温控桩-土界面直剪试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种温控桩?土界面直剪试验装置，包括龙门架、侧向常劲度加载系统、桩?土界面模拟系统、水循环温控系统、法向加载系统、数据采集系统六大部分。龙门架主要为其他系统提供反力支撑点;侧向常劲度加载系统包括反力架、弹簧固定板、弹簧、弹簧导杆、加载板;桩?土界面模拟系统包括桩周土体盒、桩体盒;水循环温控系统包括恒温水箱、加热器、制冷器、循环水泵、导水管、阀门、流量计、温度传感器;法向加载系统主要指伺服液压加载。本装置可进行温度场变化时桩?土界面附加温度应力监测试验及冷热循环工后桩?土界面抗剪能力的变化规律等的试验，进而分析能源桩承载性能影响因素。
【专利说明】
温控桩-土界面直剪试验装置
技术领域
[0001]本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种温控粧-土界面直剪试验装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着城乡快速发展化石能源不断减少，新型能源的开发利用已是社会可持续发展的必然要求。地下浅层地热资源是一种可实现节能减排的可持续绿色能源，而且其储量大、分布广、稳定性强。但是传统的地源热栗系统多是以钻孔埋管作为地下换热器，造价高、占地面积大，限制了地热资源的推广应用。而能源粧技术将热交换器直接埋设于建筑物粧基中，在节约地下空间、保证施工质量的同时，粧体混凝土热交换率高，具有更好的经济效益。
[0003]能源粧除了承担上部结构荷载外，还要承受因热交换所带来的温度附加应力，粧_土相互作用机理更加复杂。热循环作用下，粧体积的热胀冷缩影响了粧-土界面的刚度及荷载传递特征，进而对粧的承载力和变形有较大影响。
[0004]目前，能源粧的研究仍存在现场测试手段不足，理论模型建立尚未统一，不能满足工程实际的需要。因此，有必要开发和研制一种温控粧-土界面直剪试验设备，开展室内模型试验研究能源粧粧-土荷载传递机理，对能源粧技术的推广，促进建筑节能减排，具有重要理论意义和工程指导价值。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种温控粧-土界面直剪试验装置，考虑粧端不同约束条件，模拟温度场变化对粧-土界面的影响，为热循环作用下粧-土荷载传递机理的研究提供理论基础。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
温控粧-土界面直剪试验装置由龙门架、侧向常劲度加载系统、粧-土界面模拟系统、水循环温控系统、法向加载系统、数据采集系统六大部分组成。
[0007]龙门架的主要作用是为本装置中的其他系统提供反力支撑点，左侧壁上有滑动轨道。
[0008]侧向常劲度加载系统包括反力架、弹簧固定板、弹簧、弹簧导杆、加载板，用于模拟粧侧未受热交换扰动的弹性土压力。反力架长度为900mm，由四根直径为20mm带螺纹的圆柱形钢杆组成，并且刚性固定在龙门架的左侧壁上;弹簧固定板尺寸为1300mm X 700mm X 20mm的钢板，四角钻孔后通过螺帽固定在反力架上，可实现左右移动时弹簧生成不同压缩量以控制侧向荷载的大小;弹簧穿过光滑的弹簧导杆以4X2的矩阵形式布置在弹簧固定板上，并通过固定在弹簧导杆左端的加载板将侧向常劲度荷载传递到土层中；加载板尺寸为1 000mm X 400mm X I Omm的钢板。
