一种桩土接触面剪切试验系统的制作方法

本发明涉及桩土接触面剪切试验领域，具体的说是一种桩土接触面剪切试验系统。

背景技术：

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，随着桩基工程实际工程经验的积累和理论研究的深入。现有桩基规范中给出的桩侧摩阻力计算公式主要是基于现场试验数据给出的经验公式，在许多实际工程中与实测的桩侧摩阻力值偏差较大。需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土接触面摩擦性能进行研究，为实际工程中桩基设计提供理论依据。

目前对桩土接触面的研究主要基于现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)。现场试验中桩土接触面摩擦性能的研究中桩侧摩阻力值主要基于桩身钢筋应力计或光纤所测得桩身进行转换，且桩土相对位移为桩身位移，不考虑桩周土体位移，另外，实际工程中土体分布情况较为复杂，因此无法得到准确的桩侧摩阻力桩土相对位移关系。室内剪切试验主要为桩土接触面直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以测得准确的桩土相对位移，同时能够测得接触面法向位移，然而直剪试验和环剪试验中桩土接触面为平面，与实际圆形桩土接触面不同，且剪切试验中边界条件与实际桩基荷载传递过程中的边界条件也不同，因此所得到的桩土接触面摩擦特性可能与实际桩土接触面摩擦特性有所不同。

大量试验结果表明桩土接触面形式，桩表面粗糙度，桩周土体性质，桩周土体应力水平以及基桩长细比会对桩侧摩擦性能产生影响。

现有技术中也出现了一些桩土接触面剪切试验的技术方案，如申请号为201710050592.1的一项中国专利公开了一种桩土接触面剪切试验装置，包括圆形模型箱、加载板、反力梁和伺服加载电机。圆形模型箱由圆形框架和底座组成，模型箱内部需填筑一定密实度的砂土，砂土内部放置土压力传感器测试竖向及水平土压力；加载板放置在砂土层上表面通过千斤顶施加上覆压力；伺服加载电机可以采用位移控制和荷载控制两种加载方式，通过伺服电机对模型箱中心处的模型桩进行加载，加载过程中伺服电机所施加荷载及位移可自动采集；

该方案能够对不同上覆压力作用下不同类型桩土接触面的摩擦特性进行研究；但是不便于同时进行多组试验，不能比较在相同参数下不同砂土密实度对试验数据的影响，从而影响试验的效率。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提出的一种桩土接触面剪切试验系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种桩土接触面剪切试验系统，包括工作台、立柱、试验装置、驱动装置和控制器；所述工作台底部四角分别安装一个用于支撑的立柱，所述工作台上装有模拟桩土剪切试验的试验装置，所述试验装置包括试验箱、加载装置和布沙装置；所述布沙装置安装在工作台上侧，布沙装置用于向试验箱内筛入砂土；

所述试验箱为圆筒形，试验箱内装有一定密实度的砂土，试验箱底板中央设有一圆形孔，所述圆形孔内穿插一桩柱，试验箱底板上还固定安装一组支撑柱，试验箱内装有砂土，砂土内预埋压力传感器以测量竖向及水平土压力，测量水平土压力的压力传感器固定在支撑柱中部，测量竖向土压力的压力传感器固定在试验箱的底板上；所述实验箱底部固定安装一组支腿；

所述加载装置包括加载安装板、第一滑块、加载油缸、加载支撑板、加载电机、顶柱和加载压板，在工作台上侧固定连接加载安装板，加载安装板的中部设有滑槽，滑槽滑动连接一个第一滑块，滑槽的上端固定连接一个加载油缸，加载油缸的伸出杆与第一滑块固定连接，所述第一滑块侧边固定连接加载支撑板，加载支撑板底部中部固定安装一个加载电机，加载支撑板底部两侧分别固定连接一个顶柱的一端，所述顶柱的另一端与加载压板固定连接，所述加载压板中部设置贯穿的避让孔，避让孔直径大于桩柱直径；

