CN210923345U - 扭剪法界面特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种扭剪法界面特性试验装置。本实用新型的目的是提供一种结构简单、操作方便的扭剪法界面特性试验装置。本实用新型的技术方案是：一种扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：具有用于装载试样的装样容器和用于与试样进行界面剪切试验的圆钢棒，所述圆钢棒埋于装样容器的试样内，该圆钢棒经同轴连接的竖杆连接旋转驱动机构，所述装样容器上方设有能对装样容器内的土样施加竖向压力的加压机构。本实用新型适用于室内测试设备设计技术领域。

Description

扭剪法界面特性试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种扭剪法界面特性试验装置。适用于室内测试设备设计技术领域。

背景技术

土与结构的相互作用是岩土工程的重要问题之一，比如桩土之间的相互作用，而土体与结构物界面之间的接触特性是界面剪切特性。目前应用于界面剪切特性研究的方法有直剪法和环剪法。

(1)直剪法：通过直剪仪来实现界面特性试验，剪切盒分上、下盒，分别装土样与模拟粗糙度的界面材料，上、下剪切盒之间留有一定间隙的剪切缝，施加垂直荷载与水平荷载，使接触面发生剪切错动。

直剪法虽然设备简单，但界面剪切位移小，位移大时会存在偏心荷载甚至是倾覆荷载，受力面积也随着变小，因此，无法实现大剪切位移的界面特性试验。而且，剪切缝的预留大小也存在不确定性，跟土样性质有关，预留缝大了会存在土样剪损，预留缝小了会存在界面受约束或尺寸效应。

(2)环剪法：通过环剪仪来实现界面特性试验，剪切盒为环形，对环形土样与模拟粗糙度的界面材料进行扭转剪切，可实现保持接触面剪切面积不变、法向应力恒定的大位移界面剪切试验。

环剪法是国外推荐的试验方法，可以实现界面的大剪切位移，但该试验需要进口的环剪仪，价格相对而言昂贵，且试验操作较为复杂，难以普及。环剪法与直剪法一样需要预留剪切缝，尤其是对软土试样，减损严重时需重新调整剪切缝宽度，为试验的操作增加了困难性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、操作方便的扭剪法界面特性试验装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：具有用于装载试样的装样容器和用于与试样进行界面剪切试验的圆钢棒，所述圆钢棒埋于装样容器的试样内，该圆钢棒经同轴连接的竖杆连接旋转驱动机构，所述装样容器上方设有能对装样容器内的土样施加竖向压力的加压机构。

所述装样容器置于底座上，装样容器经若干布置于其周围的若干竖直螺纹杆固定于底座。

所述加压机构具有支撑板和与所述装样容器形状大小相适配的加压板，其中支撑板接于所述竖直螺纹杆上，所述加压板经若干均匀分布的弹簧固定于所述支撑板下端。

所述加压板制有若干导向杆，所述支撑板上对应加压板上的导向杆制有导向孔。

所述弹簧采用两种型号，一种弹簧的线径2mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝8.7702N/mm；另一种弹簧的线径3mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝61.2980N/mm。

所述圆钢棒的顶部位于所述装样容器内试样的中心位置。

对应所述装载试样内的试样设有用于测量试样顶面竖向位移的位移测量机构。

所述位移测量机构具有加长触针的百分表。

所述圆钢棒具有不同粗糙度的多根，根据试验需要替换使用。

一种应用所述试验装置进行试验的方法，其特征在于：

获取剪切破坏时圆钢棒所产生的最大扭矩M_max；

根据公式：

计算剪应力τ_f；

其中D为所述圆钢棒的直径；H为圆钢棒高度。

本实用新型的有益效果是：本实用新型可以实现界面的大剪切位移，通过竖向压力来施加界面的法向荷载，不会发生荷载偏心，且界面受力面积一直恒定不变。本实用新型无需设置剪切缝，模拟粗糙度的界面采用不同粗糙度的圆钢棒实现，直接埋置在装样容器内的试样中，不存在土样剪损，大大减小了试验难度。本实用新型中竖向加压机构为压缩弹簧，装置原理简单、造价低，而且还能实现常刚度加载的功能。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2为实施例中竖向加压机构的结构示意图。

