土体与结构物间摩擦力室内测定装置及其使用方法与流程

本发明涉及岩土工程测量技术领域，特别是涉及一种土体与结构物间摩擦力室内测定装置及其使用方法。

背景技术：

近年来，随着能源开采、核废料处理、水利工程以及地下空间的利用等大型基础建设工程的大量兴建，岩土体与建筑结构物间接触摩擦力的确定问题日益得到关注，在矿山开采、水利水电、隧道、边坡加固、基坑开挖等岩土工程中，岩土体与建筑结构物间接触摩擦力的准确确定对岩体工程稳定性的评估有着重要影响。岩土体作为连续介质材料，其力学性质可以通过原位测试及室内试验等手段予以研究探明；结构物作为人造材料，其力学性质更是可以通过试验方法予以测定；而二者接触面是一个不连续的存在，接触面附近材料性能的确定需要依赖特殊的试验手段。特别在有限元计算中，上述接触面的边界条件通常是需要重点确定的，接触面边界条件设置的合理与否将直接影响计算的准确性。因此，岩土体与建筑结构物间接触摩擦力的确定将对水电工程地质学学科及岩体工程稳定学科有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。对于岩土体与结构物间摩擦力的确定，试验是主要手段，因此土体与结构物间摩擦力室内测定装置的研究对解决上述问题有着重要的意义。

目前业界大多测试是采用电动十字板剪切仪，主要针对土体抗剪强度测试，然而工程建设中更为关注的是土体与结构面的摩擦强度，目前现有技术中并没有针对土体与结构物基础面摩擦力进行测试的试验装置。因此，有必要设计一种土体与结构物间摩擦力的测试装置，以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够稳定可靠地实现土体与结构物接触面上挤压力和剪切力的施加，针对土体与结构物接触面间力学性能进行测试的土体与结构物间摩擦力室内测定装置及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土体与结构物间摩擦力测定装置，包括主框架，设置于所述主框架内的土样室、剪切机构及加载机构，所述主框架的中部安装有操作台，所述土样室放置于所述操作台上，所述土样室的底部通过活塞封合，所述土样室内装设有试验土体，所述操作台上固定有侧立杆，所述剪切机构安装于所述侧立杆的顶部，所述剪切机构的底部连接有传力杆，所述传力杆与所述剪切机构之间设有扭矩传感器，所述传力杆的底部固定有金属圆盘，所述金属圆盘进入所述土体内，所述加载机构位于所述操作台的下方，所述加载机构包括升降步进电机，所述升降步进电机的输出轴通过连接件连接于所述活塞，所述活塞与所述连接件之间设有称重传感器，通过所述称重传感器及所述扭矩传感器分别采集试验过程中施加于所述土体的法向力及所述土体和所述金属圆盘接触表面的剪切力，以算得所述土体承受的荷载、所述土体与所述金属圆盘之间摩擦力以及两者的对应关系。

进一步，所述主框架包括底板、设于所述底板两侧的立柱，以及固定于所述立柱顶部的横梁，所述操作台位于所述横梁与所述底板之间。

进一步，所述立柱通长设有螺纹，用于供所述底板、所述操作台及所述横梁螺纹连接固定于所述立柱。

进一步，所述侧立杆上设有滑轨，所述剪切机构的两侧设有滑动部，沿所述滑轨竖向移动。

进一步，所述剪切机构包括承重支架与所述滑动部连接，所述承重支架上固定有扭转电机，所述扭转电机的底部连接于所述传力杆，所述扭转电机顶部通过齿轮连接有角度表盘，用于显示所述金属圆盘的转动角度。

进一步，所述主框架的一侧设有电控机构，所述扭转电机及所述升降步进电机通过所述电控机构控制。

进一步，所述土样室包括两端开口的筒体，所述筒体的顶部设有上盖，所述上盖与所述筒体之间通过第一密封圈密封，所述筒体的底部放置于所述操作台上，所述筒体底缘与所述操作台之间通过第二密封圈密封，所述操作台中部设有通孔，所述活塞的顶部位于所述通孔上方且遮蔽于所述通孔，所述活塞的底部自所述通孔向下延伸与所述连接件连接，所述活塞侧面与所述筒体内壁之间通过第三密封圈密封。

