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,选取不同粗糙程度及不同尺寸的摩擦桩体(15)和土体;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,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;
步骤s2,装样前将管线中的空气排出,并将孔压传感器和反压传感器示数调零;将橡皮膜(17)从内部反套在承膜筒上,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,并将橡皮膜(17)两端固定在土体顶盖(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)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摩擦桩体流入土体内部;
步骤s3,通过反压管(22)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),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大,使土体中气体在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,根据实际工况进行不同的试验,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)采用应力控制和应变控制两套控制方法,两套控制方法均依据需求确定加载速率;在试验中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τ表示摩擦桩体-土体接触面随时间变化的剪切强度,ξ表示剪切过程中随时间变化的摩擦桩体-土体相对位移值,u表示摩擦桩体-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。