图3为实施例中圆钢棒的结构示意图。

图4为实施例提供的不同竖向压力下砂-钢界面剪应力-相对位移关系曲线图。

图5为实施例提供的砂-钢界面峰值强度-法向应力曲线图。

图6为实施例提供的砂-钢界面残余强度-法向应力曲线图。

图7为实施例提供的砂-钢界面峰值强度-竖向压力曲线图。

图8为实施例提供的砂-钢界面残余强度-竖向压力曲线图。

图9为实施例提供的不同竖向压力下砂-钢界面竖向位移-相对位移曲线图。

图10为实施例提供的砂-钢界面最大竖向位移-法向应力关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种扭剪法界面特性试验装置，具有底座10，底座10上放置有用于装载试样(标准砂试样或土样，本例选用标准砂试样)的装样容器8，装样容器8经三根均匀分布于装样容器8周围、竖直布置的螺纹杆2固定于底座10。装样容器8设有能对装样容器8内的土样施加竖向压力的竖向加压机构，该竖向加压机构与螺纹杆2的上部连接。

如图2所示，竖向加压机构具有支撑板5和与装样容器8形状大小相适配的加压板3，其中支撑板5经螺母7接于竖直螺纹杆2上，螺母7螺纹连接于螺纹杆2上且分别位于支撑板5的上下位置；支撑板5下端经若干均匀分布的弹簧4连接下方的加压板3。

本实施例中将用于与试样进行界面剪切试验的圆钢棒1埋于装样容器8的试样内，圆钢棒1竖直放置于试样内，该圆钢棒的上端经竖直的竖杆9连接旋转驱动机构。

本例中对应装载试样内的试样设有用于测量试样顶面竖向位移的位移测量机构，本例中位移测量机构具有加长触针的百分表6。

本实施例中装样容器8采用有机玻璃材料制作，内径100mm，高200mm，壁厚10mm。本例中圆钢棒1具有4根，高H为40mm，直径D为20mm，分别具有不同的粗糙度，用来进行与标准砂(土样)的界面剪切试验。螺纹杆2具有3根，直径8mm，总长270mm，用于固定装样容器8和竖向加压机构的支撑板5。

本例中加压板3厚度5mm，直径99mm，中心开一个直径6.5mm的圆孔，用于穿过贯穿竖杆9。加压板3上端面上在距离圆心25mm的一周均匀地垂直于板面焊接4根直径4mm，高70mm的导向杆。整个加压板3用于压密试样和使弹簧4压力均匀传递给装样容器8内的试样。

支撑板5厚度5mm，直径160mm，中心开一个直径6.5mm的圆孔，用于穿过贯穿竖杆9。在距离圆心25mm的一周均匀开4个直径5mm的导向孔501。在距离圆心70mm的一周均匀开3个直径10mm的圆孔，用于穿过百分表6位移计的触针，针头接触到加压板3，以测量试样顶面的竖向位移。

本例中弹簧4两种型号，各4根：一种弹簧4线径2mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝8.7702N/mm；另一种弹簧4线径3mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝61.2980N/mm。竖向压力不大于50kPa时，选用劲度系数K＝8.7702N/mm的弹簧组；竖向压力大于50kPa时，选用劲度系数K＝61.2980N/mm的弹簧组。

本实施例中加压板3位于支撑板5下方，加压板3上的导向杆301穿过支撑板5上的导向孔501，导向杆301上套装有弹簧4，弹簧4位于加压板3和支撑板5之间。

本例中抗剪强度的确定方法如下：

获取剪切破坏时圆钢棒1所产生的最大扭矩M_max；

根据公式：

计算剪应力τ_f。

对于圆钢棒1产生的扭矩，包括圆钢棒1旋转形成的上下圆面和侧面对圆心产生的扭矩M₁、M₂；

假设剪切破坏时圆钢棒1所产生的最大扭矩为M_max N·cm，有

M_max＝M₁+M₂

其中

式中：τ_fh为水平面上的抗剪强度，kPa；D为圆钢棒1直径，m；H为圆钢棒1高度，m；τ_fv为竖直面上的抗剪强度，kPa；

假设土体为各向同性体，则有τ_fh＝τ_fv＝τ_f，得

设剪应力与扭矩之间的换算系数为k，即

本实施例对标准砂与模拟粗糙度的圆钢棒1进行砂-钢界面特性试验，竖向压力分别选0kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100kPa，砂的制样相对密度为72.2％，剪切速率取6°/min。

