一种桩-非饱和土界面摩擦可视化试验装置及方法与流程

一种桩
‑
非饱和土界面摩擦可视化试验装置及方法
技术领域
1.本发明涉及土与结构物界面剪切技术领域，特别涉及一种非饱和土与结构物界面剪切可视化的试验装置及方法。


背景技术：

2.在岩土工程领域中，处于自然状态的地基土反复遭受大气降水与蒸发、地下水位上升与下降等现象的作用，使桩土界面的工程特性长期处于周期性的动态变化中，进而导致地基中的桩
‑
非饱和土界面呈现出不同于一般饱和土或干土与桩相互作用的力学响应规律。然而，针对桩土界面的非饱和特性研究相对较少；尤其是在循环脱吸湿下，桩与非饱和土之间的界面摩擦力特性无法确定，这将直接影响桩基的整体承载力计算，在一定程度上也导致了非饱和土理论无法系统在岩土工程中推广应用。此外，从本质上讲，桩土界面剪切变形过程中微细观结构的不断变化是其宏观上呈现不同工程特性的根本原因，并且桩与土体的不透明致使剪切时土试样各部分形态变化无法直接观测。因此，在模拟气候环境变化条件下，开展桩
‑
非饱和土接触界面力学特性机理和剪切破坏形式可视化研究具有重要的工程意义，尤其针对受扭桩基的桩土界面大变形问题。
3.中国专利文献cn201410077507.7公开了一种考虑温度影响的桩
‑
土接触面摩擦力测试装置及测试方法。然而，该技术方案只能对土体施加围压，即沿桩身与垂直于桩身方向对桩周土体施加的压力相等，无法考虑实际工程中桩周土体在两个方向上受力不等的情况；中国专利文献cn201210078542.1公开了一种基于常规土工三轴仪的桩
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土接触面摩擦力的测试装置及其测试方法，该技术方案可以对土体施加轴压和围压，且可以测量桩
‑
土接触面的静、动力变形特性。然而，该技术方案不能可视化观测接触面的位移特性；在上述两种技术方案的基础上，中国专利文献cn201610263630.7公开了一种异形桩桩
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土接触面破坏形式可视化试验装置及使用方法，实现可视化观测不同温度、桩型和加载方式下，全比例尺异形桩桩
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土接触面剪切破坏特性。然而，上述三种技术方案均无法制备均质桩土试样，且未能测量剪切过程中土体含水量和基质吸力的变化，以及无法考虑循环脱吸湿对桩土界面剪切特性的影响。因此，研制一种能够较为准确地模拟循环脱吸湿和应力耦合下桩
‑
非饱和土界面剪切破坏形式，实时监测土体基质吸力和含水量变化，同时采用dic技术能够较为真实的反映桩
‑
非饱和土剪切面土颗粒位移的室内剪切装置和测试方法十分必要。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种桩
‑
非饱和土界面摩擦可视化试验装置及方法，解决了现有技术中存在的问题。
5.为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
6.一种桩非饱和土界面摩擦可视化试验装置，包括框架，框架上安装有扭转装置，扭转装置连接有空心透明桩，空心透明桩外周安装有密封压力室，密封压力室与空心透明桩之间填充有土试样，空心透明桩与土试样形成桩土接触界面；密封压力室连通有围压控制
装置；土试样正上方安装有轴压加载装置；土试样连通有干湿循环装置；配合土试样安装有张力计和水分传感器；空心透明桩内安装有针对桩土接触界面的摄像装置；所述扭转装置、围压控制装置、轴压加载装置、张力计和水分传感器均通讯连接有图像数据采集装置。
