竖向拉拔式双向接触面抗剪强度参数测试装置及测试方法与流程

本发明涉及一种竖向拉拔式双向接触面抗剪强度参数测试装置及测试方法。适用于地质工程、土木工程、水利工程及海洋工程中岩土体与结构材料接触面的压剪测试及抗剪强度参数测试。

背景技术：
接触力学问题广泛存在于岩土工程中，表现为不同物理力学特性的介质在其接触面上产生的压缩、变形、滑动等力学特性，比如岩石力学中的断层、节理等结构面即为典型的接触力学问题，基础工程中的土体与浅基础的接触面、土体与桩基的接触面，其力学特性直接影响到基础的安全稳定。另外，支护结构的接触力学问题也较常见，如土钉、锚杆、锚索等与岩土体间通过接触面实现荷载传递和扩散，加筋土通过土工材料与土体接触面实现整体力学性能的增强。海洋桩基工程中常使用钢管桩，将薄壁钢板通过机械工艺卷制成管状，并逐步拼接，再通过锤击或静压等方式压入海底地层。对海上风电等大型结构而言，其钢管桩直径可达4～6m，对此类接触面的摩擦力学特性需精确测定，其接触面的力学特性往往是基础、结构整体安全稳定的制约因素。涉及到土体与结构材料共同协调作用的工程问题，其接触力学特性均是最重要的技术问题之一。对于岩土体与结构接触面的剪切力学特性，一般认为符合摩尔库伦抗剪强度准则，其力学特性分析，关键是进行压剪试验确定接触面抗剪强度参数，为解析方法及数值模拟方法的参数选取提供依据。目前，抗剪强度参数难以准确确定，主要是由于常规的试验设备和方法存在一定问题：(1)由于常规试验仪器中将土体放置于土容器中，采用土体剪切盒进行试验，土体剪切盒约束了土体在剪切方向的变形，限制了土体与接触面的协调变形，使得测试数据不准确；(2)由于常规测试方法问题，一般采用测试结构材料放置于测试土体之下或之上，结构的接触面只与测试土体保持单面接触，这就在测试时忽略了结构材料的另一接触面与测试仪器间的摩擦力，导致测试不准确；(3)岩土体在法向应力作用下，常规测试仪器无法控制岩土体的排水状态，法向应力增大时，如无法排水，土体内超孔隙水压力增大，此时直接测量导致测试结果偏离真值。如岩土工程学报2010年第32卷第9期发表的名为“NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的研制”的文章，其公开了一种接触面直剪仪，其将土样限制于剪切盒中，特别是在土容器的端部，限制了土样在剪切方向与测试材料的协调变形；中国专利公开号为CN102607966A的“循环荷载作用大型接触面特性直剪仪”发明专利，公开了一种接触面直剪仪，亦存在该方面的问题；岩土工程学报2008年第30卷第6期发表的名为“大型三维土与结构接触面试验机的研制与应用”的文章，其公开了一种土与结构接触面试验仪器，亦为将土样限制于土容器中，测试材料的接触面只与土样保持了单面接触，测试材料与仪器接触的摩擦力影响不能考虑。同时，上述所开发的测试仪器，均未考虑在不同的法向应力条件下的土样的排水控制，随着法向应力的增大，土样中超孔隙水压力提升，影响着测试结果。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种竖向拉拔式双向接触面抗剪强度参数测试装置及测试方法，不但能进行不同类土样与不同粗糙度的混凝土、钢板、土工织物等建筑材料进行双向接触面力学测试，同时亦能够进行在不同法向应力状态下、不同排水条件下的接触面压剪测试，准确获取接触面的抗剪强度参数。本发明所采用的技术方案是：一种竖向拉拔式双向接触面抗剪强度参数测试装置，包括底座和安装于底座上的结构框架，其特征在于：所述底座上置有两块垂直底座且相互平行的推板，推板两端紧贴结构框架两侧侧板，两推板与推板两端的侧板围成用于盛装测试土样的土槽；所述推板连接法向加载装置，其上安装采集法向应力数据的法向应力传感器；所述结构框架上、土槽正上方设置拉拔式加载装置，该拉拔式加载装置下端经连接头连接测试板，所述拉拔式加载装置上安装分别采集位移和应力数据的位移传感器和应力传感器；所述法向加载装置和拉拔式加载装置通过传输线连接计算机。所述推板上端可转动销接盖板。所述土槽底部安装有排水阀，排水阀端部设置滤膜。应用所述测试装置进行测试的方法，其特征在于步骤如下：a、将所测试材料预制成多块不同粗糙度的测试板，在测试板上部与连接头固定，并将连接头安装于拉拔式加载装置上，下部放置于土槽内中部位置；b、在土槽内放置测试土样，采用浸水及上部预压方式使其饱和固结；c、设定试验时的法向应力，关闭盖板，通过计算机控制法向加载装置进行施加，通过打开或关闭排水阀来控制测试土样的排水或不排水状态；d、在该法向应力下土样固结稳定后，打开盖板，调整位移传感器，设定加载速率，通过计算机控制拉拔式加载装置进行测试材料的拉拔试验，记录对测试板施加的拉力大小、位移及对应的法向应力等指标，如测得的拉力和位移曲线进入塑性流动状态，即认为接触面达到了抗剪极限状态，通过下式进行计算抗剪强度参数：式中，T为达到极限状态时的拉力；G为测试板自重；T′为测试板薄壁摩阻力；A为达到极限状态时，测试板与测试土样接触部位的单面面积；τf为接触面的抗剪强度；σ为所施加的法向应力；为接触面的摩擦角；c为接触面的黏聚力；根据不同的法向应力σ及对应的T即可得到接触面的抗剪强度参数。