CN114002087B - 温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度与应力独立控制的桩‑土界面剪切试验装置，包括带有循环U型管的模型桩、刚性内桶、刚性外桶、第一反力架、第二反力架、升降机构、温度控制系统和应力控制系统，所述带有循环U型管的模型桩穿过所述刚性内桶并放置在所述第一反力架上，所述第二反力架的支撑脚穿过所述第一反力架的底部空心部位而竖立在地面或支撑物体上。本发明还提供了一种温度与应力独立控制的桩‑土界面剪切试验方法。本发明的有益效果是：实现了分别控制桩和土的机械荷载和温度荷载情况下，产生桩‑土界面的相对位移，可以较好的模拟现场实际情况，可以更精准的测量桩‑土界面剪切强度、相对位移、桩身沉降与机械载荷、温度载荷之间的热力耦合关系。

Description

温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置与方法

技术领域

本发明涉及桩-土界面剪切试验装置，尤其涉及一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置与方法。

背景技术

现有的桩-土界面轴向剪切特性测试装置（如“CN203795487U一种用于锚或桩界面摩阻试验的试样制作装置”、“CN110359500A一种管桩-水泥土接触面制样装置以及接触面摩擦特性研究剪切试验装置和试验方法”、“CN103822875A一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法”、“CN107621410A一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置”）、桩-土界面直剪试验装置（如“CN112504870A一种直接测量不同温度下界面剪切强度的测试系统及方法”、“CN105910920A温控桩-土界面直剪试验装置”）都可以用来研究特定工况下的界面摩擦特性。下面对相关专利进行介绍：

三轴剪切类：

CN203795487U一种用于锚或桩界面摩阻试验的试样制作装置：该发明装置包括芯杆、与芯杆上端连接的接长杆、上对中器、下对中器、上对中器包括上盖等。该发明可以实现所述芯杆上端对中；所述下对中器包括底盘，一下半部分置于所述芯杆下端相连，使所述芯杆下端对中。采用本试样装置可以研究不同影响因素和复杂工况对桩-土界面摩阻性能的影响。

CN110359500A一种管桩-水泥土接触面制样装置以及接触面摩擦特性研究剪切试验装置和试验方法：该发明装置包括圆形模型箱、模型管桩-水泥土接触面试样、反力梁和加载电机。所述的圆形模型箱中心处放有模型管桩-水 泥土接触面试样，模型箱内部填筑有砂土，砂土内部放置土压力传感器；通过电机对模型管桩进行加载。

CN103822875A一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法：该发明装置中混凝土桩内预埋传热管并连接到温度控制系统，传力杆上设置有应力传感器和位移传感器，密封压力室连接到压力室温度循环控制系统，桩试样和压力室的温度循环控制系统均由密封容器、抽水泵和温度传感器组成。该方法利用温度循环控制系统将桩体和土体温度控制在设计值内，通过应力传感器和位移传感器测得能量桩桩-土接触面的摩擦应力。

CN107621410A一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置：该发明装置包括反力架、模型桶、模型桩、加载机构、恒温加热系统。该发明装置为考虑温度作用下的桩土界面试验模型装置适用于研究摩擦型桩在温度荷载下桩土界面特性变化。

直剪类：

CN112504870A一种直接测量不同温度下界面剪切强度的测试系统及方法：本发明提供的装置主要包括下剪切盒—测量装置、恒温水浴槽、加热制冷循环器以及加载装置四个部分，利用拉压应力传感器和孔隙水压力传感器作为结构物的内部高精度测量部件，给出了不同温度和粗糙度下结构物—土界面性质的测试及计算方法。

CN105910920A温控桩-土界面直剪试验装置：该发明装置包括桩周土体盒、桩体盒、温度循环系统、法向加载系统、侧向常刚度系统等，温度循环系统可以改变桩体的温度工况，法向加载系统控制桩体所受到的轴向力，侧向常刚度加载系统可以控制桩土界面的法向应力，再通过数据采集系统收集相关数据，从而研究温度场变化时桩-土界面附加温度应力监测试验及冷热循环后桩-土界面抗剪能力的变化规律。

目前的桩-土接触面摩擦力测试装置与现场实际情况仍有一定距离，在应用于能量桩的桩-土界面研究时存在一些问题。具体问题描述如下：

（1）关于温控三轴装置，桩试样被外侧土样包裹，放置在压力室内，通过往压力室注满液体并加压的方式对土样施加围压，因此土样受到的侧向荷载与竖向荷载是相同的。但在实际工程中，桩周围的土体将受到来自上部建筑物或者构筑产生的竖向载荷，实际上土体处于一个附加的竖向应力作用之下，现有装置无法较为准确模拟出这一实际情况。另外，现有三轴装置如“一种基于常规土工三轴仪的桩-土接触面摩擦力的测试装置及其测试方法”，无法考虑土体在完全侧限条件下静止土压力系数为恒定常数的情况。

