CN111879613A - 一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置及使用方法，该装置包括用于起支撑固定作用的主框架、内部设置有土样的试样盒、穿过试样盒的结构试样、用于固定结构试样的试样固定组件、用于带动结构试样上下移动的动力加载组件、用于记录结构试样的位移和/或受力情况的测量组件，位于试样盒内的结构试样四周与土样接触；该方法使用简单、操作方便、测量准确性高；本发明解决了现有技术中所存在的问题，能满足土与结构接触特性测定的要求，保证试验过程中结构处于土体之内，接触面面积恒定，可测定不同材质、形状、尺寸的结构物与不同土质之间接触特性，结果稳定可靠，更接近实际情况，且构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低。

Description

一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及土工试验装置技术领域，具体地说是一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置及使用方法。

背景技术

工程建设过程中因工程需要往往会采用多种多样的材料，不同材料之间存在着相互作用，接触关系是其中之一，如基坑工程中支护结构包括各种桩、锚杆、土钉等与各种土质间的接触，地基处理工程中各种桩与土的接触等。

不同材料与土之间的接触对其之间的相互作用有着重要影响，工程设计过程中也需要考虑材料接触特性的影响，如桩-土接触，桩-土接触关系直接影响到桩基的承载力；在桩土相互作用的数值计算中，确定接触面单元的力学参数也十分的重要，只有采用合适的接触参数，计算结果才能真实的反映工程实际情况。

目前，国内外已存在用于测定土与结构接触面力学特性的试验装置，包括直剪仪、单剪仪以及相关改进装置等，这些试验装置多是通过使土样沿着结构面移动，产生剪切位移，现有的试验装置存在以下缺点：

1、结构处在土体之外，仅结构平面与土体平面接触，与实际情况相差较大，且无法实现围压条件下土与结构接触面的研究；

2、结构往往置于土样盒之上，试验过程中结构与土样盒存在摩擦，导致试验结果失真；

3、为降低土样盒与结构间摩擦，土样盒与结构面之间存在较大间隙，导致循环试验过程中，土样损失严重，无法满足循环试验要求。

因此，开发一种测量土与结构接触面特性的试验装置，以解决现有技术中所存在的问题，具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述缺陷，本申请提供一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置及使用方法，具体采用如下技术方案：

一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置，包括：

主框架，其用于起支撑固定作用；

试样盒，其固定在所述主框架上，内部设置有土样；

结构试样，其穿过所述试样盒，位于试样盒内的结构试样四周与所述土样接触；

试样固定组件，其用于固定所述结构试样；

动力加载组件，其用于带动所述结构试样上下移动；

测量组件，其用于记录所述结构试样的位移和/或受力情况。

优选地，所述主框架包括底座、横梁、支撑柱、基座；所述支撑柱上设置有外螺纹，一端与所述底座固定连接，另一端通过调节螺母与所述横梁固定连接，所述横梁相对底座高度可调节；所述基座设置在所述底座上方，用于固定所述试样盒。

优选地，所述动力加载组件包括上部动力加载装置、下部动力加载装置、上部动力装置控制器、下部动力装置控制器；

所述上部动力加载装置固定在所述横梁上，所述下部动力加载装置固定在所述底座内。

优选地，所述试样盒包括盒体、外圈盖板、内圈盖板、底板、立柱；所述结构试样穿过所述内圈盖板和底板；

所述外圈盖板与所述内圈盖板固定连接；所述外圈盖板与所述底板通过立柱固定连接。

优选地，所述试样盒还包括进水孔、密封膜，所述进水孔设置在所述外圈盖板上，所述密封膜设置在所述试样盒内部，且上、下两端分别固定在盒体的顶端和底端，以形成用于充填水的闭合空腔。