扭剪法标准砂与钢界面特性试验成果：

1.剪应力-相对位移关系曲线

得到了标准砂-钢界面在竖向压力0kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100kPa条件下的界面剪应力τ-相对位移δ关系曲线，具体结果如图4不同竖向压力下砂-钢界面剪应力-相对位移关系曲线。

由图4可得：

(1)竖向压力对砂-钢界面的剪应力-相对位移关系曲线有明显的影响。随着竖向压力的增大，界面的峰值剪应力和残余剪应力明显增大，除75kPa外，其余压力下的峰值剪应力对应的相对位移也随之增大。

(2)随着竖向压力的增大，砂-钢界面在发生相对位移时的初始剪应力也随之增大，原理类似于：要产生滑动摩擦力，首先要达到最大静摩擦力，而随着界面法向应力的增大，最大静摩擦力也随之增大。

(3)对于标准砂与圆钢棒1结构界面，不同竖向压力下的剪应力-相对位移关系曲线都具有明显的峰值，表现为应变软化型。

(4)对于标准砂与圆钢棒1结构界面，不同竖向压力下的剪应力-相对位移关系曲线均表现为弹塑性，可以划分为弹塑性增长阶段、塑性软化阶段以及残余摩擦阶段。

(5)对于标准砂与圆钢棒1结构界面，除100kPa外，其余竖向压力下的剪应力在砂-钢界面剪切完一周后已经趋近于一条直线，而100kPa下的剪应力在砂-钢界面剪切完一周后仍有继续减小的趋势。

2.界面破坏强度

对于界面剪切破坏强度，有峰值剪应力与残余剪应力两种，取峰值剪应力作为砂-钢界面剪切破坏强度，同时对残余剪应力的变化规律进行分析。另外，本试验所取的剪应力皆需要仪器扣除贯穿竖杆9在砂样中空转产生的剪应力值，即完全由圆钢棒1产生的剪应力值。不同竖向压力下砂-钢界面的峰值剪应力与残余剪应力见表3所示。

表3不同竖向压力下的峰值剪应力和残余剪应力

本实施例所施加的竖向压力是作用在砂样竖直方向上的，而非直接作用在砂-钢界面法向上，所以真正作用在砂钢界面法向上的压力相当于静止土压力，静止土压力的计算公式为：

σ₀＝K₀σ_z

式中：K₀为静止土压力系数，σ_z为竖向围压，kPa。

采用Jaky经验公式来计算静止土压力系数，即

K₀＝1-sinφ

式中：

为标准砂的有效内摩擦角，(°)。

标准砂自身的内摩擦角为30°，由以上两个公式可以计算出相应的静止土压力，即砂-钢界面法向应力，然后将界面峰值剪应力和残余剪应力随界面法向应力的变化绘制成散点图，并进行回归分析-线性拟合，拟合曲线如图5，图6所示。

从表3和图5、图6可以明显看出，砂-钢界面峰值剪应力和残余剪应力都随法向应力的增大而增大，且均与法向应力近似成线性递增关系，所以，可以利用类似摩尔-库伦准则的方式来表示：

式中：τ——界面剪应力，kPa；

c——界面表观粘聚力，即砂与圆钢棒1之间的抱合力，kPa；

σ——界面法向应力，kPa；

——界面内摩擦角，°。

从图5中可以看出，峰值剪应力的曲线拟合相似度R²＝0.9971，达到0.99以上，线性拟合的效果较好，遵循摩尔-库伦破坏准则。由图5中的拟合曲线公式可以知道，标准砂与圆钢棒1结构界面的表观粘聚力和内摩擦角分别为：c＝2.6kPa和

