本发明专利技术属于海洋土力学测试仪器技术领域，公开了一种土与结构界面相互作用参数测定装置及测试方法。该装置包括支撑结构、摩擦桩体、密封压力室、扭剪和轴向加载系统、控制系统和采集系统。其中摩擦桩体、空心圆柱土体均设在密封压力室内；密封压力室与孔压测力系统及反压系统、排水系统相接；所述的扭剪和轴向加载系统与控制系统和采集系统相连。本发明专利技术能测定土与结构相互作用时的参数，对含桩土样进行固结，从而使含桩土体呈现不同应力状态；同时更便捷地对结构物周围土体进行固结过程和剪切过程，更真实地模拟深海结构与土体的力学响应状态、探讨土与结构相互作用时的界面演化规律，为土‑结构界面的本构关系研究提供更多的支持。
【技术实现步骤摘要】
一种土与结构界面相互作用参数测定装置及测试方法
本专利技术属于土木工程海洋土力学测试仪器
，涉及一种土与结构界面相互作用参数测定装置及测试方法。
技术介绍
近年来，海洋工程的规模得到了空前发展，在探究海洋资源的同时，不可避免地要涉及波浪循环荷载对海洋土体-结构体接触面的动力响应特性，波浪循环荷载条件下海床土与结构的相互作用不仅包括剪切作用，也包括相互间的扭剪作用。而现有规范中并没有统一的海洋土及结构物相互作用的试验设备及相关方法，现有的接触面研究的试验设备大多较为简单，不仅难以对接触面土体孔隙水压力变化进行直接测量，也难以模拟海洋环境中土体与海工结构物的相互剪切及扭剪作用，导致海洋环境中海床土与结构物的相互作用规律并不明确，也使得在许多结构物基础在设计时无章可循，例如现阶段常见的吸力锚、鱼雷锚、平板锚等，因此，本专利技术在已有的技术方法上，研发一种全新的土-结构体相互作用的仪器，真实模拟了海底土所受的复杂应力状态，为测量深海土-结构物接触面土体在复杂应力状态下的力学参数(接触面有效粘聚力c’、接触面有效剪切角)准确度上做了更进一步地修正。
技术实现思路
本专利技术主要是为了研究在海底真实环境中土-结构体接触面受到复杂应力状态下的基本力学参数，为后续建立接触面本构模型做铺垫。为达到以上目的，本专利技术提出了一种土与结构界面相互作用参数测定装置及测试方法。本专利技术的技术方案为：一种土与结构界面相互作用参数测定装置，包括支撑结构、空心圆柱土体16、摩擦桩体15、密封压力室、扭剪和轴向加载系统、控制系统24和采集系统25。所述的摩擦桩体15、空心圆柱土体16均安设在密封压力室内；密封压力室与孔压测力系统及反压系统、排水系统相接；所述的扭剪和轴向加载系统置于密封压力室上方，与控制系统24和采集系统25相连。具体地：所述的支撑结构包括上托台1、下托台2和支撑框架3；四根支撑框架3将上托台1和下托台2的四个角连接为一体结构。所述的密封压力室包括压力室支架18、压力室顶板8、密封罩9、压力室底板21、土体顶盖14和土体底座19。压力室支架18共两个，其两端通过固定螺丝10分别对称固定在压力室顶板8和土体底座19上。所述密封罩9的上端通过螺丝固定于压力室顶板8上，密封罩9下端嵌套在压力室底板21的卡槽上。所述压力室底板21上分别设有进水管20和出水管23，进水管20和出水管23外侧均与存有无气水的水箱接通。所述的土体顶盖14和土体底座19分别布设于空心圆柱土体16的上侧与下侧；土体顶盖14为铝制空心圆柱，其空心直径与摩擦桩体15的直径一致；土体顶盖14的上侧内部环套有密封圈30以防止试验中密封压力室内水沿摩擦桩体15挤入土体内；土体顶盖14上方延伸一段形成上沿薄壁31；上沿薄壁31上固定桩端橡皮膜27，以达到桩端防水的作用。所述的土体顶盖14上侧设有排水管11。所述的土体底座19由依次连接的空心圆柱和圆盘组成，土体底座19通过螺丝固定在压力室底板21上；土体底座19的空心圆柱内径与摩擦桩体15的直径一致；靠近摩擦桩体15的空心圆柱上设有反压管22，反压管22与孔压传感器、反压传感器及采集系统25相连。所述的摩擦桩体15为中间段螺纹状的实心钢柱，摩擦桩体15下端固定在土体底座19上，上端依次贯穿空心圆柱土体16和土体顶盖14并嵌套在空心圆盘28中。所述的空心圆盘28用螺丝固定在传力座13上，使摩擦桩体15实现同端部传力杆受力运动保持一致。所述的空心圆柱土体16的空心圆柱内径与摩擦桩体15直径一致，空心圆柱土体16上下两端均依次放置内径与摩擦桩体15直径相等、外径与空心圆柱土体16直径一致的空心透水石和滤纸29；所述的空心圆柱土体16外侧包裹与其直径相同的橡皮膜17；所述橡皮膜17两端用橡皮筋分别紧紧扎在土体顶盖14和土体底座19上。所述的扭剪和轴向加载系统包括扭剪控制器12、应力传感器4、位移传感器5、传力杆26和液压加载装置7。