螺杆模型桩与岩土接触面剪切强度指标测定装置的制作方法

本发明涉及土木工程检测领域，更具体地说，它涉及螺杆模型桩与岩土接触面剪切强度指标测定装置。

背景技术：

螺杆桩是土木工程领域研发的新桩型，其与岩土接触面剪切强度指标（粘聚力、摩擦角）主要通过室内螺杆模型桩与岩土的直剪试验来确定，即以螺杆模型桩圆周面展开成平面形状作为与岩土接触面制作试件（以下简称试件），在各种压应力状况下测定对应的90°方向在接触面处抗剪强度值，以压应力为横坐标，抗剪强度为纵坐标，展测定点数值且直线拟合，直线与横轴的夹角为摩擦角，与纵轴的交点为粘聚力。

目前可用于螺杆模型桩与岩土接触面剪切强度指标测定的类似装置如中国专利授权公告号cn1188688c（发明名称：观测土与结构件接触面力学特性的循环加载剪切仪）与授权公告号cn102798575b（发明名称：大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪及试验操作方法），该类装置存在以下不足：一、采用通过等刚度弹簧相同变形推动试验构件板对下部的岩土进行竖向加载，但因岩土是非均质体，在上部进行等刚度加载时，岩土的反力对试验构件板面呈非均匀分布，并不能很好地实现该类装置的试验构件板对岩土施加均布荷载目的，即计算岩土受到均布正压应力值并不准确。二、该类装置中岩土施装于试验盒内必须高出盒的上开口，否则试验构件板会压在试验盒上，使压力并非全部传递到岩土上，一方面毎次试验对岩土施加压力要控制溢出试验盒岩土的厚度，而各种岩土的压缩性不确定性就造成预控高出试验盒岩土的厚度不易控制，另一方面高出的岩土在上部压力与水平剪力作用下会崩散，使剪切面积难以确定。三、该类装置只能施加均布压应力，不能模拟桩侧面在岩土中受压应力从桩头至桩尾线性递增的特点。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种解决上述问题的螺杆模型桩与岩土接触面剪切强度指标测定装置，压土块与竖向加载器活动连接，各测点的压应力可调控，更真实模拟螺杆桩圆周面不同点受力情况，检测出的剪切强度数据精确；同时装置拆装调整，适合不同规格大小螺杆桩的测试。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

螺杆模型桩与岩土接触面剪切强度指标测定装置，包括底台、底台四角竖立的框柱、框柱顶面连接顶梁板，底台上放置剪切盒，硬质试件限位卡固于剪切盒内，试件上表面是螺杆桩圆周面展开成平面状，剪切盒一端外侧壁连接水平加载器，试件外周上方接有土箱环，土箱环与框柱固定连接，顶梁板下方设有横梁板，横梁板上表面通过弹簧与顶梁板连接，横梁板两端活动连接在框柱上部内侧开设的滑槽内，土箱环四角上方对应位置的横梁板下表面分别连接有竖向加载器，其中一个竖向加载器座端固接在横梁板上，另三个座端活动连接在横梁板上，四个竖向加载器伸缩杆前端为球体，活动卡接于压土块上表面设有的球座内，压土块正投影面与土箱环内腔吻合，土箱环内腔底部四角分别设有压应力传感器，各压应力传感器分别通过控制器与其上方对应的竖向加载器信号连接。

本发明进一步改进技术方案是，三个座端活动连接在横梁板上的竖向加载器通过基座与横梁板连接，基座设开口向下腔槽，腔槽正视侧视截面均呈t型，竖向加载器顶端活动卡在基座的腔槽内，基座腔槽顶壁或竖向加载器顶端面嵌装滚球，竖向加载器与基座滚动连接。调整竖向加载器加载，压土块倾斜，竖向加载器伸缩杆前端球体在球座内产生倾角，顶端在基座t型腔内移位，以适应变形；竖向加载器顶端与基座采用滚球接触，滚动移位，消除两者的摩擦力。

