一种变温条件下桩‑土界面法向接触应力试验设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种变温条件下桩‑土界面法向接触应力试验设备及方法，试验设备包括框架、竖向压力加载系统、桩‑土界面模拟系统、水循环控温系统、数据采集系统。所述桩‑土界面模拟系统包括底座和环形混凝土盒，底座中间的空间放入土样和环形混凝土盒，用于模拟桩‑土界面。水循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程。本发明专利技术的试验设备及试验方法，通过水循环控制环形混凝土盒的温度，模拟能量桩热交换过程中的升温和降温过程。通过数据的采集和分析，为冷热循环作用下桩‑土界面法向接触应力的变化机理研究提供试验数据。用于掌握能量桩的力学性能的变化，推动能量桩技术的推广和应用，具有重要理论研究和工程指定价值。

A temperature soil pile interface contact stress test equipment and method

The invention discloses a temperature soil pile interface method test equipment and methods of contact, test equipment including the frame, vertical pressure loading system, pile soil interface simulation system, circulating water temperature control system, data acquisition system. The pile soil interface simulation system comprises a base and an annular concrete box, a space in the middle of the soil and into the annular concrete box, used to simulate the pile soil interface. Water circulation temperature control system is used to simulate the temperature change process of pile body. The test equipment and the test method of the invention control the temperature and the cooling process of the heat exchange process of the energy pile by controlling the temperature of the annular concrete box through the water circulation. Through data collection and analysis, to provide test data for the change of the thermal cycling effect soil pile interface contact stress. It is important for theoretical research and engineering to master the change of mechanical properties of energy pile and promote the application and popularization of energy pile technology.

【技术实现步骤摘要】
一种变温条件下桩-土界面法向接触应力试验设备及方法
本专利技术属于岩土工程试验
，具体是一种变温条件下桩-土界面法向接触应力试验设备及试验方法。
技术介绍
能量桩，也称能源桩，是一种将地下桩基础用作地源热泵系统换热器的技术。近年来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，地源热泵技术作为一种绿色可持续新能源技术得到了广泛的发展和应用，该技术利用大地的热容量，在夏季将室内的热量贮存在地下用于冬季的采暖，同时也达到了夏季室内制冷的目的。由于传统地源热泵技术需要在建筑场地外钻孔，不仅占用了额外的场地且较高的钻孔费用导致项目初期投资大。21世纪80年代，工程师们尝试将换热管置于建筑物的桩基、基础底板以及地下连续墙等结构内用来代替传统的地埋管换热器，不仅节省了场地而且大大地降低了地源热泵系统的造价。能量桩是将埋管置于桩基中，它通过管内的循环流体来实现向大地中提取和存贮热量。在节约地下空间、保证施工质量的同时，桩体混凝土热交换效率高，具有更好的经济效应。能量桩具有承担上部荷载和进行热量交换的双重作用。