CN107727517B - 一种能量桩桩-土界面剪切实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能量桩桩‑土界面剪切实验装置及实验方法，属于岩土工程技术领域。该装置包括可拆卸式外框架、加载***、剪切盒、冷热循环***和光纤光栅量测***。该方法在混凝土试样中埋设换热管和光纤光栅阵列，换热管与水循环泵连接，光纤光栅阵列和解调仪连接，可对混凝土试样温度进行精准有效的控制；通过在土样和混凝土试样中布设光纤光栅阵列，可记录剪切实验过程中剪切强度的实时变化和剪切带的实时发展，也可记录混凝土试样和土样内部应力变化以及温度梯度的分布，为研究能量桩桩‑土界面剪切特性提供依据。本发明的装置构造简单，简便易用；方法步骤简洁明了，可操作性强，便于实现。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种能量桩桩-土界面剪切实验装置及实验方法。
背景技术
我国目前能源消费结构仍以石化能源为主。优化能源结构，推动新型能源的开发利用，对于社会的发展和进步具有重要意义。浅层地热能作为一种新型能源，受到越来越多的重视。地源热泵是一种利用浅层地热能进行制冷和采暖的节能高效的环保型空调***，但其具有费用高，工期长等缺点。桩基础广泛应用于建筑工程领域，综合考虑地源热泵***和桩基础技术优点的能量桩技术逐渐得到大量应用。但是目前关于能量桩的热力学研究仍然较少，尤其是在热力耦合作用下，能量桩与桩周土体之间的剪切特性仍未得到清晰的认识。这直接影响能量桩承载力与沉降问题的计算和设计，严重阻碍能量桩技术的发展和使用。
本发明之前，中国专利文献CN103822875B公开了一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法；在模型桩试样内预设传热管连接到温度循环控制***，密封压力室进水口和出水口连接到压力室温度循环控制***，利用温度循环控制***将桩体和土体温度控制在设计值内，通过应力传感器和位移传感器测量得到能量桩桩-土接触面的摩擦力。该技术方法，与传统直剪仪和单剪仪实验相比，考虑了桩体温度和桩周土体的试验温度等因素的影响，通过对常规环剪仪压力室的改造，实现了对能量桩桩-土接触面摩擦力的测定；但是该试验装置未考虑剪切过程中能量桩桩-土接触面在热力耦合作用下剪切强度的实时变化和剪切带的实时发展，也未考虑桩体和桩周土体内部温度梯度的分布对桩土接触面剪切特性的影响。因此，在已有的技术装置的基础上做出改进，制定新的实验方法，是研究能量桩桩-土界面剪切特性的有效途径；对于能量桩的科学设计也具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，针对已有的土工实验设备进行技术改造，提出一种能量桩桩-土界面剪切实验装置及实验方法。
本发明的技术方案：
一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，包括可拆卸式外框架、加载***、剪切盒、冷热循环***和光纤光栅量测***；
所述的可拆卸式外框架包括横梁和立柱，多根立柱构成一上端开口的框架，横梁两端分别连接在立柱的顶端，共同构成可拆卸式外框架；
所述的剪切盒为可拆卸式，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒内放置土样，下剪切盒内放置混凝土试样；下剪切盒固定在剪切盒底座上，剪切盒底座置于滚轴上，滚轴固定在可拆卸式外框架底部，实现剪切盒底座与可拆卸式外框架的相对运动；
所述的加载***包括水平加载***和竖向加载***；水平加载***包括水平加载装置、传力杆、LVDT位移传感器和应力传感器；传力杆穿过立柱，一端与水平加载装置相连，另一端与剪切盒底座左侧接触，传力杆推动剪切盒底座运动，从而带动下剪切盒运动；LVDT位移传感器置于传力杆上，用于测量下剪切盒水平位移；
在剪切实验过程中，由于剪切盒底座的支撑，下剪切盒在竖向平面内的自由度被约束，只能进行水平运动；竖向加载***包括竖向加载装置、传力杆和应力传感器，传力杆穿过横梁，一端与竖向加载装置相连，另一端与应力传感器相连；竖向荷载通过竖向加载装置施加，其轴线与上剪切盒的中心位于一条直线上；
所述的冷热循环***包括水循环泵和换热管，换热管布置于混凝土试样中，与水循环泵相连，水循环泵驱动不同设定温度的水在换热管内进行循环；
