本发明涉及土木工程技术领域，特别地，涉及一种桩土接触面剪切力学特性试验装置。
背景技术
随着我国城市建设的快速发展，当前出现了很多高层和超高层建筑，这些高层和超高层建筑对地基承载力要求较高，桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中。随着桩基础工程实际经验的累积和理论研究的深入，在钻孔桩和预制桩的基础上出现了许多新型桩基础，如挤扩支盘灌注桩、螺旋桩、竹节桩和钻孔桩等；而在深厚软土地区的超高层建筑桩基础的长桩一般为摩擦桩或端承桩，桩基础的承载力主要由桩侧摩擦阻力提供。现有建筑桩基技术规范中给出的桩侧摩阻力计算值偏差较大，因而需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土摩擦性能进行研究，为实际工程桩基设计提供理论依据。
目前对桩土接触面剪切力学特性的研究主要基于现场试验和室内试验两种方式，室内试验主要采用直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以准确测得桩土相对位移，同时能够测得接触面法向位移，然而直剪试验和环剪试验与桩试样的接触面均为平面，这与实际桩(圆形桩)土接触面不同，且剪切试验中的边界条件与实际桩荷载传递过程中的边界条件也不同。实际工程中桩土接触面的水平地压会随着桩的深度增加而增大，增大关系呈线性关系，具体见郭佳奇等人2010年在北京交通大学学报上发表的《高应力下干砂与饱和砂单剪特性比较》。中国专利申请cn106769478a公开了一种桩土接触面试验装置，包括圆形模型箱、加载板、反力梁和伺服加载电机，该装置通过对传统剪切试验装置进行改进，柱形桩置于土体中，并对土体下部和周侧封闭，对土体上部施压，进而土体对桩侧施加压力，然而该试验装置并未考虑桩土接触面的水平地压会随着桩的深度增加而增大这一因素，而水平地压的变化会对试验结果产生的影响，因此采用上述试验装置模拟所得桩土接触面摩擦性与实际桩土接触面摩擦特性有所不同。
因此，本领域的技术人员需要研发一种新的桩土接触面剪切力学特性试验装置，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种桩土接触面剪切力学特性试验装置，该装置操作方法简单，无需借助过多感应设备，就能较为真实的模拟桩土实际受力情况，减少繁杂的理论推导。
为实现上述目的，本发明提供了一种桩土接触面剪切力学特性试验装置，包括支撑装置、压力装置、膜箱和推力装置；所述支撑装置包括底板、顶板和支撑梁，底板和顶板通过多根支撑柱相连，所述支撑梁设置在顶板的上方；所述压力装置设置在所述支撑梁上，用于向桩试样施加竖向压力；所述膜箱的膜筒竖向设置在所述底板上且套设在桩试样的径向外侧，所述膜筒与桩试样之间具有容置腔；所述推力装置套设在所述膜筒上，用于向所述膜筒施加多个水平推力以对所述膜筒内的土试样沿垂直于桩试样轴向的方向进行挤压，多个水平推力从上到下线性递增。
进一步的，所述推力装置包括推力筒组、沿所述推力筒组中心周向均布的多个推力组件以及套设在所述推力筒组外周壁上的防护筒；
所述推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒，多个所述推力筒沿其轴向叠加设置在所述底板上，且相邻两所述推力筒之间不固连；
每个所述推力组件均包括一竖向布置的推板、水平状布置且可伸缩的多根推力杆和多个推力弹簧，多根推力杆在同一竖直面内沿上下方向布置，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与推力筒分别相连且推力杆和推力筒一一对应设置；每根推力杆上套设有一所述推力弹簧；
所述防护筒的侧壁上开设有多个侧孔，用于所述推力杆及所述推力弹簧穿设；推力弹簧与与其对应的弧形钢板相接触。
进一步的，所述推力筒为双层筒体结构，内层筒体与外层筒体同轴套装，所述内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片围成，所述外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板围成，两相邻弧形钢板的间隔缝与两相邻弧形钢片的间隔缝内外错开设置，且每一块弧形钢板均与位于其内侧的两片弧形钢片能在所述推力筒的周向上水平滑动配合；多根推力杆的内端与弧形钢板分别相连且推力杆和弧形钢板一一对应设置；
