一种能量桩-土界面剪切蠕变特性模拟装置、测试系统及其使用方法

本发明涉及一种能量桩-土界面剪切蠕变特性模拟装置、测试系统及其使用方法，属于土木工程土工测试仪器。

背景技术：

1、随着浅层地热能源的开发，地源热泵技术的逐步推广应用，综合考虑桩基础和地源热泵竖向埋管技术优点的能量桩技术逐渐得到应用。当能量桩桩体上部承受建筑荷载，桩-土界面受到剪应力的作用，随着时间的增长，剪应力不变时界面也会产生相对位移，产生界面剪切蠕变，蠕变的大小直接影响基础沉降，尤其是软土地区的摩擦桩；在温度作用下这种蠕变可能更为明显，甚至影响建筑物的使用安全，因此，设计一套可以测试能量桩-土界面剪切蠕变特性的装置，并阐述其试验方法，用于研究桩-土界面剪切蠕变特性温度效应十分必要，从而为能量桩合理设计、安全使用提供参考。

2、本发明之前，申请号为cn201710689799.3的中国发明专利“一种考虑温度作用的桩土作用大型直剪试验方法”公开了一种基于常规土工直剪原理的考虑温度作用的桩土作用大型直剪试验方法，在直剪仪下剪切盒内放置桩体试样，上剪切盒中放置土体试样，通过温度循环改变桩-土界面温度。该技术方法，可以考虑温度和荷载耦合作用下，桩-土界面剪切特性；但是，该技术方法固定了剪切面为桩-土交界面，不能考虑界面剪切蠕变行为，并且对桩-土界面试样无法考虑恒定法向刚度条件，而恒定法向刚度条件更加符合实际情况。申请号为cn202210783016.9的中国发明专利 “一种冻土与钢板接触面剪切蠕变试验仪及其试验方法”公开了一种冻土与钢板接触面剪切蠕变试验仪及其试验方法，在直剪仪下剪切盒内放置土体试样，上剪切盒位置放置钢板，通过冷循环制成冻土-钢板界面试样，测试其剪切蠕变性质。该技术方法，虽然可以考虑界面法向应力大小，剪切蠕变应力大小，测量剪切蠕变时界面水平位移，试样法向位移；但是，该仪器方法无法考虑恒定法向刚度条件，且只能考虑接触界面处的蠕变行为特性，由于放置土样的剪切盒是一个整体，剪切面固定为土-结构物接触界面，因此无法考虑界面到土体内部整个接触面剪切带的位移情况，而实际发生剪切的位置是整个接触带。申请号为cn202210783016.9的中国发明专利“一种能量桩桩-土界面剪切实验装置及实验方法”提供一种能量桩桩-土界面剪切实验装置及实验方法，基于直剪装置原理，上下剪切盒内分别放置土体和混凝土结构物，形成混凝土-土体界面试样，并在土样和混凝土试样中布设光纤光栅阵列，混凝土试验内部埋设换热管，测试界面剪切过程中试样的热力学特性。该技术方法，考虑温度和荷载耦合作用下，桩-土界面剪切特性，并且考虑了界面剪切时土体试样内部的剪切带情况；但是，该实验装置无法考虑法向刚度条件和界面剪切蠕变行为，且考虑的剪切带变化基于土体所在的上剪切盒为一个整体，此剪切过程中剪切带的土体受到剪切盒的刚性约束，不能随着交界面上剪切力的增大产生自由剪切位移，而实际界面受力时，剪切带土体可以产生自由剪切位移。因此，在已有的技术装置基础上，改进测试装置与测试方法，考虑桩-土界面剪切时土体剪切带的实际受力情况，测量能量桩-土界面剪切蠕变特性对能量桩合理设计、安全使用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种能量桩-土界面剪切蠕变特性模拟装置、测试系统及其使用方法。

2、为达到上述目的，本发明提供一种能量桩-土界面剪切蠕变特性模拟装置，包括框架、剪切盒、桩体结构物、土样、桩-土界面温度控制系统、法向加载系统和水平向加载系统；所述桩体结构物放置在所述剪切盒内部正下方，所述土样放置在所述剪切盒内部正上方，所述桩体结构物和所述土样接触，所述桩-土界面温度控制系统、所述法向加载系统和所述水平向加载系统均与所述剪切盒相连，所述剪切盒安装在所述框架中；

