CN114965011A - 试样帽、中空扭转界面剪切三轴仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种试样帽、中空扭转界面剪切三轴仪及测试方法，所述试样帽包括：试样帽基座和与所述试样帽基座固定连接的环形板，所述环形板用于与土样接触形成土‑结构界面；所述试样帽基座呈空心圆筒状，所述试样帽基座的筒壁内部设有排水管路，所述环形板上开设有通孔，所述排水管路靠近所述环形板的一端与所述通孔对应，所述排水管路远离所述环形板的一端用于连接界面孔压体变测量控制器。本发明可以准确获得界面孔隙水压力发展规律，更全面探究剪切速率、结构物粗糙度、循环荷载频率、循环应力比等参数对界面力学特性尤其是孔隙水压力特性的影响。

Description

试样帽、中空扭转界面剪切三轴仪及测试方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及一种试样帽、中空扭转界面剪切三轴仪及测试方法。

背景技术

饱和土与结构界面力学行为是土与结构相互作用研究中的重要组成内容。结构对土体的约束使得界面区域的力学性质与其它区域土体不同，而界面的力学响应又会对结构的受力变形造成重要影响。目前研究主要采用单剪、直剪和扭剪等试验手段，探讨了无黏性土和钢、混凝土、土工合成材料，以及黏土与混凝土、钢之间的接触特性。然而这些研究使用的直剪仪、单剪仪等装置均通过剪切速率来近似模拟不同的排水条件，存在一些明显不足：如无法精确控制实际试验过程中的排水状态，也无法准确反映剪切速率对界面强度特性的影响，由于缺乏乳胶膜等封闭装置也无法精确测量剪切过程中的孔压变化，而且剪切盒对土样约束作用强，可能会导致界面应力、变形不均匀。

经对现有技术文献检索发现：

申请号：202110779192.0，发明名称：一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，申请公布号：CN 113640213 A，申请公布日2021.11.12，该方法公开了一种智能化自旋式空心圆柱界面剪切仪及其测试方法，用以解决直剪试验中不能够测试孔隙水压力及只能够进行小位移条件下界面摩擦力的不足，解决环剪仪中不能够测试复杂应力条件下不同岩土体界面摩擦力和只能使用平均剪应力和剪切位移的不足。该专利核心原理为空心圆柱土体试样内部穿插一实心圆柱，通过扭转实心圆柱实现界面剪切。该方法虽然引入了孔隙水压力测量，但是测得空心圆柱试样底部孔压，而不是与实心圆柱界面上的孔压，对于渗透系数低的黏性土试样，其底部孔压与界面位置处孔压发展并不完全一致，误差较大。此外，该测试方法只能进行静力剪切，无法实现进行界面动力剪切试验。

综上所述，对于饱和土-结构物界面，内部孔隙水压力对界面力学性质有不可忽视的影响，现有试验方法尚未对孔隙水压力影响下的土和结构界面静动力学行为进行全面研究，无法准确控制土样的排水条件，直接套用已有试验结果会造成对实际情况的误判，带来安全风险。因此需要引入新的试验手段和方法来对土-结构界面静动力学特性进行深入研究，准确获得界面孔隙水压力发展规律，探究剪切速率、结构物粗糙度、循环荷载频率、循环应力比等参数对界面力学特性尤其是孔隙水压力特性的影响，更好地指导工程实践。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种试样帽、中空扭转界面剪切三轴仪及测试方法。

本发明试通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，包括：试样帽基座和与所述试样帽基座固定连接的环形板，所述环形板用于与土样接触形成土-结构界面；

所述试样帽基座呈空心圆筒状，所述试样帽基座的筒壁内部设有排水管路，所述环形板上开设有通孔，所述排水管路靠近所述环形板的一端与所述通孔对应，所述排水管路远离所述环形板的一端用于连接界面孔压体变测量控制器。

