一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置.pdf

本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，螺杆竖向安装在操作平台上，弹簧的上下两端分别固定在可拆卸弹簧上固定板与可拆卸弹簧下固定板上，上剪切盒的内部放置试验土样，顶部与可拆卸弹簧下固定板平齐，上剪切盒的左侧面与操作平台刚性连接；下剪切盒内置有混凝土试样，操作平台上设有滑动轨道，操作平台通过滚轴与下剪切盒连接，数控电机与下剪切盒刚性连接；竖向位移传感器安装在可拆卸弹簧下固定板上，横向位移传感器安装在上剪切盒和下剪切盒之间荷载传感器安置在上剪切盒左侧的第一钢杆上；其结构简单，操作方便，原理科学，试验结果精确，成本低，应用广泛。

1.  一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，其特征在于主体结构包括螺杆、可拆卸弹簧上固定板、弹簧、可拆卸弹簧下固定板、上剪切盒、下剪切盒、操作平台、滚轴、数控电机、横向位移传感器、竖向位移传感器、荷载传感器、第一钢杆和第二钢杆，其中螺杆、可拆卸弹簧上固定板、弹簧和可拆卸弹簧下固定板组合构成恒刚度弹簧动态加载系统，上剪切盒和下剪切盒组合构成可视化桩土界面剪切模拟系统，操作平台、滚轴和数控电机构成滚轴双向传动系统，横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器构成试验数据量测系统；四根长800mm、直径20mm的螺杆竖向安装在操作平台上，螺杆与操作平台刚性连接；可拆卸弹簧上固定板的四个角处分别与四根螺杆滑动连接，实现可拆卸弹簧上固定板的上下调节；12根弹簧中心对称分布在可拆卸弹簧上固定板和可拆卸弹簧下固定板之间，每根弹簧的上下两端分别固定在可拆卸弹簧上固定板与可拆卸弹簧下固定板上，相邻两根弹簧的间距为135mm；上剪切盒为四周封闭上下贯通的长方体，上剪切盒的左侧面、右侧面与背面均采用厚度为20mm的钢板制成，上剪切盒的背面分别与左侧面和右侧面刚性连接，上剪切盒的正面采用有机玻璃板制成，上剪切盒的正面分别与左侧面、右侧面钢板刚性连接；上剪切盒的内部放置试验土样，顶部与可拆卸弹簧下固定板平齐，上剪切盒的左侧面通过长度为200mm、直径为20mm的第一钢杆与操作平台的竖向部分刚性连接；U型槽结构的下剪切盒的两侧分别留出5cm的光滑段与上剪切盒紧密接触，便于下剪切盒在滚轴双向传动系统作用下左右往复运动的同时保证剪切过程中砂土不外流；下剪切盒内置有混凝土试样，混凝土试样的粗糙表面为敞口混凝土管桩侧壁相同水灰比和粗糙度的水泥；上剪切盒的侧壁与下剪切盒的光滑段涂抹有润滑油，以减小摩擦；操作平台采用L型钢板制成，操作平台上设有滑动轨道，操作平台通过滚轴与下剪切盒连接；数控电机通过长度为150mm、直径为20mm的第二钢杆与下剪切盒刚 性连接；竖向位移传感器安装在可拆卸弹簧下固定板上，用来测量可拆卸弹簧下固定板竖向位移，横向位移传感器安装在上剪切盒和下剪切盒之间，用于测量上剪切盒与下剪切盒的相对位移；荷载传感器安置在上剪切盒左侧的第一钢杆上，用于测量上剪切盒和下剪切盒之间的剪力。

2.  根据权利要求1所述敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，其特征在于所述可拆卸弹簧上固定板采用840mm*540mm的矩形钢板制成，其厚度为20mm；可拆卸弹簧下固定板采用700mm*400mm的矩形钢板制成，其厚度为10mm；上剪切盒的长、宽、高分别为700mm、400mm、300mm；滚轴的长为400mm,直径为20mm。