优选地，所述试验装置还包括用于对所述土样施加围压的围压加载组件，所述围压加载组件包括围压水通道、围压控制器。

优选地，所述试样固定组件包括上部试样夹具、下部试样夹具，所述上部试样夹具、下部试样夹具分别通过固定螺栓与所述结构试样的上部和下部固定连接。

优选地，所述测量组件包括位移传感器、接触板，所述位移传感器一端固定在所述主框架上，另一端与所述接触板一端连接，所述接触板另一端固定在所述试样固定组件上。

优选地，测量组件还包括上部拉压传感器、下部拉压传感器，所述上部拉压传感器、下部拉压传感器的一端分别与所述动力加载组件连接，另一端分别与所述试样固定组件连接。

上述试验装置的使用方法，包括以下步骤：

101、根据结构试样的形状及尺寸，选定底板和内圈盖板，并将底板安装在基座上；

102、将密封膜穿过盒体，并将密封膜两端固定在盒体两端的凸起边缘处；

103、将安装好密封膜后的盒体下部固定在底板上，盒体上部与外圈盖板连接，通过立柱将底板、盒体、外圈盖板固定连接；

104、通过调节螺母调节横梁至合适高度后，将结构试样穿过试样盒，并通过试样固定组件进行下部固定；

105、通过进水孔向盒体与密封膜之间的闭合空腔注满水；

106、向试样盒内密封膜与结构试样之间装填土样，装填完成后，将内圈盖板通过固定螺栓与外圈盖板固定连接；

107、根据预先制定的结构试样运动方案，选定上部动力加载装置或下部动力加载装置，并将相应结构试样的一端固定；

108、根据预先制定的方案，通过围压控制器对土样施加围压，利用上部动力装置控制器或下部动力控制装置保证结构试样以一定速度移动，移动过程中通过位移传感器记录位移数据，通过上部拉压传感器或下部拉压传感器记录结构试样受力数据。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有技术中所存在的问题，能满足土与结构接触特性测定的要求，保证试验过程中结构处于土体之内，接触面面积恒定，可测定不同材质、不同形状、不同尺寸的结构物与不同土质之间的接触力学特性，试验结果稳定可靠，更接近接触特性实际情况，且构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低；

2)本发明通过试样盒、试样盒内部设置土样，以及试样固定组件、动力加载组件，实现结构的单向移动及往复循环移动，同时，通过测量组件，实现对接触面力学特性的测定；

3)本发明通过在试样盒内设置用于充填水的闭合空腔、及围压加载组件，能够测定在不同围压条件下结构单向移动及往复循环移动时的接触力学特性。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本公开一种实施例中用于测量土与结构接触面特性的试验装置的立体结构图；

图2是本公开一种实施例中用于测量土与结构接触面特性的试验装置的结构示意图；

图3是本公开一种实施例中内圈盖板的结构示意图；

图4是本公开一种实施例中外圈盖板的结构示意图；

图5是本公开一种实施例中盒体的结构示意图；

图6是本公开一种实施例中底板的结构示意图；

图7是本公开一种实施例中基座的结构示意图。

在以上附图中：101、支撑柱；102、调节螺母；103、横梁；104、基座；105、底座；201、外圈盖板；202、内圈盖板；203、底板；204、盒体；205、立柱；206、土样；207、固定螺栓；208、进水孔；209、密封膜；210、闭合空腔；300、结构试样；401、上部试样夹具；402、下部试样夹具；501、上部动力加载装置；502、下部动力加载装置；503、上部动力装置控制器；504、下部动力装置控制器；601、围压水通道；602、围压控制器；701、位移传感器；702、接触板；703、上部拉压传感器；704、下部拉压传感器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

如附图1和2所示，一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置，包括用于起支撑固定作用的主框架、内部设置有土样206的试样盒、穿过试样盒的结构试样300、用于固定结构试样300的试样固定组件、用于带动结构试样300上下移动的动力加载组件、用于记录结构试样300的位移和/或受力情况的测量组件，位于试样盒内的结构试样300四周与试样盒内土样206接触。

所述主框架包括底座105、横梁103、支撑柱101、基座104；所述支撑柱101上设置有外螺纹，一端与所述底座105固定连接，另一端通过调节螺母102与所述横梁103固定连接，通过调节螺母102可以调节所述横梁103相对底座105的高度；所述基座104设置在所述底座105上方，用于固定所述试样盒。

进一步的，所述支撑柱101的数量为2个或2个以上，以使得所述横梁103两侧分别固定在所述底座105上。

所述动力加载组件包括上部动力加载装置501、下部动力加载装置502、上部动力装置控制器503、下部动力装置控制器504，所述上部动力加载装置501与所述上部动力装置控制器503连接，所述下部动力加载装置502与所述下部动力装置控制器504连接。

所述上部动力加载装置501固定在所述横梁103上，所述下部动力加载装置502固定在所述底座105内，所述上部动力装置控制器503和下部动力装置控制器504分别控制上部动力加载装置501、下部动力加载装置502，进而控制所述结构试样300的上下移动，且移动速度可调节。

所述试样盒包括盒体204、外圈盖板201、内圈盖板202、底板203、立柱205；所述结构试样300穿过所述内圈盖板202和底板203。所述外圈盖板201通过固定螺栓207与所述内圈盖板202固定连接；所述外圈盖板201与所述底板203通过立柱205固定连接。