7.进一步的改进，所述框架包括工作台，工作台上表面安装有立柱，立柱上固定有横梁，工作台底部安装有支架；所述横梁与立柱相连成反力架，反力架连接轴压加载装置；所述工作台设有用于连接立柱的螺纹孔a、用于连接密封压力室的螺纹孔b、用于嵌入o型密封圈的沟槽a、卡槽、用于嵌入空心透明桩的圆孔、用于连接干湿循环装置的连接孔和通风管路。
8.进一步的改进，所述轴压加载装置包括气缸，气缸连接有传力杆，传力杆上安装有轴压传感器，传力杆连接有可伸缩杆；可伸缩杆上成形有沟槽b，沟槽b中部成形有螺纹孔c，可伸缩杆通过螺纹孔c与传力杆连相连，沟槽b内放置o型密封圈。
9.进一步的改进，所述密封压力室通过通气管路与围压控制装置连通；所述密封压力室包括包裹在土试样外侧的橡皮膜，橡皮膜外罩设有外罩筒；外罩筒顶部设有活塞套，活塞套中设有密封环，密封环与传力杆密封连接；橡皮膜与空心透明桩之间的上部安装有处于土试样上方的顶盖；所述顶盖上设有加载孔、螺纹孔d、沟槽c并且连通有蒸汽管路，加载孔与可伸缩杆接触连接，沟槽c内放置o型密封圈；空心透明桩顶部安装有处于外罩筒内的内罩筒；
10.土试样底部安装有底座，底座顶部设有环形槽，环形槽连通有通风管路并放置透水石，透水石与土试样之间放置有滤纸；所述底座底部设有凸块，凸块与框架上的卡槽连接；所述橡皮膜贴合在土试样外侧壁上，并用橡皮筋将橡皮膜两端扎紧在顶盖和底座上；
11.橡皮膜上成形有穿过张力计的开孔，张力计通过l型索环a固定在橡皮膜上；所述l型索环a与张力计之间填充密封胶；张力计端部连接有与土试样接触的陶瓷头；所述橡皮膜上还成形有水分传感器；
12.水分传感器通过l型索环b固定在橡皮膜上；所述l型索环b与水分传感器之间填充密封胶；所述水分传感器上的tdr探针与土试样接触。
13.进一步的改进，所述摄像装置包括dic相机，dic相机固定在托架上，托架固定在内罩筒内；内罩筒顶部还固定有泛光灯。
14.进一步的改进，所述干湿循环装置包括热空气发生器和蒸汽发生器，热空气发生器通过蠕动泵连通有通风管路；蒸汽发生器通过蠕动泵连通有蒸汽管路；蒸汽管路；通风管路通过透水石连通土试样底部，蒸汽管路通过可关闭多孔板连通土试样顶部。
15.进一步的改进，所述扭转装置包括与空心透明桩底部连接的扭转轴，扭转轴上安装有角位移传感器和扭矩传感器；扭转轴连接有转盘，转盘连接有磁铁，磁铁外周安装有线圈，线圈通过支杆固定到框架上。
16.进一步的改进，所述围压控制装置包括与密封压力室连通的气泵和用于检测密封压力室内气压的气压计。
17.一种采用上述桩
‑
非饱和土界面摩擦可视化试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
18.s1、将土试样烘干后，与蒸馏水混合配置预设含水量的土试样，并将土试样在湿度和温度受控的环境中存放24h，以确保整个土试样的水汽平衡；
19.s2、根据土试样尺寸制作环形标定盒，向标定盒填筑土试样，并控制不同时间t压实土试样，每次压实后采用环刀法计算对应土试样密度ρ
t
，由此得到不同含水量下土试样密度t与压实时间t的关系曲线：
20.ρ
t
＝a1×
ln(t) a2ꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.其中a1和a2为标定系数；
22.s3、根据工程实际制作不同表面粗糙度的空心透明桩，将空心透明桩与扭转轴连接；
23.s4、在底座上依次放置透水石和滤纸，将制样对开筒与工作台连接，将橡皮膜套在制样对开筒内侧，并用橡皮筋固定橡皮膜，根据预定干密度，将土试样质量按三等分依次加入橡皮膜内并达到相应层所要求的高度制成环状土试样；
