专利名称：一种桩土接触面力学特性测试装置和测试方法
技术领域：
本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种桩土接触面力学特性测试装置和测试方法。
背景技术：
近年来，桩基础普遍的应用于公路桥梁及民用建筑物的基础工程中，使得该类基础中存在大量的桩与土的接触面，由于桩与桩周土材料性质不同，两者的刚度相差很大，在上部荷载作用下产生的沉降等变形存在较大的差异；此外，现浇大直径管桩等摩擦桩通过扩大桩与土的接触面积以增大桩侧摩阻力来提高桩的承载力，因此，测量桩-土接触面在沉桩过程中以及施工完成后(静、动力荷载作用下)桩-土的沉降变形、桩侧摩阻力等对实际工程有重要意义。目前国内外对桩-土接触面力学特性的测量所使用的土工仪器主要是直剪仪和单剪仪，在实际工程中由于大多数桩嵌入在土中，桩受到周围土压力以及桩顶端承受上部荷载作用，桩在施工和使用阶段有排水和不排水的工况，直剪仪和单剪仪不能很好的模拟桩-土的实际受力状态。土工三轴仪可以分别施加周围压力和轴向压力、便捷的测量土体的轴向变形和体积变形以及可以模拟排水和不排水工况，因此，用土工三轴仪来研究桩-土接触面力学性质更加符合实际工况。由于传统的压力室结构形式等的限制，目前国内的静、动三轴仪主要用来研究单一土体的力学特性，无法进行桩-土接触面的测量和试验研究。
发明内容
本发明针对已有土工仪器不能很好地进行桩-土接触面试验研究的缺陷，提供一种桩-土接触面力学特性测试装置和测试方法。本发明解决技术问题所采用的技术方案是一种桩土接触面力学特性测试装置，其结构包括密封压力室、空心圆柱土试样、实心圆柱混凝土桩试样，其特征在于实心圆柱混凝土桩试样为预制，其直径与空心圆柱土试样的内径相等，两者紧密贴合；混凝土桩试样下端通过弹簧组放置在底座上，上端通过传力杆与压力加载系统相连，传力杆上设置应力传感器和位移传感器I ;混凝土桩试样外侧为空心圆柱土试样，土试样下端放置滤纸、透水石并放置在基座上，其上端依次放置滤纸、透水石、顶盖及位移传感器II。所述桩试样为预制混凝土试样，在预制时可按工程实际将桩侧面定义成不同的粗糙度；所述实心圆柱混凝土桩试样的直径为IOcm,高55cm ;空心圆柱土试样的内径为IOcm,外径 30cm,高 50cm ；
所述桩-土接触面力学特性测试装置可实现应力加载控制或应变加载控制；所述在土试样上侧依次布置圆环状透水石和顶盖，下侧依次布置圆环状透水石与基座；上部顶盖可以自由的上下移动，其上侧放置位移传感器II并与轴向变形量测系统相连；
本发明还涉及以上所述的一种桩土接触面力学特性测试装置的测试方法，包括以下技术步骤(I)按工程实际预制不同表面粗糙度的实心圆柱状混凝土桩试样；(2)将混凝土桩试样下端通过弹簧组放置在底座上，桩试样上端通过传力杆与应力加载系统相连，施加一定的轴向应力使弹簧组压缩；(3)在底座上依次放置透水石和滤纸，放置制样对开瓣膜，将橡皮膜套在制样瓣膜内侧并用橡皮圈将橡皮膜固定，将土试样质量三等分依次加入橡皮膜内并达到相应层所要求的高度制成空心圆柱土试样；(4)在空心圆柱土试样上端依次放置滤纸、透水石和顶盖，扎紧橡皮膜，对空心圆柱土试样施加一定的负压使试样能够站立,拆除制样对开瓣膜；(5)位移传感器I放置在桩试样上端，位移传感器II放置在土试样顶盖上，将应力传感器、位移传感器I、位移传感器II、孔压计等与数据采集系统相连；(6)饱和和固结选取适宜方式进行土试样饱和，饱和完成后按试验需求选择排水或不排水方式施加围压使土体固结； (7)到切固结完成后，在粧试样上端施加静(动)轴向应力，试验开始；土试样在试验开始时仅受围压作用不受轴向应力作用，土体保持不动；在轴向应力和下端弹簧组反力的共同作用下，桩试样在竖向发生移动，由于桩表面粗糙桩试样带动桩侧土体产生竖向移动，二者移动的大小不同，其值可通过位移传感器I和位移传感器II的测量并取二者的差值得到。土试样产生竖向移动的同时所引起体积变形和孔隙水应力的变化通过测量孔压等而得到。