3、所述桩-土界面温度控制系统用于模拟桩-土界面环境温度；

4、所述法向加载系统用于通过剪切盒向桩体结构物和土样加载法向应力；

5、所述水平向加载系统用于通过剪切盒向桩体结构物和土样加载水平拉力。

6、优选地，所述框架包括底座、竖向限制框架、顶部限制框架、滑轨和钢珠，所述顶部限制框架两端分别垂直固定连接一个竖向限制框架，所述竖向限制框架另一端垂直固定连接所述底座，所述滑轨固定连接在所述底座表面，所述钢珠放置在所述滑轨上。

7、优选地，所述剪切盒包括下剪切盒、上剪切盒、透水石、顶盖、第一销钉和第二销钉，所述下剪切盒放置在所述钢珠上，内部中心嵌入所述桩体结构物，所述上剪切盒内部中心放置所述土样，所述上剪切盒放置在所述桩体结构物上表面，所述透水石放置在所述土样上表面，所述顶盖放置在所述透水石上表面，所述第一销钉和第二销钉通过预设开孔穿过所述上剪切盒，并通过螺纹拧紧插入到所述下剪切盒上部；

8、所述上剪切盒为空心正方形叠环形式，所述叠环接触面光滑，最上部所述叠环厚度大于所述透水石和所述顶盖厚度之和。

9、优选地，所述桩-土界面温度控制系统包括低温恒温水浴槽、进水传热管、出水传热管、盒内进水口、盒内出水口和盒内传热通道，所述盒内传热通道为串联u形通道，开设在所述下剪切盒中心内部，所述盒内传热通道的进口为所述盒内进水口，所述盒内传热通道的出水口为盒内出水口；所述低温恒温水浴槽通过所述进水传热管和所述出水传热管分别连通所述盒内进水口和盒内出水口。

10、优选地，所述水平向加载系统包括下部滑轮、钢丝、上部滑轮、配重盘和滑轮反力架，所述钢丝绕过所述下部滑轮和所述上部滑轮与所述配重盘连接，所述下部滑轮通过支撑垂直固定在所述底座上表面，所述上部滑轮通过支撑垂直固定在所述滑轮反力架上表面，所述滑轮反力架垂直固定在所述底座上表面，所述滑轮反力架上安装有空气压缩机。

11、优选地，所述水平向加载系统还包括水平夹杆和挡板，所述挡板垂直固定在所述底座上表面，所述水平夹杆一端与所述挡板水平旋转固定连接，所述水平夹杆另一端抵靠在所述上剪切盒侧边。

12、优选地，所述法向加载系统包括传力杆、弹簧、螺母、气缸活塞杆、气缸缸体和对半支撑环，所述传力杆下端垂直抵靠所述顶盖上表面中央，所述弹簧放置在所述传力杆上方，

13、所述螺母位于弹簧的上方，所述气缸活塞杆上部伸入所述气缸缸体内部，所述气缸活塞杆下部车有螺纹，所述螺母通过螺纹套设在所述气缸活塞杆下部，所述对半支撑环放置在所述螺母上表面，所述对半支撑环上表面抵靠所述气缸缸体下部，所述气缸缸体顶部固定连接所述顶部限制框架；

14、所述对半支撑环为两片空心圆柱形半环，所述气缸缸体与所述滑轮反力架上所述空气压缩机连接。

15、相应地，一种能量桩-土界面剪切蠕变特性测试系统，包括上述的能量桩-土界面剪切蠕变特性模拟装置，还包括水平位移传感器、水平拉力传感器、法向位移传感器和法向压力传感器；

16、所述水平拉力传感器一端通过杆件与所述下剪切盒水平固定连接，所述水平拉力传感器另一端与所述钢丝连接；

17、所述水平位移传感器一端安装在所述下剪切盒内侧壁，所述水平位移传感器另一端抵靠在所述上剪切盒叠环外侧壁；

18、所述法向位移传感器安装在所述传力杆侧边，所述法向位移传感器下端垂直抵靠所述顶盖上表面；

19、所述法向压力传感器上端固定连接所述气缸活塞杆底部，所述法向压力传感器下端位于所述弹簧上方。

20、优选地，还包括传感器引线、数据采集仪、数据线和电脑，所述传感器引线包括所述水平位移传感器、所述水平拉力传感器、所述法向位移传感器和所述法向压力传感器的引线，所述传感器引线与所述数据采集仪内部通道连接，所述数据采集仪内部通道另一端通过所述数据线和所述电脑连接。

