一种土与结构界面相互作用参数测定装置及测试方法与流程

本发明属于土木工程海洋土力学测试仪器技术领域，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。

背景技术：

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，本发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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。

本发明的技术方案为：

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，标定当摩擦桩体位移量达到空心圆柱土体高度的15％时试验结束。在上述试验过程中，采集系统25自动记录应力传感器读数τ、位移传感器读数ξ和孔压传感器读数u。

其中，应力读数τ代表摩擦桩体-土体接触面随时间变化的剪切强度，位移读数ξ代表剪切过程中随时间变化的摩擦桩体-土体相对位移值，孔压读数u代表摩擦桩体-土体接触面受剪切作用所引起的随时间变化的孔压值。

步骤s6，桩土相互作用试验结束后，关闭围压系统，将密封罩9内的水由密封压力室底座的出水管23排出，拆卸密封罩9和土体外侧橡皮膜17，抬高传力座位置以便拆卸土体顶盖和土体底座，打扫残余土体并清洗各个排线管。

所述的应力传感器读数、位移传感器读数和孔压传感器读数可获得多种土与结构相互作用的参数及相应规律，例如桩土作用下(有效)应力-应变曲线，孔压-应变曲线和循环应力与循环圈数的关系等。

本发明的有益效果：

(1)为了更精细化计算土与结构界面的基本力学参数，本发明提供了一种既能控制轴向加载又能控制径向扭剪的土与结构界面作用装置，可实现土体饱和、固结、动静加载和孔压应力测量等，为后续求得该接触面土体的有效粘聚力(c’)和有效剪切角并将摩擦桩体粗糙程度rn和水膜厚度h两影响因素与c’和建立联系从而形成一套完整的土与界面参数测试方法做铺垫；

(2)本发明创新性地打破了现有接触面研究试验装置固结过程和孔隙水压力测量的弊端，将现有试验装置的一维固结拓展到了三向等压固结，使固结效果和所得数据更为可靠；另外增设了孔隙水压力的测定，更为准确地得出在土与界面剪切过程中土颗粒所承担的主要作用，进而求得接触面土体的有效粘聚力和有效剪切角；

(3)本发明增设了多方向控制荷载的剪切方式，真实地还原了海底土体既受轴向循环应力又受扭剪力的一种真实海洋环境中，进而得出深海土-结构物界面在复杂应力状态下的力学响应特性；

(4)本发明的测试方法整体简单、仪器操作便捷、结果精确，在研究接触面的一系列实验中有极强的推广价值和实践价值，为后续研究接触面本构关系和相关数值模拟参数标定有重大参考意义。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为含桩土体示意图。

图中：1上托台；2下托台；3支撑框架；4应力传感器；5位移传感器；6框架螺丝；7液压加载装置；8压力室顶板；9密封罩；10固定螺丝；11排水管；12扭剪控制器；13传力座；14土体顶盖；15摩擦桩体；16空心圆柱土体；17橡皮膜；18压力室支架；19土体底座；20进水管；21压力室底座；22反压管；23出水管；24控制系统；25采集系统；26传力杆；27桩端橡皮膜；28空心圆盘；29空心透水石和滤纸；30密封圈；31上沿薄壁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，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和采集系统25相连，控制系统24与应力传感器4和位移传感器5连接。

采用上述装置进行土与结构界面相互作用参数测试，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，标定当摩擦桩体位移量达到空心圆柱土体高度的15％时试验结束。在上述试验过程中，采集系统25自动记录应力传感器读数τ、位移传感器读数ξ和孔压传感器读数u。

步骤s6，桩土相互作用试验结束后，关闭围压系统，将密封罩9内的水由密封压力室底座的出水管23排出，拆卸密封罩9和土体外侧橡皮膜17，抬高传力座位置以便拆卸土体顶盖和土体底座，打扫残余土体并清洗各个排线管。

为简单说明采用上述装置对土-结构界面土体参数的计算方法，仅仅对桩体沿轴向加载的不排水试验进行分析，可求出在一定应变速率加载下(有效)应力-应变的关系；若曲线呈现应变硬化状态，标定土体高度的15％作为最大应变量破坏准则，此时对应的剪切强度定为该状态下的抗剪强度；若曲线呈现应变软化状态，取峰值点作为该状态下的抗剪强度τmax，根据公式σ’＝σ-u可求出接触面土体的有效应力，通过拟合至少三组试验数据得到有效应力σ’和界面抗剪强度τmax的线性关系其中c’为界面有效粘聚力，其物理意义为拟合直线与τmax轴的截距；为界面有效剪切角，其物理意义为拟合直线与水平线的夹角，其值大小直接影响该拟合直线的斜率。

有效粘聚力(c’)和有效剪切角是表征界面抗剪强度的两个基本表征因素，而在传统的研究中往往只分析关于土性、桩体刚度和围压等基本影响因素，事实上在桩土相互作用中，摩擦桩体表面的粗糙程度rn和桩体表面的水膜厚度h也对其界面抗剪强度有直接影响，定义桩体表面粗糙程度其中rm为摩擦桩体表面凹槽中l＝d50时峰值至底谷的垂直高度，l为相邻凹槽的水平距离，d50为该土颗粒的平均粒径，即表示土中大于此颗粒直径和小于此颗粒直径的土含量均占50％；水膜厚度其中粘滞系数η(t)＝-0.00046575ln(t)+0.00239138为受温度影响的一个值，r此时为土体平均粒径d50，t为剪切时间，f即为此时刻该状态下的接触面剪切强度。综上可建立不同粗糙度rn和桩体表面的水膜厚度h影响下的接触面土体抗剪强度的演化规律，进而得出两影响因素对土体有效粘聚力(c’)和有效剪切角的力学响应结果。