一种含气土桩土测试装置的制作方法

本发明涉及桩基工程技术领域，具体涉及一种含气土桩土测试装置。

背景技术：

桩土相互作用的试验通常采用桩土界面剪应力测试装置进行测试，该测试装置能够测量试验土样和预制桩发生相对运动时作用力变化，从而获得单调加载或者是循环加载情况下的桩土相互作用参数。然而目前桩土相互作用的测试装置无法直接用于含气土-桩界面剪应力测试，主要原因有：

(1)无法密封，含气土的存在需要相对封闭的条件，然而目前的装置均为敞开装置，通过加载装置使预制桩和土之间发生平行的错动，例如专利号为：cn201710050592.1的“一种桩土接触面剪切试验装置”、专利号为：cn201810778084.x的“基于试验土样变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数测量装置”、专利号为：cn201710286569.2的“一种测定桩土接触面长期剪切强度的简易试验方法”、专利号为：cn201710689799.3的“一种考虑温度作用的桩土作用大型直剪试验方法”等；

(2)含气土试验装置无法直接测试桩土之间的相互作用，含气土试验目前主要集中于单元试验，例如专利号为：cn201820038132.7的“一种含气土的固结试验装置”、专利号为：cn201420037515.4的“高压溶气饱和试验装置”等，在海洋工程中，桩和土直接在循环荷载作用下会发生相对运动以及相互作用，从而影响桩基承载能力，试验土样单元试验是测试试验土样在循环荷载作用下力学性质的装置，二者有本质的区别。

含浅层气试验土样分布广泛，目前关于浅层气试验土样中桩土相互作用的研究刚刚起步，利用界面剪切应力测试的方法获得桩土相互作用参数是研究含气土中桩土相互作用的关键，然而传统的界面剪切仪和含气土单元试验装置均无法实现相互作用参数测试。如果在装置中直接生成含气土，如果采用传统的界面剪切仪，需在外部制作含气土，将试验土样试验土样放入剪切仪中，在该过程中试验土样中的气体会损失，所以无法准确确定试验土样气体含量，对于砂性土更无法制备含气的试验土样试验土样。

综上所述，既要实现含气土的制备，同时又要能够实现桩土相互作用的测量，必须在一个密闭的空间内实现试验土样和预制桩之间的相对运动，在有限密闭空间内实现桩土之间的平行错动是非常困难的，所以有必要改进二者错动方式，同时加入含气土制备装置，能够准确生成一定气体含量的含气土，从而研究不同气体含量的试验土样中含气土-桩相互作用，获得含气量对桩土相互作用的影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够进行含气土生成和环向错动加载测试的含气土桩土测试装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：

一种含气土桩土测试装置，包括密封舱和轴压测试装置；

所述密封舱内具有相互接触的试验土样和预制桩；所述轴压测试装置伸入到密封舱内带动预制桩与试验土样作循环剪切运动。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

本发明的有益效果在于：本发明的含气土桩土测试装置，除了具备常规桩土界面剪切仪的功能外，还通过含气土生成系统实现了定量气体含量的土体的精确制备，能够获得不同含气量土体与桩之间的相互作用；并且对作用过程中实现了自动化采集，数据准确。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的一种含气土桩土测试装置的结构示意图；

标号说明：1、密封舱；11、舱底；110、围压舱；111、螺栓；12、舱盖；121、压力传感器；122、位移传感器；123、溢水口/阀门；124、空隙水压力计；13、试验容器；131、顶盖；132、容纳座；133、反压/气体出口；134、反压/气体排出管；14、反压/气体进入管；15、反压泵；150、反压阀门；16、气体泵；160、气压阀门；17、气体收集装置；170、气体收集阀门；18、围压泵；180、围压阀门；19、橡胶垫；2、轴压测试装置；21、轴压杆；22、轴压/扭矩控制室；23、基座；24、轴压/扭矩测量装置；25、转动盘；26、轴压泵；260、轴压阀门；3、试验土样；4、预制桩；5、主控制器；6、透水石层。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，一种含气土桩土测试装置，包括密封舱1和轴压测试装置2；

所述密封舱1内具有相互接触的试验土样3和预制桩4；所述轴压测试装置2伸入到密封舱1内带动预制桩4与试验土样3作循环环形错动。

从上述描述可知，通过采用循环环形错动，通过转换公式，可以将环形错动的扭矩换算为传统的界面剪切仪为循环平行错动受力，采用环形错动的方式主要是为了实现有限空间内桩-土大幅值的相对运动；通过采用密封舱1，能够测量含气的试验土样3中试验土样3气体的含量。