本实施例所用标准砂的内摩擦角为30°，因此，对于标准砂与钢界面，界面内摩擦角小于砂土自身的内摩擦角，所以，标准砂与钢界面剪切破坏发生在砂-钢界面上。

从图6中可以看出，残余剪应力的曲线拟合相似度R²＝0.9601，线性拟合效果也较好，同样遵循摩尔-库伦破坏准则。由图6中的拟合曲线公式可以知道，标准砂与钢界面的表观粘聚力和内摩擦角分别为：c＝0.98kPa和

界面内摩擦角远小于砂土自身内摩擦角，发生界面大相对变形时(大于60mm)应选用残余剪应力作为界面剪切破坏强度。

本试验可以直接建立界面破坏强度与竖向压力之间的关系，竖向压力代表埋深有效自重应力，无需换算为强度与法向应力的关系，这样可减少中间换算经验系数K₀(静止侧压力系数)，且桩-土发生相对位移时静止侧压力系数未必保持不变。直接建立界面强度与有效竖向压力的关系(如图7、图8)，是本界面试验的一大特色，且对于砂其内黏聚力一般取0。

3.界面剪胀(缩)性

在界面剪切试验中，标准砂试样与圆界面的面积始终保持不变，所以标准砂试样竖向位移的变化可以代表试样体积的变化。根据试验数据绘制标准砂与钢界面在不同竖向压力下竖向位移随相对位移变化的曲线，如图9所示。以砂样体积减小为正，以砂样体积增大为负。

从图9可得到以下结论：

对于标准砂与钢界面，在自小到大的竖向压力作用下，表现出由剪缩向剪胀现象的过渡，并且随着竖向压力的增大，剪胀量表现为先增大后减小，并且有向剪缩方向发展的趋势。砂-钢界面的最大竖向位移-法向应力的关系曲线如图10所示。

当法向应力为12.5kPa时，砂-钢界面的竖向位移量为0，也就是说，在剪切速率为6°/min，竖向应力为25kPa时，相对密度为72.2％的标准砂试样与钢界面的剪胀(缩)量为0，即试样体积未发生任何变化，则可以认为，在该试验条件下的临界相对密度约为72.2％。

在本试验施加竖向压力范围内，不同压力下的竖向位移量都很小，最大不超过0.02mm，相对于弹簧4压缩量可以忽略不计，所以，仍然认为砂-钢界面为常应力法向边界条件。

当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本实用新型的范围内，做出的变化、添加或替换，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：具有用于装载试样的装样容器(8)和用于与试样进行界面剪切试验的圆钢棒(1)，所述圆钢棒(1)埋于装样容器(8)的试样内，该圆钢棒经同轴连接的竖杆(9)连接旋转驱动机构，所述装样容器(8)上方设有能对装样容器(8)内的土样施加竖向压力的竖向加压机构。

2.根据权利要求1所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述装样容器(8)置于底座(10)上，装样容器(8)经若干布置于其周围的若干竖直螺纹杆(2)固定于底座(10)。

3.根据权利要求2所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述竖向加压机构具有支撑板(5)和与所述装样容器(8)形状大小相适配的加压板(3)，其中支撑板(5)接于所述竖直螺纹杆(2)上，所述加压板(3)经若干均匀分布的弹簧(4)固定于所述支撑板(5)下端。

4.根据权利要求3所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述加压板(3)制有若干导向杆(301)，所述支撑板(5)上对应加压板(3)上的导向杆(301)制有导向孔(501)。

5.根据权利要求3或4所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述弹簧(4)采用两种型号，一种弹簧(4)的线径2mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝8.7702N/mm；另一种弹簧(4)的线径3mm，外径15mm，高50mm，劲度系数K＝61.2980N/mm。

6.根据权利要求1所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述圆钢棒(1)的顶部位于所述装样容器(8)内试样的中心位置。

7.根据权利要求1所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：对应所述装载试样内的试样设有用于测量试样顶面竖向位移的位移测量机构。

8.根据权利要求7所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述位移测量机构具有加长触针的百分表(6)。

9.根据权利要求1所述的扭剪法界面特性试验装置，其特征在于：所述圆钢棒(1)具有不同粗糙度的多根，根据试验需要替换使用。

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