所述的光纤光栅量测***包括光纤光栅阵列、光纤光栅解调仪和计算机，光纤光栅阵列布置于混凝土试样和土样中，通过光纤光栅解调仪与计算机相连；剪切实验过程中，土样和混凝土试样内部应力的改变和温度梯度的分布情况通过光纤光栅阵列传至光纤光栅解调仪，通过信号解调，实时显示并记录于计算机中；
所述的上剪切盒的土样上，从下往上依次放置滤纸、透水石和水箱；水箱两端与排水管相连，水箱既能传递竖向压力，又能通过排水管阀门控制剪切实验的排水条件，排水管用于进行土样排水；
所述的混凝土试样的强度为C20-C60，模拟能量桩桩体。混凝土试样与土样接触部分的粗糙度视试验实际需求而定。
所述的换热管采用聚合物材料，换热管的内径为10-13mm，换热管的外径为13-16mm。
所述的光纤光栅阵列采用丙烯酸涂层进行保护。
所述的可拆卸式外框架及剪切盒的内壁均布有隔热材料。
所述的传力杆与横梁或立柱之间通过密封套管密封。
一种能量桩桩-土界面剪切实验装置的实验方法，包括以下步骤：
(1)根据要求，预制相应粗糙度的混凝土试样；在混凝土试样中预先布设换热管和光纤光栅阵列，并将换热管和光栅光纤阵列分别与水循环泵和光纤光栅解调仪连接，进行仪器调试；
(2)将混凝土试样放置于下剪切盒中，下剪切盒与剪切盒底座连接，剪切盒底座与可拆卸式外框架之间通过滚轴连接；下剪切盒一侧与水平加载装置通过传力杆连接，传力杆上布设有LVDT位移传感器，端部布有应力传感器，应力传感器用于测得水平加载***施加给下剪切盒的荷载；
(3)光纤光栅阵列预先布设于土样中，并与光纤光栅解调仪连接；将饱和土样放置于上剪切盒中，根据设定条件选择排水或者不排水条件施加竖向压力；上剪切盒上部依次放置滤纸、透水石和水箱，其中水箱两端与排水管连接，水箱既能传递竖向压力，又能通过排水管阀门控制剪切实验的排水条件；
(4)开启光纤光栅解调仪和计算机，进行初始应力和温度数据采集，通过竖向加载***对上剪切盒施加设定的法向荷载；开启水循环泵，循环设定温度的水，直至混凝土试样温度达到设计值；
(5)当混凝土试样温度稳定在设计值时，通过水平加载***对下剪切盒施加水平荷载，同时记录应力传感器和LVDT位移传感器读数；
(6)当剪切面达到破坏标准或水平位移达到设定的位移上限时，停止水平加载和竖向加载，关闭水循环，停止光纤光栅阵列的数据采集，完成一组能量桩桩-土界面剪切实验；
(7)根据光纤光栅阵列，可以确定混凝土试样和土样剪切实验过程中温度和应力变化以及温度在混凝土试样和土样内部分布情况；根据LVDT位移传感器读数记录可以确定混凝土试样和土样的相对位移量；根据设定的竖向荷载以及应力传感器可确定混凝土试样和土样剪切界面的竖向应力；根据水平加载***的应力传感器可以确定混凝土试样和土样剪切界面的剪切应力。
综上所述，可以得到能量桩桩-土界面剪切实验的剪切强度和实验过程中桩体内部和土体内部应力变化及温度分布梯度情况，为进一步探究能量桩桩-土界面剪切特性提供依据。本发明的有益效果：通过在混凝土试样中埋设换热管和光纤光栅阵列，所述换热管与水循环泵连接，所述光栅光线阵列和光纤光栅解调仪连接，可对混凝土试样温度进行精准有效的控制；通过在土样和混凝土试样中布设光纤光栅阵列，可记录实验过程中剪切强度的实时变化和剪切带的发展情况，也可记录混凝土试样和土样内部应力变化以及温度梯度的分布，为研究能量桩桩-土界面剪切特性提供依据。本发明构造简单，简便易用；该方法步骤简洁明了，可操作性强，便于实现。
附图说明
图1是本发明能量桩桩-土界面剪切实验装置的结构示意图。
图中：1竖向加载装置；2传力杆；3密封套管；4应力传感器；5水箱；6土样排水管；7滤纸；8透水石；9上剪切盒；10螺栓；11下剪切盒；12隔热层；13剪切盒底座；14滚轴；15立柱；16横梁；17水平加载装置；18LVDT位移传感器；19光纤光栅阵列；20光纤光栅解调仪；21计算机；22换热管；23水循环泵。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。