3.  根据权利要求2所述敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，其特征在于采用所述装置实现敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验的具体过程为：
(1)、试验土样制备：取施工现场的土样进行风干，将风干后的土样碾碎并过2mm筛后放在干燥不透水的容器中，通过计算得出配制含水率分别为16℅、18℅、20℅的试样所需的洒水量，搅拌均匀后密封保存24小时，得到试验土样；
(2)、试验土样重塑：将制备好的试验土样分三层铺设在上剪切盒内，每层试验土样在击实后的高度为上剪切盒高度的1/3，完成第一层试验土样击实后将其表面刨毛，继续完成其他两层试验土样的击实，整理试验土样的上表面，刮去多余的土，得到重塑试验土样；
(3)、试验装置的安装和调试：将混凝土试样放置在下剪切盒内，调整上剪切盒位置使上剪切盒与下剪切盒紧密接触，然后在上剪切盒内铺设试验用砂，并将试验用砂上表面整理至水平，放置恒刚度弹簧动态加载系统，使可拆卸弹簧下固定板与试验用砂顶部平整贴合，通过调整可拆卸弹簧上固定板在螺杆上的位置，设置好弹簧的初始压缩量，并放置好横向位移传感器和竖向位移传感器，标定好初始位移量；将荷载传感器安置在上剪切盒左侧的第一钢杆上，进行归零处理，并对安装好的试验装置进行调试；
(4)、桩土界面剪切试验：启动数控电机以0.8mm/min的循环剪切速度进行桩土界面剪切试验，上剪切盒固定不动，使下剪切盒在操作平台与上剪切盒之间滑动，剪切位移为5cm，混凝土试样与重塑试样土样界面发生剪切破坏，产生相对位移，横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器分别测定并记录上剪切盒与下剪切盒的相对位移、可拆卸弹簧下固定板的竖向位移和上剪切盒和下剪切盒之间的剪力，通过上剪切盒正面安装的CCD摄像机对桩土界面土颗粒位移、旋转和破碎以及桩壁磨损进行观测，完成桩土界面剪切试验。

一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置
技术领域：
本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置。
背景技术：
目前，敞口混凝土管桩已成为我国最主要的桩型之一，广泛应用于工业与民用建筑、港口工程以及水利等工程建设中，敞口混凝土管桩桩体贯入地基土的过程中，部分土体挤入桩孔内形成土塞。土塞提供的承载力是敞口混凝土管桩竖向抗压承载力的重要组成部分，土塞端部承载力则完全是由桩内壁与土塞之间调动的摩擦阻力来提供。现在传统的现场及模型试验在研究敞口混凝土管桩荷载传递机理过程遇到以下问题：一是土对敞口混凝土管桩的承载力是按外侧阻力—管壁端阻—内侧阻力的顺序逐步被调动，桩壁内外两侧阻力的发挥并非同步，传统的桩基荷载传递模型已不再适用；二是由于混凝土管桩内壁粗糙度大、易磨损，且桩孔内存在与桩周完全不同的应力场，现有的荷载传递理论函数已无法确切的描述桩壁内侧的荷载传递特征；敞口混凝土管桩在沉桩过程中，由于土塞效应会使土体产生强烈的压缩和膨胀，桩土接触面法向应力变化很大，而土体的法向劲度基本不变，此类土体无法用传统的直剪仪进行抗剪强度试验，而且传统直剪仪在剪切过程中剪切面积不断减小，尺寸效应比较明显，影响试验结果。