本发明的有益效果是：(1)该测试装置结构简单、制作方便、成本较低，实际中桩基础嵌于土层中，对于桩土相互作用问题，该测试装置极大程度地模拟了土与桩接触面力学特性；(2)采用与土样的双面摩擦接触，极大地减少了干扰，保证了接触面完全是由测试板和测试土样构成；(3)在拉拔试验中，由于盖板打开，装置中土样的上部边界自由，在拉拔过程中，测试材料周边土可随测试材料协调运动，并非像一般测试设置，其剪切盒固定了剪切面，限制了土样与材料的协调运动，导致测试值不准确；(4)如果土样随结构测试材料一同被拉出，则此时最薄弱面不在接触面处，而在土样中某破裂面处，最薄弱面的摩擦角和黏聚力此时即为测试土体的抗剪强度参数，该方法可明确界定出土的抗剪强度和接触面的抗剪强度，在此基础上，亦可对接触面及土体的破坏规律和破坏机理进行分析；(5)可进行不同土体、不同材料、不同粗糙度的接触力学测试，物理概念清晰，操作简便；(6)在进行试验操作时，可模拟实现测试土样在不同竖向压力作用下的排水和不排水情况；(7)可实现大尺寸结构材料与土体的接触力学测试，减少接触面力学性能的尺寸效应影响。附图说明图1为本发明的立面结构示意图。图2为图1的A-A剖面图。图3为典型的接触面剪切力与切向位移变化曲线。图4为典型的接触面剪切力与法向应力关系曲线。具体实施方式如图1所示，本实施例中测试装置由底座13、安装于底座上的结构框架1及内部的装置构成，包括拉拔式加载装置2、应力传感器3、位移传感器4、法向加载装置10和法向应力传感器11。在底座13上放置有两块垂直底座且相互平行的推板7，该推板两端紧贴结构框架1两侧侧板，推板7上端可转动销接盖板9。两推板7与推板两端的侧板围成土槽。本例中在土槽底部安装排水阀12，打开和关闭排水阀12，可控制测试土样6在法向应力作用下的排水及不排水状态，排水阀12端部设置滤膜，防止土颗粒随水排出。在土槽的两侧对称设有两个法向加载装置10，每一法向加载装置对应连接一侧的推板7；法向加载装置10上安装法向应力传感器11，可记录和传输施加的法向应力值。本实施例中在结构框架1上、土槽正上方安装提供向上的拉拔力的拉拔式加载装置2，该拉拔式加载装置下端安装连接头8；拉拔式加载装置2上还分别安装有位移传感器4和应力传感器3，通过应力传感器3和位移传感器4记录拉力、位移值。法向加载装置10和拉拔式加载装置2通过传输线14连接计算机，采用计算机控制加载速率。本实施例的具体测试方法如下：1、将所测试材料预制成多块不同粗糙度的测试板5(测试板两面的粗糙度一致)，测试板5上部与连接头8固定并将连接头8安装于拉拔式加载装置2，测试板5下部放置于下方的土槽内的中部位置(见图2)；2、在土槽内放置测试土样6，采用浸水及上部预压等方式使其饱和固结；3、设定试验时的法向应力，关闭盖板9(限制法向压力作用下土样侧向变形)，通过计算机控制法向加载装置10进行施加；通过打开或关闭排水阀12，控制测试土样的排水或不排水状态；4、在该法向应力下测试土样固结稳定后，打开盖板9，调整位移传感器4，设定加载速率，通过计算机控制拉拔式加载装置2进行测试板5的拉拔试验，记录对测试材料施加的拉力大小、位移及对应的法向应力等指标，如测得的拉力和位移曲线进入塑性流动状态，即认为接触面达到了抗剪极限状态，可通过式(1)进行计算抗剪强度参数：式中，T为达到极限状态时的拉力；G为测试板5自重；T′为测试板5薄壁摩阻力，一般选用薄壁材料，故该值相对较小，可以忽略，亦可先期测定，根据量级判定是否可以忽略；A为达到极限状态时，测试板5与测试土样6接触部位的单面面积，由于接触面积随着拉拔速率逐渐变化，可根据测试材料位移变化值求得；τf为接触面的抗剪强度；σ为所施加的法向应力；为接触面的摩擦角；c为接触面的黏聚力。根据不同的法向应力σ及对应的T即可得到接触面的抗剪强度参数。如图3所示，坐标横轴为切向位移u(即测试板位移)，坐标纵轴为切向应力τ，当测得的应力和位移曲线进入塑性流动状态，即认为接触面发生屈服，达到了抗剪极限状态，如图曲线的拐点即为屈服点，对应的剪切力即为抗剪强度τf。极限状态时测得拉力为T，测试板5自重为G，测试板5薄壁端部摩阻力为T′，测试板5宽为B，原接触面积为A′(试验前可预先测定)，极限状态时向上拔出的位移为u，单面接触面面积为A，对应的法向应力为σ，则通过下式可得到接触面抗剪强度值τf：随着测试板5逐渐被拉出，其接触面积亦会发生变化，其中当为极限状态时，A可表示为：A＝A′-uB(3)接触面摩擦角和黏聚力c表示为法向应力σ的函数：如图4所示，坐标纵轴为抗剪强度τf，坐标横轴为法向应力σ，通过不同的法向应力σ可获得多组测点，通过拟合即可求解得到接触面抗剪强度参数，其中拟合直线的倾角即为摩擦角与坐标纵轴的截距即为黏聚力c，本例获得的接触面黏聚力为13.8kPa，摩擦角为28.6°。以上所述，仅是本发明的一实施例，其加载装置可由向上的拉拔式扩展为向下的插压式，其测定双向接触面摩擦力学特性原理类似，进而可对接触面摩擦力学特性进行测试，亦可为工程设计人员提供有益的参考。