（2）关于温控直剪仪装置，最大的问题在于剪切面，直剪试验中桩-土界面实际上是平面而非实际工程中的圆柱形界面，且桩与土体发生相对位移过程中，真实剪切面会发生改变：直剪试验剪切时上、下盒错开，受剪切面积逐渐减小，而在计算抗剪强度时仍取试验前的横截面积；直剪试验中剪切面上的正应力逐渐增大，而非定值。此外在剪切边界处也会发生应力集中等无法定量化描述的现象。

因此，如何提供一种桩-土界面剪切试验装置，可以较好的模拟现场实际情况，可以更精准的测量桩-土界面剪切强度、相对位移、桩身沉降与机械载荷、温度载荷之间的热力耦合关系，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置与方法。

本发明提供了一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，包括带有循环U型管的模型桩、刚性内桶、刚性外桶、第一反力架、第二反力架、升降机构、温度控制系统和应力控制系统，其中，所述带有循环U型管的模型桩穿过所述刚性内桶并放置在所述第一反力架上，所述第二反力架的支撑脚穿过所述第一反力架的底部空心部位而竖立在地面或支撑物体上，所述升降机构固定在地面或支撑物体上，所述第一反力架设置在所述升降机构上，所述刚性内桶、刚性外桶同轴设置，所述模型桩、刚性内桶之间填充有土体试样，通过所述第一反力架及应力控制系统控制模型桩应力，通过所述第二反力架及应力控制系统控制土体试样应力，所述刚性内桶、刚性外桶之间填充有传热液体，所述温度控制系统包括第一温度控制系统和第二温度控制系统，通过所述第一温度控制系统控制所述传热液体的温度，通过所述第二温度控制系统控制所述循环U型管内的液体的温度，通过所述升降机构推动第一反力架和模型桩同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移。

作为本发明的进一步改进，所述升降机构与所述第一反力架之间设有监测压力的压力传感器，所述土体试样内均布有监测土体试样温度的温度传感器，所述模型桩上均布有监测模型桩应变的应变片。

作为本发明的进一步改进，所述应力控制系统包括盖板、位移传感器、传力杆和气压加载装置，所述气压加载装置通过所述传力杆与所述盖板连接，所述位移传感器固定在所述盖板上。

作为本发明的进一步改进，所述应力控制系统至少有三个，分别为第一应力控制系统、第二应力控制系统和第三应力控制系统，所述第一应力控制系统的盖板、第二应力控制系统的盖板分别压紧在土体试样上，所述第三应力控制系统的盖板压紧在模型桩上，所述第一应力控制系统的气压加载装置、第二应力控制系统的气压加载装置分别固定在第二反力架上，所述第三应力控制系统的气压加载装置分别固定在第一反力架上。

作为本发明的进一步改进，所述刚性内桶的底部设有空心圆环，所述空心圆环与所述刚性内桶同轴设置，所述土体试样位于所述空心圆环上。

作为本发明的进一步改进，所述刚性内桶、刚性外桶之间构成了传热液体腔体，所述第一温度控制系统包括第一温控系统、进水管道和出水管道，所述第一温控系统通过所述进水管道与所述传热液体腔体的进水端连接，所述传热液体腔体的出水端通过所述出水管道与所述第一温控系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述第二温度控制系统包括第二温控系统，所述第二温控系统的进水口和出水口分别与所述循环U型管的两端连接。

作为本发明的进一步改进，所述升降机构为伺服电机装置。

作为本发明的进一步改进，所述模型桩为圆柱型柱，所述刚性内桶、刚性外桶均为圆桶。

作为本发明的进一步改进，所述刚性内桶、刚性外桶固定在地面或支撑物体上。

本发明还提供了一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验方法，基上述中任一项所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，进行以下步骤：

S1、制作带有循环U型管的模型桩，并将模型桩穿过刚性内桶放置在第一反力架上；

S2、将土体试样装入刚性内桶并击实至指定状态；

S3、通过第一温度控制系统控制传热液体的温度，从而控制土体试样的热边界条件；通过第二温度控制系统控制循环U型管内的液体的温度，从而控制模型桩的热条件；最终实现模型桩与土体试样的独立控制；

S4、通过所述第一反力架及应力控制系统控制模型桩应力，通过所述第二反力架及应力控制系统控制土体试样应力，；

S5、当土体试样和模型桩达到设定的应力和温度状态后，通过升降机构推动第一反力架和模型桩同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移，并量测对应的界面摩擦力。