与同一所述推力筒相连的同一层推力杆位于同一水平面内，且同一层推力杆的内端均指向所述推力筒的中轴线。
进一步的，所述推力杆包括实心杆和空心杆，所述实心杆的内端与所述弧形钢板的外侧壁相连，所述实心杆的外端滑动插设在所述空心杆内。
进一步的，套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，且从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。通过向内(圆形底板的中心部)调整推板的位置使得推力杆的长度缩短，同时套设在该推力杆上的所有推力弹簧被压缩相同的压缩量，由于从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增，因而该推力装置产生从上至下线性增大的多个水平推力通过相应的推力筒(每个推力筒对应一层推力杆)对膜筒内的土试样进行挤压，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致。
进一步的，所述空心杆上设置有螺母，所述推力弹簧设置在所述螺母与所述弧形钢板之间，且所有推力弹簧的自由长度和弹性系数均相等。与上述结构原理一致，该推力装置对从上至下多个推力筒的推力也从上至下线性递增，可有效模拟桩土在实际工程中所受的水平地压。
进一步的，所述底板和顶板均为圆形板，所述底板和顶板上均设有沿其中心周向均布的多个定位装置，每个所述定位装置均包括沿所述底板径向方向设置的长槽孔、设置在所述长槽孔长度方向两侧的多个卡柱和用于定位所述推板在所述支撑装置上的内外位置的插销。本领域的技术人员可以理解的，推板的上端和下端的两侧各设有一个用于限定推板上下位置的限位块，可有效防止调整过程中推板上下走位；插销与卡柱配合用于定位推板在支撑装置的内外位置。
进一步的，所述底板和所述顶板上分别设有用于所述桩试样插入的通孔a和通孔b，所述通孔a与所述通孔b同轴设置；多根所述支撑柱均上下贯穿所述底板和所述顶板设置；所述支撑梁与多根所述支撑柱连接，所述支撑梁上设有通孔c；
所述压力装置包括竖向加载装置、传力杆、压力传感器和位移传感器；所述竖向加载装置可拆卸设置在所述支撑梁上；所述传力杆贯穿所述通孔c设置，其一端与所述竖向加载装置相连、另一端用于与所述桩试样的顶端相接触；所述压力传感器和所述位移传感器夹设在所述传力杆与所述桩试样之间；
所述膜箱包括膜筒、透水板和封盖；所述膜筒由柔性材料制成；所述透水板设置在所述膜筒内并将膜筒的下端口堵住，所述封盖设置在所述膜筒的顶部并将膜筒的上端口密封；所述透水板和封盖上分别设有通孔d和通孔e，所述桩试样的上、下两端分别贯穿所述通孔e和通孔d设置。
进一步的，所述透水板包括透水板本体和设置在透水板本体周边的柔性膜，所述通孔d设置在透水板本体上；所述膜箱还包括将封盖与所述膜筒压紧的至少三根压紧杆；所述顶板上设有数量与压紧杆的数量相适配多个通孔f，每个所述通孔f内穿设一所述压紧杆，所述压紧杆的下端用于压在所述封盖上。本领域的技术人员可以理解的，当膜筒内的土试样被压实后，用封盖盖住膜筒的上端口；压紧杆从上至下贯穿通孔f，压紧杆的下端压在封盖上，压紧杆与顶板固定连接。
进一步的，所述支撑装置包括3根支撑柱，所述支撑柱的底端比所述底板低50～200cm，所述支撑柱的顶端比所述顶板高30～200cm；所述支撑梁为三叉型梁，每个梁叉与一根所述支撑柱固定连接；通孔c设置在三叉型梁的中心部位。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的桩土接触面剪切力学特性试验装置，包括支撑装置、压力装置、膜箱和推力装置；支撑装置包括底板、顶板、支撑梁和多根支撑柱；压力装置设置在支撑梁上，用于向桩试样施加竖向压力；膜箱包括膜筒、透水板和封盖，膜筒由柔性塑料膜制成；推力装置套设在膜筒上，用于向膜筒施加多个大小不等的水平推力以对膜筒内的土试样沿垂直于桩试样轴向的方向进行挤压。本发明的试验装置构造简单、操作简便，可准确模拟不同类型桩基础的桩土在实际工程中的力学特性，为实际工程桩基设计提供理论依据。