本发明更进一步改进技术方案是，所述试件根据测试螺杆桩圆周展开面大小设置，靠剪切盒一角内壁放置，剪切盒内其余容腔位置填充表面光滑的刚性塞块；所述土箱环为可拆装结构，试件抵靠面的剪切盒上方土箱环侧板固定，另两块活动侧板移位围设在试件外周塞块上方；所述横梁板上开设多个连接孔，基座通过连接孔安装在土箱环四角上方的横梁板上。该可拆装组合使得同一装置能对不同规格螺杆桩进行测试，适应性更强。

本发明更进一步改进技术方案是，水平加载器伸缩杆前端连接的剪切盒侧板外设横向抵触槽，水平加载器后侧的底台上设反力梁，反力梁上横向设有通长螺丝槽，水平加载器后端采用螺栓连接在反力梁的螺丝槽中。水平加载器调整位置与试件侧面中心位置对齐，更有利于均衡水平力加载推行。

本发明更进一步改进技术方案是，所述水平加载器伸缩杆上设有剪力传感器，远离水平加载器一端的剪切盒侧板外侧设有位移传感器，剪力传感器、位移传感器分别通过控制器与水平加载器信号连接。剪力传感器记录水平加载器剪力大小，位移传感器记录剪切面位移值。

本发明更进一步改进技术方案是，所述剪切盒底内壁设有插槽，试件和或塞块底部设凹槽，销钉卡接插槽与凹槽使试件和或塞块固定在剪切盒内。该结构很好的固定试件和塞块于剪切盒内防止产生位移，防止在剪切时产生跳动。

本发明更进一步改进技术方案是，所述底台上表面设有球槽，球槽内活动卡装滚珠，剪切盒与底台滚动连接。消除剪切盒与底台之间移动的摩擦力，使得测定数据更精确。

本发明更进一步改进技术方案是，所述剪切盒剪切方向的两侧板顶面与上方的土箱环侧板底面设置榫卯滑动结构。水平加载推动剪切盒时，剪切盒与土箱环接触面沿榫槽移动，更稳妥。

本发明更进一步改进技术方案是，与水平加载器连接端的剪切盒上方设有倒u型限位框，限位框两侧竖杆位于剪切盒两侧，底部固定在底台上，限位框的横杆底表面设有活动安装滚球的球槽，使横杆与剪切盒上表面滚动连接。限位框有效的防止加载推动剪切盒时，剪切盒该端头发生上翘。

本发明更进一步改进技术方案是，远离水平加载器一端的剪切盒侧板上开销孔，侧板上方的土箱环侧板开竖通孔，定位销插在竖通孔与销孔内固定土箱环与剪切盒。土箱环与框柱固定连接，与剪切盒卡固，在向土箱环内装载岩土以及正应力施加、保持过程中防止剪切面偏位；待进行水平加载前拔出定位销即可。

本发明有益效果：

一、岩土对硬质试件压应力值沿试件长度（即螺杆桩长度向）可呈三角形、梯形、均布施加，同时考虑到岩土的非均匀性，刚性压土块竖向对岩土施加荷载时会出现倾斜的特点，在竖向可滑动的刚性横梁板底表面钢板上设置有一个固定竖向加载器，三个可在基座内水平向360°滚滑动的竖向加载器，刚性压土块上表面设置有四个对应竖向加载器的球座，且球座与竖向加载器球端可拉压滑动连接，刚性压土块厚度向为球弧面，可在土箱环内转动。

1、三角形线性施加荷载可模拟螺杆桩在岩土中顶端部周围岩土侧压力接近零，下部周围岩土侧压力较大的特点。靠近水平加载器端的二个竖向加载器控制值设为零，实测值大于零时由控制器向竖向加载器发出回缩指令直到实测值为零停止；远离水平加载器端的二个竖向加载器控制值设为设计值，若实测值大于设计值时由控制器向竖向加载器发出回缩指令直到实测值达到设计值停止，若实测值小于设计值时由控制器向竖向加载器发出伸出指令直到实测值达到设计值停止。