24.s5、在环状土试样上端依次放置可开关闭多孔板和顶盖，拆除制样对开筒，将橡皮膜两端扎紧在顶盖和底座上，调整可伸缩杆与顶盖刚好接触，并在橡皮膜开孔处分别安装张力计和水分传感器；
25.s6、在顶盖、底座与桩体之间涂凡士林进行密封，将外罩筒、内罩筒分别与工作台和顶盖连接，在托架上安装dic相机，调整镜头正对桩土接触面，并将轴压传感器、激光位移传感器、水分传感器、张力计、扭矩传感器、角位移传感器和dic相机分别与图像数据采集装置相连；
26.s7、循环脱吸湿和k0固结时，根据实际设计工况，为两种方案：1)首先对土试样进行k0固结，固结完成后再启动干湿循环装置，分别对土试样进行若干次循环脱吸湿；2)首先启动干湿循环装置，对土试样进行若干次循环脱吸湿，然后进行k0固结；
27.循环脱吸湿过程：打开蒸汽阀，预热蒸汽发生器2min后打开蠕动泵，使水蒸汽从土试样的顶部进入，并记录水分传感器和张力计分别所显示含水量和基质吸力的变化，当达到所需模拟的含水量时关闭蠕动泵和蒸汽发生器并静置5～10min，待含水量和基质吸力数值稳定后只打开烘干阀，并预热热空气发生器2min后打开蠕动泵，使热空气从土试样底部进入，通过控制含水量的变化控制循环脱吸湿的程度，达到所需含水量时关闭蠕动泵和热空气发生器并静置5～10min，至此完成一次循环脱吸湿，根据试验需要设置不同循环脱吸湿次数；
28.k0固结过程：关闭可关闭多孔板，启动轴压加载装置和围压控制装置，首先施加围压，利用激光位移传感器监测顶盖竖向变形，并将变形值反馈到计算机，以此来调节轴向加载装置施加轴压，实现k0固结条件，加载直至土试样在24h内的变形不大于0.01mm，此时固结完成；
29.s8、桩土接触界面剪切时，保持土试样的围压和轴压不变，启动扭转装置和扭转控制装置，设定扭转速率对空心透明桩施加扭矩，将轴压传感器、激光位移传感器、水分传感器、张力计、扭矩传感器和角位移传感器的读数及dic相机拍摄的时间序列图像经图像数据采集装置传输至计算机存储；
30.s9、分析试验数据，并结合dic程序分析时间序列图像，得到剪切过程中桩土接触界面剪切带的位移变化、含水量
‑
抗剪强度
‑
循环脱吸湿次数之间的关系及含水量
‑
基质吸力随剪切位移的变化关系。
31.本发明的显著效果如下：
32.1)通过计算机配合调节轴压加载装置和围压控制装置，有效地实现对土试样进行k0固结。
33.2)通过密封压力室与干湿循环装置的连接，有效地实现对土试样进行循环脱吸湿。
34.3)通过张力计和水分传感器与图像数据采集装置的连接，有效地实现对界面剪切过程中土试样基质吸力和含水量的监测。
35.4)利用dic技术能够微观上较为真实地反映桩
‑
非饱和土土界面剪切破坏形式。
36.5)本发明的试验装置结构简单，操作方便，易于实现。
37.6)利用密度
‑
时间标定曲线精确控制土试样不同深度处能量均匀传递，从而制备均质试样。
附图说明
38.图1为一种循环脱吸湿与应力耦合下桩
‑
非饱和土界面可视化试验装置结构示意图；
39.图2为图1中工作台结构示意图；
40.图3为图1中可伸缩杆结构示意图；
41.图4为图1的a局部放大图；
42.图5为图1中外筒罩结构示意图；
43.图6为图1中内筒罩结构示意图；
44.图7为图1中顶盖结构示意图；
45.图8a为图1中底座结构示意图一；
46.图8b为图1中底座结构示意图二；
47.图9为图1的b局部放大图；
48.图10为图1的c局部放大图；
49.图11a为图1中可关闭多孔板俯视示意图；
50.图11b为图1中可关闭多孔板侧视示意图；
51.图12为图1中扭转装置详图；
52.图13a为制样对开筒侧视结构示意图；
53.图13b为制样对开筒俯视结构示意图；
54.图14为土试样密度与压实时间之间的关系曲线图。