能量桩的承载力部分或全部来自于桩与周围土体的侧摩阻力。在能量桩冷热循环过程中，桩体和周围土体的热胀冷缩会影响桩-土界面的刚度及桩周土的侧向应力，使桩-土界面的法向应力发生变化，而桩最大侧摩阻力的大小与法向应力呈正比。国内外一般是进行桩-土界面的剪切试验，通过应力、应变数据反映桩-土界面抗剪能力的变化。目前，关于变温条件下桩-土界面法向应力的研究较少，由于对法向应力的变化规律认识不清，给桩-土界面最大静摩擦力的准确判断造成了困难。基于此，本专利技术提出一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备及方法，通过室内试验，研究在温度循环过程中，桩-土界面法向应力的变化规律。本专利技术对于掌握能量桩的力学性能的变化，推动能量桩技术的推广和应用，具有重要理论研究和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备及试验方法，该试验设备和方法考虑不同的约束条件，模拟不同温度下桩-土界面法向接触应力的变化，研究温度对桩-土界面的影响，为冷热循环作用下桩-土界面法向接触应力的变化机理提供试验数据。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备，包括框架、竖向压力加载系统、桩-土界面模拟系统、水循环控温系统、数据采集系统。框架用于支撑实验装置的其它系统。竖向压力加载系统用于对试验土样施加竖向压力。桩-土界面模拟系统包括底座、环形混凝土盒，压板和绝热材料；桩-土界面模拟系统通过底座固定在框架上；底座中间的空间放入环形混凝土盒；环形混凝土盒上下开口，盒壁采用混凝土制作，中间空间用于装入土样，装入的土样与环形混凝土盒的混凝土接触，用于模拟桩-土界面；在环形混凝土盒的内壁上开设有凹槽，用于放置土压力计及第一温度传感器，凹槽内径与土压力计或第一温度传感器外径相匹配，采用环氧树脂或其它粘接剂将土压力计和第一温度传感器固定于凹槽内，用于检测桩-土界面法向接触应力及其温度；压板有上压板和下压板，放置在土样上下，下压板开设有传压腔；绝热材料放置于下压板下面及环形混凝土盒外围，防止热量散失。环形混凝土盒能有效增加桩土接触面积，加快热传递过程，使土体温度快速达到稳定状态，且方便安装相关传感器。水循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程；比如，夏季、冬季地热交换中桩体的升温及降温过程。数据采集系统包括土压力计和第一温度传感器，土压力计和第一温度传感器布置在环形混凝土盒的内壁上的凹槽内，采集桩-土界面的法向接触应力及界面温度数据。进一步的，数据采集系统还包括应变传感光纤，在环形混凝土盒内壁环向粘贴分布式应变传感光纤，用于监测变温条件下桩土界面的法向变形。传感光纤纤细，对试验土体的影响可以忽略不计。进一步的，变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备还包括注水排水系统，注水排水系统包括通水孔、排水阀、排气阀。桩-土界面模拟系统还包括橡皮圈，底座底部开设有通水孔，在环形混凝土盒里面预埋水管，并开设排气孔。上、下压板周围通过橡皮圈与混凝土紧密接触，下压板通过橡皮圈与底座的通水孔紧密连接，在相关位置放入橡皮圈，能够防止注水排水过程中水体渗漏，达到密封目的。通水孔通过底座与下压板下部传压腔相接；水阀安装在通水孔外部。可以通过通水孔注水排水控制土样饱和状态，在通水孔外部安装孔隙水压力计监测饱和土孔隙水压力。排气阀在环形混凝土盒上侧，与环形混凝土盒的排气孔相连。数据采集系统还包括底座孔隙水压力计，底座孔隙水压力采集饱和土样孔隙水压力数据。在升温过程中，环形混凝土盒会向内压缩土体，模拟能量桩由于热涨而挤压周围土壤的过程；在降温过程中，环形混凝土盒会向外变形，模拟桩土接触面压力的变化过程。进一步的，水循控温系统包括恒温水箱、循环水泵、导水管、节流阀、流速计；数据采集系统还包括第二温度传感器。恒温箱周围用绝热材料（比如聚苯乙烯泡沫塑料）包裹，防止热量散失。循环水泵将恒温箱内热水或冷水泵入模拟桩体（环形混凝土盒）中，保证在导水管及水循环管中循环流动提供动力。在导水管上，靠近水泵出水口处设置节流阀用于调节导水管中水的流速，使管内水流为紊流状态。在导水管进水及出水处布置第二温度传感器。另布置流速计，根据流速计调整节流阀达到控制流速的目的，通过进出口温度及循环水速来控制升温及降温过程。进一步的，竖向压力加载系统采用杠杆加载系统，杠杆加载系统包括杠杆、砝码、螺纹杆、传力杆、衔接装置，杠杆一端通过钢轴连接在框架上，另一端加上砝码，通过杠杆原理施加竖向荷载。螺纹杆一端带有螺纹，通过螺帽连接在杠杆上，可上下移动，另一端端头为半圆形，与传力杆接触。传力杆上端为内凹形，与螺纹杆相连，下端与钢盒接触，传递竖向荷载。衔接装置通过两端螺栓固定在底座上，中间有圆孔，圆孔限制传力杆只可上下移动，过滤螺纹杆传递的横向荷载，传递竖向荷载。进一步的，数据采集系统还包括传力杆轴力传感器，通过传力杆轴力传感器，测量竖向加载压力。