2、梯形线性施加荷载可模拟螺杆桩在岩土中顶端部周围岩土有一定侧压力，下部周围岩土侧压力较大的特点，或用于研究桩身某中段部周围岩土对桩侧压力从某一数值随深度增加而增加的特点。

3、均布线性施加荷载可模拟特定断面处岩土对螺杆桩压应力基本相同的特点，或用于非桩体的其他试件正压力为均布荷载的情形。

二、本装置能瞬间消除螺杆桩丝段凸起在剪切时对岩土有反向挤压的影响：可竖向上下滑动的横梁板，以及其与顶梁板之间布设的弹簧实现瞬时减振抵消。

三、岩土与试件剪切面（即螺杆桩圆周面）处的压应力精确可测：在装岩土的矩形土箱环底部内侧四角，有螺丝固定的压应力传感器，该底部是岩土与试件接触面处，在此处布设压应力传感器可真实测定岩土对试件的压应力，且四角布设能精确控制岩土与试件边缘处压应力，消除压力传递的边界误差效应。

四、根据螺杆桩长（试件长）、桩断面周长（试件宽）的变化，可最大程度利用此装置进行测试：对应螺杆模型桩试件规格，设置有对应的可拆分组装的矩形土箱环；对应的可竖向滚滑动刚性横梁板底部开连接孔，通过选位安装基座，将竖向加载器固定在基座上；对应配置与土箱环内腔相同的各种压土块，其上表面球座为可拆缷式；为使水平加载器正对试件侧面中心施加剪力，对应的反力梁设有水平通长丝孔可移动水平加载器后固定；剪切盒为一个可装设计最大试件的盒体，对应的配有在做小试件剪切试验时上表面光滑的塞块，试件与塞块共同填充剪切盒。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为螺杆桩及试件上表面示意图；

图3为实施例1土箱环俯视图；

图4为实施例1土箱环与剪切盒端截面示意图；

图5为实施例1压土块倾斜时与竖向加载器及横梁板的连接结构示意图；

图6为本发明实施例2结构示意图；

图7为实施例2基座固定在横梁板上的仰视图；

图8为为实施例2土箱环俯视图；

图9为实施例2剪切盒与水平加载器连接俯视图；

图10为图9中a-a截面图。

具体实施方式

实施例1

如图1至图5所示，本发明包括底台1、底台四角竖立的框柱2、框柱顶面连接顶梁3，底台1上表面设有球槽，球槽内活动卡装滚珠20，剪切盒4放置在底台1上，两者滚动连接，硬质试件5与剪切盒4内腔同规格大小，剪切盒4底内壁设有插槽，试件5底部设凹槽，销钉19卡接插槽与凹槽使试件固定在剪切盒内，试件5上表面是螺杆桩25圆周面展开成平面状（如图2），剪切盒一端外侧壁连接水平加载器6，水平加载器6后端固定在其后侧的反力梁16，剪切盒4四周侧板上对接矩形土箱环7，土箱环7与远离水平加载器一端的框柱2固定连接，远离水平加载器一端的剪切盒4侧板上开销孔，侧板上方的土箱环7侧板开竖通孔，定位销23插在竖通孔与销孔内，固定土箱环7与剪切盒4，土箱环7内加入岩土。顶梁3下方设有横梁板8，横梁板由上下钢板与内部方管焊接而成，横梁板8上表面通过弹簧9与顶梁3连接，横梁板8两端设有滚球活动连接在框柱2上部内侧开设的滑槽内，横梁板8可上下移位，土箱环7四角上方对应位置的横梁板8下表面分别连接有竖向加载器10，其中一个竖向加载器顶部固接在横梁板上，另三个座端活动连接在横梁板上，三个座端活动连接在横梁板上的竖向加载器10-1通过基座24与横梁板8连接，基座24设开口向下的腔槽，腔槽是正视侧视截面呈t型的圆腔槽，竖向加载器10-1座端活动卡在基座24的腔槽内，基座腔槽顶壁或竖向加载器顶端面嵌装滚球，竖向加载器可在基座内水平向360°滚滑动，与基座滚动连接。四个竖向加载器10伸缩杆前端为球体，活动卡接于压土块11上表面设有的球座内，压土块11正投影面与土箱环7内腔吻合，土箱环7内腔底部四角分别设有压应力传感器12，各压应力传感器12分别通过控制器13与其上方对应的竖向加载器10信号控制连接，根据测试需求，分别控制加载各点压应力。