进一步的，所述含气土桩土测试装置还包括主控制器5。

所述主控制器5包括位移、温度、压力、孔压传感器以及导线和数据采集仪；

所述主控制器5包括通过反馈的测试数据进行调整。

进一步的，所述密封舱1包括舱底11、舱盖12和试验容器13，所述舱盖12盖装在舱底11上形成围压舱110，所述试验容器13位于围压舱110内，所述试验土样3和预制桩4均位于试验容器13内；

所述轴压测试装置2包括轴压杆21，所述轴压杆21穿过舱底11和试验容器13带动预制桩4与试验土样3作循环剪切运动；

所述轴压测试装置2与主控制器5电性连接。

进一步的，所述试验容器13内还具有透水石层6，所述透水石层6、试验土样3和预制桩4从上到下依次设置在试验容器13内；

所述试验土样3上连通有反压/气体进入管14，所述反压/气体进入管14上分别连通有反压泵15和气体泵16，所述反压泵15与反压/气体进入管14之间设置有反压阀门150，所述气体泵16与反压/气体进入管14之间设置有气压阀门160；

所述试验容器13包括顶盖131和桶状的容纳座132，所述顶盖131上设置有反压/气体出口133，所述反压/气体出口133通过反压/气体排出管134与气体收集装置17相连通；所述反压/气体排出管134设置有气体收集阀门170；

所述反压泵15、气体泵16和气体收集装置17分别与主控制器5电性连接。

进一步的，所述顶盖131上方的舱盖12上设置有压力传感器121、位移传感器122和溢水口/阀门123；所述压力传感器121和位移传感器122与顶盖131相接触；

所述容纳座132的内侧壁上设置有温度传感器，所述试验土样3还连接有空隙水压力计124；

所述压力传感器121、位移传感器122、温度传感器和空隙水压力计124分别与主控制器5电性连接。

进一步的，所述轴压测试装置2还包括轴压/扭矩控制室22、轴压/扭矩测量装置24、轴压泵26和基座23，所述轴压/扭矩控制室22设置在基座23上，所述轴压泵26与轴压/扭矩控制室22连通，所述轴压杆21与轴压/扭矩控制室22相连，所述轴压/扭矩测量装置24设置在轴压杆21上；

所述轴压泵26与轴压/扭矩控制室22之间还设置有轴压阀门260；

所述轴压/扭矩控制室22、轴压/扭矩测量装置24和轴压泵26与主控制器5电性连接。

进一步的，所述轴压杆21与预制桩4之间还设置有转动盘25，所述预制桩4位于转动室内，所述预制桩4与转动盘25之间填充有润滑剂。

所述润滑剂为凡士林；为防止土体进入到设备内，转动室中充满润滑用凡士林，其对扭矩的影响非常小，同时还能够防止土体进入设备；试样容器和转动室共同组成桩土剪切试验盛样的容器，该容器和预制桩4之间的缝隙中均涂满润滑剂凡士林，可以防止土体进入到设备，也可以保证扭矩全部用来使桩材料发生转动。

进一步的，所述含气土桩土测试装置还包括围压泵18，所述围压泵18通过围压阀门180与围压舱110相连通；

所述围压泵18与主控制器5电性连接。

进一步的，所述舱底11和舱盖12之间设置有橡胶垫19；所述舱盖12与舱底11通过螺栓111连接。

从上述描述可知，通过橡胶垫19，能够提升密封性能。

一种含气土桩土测试方法，包括如下步骤：

步骤一、制作试验土样3；

步骤二、对试验土样3水头饱和处理；

步骤三、对步骤二所得的试样土样进行预压固结；

步骤四、对步骤三所得的试样土样注入气体获得含气土；

步骤五、对含气土进行预压固结；

步骤六、对步骤五所得的含气土进行循环剪切测试，并记录位移、扭矩、温度、压力和孔压数据；

步骤七、通过计算含气土含气量。

进一步的，所述步骤一具体为：补充转动室中的凡士林，将预制桩4放入试验容器13中，制作试验土样3(预制或直接在试样容器中制作)，盖上透水石，盖上顶盖131，接好反压/气体排出管134；盖上舱盖12，用螺栓111将舱盖12固定到舱底11上，使压力传感器121和位移传感器122接触到顶盖131，样品准备工作完成，关闭所有阀门。