传力杆26下端穿过压力室顶板8紧紧接触在传力座13上，传力杆26上端穿过上托台1与位移传感器5连接。所述位移传感器5、应力传感器4、液压加载装置7依次相连，对该测定装置中桩土界面的扭剪和轴向剪切提供动力。所述的扭剪控制器12连接在传力杆26上、位于传力座13上方，扭剪控制器12受控制系统24调控，通过传力杆传导应力转换为一定扭剪力从而带动摩擦桩体以某一剪切速度或扭矩旋转。所述控制系统24与采集系统25、应力传感器4和位移传感器5连接。采用上述装置进行测试的方法，包括如下步骤：步骤S1，依据不同的工况，选取不同粗糙程度及不同尺寸的摩擦桩体15和不同的土体(原状土为不同区域、不同深度的土体，重塑土体为不同含水率、不同密实度、不同孔隙水类型的土体)；在制样阶段将摩擦桩体15埋入制土模具中，且摩擦桩体15固定放置在制土模具的中间位置，为确保土体在后续剪切过程中始终保持土体与摩擦桩体的接触面积恒定，需保证制备后的土体位于摩擦桩体15粗糙范围内的确切位置。步骤S2，在装样前将管线中的空气排出，并将孔压和反压等传感器示数调零，将橡皮膜17从内部反套在承膜筒上，用橡皮球吸出橡皮膜17内部残余气体，将步骤S1制备的含桩土体缓慢放入承膜筒中，在含桩土体的上下两端依次放置空心透水石和滤纸29；然后将含桩土体置于土体底座19对应位置，依次将土体顶盖14和桩端橡皮膜27穿过摩擦桩体15顶端放置在土体上方；然后将承膜筒内橡皮膜17套在含桩土体周围，并用橡皮筋将橡皮膜17两端紧紧扎在土体顶盖14和土体底座19上；再将桩端橡皮膜27下端裹在土体顶盖14上部的上沿薄壁31上，桩端橡皮膜27上端包裹在摩擦桩体15端部，并用橡皮筋加以束缚，以防止在剪切过程中压力室内水沿桩体流入土体内部。步骤S3，在反压管22一端接上电动抽气机抽取含桩土体内部气体，先对含桩土体进行初次饱和；然后盖上密封罩9后拧紧螺丝，启动与测试装置相连的围压系统，为防止扭剪控制器遇水损坏，由进水管20缓缓注水直至土体顶盖14位置，逐级向密封压力室内施加适当的围压、向土体底部反压管22中施加反压，始终保持围压值比反压值略大，使土体中气体在一定有效围压中溶解于水中并通过排水管11排出，当孔隙水压力增量与围压增量的比值达到0.95～0.98后停止饱和。步骤S4，饱和结束后，根据实际工况需要确定含桩土体是否进行固结，若不需要固结试验，直接进行步骤S5；若进行固结试验，首先观察土体上部排水管11是否通畅，再输入相应的围压，采集系统25自动记录应力传感器与位移传感器的读数。步骤S5，待步骤S4结束后，根据实际工况需要进行不同的试验，包括依据土体上部排水管11的闭合状态选定排水或不排水试验、依据选定的不同加载装置选定扭剪试验或轴向剪切试验、运用不同控制加载方式选择单次剪切或循环加载方法。仪器的控制系统24采用两套控制方法，分为应力控制和应变控制，应力控制为控制应力增量变化率的控制方法，而应变控制为控制位移变化率的控制方法，两套控制方法均可依据需求确定不同的加载速率。在试验中可手动停止或设定破坏准则自动停止，标定当摩擦本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种土与结构界面相互作用参数测定装置，其特征在于，该装置包括支撑结构、空心圆柱土体(16)、摩擦桩体(15)、密封压力室、扭剪和轴向加载系统、控制系统(24)和采集系统(25)；/n所述的支撑结构包括上托台(1)、下托台(2)和支撑框架(3)；四根支撑框架(3)将上托台(1)和下托台(2)的四个角连接为一体结构；/n所述的密封压力室包括压力室支架(18)、压力室顶板(8)、密封罩(9)、压力室底板(21)、土体顶盖(14)和土体底座(19)；所述压力室支架(18)两端分别固定在压力室顶板(8)和土体底座(19)上；所述密封罩(9)两端分别固定在压力室顶板(8)和压力室底板(21)上；所述压力室底板(21)上分别设有进水管(20)和出水管(23)，进水管(20)和出水管(23)外侧均与存有无气水的水箱接通；所述的土体顶盖(14)和土体底座(19)分别布设于空心圆柱土体(16)的上侧与下侧；土体顶盖(14)为铝制空心圆柱，其上设有排水管(11)；土体顶盖(14)上侧的空心孔中环套有密封圈(30)以防止试验中密封压力室内水沿摩擦桩体挤入土体内；土体顶盖(14)上端延伸形成上沿薄壁(31)，上沿薄壁(31)上固定桩端橡皮膜(27)，以达到桩端防水的作用；所述的土体底座(19)固定在压力室底板(21)上，土体底座(19)由依次连接的空