进一步地，所述排水管路的直径与所述通孔的孔径相同；所述通孔内填设有透水石，所述透水石上覆盖有滤纸。

进一步地，所述环形板的表面粗糙度根据模拟的工程结构物确定。

进一步地，所述环形板通过螺栓与所述试样帽基座固定连接；所述环形板与所述试样帽基座之间设有密封垫片。

进一步地，所述试样帽基座的材质为铝合金。

根据本发明的第二方面，提供一种中空扭转界面剪切三轴仪，包括：

用于提供支撑作用的底座；

设于所述底座上的腔室，所述腔室包括内围压室和外围压室，试样安装于所述内围压室和所述外围压室之间，所述试样的底部连接试样孔压体变测量控制器；

上述的试样帽，盖合于所述试样上方且与所述试样接触形成土-结构界面；所述试样帽的上端连接有轴力扭矩传感器、竖向伺服加载系统和扭转伺服加载系统；所述排水管路的一端连通试样，所述排水管路的另一端连接界面孔压体变测量控制器；

用于测量和控制试样外围压的外围压测量控制器，所述外围压测量控制器与所述外围压室相连接；

用于测量和控制试样内围压的内围压测量控制器，所述内围压测量控制器与所述内围压室相连接；

数据采集模块，用于采集界面孔压体变数据、试样孔压体变数据、外围压数据和内围压数据；

控制模块，分别与所述数据采集模块、所述轴力扭矩传感器、所述竖向伺服加载系统和所述扭转伺服加载系统连接。

进一步地，所述竖向伺服加载系统和所述扭转伺服加载系统均采用气缸进行伺服控制，利用电空变换器调整气缸压力从而实现加载。

进一步地，所述扭转伺服加载系统通过设置波形为正弦波、三角波和矩形波中的任意一种，以及变化频率为0.01-10Hz，实现对土-结构界面进行循环加载。

根据本发明的第三方面，提供一种利用上述的中空扭转界面剪切三轴仪进行的界面力学特性测试方法，该方法包括：

准备试样，并将所述试样安装于三轴仪的腔室中，所述试样呈中空圆柱状，且所述试样的内部和外部均包裹乳胶膜，将试样帽安装到所述试样上方，所述试样帽与所述试样接触形成土-结构界面；

对试样进行饱和处理，然后对内围压室和外围压室同时施加相等压力，并通过竖向伺服加载系统施加竖向压力，对试样进行固结处理；

通过扭转伺服加载系统进行界面力学特性剪切试验，获得界面力学特性参数。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

1、本发明能够根据界面力学特性，只需要更换试样帽的环形板，就可以针对常法向应力条件下不同结构物粗糙度情况下界面排水或不排水动静力学特性进行研究，试验原理简单，操作方便，易于实现。

2、本发明利用中空扭转三轴仪的孔压体变测量控制器可以测量界面孔隙水压力或体积变化；剪切过程中界面尺寸不变，试样不受刚性剪切盒约束，界面附近土体应力和变形更均匀，更加适合工程和设计需要；能够更全面探究剪切速率、结构物粗糙度、循环荷载频率、循环应力比等参数对界面力学特性尤其是孔隙水压力特性的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的试样帽的结构示意图；

图2为本发明一实施例的中空扭转界面剪切三轴仪的结构示意图。

图中：1为竖向伺服加载系统，2为扭转伺服加载系统，3为轴力扭矩传感器，4为试样帽基座，41为排水管路，5为环形板，51为通孔，6为试样，7为乳胶膜，8为底座，9为试样孔压体变测量控制器，10为界面孔压体变测量控制器，11为外围压测量控制器，12为内围压测量控制器，13为数据采集模块，14为控制模块，15为内围压室，16为外围压室。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本发明一实施例提供的用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，参照图1，试样帽包括：试样帽基座4和与试样帽基座4固定连接的环形板5，环形板5用于与试样(土样)6接触形成土-结构界面；试样帽基座4呈空心圆筒状，试样帽基座4的筒壁内部设有排水管路41，环形板5上开设有通孔51，排水管路41靠近环形板5的一端与通孔51对应，排水管路41远离环形板5的一端用于连接界面孔压体变测量控制器10。