当轴向位移(或孔隙水压力)达到相应的破坏标准时试验停止；(8)分析试验数据，可得到桩-土接触面的应力-应变关系、桩-土的相对位移(沉降)、土体的体积变形等，可以为沉桩过程及桩使用阶段及排水和不排水两种工况下桩基础的沉降、桩侧摩阻力等的设计提供参考。本发明的优点和效果在于通过改进压力室，压力室内可放置较大试样的实心圆柱混凝土桩试样和空心圆柱土两种材料，使已有的土工仪器可用来研究桩-土接触面在静、动荷载作用下的力学特性；通过改进压力室，可施加围压使桩周空心圆柱土试样固结，固结完成后在桩试样顶端施加静、动轴向应力，使试样的受力状态更加接近实际工况；通过在刚性的混凝土桩试样底部设置弹簧组，在进行静(动)力剪切时，在桩顶端施加单调荷载(循环荷载)可以便捷的实现桩的试样上下移动；通过预制不同粗糙度的混凝土桩试样，可分析不同粗糙度对桩-土接触面力学性质的影响；通过控制试验过程中排水和不排水状况，可以模拟在排水和不排水两种工况下的桩-土接触面的力学特性；通过分析桩、土的轴向变形、孔隙水压力等可以得到桩、土的沉降变形以及桩侧摩阻力等桩-土的力学特性；通过应力加载控制和应变加载控制来施加静、动力荷载，可以模拟实际工程中的静、动力沉桩过程及施工完成后桩-土的相互作用。
本发明结构简单，改进后的压力室可以直接在已有的土工仪器上使用，易于实现，可用来测量桩-土接触面的静、动力变形特性。本发明的优点和效果将在具体实施方式
中进一步描述。
图I本发明的结构示意图；I-压力室；2_空心圆柱土试样；3_实心圆柱混凝土桩试样；4_弹簧组；5_应力传感器；6_位移传感器I ;7_位移传感器II ;8_传力杆；9-滤纸；10_透水石；11_底座；12_基座；13-顶盖；14-橡皮膜。
具体实施例方式如图I、所示，一种桩土接触面力学特性测试装置，其结构包括密封压力室(I)、空心圆柱土试样(2)、实心圆柱混凝土桩试样(3)，其特征在于所述实心圆柱混凝土桩试样
(3)为预制，其直径与空心圆柱土试样(2)的内径相等，二者紧密贴合；混凝土桩试样(3)下端通过弹簧组(4)放置在底座(11)上，上端通过传力杆(8)与压力加载系统相连，传力杆(8)上设置应力传感器(5)和位移传感器I (6);混凝土桩试样(3)外侧为空心圆柱土试样(2)，土试样(2)下端放置滤纸(9)、透水石(10)并放置在基座(12)上，其上端依次放置滤纸(9)、透水石(10)、顶盖(13)及位移传感器II (7);应力传感器(5)、位移传感器I (6)、位移传感器II (7)与数据采集系统相连。一种桩土接触面力学特性测试装置的测试方法，包括以下技术步骤I、按工程实际预制不同表面粗糙度的实心圆柱状混凝土桩试样(3)；2、将混凝土桩试样(3)下端通过弹簧组(4)放置在底座(11)上，桩试样(3)上端通过传力杆(8)与应力加载系统相连，施加一定的轴向应力使弹簧组(4)压缩；3、在底座(11)上依次放置透水石(10)和滤纸(9)，放置制样对开瓣膜，将橡皮膜
(14)套在制样瓣膜内侧并用橡皮圈将橡皮膜(14)固定，将土试样质量三等分依次加入橡皮膜(14)内并达到相应层所要求的高度制成空心圆柱土试样(2);4、在空心圆柱土试样(2)上端依次放置滤纸(9)、透水石(10)和顶盖(13)，扎紧橡皮膜(14)，对空心圆柱土试样(2)施加一定的负压使试样能够站立，拆除制样对开瓣膜；5、位移传感器I (6)放置在桩试样(3)上端，位移传感器II (7)放置在土试样(2)顶盖(13)上，将应力传感器(5)、位移传感器I (6)、位移传感器II (7)、孔压计等与数据采集系统相连；6、饱和和固结选取适宜方式进行土试样饱和，饱和完成后按试验需求选择排水或不排水方式施加围压进行使土试样(2)固结；7、到切固结完成后，在粧试样(3)上端施加静(动)轴向应力，试验开始；土试样(2)在试验开始时仅受围压作用不受轴向应力作用，土体保持不动；在轴向应力和下端弹簧组(4)反力的共同作用下，桩试样(3)在竖向发生移动，由于桩试样(3)表面粗糙，桩试样(3)带动桩侧土体产生竖向移动，二者移动的大小不同，其值可通过位移传感器1(6) 和位移传感器II (7)的测量并取二者的差值得到。土试样(2)产生竖向移动的同时所引起体积变形和孔隙水应力的变化通过测量孔压等而得到。当轴向位移(或孔隙水压力)达到相应的破坏标准时试验停止；