所述驱动装置包括伺服电机、螺杆和第二滑块、所述伺服电机固定安装在工作台顶部一侧，伺服电机的转轴与螺杆固定连接，所述第二滑块滑动安装在工作台上且与螺杆螺纹连接，在第二滑块的一侧安装有夹持装置，夹持装置用于将试验箱由布沙装置内运至加载装置下方。

通过布沙装置向试验箱内填筑砂土，在砂土填筑前将桩柱预埋在圆形孔中，桩柱表面粗糙度根据试验要求进行调整，试验箱内填筑完毕后，通过夹持装置夹紧试验箱并将其运至加载装置下方；加载油缸伸出将加载压板覆盖在填筑完成的砂土上表面并对砂土施加上覆压力，所施加上覆压力值通过预埋在砂土中的压力传感器读数进行调整，通过加载电机对桩柱进行加载，根据试验要求采用一定的加载速率进行加载，加载过程中竖向及水平土压力的变化情况由压力传感器测得，加载电机所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中竖向及水平土压力的变化规律以及砂土接触面摩阻力相对位移关系都可以在试验中测得。

优选地，所述夹持装置包括支柱、连杆、弧形爪和夹持气缸；所述支柱固定连接在第二滑块朝向试验箱的一侧，所述支柱的两侧分别铰接连接一个连杆，在每个连杆的另一端固定连接弧形爪的一端，在两个连杆之间设置夹持气缸，夹持气缸的缸体与其中一个连杆中部铰接连接，夹持气缸的伸缩杆与另一个连杆中部铰接连接。

优选地，所述试验装置设置两组且对称安装在工作台顶部，所述螺杆上对称设置正向螺纹和反向螺纹，其中一组试验装置的第二滑块与正向螺纹相连，另一组试验装置的第二滑块与反向螺纹相连，两组试验装置共用一个加载安装板和一个第一滑块。可以同时进行两组试验，以对比不同参数下对试验数据产生的影响，且将两个试验箱移至加载安装板两边，使得在加载时，两侧受力平衡，增加加载支撑板的寿命。

优选地，所述布沙装置包括布沙立板、滑动杆、l形滑板、振动支板、方形滑动柱、筛框、第一凸轮、振动电机、锥形导向罩、振动安装板；所述工作台顶部一侧固定连接布沙立板的下端，所述布沙立板一侧固定连接一组滑动杆的一端，所述滑动杆另一端穿过l形滑板并与其滑动连接，在滑动杆的端头还设置圆台，圆台与l形滑板之间的滑动杆外周套接着复位弹簧；所述布沙立板上端固定连接振动安装板的底部一侧，所述振动安装板另一侧固定连接振动支板的一侧，所述振动支板上滑动连接一个方形滑动柱，方形滑动柱一端与筛框固定连接，方形柱的另一端与第一凸轮接触连接，所述第一凸轮固定连接在振动电机转轴上，所述振动电机固定安装在振动安装板底部；所述筛框下方设有固定安装在l形滑板上部一侧的锥形导向罩，锥形导向罩下口对正试验箱。振动电机旋转使得第一凸轮周期性推动筛框晃动，将筛框内的砂土均匀筛落，落下的砂土进入试验箱内层层堆叠，形成一定密实度的砂土层。

优选地，所述布沙立板与l形滑板之间设有转动安装在工作台上的旋转轴，所述旋转轴中部固定连接第二凸轮，第二凸轮转动用于挤压l形滑板水平滑动，所述旋转轴上端固定连接套筒的下端，所述振动电机转轴的下端插入套筒内且振动电机转轴上设置水平贯穿孔，所述套筒上设置对应水平贯穿孔的插孔，插孔与水平贯穿孔转动到同轴时能够穿过一个插杆。第二凸轮周期性推动l形滑板周期晃动，便于筛入试验箱内的砂土振实，增加砂土层的密实度，并通过相对设置的两组试验装置中的其中一组试验箱晃动，以比较在相同参数下不同砂土密实度对试验数据的影响，提高试验的效率。

优选地，所述支腿底部设置插接孔，所述l形滑板的底板底部固定连接伸缩气缸，所述伸缩气缸伸出杆贯穿l形滑板的底板并能够插入插接孔内，将试验箱固定在l形滑板的底板上，所述伸缩气缸通过供气系统控制伸缩。

