[发明专利]一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法

说明书

本发明公开了一种大型多功能土与结构物界面剪切装置，动力机构安装在支撑结构上，剪切罐包括罐体，罐体上设置有上安装口、下安装口，罐体内安装有囊体，囊体的两端分别延伸至上安装口和下安装口处，囊体内填充有土样，模型桩的两端贯穿土样，罐体的上安装口和下安装口处分别安装有可拆卸的固定组件；动力机构的输出杆端部与模型桩的顶端之间铰接有拉压传感器；模型桩顶端和底端分别安装有第一高精度位移计和第二高精度位移计，罐体内安装有用于测量土样径向位移的第三高精度位移计。本发明同时公开了一种大型多功能土与结构物界面剪切装置的使用方法。本发明能够解决现有土样与结构物界面剪切试验中无法满足不同类型剪切试验需要的问题。

技术领域

本发明涉及土工测试技术领域，尤其涉及一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法。

背景技术

土样与结构相互作用问题，一直以来都是工程领域长期研究的重要课题。土样与结构物接触涉及土力学、基础工程、支护工程、桥梁工程和隧道工程等各方面，如板桩码头结构与土样接触、桩基础与土样接触、挡土墙与土样接触、大坝与土样接触以及隧道衬砌与土样接触等。其涉及力学特性差异较大的两种材料，当受到外部荷载作用时两种材料变形差异，引起土样与结构物接触面产生相互作用力，导致土样与结构物之间产生错动、滑移和脱裂等非连续接触现象。

同时，近年来桩结构被广泛应用于桥梁工程、基础工程、支护工程和港口工程建设中，如被业界誉为桥梁界的“珠穆朗玛峰”和“现代世界七大奇迹”之一的港珠澳大桥，以及同被誉为“新世界七大奇迹”之首的北京大兴机场均大量应用了桩基础。以基础工程为例，民用高层建筑工程中桩基础的造价占工程总价可多达30%。而目前桩基础设计主要采用经验公式和数值模拟进行估算，并结合现场静载试验进行验证桩基础承载力是否满足要求，故桩基础的设计值往往大于工程实际需要，从而产生工程材料的浪费，准确计算桩-土相互作用力是解决该问题的关键。因此，揭示土样与桩接触力学特性，有利于明确桩-土相互作用机理，提高桩基础承载力与支护桩结构抵抗水平力计算的准确性，降低桩结构应用产生工程材料浪费，改善桩基础在工程应用中的经济效益。

然而，研究土样与结构物间力学特性需以精密的土工测试仪器为前提。现有的土样与结构物界面剪切设备以界面式剪切仪为主，但这种设备存在模拟的应力状态较低，应力路径比较单一，主应力方向不确定，土样与结构物接触面积随剪切位移增加而减小等不足。同时，常规的剪切设备体积较小，土样制备比较困难，且土样相对密度控制精度较低，而土样制备的精准性是确保测定试验数据准确性的关键。此外，常规的剪切设备剪切位移相对较小，不能满足界面接触大变形问题及循环荷载研究的需要，如土石坝、静压桩等。因而提出对土样与结构物界面剪切试验设备进行研发，以满足高应力状态、复杂应力路径、界面接触大变形问题、循环荷载及改善土样制备与控制精度等试验需求。从而，为进一步明确土样与结构物接触界面力学特性提供可靠的数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型多功能土与结构物界面剪切装置及其使用方法，用以解决现有土样与结构物界面剪切试验中土样制备难、土样高径比不便调整、无法满足桩土接触大变形问题、无法满足不同类型剪切试验需要的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种大型多功能土与结构物界面剪切装置，包括支撑结构、动力机构、控制系统和数据采集系统，动力机构安装在支撑结构上，还包括剪切罐，剪切罐包括罐体，罐体上设置有上安装口、下安装口、加压口、泄压口和出线孔，罐体内安装有囊体，所述囊体为圆柱形结构，囊体的两端分别延伸至上安装口和下安装口处，囊体的直径小于上安装口或下安装口的直径，囊体与罐体内壁之间填充有气体或液体，囊体内填充有土样，土样内放置有模型桩，模型桩轴向与囊体轴向一致，模型桩的两端贯穿土样设置；

罐体的上安装口和下安装口处分别安装有可拆卸的固定组件，固定组件安装在罐体上后罐体内形成密封结构，囊体的两端分别固定在固定组件处，固定组件朝向罐体内部的一侧表面与罐体的内表面平齐，土样的两端分别与上安装口和下安装口处的固定组件朝向罐体内部的一侧表面接触；