进一步的，如附图3所示，所述内圈盖板202和底板203可以根据所述结构试样300的形状及尺寸进行选择更换，以适应不同规格尺寸的结构试样300进行测量。

进一步的，所述立柱205上设置有外螺纹，所述外螺纹一端与所述底板203固定连接，另一端通过固定螺纹与所述外圈盖板201固定连接。

进一步的，所述立柱205的数量为2个或2个以上，以使得所述外圈盖板201的四周均匀固定在所述底板203上。

进一步的，所述试样盒还包括进水孔208、密封膜209，所述进水孔208设置在所述外圈盖板201上，如附图4所示，所述密封膜209设置在所述试样盒内部，且上、下两端分别固定在盒体204的顶端和底端，以形成用于充填水的闭合空腔210，所述闭合空腔210靠近试样盒四周的侧壁，所述土样206设置在所述结构试样300和密封膜209之间空隙。

进一步的，如附图5所示，所述盒体204为有机玻璃材质的桶状结构，上下底面均未闭合，在上下底面靠近轴线边缘设置，所述外圈盖板201底部和底板203顶部分别设置有与所述盒体204上下底面的凸起相对应凹槽。安装时，所述盒体204上下底面的凸起分别插入外圈盖板201底部和底板203顶部的凹槽，以便固定密封膜209。

进一步的，所述密封膜209为橡皮膜，提高所述闭合空腔210的密封性能。

进一步的，所述试验装置还包括用于对所述土样206施加围压的围压加载组件，所述围压加载组件包括围压水通道601、围压控制器602。

所述围压水通道601与所述围压控制器602连接，且穿过所述底板203与盒体204相连，如附图6和7所示；通过围压控制器602控制所述盒体204内水压，进而对所述土样206施加不同围压。

所述试样固定组件包括上部试样夹具401、下部试样夹具402，所述上部试样夹具401、下部试样夹具402分别通过固定螺栓与所述结构试样300的上部和下部固定连接。

进一步的，所述结构试样300通过固定螺栓固定在上部试样夹具401和/或下部试样夹具402的内部。

所述测量组件包括位移传感器701、接触板702，所述位移传感器701一端固定在所述主框架上，即固定在所述横梁103上，另一端与所述接触板702一端连接，所述接触板702另一端固定在所述试样固定组件上，即固定于所述上部试样夹具401上。

所述测量组件还包括上部拉压传感器703、下部拉压传感器704，所述上部拉压传感器703、下部拉压传感器704的一端分别与所述动力加载组件连接，另一端分别与所述试样固定组件连接，即所述上部拉压传感器703、下部拉压传感器704的一端分别与所述上部、下部动力加载装置连接，另一端分别与所述上部、下部试样夹具连接。

实施例2

基于上述实施例1，上述用于测量土与结构接触面特性的试验装置的使用方法，包括以下步骤：

101、根据结构试样300的形状及尺寸，选定底板203和内圈盖板202，并将底板203安装在基座104上；

102、将密封膜209穿过盒体204，并将密封膜209两端固定在盒体204两端的凸起边缘处；

103、将安装好密封膜209后的盒体204下部固定在底板203上，盒体204上部与外圈盖板201连接，通过立柱205将底板203、盒体204、外圈盖板201固定连接；

104、通过调节螺母102调节横梁103至合适高度后，将结构试样300穿过试样盒，并通过试样固定组件进行下部固定；

105、通过进水孔208向盒体204与密封膜209之间的闭合空腔210注满水；

106、向试样盒内密封膜209与结构试样300之间装填土样206，装填完成后，将内圈盖板202通过固定螺栓207与外圈盖板201固定连接，并通过试样固定组件将结构试样300的上部固定；

107、根据预先制定的结构试样300运动方案，选定上部动力加载装置501或下部动力加载装置502，并将相应结构试样300的一端固定；

108、根据预先制定的方案，通过围压控制器602对土样206施加围压，利用上部动力装置控制器503或下部动力控制装置保证结构试样300以一定速度移动，移动过程中通过位移传感器701记录位移数据，通过上部拉压传感器703或下部拉压传感器704记录结构试样300受力数据。

上述用于测量土与结构接触面特性的试验装置通过试样盒、试样盒内部设置土样206，以及试样固定组件、动力加载组件，实现结构的单向移动及往复循环移动，同时，通过测量组件，实现对接触面力学特性的测定；通过在试样盒内设置用于充填水的闭合空腔210、及围压加载组件，能够测定在不同围压条件下结构单向移动及往复循环移动时的接触力学特性。

通过将结构试样300穿过试样盒，结构试样300处于试样盒内部部分与土样206接触，通过对土样206外围水体施加压力进而对土样206施加围压，利用上、下部动力加载装置控制结构试样300上下移动，移动过程中利用位移及拉压传感器记录试验数据，从而实现对不同围压下结构试样300与土样206两种介质接触特性的测量，测试过程中土与结构接触面积保持固定，可实现结构试样300单向及往复移动，试验结果稳定可靠，更接近接触特性实际情况。