(2)、本发明的膜箱包括圆形的膜筒、透水板和封盖，透水板包括透水板本体和第一柔性膜；膜筒由柔性塑料膜制成，通过从侧面对膜筒施加水平推力，实现对桩土施加水平应力传递效果，真实模拟实际工程中桩土受力状态，提高模拟准确度；同时，本发明的膜箱内可放置较大试样的实心圆柱混凝土桩试样和空心圆柱等多种桩型材料，并使用已有的土工仪器来研究桩-土接触面在静荷载作用下的力学特性。
(3)、本发明的推力装置包括推力筒组、多个推力组件以及防护筒；推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒，多个推力筒沿其轴向叠加设置在底板上，且相邻两推力筒之间不固连；推力筒包括同轴套装的内层筒体与外层筒体，内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片围成，外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板围成；通过调整推力杆的长度使套设在其上的推力弹簧从膜箱的外周对桩土施加不同的水平推力，适应不同状态下桩土所受水平地压不同的情况模拟，并能适应任意覆盖层、任意桩土位置水平地压不同情况的真实模拟，适用范围广。
(4)、本发明中套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。通过向内调整推板的位置，推力杆的长度缩短，套设在推力杆上的推力弹簧被压缩相同的压缩量，推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平推力，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致；可以真实的模拟桩土水平地压的分布，尤其适用于长桩。
(5)、本发明中推力杆包括实心杆和空心杆，实心杆的内端与弧形钢板的外壁相连、外端插设在空心杆中；空心杆上设置有螺母；推力弹簧设置在螺母与弧形钢板之间，且所有推力弹簧的长度相等、弹性系数也相等。扩大推力弹簧给予桩土压力的适用范围，可以不调整桩土接触度，通过调整螺母对推力弹簧的压缩量改变从上到下推力弹簧压缩给予桩土接触面压强增大的速率，适应实际工程不同长度桩与土接触面剪切试验。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明桩土接触面剪切力学特性试验装置的立体结构示意图；
图2是图1中桩土接触面剪切力学特性试验装置的剖面结构示意图；
图3是本发明中支撑装置的结构示意图；
图4是本发明中膜箱的剖面结构示意图；
图5是发明中推力装置的结构示意图；
图6是图5中推力筒的结构示意图；
图7是本发明中推力杆与螺母配合的结构示意图；
图8是图5中防护筒的结构示意图；
其中，1、支撑装置，1.1、底板，1.2、顶板，1.3、支撑梁，1.4、支撑柱，1a、长槽孔，1b、卡柱，1c、插销，2、压力装置，2.1、竖向加载装置，2.1a、传力杆，2.2、位移传感器，2.3、压力传感器，3、膜箱，3.1、膜筒，3.2、透水板，3.3、封盖，3.4、压紧杆，4、推力装置，4.1、推力筒，4.1a、弧形钢片，4.1b、弧形钢板，4.2、推板，4.3、推力杆，4.3a、实心杆，4.3b、空心杆，4.3c、螺母，4.4、推力弹簧，4.5、防护筒，4.5a、侧孔，5、桩试样，6、土试样。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1和图2所示，本发明的一种桩土接触面剪切力学特性试验装置，包括支撑装置1、压力装置2、膜箱3和推力装置4，具体结构如下：
结合图3所示，支撑装置包括底板1.1、顶板1.2、支撑梁1.3和多根支撑柱1.4；底板和顶板均为圆形钢板，底板的中心部位设有用于桩试样5插入的通孔a，顶板的中心部位设有用于桩试样5插入的通孔b，通孔a与通孔b上下同轴设置且孔径大小相等。底板和顶板上均设有沿其中心周向均布的多个定位装置，每个定位装置均包括沿底板(顶板)径向方向设置的长槽孔1a、设置在长槽孔长度方向两侧的卡柱1b和用于定位推板在支撑装置上的内外位置的插销1c。
具体地，支撑柱的数量优选3根，该3根支撑柱均贯穿底板和顶板设置，支撑柱的底端比底板低60cm，支撑柱的顶端比顶板高50cm；方便对桩试样进行测试。支撑梁位于顶板的上方，该支撑梁为三叉型梁，每个梁叉上设有一个连接孔，梁叉通过连接孔与支撑柱固定连接；通孔c设置在支撑梁的中心部上。