所述水平加载器6伸缩杆上设有剪力传感器17，远离水平加载器一端的剪切盒侧板外侧设有位移传感器18，剪力传感器17、位移传感器18分别通过控制器13与水平加载器6信号控制连接。剪力传感器17记录水平加载器6剪切力，位移传感器18记录剪切盒4位移值。

考虑到剪切面较大且竖向有压应力，剪应力很大，最大程度限制剪切时岩土与试件在剪切面处出现跳动及剪切体整体偏位。所述剪切盒4剪切方向的两侧板顶面与上方的土箱环7侧板底面设置榫卯滑动结构21，剪切盒沿榫槽滑动；与水平加载器连接端的剪切盒上方设有倒u型限位框22，限位框22两侧竖杆位于剪切盒4两侧，底部固定在底台1上，限位框的横杆底表面设有活动安装滚球的球槽，使横杆与剪切盒上表面滚动连接，防止剪切盒翘头。

实施例2

如图6至图10所示，试件5根据测试螺杆桩圆周展开面大小设置，试件5小于剪切盒4内腔，试件5靠剪切盒4一角内壁放置，剪切盒4内其余容腔位置填充表面光滑的塞块14；所述土箱环7为可拆装结构，试件抵靠面的剪切盒上方土箱环侧板固定，另两块活动侧板7-1移位围设在试件外周塞块14上方加以固定，土箱环四角底部用螺丝将压应力传感器固定于侧板上，防止岩土在受压状况下可能产生的内部颗粒滑动而带动传感器移位；所述横梁板8上开设多个连接孔8-1，根据土箱环大小位置，基座24通过连接孔8-1选择安装在土箱环四角上方的横梁板8上，竖向加载器10-1座端活动安装在基座24内，选择与土箱环7大小匹配的压土块11，压土块11上表面四周安装球座，竖向加载器底端活动卡装在球座内。

水平加载器前端推杆连接的剪切盒4侧板外设横向抵触槽15，水平加载器后侧设反力梁16，反力梁16上横向设有通长螺丝槽16-1，水平加载器6座端采用螺栓连接在反力梁16的螺丝槽中，调整使水平加载器正对试件侧面中心施加剪力。

其余如实施例1。

测定过程：

1、针对不同规格试件选取对应的塞块、土箱环活动侧板、压土块；

2、组装装置：剪切盒内放置试件或试件与塞块，用销钉固定；土箱环活动侧板根据试件大小围设在试件外周上方固定；土箱环与剪切盒用定位销固定；压应力传感器用螺丝固定在土箱环四角底部侧板上；基座移至土箱环四角上方横梁板位置固定；在选取匹配的压土块上表面安装球座，竖向加载器座端活动连接在基座上，伸缩杆前端球体活动卡装在球座内；

3、准备：向土箱环内分层装岩土，且基本均匀预压实，各压应力传感器值清零；

4、试验：设置各竖向加载器对应的压应力传感器控制荷载值为设计值

——若施加三角形线性荷载，则靠近水平加载器端的二个压应力传感器控制荷载值设为零，另一端二个压应力传感器控制荷载值为设计值；

——若施加矩形线性荷载，则靠近水平加载器端的二个压应力传感器控制荷载值设为矩形短边设计值，另一端二个压应力传感器控制荷载值设为矩形长边设计值；

——若施加均布荷载，则四个压应力传感器控制荷载值一致；

起动四个竖向加载器使压土块对准矩形土箱环内腔下行至控制荷载值，调整水平加载器使伸缩杆对准试件端面中心，剪力传感器、位移传感器清零，拨出定位销，起动水平加载器施加荷载直至剪力传感器力值显示出现峰值，停止加载，起动水平加载器复位，起动竖向加载器复位，拆开土箱环、缷岩土。