本发明实施例采用模块化设计试样帽，试样帽包括试样帽基座4和与试样帽基座4固定连接的环形板5。试样帽上部用于与轴力扭矩传感器3连接，并可以通过加载杆连接竖向伺服加载系统1和扭转伺服加载系统2，试样帽内部有排水管路41连接压力体积控制器，试样帽下部与土样接触形成土-结构界面，只需更改环形板(加载板)即可实现不同试验工况的测试。采用该试样帽进行的相关测试方法可更全面探究剪切速率、结构物粗糙度、循环荷载频率、循环应力比等参数对界面力学特性尤其是孔隙水压力特性的影响。

为传递界面的孔隙水压力和体积变化，在一些优选的实施例中，排水管路41的直径与通孔51的孔径相同，例如，试样帽基座4钻有直径为2mm的排水管路41，环形板5上钻有一直径2mm的通孔51，通孔51位置对应于试样帽基座4的排水管路41。进一步地，为防止土颗粒进入排水管路41，通孔51内填设有透水石，透水石上覆盖有滤纸。

为便于加工并保证表面性质的稳定性，在一些优选的实施例中，环形板5可以采用环形钢板，环形板5的表面粗糙度根据模拟的工程结构物确定，可按照需要对环形板5进行定制，以满足实际工程要求。

进一步地，为调节环形钢板的表面粗糙度，环形钢板的表面可以采用铣槽、喷砂和环氧树脂覆盖等方式处理。具体地，环形钢板的表面采用环氧树脂进行处理，可模拟经过涂层处理后的海底管线，粗糙度一般在0.1-1μm；通过喷砂方式能够使结构物粗糙度在1-10μm，模拟未经过涂层处理的管线表面以及像海底锚、管桩、沉垫基础等结构物；通过铣槽处理，可以获得10μm以上高粗糙度的环形钢板。

在其他的一些实施例中，环形板5还可以采用满足粗糙度要求的混凝土板、亚克力板，或者根据实际需要选择其他种类的板材材质，只要能够实现与本发明实施例中相同的功能即可。

为保证环形板5与试样帽基座4之间的连接稳固可靠，在一些优选的实施例中，环形板5和试样帽基座4上设有对应的螺栓孔位，环形板5通过螺栓与试样帽基座4固定连接；环形板5与试样帽基座4之间设有密封垫片，以防止土体孔隙水渗入其中，影响孔压准确测量。

为减轻自重，在一些优选的实施例中，试样帽基座4的材质为铝合金，尤其对于低应力状态下的试样6，可以使施加荷载更准确。当然，在其他的一些实施例中，试样帽基座4还可以采用其他材质，只要能够实现与本发明实施例中相同的功能即可。

本发明实施例还提供一种中空扭转界面剪切三轴仪，参照图2，该三轴仪包括：用于提供支撑作用的底座8；设于底座8上的腔室，腔室包括内围压室15和外围压室16，试样6安装于内围压室15和外围压室16之间，试样6的底部连接试样孔压体变测量控制器9；上述实施例中的试样帽，盖合于试样6上方且与试样6接触形成土-结构界面；试样帽的上端连接有轴力扭矩传感器3、竖向伺服加载系统1和扭转伺服加载系统2，通过轴力扭矩传感器3测量剪切过程中试样帽所受到的轴力和扭矩，可以获得土-环形板界面的法向应力和剪应力；排水管路41的一端连通试样6，排水管路41的另一端连接界面孔压体变测量控制器10；用于测量和控制试样外围压的外围压测量控制器11，外围压测量控制器11与外围压室16相连接；用于测量和控制试样内围压的内围压测量控制器12，内围压测量控制器12与内围压室15相连接；数据采集模块13，用于采集界面孔压体变数据、试样孔压体变数据、外围压数据和内围压数据；控制模块14，分别与数据采集模块13、轴力扭矩传感器3、竖向伺服加载系统1和扭转伺服加载系统2连接。