55.图中：1
‑
1、横梁；1
‑
2、立柱；1
‑
3、工作台；1
‑3‑
1、螺纹孔a；1
‑3‑
2、螺纹孔b；1
‑3‑
3、沟槽a；1
‑3‑
4卡槽；1
‑3‑
5、连接孔；1
‑3‑
6、圆孔；1
‑
4、支架；2
‑
1、气缸；2
‑
2、传力杆；2
‑
3、轴压传感器；2
‑
4、可伸缩杆；2
‑4‑
1、沟槽b；2
‑4‑
2、螺纹孔c；2
‑
5、激光位移传感器；3、轴压控制装置；4
‑
1、外罩筒；4
‑1‑
1、活塞套；4
‑1‑
2、密封环；4
‑
2、内罩筒；4
‑
3、顶盖；4
‑3‑
1、加载孔；4
‑3‑
2、螺纹孔d；4
‑3‑
3、沟槽c；4
‑
4、底座；4
‑4‑
1、环形槽；4
‑4‑
2、凸块；4
‑
5、橡皮膜；土试样5、土试样；6、空心透明桩；7、围压控制装置；8、通气管路；9、张力计；9
‑
1、陶瓷头；9
‑
2、l型索环a；10、水分传感器；10
‑
1、tdr探针；10
‑
2、l型索环b；11、dic相机；12、托架；13、泛光灯；14、图像数据采集装置；15、干湿循环装置；16
‑
1、蒸汽管路；16
‑
2、可关闭多孔板；16
‑
3、通风管路；16
‑
4、透水石；17
‑
1、扭转轴；17
‑
2、支杆；17
‑
3、线圈；17
‑
4、角位移传感器；17
‑
5、扭矩传感
器；17
‑
6、转盘；17
‑
7、磁铁；18、扭转控制装置；19、计算机；20
‑
1、制样对开筒；20
‑
2、套环。
具体实施方式
56.为使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，下面结合附图对本发明作进一步说明。
57.实施例1：
58.参考图1、图11a、图11b和图13a、13b，本实施例提供一种循环脱吸湿与应力耦合下桩
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非饱和土界面摩擦可视化试验装置，包括框架、轴压加载装置、轴压控制装置、密封压力室、土试样、空心透明桩、制样对开筒、围压控制装置、张力计、水分传感器、dic相机、图像数据采集装置、干湿循环装置、扭转装置、扭转控制装置和计算机；所述框架从上至下依次安装有轴向加载装置、密封压力室和扭转装置；所述轴压加载装置和围压控制装置分别与密封压力室相连；所述空心透明桩同轴安装在内罩筒下端，空心透明桩下端与扭转装置相连；所述空心透明桩与橡皮膜之间填筑有环状土试样，土试样下端设有滤纸、透水石并置于底座上，土试样上端设有可关闭多孔板、顶盖；所述可关闭多孔板由上下板组合而成，旋转上板孔道可开闭；所述顶盖、底座与空心透明桩之间填充密封材料；所述干湿循环装置与土试样上、下端连接；所述张力计和水分传感器对称安装在橡皮膜上；所述dic相机位于内罩筒下端，镜头正对桩土接触界面；所述轴压传感器、激光位移传感器、水分传感器、张力计、扭矩传感器、角位移传感器和dic相机分别与图像数据采集装置相连，并经图像数据采集装置将数据和图像传至计算机进行记录、读数和处理。
59.空心透明桩采用透明有机玻璃制成，空心透明桩的形状为空心圆柱体，所述空心圆柱体直径为100～300mm、高度为500～800mm、周围壁厚为10～20mm、底面壁厚为20～40mm。
60.密封材料采用凡士林。
61.参考图1～图2，所述框架包括横梁、立柱、工作台和支架；所述横梁与立柱相连成反力架，反力架为轴压加载装置提供支撑；所述工作台设有螺纹孔a、螺纹孔b、沟槽a、通风管路、卡槽、连接孔和圆孔；所述立柱与螺纹孔a相连；所述沟槽a设有o型密封圈；所述圆孔内嵌有空心透明桩；所述工作台下端与支架相连。