进一步的，压力装置包括竖向加载装置2.1、传力杆2.2、压力传感器2.3和位移传感器2.4；竖向加载装置为设置在支撑梁上的伺服液压机；传力杆上下贯穿通孔c设置，传力杆的顶端与竖向加载装置相连，传力杆的底端用于与桩试样的顶端相接触；位移传感器设置在传力杆用于与桩试样接触的端面上，压力传感器与位移传感器相连接，并夹设在位移传感器与桩试样之间。该结构中，竖向加载装置通过传力杆将竖向压力施加在桩试样上；位移传感器用于检测桩试样的位移，压力传感器用于感应伺服液压机对桩试样所施加的压力。
结合图4所示，膜箱竖向设置在底板上，其包括圆形的膜筒3.1、透水板3.2和封盖3.3；膜箱还包括将封盖与膜筒压紧的3个压紧杆3.4；顶板上设有与3个通孔f，每个通孔f内穿设一压紧杆。透水板设置在膜筒的底部并将膜筒的下端口堵住，封盖用于密封膜筒的上端口；膜筒用于套设在桩试样的径向外侧，且当桩试样插设在膜箱内时，膜筒与桩试样之间具有容置土试样的容置腔。透水板和封盖上分别设有通孔d和通孔e；试验时，桩试样的上、下两端分别贯穿通孔e和通孔d设置。具体地，膜筒由橡胶膜等柔性材料制成；为了防止脱水板对推力装置施加的水平力产生不利影响，透水板由设置在其中心的圆形透水板本体和设置在该透水板本体外周侧的柔性膜，通孔d设置在透水板本体的中心；该柔性膜分别与膜筒和透水板密封连接；优选的，柔性膜也为橡胶膜。封盖为活动盖设在膜筒上端的钢板，并通过压紧杆将封盖压紧在膜筒(膜筒内装有土试样)上，防止试验时膜箱内的土试样向上冒出而导致压力失效。该结构设置既方便往膜筒内填装土试样，又不会对膜筒径向受压时膜筒缩小直径造成不利影响，从而避免影响模拟效果。
结合图5所示，推力装置套设在膜筒上，用于向膜筒施加多个水平推力以对膜筒内的土试样沿垂直于桩试样轴向的方向进行挤压，多个水平推力从上到下线性递增。具体地，推力装置包括推力筒组、沿推力筒组中心周向均布的多个推力组件以及套设在推力筒组外周壁上的防护筒4.5；需要特别说明的，为了便于更清晰的显示推力装置的内部结构，图5中的防护筒未示出，但本领域技术人员可以理解的，推力杆的外端与推板固定连接，推力杆的内端贯穿防护筒的侧孔后与推力筒的弧形钢板固定连接；套设在推力杆上的推力弹簧也贯穿该侧孔，且至少在推力作用时与弧形钢板接触并对其产生水平推力。
结合图6和图7所示，推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒4.1，多个推力筒大小相等且沿其轴向叠加设置在底板上，且相邻两推力筒之间不固连；上下相邻两个推力筒4.1之间、最顶层的推力筒与封盖3.3之间以及最低层的推力筒与底板1.1之间做润滑处理。侧向受水平推力时，每个推力筒根据其所受水平压力的大小而径向收缩，进而对膜箱内的土试样和桩试样上下施加不同的压力。优选的，推力筒为双层筒体结构，内层筒体与外层筒体同轴套装，内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片4.1a围成，外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板4.1b围成，两相邻弧形钢板的间隔缝与两相邻弧形钢片的间隔缝内外错开设置，且每一块弧形钢板均与位于其内侧的两片弧形钢片能在推力筒的周向上水平滑动配合。当推力筒侧向受水平压力时，相邻两块弧形钢板以及相邻两片弧形钢片的间隔缝变小，包覆在膜筒外侧壁上的推力筒的直径变小。
每个推力组件均包括一竖向布置的推板4.2、水平状布置且可伸缩的多根推力杆4.3和多个推力弹簧4.4，多根推力杆4.3在同一竖直面内沿上下方向布置，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与弧形钢板分别相连且推力杆和弧形钢板一一对应设置；每根推力杆上套设有一推力弹簧。该结构中，上下叠加设置的多个推力筒的弧形钢板也上下对应设置，同一列弧形钢板称为一组；每个推力组件包括的推力杆数量与一组弧形钢板中弧形钢板的数量相等，推力组件的个数与弧形钢板的组数相等。推板的上下两端贯穿分别贯穿顶板和底板上的长槽孔设置，并在长槽孔内沿该孔的长度方向移动。
