一种确定砂土-结构界面摩擦系数的方法与流程

本发明涉及一种方法，更具体的说，是涉及一种确定砂土-结构界面摩擦系数的方法。

背景技术：

随着海洋开发和保卫的需要，特别是近些年来对海上油气资源的开采及岛礁的建设，海洋工程的建设方兴未艾，钢管桩基是海洋工程中常用的基础形式，重力锚在南海深水中有很好的应用前景，土与结构物的界面摩擦特性在工程中建设中有重要的应用意义，而界面摩擦系数又是工程设计，施工当中的一个重要参数。认识上的不足会给工程规划、设计和施工带来较大风险，甚至会导致建设成本的增加，同时由于海洋环境变化复杂，海洋工程除了考虑海水条件的腐蚀、海洋生物的污着等作用外，还必须能承受地震、台风、海浪、潮汐等强烈的自然因素，因此，正确选取土-结构界面摩擦系数能够尽可能大的避免各种风险，减少各种事故，节约经济成本，具有重要的工程意义。

目前，关于土-结构界面摩擦系数的参考取值国内还没有明确的规范要求,确定土-结构界面摩擦系数的方法有以下几种：(1)进行拉拔试验来确定土-结构界面摩擦系数。拉拔试验中，结构物可以穿过箱体两端，水平的放置在土体中，然后竖向施加一定的竖向荷载，水平拉动结构物，量测钢板的位移，建立剪应力-位移关系曲线，同时测量土—结构界面摩擦系数。拉拔试验箱结构简单容易操作，广泛应用于土工合成材料与土体的界面摩擦特性试验。而对于砂土，拉拔试验存在以下明显的缺点：①由于箱体前后两端缝隙的宽度大于结构物的厚度，因此试验过程中伴随着结构物被拉出，会有土从缝隙中挤出。②当施加竖向荷载后，结构物以上箱体中的土会被压缩，竖向荷载较大或者试验用土的相对密实度较小时，插入的结构物都可能会与缝隙下端接触，从而产生较大摩擦。(2)进行直剪(摩擦)试验来确定土-结构界面摩擦系数。这种试验优点是仪器构造简单，操作方便，缺点也很明显:剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；剪切面上的应力分布不均匀，而且受剪切面面积越来越小。(3)进行单剪试验来确定土-结构界面摩擦系数。单剪试验接触面的应力状态比直剪试验有所改善，但当剪切变形发生后，试样叠环一边会上翘，从而使试样内竖向应力分布不均，且单剪仪结构比直剪仪复杂。(4)进行环剪试验来确定土-结构界面摩擦系数。环剪试验的优点是不存在边界挤压引起试样应力分布不均的情况，但是该仪器较复杂、使用也不方便。而且由于沿半径方向接触面上的剪切位移不同，从而导致剪应力分布不均。

以上为目前常用的确定土-结构界面摩擦系数的方法，其中拉拔试验广泛应用于土工合成材料与土体的界面摩擦特性试验，不适合用于确定砂-结构界面摩擦系数，环剪试验仪器较复杂、使用也不方便，因此应用较为广泛的还是用直剪(摩擦)试验和单剪试验来确定砂-钢界面摩擦系数。但是这种方法由于在确定界面摩擦系数时，采用的控制标准不唯一，因此容易对界面摩擦系数的合理应用造成困扰；此外，对于海洋工程而言，因其环境条件恶劣，复杂，不确定性因素较多，因此工程设计、施工中采用这种方法确定的界面摩擦系数存在一定的风险。综上所述，提出一种安全，可靠的方法来确定砂土-结构界面摩擦系数具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种确定砂土-结构界面摩擦系数的方法，采用该方法确定的土-结构界面摩擦系数与实际情况更加相符。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的确定砂土-结构界面摩擦系数的方法，包括以下步骤：

(1)取需要测量的土样，通过土工试验确定干密度ρd，量取界面摩擦试验装置的基本尺寸，并计算需要测量的土样的体积v；

(2)根据步骤(1)中已经测得干密度ρd和计算所得的体积v，确定需要测量的土样的质量m＝v×ρd；

(3)采用分层装填，将需要测量的土样装填入试样装置：共分3层，每层高度相同、质量相同；

(4)在需要测量的土样顶端放置加载板，施加初始正应力，待其固结稳定后，保证其体积不变，在等体积条件下进行剪切试验；共进行n组试验，其中每组试验初始法向应力取不同值σc1、σc2、σc3......σcn，记录每组试验过程中的剪应力τ、正应力σ、剪切位移x随时间变化关系；

(5)当剪切力大小趋于稳定值时，认为需要测量的土样已经减损，若无上述情况发生，则当剪切位移达到30mm停止试验，应该控制土样的剪切速率在2mm/min—6mm/min之间；