如图1所示，一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其装置结构包括竖向加载装置1、传力杆2、密封套管3、应力传感器4、水箱5、土样排水管6、滤纸7、透水石8、上剪切盒9、螺栓10、下剪切盒11、隔热层12、剪切盒底座13、滚轴14、立柱15、横梁16、水平加载装置17、LVDT位移传感器18、光栅光纤阵列19、光纤光栅解调仪20、计算机21、换热管22和水循环泵23。换热管22布置于混凝土试样中，与水循环泵23连接；光纤光栅阵列19布置于混凝土试样和土样中，并与光纤光栅解调器20连接，光纤光栅解调器20与计算机21相连接；上剪切盒9中放置土样，并通过螺栓10固定于剪切盒底座13上，与下剪切盒11中心对齐，实验开始之前，拆除螺栓10，并通过连接件连接有应力传感器4；下剪切盒11中放置混凝土试样，并固定于剪切盒底座13上；剪切盒底座13通过滚轴14和立柱15以及横梁16相连接；水平加载装置17通过布置有LVDT位移传感器18的传力杆3将水平荷载施加于剪切盒底座13；竖向加载装置1与传力杆2以及应力传感器4相连接，将竖向荷载施加给水箱5，从而将竖向荷载传递给上剪切盒9；水箱5上布置有土样排水管6，允许土样排水；外框架由立柱15和横梁16组成，外框架和剪切盒内壁均布置有隔热材料12。
使用时，上述能量桩桩-土界面剪切实验装置的实验方法包括以下技术步骤：
第一步，首先根据实验要求，预制相应粗糙度的混凝土试样和土样，混凝土试样强度为本实施为C30，长宽高分别为150mm、150mm、100mm；按照要求在混凝土试样中预先布设U形换热管22和光纤光栅阵列19，分别与水循环泵23和光纤光栅解调仪20连接，并将光纤光栅解调仪20连接于计算机21，进行仪器调试，其中土样中只布置光纤光栅阵列19；换热管采用聚合物材料，内径为12mm，外径为15mm，长度视实验实际情况而定；其次将混凝土试样放置于下剪切盒11中，将土样放置于上剪切盒9中，在实验中选择排水条件施加竖向压力，上剪切盒9上部依次放置滤纸7、透水石8和水箱5。
第二步，开启光纤光栅解调仪20和计算机21进行初始应力和温度数据采集，通过竖向加载***对上剪切盒9施加设定的竖向荷载；开启水循环泵23，循环设定温度的水，直至混凝土试样温度达到设计值；当混凝土试样温度稳定在设计值时，通过水平加载***对下剪切盒11施加水平荷载，同时记录应力传感器4和LVDT位移传感器18读数；当剪切面达到相应的破坏标准或水平位移达到设定的位移上限时，停止水平加载和竖向加载，关闭水循环，停止光纤光栅阵列的数据采集，完成一组能量桩桩-土界面剪切实验。
第三步，根据光纤光栅量测***所测数据，可以确定混凝土试样和土样剪切实验过程中温度和应力变化以及温度在混凝土试样和土样内部分布情况；根据LVDT位移传感器18读数记录可以确定混凝土试样和土样的相对位移量；根据设定的竖向荷载以及应力传感器4可确定混凝土试样和土样剪切界面的竖向应力；根据水平加载***的应力传感器4可确定混凝土试样和土样剪切界面的剪切应力；综上所述，可以得到能量桩桩-土界面剪切实验的剪切强度和实验过程中桩体和土体内部应力变化及温度梯度的分布，为进一步探究能量桩桩-土界面剪切特性提供依据。
Claims (9)
1.一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，包括可拆卸式外框架、加载***、剪切盒、冷热循环***和光纤光栅量测***；
所述的可拆卸式外框架包括横梁（16）和立柱（15），多根立柱（15）构成一上端开口的框架，横梁（16）两端分别连接在立柱（15）的顶端，共同构成可拆卸式外框架；
所述的剪切盒为可拆卸式，包括上剪切盒（9）和下剪切盒（11），上剪切盒（9）内放置土样，下剪切盒（11）内放置混凝土试样；下剪切盒（11）固定在剪切盒底座（13）上，剪切盒底座（13）置于滚轴（14）上，滚轴（14）固定在可拆卸式外框架底部，实现剪切盒底座（13）与可拆卸式外框架的相对运动；
所述的加载***包括水平加载***和竖向加载***；水平加载***包括水平加载装置（17）、传力杆（2）、LVDT位移传感器（18）和应力传感器（4）；传力杆（2）穿过立柱（15），一端与水平加载装置（17）相连，另一端与剪切盒底座（13）左侧接触，传力杆（2）推动剪切盒底座（13）运动，从而带动下剪切盒（11）运动；LVDT位移传感器（18）置于传力杆（2）上，用于测量下剪切盒（11）水平位移；
在剪切实验过程中，由于剪切盒底座（13）的支撑，下剪切盒（11）在竖向平面内的自由度被约束，只能进行水平运动；竖向加载***包括竖向加载装置（1）、传力杆（2）和应力传感器（4），传力杆（2）穿过横梁（16），一端与竖向加载装置（1）相连，另一端与应力传感器（4）相连；竖向荷载通过竖向加载装置施加，其轴线与上剪切盒（9）的中心位于一条直线上；
所述的冷热循环***包括水循环泵（23）和换热管（22），换热管（22）布置于混凝土试样中，与水循环泵（23）相连，水循环泵（23）驱动不同设定温度的水在换热管（22）内进行循环；
