向固结后形成。
进一步地，所述测试结构上侧棱的长度为所述测试试样边长的四分之三。
进一步地，所述测试试样的边长等于真三轴仪压力室的边长。
进一步地，所述测试结构与所述测试土体的接触面为正三角形。
进一步地，所述测试结构由混凝土或钢材料制成。
进一步地，所述测试结构与所述测试土体之间的接触面设置有纹理。
同时本发明还提供一种如上述所述的土体与结构的接触面力学特性测试试样的制备方法，包括以下步骤：
S1：将测试土体与测试结构组合形成一正方体样品，其中，所述测试结构为直角三棱锥，所述正方体样品的其中一个顶点为第一顶点，所述测试结构的直角顶点与第一顶点重合，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱分别和所述正方体样品上与所述第一顶点邻接的三条边重合，并且，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱长度相等，
S2：所述正方体样品安装于真三轴仪压力室中；
S3：对所述正方体样品中的测试土体进行饱和处理，再通过真三轴仪压力室的荷载板分别对所述正方体样品施加三向轴向压力，使所述正方体样品受到三向围压，直至所述测试土体等向固结，形成土体与结构的接触面力学特性测试试样。
进一步地，所述S3步骤中，选择排水方式施加三向相等围压使测试土体等向固结，即所述测试土体上的三个主应力σ1、σ2和σ3满足σ1＝σ2＝σ3＝σ0，其中σ0为初始预设应力，所述三个主应力的方向分别与三向轴向压力的方向相同。
本发明还提供一种利用如上述所述的测试试样对土体与结构的接触面力学特性进行测试的方法，包括以下步骤：
S1：将上述所述的土体与结构的接触面力学特性测试试样，安装于真三轴仪压力室中；
S2：改变所述真三轴仪压力室的荷载板对所述测试试样施加的三向轴向压力，通过改变所述测试试样受到的三向主应力σ1、σ2和/或σ3大小，测量所述测试试样的物理特性，进而得到土体与结构的接触面力学特性。
进一步地，所述S2步骤中，所述物理特性包括铅垂向应变、铅垂向应力、水平向应变、水平向应力、围压、孔隙水压力的物理量；所述土体与结构的接触面力学特性包括测试土体与测试结构之间的接触面的应力与应变关系、土体与结构的相对位移、土体体积变形以及孔隙水压力。
进一步地，所述S1步骤完成后，所述测试试样仅受围压作用，偏应力为零，测试结构与测试土体之间的接触面上仅有所述法向应力Tn，其中Tn＝σ0，所述切应力Tt＝0，测试土体与测试结构之间无相对位移。
进一步地，所述S2步骤中，改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体与测试结构之间的接触面上的切应力Tt的方向以及法向应力Tn大小保持不变，改变所述切应力Tt的大小，测量所述物理量。
进一步地，所述S2步骤中，改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体与测试结构之间的接触面上的法向应力Tn的大小以及切应力Tt的大小保持不变，改变所述切应力Tt的方向，测量所述物理量。
进一步地，所述接触面上的法向应力Tn的计算公式为：
其中σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平应力的大小相等。
进一步地，所述接触面上土体的法向应变εn由三个主应变ε1、ε2和ε3计算得到：
其中ε1与所述铅垂向应变大小相等，ε2和ε3分别与所述水平应变的大小相等。
进一步地，所述接触面上的切应力Tt计算公式为：
其中σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平应力的大小相等。
进一步地，所述接触面上的剪应变γt可由三个主应变ε1、ε2和ε3计算得到：
进一步地，所述接触面上的切应力Tt的方向由角度θ确定，θ的计算方式为：
其中θ为Tt与接触面其中一条中线的夹角，以顺时针方向为正，σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平应力的大小相等。
进一步地，在所述S2步骤中，当所述测试试样达到破坏标准时停止实验，所述破坏标准是指所述测试土体的孔隙水压力不再增加；或所述真三轴仪的荷载板达到最大荷载压力所述；或所述测试试样的应变达到规定标准。