在一些优选的实施例中，竖向伺服加载系统1和扭转伺服加载系统均采用气缸进行伺服控制，利用电空变换器调整气缸压力从而实现加载。竖向伺服加载系统1可以根据外部荷载自动调整气缸压力，从而能够平衡试样6上部仪器构件如加载杆、试样帽的自重，并在试验过程中，控制土-结构界面法向应力保持恒定，实现界面常法向应力边界条件。

扭转伺服加载系统通过位移控制或者应力控制对界面进行加载。扭转伺服加载系统既可以实现多应变速率下的静力加载，也可以对界面进行循环加载，扭转伺服加载系统通过设置峰值和频率两个参数让扭矩(转角)实现循环变化，在一些优选的实施例中，扭转伺服加载系统通过设置波形为正弦波、三角波和矩形波中的任意一种，以及变化频率为0.01-10Hz，实现对界面进行循环加载。

本发明实施例还提供一种利用上述实施例中的中空扭转界面剪切三轴仪进行的界面力学特性测试方法，包括：

S1、准备试样6，并将试样6安装于三轴仪的腔室中，试样呈中空圆柱状，且试样6的内部和外部均包裹乳胶膜7，将试样帽安装到试样6上方，试样帽与试样6接触形成土-结构界面。试样6内部和外部均有乳胶膜包裹，关闭排水阀门后，可以保证完全不排水的状态，能够更准确地控制排水条件。

制作试验所需要的黏土或砂土中空扭转三轴试样(或土样)，试样为空心圆柱体状，如高度100mm，外径100mm，内径60mm的空心圆柱体状。试样6内部和外部都包裹乳胶膜7，以实现界面孔隙水压力或体积变化测量。步骤S1具体包括：

S11、将选定的一定粗糙度的环形板5和用于防水的密封垫片安装在试样帽基座4上，注意环形板5的通孔51与试样帽基座4内部的排水管路41相对应。环形板5的表面采用环氧树脂进行处理，可模拟经过涂层处理后的海底管线，粗糙度一般在0.1-1μm；通过喷砂方式能够使结构物粗糙度在1-10μm，模拟未经过涂层处理的管线表面以及像海底锚、管桩、沉垫基础等结构物；通过铣槽处理，可以获得10μm以上高粗糙度的环形钢板。在优选实施例中，钢板粗糙度确定为1μm。

S12、制作和安装空心圆柱体状的试样。

当土体属性为黏性土时，制样方法为：

(1)取出原状或重塑后的黏性土样，将土样切成所需要尺寸的空心圆柱体，切割时一定要注意在进行内孔切割时减少对试样的扰动；

(2)将内乳胶膜套在下部的底座8上，然后将底座8安装到三轴仪上。

(3)将切割好的空心圆柱黏土试样，安放到下部底座8上，并将内乳胶膜从圆柱空心处伸出。

(4)外乳胶膜安装到负压式对开承膜筒上，对承膜筒抽真空，使外乳胶膜紧贴承膜筒内壁，并将承膜筒套在试样6上。

(5)将试样帽安装到试样6上，此时应注意避免试样帽自重对试样产生扰动，将内外乳胶膜上部用橡胶环分别箍在试样帽上，外乳胶膜下部箍在底座8上，试样安装完成。

当土体属性为砂土时，制样方法为：

(1)将内乳胶膜套在下部底座8上，并用橡胶环箍紧密封，然后将底座8安装到围压室内。

(2)将内乳胶膜竖向拉直，将两对支撑板依次的装入内膜里，并将内膜上端固定在支撑板上，这是为了保证内膜能紧贴支撑板，方便后续装填砂样。

(3)将外乳胶膜套到圆形底座8的外围，并用两个箍圈将外膜套紧；在外乳胶膜外面安装负压式对开模，让乳胶膜上部翻转箍在对开模端部。

(4)对对开模抽真空，使外乳胶膜紧贴在对开模上，模具中内外乳胶膜之间形成空心圆柱形空间。

(5)将烘干处理的砂样，均匀分为五等份，分层填入模具内。在装砂的过程中，一定要慢慢的均匀的放砂；并根据试验所需砂土相对密实度，控制击实力度和次数。

(6)取出组装好的试样帽，慢慢的将其穿过包裹内膜的支撑板组成的圆柱直至安装在试样的顶部，然后将内外乳胶膜分别从支撑板和对开模上翻下，内外乳胶膜上部用橡胶环分别箍在试样帽上，试样6安装完成。

