[发明专利]研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用机械应力测试固体材料的强度特性的方法及装置，具体的为一种在室内试验条件下研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置。

背景技术

在钢管桩、钢板桩、钢护筒桩基及其它地下钢结构工程中，钢-土接触界面的力学特性是设计人员关心的问题之一。

目前，研究土与结构接触面力学特性的试验方法主要是直剪试验（试验仪器为直剪仪）和单剪试验（试验仪器为单剪仪）。直剪试验时，直剪仪的下盒内放置结构材料，直剪仪的上盒内放置土样，沿接触面施加水平剪切力，量测上下盒剪切位移，建立剪切应力应变关系，研究接触面的力学特性。直剪仪结构简单容易操作，可以较好地测量接触面上得剪应力与相对切向位移关系。但直剪试验存在以下不足：（1）接触面的面积在剪切试验过程中随剪切位移的增大在逐渐减小；（2）剪切破坏面的位置被限定为上下剪切盒分界面；（3）剪切试验过程中，接触面上的剪应力和剪应变分布不均匀。

单剪试验中，单剪仪的下盒内放置结构材料，叠环式上盒内放置土样，沿接触面施加水平剪切力，量测上下盒剪切位移，建立剪切应力应变关系，研究接触面的力学特性。由于叠环式上盒的每个环均有一定厚度且叠环面之间光滑，在单剪试验过程中，土样可以有一定的错动变形，且接触面的面积保持不变。与直剪试验相比，单剪试验在一定程度上改善土样的应力状态。

直剪试验和单剪试验从理论上讲均可用于研究钢-土接触界面的力学特性。两种试验中，结构材料（用于研究钢-土接触界面力学特性时为钢试件）均置于仪器的下盒内，这就需要在试验前根据直剪仪和单剪仪的下盒的几何尺寸制备好钢试件。由于直剪仪和单剪仪的下盒的几何尺寸要求严格，制备满足试验要求的钢试件成本较高，使得直剪试验和单剪试验并不能很好地用于研究钢-土接触界面的力学特性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种研究钢-土接触面力学特性的试验方法及试验装置，该试验方法及试验装置不仅能够满足钢-土接触面力学特性的模拟试验要求，而且能够降低对钢试件的结构尺寸要求，减少试验成本。

为达到上述目的，本发明首先提出了一种研究钢-土接触面力学特性的试验方法，包括如下步骤：

1）制备试样：制备钢-土接触面力学特性试验试样，所述试样包括柱形土样和套装在柱形土样上的钢结构样，所述柱形土样的中心设有中通的加载通孔；

2）柱形土样固结：通过所述加载通孔向所述柱形土样施加径向载荷，使柱形土样固结；

3）加载：向所述钢结构样施加轴向载荷，测量作用于钢结构样的轴向载荷和钢结构样相对于柱形土样的位移变化。

本发明还提出了一种适用于如上所述试验方法的研究钢-土接触面力学特性的试验装置，包括底座、用于盖装在柱形土样端面上的试样帽、固定安装在底座上的反力架、固定设置在所述反力架上的轴向载荷加载系统、用于对柱形土样施加径向载荷的径向载荷加载系统和用于测量试验数据的数据采集系统；

所述底座上设有用于安装试样的柱形安装台，所述柱形安装台的外径与钢结构样的内径配合；所述柱形安装台的顶面与柱形土样之间设有下侧环状透水石，所述下侧环状透水石的底面连接有排水管路系统；所述试样帽的中心与柱形土样的加载通孔对应设有安装通孔，试样帽的外径与钢结构样的内径配合，且所述试样帽的底面与柱形土样之间设有上侧环状透水石；

所述轴向载荷加载系统包括环形加载板和至少三个环形均布安装在所述反力架上的轴向载荷加载器，所述环形加载板上设有用于嵌入钢结构样的凹槽，所述环形加载板与所述轴向载荷加载器固定连接；

所述径向载荷加载系统包括安装在所述安装通孔内的位移约束板、与所述位移约束板密闭连接的加载囊和与所述位移约束板固定连接的液压加载器或气压加载器。

进一步，所述数据采集系统包括用于测量柱形土样位移变化量的位移传感器I、用于测量所述液压加载器或气压加载器输出压力的压力传感器，以及与所述轴向载荷加载器一一对应设置的载荷传感器和位移传感器II。

本发明的有益效果在于：