综上所述，本发明提供了一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法，通过测试土体与测试结构制备的测试试样，可用来研究测试土体与测试结构之间的接触面在静、动荷载作用下的力学特性；
通过采用的真三轴仪压力室施加围压，可使土体等向固结，等向固结后三向压力的独立加载可以使得试样的受力状态更加接近实际工况；
通过三向主应力的不同组合，可以实现在真三轴仪情况下的测试土体与测试结构之间的接触面法向应力Tn和切应力Tt的改变，并通过数学关系自动求解获得接触面上应力的大小和方向；
通过三向主应力的不同组合，可以实现对同一试样开展不同方向上测试土体与测试结构之间的接触面力学特性的测试；
通过制作具有不同表面纹理的测试结构，可以实现对同一测试试样开展界面纹理方向对接触面力学特性影响的测试；
本发明试样简单，对现有土工仪器设备无任何改动，易于实现，可用来测试桩与土、沉垫与土以及管与土等接触面的静、动力学特性。
附图说明
图1为本发明具体实施例中土体与结构的接触面力学特性测试试样结构示意图；
其中，1-测试结构，2-测试土体，Tn-接触面法向应力，Tt-接触面切应力，θ-接触面切应力Tt与接触面之间的夹角，顺时针方向为正，σ1-主应力，σ2-主应力，σ3-主应力。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种土体与结构的接触面力学特性测试试样、制备方法以及测试方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，其为本实施例的土体与结构的接触面力学特性测试试样结构图。
包括测试结构1和测试土体2，所述测试土体2的形状与所述测试结构1相匹配，以使两者组合形成正方体；
所述测试结构1为直角三棱锥，正方体的所述测试试样的其中一个顶点为第一顶点，所述测试结构1的直角顶点与第一顶点重合，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱分别和正方体的所述测试试样上与所述第一顶点邻接的三条边重合，并且，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱长度相等；
所述测试土体2采用饱和土等向固结后形成。
从图1看出，所述测试结构1与所述测试土体2构成了边长为a的正方体测试试样，同时所述测试结构1上侧棱的长度为a-b，其中a＝4b，那么所述测试结构1上侧棱的长度为所述正方体测试试样边长的四分之三。另外，所述正方体测试试样的边长等于真三轴仪压力室的边长，以使正方体测试试样能够安装于真三轴仪压力室中。
较优地，由于所述测试结构1上侧棱的长度相同，所以所述测试结构1与所述测试土体2之间的接触面为正三角形。
较优地，所述测试结构1可以由混凝土或钢材料等刚性材料制成，其与测试土体2之间的接触面上可以根据试验需求设置纹理形状，用以模拟纹理不同和/或摩擦程度不同的测试结构1对测试土体2的影响。
本实施例中为了制备所述土体与结构的接触面力学特性测试试样，包括以下步骤：
S1：将测试土体2与测试结构1组合形成一正方体样品，其中，所述测试结构1为直角三棱锥，所述正方体样品的其中一个顶点为第一顶点，所述测试结构1的直角顶点与第一顶点重合，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱分别和所述正方体样品上与所述第一顶点邻接的三条边重合，并且，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱长度相等，
S2：所述正方体样品安装于真三轴仪压力室中；
S3：对所述正方体样品中的测试土体2进行饱和处理，再通过真三轴仪压力室的荷载板分别对所述正方体样品施加三向轴向压力，使所述正方体样品受到三向围压，直至所述测试土体2等向固结，形成土体与结构的接触面力学特性测试试样。
同时所述S3步骤中，可以选择排水方式施加三向相等围压使测试土体2等向固结，即所述测试土体2上的三个主应力σ1、σ2和σ3满足σ1＝σ2＝σ3＝σ0，其中σ0为初始预设应力，所述三个主应力的方向分别与三向轴向压力的方向相同。
本实施例中利用图1所示的土体与结构的接触面力学特性测试试样，进行实验，具体包括以下步骤：