[0009]粧-土界面模拟系统包括粧周土体盒、粧体盒，用于模拟粧-土界面。粧周土体盒内径尺寸为1000mmX400mmX 300mm，左右开口，其余面使用厚20mm的钢板组装而成，其中前、后侧钢板均通过螺栓连接到上下两端的钢板上实现可拆卸，以便于粧体盒内混凝土板的更换，粧周土体盒内可分层铺设试验土样;粧体盒为钢质长方体凹槽，凹槽左侧面钢板上有两条导轨槽(与龙门架左侧壁上的滑动导轨相契合)，凹槽尺寸为900mmX 400mmX 150mm，内部放置的混凝土板尺寸为800 mmX 400mmX 150mm,凹槽上下两端各有10mm高的光滑段作为粧周土体盒与粧体盒之间接触面。
[0010]为保证所述粧周土体盒在试验过程中位置不发生移动，需在其下端钢板处设置支撑座并固定在龙门架底座上，防止粧周土体盒上下移动;在其上下端钢板的右侧面共安装四根支撑杆，支撑杆穿过弹簧固定板上预留的钻孔并用螺栓连接在龙门架右侧壁上，防止粧周土体盒左右移动;在其前、后侧面与粧体盒交界的四角处均设置支撑块，支撑块通过螺杆连接到龙门架的左侧壁上，防止粧周土体盒在剪切过程中前后摆动。
[0011 ] 所述凹槽上、下两端内壁上均可用结构胶粘贴尺寸为50mm X 400mm X 150mm的具有不同弹性的垫块，用于模拟热交换过程中粧端及上部建筑荷载对粧体的约束条件。本试验设备共考虑三种粧体约束条件，分别为:(I)端承粧且上部建筑荷载较大，此时粧体两端约束都较大，凹槽上下两端内壁均粘贴钢块；(2)摩擦粧且上部建筑荷载较大，此时粧体底端约束较小、顶端约束较大，凹槽上端内壁粘贴钢块、下端内壁粘贴弹性较大的橡胶块;(3 )摩擦粧且上部建筑荷载较轻，此时粧体两端约束都较小，凹槽上下两端内壁均粘贴弹性较大的橡胶块。
[0012]所述混凝土板用于模拟粧体，距离右表面75mm处预埋PE材料的单U型水循环管;粧周土体盒的下端钢板预留两个钻孔，以便于单U型水循环管进、出水口与温控系统的导水管相连。
[0013]水循环温控系统包括恒温水箱、加热器、制冷器、循环水栗、导水管、阀门、流量计、温度传感器，用于模拟地热交换中粧体的升温和降温过程。恒温水箱内包括两个水槽，四周包裹保温层，水槽下部分别连接加热器和制冷器;循环水栗为保证水在导水管及水循环管中循环流动提供动力；导水管靠近循环水栗接口附近处设置排气阀门用于调节循环水流速的稳定性，流量计用于控制流速大小;导水管靠近水循环管进、出口附近处均设置温度传感器。通过进、出口温度及循环水流速控制混凝土板的加热及降温。
[0014]法向加载系统采用伺服液压加载，用于研究粧-土界面冷热循环工后抗剪变化规律。伺服液压系统能灵敏的实时监测粧-土界面的滑动位移和法向推力，液压缸和加载点应对准粧体盒的中心处并固定在龙门架横梁上。
[0015]数据采集系统包括粧-土体系温度、应力、应变传感器和解调仪一台，用于监测试验过程中混凝土板和粧周土温度分布及应力、应变的变化规律。传感器可布置在混凝土板距离粧-土界面40mm的平面内、混凝土板表面、试验土样距离粧-土界面30mm的平面内；应力、应变传感器需使用温度补偿型传感器。
[0016]本发明的优点在于:本装置采用侧向常劲度加载且能发生竖向剪切，与实际工程更接近;通过水循环控制混凝土板的温度，能较真实的模拟能源粧热交换过程中的升温和降温过程，在温度场对粧-土体系力学性能影响的研究上更具有说服力；用水作为循环液体，便于取材，且经济实惠；试验过程中，粧-土有效接触面积大且不发生改变，明显降低尺寸效应;伺服液压系统能较灵敏的控制法向加载过程，稳定性好。
【附图说明】
[0017]图1为温控粧-土界面直剪试验装置结构示意图；
图2为混凝土板内单U型管及传感器布置示意图；
图3为弹簧固定板的右视图。