优选地，所述供气系统包括安装柱、气囊、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和管路；在螺杆与l形滑板之间设有固定安装在工作台上的安装柱，所述安装柱上端固定连接气囊，支柱经过安装柱上方时能够挤压气囊，所述气囊、第一单向阀和伸缩气缸依次串联，所述气囊另一侧的管路上安装有第二单向阀，所述管路与伸缩气缸的压缩腔连通并在伸缩气缸的底部固定连接排气管，所述排气管上设置第三单向阀。夹持装置的弧形爪将试验箱送入布沙装置内后，弧形爪松开，在第二滑块带着夹持装置移动时，支柱压到气囊上使得气囊内气体压力增大，在试验箱平稳后，第一单向阀开启后，伸缩气缸的伸出杆伸出并插入插接孔内将试验箱固定在l形滑板的底板上，在试验箱内砂土填充完毕后，第三单向阀开启，伸缩气缸在其内的弹簧作用下活塞回路，将试验箱松开以便以夹持装置重新夹住试验箱并移动，第二滑块移动后，支柱脱离气囊，气囊在自身弹力的作用下回弹并由第二单向阀充气。

本发明的有益效果如下：

本发明通过振动电机旋转使得第一凸轮周期性推动筛框晃动，将筛框内的砂土均匀筛落，落下的砂土进入试验箱内层层堆叠，形成一定密实度的砂土层；第二凸轮周期性推动l形滑板周期晃动，便于筛入试验箱内的砂土振实，增加砂土层的密实度，并通过相对设置的两组试验装置中的其中一组试验箱晃动，以比较在相同参数下不同砂土密实度对试验数据的影响，从而能够提高试验的效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是夹持装置的立体结构示意图；

图3是图1中e处局部放大图；

图4是加载装置的立体结构示意图；

图5是供气系统与试验箱的连接关系图；

图6是旋转轴与振动电机转轴的连接关系图；

图7是图5中f处局部放大图及供气系统示意图；

图中：工作台1、立柱11、试验箱2、桩柱21、支撑柱22、压力传感器23、支腿24、插接孔241、加载装置3、加载安装板31、第一滑块32、加载油缸33、加载支撑板34、加载电机35、顶柱36、加载压板37、布沙装置4、布沙立板41、滑动杆42、l形滑板43、振动支板44、方形滑动柱45、筛框46、第一凸轮47、振动电机48、水平贯穿孔481、锥形导向罩7、振动安装板49、驱动装置5、伺服电机51、螺杆52、第二滑块53、夹持装置6、支柱61、连杆62、弧形爪63、夹持气缸64、旋转轴71、第二凸轮72、套筒73、插孔731、插杆74、伸缩气缸8、供气系统9、安装柱91、气囊92、第一单向阀93、第二单向阀94、第三单向阀95。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图7所示，本发明所述的一种桩土接触面剪切试验系统，包括工作台1、立柱11、试验装置、驱动装置5和控制器；所述工作台1底部四角分别安装一个用于支撑的立柱11，所述工作台1上装有模拟桩土剪切试验的试验装置，所述试验装置包括试验箱2、加载装置3和布沙装置4；所述布沙装置4安装在工作台1上侧，布沙装置4用于向试验箱2内筛入砂土；

所述试验箱2为圆筒形，试验箱2内装有一定密实度的砂土，试验箱2底板中央设有一圆形孔，所述圆形孔内穿插一桩柱21，试验箱2底板上还固定安装一组支撑柱22，试验箱2内装有砂土，砂土内预埋压力传感器23以测量竖向及水平土压力，测量水平土压力的压力传感器23固定在支撑柱22中部，测量竖向土压力的压力传感器23固定在试验箱2的底板上；所述实验箱2底部固定安装一组支腿24；