本发明的有益效果是：实现了分别控制桩和土的机械荷载和温度荷载情况下，产生桩-土界面的相对位移，可以较好的模拟现场实际情况，可以更精准的测量桩-土界面剪切强度、相对位移、桩身沉降与机械载荷、温度载荷之间的热力耦合关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的方案。

图1是本发明一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置的示意图。

图2是本发明一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置的第一反架架的底部平面示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或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保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图2所示，一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，包括带有循环U型管5的模型桩（即桩体试样）17、刚性内桶11、刚性外桶9、第一反力架18、第二反力架19、升降机构25、温度控制系统和应力控制系统，其中，所述带有循环U型管5的模型桩17穿过所述刚性内桶11并放置在所述第一反力架18上，所述第二反力架19的支撑脚穿过所述第一反力架18的底部空心部位而竖立在地面或支撑物体上，所述升降机构25固定在地面或支撑物体上，所述第一反力架18设置在所述升降机构25上，所述刚性内桶11、刚性外桶9同轴设置，所述模型桩17、刚性内桶11之间填充有土体试样12，通过所述第一反力架18及应力控制系统控制模型桩17应力，通过所述第二反力架19及应力控制系统控制土体试样12应力，所述刚性内桶11、刚性外桶9之间填充有传热液体10，所述温度控制系统包括第一温度控制系统和第二温度控制系统，通过所述第一温度控制系统控制所述传热液体10的温度，通过所述第二温度控制系统控制所述循环U型管5内的液体的温度，通过所述升降机构25推动第一反力架18和模型桩17同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移。

所述应力控制系统包括盖板1、2、位移传感器3、4、传力杆6、7、8和气压加载装置22、23、24，所述气压加载装置22、23、24通过所述传力杆6、7、8与所述盖板1、2连接，所述位移传感器3、4固定在所述盖板1、2上。

所述应力控制系统至少有三个，分别为第一应力控制系统、第二应力控制系统和第三应力控制系统，所述第一应力控制系统的盖板1、第二应力控制系统的盖板分别压紧在土体试样12上，所述第三应力控制系统的盖板2压紧在模型桩17上，所述第一应力控制系统的气压加载装置22、第二应力控制系统的气压加载装置23分别固定在第二反力架19上，所述第三应力控制系统的气压加载装置24分别固定在第一反力架18上。

所述刚性内桶11的底部设有空心圆环13、14，所述空心圆环13、14与所述刚性内桶11同轴设置，所述土体试样12位于所述空心圆环13、14上。

所述刚性内桶11、刚性外桶9之间构成了传热液体腔体，所述第一温度控制系统包括第一温控系统20、进水管道15和出水管道16，所述第一温控系统20通过所述进水管道15与所述传热液体腔体的进水端连接，所述传热液体腔体的出水端通过所述出水管道16与所述第一温控系统20连接。

所述第二温度控制系统包括第二温控系统21，所述第二温控系统21的进水口和出水口分别与所述循环U型管5的两端连接。

所述升降机构25优选为伺服电机装置，所述模型桩17优选为圆柱型柱，所述刚性内桶11、刚性外桶9均优选为圆桶。

所述升降机构25与所述第一反力架18之间设有压力传感器26，所述土体试样12内均布有温度传感器28，所述模型桩17上均布有应变片27。

所述刚性内桶11、刚性外桶9固定在地面或支撑物体上。

本发明提供的一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置的具体试验过程为：

1、制作带有循环U型管5的模型桩17，并将模型桩17穿过刚性内桶11放置在第一反力架18上（注：第一反力架18与第二反力架19没有固定在一起，第二反力架19的支撑穿过第一反力架18下底部空心部位），再将准备好的土体试样12装入刚性内桶11，小心击实土体试样12到指定状态。

2、温度控制：通过第一温度控制系统调节传热液体10的温度，从而控制土体试样12的热边界条件；通过第二温度控制系统改变模型桩17中循环U型管5中的水温，从而控制桩体的热条件，最终实现桩身与土体的温度的独立控制。

3、通过应力控制系统控制土体试样12上的应力，例如土体试样12为黏土时，剪切前对黏土进行不同压力下的固结，固结完成后可以通过应力控制系统控制土体的竖向荷载，从而控制黏土的超固结比OCR。

4、桩身应力控制下的界面剪切：通过桩顶的应力控制系统给桩施加载荷以改变桩身应力，在桩体处于一定的应力状态后，通过桩底和第一反力架18下面的伺服电机装置推动桩体、应力控制系统和第一反力架18同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移，并量测对应的界面摩擦力。