S13、安装好试样6和试样帽后，打开上下排水即试样孔压体变测量控制器9和界面孔压体变测量控制器10的管路，对试样施加一定的负压，使试样整体有一定强度，然后将试样帽与仪器上部加载装置连接，其中加载装置包括轴力扭矩传感器3、竖向伺服加载系统1和扭转伺服加载系统2。

S2、对试样进行饱和处理，然后对内围压室15和外围压室16同时施加相等压力，并通过竖向伺服加载系统1施加竖向压力，对试样进行固结处理。安装好的试样，采用水头饱和、反压饱和等方式对试样进行饱和，砂土试样还需进行通二氧化碳饱和，试样饱和度需满足B值大于95％。试样饱和后，对内外围压室同时施加相等压力，并通过竖向伺服加载系统1施加竖向压力，可根据仪器程序对试样进行等向固结或K0固结，固结完成后的试样可以进行剪切试验。

具体地，在完成试样安装后，根据规范要求，完成内外压力室注水，并将仪器加载杆与竖向伺服加载系统1连接，此时可对试样进行后续固结操作。空心圆柱试样有内外两个压力室，可分别为试样提供内围压和外围压。固结时，应根据选定的固结压力，同时分级施加内外围压，以减少试样扰动和避免因内外压力不均衡引起的试样胀缩。竖向伺服加载系统1可以根据轴力扭矩传感器3实时采集作用在界面上的应力情况，对竖向应力进行调整，以满足等向固结或K0固结要求。

S3、通过扭转伺服加载系统进行界面力学特性剪切试验，获得界面力学特性参数。

在对界面进行扭转试验时，内外乳胶膜也会随结构物和土体之间相对转动而发生变形，会对界面抗剪强度、孔压或体积变化产生影响，因此需对乳胶膜影响进行修正。修正方法为：制作空心圆柱橡胶试样，橡胶试样上部有特氟龙涂层并涂抹减阻润滑剂；对试样帽预制环形钢板进行抛光，然后粘贴特氟龙膜并涂抹减阻润滑剂。根据黏土试样安装方法，将橡胶试样与试样帽安装到仪器中，并进行饱和固结过程。根据修正经验，可以假定，在扭转过程中的界面阻力完全由内外乳胶膜提供，扭转过程中界面的孔压或体积变化也由内外乳胶膜扭转时变形引起。在不同围压进行修正试验，可以获得内外乳胶膜对界面抗剪强度、孔压、体变的影响规律，拟合分析后面抗剪强度、孔压、体变与固结压力、剪切位移(转角)之间的数学表达式，从而对黏土、砂土与钢板界面的中控扭转剪切试验结果进行修正。

通过扭转伺服加载系统2，对土和环形板界面进行排水或者不排水剪切，剪切模式可以单调加载也可循环加载。根据界面力学特性，只需要采用不同的环形板，就可以针对常法向应力条件下不同结构物粗糙度情况下界面排水或不排水动静力学特性进行研究，试验原理简单，操作方便，易于实现。剪切过程中界面尺寸不变，试样不受刚性剪切盒约束，界面附近土体应力和变形更均匀，更加适合工程和设计需要。