62.参考图1、图3～图4，所述轴压加载装置至少包括气缸、传力杆、轴压传感器、可伸缩杆和激光位移传感器；所述气缸固定在横梁上，并与轴压控制装置连接；所述传力杆上端与气缸相连，其中部固定有轴压传感器，其下端与可伸缩杆的螺纹孔c通过螺栓连接；所述可伸缩杆设有沟槽b，沟槽b放置o型密封圈；所述激光位移传感器固定在横梁上，探头对准顶盖。
63.参考图1、图5～图8a和图8b，所述密封压力室通过传力杆内的通气管路与围压控制装置连接；所述密封压力室至少包括外罩筒、内罩筒、顶盖、底座和橡皮膜；所述外罩筒顶部设有活塞套，活塞套中设有密封环，密封环与传力杆密封连接；所述外罩筒下端与螺纹孔b通过螺栓连接；所述顶盖设有加载孔、螺纹孔d、沟槽c和蒸汽管路，加载孔与可伸缩杆接触连接，沟槽c放置o型密封圈；所述内罩筒下端与螺纹孔d通过螺栓连接；所述底座顶部设有环形槽，环形槽内设有通风管路并放置透水石；所述底座底部设有凸块，凸块与卡槽连接；所述橡皮膜贴合在土试样外侧壁上，并用橡皮筋将其两端扎紧在顶盖和底座上。
64.参考图13a和图13b所述制样对开筒采用套环固定，其外翼通过螺栓连接于工作台。
65.参考图9，所述张力计与橡皮膜结合处设有开孔，并通过l型索环a穿过将其固定连接；所述l型索a与张力计之间填充密封胶；所述陶瓷头与土试样接触。
66.参考图10，所述水分传感器与橡皮膜结合处设有开孔，并通过l型索环b穿过将其固定连接；所述l型索b与水分传感器之间填充密封胶；所述tdr探针与土试样接触。
67.参考图1，所述dic相机固定在托架上，托架固定在内罩筒内；所述泛光灯固定在内罩筒顶部，为dic相机提供光源。
68.参考图1，所述干湿循环装置至少包括热空气发生器、蒸汽发生器和蠕动泵；所述热空气发生器产出的热空气经蠕动泵加压后从通风管路进入土试样；所述蒸汽发生器产出的蒸汽经蠕动泵加压后从蒸汽管路进入土试样；所述蠕动泵带动热空气和蒸汽快速在土试样中完成水汽交换。
69.参考图1和图12，所述扭转控制装置与扭转装置相连；所述扭转装置至少包括扭转轴、支杆、线圈、角位移传感器、扭矩传感器、转盘和磁铁；所述扭转轴上端与空心透明桩底部连接，扭转轴中部从上之下依次固定有角位移传感器和扭矩传感器，扭转轴下端与转盘连接；所述支杆固定在工作台底部，支杆下部连接有线圈；所述线圈分布于转盘外周；所述磁铁一一对应地设置于线圈内。
70.实施例2：
71.参考实例1所述装置，本实施例首先对土试样进行k0固结，固结完成后再分别进行若干次循环脱吸湿，最后进行桩
‑
非饱和土界面剪切试验，探讨剪切过程中界面剪切带位移的变化及含水量
‑
抗剪强度
‑
循环脱吸湿次数之间的定量关系，进而揭示桩土界面力学特性和荷载传递机理。
72.试验方法包括以下步骤：
73.s1、将土试样烘干后，与蒸馏水混合配置一定含水量的土试样，并将其在湿度和温度受控的环境中存放24h，以确保整个土试样的水汽平衡；
74.s2、根据桩土试样尺寸制作环形标定盒，向标定盒填筑土试样，并控制不同时间t压实土试样，每次压实后采用环刀法计算对应土试样密度t，由此得到不同含水量下土试样密度t与压实时间t的关系曲线：
75.ρ
t
＝a1×
ln(t) a2ꢀꢀꢀ
(1)
76.其中a1和a2为标定系数；
77.具体地，不同含水量下典型ρ
t
‑
t曲线如图14所示；
78.s2、根据工程实际制作不同表面粗糙度的空心透明桩，将桩体与扭转轴连接；
79.s3、在底座上依次放置透水石和滤纸，将制样对开筒与工作台连接，将橡皮膜套在制样对开筒内侧，并用橡皮筋固定橡皮膜，根据预定干密度，将土试样质量按三等分依次加入橡皮膜内并达到相应层所要求的高度制成环状土试样；
