一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，装置包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统，固定系统包括底座、导轨和加固装置，用于对管桩进行固定，围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压，土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对气囊施加牵引力。本发明专利技术提供了能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性的简易试验装置及其操作方法，待测模型桩不发生位移，而由待测土样发生位移，模拟了管桩与土塞的剪切过程，围压系统置于待测模型桩内，极大地节省了试验空间，使操作性更强。

A cyclic shear test device and method for pipe pile and soil plug interface

The invention discloses a cyclic shearing test device and method for the contact surface between pipe pile and soil plug. The device comprises a fixing system, a confining pressure system, a soil plug simulation system and a traction system. The fixing system comprises a base, a guide rail and a reinforcing device for fixing the pipe pile. The confining pressure system comprises an air bag, a barometer and a pressure control device. The earth plug simulation system includes nylon bags and soil samples to be measured. The traction system includes a displacement monitoring device, a first dynamometer, a first servo motor, a second dynamometer, and a second servo motor for exerting traction on the air bag. The invention provides a simple test device and its operation method which can well reflect the stress state of the soil plug and simulate the contact characteristics between the pipe pile and the soil plug. The model pile to be measured does not displace, but the soil sample to be measured displaces. The shearing process between the pipe pile and the soil plug is simulated. The confining pressure system is placed in the model pile to be measured, thus greatly saving the cost. The test space makes the operation more powerful.

【技术实现步骤摘要】
一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法
本专利技术涉及桩基工程
，尤其涉及一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法。
技术介绍
近年来，跨海大桥、海上钻井平台、海上风电机场等大型工程不断涌现，各类大直径管桩因其施工快捷、打入性好、承载力高等特点，在上述工程的基础建设中发挥了重要作用。与挤土桩不同，管桩在贯入过程中，土层中部分土体会挤入桩内，形成土塞。大量文献表明，当土塞达到一定高度后，至桩底向上两到三倍桩径范围内的土体密实度极高，形成所谓的“楔紧区”，该区域内土塞会对桩体产生极大的侧向力，导致该区域桩土界面上单位内摩阻力远大于桩外单位外摩阻力，从而影响管桩打入特性和成桩后管桩的承载力。在海洋工程的基础建设中，基桩在成桩过程及成桩后服役期间，会持续受到上部构筑物荷载和洋流、风浪等外部荷载的循环扰动，使基桩的承载性能发生改变，即所谓的“循环荷载效应”；其中比较显著的现象之一就是桩侧摩阻力在循环荷载作用下的退化。目前，对这一现象的理论研究多集中于桩与外侧土接触面，而对土塞与管桩接触面在循环荷载扰动作用下剪切特性的研究较少。在试验开展方面，对桩土界面剪切特性的研究仍集中于桩与外侧土接触面上；其中，现场试验主要在桩身内安装测量元件，通过测量元件监测桩体在打桩和承载过程中的应力变化，从而反映其剪切特性的改变；此类方法可信度较高，但试验周期长，试验开销大，且测量元件一旦发生损坏则监测数据不再具有可信度，因此难以作为常规试验方式；室内试验目前应用较为广泛的是对直剪试验装置进行改造，例如将剪切盒用钢板替代，来模拟桩土界面，但上述试验装置剪切面积会发生改变，不能很好地反映桩土接触面的实际几何特性和受荷特性；为解决上述问题，环剪仪和恒刚度剪切仪等新型设备也不断被研制出来，但上述试验仪器成本较高，尺寸较小，仍不能很好反映桩土实际接触特性。由于土塞处于管桩内，所处的应力场与位移场和桩外侧土有很大的不同，不能直接将桩土外侧界面的循环剪切特性与内侧进行等效，因此，研究管桩与土塞接触面在循环荷载作用下剪切特性的变化，从而为打桩工艺和管桩承载力的设计提供参考，将具有十分重要的工程和科研意义。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，所述管桩与土塞接触面循环剪切特性的试验装置能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性。为实现上述目的，本专利技术采用了一种技术方案：一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；所述牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对所述气囊施加牵引力；所述位移监测装置与所述气囊连接，用于记录并控制所述气囊的移动距离；所述第一测力计分别与所述第一伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力；所述第二测力计分别与所述第二伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力。进一步地，所述轴向加固装置可根据所述待测模型桩长度安放于所述导轨上的不同凹槽处；所述径向加固装置可根据所述待测模型桩的直径改变其高度，使其加固中心的高度与所述待测模型桩的轴线处于同一水平，从而保证所述待测模型桩在试验过程中不会发生移动。进一步地，所述轴向加固装置包括第一钢棍和第二钢棍，所述径向加固装置包括上盒和下盒，调节所述下盒中的下轴承，使所述上盒的中心与所述待测模型桩的轴线位于同一水平，进一步调节所述上盒中的上轴承，使所述上轴承前的橡皮垫与所述待测模型桩紧密结合。进一步地，所述气囊为橡胶气囊，其外径略小于待测模型桩的内径，加压后可实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的紧密接触，所述气囊可提供不同围压。进一步地，所述气囊的两端分别安装有第一金属头和第二金属头，保证所述气囊具有一定骨架；所述第一金属头和所述第二金属头上分别安装有进气管和出气管，所述进气管通过所述导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接。进一步地，所述第一金属头上还安装有第一挂钩和第二挂钩，所述第二金属头上还安装有第三挂钩，所述第一挂钩、所述第二挂钩和所述第三挂钩分别通过第一钢绳、第二钢绳和第三钢绳与所述牵引系统连接，所述牵引系统施加的牵引力方向与所述气囊的轴线方向共线，保证牵引力不在其他方向产生分力。进一步地，所述第一挂钩通过第一钢绳与所述位移监测装置连接，所述第二挂钩通过所述第二钢绳与所述第一测力计连接，所述第一测力计通过所述第二钢绳与所述第一伺服电机连接，所述第三挂钩通过所述第三钢绳与所述第二测力计连接，所述第二测力计通过所述第三钢绳与所述第二伺服电机连接。进一步地，所述待测土样由待测土层中取得，经过浸泡、风干、涂胶处理后与粘附于所述尼龙袋上，所述待测土样具有一定厚度。为实现上述目的，本专利技术采用了另一种技术方案：一种管桩与土塞接触面循环剪切试验方法，采用上述任一项所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括以下步骤：步骤S1：试验前准备：进行试验前各个测量元件及仪表的检查与校正，例如对所述气囊的气密性进行检查，对所述第一测力计、所述第二测力计、所述气压计、所述位移监测装置等进行校正；步骤S2：固定模型桩：将所述待测模型桩置于两个所述导轨之间，根据所述待测模型桩的尺寸，通过所述加固装置对所述待测模型桩的径向和轴向位移进行控制，保证所述待测模型桩在试验过程中不发生移动；步骤S3：准备土样：对所述待测土层进行取样，将所述待测土样进行浸泡、烘干、涂胶处理后与所述尼龙袋的外侧粘连在一起，并将所述尼龙袋的内侧捆绑于所述气囊的外侧；步骤S4：准备牵引系统：通过第一钢绳将所述第一挂钩与所述位移监测装置进行连接，通过所述第二钢绳将所述第二挂钩、所述第一测力计、所述第一伺服电机进行连接，通过所述第三钢绳将所述第三挂钩、所述第二测力计、所述第二伺服电机进行连接；步骤S5：准备气囊：将所述气囊卸压，使所述气囊保持其初始形态，并将所述气囊置于所述待测模型桩内；将所述气囊的所述进气管通过所述导管与所述气压表、所述压力控制装置及所述高压气瓶分别连接，对所述气囊进行加压，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁紧密接触，记录此时所述气压表读数；步骤S6：进行试验：开启所述第一伺服电机和/或所述第二伺服机，牵引所述气囊匀速移动，记录所述气囊的移动速度，使所述待测土样与所述待测模型桩内壁进行剪切，通过所述位移监测装置记录剪切位移，记录剪切结束后的所述第一测力计和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；所述牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对所述气囊施加牵引力；所述位移监测装置与所述气囊连接，用于记录并控制所述气囊的移动距离；所述第一测力计分别与所述第一伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力；所述第二测力计分别与所述第二伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力。...