21、相应地，一种能量桩-土界面剪切蠕变特性测试系统的使用方法，步骤一，进行传热预实验，将桩体结构物和土样分别装入下剪切盒和上剪切盒中，采用探针温度传感器插入桩-土界面，测读界面温度；后开启桩-土界面温度控制系统，打开低温恒温水浴槽，通过控制循环液体的温度，改变界面温度至预设值，采用探针温度传感器测读传热过程中界面温度变化，以及传热稳定需要的时间，根据需要的试验温度改变预设温度，重复传热实验获得界面试样传热曲线；

22、步骤二，将桩体结构物和土样分别装入下剪切盒和上剪切盒中，保持第一销钉和第二销钉插入的状态，安装好各传感器，拧紧水平夹杆，令上剪切盒侧边与水平夹杆刚好接触，启动气缸对气缸缸体施加压力从而通过传力杆对土样施加法向应力，令土样固结；

23、步骤三，固结完成后，保持法向应力不变，关闭气缸通气阀门，调节螺母位置令对半支撑环上表面抵靠气缸缸体下部，配合传力杆上方弹簧，令气缸活塞杆无法自由伸缩，形成恒定法向刚度条件，拔掉第一销钉和第二销钉，配重盘上放置砝码对下剪切盒施加水平拉力，从而对桩-土界面施加水平剪应力（小于界面抗剪强度），保持水平剪应力不变，实时记录各个传感器读数，直至预设时长，观察常温下桩-土界面剪切蠕变时水平位移、法向应力和法向位移随时间变化规律；

24、步骤四，常温蠕变完成后，保持应力条件不变，开启桩-土界面温度控制系统，改变界面温度至预设值，实时记录过程中各传感器读数，直至预设时长，观察温度作用下桩-土界面剪切蠕变时水平位移、法向应力和法向位移变化规律，分析恒定法向刚度条件下的能量桩-土界面试样在常温以及变温下发生剪切蠕变时界面位移、法向受力以及试样体积变化；

25、步骤五，根据实验需求，若是法向需要恒定应力状态，则不使用对半支撑环和弹簧，步骤三、四中保持气缸通气阀门开启，给土样施加恒定的法向应力条件；若是温度条件需要循环温度荷载，则按照预设的循环温度对桩-土界面试样施加温度荷载；若是土样在试验过程中需要保持饱和，则在下剪切盒凹槽内倒入纯水至最上部叠环底面高度；若是将上剪切盒替换成整体形式的剪切盒，则可以进行能量桩-土界面直剪蠕变特性测试，并与叠环形式的能量桩-土界面单剪蠕变特性试验形成对比；

26、步骤六，重复步骤二至四，改变桩体结构物表面粗糙度、水平剪应力大小、法向应力大小、法向刚度大小、温度范围等条件，实现不同条件对能量桩-土界面剪切蠕变特性影响的试验研究。

27、本发明所达到的有益效果：

28、基于常规土工试验单剪原理，通过在下剪切盒内布置桩体结构物，上剪切盒内放置土样，上剪切盒设置成叠环形式，有效地对桩-土界面上土体真实剪切带进行了模拟；通过滑轮系统，在下剪盒侧边施加恒定的水平剪应力，有效地实现了桩-土界面剪切蠕变行为的观测；通过在下剪切盒内设置传热通道，有效地对桩-土界面试样的温度进行了控制；通过在法向设置对半支撑环、弹簧传力机构，构建恒定刚度条件，有效地对桩基础体系中桩-土界面土体法向实际受力进行了模拟；通过整个装置系统以及试验步骤，有效地实现了桩-土界面存在恒定剪应力时，在恒定法向刚度和恒定法向应力条件下的界面剪切蠕变热力耦合特性，以及距离桩-土界面不同深度处可以产生自由剪切位移的土体剪切带蠕变位移观测；本发明结构简单，可操作性强，便于控制，易于实现。