所述的光纤光栅量测***包括光纤光栅阵列（19）、光纤光栅解调仪（20）和计算机（21），光纤光栅阵列（19）布置于混凝土试样和土样中，通过光纤光栅解调仪（20）与计算机（21）相连；剪切实验过程中，土样和混凝土试样内部应力的改变和温度梯度的分布情况通过光纤光栅阵列（19）传至光纤光栅解调仪（20），通过信号解调，实时显示并记录于计算机（21）中；
所述的上剪切盒（9）的土样上，从下往上依次放置滤纸（7）、透水石（8）和水箱（5）；水箱（5）两端与排水管（6）相连，水箱（5）既能传递竖向压力，又能通过排水管阀门控制剪切实验的排水条件，排水管（6）用于进行土样排水。
2.根据权利要求1所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的换热管（22）采用聚合物材料，换热管（22）的内径为10-13mm，换热管（22）的外径为13-16mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的光纤光栅阵列（19）采用丙烯酸涂层进行保护。
4.根据权利要求1或2所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的可拆卸式外框架及剪切盒的内壁均布有隔热材料（12）。
5.根据权利要求3所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的可拆卸式外框架及剪切盒的内壁均布有隔热材料（12）。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的传力杆（2）与横梁（16）或立柱（15）之间通过密封套管（3）密封。
7.根据权利要求3所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的传力杆（2）与横梁（16）或立柱（15）之间通过密封套管（3）密封。
8.根据权利要求4所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置，其特征在于，所述的传力杆（2）与横梁（16）或立柱（15）之间通过密封套管（3）密封。
9.采用如权利要求1-8任一项所述的一种能量桩桩-土界面剪切实验装置进行实验的方法，其特征在于，步骤如下：
（1）根据要求，预制相应粗糙度的混凝土试样；在混凝土试样中预先布设换热管（22）和光纤光栅阵列（19），并将换热管（22）和光纤光栅阵列（19）分别与水循环泵（23）和光纤光栅解调仪（20）连接，进行仪器调试；
（2）将混凝土试样放置于下剪切盒（11）中，下剪切盒（11）与剪切盒底座（13）连接，剪切盒底座（13）与可拆卸式外框架之间通过滚轴（14）连接；下剪切盒（11）一侧与水平加载装置通过传力杆（2）连接，传力杆（2）上布设有LVDT位移传感器（18），端部布有应力传感器（4），应力传感器（4）用于测得水平加载***施加给下剪切盒（11）的荷载；
（3）光纤光栅阵列（19）预先布设于土样中，并与光纤光栅解调仪（20）连接；将饱和土样放置于上剪切盒（9）中，根据设定条件选择排水或者不排水条件施加竖向压力；上剪切盒（9）上部依次放置滤纸（7）、透水石（8）和水箱（5），其中水箱（5）两端与排水管（6）连接，水箱（5）既能传递竖向压力，又能通过排水管（6）阀门控制剪切实验的排水条件；
（4）开启光纤光栅解调仪（20）和计算机（21），进行初始应力和温度数据采集，通过竖向加载***对上剪切盒（9）施加设定的法向荷载；开启水循环泵（23），循环设定温度的水，直至混凝土试样温度达到设计值；
（5）当混凝土试样温度稳定在设计值时，通过水平加载***对下剪切盒（11）施加水平荷载，同时记录应力传感器（4）和LVDT位移传感器（18）读数；
（6）当剪切面达到破坏标准或水平位移达到设定的位移上限时，停止水平加载和竖向加载，关闭水循环，停止光纤光栅阵列（19）的数据采集，完成一组能量桩桩-土界面剪切实验；
（7）根据光纤光栅阵列（19），确定混凝土试样和土样剪切实验过程中温度和应力变化以及温度在混凝土试样和土样内部分布情况；根据LVDT位移传感器（18）读数记录确定混凝土试样和土样的相对位移量；根据设定的竖向荷载以及应力传感器（4）确定混凝土试样和土样剪切界面的竖向应力；根据水平加载***的应力传感器（4）确定混凝土试样和土样剪切界面的剪切应力。
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