因此，寻求一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，为桩土间荷载传递的研究提供一种全新的设备。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置，通过模拟敞口混凝土管桩桩土内、外界面剪切过程，进而研究桩土界面荷载传递机理。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括螺杆、可拆卸弹簧上 固定板、弹簧、可拆卸弹簧下固定板、上剪切盒、下剪切盒、操作平台、滚轴、数控电机、横向位移传感器、竖向位移传感器、荷载传感器、第一钢杆和第二钢杆，其中螺杆、可拆卸弹簧上固定板、弹簧和可拆卸弹簧下固定板组合构成恒刚度弹簧动态加载系统，上剪切盒和下剪切盒组合构成可视化桩土界面剪切模拟系统，操作平台、滚轴和数控电机构成滚轴双向传动系统，横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器构成试验数据量测系统；四根长800mm、直径20mm的螺杆竖向安装在操作平台上，螺杆与操作平台刚性连接；可拆卸弹簧上固定板采用840mm*540mm的矩形钢板制成，厚度为20mm,可拆卸弹簧上固定板的四个角处分别与四根螺杆滑动连接，实现可拆卸弹簧上固定板的上下调节；12根弹簧中心对称分布在可拆卸弹簧上固定板和可拆卸弹簧下固定板之间，每根弹簧的上下两端分别固定在可拆卸弹簧上固定板与可拆卸弹簧下固定板上，相邻两根弹簧的间距为135mm；可拆卸弹簧下固定板采用700mm*400mm的矩形钢板制成，其厚度为10mm；上剪切盒为四周封闭上下贯通的立方体结构，其长、宽、高分别为700mm、400mm、300mm，上剪切盒的左侧面、右侧面与背面均采用厚度为20mm的钢板制成，上剪切盒的背面分别与左侧面和右侧面刚性连接，上剪切盒的正面采用有机玻璃板制成，上剪切盒的正面分别与左侧面、右侧面钢板刚性连接；上剪切盒的内部放置试验土样，顶部与可拆卸弹簧下固定板平齐，上剪切盒的左侧面通过长度为200mm、直径为20mm的第一钢杆与操作平台的竖向部分刚性连接；U型槽结构的下剪切盒的两侧分别留出5cm的光滑段与上剪切盒紧密接触，便于下剪切盒在滚轴双向传动系统作用下左右往复运动的同时保证剪切过程中砂土不外流；下剪切盒内置有混凝土试样，混凝土试样的粗糙表面为敞口混凝土管桩侧壁相同水灰比和粗糙度的水泥；上剪切盒的侧壁与下剪切盒的光滑段涂抹有润滑油，以减小摩擦；操作平台采用L型钢板制成，操作平台上设有滑动轨道，操作平台通过滚轴与下剪切盒连接，滚轴的长为400mm,直径为20mm；数控电机通过长度为150mm、直径为20mm的第二钢杆与下剪切盒刚性连接； 竖向位移传感器安装在可拆卸弹簧下固定板上，用来测量可拆卸弹簧下固定板竖向位移，横向位移传感器安装在上剪切盒和下剪切盒之间，用于测量上剪切盒与下剪切盒的相对位移；荷载传感器安置在上剪切盒左侧的第一钢杆上，用于测量上剪切盒和下剪切盒之间的剪力。
本发明实现敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验的具体过程为：
(1)、试验土样制备：取施工现场的土样进行风干，将风干后的土样碾碎并过2mm筛后放在干燥不透水的容器中，通过计算得出配制含水率分别为16℅、18℅、20℅的试样所需的洒水量，搅拌均匀后密封保存24小时，得到试验土样；