[0018]1、龙门架；2、滑动轨道；3、反力架；4、弹簧固定板；5、弹簧；6、弹簧导杆；7、加载板；8、螺帽；9、粧周土体盒；10、粧体盒；11、垫块；12、支撑座；13、支撑杆；14、支撑块；15、单U型水循环管；16、恒温水箱；17、保温层；18、加热器；19、制冷器;20、循环水栗；21、阀门；22、流量计；23、温度传感器；24、粧-土体系应力、应变、温度传感器；25、导水管；26、伺服液压。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步描述:
如图所示，一种温控粧-土界面直剪试验装置，由龙门架1、侧向常劲度加载系统、粧-土界面模拟系统、水循环温控系统、法向加载系统、数据采集系统六大部分组成。
[0020]龙门架I的主要作用是为本装置中的其他系统提供反力支撑点，左侧壁上有滑动轨道2。
[0021]侧向常劲度加载系统包括反力架3、弹簧固定板4、弹簧5、弹簧导杆6、加载板7，用于模拟粧侧未受热交换扰动的弹性土压力。反力架3长度为900mm，由四根直径为20mm带螺纹的圆柱形钢杆组成，并且刚性固定在龙门架I的左侧壁上;弹簧固定板4尺寸为1300mmX700mmX 20mm的钢板，四角钻孔后通过螺帽8固定在反力架3上，可实现左右移动时弹簧5生成不同压缩量以控制侧向荷载的大小;弹簧5穿过光滑的弹簧导杆6以4X2的矩阵形式布置在弹簧固定板4上，并通过固定在弹簧导杆6左端的加载板7将侧向常劲度荷载传递到土层中；加载板7尺寸为1000mm X 400mm X 1mm的钢板。
[0022]粧-土界面模拟系统包括粧周土体盒9、粧体盒10，用于模拟粧-土界面。粧周土体盒9内径尺寸为1000mm X 400mm X 300mm，左右开口，其余面使用厚20mm的钢板组装而成，其中前、后侧钢板均通过螺栓连接到上下两端的钢板上实现可拆卸，以便于粧体盒10内混凝土板的更换，粧周土体盒9内可分层铺设试验土样;粧体盒1为钢质长方体凹槽，凹槽左侧面钢板上有两条导轨槽(与龙门架I左侧壁上的滑动导轨相契合)，凹槽尺寸为900mmX400mm X 150mm,内部放置的混凝土板尺寸为800 mm X 400mm X 150mm,凹槽上下两端各有10mm高的光滑段作为粧周土体盒9与粧体盒10之间接触面。
[0023]为保证所述粧周土体盒9在试验过程中位置不发生移动，需在其下端钢板处设置支撑座12并固定在龙门架I底座上，防止粧周土体盒9上下移动;在其上下端钢板的右侧面共安装四根支撑杆13，支撑杆13穿过弹簧固定板4上预留的钻孔并用螺栓连接在龙门架I右侧壁上，防止粧周土体盒9左右移动;在其前、后侧面与粧体盒10交界的四角处均设置支撑块14，支撑块14通过螺杆连接到龙门架I的左侧壁上，防止粧周土体盒9在剪切过程中前后摆动。
[0024]所述凹槽上、下两端内壁上均可用结构胶粘贴尺寸为50mmX400mmX150mm的具有不同弹性的垫块11，用于模拟热交换过程中粧端及上部建筑荷载对粧体的约束条件。本试验设备共考虑三种粧体约束条件，分别为:(I)端承粧且上部建筑荷载较大，此时粧体两端约束都较大，凹槽上下两端内壁均粘贴钢块；(2)摩擦粧且上部建筑荷载较大，此时粧体底端约束较小、顶端约束较大，凹槽上端内壁粘贴钢块、下端内壁粘贴弹性较大的橡胶块；(3)摩擦粧且上部建筑荷载较轻，此时粧体两端约束都较小，凹槽上下两端内壁均粘贴弹性较大的橡胶块。
[0025]所述混凝土板用于模拟粧体，距离右表面75mm处预埋PE材料的单U型水循环管15;粧周土体盒9的下端钢板预留两个钻孔，以便于单U型水循环管15进、出水口与温控系统的导水管25相连。