心圆柱和圆盘组成，空心圆柱上设有反压管(22)，反压管(22)与孔压传感器、反压传感器及采集系统(25)相连；/n所述的空心圆柱土体(16)两端均依次放置空心透水石和滤纸(29)；空心圆柱土体(16)外侧包裹橡皮膜(17)；所述橡皮膜(17)两端分别固定在土体顶盖(14)和土体底座(19)上；/n所述的摩擦桩体(15)为中间段螺纹状的实心钢柱，摩擦桩体(15)下端固定在土体底座(19)上，上端依次贯穿空心圆柱土体(16)和土体顶盖(14)并嵌套在空心圆盘(28)中；所述的空心圆盘(28)固定在传力座(13)上，使摩擦桩体实现同端部传力杆受力运动保持一致；/n所述的扭剪和轴向加载系统包括应力传感器(4)、位移传感器(5)、传力杆(26)、液压加载装置(7)和扭剪控制器(12)；传力杆(26)下端穿过压力室顶板(8)紧紧接触在传力座(13)上，传力杆(26)上端穿过上托台(1)与位移传感器(5)连接；所述位移传感器(5)、应力传感器(4)、液压加载装置(7)依次相连，对该测定装置中桩土界面的扭剪和轴向剪切提供动力；所述的扭剪控制器(12)连接在传力杆(26)上、位于传力座(13)上方，扭剪控制器(12)受控制系统(24)调控；所述控制系统(24)与采集系统(25)、应力传感器(4)和位移传感器(5)连接。/n...
【技术特征摘要】
1.一种土与结构界面相互作用参数测定装置，其特征在于，该装置包括支撑结构、空心圆柱土体(16)、摩擦桩体(15)、密封压力室、扭剪和轴向加载系统、控制系统(24)和采集系统(25)；
所述的支撑结构包括上托台(1)、下托台(2)和支撑框架(3)；四根支撑框架(3)将上托台(1)和下托台(2)的四个角连接为一体结构；
所述的密封压力室包括压力室支架(18)、压力室顶板(8)、密封罩(9)、压力室底板(21)、土体顶盖(14)和土体底座(19)；所述压力室支架(18)两端分别固定在压力室顶板(8)和土体底座(19)上；所述密封罩(9)两端分别固定在压力室顶板(8)和压力室底板(21)上；所述压力室底板(21)上分别设有进水管(20)和出水管(23)，进水管(20)和出水管(23)外侧均与存有无气水的水箱接通；所述的土体顶盖(14)和土体底座(19)分别布设于空心圆柱土体(16)的上侧与下侧；土体顶盖(14)为铝制空心圆柱，其上设有排水管(11)；土体顶盖(14)上侧的空心孔中环套有密封圈(30)以防止试验中密封压力室内水沿摩擦桩体挤入土体内；土体顶盖(14)上端延伸形成上沿薄壁(31)，上沿薄壁(31)上固定桩端橡皮膜(27)，以达到桩端防水的作用；所述的土体底座(19)固定在压力室底板(21)上，土体底座(19)由依次连接的空心圆柱和圆盘组成，空心圆柱上设有反压管(22)，反压管(22)与孔压传感器、反压传感器及采集系统(25)相连；
所述的空心圆柱土体(16)两端均依次放置空心透水石和滤纸(29)；空心圆柱土体(16)外侧包裹橡皮膜(17)；所述橡皮膜(17)两端分别固定在土体顶盖(14)和土体底座(19)上；
所述的摩擦桩体(15)为中间段螺纹状的实心钢柱，摩擦桩体(15)下端固定在土体底座(19)上，上端依次贯穿空心圆柱土体(16)和土体顶盖(14)并嵌套在空心圆盘(28)中；所述的空心圆盘(28)固定在传力座(13)上，使摩擦桩体实现同端部传力杆受力运动保持一致；
所述的扭剪和轴向加载系统包括应力传感器(4)、位移传感器(5)、传力杆(26)、液压加载装置(7)和扭剪控制器(12)；传力杆(26)下端穿过压力室顶板(8)紧紧接触在传力座(13)上，传力杆(26)上端穿过上托台(1)与位移传感器(5)连接；所述位移传感器(5)、应力传感器(4)、液压加载装置(7)依次相连，对该测定装置中桩土界面的扭剪和轴向剪切提供动力；所述的扭剪控制器(12)连接在传力杆(26)上、位于传力座(13)上方，扭剪控制器(12)受控制系统(24)调控；所述控制系统(24)与采集系统(25)、应力传感器(4)和位移传感器(5)连接。
2.一种如权利要求1所述装置的测试方法，其特征在于，所述的测试方法包括以下步骤：
步骤S1，依据不同的工况...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆，郑铮，张世兴，杨钢，王胤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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