进一步，所述上盖中部设有轴杆孔供轴承放入，所述传力杆穿过所述轴杆孔与所述轴承内圈配合。

进一步，所述上盖还设有排水孔，所述排水孔内壁设有螺纹，当排水结束时，所述排水孔由螺杆密封。

一种基于上述土体与结构物间摩擦力测定装置的使用方法，包括：

步骤一：装土样，驱动所述升降步进电机，使所述活塞运动至所述土样室的最底部，向所述土样室内装入实验土体并夯实至目标深度；

步骤二：金属圆盘定位，将所述金属圆盘放置于所述土体表面，旋紧所述传力杆使其装配于所述金属圆盘上；

步骤三：安装上盖，向所述土样室内继续装土体并夯实直至装满，然后将上盖安装于所述土样室顶部；

步骤四：安装所述剪切机构，将所述剪切机构及所述扭矩传感器安装于所述传力杆顶部，并调整所述剪切机构的位置，使所述扭矩传感器拧紧；

步骤五：施压，开启所述升降步进电机，驱动所述活塞上升，对所述土样室内的土体施压；

步骤六：剪切，在所述土体竖向变形稳定后，驱动所述剪切机构对所述土体与所述金属圆盘接触面进行剪切，直至破坏；

步骤七：数据采集，由所述称重传感器及所述扭矩传感器分别采集试验过程中施加于所述土体的法向力及所述土体和所述金属圆盘接触表面的剪切力，以算得所述土体承受的荷载、所述土体与所述金属圆盘之间摩擦力以及两者的对应关系。

本发明的有益效果：

通过加载机构对土体施加竖向加载力，能够测得土体承受的法向力，通过剪切机构对金属圆盘施加剪切，能够测得土体与金属圆盘接触表面的剪切力，从而算得土体承受的荷载、土体与金属圆盘之间摩擦力以及两者的对应关系，上述测定装置针对土体与结构物接触面的力学性能进行测试，能够稳定可靠地实现土体与结构物接触面上挤压力和剪切力的施加，填补了土体与结构物接触面力学性能测试装置的空白，且通过不同表面粗糙度的金属圆盘模拟不同材质、类型的结构物，在一套装置上实现多种不同结构物与土体接触面间摩擦力的测试。

附图说明

图1为本发明土体与结构物间摩擦力测定装置的结构示意图；

图2是图1中剪切机构的结构示意图；

图中，1—主框架、11—底板、12—立柱、13—横梁、14—操作台、15—侧立杆、16—滑轨、2—剪切机构、21—滑动部、22—承重支架、23—扭转电机、24—角度表盘、25—传力杆、26—扭矩传感器、27—金属圆盘、3—土样室、31—筒体、32—上盖、33—第一密封圈、34—轴承、35—排水孔、36—第二密封圈、37—通孔、38—活塞、39—第三密封圈、4—加载机构、41—升降步进电机、42—连接件、43—称重传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1，本发明提供一种土体与结构物间摩擦力测定装置，包括主框架1，设置于主框架1内的土样室3、剪切机构2及加载机构4。

如图1，主框架1为设备的主体结构，呈框架式构造，为了方便工作人员操作，该主框架1具有一定的高度，并且在侧面安装有各类的电控机构。主框架1包括底板11，底板11直接与地面/试验台面接触，用于承载整体装置。底板11的两侧设有立柱12，两根立柱12通长布设螺纹，分别通过端部螺纹固定于开有对应螺纹孔的底板11两端。立柱12的顶部安装有横梁13，开有圆孔的横梁13穿过两根立柱12，通过上下螺母固定于立柱12上。底板11、立柱12、横梁13共同形成反力系统，用于提供实验中竖向加载力的反力。立柱12的中部安装有操作台14，操作台14通过其两端的圆孔穿过立柱12并通过上下螺母固定于立柱12上。操作台14上安装有侧立杆15用于承载剪切机构2，侧立杆15通过焊接方式刚性连接于操作台14，侧立杆15上设有滑轨16，用于与剪切机构2两侧的滑动部21相配合，使得剪切机构2可沿侧立杆15上下滑动。

如图1及图2，剪切机构2包括承重支架22，承重支架22通过四个螺栓与滑动部21连接，通过滑动部21将承重支架22连接到侧立杆15上，承重支架22上固定有扭转电机23，扭转电机23通过四个螺栓固定于承重支架22上，扭转电机23底部螺纹连接有传力杆25，传力杆25插入土样室3内的土体中，传力杆25的底部螺纹连接有金属圆盘27，扭转电机23 顶部通过齿轮连接有角度表盘24，用于显示金属圆盘27的转动角度。滑动部21通过滑轨16与侧立杆15相连接，试验时通过沿着侧立杆15上下滑动改变金属圆盘27在土样室3中的位置。扭转电机23与传力杆25之间连有扭矩传感器26，用于测量试验中施加给土体的扭矩，该扭矩值最终换算为土体与金属圆盘27之间的摩擦力，即接触面剪切强度。

