一种用于室内试验桩土界面的环剪仪及检测方法与流程

本发明涉及不同围压不同类型桩土界面剪切特性的室内试验设备，尤其涉及一种用于室内试验桩土界面的环剪仪及检测方法。

背景技术：

桩基础是一种重要的基础形式，在铁路、公路、桥梁、港口码头、高层建筑等工程中应用广泛。桩基础在承受上部桩头竖向荷载时，桩和桩周土体之间产生相对位移或位移趋势，使得桩侧摩擦阻力发挥作用，进而将桩头荷载逐渐向桩周土体传递。由此可见，桩侧摩阻力是单桩承载力的重要组成部分，如何确定桩土之间界面剪切性状是设计的关键问题，也是研究桩基承载力和沉降的重要力学问题。目前，确定桩土界面摩擦特性的试验方法主要有现场足尺试验法和室内模型试验法。现场足尺试验虽然直观可靠，但是费用高，时间长，抽样率低，室内模型试验可以弥补这些缺陷，模拟桩基中的桩土相互作用特性，从而为获得合适的设计参数提供了一种可靠的方法。现在，国内外所做的研究主要针对浅层低围压的桩土界面，对深层土体高围压下的桩土界面剪切特性研究非常少。而超长桩的桩长一般超过70m，目前低围压的桩土界面剪切关系对深层高围压的情况就不一定适用。因此，要揭示超长桩的桩土荷载传递机理和承载特性，需要对深层高围压下桩土界面剪切关系进行全面研究。因此，研制一种用于桩土界面剪切特性室内试验的高围压大型界面环剪仪十分必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于室内试验桩土界面的环剪仪，能够对不同类型桩在不同围压和不同土体类型的多种工况下，得到桩土界面剪应力-应变的关系曲线，并分析界面摩擦角与法向应力、剪切应变的关系。为此，本发明提供以下技术方案：

一种用于室内试验桩土界面的环剪仪，包括扭剪装置、竖向压力伺服装置、支架、位移计及样本剪切盒，所述扭剪装置处于环剪仪的底部，所述样本剪切盒安装在下底板上，所述下底板与扭剪装置转动连接，所述竖向压力伺服装置压在所述样本剪切盒上方，所述位移计安装在竖向压力伺服装置上并用于检测样本剪切盒位移的数据，所述样本剪切盒中设置有被检测土样及桩体样本。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述环剪仪的支架上设有限位器，所述限位器用于限制样本剪切盒的高度。

所述环剪仪上部还设有高度调节器,所述高度调节器用于调环剪仪的节高度及角度，确保气缸产生的气压均匀地施加在载荷板上，再进一步传递给桩土。

所述样本剪切盒包括上剪切盒和下剪切盒，所述上剪切盒用于放置土样，所述下剪切盒用于放置桩体样本，上剪切盒和下剪切盒的界面处为剪切面。

所述样本剪切盒为环状，所述样本剪切盒外侧设置观察视窗。

本发明还包括一种环剪仪的检测方法，将土样上表面固定，并施加法向应力在上剪切盒的上部，下剪切盒的下部施加扭矩进环向剪切，上剪切盒和下剪切盒的界面处为剪切面；

测得向荷载、旋转力偶矩和角位移，通过力偶矩和角位移换算得到抗剪强度和剪切变形。

在环形旋转剪切过程水平面的剪切变形随半径是变化的，平均剪应力和平均剪切位移，计算公式为：

其中M为界面扭矩，单位为N/m，R₂为剪切盒外环半径，R₁为剪切盒内环半径，单位为m，τ为剪切界面上的平均剪切应力，单位为Pa，为平均扭转剪切速度，单位为m/min，t为剪切时间，单位为min，S为剪切位移，单位为m。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为：本发明能用于检测桩土界面剪切特性，能够通过室内试验的方法测得有效数据，成本低，可行性高。本发明能够对不同类型桩在不同围压和不同土体类型的多种工况下进行测验。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于室内试验桩土界面的环剪仪立体图。

图2是本发明提供的一种用于室内试验桩土界面的环剪仪剖视图。

图3是本发明提供的环剪仪测验受力分析示意图。

具体实施方式

如图所示，一种用于室内试验桩土界面的环剪仪，包括扭剪装置9、竖向压力伺服装置2、支架11、位移计3及样本剪切盒，所述扭剪装置9处于环剪仪的底部，所述样本剪切盒安装在下底板上，所述下底板与扭剪装置转动连接，所述竖向压力伺服装置压在所述样本剪切盒上方，所述位移计安装在竖向压力伺服装置上并用于检测样本剪切盒位移的数据，所述样本剪切盒中设置有被检测土样及桩体样本。

所述环剪仪的支架上还设有限位器4，所述限位器用于限制样本剪切盒的高度。

所述环剪仪上部设有高度调节器1。

所述样本剪切盒包括上剪切盒5和下剪切盒6，所述上剪切盒5用于放置土样7，所述下剪切盒6用于放置桩体样本8，上剪切盒5和下剪切盒6的界面处为剪切面。

所述样本剪切盒为环状，所述样本剪切盒外侧设置观察视窗。

一种环剪仪的检测方法，将土样上表面固定，并施加法向应力在上剪切盒的上部，如图3所示，下剪切盒的下部施加扭矩进环向剪切，上剪切盒和下剪切盒的界面处为剪切面；

测得向荷载、旋转力偶矩和角位移，通过力偶矩和角位移换算得到抗剪强度和剪切变形。

在环形旋转剪切过程水平面的剪切变形随半径是变化的，平均剪应力和平均剪切位移，计算公式为：

其中M为界面扭矩，单位为N/m，R₂为剪切盒外环半径，R₁为剪切盒内环半径，单位为m，τ为剪切界面上的平均剪切应力，单位为Pa，为平均扭转剪切速度，单位为m/min，t为剪切时间，单位为min，S为剪切位移，单位为m。