(2)、试验土样重塑：将制备好的试验土样分三层铺设在上剪切盒内，每层试验土样在击实后的高度为上剪切盒高度的1/3，完成第一层试验土样击实后将其表面刨毛，继续完成其他两层试验土样的击实，整理试验土样的上表面，刮去多余的土，得到重塑试验土样；
(3)、试验装置的安装和调试：将混凝土试样放置在下剪切盒内，调整上剪切盒位置使上剪切盒与下剪切盒紧密接触，然后在上剪切盒内铺设试验用砂，并将试验用砂上表面整理至水平，放置恒刚度弹簧动态加载系统，使可拆卸弹簧下固定板与试验用砂顶部平整贴合，通过调整可拆卸弹簧上固定板在螺杆上的位置，设置好弹簧的初始压缩量，并放置好横向位移传感器和竖向位移传感器，标定好初始位移量；将荷载传感器安置在上剪切盒左侧的第一钢杆上，进行归零处理，并对安装好的试验装置进行调试；
(4)、桩土界面剪切试验：启动数控电机以0.8mm/min的循环剪切速度进行桩土界面剪切试验，上剪切盒固定不动，使下剪切盒在操作平台与上剪切盒之间滑动，剪切位移为5cm，混凝土试样与重塑试样土样界面发生剪切破坏，产生相对位移，横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器分别测定并记录上剪切盒与下剪切盒的相对位移、可拆卸弹簧下固定板的竖向位移和上剪切盒和下剪切盒之间 的剪力，通过上剪切盒正面安装的CCD摄像机对桩土界面土颗粒位移、旋转和破碎以及桩壁磨损进行观测，完成桩土界面剪切试验。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是敞口混凝土管桩在沉桩过程中，由于土塞效应会使土体产生强烈的压缩和膨胀，桩土接触面法向应力变化很大，而土体的法向劲度基本不变，采用恒刚度弹簧动态加载系统更适合于此类土体的抗剪强度试验，贴近于工程实际；二是上剪切盒正面采用透明钢化玻璃，可采用CCD摄录设备对桩土界面进行土颗粒位移、旋转和破碎以及桩壁磨损进行观测，从细观角度对桩土界面剪切特性进行分析；三是进行剪切试验时，剪切接触面始终保持恒定，避免了尺寸效应对试验结果的影响；四是采用滚轴双向传动系统实现双向循环剪切，可研究土体软化后的残余剪切强度；其结构简单，操作方便，原理科学，试验结果精确，成本低，应用广泛。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理意图。
图2为本发明的剪切模拟试验流程示意框图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例所述敞口混凝土管桩桩土界面剪切模拟试验装置的主体结构包括螺杆1、可拆卸弹簧上固定板2、弹簧3、可拆卸弹簧下固定板4、上剪切盒5、下剪切盒6、操作平台9、滚轴8、数控电机7、横向位移传感器12、竖向位移传感器11、荷载传感器10、第一钢杆13和第二钢杆14，其中螺杆1、可拆卸弹簧上固定板2、弹簧3和可拆卸弹簧下固定板4构成恒刚度弹簧动态加载系统，上剪切盒5和下剪切盒6构成可视化桩土界面剪切模拟系统，操作平台9、滚轴8和数控电机7构成滚轴双向传动系统，横向位移传感器12、竖向位移传感器11和荷载传感器10构成试验数据量测系统；四根长800mm、直径20mm的螺杆1竖向安装在操作平台9上，螺杆1与操作平台9 