结合图8所示，防护筒的侧壁上开设有多个侧孔4.5a，用于推力杆及推力弹簧穿设；防护筒可有效防止膜筒内的土试样产生向外的张力而对膜筒造成损坏。
本发明中，推力杆与弧形钢板一一对应设置；与同一推力筒相连的同一层推力杆位于同一水平面内，且同一层推力杆的内端均指向推力筒的中轴线。具体地，推力杆包括实心杆4.3a和空心杆4.3b，实心杆的内端与弧形钢板的外壁相连，实心杆的外端插设在空心杆中。推板被向内移动一定距离后，将插销置于推板外侧且插在两相邻卡柱之间以定位推板，推力弹簧被压缩并对推力筒施加侧向水平压力，而推力杆的长度由推板和推力弹簧共同确定。本发明中，推力筒所受的水平压力可根据推力弹簧的弹性系数以及推力弹簧的压缩量来计算获得。
本发明中，多个推力筒的叠加高度与膜筒的高度相等，推力筒包覆在膜筒的外周壁上；便于推力装置对膜箱内的桩试样和土试样施加水平推力。
采用本发明的桩土接触面剪切力学特性试验装置对桩土接触面剪切力学特性进行试验，通过推力装置对推力筒施加水平压力使其径向收缩，进而对膜箱内的土试样施加上下大小不同的水平推力，有效模拟桩土在实际工程中所受水平地压，有利于桩土试验的研究。具体的试验方法包括以下步骤：
(1)、按工程实际预制桩试样5，并准备与实际工程相同土质的土试样6。
(2)、装置桩试样、土试样：先将预制的桩试样5从试验装置的顶部插入膜筒3.1中，再将备好的土试样6填筑到膜筒中，并根据实际工程压实土试样，压实完成后将封盖3.3盖到膜筒上，并通过压紧杆3.4将封盖与膜筒压紧。
(3)、安装压力装置：将竖向加载装置2.1可拆卸安装在支撑梁上，桩试样的顶端通过传力杆2.2与竖向加载装置相连，桩试样与传力杆之间夹设有压力传感器2.3和位移传感器2.4；竖向加载装置优选伺服液压机。
(4)、对桩土施加水平推力：在膜筒的外周侧向其中轴线方向施加多层水平推力，以对所述膜筒内的土试样沿垂直于桩试样轴向的方向进行挤压，多层水平推力从上到下线性递增；当顶层推力和底层推力对土试样产生的压强与实际工程中要测量桩段的上截面和下截面处压强分别相等时，维持各层水平推力不变。“桩段”指根据工程需要选取桩的一部分或者整根桩。
(5)、桩土接触面剪切试验：启动竖向加载装置对桩试样施加竖向压力，在竖向压力所用下，桩试样在竖向发生移动，桩试样所受压力和位移，分别通过压力传感器和位移传感器获得。
(6)、桩土接触面剪切力计算：根据桩土接触面剪切试验获取的试验数据计算桩土接触面剪切应力，桩土接触面剪切应力jg＝js×lg/lt，js为本发明试验获取的剪应力，lg为桩试样的长度，lt为顶层推力弹簧与底层推力弹簧的间距。具体地，“桩试样的长度”为选取整个桩的长度或选取桩的其中一段的长度，只要保证试验装置的水平压力和选取实际工程桩的水平地压相等即可。
上述步骤(4)可通过下述两种方法实现对桩土施加水平推力，具体地：
第一种方法：套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，且从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。安装好桩试样和土试样后，通过向内(膜筒中轴线方向)调整推板，此时推力杆的长度缩短，进而套设在推力杆上的推力弹簧被压缩，推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平压力，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致；可以真实的模拟桩土覆土压力的分布，尤其适用于长桩。
第二种方法：空心杆上设置有螺母(空心杆上设置有螺纹)，推力弹簧设置在螺母与弧形钢板之间，且所有推力弹簧的长度和弹性系数均相等。安装好桩试样和土试样后，从上至下调整每层推力杆上的螺母距离推力筒的距离线性递减；再通过向内调整推板，使得推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平压力。该结构还可扩大推力弹簧给予桩土压力的适用范围，可以不调整桩土接触度，通过调整螺母对推力弹簧的压缩量改变从上到下推力弹簧给予桩土接触面压强增大的速率，适应实际工程不同长度桩与土接触面剪切试验。
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。