[0026]水循环温控系统包括恒温水箱16、加热器18、制冷器19、循环水栗20、导水管25、阀门21、流量计22、温度传感器23，用于模拟地热交换中粧体的升温和降温过程。恒温水箱16内包括两个水槽，四周包裹保温层17，水槽下部分别连接加热器18和制冷器19;循环水栗20为保证水在导水管25及水循环管中循环流动提供动力；导水管25靠近循环水栗20接口附近处设置排气阀门21用于调节循环水流速的稳定性，流量计22用于控制流速大小；导水管25靠近水循环管进、出口附近处均设置温度传感器23。通过进、出口温度及循环水流速控制混凝土板的加热及降温。
[0027]法向加载系统采用伺服液压26加载，用于研究粧-土界面冷热循环工后抗剪变化规律。伺服液压26系统能灵敏的实时监测粧-土界面的滑动位移和法向推力，液压缸和加载点应对准粧体盒1的中心处并固定在龙门架I横梁上。
[0028]数据采集系统包括粧-土体系温度、应力、应变传感器和解调仪一台，用于监测试验过程中混凝土板和粧周土温度分布及应力、应变的变化规律。传感器可布置在混凝土板距离粧-土界面40mm的平面内、混凝土板表面、试验土样距离粧-土界面30mm的平面内；应力、应变传感器需使用温度补偿型传感器。
[0029]具体试验方案:
以“摩擦粧且上部建筑荷载较大”的粧端约束条件为例进行试验，若进行其他两种粧端约束条件的试验，凹槽上、下两端内壁黏贴的垫块11类型可做相应调整，试验土样选择砂土，假设室温25 °C。
[0030]准备工作:龙门架I左侧壁上两条滑动轨道2均匀涂抹润滑剂;清理凹槽上下两端内壁截面，并在上端内壁黏贴钢块、下端内壁粘贴弹性较大的橡胶块;将预制好的混凝土板放进凹槽并调整位置；用螺栓组装好粧周土体盒9，调整侧向常劲度加载系统位置，分层铺砂;使弹簧5具有一定压缩量，拧紧反力架3上螺帽8;牢固连接导水管25与单U型水循环管15进出、口，检查水循环温控系统管路是否连接正确;法向加载系统准备就位。
[0031]粧-土体系附加温度应力监测试验:调节加热器18或制冷器19使水温达指定温度(例如升温至35°C或降温至15°C)，启动循环水栗20，控制流速，实时观测流量计22和水循环管进出、口附近温度传感器23的数据;数据采集系统实时记录混凝土板和试验土样中应力、应变、温度传感器24的数据。也可根据试验需要多进行几次其他温度的附加温度应力监测。
[0032]冷热循环工后粧-土界面剪切试验:进行多次冷热循环后，停止水循环温控系统，启动伺服液压26恒速加载，进行粧土界面的剪切试验，试验过程中，伺服液压26系统实时记录法向推力和剪切位移的变化，当法向推力稳定或粧-土相对位移达5cm后停止加载;数据采集系统实时记录粧-土界面应力、应变的数据。
【主权项】
1.一种温控粧-土界面直剪试验装置由龙门架、侧向常劲度加载系统、粧-土界面模拟系统、水循环温控系统、法向加载系统、数据采集系统六大部分组成。2.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于龙门架的主要作用是为本装置中的其他系统提供反力支撑点，左侧壁上有滑动轨道。3.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于侧向常劲度加载系统包括反力架、弹簧固定板、弹簧、弹簧导杆、加载板，用于模拟粧侧未受热交换扰动的弹性土压力，反力架长度为900mm，由四根直径为20mm带螺纹的圆柱形钢杆组成，并且刚性固定在龙门架的左侧壁上;弹簧固定板尺寸为1300mm X 7OOmm X 20mm的钢板，四角钻孔后通过螺帽固定在反力架上，可实现左右移动时弹簧生成不同压缩量以控制侧向荷载的大小;弹簧穿过光滑的弹簧导杆以4X2的矩阵形式布置在弹簧固定板上，并通过固定在弹簧导杆左端的加载板将侧向常劲度荷载传递到土层中；加载板尺寸为1000mm X 400mm X 1mm的钢板。4.