80.s4、在环状土试样上端依次放置可开关闭多孔板和顶盖，将橡皮膜两端扎紧在顶盖和底座上，拆除制样对开筒，调整可伸缩杆与顶盖刚好接触，并在橡皮膜开孔处分别安装张力计和水分传感器；
81.s5、在顶盖、底座与桩体之间涂凡士林进行密封，将外罩筒、内罩筒分别与工作台
和顶盖连接，在托架上安装dic相机，调整镜头正对桩土接触面，并将轴压传感器、激光位移传感器、水分传感器、张力计、扭矩传感器、角位移传感器和dic相机分别与图像数据采集装置相连；
82.s6、先进行循环脱吸湿过程，即打开蒸汽阀，预热蒸汽发生器2min后打开蠕动泵，使水蒸汽从土试样的顶部进入，并记录水分传感器和张力计分别所显示含水量和基质吸力的变化，当达到所需模拟的含水量时关闭蠕动泵和蒸汽发生器并静置5～10min，待含水量和基质吸力数值稳定后只打开烘干阀，并预热热空气发生器2min后打开蠕动泵，使热空气从土试样底部进入，通过控制含水量的变化控制循环脱吸湿的程度，达到所需含水量时关闭蠕动泵和热空气发生器并静置5～10min，至此完成一次循环脱吸湿，根据试验需要设置1次、3次、5次和10次循环脱吸湿；然后进行k0固结过程，即关闭可关闭多孔板，启动轴压加载装置和围压控制装置，首先施加围压，利用激光位移传感器监测顶盖竖向变形，并将变形值反馈到计算机，以此来调节轴向加载装置施加轴压，实现k0固结条件，加载直至土试样在24h内的变形不大于0.01mm，此时固结完成；
83.s7、桩土接触界面剪切时，保持土试样的围压和轴压不变，启动扭转装置和扭转控制装置，设定扭转速率对空心透明桩施加扭矩，将轴压传感器、激光位移传感器、水分传感器、张力计、扭矩传感器和角位移传感器的读数及dic相机拍摄的时间序列图像经图像数据采集装置传输至计算机存储；
84.s8、分析试验数据，并结合编制的dic程序分析时间序列图像，得到剪切过程中桩土接触界面剪切带的位移变化、含水量
‑
抗剪强度
‑
循环脱吸湿次数之间的关系及含水量
‑
基质吸力随剪切位移的变化关系。
85.实施例3：
86.参考实例1所述装置，本实施例首先对土试样进行若干次循环脱吸湿，然后进行k0固结，固结完后进行桩土界面剪切试验，探讨剪切过程中界面剪切带的位移变化及含水量
‑
抗剪强度
‑
循环脱吸湿次数之间的定量关系，进而揭示桩
‑
非饱和土界面力学特性和荷载传递机理。
87.试验方法除步骤s6外，其他步骤同实例2，步骤s6改为：
88.s6、先进行k0固结过程，即关闭可关闭多孔板，启动轴压加载装置和围压控制装置，首先施加围压，利用激光位移传感器监测顶盖竖向变形，并将变形值反馈到计算机，以此来调节轴向加载装置施加轴压，实现k0固结条件，加载直至土试样在24h内的变形不大于0.01mm，此时固结完成；然后进行循环脱吸湿过程，即打开蒸汽阀，预热蒸汽发生器2min后打开蠕动泵，使水蒸汽从土试样的顶部进入，并记录水分传感器和张力计分别所显示含水量和基质吸力的变化，当达到所需模拟的含水量时关闭蠕动泵和蒸汽发生仪并静置5～10min，待含水量和基质吸力数值稳定后只打开烘干阀，并预热热空气发生器2min后打开蠕动泵，使热空气从土试样底部进入，通过控制含水量的变化控制循环脱吸湿的程度，达到所需含水量时关闭蠕动泵和热空气发生器并静置5～10min，至此完成一次循环脱吸湿，根据试验需要设置1次、3次、5次和10次循环脱吸湿。
89.实施例4：
90.参考实例1所述装置，本实施例在实例2和实例3的基础上，研究循环脱吸湿和应力耦合下非饱和土的土水特征曲线，具体为分别提取k0固结过程中土试样基质吸力和含水量
的变化数据及剪切过程中土试样基质吸力和含水量随剪切位移的变化数据，并以此绘制非饱和土的土水特征曲线。
91.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。