刚性连接；可拆卸弹簧上固定板2采用840mm*540mm的矩形钢板制成，厚度为20mm,可拆卸弹簧上固定板2四个角点分别与四根螺杆1滑动连接，实现可拆卸弹簧上固定板2的上下调节；12根弹簧3中心对称分布在可拆卸弹簧上固定板2和可拆卸弹簧下固定板4之间，每根弹簧3的上下两端分别固定在可拆卸弹簧上固定板2与可拆卸弹簧下固定板4上，相邻两根弹簧3的间距为135mm；可拆卸弹簧下固定板4采用700mm*400mm的矩形钢板制成，其厚度为10mm；上剪切盒5为四周封闭上下贯通的立方体，其长、宽、高分别为700mm、400mm、300mm，上剪切盒5的左侧面、右侧面与背面均采用厚度为20mm的钢板制成，上剪切盒5的背面分别与左侧面和右侧面刚性连接，上剪切盒5的正面采用有机玻璃板制成，上剪切盒5的正面分别与左侧面、右侧面钢板刚性连接；上剪切盒5的内部放置试验土样，顶部与可拆卸弹簧下固定板4平齐，上剪切盒5的左侧面通过长度为200mm、直径为20mm的第一钢杆13与操作平台9的竖向部分刚性连接；U型槽结构的下剪切盒6的两侧分别留出5cm的光滑段与上剪切盒5紧密接触，便于下剪切盒6在滚轴双向传动系统作用下左右往复运动的同时保证剪切过程中砂土不外流；下剪切盒6内置有混凝土试样，混凝土试样的粗糙表面为敞口混凝土管桩侧壁相同水灰比和粗糙度的水泥；上剪切盒5的侧壁与下剪切盒6的光滑段涂抹有润滑油，以减小摩擦；操作平台6采用L型钢板制成，操作平台9上设有滑动轨道，操作平台9通过滚轴8与下剪切盒6连接，滚轴9的长为400mm,直径为20mm；数控电机7通过长度为150mm、直径为20mm的第二钢杆14与下剪切盒6刚性连接；竖向位移传感器11安装在可拆卸弹簧下固定板4上，用来测量可拆卸弹簧下固定板4竖向位移，横向位移传感器12安装在上剪切盒和下剪切盒之间，用于测量上剪切盒与下剪切盒的相对位移；荷载传感器10安置在上剪切盒5左侧的第一钢杆13上，用于测量上剪切盒和下剪切盒之间的剪力。
本实施例根据试验内容先后进行4组恒刚度剪切试验，每组包括30个剪切循环，其流程如图2所示，具体过程为：
(1)、试验土样制备：取施工现场的土样进行风干，将风干后的土样碾碎并过2mm筛后放在干燥不透水的容器中，通过计算得出配制含水率分别为16℅、18℅、20℅的试样所需的洒水量，搅拌均匀后密封保存24小时，得到试验土样；
(2)、试验土样重塑：将制备好的试验土样分三层铺设在上剪切盒内，每层试验土样在击实后的高度为上剪切盒5高度的1/3，完成第一层试验土样击实后将其表面刨毛，继续完成其他两层试验土样的击实，整理试验土样的上表面，刮去多余的土，得到重塑试验土样；
(3)、试验装置的安装和调试：将混凝土试样放置在下剪切盒6内，调整上剪切盒5位置使上剪切盒5与下剪切盒6紧密接触，然后在上剪切盒5内铺设试验用砂，并将试验用砂上表面整理至水平，放置恒刚度弹簧动态加载系统，使可拆卸弹簧下固定板4与试验用砂顶部平整贴合，通过调整可拆卸弹簧上固定板2在螺杆1上的位置，设置好弹簧3的初始压缩量，并放置好横向位移传感器12和竖向位移传感器11，标定好初始位移量；将荷载传感器10安置在上剪切盒5左侧的第一钢杆13上，进行归零处理，并对安装好的试验装置进行调试；
(4)、桩土界面剪切试验：启动数控电机7，以0.8mm/min的循环剪切速度进行桩土界面剪切试验，上剪切盒5固定不动，使下剪切盒6在操作平台9与上剪切盒5之间滑动，剪切位移为5cm，混凝土试样与重塑试验土样界面发生剪切破坏，产生相对位移，横向位移传感器、竖向位移传感器和荷载传感器分别测定并记录上剪切盒与下剪切盒的相对位移、可拆卸弹簧下固定板4的竖向位移和上剪切盒5与下剪切盒6之间的剪力，通过上剪切盒5正面安装的CCD摄像机对桩土界面土颗粒位移、旋转和破碎以及桩壁磨损进行观测；
(5)、更换不同表面粗糙度的混凝土试样,重复步骤(4)，测得数据后，将第一组弹簧和试验土样取走并更换另一组弹簧和试验土样，返回步骤(2)重复直至所有试验完毕。