本发明提供的一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，具有以下优点：

1、在实际（能量）桩基工程中，桩身实际上是处于一定的竖向应力状态之下的，以往能量桩的桩-土界面试验装置无法考虑这一实际情况，为了研究服役状态下的桩-土界面真实特性，发明制作本仪器。本发明可以实现分别控制桩和土的机械荷载和温度荷载情况下，产生桩-土界面的相对位移。

2、该发明与已有的基于直剪仪和三轴仪改造的装置相比，可以通过分别对土样、模型桩施加竖向力更加直观地反应现场工况中的桩土应力比。

3、该发明具备控制黏土超固结比OCR的功能，可以用于探究固结土和超固结土的桩-土界面特性差异，亦可以用于考虑应力历史的影响。

本发明提出了一种新型的测量能量桩的桩-土界面的荷载传递特性的实验室试验装置，可以独立控制桩与土的应力状态和温度，可用于精准测量桩-土界面剪切强度、相对位移、桩身沉降与机械载荷、温度载荷之间的热力耦合关系。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：包括带有循环U型管的模型桩、刚性内桶、刚性外桶、第一反力架、第二反力架、升降机构、温度控制系统和应力控制系统，其中，所述带有循环U型管的模型桩穿过所述刚性内桶并放置在所述第一反力架上，所述第二反力架的支撑脚穿过所述第一反力架的底部空心部位而竖立在地面或支撑物体上，所述升降机构固定在地面或支撑物体上，所述第一反力架设置在所述升降机构上，所述刚性内桶、刚性外桶同轴设置，所述模型桩、刚性内桶之间填充有土体试样，通过所述第一反力架及应力控制系统控制模型桩应力，通过所述第二反力架及应力控制系统控制土体试样应力，所述刚性内桶、刚性外桶之间填充有传热液体，所述温度控制系统包括第一温度控制系统和第二温度控制系统，通过所述第一温度控制系统控制所述传热液体的温度，通过所述第二温度控制系统控制所述循环U型管内的液体的温度，通过所述升降机构推动第一反力架和模型桩同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移, 所述升降机构与所述第一反力架之间设有监测压力的压力传感器，所述土体试样内均布有监测土体试样温度的温度传感器，所述模型桩上均布有监测模型桩应变的应变片，所述应力控制系统包括盖板、位移传感器、传力杆和气压加载装置，所述气压加载装置通过所述传力杆与所述盖板连接，所述位移传感器固定在所述盖板上，所述应力控制系统至少有三个，分别为第一应力控制系统、第二应力控制系统和第三应力控制系统，所述第一应力控制系统的盖板、第二应力控制系统的盖板分别压紧在土体试样上，所述第三应力控制系统的盖板压紧在模型桩上，所述第一应力控制系统的气压加载装置、第二应力控制系统的气压加载装置分别固定在第二反力架上，所述第三应力控制系统的气压加载装置固定在第一反力架上，所述刚性内桶的底部设有空心圆环，所述空心圆环与所述刚性内桶同轴设置，所述土体试样位于所述空心圆环上。

2.根据权利要求1所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：所述刚性内桶、刚性外桶之间构成了传热液体腔体，所述第一温度控制系统包括第一温控系统、进水管道和出水管道，所述第一温控系统通过所述进水管道与所述传热液体腔体的进水端连接，所述传热液体腔体的出水端通过所述出水管道与所述第一温控系统连接。

3.根据权利要求1所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：所述第二温度控制系统包括第二温控系统，所述第二温控系统的进水口和出水口分别与所述循环U型管的两端连接。

4.根据权利要求1所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：所述升降机构为伺服电机装置。

5.根据权利要求1所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：所述模型桩为圆柱型柱，所述刚性内桶、刚性外桶均为圆桶。

6.根据权利要求1所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，其特征在于：所述刚性内桶、刚性外桶固定在地面或支撑物体上。

7.一种温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的温度与应力独立控制的桩-土界面剪切试验装置，进行以下步骤：

S1、制作带有循环U型管的模型桩，并将模型桩穿过刚性内桶放置在第一反力架上；

S2、将土体试样装入刚性内桶并击实至指定状态；

S3、通过第一温度控制系统控制传热液体的温度，从而控制土体试样的热边界条件；通过第二温度控制系统控制循环U型管内的液体的温度，从而控制模型桩的热条件；最终实现模型桩与土体试样的独立控制；

S4、通过所述第一反力架及应力控制系统控制模型桩应力，通过所述第二反力架及应力控制系统控制土体试样应力；

S5、当土体试样和模型桩达到设定的应力和温度状态后，通过升降机构推动第一反力架和模型桩同时向上移动，从而产生桩-土界面的相对位移，并量测对应的界面摩擦力。

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