体积变化和孔压变化可以直接根据仪器中压力体积控制器测量，仪器可以采集剪应力、剪切位移、法向应力，进而可以根据规范GB-T50123-2018求得摩擦角。

基于中空扭转界面剪切仪加载系统，可以实现控制界面静力剪切试验的加载速率，循环剪切的荷载频率和循环应力比。通过改变环形板粗糙度，可以进行不同粗糙度下的界面剪切试验。在试验过程中，可以测得界面孔隙水压力的变化，因此可以探究上述参数对界面孔隙水压力的影响。

因此，在对乳胶膜影响进行修正后，通过本发明实施例中的测试方法，可以获得不同粗糙度下，土体与环形板的界面摩擦角，剪切过程中的界面孔压发展规律或者体积变化规律，剪应力-剪切位移关系，并可分析循环应力比、荷载频率、剪切速率等因素对界面力学特性影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (9)

1.一种用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，其特征在于，包括：试样帽基座和与所述试样帽基座固定连接的环形板，所述环形板用于与土样接触形成土-结构界面；

所述试样帽基座呈空心圆筒状，所述试样帽基座的筒壁内部设有排水管路，所述环形板上开设有通孔，所述排水管路靠近所述环形板的一端与所述通孔对应，所述排水管路远离所述环形板的一端用于连接界面孔压体变测量控制器。

2.根据权利要求1所述的用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，其特征在于，所述排水管路的直径与所述通孔的孔径相同；所述通孔内填设有透水石，所述透水石上覆盖有滤纸。

3.根据权利要求1所述的用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，其特征在于，所述环形板的表面粗糙度根据模拟的工程结构物确定。

4.根据权利要求1所述的用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，其特征在于，所述环形板通过螺栓与所述试样帽基座固定连接；所述环形板与所述试样帽基座之间设有密封垫片。

5.根据权利要求1所述的用于中空扭转界面剪切三轴仪的试样帽，其特征在于，所述试样帽基座的材质为铝合金。

6.一种中空扭转界面剪切三轴仪，其特征在于，包括：

用于提供支撑作用的底座；

设于所述底座上的腔室，所述腔室包括内围压室和外围压室，试样安装于所述内围压室和所述外围压室之间，所述试样的底部连接试样孔压体变测量控制器；

权利要求1-5任一项所述的试样帽，盖合于所述试样上方且与所述试样接触形成土-结构界面；所述试样帽的上端连接有轴力扭矩传感器、竖向伺服加载系统和扭转伺服加载系统；所述排水管路的一端连通试样，所述排水管路的另一端连接界面孔压体变测量控制器；

用于测量和控制试样外围压的外围压测量控制器，所述外围压测量控制器与所述外围压室相连接；

用于测量和控制试样内围压的内围压测量控制器，所述内围压测量控制器与所述内围压室相连接；

数据采集模块，用于采集界面孔压体变数据、试样孔压体变数据、外围压数据和内围压数据；

控制模块，分别与所述数据采集模块、所述轴力扭矩传感器、所述竖向伺服加载系统和所述扭转伺服加载系统连接。

7.根据权利要求6所述的中空扭转界面剪切三轴仪，其特征在于，所述竖向伺服加载系统和所述扭转伺服加载系统均采用气缸进行伺服控制，利用电空变换器调整气缸压力从而实现加载。

8.根据权利要求6所述的中空扭转界面剪切三轴仪，其特征在于，所述扭转伺服加载系统通过设置波形为正弦波、三角波和矩形波中的任意一种，以及变化频率为0.01-10Hz，实现对土-结构界面进行循环加载。

9.一种利用权利要求6-8任一项所述的中空扭转界面剪切三轴仪进行的界面力学特性测试方法，其特征在于，包括：

准备试样，并将所述试样安装于三轴仪的腔室中，所述试样呈中空圆柱状，且所述试样的内部和外部均包裹乳胶膜，将试样帽安装到所述试样上方，所述试样帽与所述试样接触形成土-结构界面；

对试样进行饱和处理，然后对内围压室和外围压室同时施加相等压力，并通过竖向伺服加载系统施加竖向压力，对试样进行固结处理；

通过扭转伺服加载系统进行界面力学特性剪切试验，获得界面力学特性参数。

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