所述加载装置3包括加载安装板31、第一滑块32、加载油缸33、加载支撑板34、加载电机35、顶柱36和加载压板37，在工作台1上侧固定连接加载安装板31，加载安装板31的中部设有滑槽，滑槽滑动连接一个第一滑块32，滑槽的上端固定连接一个加载油缸33，加载油缸33的伸出杆与第一滑块32固定连接，所述第一滑块32侧边固定连接加载支撑板34，加载支撑板34底部中部固定安装一个加载电机35，加载支撑板34底部两侧分别固定连接一个顶柱36的一端，所述顶柱36的另一端与加载压板37固定连接，所述加载压板37中部设置贯穿的避让孔，避让孔直径大于桩柱21直径；

所述驱动装置5包括伺服电机51、螺杆52和第二滑块53、所述伺服电机51固定安装在工作台1顶部一侧，伺服电机51的转轴与螺杆52固定连接，所述第二滑块53滑动安装在工作台1上且与螺杆52螺纹连接，在第二滑块53的一侧安装有夹持装置6，夹持装置6用于将试验箱2由布沙装置4内运至加载装置3下方。

通过布沙装置4向试验箱2内填筑砂土，在砂土填筑前将桩柱21预埋在圆形孔中，桩柱21表面粗糙度根据试验要求进行调整，试验箱2内填筑完毕后，通过夹持装置6夹紧试验箱2并将其运至加载装置3下方；加载油缸33伸出将加载压板37覆盖在填筑完成的砂土上表面并对砂土施加上覆压力，所施加上覆压力值通过预埋在砂土中的压力传感器读数进行调整，通过加载电机35对桩柱21进行加载，根据试验要求采用一定的加载速率进行加载，加载过程中竖向及水平土压力的变化情况由压力传感器测得，加载电机35所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中竖向及水平土压力的变化规律以及砂土接触面摩阻力相对位移关系都可以在试验中测得。

作为本发明的一种实施方式，所述夹持装置6包括支柱61、连杆62、弧形爪63和夹持气缸64；所述支柱61固定连接在第二滑块53朝向试验箱2的一侧，所述支柱61的两侧分别铰接连接一个连杆62，在每个连杆62的另一端固定连接弧形爪63的一端，在两个连杆62之间设置夹持气缸64，夹持气缸64的缸体与其中一个连杆62中部铰接连接，夹持气缸64的伸缩杆与另一个连杆62中部铰接连接。

作为本发明的一种实施方式，所述试验装置设置两组且对称安装在工作台1顶部，所述螺杆52上对称设置正向螺纹和反向螺纹，其中一组试验装置的第二滑块53与正向螺纹相连，另一组试验装置的第二滑块53与反向螺纹相连，两组试验装置共用一个加载安装板31和一个第一滑块32。可以同时进行两组试验，以对比不同参数下对试验数据产生的影响，且将两个试验箱2移至加载安装板31两边，使得在加载时，两侧受力平衡，增加加载支撑板34的寿命。

作为本发明的一种实施方式，所述布沙装置4包括布沙立板41、滑动杆42、l形滑板43、振动支板44、方形滑动柱45、筛框46、第一凸轮47、振动电机48、锥形导向罩7、振动安装板49；所述工作台1顶部一侧固定连接布沙立板41的下端，所述布沙立板41一侧固定连接一组滑动杆42的一端，所述滑动杆42另一端穿过l形滑板43并与其滑动连接，在滑动杆42的端头还设置圆台421，圆台421与l形滑板43之间的滑动杆42外周套接着复位弹簧；所述布沙立板41上端固定连接振动安装板49的底部一侧，所述振动安装板49另一侧固定连接振动支板44的一侧，所述振动支板44上滑动连接一个方形滑动柱45，方形滑动柱45一端与筛框46固定连接，方形柱45的另一端与第一凸轮47接触连接，所述第一凸轮47固定连接在振动电机48转轴上，所述振动电机48固定安装在振动安装板49底部；所述筛框46下方设有固定安装在l形滑板43上部一侧的锥形导向罩7，锥形导向罩7下口对正试验箱2。振动电机48旋转使得第一凸轮47周期性推动筛框46晃动，将筛框46内的砂土均匀筛落，落下的砂土进入试验箱2内层层堆叠，形成一定密实度的砂土层。