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于粧-土界面模拟系统包括粧周土体盒、粧体盒，用于模拟粧-土界面;粧周土体盒内径尺寸为1000mm X 400mmX300mm，左右开口，其余面使用厚20mm的钢板组装而成，其中前、后侧钢板均通过螺栓连接到上下两端的钢板上实现可拆卸，以便于粧体盒内混凝土板的更换，粧周土体盒内可分层铺设试验土样;粧体盒为钢质长方体凹槽，凹槽左侧面钢板上有两条导轨槽(与龙门架左侧壁上的滑动导轨相契合)，凹槽尺寸为900mm X 400mm X 150mm，内部放置的混凝土板尺寸为800 mm X 400mmX 150mm,凹槽上下两端各有10mm高的光滑段作为粧周土体盒与粧体盒之间接触面； 为保证所述粧周土体盒在试验过程中位置不发生移动，需在其下端钢板处设置支撑座并固定在龙门架底座上，防止粧周土体盒上下移动;在其上下端钢板的右侧面共安装四根支撑杆，支撑杆穿过弹簧固定板上预留的钻孔并用螺栓连接在龙门架右侧壁上，防止粧周土体盒左右移动;在其前、后侧面与粧体盒交界的四角处均设置支撑块，支撑块通过螺杆连接到龙门架的左侧壁上，防止粧周土体盒在剪切过程中前后摆动； 所述凹槽上、下两端内壁上均可用结构胶粘贴尺寸为50mm X 400mm X 150mm的具有不同弹性的垫块，用于模拟热交换过程中粧端及上部建筑荷载对粧体的约束条件;本试验设备共考虑三种粧体约束条件，分别为:(I)端承粧且上部建筑荷载较大，此时粧体两端约束都较大，凹槽上下两端内壁均粘贴钢块；(2)摩擦粧且上部建筑荷载较大，此时粧体底端约束较小、顶端约束较大，凹槽上端内壁粘贴钢块、下端内壁粘贴弹性较大的橡胶块;(3)摩擦粧且上部建筑荷载较轻，此时粧体两端约束都较小，凹槽上下两端内壁均粘贴弹性较大的橡月父块; 所述混凝土板用于模拟粧体，距离右表面75mm处预埋PE材料的单U型水循环管;粧周土体盒的下端钢板预留两个钻孔，以便于单U型水循环管进、出水口与温控系统的导水管相连。5.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于水循环温控系统包括恒温水箱、加热器、制冷器、循环水栗、导水管、阀门、流量计、温度传感器，用于模拟地热交换中粧体的升温和降温过程;恒温水箱内包括两个水槽，四周包裹保温层，水槽下部分别连接加热器和制冷器;循环水栗为保证水在导水管及水循环管中循环流动提供动力；导水管靠近循环水栗接口附近处设置排气阀门用于调节循环水流速的稳定性，流量计用于控制流速大小；导水管靠近水循环管进、出口附近处均设置温度传感器，通过进、出口温度及循环水流速控制混凝土板的加热及降温。6.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于法向加载系统采用伺服液压加载，用于研究粧-土界面冷热循环工后抗剪变化规律，伺服液压系统能灵敏的实时监测粧-土界面的滑动位移和法向推力，液压缸和加载点应对准粧体盒的中心处并固定在龙门架横梁上。7.如权利要求1所述的一种温控粧-土界面直剪试验装置，其特征在于数据采集系统包括粧-土体系温度、应力、应变传感器和解调仪一台，用于监测试验过程中混凝土板和粧周土温度分布及应力、应变的变化规律，传感器可布置在混凝土板距离粧-土界面40mm的平面内、混凝土板表面、试验土样距离粧-土界面30mm的平面内；应力、应变传感器需使用温度补偿型传感器。
【文档编号】G01N3/24GK105910920SQ201610458332
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】刘俊伟, 李晓玲, 于秀霞, 尚文昌, 朱娜
【申请人】青岛理工大学