(6)对每组试验数据进行处理，绘制剪应力/初始正应力-剪应变关系曲线，即τ/σcn-γ关系曲线，判断该组试验是否达到常体积状态；

(7)绘制每组试验的剪应力-正应关系曲线，即τ-σ关系曲线，把每组常体积状态点连接起来作出破坏线，其与x轴的夹角为α，计算出常体积状态时的界面摩擦系数为μcs＝tanα；

(8)把每组试验τ-σ关系曲线“拐点”连接起来，作出相变线，其与x轴的夹角为β，计算出相对应的界面摩擦系数为μpt＝tanβ。

剪切试验参考《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)中的相关规定。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明符合工程实际，而且步骤简单，操作起来容易实现，步骤当中所涉及到的各个参数都容易获取。

(2)本发明确定的两个摩擦系数，一个是常体积状态下的界面摩擦系数，另一个相变线所对应的界面摩擦系数。按照本发明方法确定的摩擦系数具有明确的物理状态，更加适用于工程建设环境复杂多变的海洋工程。

(3)鉴于界面摩擦系数在工程设计中的重要作用，本发明的合理、可靠性将为海洋工程设计、施工提供更加安全的参数，从而降低相关工程事故的风险，节省人力、物力。

(4)本发明将为其他参数的合理获取提供宝贵的借鉴意义。

综上所述，本发明针对于土-结构界面摩擦系数，考虑到复杂多变的海洋工程环境，提出了一种新的确定土-结构界面摩擦系数的方法即在常体积条件下进行剪切试验，确定了常体积条件下的界面摩擦系数和相变线对应的界面摩擦系数两个系数。较之前常应力条件下确定的界面摩擦系数更偏安全。因此，更加适用于海洋工程施工、设计需要。

附图说明

图1是剪应力/初始正应力-剪应变关系曲线示例图；

图2是临界状态线、相变线及其对应的界面摩擦系数示例图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

本发明的确定砂土-结构界面摩擦系数的方法，具体实现过程如下：

(1)取需要测量的土样，通过土工试验确定干密度ρd，量取相关界面摩擦试验装置的基本尺寸，并计算需要测量的土样的体积v。

(2)根据步骤(1)中已经测得干密度ρd和计算所得的体积v，确定需要测量的土样的质量m＝v×ρd。

(3)为了保证试验过程中干密度ρd尽可能与实际工程用土一致，同时也为了确保后续每次试验土样干密度ρd尽可能差别小，所以将需要测量的土样装填入试样装置时采用分层装填：共分3层，每层高度相同均为h/3，质量相同均为m/3。h为测量的土样装填入试样装置后的总高度。

(4)在需要测量的土样顶端放置加载板，施加初始正应力，待其固结稳定后，保证其体积不变，在等体积条件下进行剪切试验。共进行n组试验，其中每组试验初始法向应力取不同值σc1、σc2、σc3......σcn，记录每组试验过程中的剪应力τ、正应力σ、剪切位移x随时间变化关系。其中，剪切试验建议参考《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)中的相关规定。

(5)当剪切力大小趋于稳定值时，认为需要测量的土样已经减损，若无上述情况发生，则当剪切位移达到30mm左右方可停止试验，应该控制土样的剪切速率在2mm/min—6mm/min之间。

(6)对每组试验数据进行处理，绘制剪应力/初始正应力-剪应变关系曲线，即τ/σcn-γ关系曲线，如图1所示，判断该组试验是否达到常体积状态。

(7)绘制每组试验的剪应力-正应关系曲线，即τ-σ关系曲线，把每组常体积状态点连接起来作出破坏线，其与x轴的夹角为α，则可以计算出常体积状态时的界面摩擦系数为μcs＝tanα，如图2所示。其中，α为常体积状态的破坏角。

(8)另外，把每组试验τ-σ关系曲线“拐点”(这里的“拐点”其表征的意义就是在剪切过程中，土样有剪缩到剪胀状态发生改变的点)连接起来，可以作出相变线，其与x轴的夹角为β，则可以计算出相对应的界面摩擦系数为μpt＝tanβ，如图2所示。其中，β为常体积状态的相变角。

由图2可以求出，土-结构的界面摩擦系数μcs＝tanα＝0.85，μpt＝tanα＝0.64。在海洋环境复杂多变的海洋工程中，可以采用这种方法确定的摩擦系数来进行设计及施工。

本发明针对于土-结构界面摩擦系数，考虑到复杂多变的海洋工程环境，提出了一种新的确定土-结构界面摩擦系数的方法即在常体积条件下进行单剪试验，确定了临界状态下的界面摩擦系数和相变线对应的界面摩擦系数两个系数，较之前常应力条件下确定的界面摩擦系数更偏安全。因此，更加适用于海洋工程施工、设计需要

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。