进一步的，所述步骤二具体为：打开围压阀门180给围压舱110加水，直到舱盖12的溢水口/阀门123有水溢出，关闭，接通围压泵18；打开反压阀门150，利用反压泵15向试验土样3中注入水，打开阀门，将试验土样3中的气体排除，直到处有水溢出，此时先不进行气体收集，利用反压泵15和围压泵18持续增加围压和反压，直到处观测不到气体为止，关闭气体收集阀门170和反压阀门150，将反压和围压调至同一值，直到空隙水压力计124与围压压力相同，水头饱和完成。

进一步的，所述步骤三具体为：使压力传感器121和位移传感器122接触到顶盖131，并固定好，打开轴压阀门260，利用轴压泵26施加一级荷载，围压和反压保持不变，采集空隙水压力计124读数，打开阀门直到空隙水压力计124测试的孔压完全消散，关闭反压阀门150，预压固结完成。

进一步的，所述步骤四具体为：打开气压阀门160，利用气体泵16向试验土样3样品中注入气体(甲烷或者氮气)，打开气体收集阀门170，利用气体收集装置17进行气体收集，气体收集装置17为密封装置，直到观测到反压/气体排出管134中有气泡排出，含气土试验制作完成，关闭所有阀门。

进一步的，所述步骤五具体为：打开围压阀门180和气压阀门160，利用气体泵16入装置和围压泵18维持相同的气压和围压，打开轴压阀门260利用轴压泵26进行第二次轴压加载，直到压力传感器121数据线和孔隙水压力计测试到的超孔隙压力消散完全，测试此时压力传感器121读数，含气土预压固结完成，制备的试验土样3为压力传感器121所测试的压力下的含气土，再次关闭所有阀门，仅打开围压阀门180维持围压。

进一步的，所述步骤六具体为：启动轴压/扭矩测量装置24、轴压杆21和转动盘25，进行预制桩4和试验土样3的循环剪切测试，测试此时的位移、扭矩、温度、压力和孔压。

进一步的，所述步骤七具体为：测试完成后关闭围压阀门180，清空气体收集装置17中的液体和气体，打开气体收集阀门170和反压阀门150，利用反压将试验土样3中的气体全部排入气体收集装置17中，测试气体收集装置17中气体含量，利用实验时的压力进行气体体积换算，从而计算含气土含气量。

实施例一

一种含气土桩土测试装置，包括主控制器、密封舱和轴压测试装置；

所述密封舱内具有相互接触的试验土样和预制桩；所述轴压测试装置伸入到密封舱内带动预制桩与试验土样作循环剪切运动。

所述密封舱包括舱底、舱盖和试验容器，所述舱盖盖装在舱底上形成围压舱，所述试验容器位于围压舱内，所述试验土样和预制桩均位于试验容器内；所述舱底和舱盖之间设置有橡胶垫；所述舱盖与舱底通过螺栓连接。

所述轴压测试装置包括轴压杆，所述轴压杆穿过舱底和试验容器带动预制桩与试验土样作循环剪切运动；

所述轴压测试装置与主控制器电性连接。

所述试验容器内还具有透水石层，所述透水石层、试验土样和预制桩从上到下依次设置在试验容器内；

所述试验土样上连通有反压/气体进入管，所述反压/气体进入管上分别连通有反压泵和气体泵，所述反压泵与反压/气体进入管之间设置有反压阀门，所述气体泵与反压/气体进入管之间设置有气压阀门；

所述试验容器包括顶盖和桶状的容纳座，所述顶盖上设置有反压/气体出口，所述反压/气体出口通过反压/气体排出管与气体收集装置相连通；所述反压/气体排出管设置有气体收集阀门；

所述反压泵、气体泵和气体收集装置分别与主控制器电性连接。

所述顶盖上方的舱盖上设置有压力传感器、位移传感器和溢水口/阀门；所述压力传感器和位移传感器与顶盖相接触；

所述容纳座的内侧壁上设置有温度传感器，所述试验土样还连接有空隙水压力计；

所述压力传感器、位移传感器、温度传感器和空隙水压力计分别与主控制器电性连接。

所述轴压测试装置还包括轴压/扭矩控制室、轴压/扭矩测量装置、轴压泵和基座，所述轴压/扭矩控制室设置在基座上，所述轴压泵与轴压/扭矩控制室连通，所述轴压杆与轴压/扭矩控制室相连，所述轴压/扭矩测量装置设置在轴压杆上；