S1：将图1所示的土体与结构的接触面力学特性测试试样，安装于真三轴仪压力室中；
S2：改变所述真三轴仪压力室的荷载板对所述测试试样施加的三向轴向压力，通过改变所述测试试样受到的三向主应力σ1、σ2和/或σ3大小，测量所述测试试样的物理特性，进而得到土体与结构的接触面力学特性。
技术人员需要理解的是，在所述S2步骤中，所述物理特性包括铅垂向应变、铅垂向应力、水平向应变、水平向应力、围压、孔隙水压力的物理量，所述物理量可以通过真三轴仪上的压力传感器、变形传感器、位移传感器以及孔压传感器等设备测得；所述土体与结构的接触面力学特性包括测试土体2与测试结构1之间的接触面的应力与应变关系、土体与结构的相对位移、土体体积变形以及孔隙水压力。
优选地，在S1步骤中，技术人员可以根据按实验需求预制测试结构1接触面的粗糙度和纹理形状。
可以从图1中看出，σ1为垂直于测试试样底面方向上的主应力，σ2为垂直于测试试样侧面方向上的主应力，σ3为垂直于测试试样正面方向上的主应力。当然，所述“底面”、“侧面”和“正面”方位术语是基于附图1所示的方位或位置关系。
优选地，所述S1步骤完成后，所述测试试样仅受围压作用，偏应力为零，测试结构1与测试土体2之间的接触面上仅有所述法向应力Tn，其中Tn＝σ0，所述切应力Tt＝0，测试土体2与测试结构1之间无相对位移。
需要了解的是，所述S2步骤中，可以通过改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体2与测试结构1之间的接触面上的切应力Tt的方向以及法向应力Tn大小保持不变，改变所述切应力Tt的大小，测量所述物理量。为了降低实验难度，使得测试土体2与测试结构1之间的接触面上的法向应力Tn的大小和切应力Tt的方向保持恒定，可以先固定σ3＝σ0，然后在σ1和σ2上分别施加应力增量Δσ1和Δσ2(二者均可正可负)，使得Tt逐步增大进行实验。
同时，所述S2步骤中，也可以通过改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体2与测试结构1之间的接触面上的法向应力Tn的大小以及切应力Tt的大小保持不变，改变所述切应力Tt的方向，测量所述物理量。
优选地，所述接触面上的法向应力Tn计算公式为：
其中σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平应力的大小相等。
优选地，所述接触面上土体的法向应变εn由三个主应变ε1、ε2和ε3计算得到：
优选地，所述S3步骤中，所述接触面上的切应力Tt计算公式为：
其中ε1与所述铅垂向应变大小相等，ε2和ε3分别与所述水平应变的大小相等。
优选地，所述S3步骤中，所述接触面上的剪应变γt可由三个主应变ε1，ε2和ε3计算得到：
优选地，所述S3步骤中，所述接触面上的切应力Tt的方向由角度θ确定，θ的计算方式为：
θ为Tt与接触面其中一条中线的夹角，顺时针为正。
在所述S2步骤中，当所述测试试样达到破坏标准时停止实验，所述破坏标准是指所述测试土体2的孔隙水压力不再增加；或所述真三轴仪的荷载板达到最大荷载压力所述；或所述测试试样的应变达到规定标准。
综上所述，本发明提供一种土体与结构的接触面力学特性测试试样，包括测试土体和测试结构，用来研究测试土体和测试结构之间的接触面在静、动荷载作用下的力学特性。
本发明还提供一种土体与结构的接触面力学特性测试试样的制备方法，测试试样制作简单，方法易于实现。
本发明还提供一种土体与结构的接触面力学特性测试方法。本方法采用所述测试试样，通过采用的真三轴仪压力室施加围压，可使土体等向固结，固结后三向压力的独立加载可以使得试样的受力状态更加接近实际工况；通过三向主应力的不同组合，可以实现在真三轴仪情况下的测试土体和测试结构之间的接触面法向应力Tn和切应力Tt的改变，并通过数学关系自动求解获得接触面上应力的大小和方向；通过三向主应力的不同组合，可以实现对同一试样开展不同方向上测试土体和测试结构之间的接触面力学特性的测试；根据实际工程需求制作具有不同表面纹理的测试结构，可以测试纹理形状对接触面力学特性影响的测试。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将土体与结构的接触面力学特性测试试样，安装于真三轴仪压力室中；