【技术特征摘要】
1.一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；所述牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对所述气囊施加牵引力；所述位移监测装置与所述气囊连接，用于记录并控制所述气囊的移动距离；所述第一测力计分别与所述第一伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力；所述第二测力计分别与所述第二伺服电机、所述气囊相连，用于读取所述气囊移动时的牵引力。2.根据权利要求1所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述轴向加固装置可根据所述待测模型桩长度安放于所述导轨上的不同凹槽处；所述径向加固装置可根据所述待测模型桩的直径改变其高度，使其加固中心的高度与所述待测模型桩的轴线处于同一水平，从而保证所述待测模型桩在试验过程中不会发生移动。3.根据权利要求2所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述轴向加固装置包括第一钢棍和第二钢棍，所述径向加固装置包括上盒和下盒，调节所述下盒中的下轴承，使所述上盒的中心与所述待测模型桩的轴线位于同一水平，进一步调节所述上盒中的上轴承，使所述上轴承前的橡皮垫与所述待测模型桩紧密结合。4.根据权利要求1所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述气囊为橡胶气囊，其外径略小于待测模型桩的内径，加压后可实现所述待测土样与所述待测模型桩内壁的紧密接触，所述气囊可提供不同围压。5.根据权利要求4所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述气囊的两端分别安装有第一金属头和第二金属头，保证所述气囊具有一定骨架；所述第一金属头和所述第二金属头上分别安装有进气管和出气管，所述进气管通过所述导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接。6.根据权利要求5所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述第一金属头上还安装有第一挂钩和第二挂钩，所述第二金属头上还安装有第三挂钩，所述第一挂钩、所述第二挂钩和所述第三挂钩分别通过第一钢绳、第二钢绳和第三钢绳与所述牵引系统连接，所述牵引系统施加的牵引力方向与所述气囊的轴线方向共线，保证牵引力不在其他方向产生分力。7.根据权利要求6所述的管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，其特征在于：所述第一挂钩通过第一钢绳与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立辰，吴文兵，梁荣柱，官文杰，宗梦繁，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42