[发明专利]应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种界面剪切仪，尤其涉及一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，可模拟不同排水条件及剪切方式，尤其适用于测定砂土、黏土及粉土等土体与钢或者混凝土界面的剪切特性。

背景技术

一直以来，土与结构的相互作用是岩土工程的重要问题之一，比如桩土之间的相互作用，而土体与结构物界面之间的接触特性是界面剪切特性。目前应用于界面剪切特性研究的仪器有直剪仪和环剪仪。

直剪仪的核心部件为上下两个剪切盒，在进行界面剪切时，下剪切盒放置界面单元，上剪切盒放置土样，在一定的竖向压力下进行剪切。仪器较为简单，但无法模拟复杂应力状态下土体的界面剪切行为，无法测定土体孔压响应，也只适用于小应变状态的界面剪切实验。

环剪仪可以模拟大应变状态下土体与结构的界面剪切特性，它是由上下两个环形剪切盒，一剪切盒装土样，另一剪切盒装桩界面，在一定的竖向压力下进行环向剪切，通过测扭矩计算剪应变，但目前的环剪仪还无法模拟复杂应力状态土体的响应，在计算应力应变时采用的是平均剪应力和平均剪应变，并不能真实准确反应界面剪切特性。

为了能模拟复杂应力状态下土体和结构界面之间的剪切特性，考虑排水不排水条件，且能模拟大变形应力应变关系，提出本发明装置。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪。该装置的特点是：能对土体施加复杂应力状态，可以考虑排水及不排水条件，对土与结构的相互作用进行研究，与传统的环剪界面剪切仪相比，计算应力应变关系不用采取均值方法。

本发明采取以下技术方案：

一种应力状态和加载路径可控的空心圆柱界面扭剪仪，包括机架、剪切系统、桩体、液压伺服系统、扭力装置、围压控制系统、传感器测量系统、数据采集及控制系统；桩体插入剪切系统中，与装于剪切系统中的土样形成桩土界面，液压伺服系统用于控制土样与桩体的上下相对运动，围压控制系统用于控制剪切系统内的围压以调整土体的应力状态，扭力装置用于控制桩体与土样的相对旋转运动，传感器测量系统用于检测剪切仪中待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制液压伺服系统、扭力装置、及围压控制系统实现不同的应力状态和加载路径。

上述技术方案中，所述的剪切系统包括透明的筒状外壁、底板、上环、弹性橡胶膜；上环设于筒状外壁顶部开口处，筒状外壁固定于底板上，桩体贯穿底板中部插入上环内，桩体与上环之间、上环与筒状外壁之间、桩体与底板之间均通过橡胶圈密封，在上环下方及底板上方各固定有一个橡胶膜固定环，弹性橡胶膜上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环内，弹性橡胶膜与桩体之间用于安装待测土体，弹性橡胶膜与筒状外壁之间形成围压室；

所述的围压控制系统包括开在围压室底板上的围压水孔、开在待测土体空间底板上的反压孔、及水压力控制器；围压水孔通过管道与水压力控制器相连用于向围压室内注水或排水以控制围压室内的水压，反压孔通过流量计与水压力控制器相连用于测量排水条件下土体的体变。

优选的，所述的液压伺服系统包括液压加载控制装置、及与液压加载控制装置分别通过油管连接的上部油缸和下部油缸；上部油缸的活塞杆通过传力管与上环固连，下部油缸的活塞杆通过传动轴与桩体下端固连。

优选的，所述的扭力装置包括传动大齿轮、扭剪小齿轮、支撑轴承、伺服电机；扭剪小齿轮通过支撑轴承固定在机架上，扭剪小齿轮由伺服电机驱动，传动大齿轮和扭剪小齿轮相啮合传动，传动大齿轮与传动轴固定。

优选的，所述的传感器测量系统包括孔压传感器、位移传感器、轴力传感器、扭矩传感器；孔压传感器用于测量土体内部的孔压响应，位移传感器设于上环上方用于测量土体的竖向位移，轴力传感器用于测量桩土之间的竖向力，扭矩传感器用于测量桩体的扭矩，轴力传感器及扭矩传感器均设于传动轴上。

优选的，所述的机架包括底座、固定于底座上的立柱、及自上而下依次固定于立柱上的反力梁、横板、及下横梁；上部油缸固定于反力梁上，剪切系统的底板安装于横板上，下部油缸及扭力装置中的支撑轴承均固定于下横梁上。

优选的，所述的桩体为刚桩或者预制混凝土桩。

本发明具有以下优点：

1.本发明可以通过围压和竖向压力准确模拟原位土的应力状态，可用于复杂应力状态下桩土之间的界面剪切特性的研究。

2.传统的界面环剪仪在计算应力和应变时均采用平均值，而通过本发明测量出的界面处的应力应呈轴对称关系，为准确值而非平均值，因而更加准确。