作为本发明的一种实施方式，所述布沙立板41与l形滑板43之间设有转动安装在工作台1上的旋转轴71，所述旋转轴71中部固定连接第二凸轮72，第二凸轮72转动用于挤压l形滑板43水平滑动，所述旋转轴71上端固定连接套筒73的下端，所述振动电机48转轴的下端插入套筒73内且振动电机48转轴上设置水平贯穿孔481，所述套筒73上设置对应水平贯穿孔481的插孔731，插孔731与水平贯穿孔481转动到同轴时能够穿过一个插杆74。第二凸轮72周期性推动l形滑板43周期晃动，便于筛入试验箱2内的砂土振实，增加砂土层的密实度，并通过相对设置的两组试验装置中的其中一组试验箱2晃动，以比较在相同参数下不同砂土密实度对试验数据的影响，提高试验的效率。

作为本发明的一种实施方式，所述支腿24底部设置插接孔241，所述l形滑板43的底板底部固定连接伸缩气缸8，所述伸缩气缸8伸出杆贯穿l形滑板43的底板并能够插入插接孔241内，将试验箱2固定在l形滑板43的底板上，所述伸缩气缸8通过供气系统9控制伸缩。

作为本发明的一种实施方式，所述供气系统9包括安装柱91、气囊92、第一单向阀93、第二单向阀94、第三单向阀95和管路；在螺杆52与l形滑板43之间设有固定安装在工作台1上的安装柱91，所述安装柱91上端固定连接气囊92，支柱61经过安装柱91上方时能够挤压气囊92，所述气囊92、第一单向阀93和伸缩气缸8依次串联，所述气囊92另一侧的管路上安装有第二单向阀94，所述管路与伸缩气缸8的压缩腔连通并在伸缩气缸8的底部固定连接排气管，所述排气管上设置第三单向阀95。夹持装置6的弧形爪63将试验箱2送入布沙装置4内后，弧形爪63松开，在第二滑块53带着夹持装置6移动时，支柱61压到气囊92上使得气囊92内气体压力增大，在试验箱2平稳后，第一单向阀93开启后，伸缩气缸8的伸出杆伸出并插入插接孔241内将试验箱2固定在l形滑板43的底板上，在试验箱2内砂土填充完毕后，第三单向阀95开启，伸缩气缸8在其内的弹簧作用下活塞回路，将试验箱2松开以便以夹持装置6重新夹住试验箱2并移动，第二滑块53移动后，支柱61脱离气囊92，气囊92在自身弹力的作用下回弹并由第二单向阀94充气。

现有技术一般在试验箱2内填充砂土，加载油缸33伸出将加载压板37覆盖在填筑完成的砂土上表面并对砂土施加上覆压力，所施加上覆压力值通过预埋在砂土中的压力传感器读数进行调整，通过加载电机35对桩柱21进行加载，根据试验要求采用一定的加载速率进行加载，加载过程中竖向及水平土压力的变化情况由压力传感器测得，加载电机35所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中竖向及水平土压力的变化规律以及砂土接触面摩阻力相对位移关系都可以在试验中测得；现有技术的试验不能同步进行对比试验，本发明通过布沙装置4向试验箱2内填筑砂土且可以同时进行两组试验，以对比不同参数下对试验数据产生的影响，且将两个试验箱2移至加载安装板31两边，使得在加载时，两侧受力平衡，增加加载支撑板34的寿命；

本发明的工作原理如下：

在上述工作的基础上，一方面，振动电机48旋转使得第一凸轮47周期性推动筛框46晃动，将筛框46内的砂土均匀筛落，落下的砂土进入试验箱2内层层堆叠，形成一定密实度的砂土层；另一方面，第二凸轮72周期性推动l形滑板43周期晃动，便于筛入试验箱2内的砂土振实，增加砂土层的密实度，并通过相对设置的两组试验装置中的其中一组试验箱2晃动，以比较在相同参数下不同砂土密实度对试验数据的影响，从而能够提高试验的效率。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。