上述用于测量土与结构接触面特性的试验装置解决了现有技术中所存在的问题，能满足土与结构接触特性测定的要求，保证试验过程中结构处于土体之内，接触面面积恒定，可测定不同材质、不同形状、不同尺寸的结构物与不同土质之间的接触力学特性，且构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，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，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，包括：

主框架，其用于起支撑固定作用；

试样盒，其固定在所述主框架上，内部设置有土样(206)；

结构试样(300)，其穿过所述试样盒，位于试样盒内的结构试样(300)四周与所述土样(206)接触；

试样固定组件，其用于固定所述结构试样(300)；

动力加载组件，其用于带动所述结构试样(300)上下移动；

测量组件，其用于记录所述结构试样(300)的位移和/或受力情况。

2.根据权利要求1所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述主框架包括底座(105)、横梁(103)、支撑柱(101)、基座(104)；所述支撑柱(101)上设置有外螺纹，一端与所述底座(105)固定连接，另一端通过调节螺母(102)与所述横梁(103)固定连接，所述横梁(103)相对底座(105)高度可调节；所述基座(104)设置在所述底座(105)上方，用于固定所述试样盒。

3.根据权利要求2所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述动力加载组件包括上部动力加载装置(501)、下部动力加载装置(502)、上部动力装置控制器(503)、下部动力装置控制器(504)；

所述上部动力加载装置(501)固定在所述横梁(103)上，所述下部动力加载装置(502)固定在所述底座(105)内。

4.根据权利要求1所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述试样盒包括盒体(204)、外圈盖板(201)、内圈盖板(202)、底板(203)、立柱(205)；所述结构试样(300)穿过所述内圈盖板(202)和底板(203)；

所述外圈盖板(201)与所述内圈盖板(202)固定连接；所述外圈盖板(201)与所述底板(203)通过立柱(205)固定连接。

5.根据权利要求4所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述试样盒还包括进水孔(208)、密封膜(209)，所述进水孔(208)设置在所述外圈盖板(201)上，所述密封膜(209)设置在所述试样盒内部，且上、下两端分别固定在盒体(204)的顶端和底端，以形成用于充填水的闭合空腔(210)。

6.根据权利要求5所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括用于对所述土样(206)施加围压的围压加载组件，所述围压加载组件包括围压水通道(601)、围压控制器(602)。

7.根据权利要求1所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述试样固定组件包括上部试样夹具(401)、下部试样夹具(402)，所述上部试样夹具(401)、下部试样夹具(402)分别通过固定螺栓与所述结构试样(300)的上部和下部固定连接。

8.根据权利要求1所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述测量组件包括位移传感器(701)、接触板(702)，所述位移传感器(701)一端固定在所述主框架上，另一端与所述接触板(702)一端连接，所述接触板(702)另一端固定在所述试样固定组件上。

9.根据权利要求8所述的用于测量土与结构接触面特性的试验装置，其特征在于，所述测量组件还包括上部拉压传感器(703)、下部拉压传感器(704)，所述上部拉压传感器(703)、下部拉压传感器(704)的一端分别与所述动力加载组件连接，另一端分别与所述试样固定组件连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、根据结构试样(300)的形状及尺寸，选定底板(203)和内圈盖板(202)，并将底板(203)安装在基座(104)上；

102、将密封膜(209)穿过盒体(204)，并将密封膜(209)两端固定在盒体(204)两端的凸起边缘处；

103、将安装好密封膜(209)后的盒体(204)下部固定在底板(203)上，盒体(204)上部与外圈盖板(201)连接，通过立柱(205)将底板(203)、盒体(204)、外圈盖板(201)固定连接；

104、通过调节螺母(102)调节横梁(103)至合适高度后，将结构试样(300)穿过试样盒，并通过试样固定组件进行下部固定；

105、通过进水孔(208)向盒体(204)与密封膜(209)之间的闭合空腔(210)注满水；

106、向试样盒内密封膜(209)与结构试样(300)之间装填土样(206)，装填完成后，将内圈盖板(202)通过固定螺栓(207)与外圈盖板(201)固定连接；

107、根据预先制定的结构试样(300)运动方案，选定上部动力加载装置(501)或下部动力加载装置(502)，并将相应结构试样(300)的一端固定；

108、根据预先制定的方案，通过围压控制器(602)对土样(206)施加围压，利用上部动力装置控制器(503)或下部动力控制装置保证结构试样(300)以一定速度移动，移动过程中通过位移传感器(701)记录位移数据，通过上部拉压传感器(703)或下部拉压传感器(704)记录结构试样(300)受力数据。

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