8、分析试验数据，可得到桩-土接触面的应力-应变关系、桩-土的相对位移(沉降)、土体的体积变形等，可以为沉桩过程及桩使用阶段及排水和不排水两种工况下桩基础的沉降、桩侧摩阻力等的设计提供参考。
权利要求
1.一种桩-土接触面力学特性测试装置，由密封压力室、空心圆柱土试样、实心圆柱混凝土桩试样组成，其特征在于混凝土桩试样的直径与空心圆柱土试样的内径相等，两者紧密贴合；混凝土桩试样下端通过弹簧组放置在底座上，上端通过传力杆与应力加载系统相连，传力杆上设置应力传感器和位移传感器I ;混凝土桩试样外侧为空心圆柱土试样，土试样下端放置滤纸、透水石并放置在基座上，土试样上端依次放置滤纸、透水石、顶盖及位移传感器II;应力传感器、位移传感器I、位移传感器II分别与数据采集系统相连； 所述实心圆柱混凝土桩试样的直径为IOcm,高55cm ;空心圆柱土试样的内径为IOcm,外径 30cm,高 50cm。
2.根据权利要求I所述的一种桩-土接触面力学特性测试装置的测试方法，其技术步骤包括 (1)按工程实际预制不同表面粗糙度的实心圆柱状混凝土桩试样； (2)将混凝土桩试样下端通过弹簧组放置在底座上，桩试样上端通过传力杆与应力加载系统相连，施加一定的轴向应力使弹簧组压缩； (3)在底座上依次放置透水石和滤纸，放置制样对开瓣膜，将橡皮膜套在制样瓣膜内侧并用橡皮圈将橡皮膜固定，将土试样质量三等分依次加入橡皮膜内并达到相应层所要求的高度制成空心圆柱土试样； (4)在空心圆柱土试样上端依次放置滤纸、透水石和顶盖，扎紧橡皮膜，对空心圆柱土试样施加一定的负压使试样能够站立，拆除制样对开瓣膜； (5)位移传感器I放置在桩试样上端，位移传感器II放置在土试样顶盖上，将应力传感器、位移传感器I、位移传感器II、孔压计等与数据采集系统相连； (6 )饱和和固结选取适宜方式进行土试样饱和，饱和完成后按试验需求选择排水或不排水方式施加围压使土体固结； (7)到切固结完成后，在粧试样上端施加静(动)轴向应力，试验开始；土试样在试验开始时仅受围压作用不受轴向应力作用，土体保持不动；在轴向应力和下端弹簧组反力的共同作用下，桩试样在竖向发生移动，由于桩表面粗糙桩试样带动桩侧土体产生竖向移动，二者移动的大小不同，其值可通过位移传感器I和位移传感器II的测量并取二者的差值得到； 土试样产生竖向移动的同时所引起体积变形和孔隙水应力的变化通过测量孔压等而得到； 当轴向位移(或孔隙水压力)达到相应的破坏标准时试验停止； (8)分析试验数据，可得到桩-土接触面的应力-应变关系、桩-土的相对位移、土体的体积变形等。
全文摘要
本发明公开了一种桩-土接触面力学特性测试装置，由密封压力室、空心圆柱土试样、实心圆柱混凝土桩试样等组成，桩试样为预制，其直径与空心圆柱土试样的内径相等，两者紧密贴合；混凝土桩试样下端通过弹簧组放置在底座上，上端通过传力杆与应力加载系统相连，传力杆上设置应力传感器和位移传感器I；混凝土桩试样外侧为空心圆柱土试样，土试样下端放置滤纸、透水石并放置在基座上，土试样上端依次放置滤纸、透水石、顶盖及位移传感器II；试验时，先施加围压固结，固结完成后在桩试样上施加静(动)荷载，测量桩、土的轴向变形、孔隙水应力等；本发明结构简单，易于实现，可用于测量静(动)荷载作用下桩-土接触面力学特性。
文档编号G01N3/10GK102628767SQ20121007854
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者丁选明, 刘平, 刘汉龙, 杨贵 申请人:河海大学
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