如图1，土样室3包括上下两端开口的筒体31，筒体31为空心圆柱形不锈钢腔体，内径150mm，高度150mm，在上下端部有扩大翼缘，用于配合连接其它部件。筒体31的顶部设有上盖32，上盖32与筒体31之间通过第一密封圈33密封，试验时通过压力实现密封，上盖32中部设有轴杆孔供轴承34放入，传力杆25插入土样室3时先穿过其上盖的轴承34，传力杆25与轴承34内圈通过加工精度装配。在本实施例中，上盖32上于轴承34的两侧对称还设有排水孔35，用于试验过程中土样室3内部土体的固结排水，排水孔35内壁设有螺纹，当排水结束时，排水孔35由螺杆密封。在其它实施例中，排水孔35还可以采用水压控制器来替代直接排放。筒体31的底部放置于操作台14上，筒体31底缘与操作台14之间通过第二密封圈36密封，试验时通过压力实现密封。操作台14正中部设有通孔37，通孔37直径为150mm，与筒体31内径相等，通孔37内设有活塞38，活塞38的顶部位于通孔37上方且遮蔽于通孔37，活塞38顶部侧面与筒体31内壁之间通过尺寸设计装配，活塞38侧面与筒体31内壁之间通过第三密封圈39密封，二者之间通过装配精度来保证试验中的密封性，活塞38的底部自通孔37向下延伸与加载机构4连接，试验时，通过加载机构4驱动活塞38在筒体31内上下移动，实现对土体的竖向加载。

加载机构4位于操作台14的下方，加载机构4包括升降步进电机41，升降步进电机41通过螺栓固定于底板11上，升降步进电机41的输出轴通过连接件42连接于活塞38，活塞38与连接件42之间设有称重传感43，通过称重传感器43采集试验过程中施加于土体的法向力，以算得土体承受的荷载。

主框架1的一侧设有电控机构，扭转电机23及升降步进电机41通过电控机构控制，需要说明的是，关于本实施例中扭转电机23、升降步进电机41、加载机构4和剪切机构2均由相应的电控系统对其进行控制，而该电控系统采用的均是本领域常用的电控系统，此处不再详细说明。且电控系统将称重传感器43及扭矩传感器26采集的数据传输至计算机系统中，所用的称重传感器43和扭矩传感器2也是本领域内通用的传感器，本领域技术人员应当对其相当熟悉，此处不再详细说明。在本实施例中，称重传感器43量程为2kN，扭矩传感器26量程为2Nm。称重传感器43被安装于连接件42与活塞38之间，用于测量施加于金属圆盘27表面的挤压力，扭矩传感器26被安装于扭转电机23与传力杆25之间，用于测量施加于金属圆盘27表面的剪切力，从而算得土体承受的荷载、土体与金属圆盘27之间摩擦力以及两者的对应关系。

本发明的测定装置针对土体与结构物接触面的力学性能进行测试，能够稳定可靠地实现土体与结构物接触面上挤压力和剪切力的施加，填补了土体与结构物接触面力学性能测试装置的控空白，且通过不同表面粗糙度的金属圆盘模拟不同材质、类型的结构物，可在一套装置上实现多种不同结构物与土体接触面间摩擦力的测试。

本发明还提供一种基于上述土体与结构物间摩擦力测定装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：装土样，驱动升降步进电机41，使活塞38运动至土样室3的最底部，向土样室3内装入实验土体并夯实至目标深度；

步骤二：金属圆盘27定位，将金属圆盘27居中放置于土体表面，将穿有传力杆25的上盖32与筒体31预装配，通过旋转传力杆25确定其与金属圆盘27的装配位置，反复确定金属圆盘27的正确位置并旋紧传力杆25使其装配于金属圆盘27上；

步骤三：安装上盖32，提起上盖32，然后向土样室3内继续装土体并夯实直至装满，然后将上盖3通过螺栓安装于土样室3顶部；

步骤四：安装剪切机构2，将剪切机构2及扭矩传感器26安装于传力杆25顶部，并调整剪切机构2的位置，使扭矩传感器26拧紧；

步骤五：施压，开启升降步进电机41，驱动活塞38上升，对土样室3内的土体施压，在此过程中，上盖32的排水孔35允许排水；

步骤六：剪切，在土体竖向变形稳定后，开启扭转电机23，驱动剪切机构2对土体与金属圆盘27接触面进行剪切，直至破坏；

步骤七：数据采集，由称重传感器43及扭矩传感器26分别采集试验过程中施加于土体的法向力及土体和金属圆盘27接触表面的剪切力，以算得土体承受的荷载、土体与金属圆盘27之间摩擦力以及两者的对应关系。

经过试验证明，本发明土体与结构物间摩擦力室内测定装置可以顺利实现对土体与结构物接触面的加载，并进行接触面剪切，具有较强的实用性，满足现在工程建设的要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。