所述土体与结构的接触面力学特性测试试样，包括测试结构和测试土体，所述测试土体的形状与所述测试结构相匹配，以使两者组合形成正方体；所述测试结构为直角三棱锥，正方体的所述测试试样的其中一个顶点为第一顶点，所述测试结构的直角顶点与第一顶点重合，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱分别和正方体的所述测试试样上与所述第一顶点邻接的三条边重合，并且，所述直角三棱锥上与所述直角顶点邻接的三条侧棱长度相等；所述测试土体采用饱和土等向固结后形成；S2：改变所述真三轴仪压力室的荷载板对所述测试试样施加的三向轴向压力，通过改变所述测试试样受到的三向主应力σ1、σ2和/或σ3大小，测量所述测试试样的物理特性，进而得到土体与结构的接触面力学特性；
所述S1步骤完成后，所述测试试样仅受围压作用，偏应力为零，测试结构与测试土体之间的接触面上仅有法向应力Tn，其中Tn＝σ0，切应力Tt＝0，测试土体与测试结构之间无相对位移。
2.如权利要求书1所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述物理特性包括铅垂向应变、铅垂向应力、水平向应变、水平向应力、围压、孔隙水压力的物理量；所述土体与结构的接触面力学特性包括测试土体与测试结构之间的接触面的应力与应变关系、土体与结构的相对位移、土体体积变形以及孔隙水压力。
3.如权利要求书1所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述S2步骤中，改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体与测试结构之间的接触面上的切应力Tt的方向以及法向应力Tn大小保持不变，改变所述切应力Tt的大小，测量所述物理量。
4.如权利要求书1所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述S2步骤中，改变所述测试试样受到的三向轴向压力，进而改变所述测试试样受到的主应力大小，使得测试土体与测试结构之间的接触面上的法向应力Tn的大小以及切应力Tt的大小保持不变，改变所述切应力Tt的方向，测量所述物理量。
5.如权利要求书2所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述接触面上的法向应力Tn的计算公式为：
其中σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平向应力的大小相等。
6.如权利要求书2所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述接触面上土体的法向应变εn由三个主应变ε1、ε2和ε3计算得到：
其中ε1与所述铅垂向应变大小相等，ε2和ε3分别与所述水平向应变的大小相等。
7.如权利要求书2所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述接触面上的切应力Tt计算公式为：
其中σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平向应力的大小相等。
8.如权利要求书6所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述接触面上的剪应变γt可由三个主应变ε1、ε2和ε3计算得到：
9.如权利要求书2所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，所述接触面上的切应力Tt的方向由角度θ确定，θ的计算方式为：
其中θ为Tt与接触面其中一条中线的夹角，以顺时针方向为正，σ1的大小与所述铅垂向应力的大小相等，σ2和σ3的大小分别与所述水平向应力的大小相等。
10.如权利要求书1所述的土体与结构的接触面力学特性测试方法，其特征在于，在所述S2步骤中，当所述测试试样达到破坏标准时停止实验，所述破坏标准是指所述测试土体的孔隙水压力不再增加；或所述真三轴仪的荷载板达到最大荷载压力所述；或所述测试试样的应变达到规定标准。
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