一种采用上述试验设备进行变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验的方法，包括以下步骤：1）利用竖向压力加载系统向桩-土界面施加竖向压力，使桩-土界面的法向应力达到一定值，根据数据采集系统中布置在桩土界面的土压力盒采集此时桩土界面的法向接触应力值。2）根据设计的试验条件启用注水排水系统，对土样进行饱和；3）通过水循环控温系统控制混凝土盒的温度；4）利用数据采集系统采集不同温度下桩土界面法向接触应力值及温度、饱和土孔隙水压力等数据，根据桩-土界面中的第一温度传感器及导水管出入口温度值判断土样温度是否达到平衡状态。本专利技术的变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备及方法，优点在于采用杠杆加载系统，对土样施加竖向压力，依据土的静止侧压力原理对桩-土界面施压。在杠杆一端放置相应重量的砝码，精确地控制竖向压力，稳定性好，且通过传力杆及衔接装置过滤由于土样压缩造成杠杆旋转一定角度而造成的横向压力。通过水循环控制环形混凝土盒的温度，模拟能量桩热交换过程中的升温和降温过程。采用注水排水系统，模拟饱和土样在不同温度下桩-土界面法向接触应力的变化过程。在混凝土盒布置相关传感器，采集桩-土界面法向压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变温条件下能量桩桩‑土界面法向接触应力试验设备，其特征在于，包括框架、竖向压力加载系统、桩‑土界面模拟系统、水循环控温系统、数据采集系统；框架用于支撑实验装置的其它系统；竖向压力加载系统用于对试验混凝土施加竖向压力；桩‑土界面模拟系统包括底座、环形混凝土盒，压板和绝热材料；桩‑土界面模拟系统通过底座固定在框架上；底座中间的空间放入环形混凝土盒；环形混凝土盒上下开口，盒壁采用混凝土制作，中间空间用于装入土样，装入的土样与环形混凝土盒的混凝土接触，用于模拟桩‑土界面；在环形混凝土盒的内壁上开设有凹槽 ，用于放置土压力计及第一温度传感器；压板放置在土样上下，下压板开设有传压腔；绝热材料放置于下压板下面及环形混凝土盒外围；水循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程；数据采集系统包括土压力计和第一温度传感器，土压力计和第一温度传感器布置在环形混凝土盒的内壁上的凹槽内，用于采集桩‑土界面的法向接触应力及界面温度数据。

【技术特征摘要】
1.一种变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备，其特征在于，包括框架、竖向压力加载系统、桩-土界面模拟系统、水循环控温系统、数据采集系统；框架用于支撑实验装置的其它系统；竖向压力加载系统用于对试验混凝土施加竖向压力；桩-土界面模拟系统包括底座、环形混凝土盒，压板和绝热材料；桩-土界面模拟系统通过底座固定在框架上；底座中间的空间放入环形混凝土盒；环形混凝土盒上下开口，盒壁采用混凝土制作，中间空间用于装入土样，装入的土样与环形混凝土盒的混凝土接触，用于模拟桩-土界面；在环形混凝土盒的内壁上开设有凹槽，用于放置土压力计及第一温度传感器；压板放置在土样上下，下压板开设有传压腔；绝热材料放置于下压板下面及环形混凝土盒外围；水循环控温系统用于模拟桩体的温度变化过程；数据采集系统包括土压力计和第一温度传感器，土压力计和第一温度传感器布置在环形混凝土盒的内壁上的凹槽内，用于采集桩-土界面的法向接触应力及界面温度数据。2.根据权利要求1的变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备，其特征在于，数据采集系统还包括应变传感光纤，在环形混凝土盒内壁环向粘贴分布式应变传感光纤。3.根据权利要求1或2的变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备，其特征在于，所述变温条件下能量桩桩-土界面法向接触应力试验设备还包括注水排水系统，注水排水系统包括通水孔、排水阀、排气阀；桩-土界面模拟系统还包括橡皮圈，底座底部开设有通水孔，在环形混凝土盒里面预埋水管，并开设排气孔；上、下压板周围通过橡皮圈与混凝土紧密接触，下压板通过橡皮圈与底座的通水孔紧密连接；通水孔通过底座与下压板下部传压腔相接；排水阀安装在通水孔外部；排气阀在混凝土盒上侧，与环形混凝土盒的排气孔相连；数据采集系统还包括底座孔隙水压力计，底座孔隙水压力计用于采集饱和土样孔隙水压力数据。4.根据权利要求1的变温条件下能量桩桩-土界面法向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹，刘子文，丁大勇，刘春，程健，陈卓，
申请(专利权)人：南京大学，南京大学苏州高新技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32