所述轴压泵与轴压/扭矩控制室之间还设置有轴压阀门；

所述轴压/扭矩控制室、轴压/扭矩测量装置和轴压泵与主控制器电性连接。

所述轴压杆与预制桩之间还设置有转动盘，所述试验土样与容纳座底部之间的空间为转动室，所述转动室内填充有凡士林。

所述含气土桩土测试装置还包括围压泵，所述围压泵通过围压阀门与围压舱相连通；

所述围压泵与主控制器电性连接。

实施例二

一种含气土桩土测试方法，包括实施例一的设备，执行如下步骤：

步骤一、补充转动室中的凡士林，将预制桩放入试验容器中，制作试验土样(预制或直接在试样容器中制作)，盖上透水石，盖上顶盖，接好反压/气体排出管；盖上舱盖，用螺栓将舱盖固定到舱底上，使压力传感器和位移传感器接触到顶盖，样品准备工作完成，关闭所有阀门；

步骤二、打开围压阀门给围压舱加水，直到舱盖的溢水口/阀门有水溢出，关闭，接通围压泵；打开反压阀门，利用反压泵向试验土样中注入水，打开阀门，将试验土样中的气体排除，直到处有水溢出，此时先不进行气体收集，利用反压泵和围压泵持续增加围压和反压，直到处观测不到气体为止，关闭气体收集阀门和反压阀门，将反压和围压调至同一值，直到空隙水压力计与围压压力相同，水头饱和完成；

步骤三、使压力传感器和位移传感器接触到顶盖，并固定好，打开轴压阀门，利用轴压泵施加一级荷载，围压和反压保持不变，采集空隙水压力计读数，打开阀门直到空隙水压力计测试的孔压完全消散，关闭反压阀门，预压固结完成；

步骤四、打开气压阀门，利用气体泵向试验土样样品中注入气体(甲烷或者氮气)，打开气体收集阀门，利用气体收集装置进行气体收集，气体收集装置为密封装置，直到观测到反压/气体排出管中有气泡排出，含气土试验制作完成，关闭所有阀门；

步骤五、打开围压阀门和气压阀门，利用气体泵入装置和围压泵维持相同的气压和围压，打开轴压阀门利用轴压泵进行第二次轴压加载，直到压力传感器数据线和孔隙水压力计测试到的超孔隙压力消散完全，测试此时压力传感器读数，含气土预压固结完成，制备的试验土样为压力传感器所测试的压力下的含气土，再次关闭所有阀门，仅打开围压阀门维持围压；

步骤六、启动轴压/扭矩测量装置、轴压杆和转动盘，进行预制桩和试验土样的循环剪切测试，测试此时的位移、扭矩、温度、压力和孔压；

步骤七、测试完成后关闭围压阀门，清空气体收集装置中的液体和气体，打开气体收集阀门和反压阀门，利用反压将试验土样中的气体全部排入气体收集装置中，测试气体收集装置中气体含量，利用实验时的压力进行气体体积换算，从而计算含气土含气量。

实施例三

一种含气土的制作方法，包括实施例一的设备，执行如下步骤：

步骤十一、补充转动室中的凡士林，将预制桩放入试验容器中，制作试验土样(预制或直接在试样容器中制作)，盖上透水石，盖上顶盖，接好反压/气体排出管；盖上舱盖，用螺栓将舱盖固定到舱底上，使压力传感器和位移传感器接触到顶盖，样品准备工作完成，关闭所有阀门；

步骤十二、打开围压阀门给围压舱加水，直到舱盖的溢水口/阀门有水溢出，关闭，接通围压泵；打开反压阀门，利用反压泵向试验土样中注入水，打开阀门，将试验土样中的气体排除，直到处有水溢出，此时先不进行气体收集，利用反压泵和围压泵持续增加围压和反压，直到处观测不到气体为止，关闭气体收集阀门和反压阀门，将反压和围压调至同一值，直到空隙水压力计与围压压力相同，水头饱和完成；

步骤十三、使压力传感器和位移传感器接触到顶盖，并固定好，打开轴压阀门，利用轴压泵施加一级荷载，围压和反压保持不变，采集空隙水压力计读数，打开阀门直到空隙水压力计测试的孔压完全消散，关闭反压阀门，预压固结完成；

步骤十四、打开气压阀门，利用气体泵向试验土样样品中注入气体(甲烷或者氮气)，打开气体收集阀门，利用气体收集装置进行气体收集，气体收集装置为密封装置，直到观测到反压/气体排出管中有气泡排出，含气土试验制作完成。

综上所述，本发明提供的含气土桩土测试装置，除了具备常规桩土界面剪切仪的功能外，还通过含气土生成系统实现了定量气体含量的土体的精确制备，能够获得不同含气量土体与桩之间的相互作用；并且对作用过程中实现了自动化采集，数据准确。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。