测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置及方法

1.本发明属于土工试验测量技术领域，涉及一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置及方法。

背景技术：

2.特殊土在我国的分布范围十分广泛，在工程实际中，对公路、铁路、机场道面等膨胀土地基处理屡见不鲜，以膨胀土为例，由于膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，导致其性质极不稳定，在膨胀土地基中打入混凝土桩基是一种十分常见的处理手段，其目的是利用混凝土桩基的自身强度及膨胀土与混凝土桩基之间的摩擦力，限制膨胀土地基的位移，改善地基整体的应力分布状态，以达到理想的处置效果。
3.而在工程方案实施前，需要通过大量室内试验验证处置方案的可行性，对处置效果的稳定性进行预估评判，其中，膨胀土-混凝土试样的界面摩擦力是一项十分重要的评价指标。其重要性在于：当铺面处于行车荷载及自然因素的耦合作用下，膨胀土体主要承受拉力作用而发生变形，而膨胀土-混凝土桩基界面间的粘结力或摩擦力是影响膨胀土纵向位移和变形大小的重要因素。因此，在室内试验阶段，制备土-混凝土试样(模拟工程中混凝土桩基和膨胀土结构)，运用直剪蠕变仪器准确测量膨胀土-混凝土的界面摩擦力对于制定处置方案、评估处置效果有着重要意义。
4.现有技术中至少存在以下问题：一、因剪切盒尺寸、传力装置等设计因素，现有直剪蠕变仪器不能测量土-混凝土试样，故不能直接测量膨胀土-混凝土的界面摩擦力这一指标，目前直剪蠕变仪器的试验试样为纯土样，针对将膨胀土、混凝土压实后的土-混凝土试样不能适用；对于土-混凝土试样而言，需要以特定的剪切面进行剪切，即以土和混凝土的接触面进行剪切，现有直剪蠕变仪器只能以固定剪切面进行剪切，无法保证每次测量的样品都能与现有剪切盒相匹配。二、在一些改进仪器中，改进方法和手段较为简单，试验过程中存在剪切盒稳定性不佳、传力效果不理想的状况，如：压力计读数值和试件的实际受力不一致等，间接导致同组试样的试验变量发生改变和测量结果不准确，通常需根据经验剔除不良数据，严重时需要重新制备试件进行试验。三、现有市场中，还未出现针对土-混凝土试样的直剪蠕变仪器。
5.因此，在现有直剪蠕变仪器的基础上，亟需研发一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，满足土-混凝土试样的试验要求，以实现对土-混凝土试样界面摩擦力的直接、准确地测量。

技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，实现了土-混凝土试样界面摩擦力的直接、准确测量，同时提高了灵活性和适应性，结构合理，操作简单，经济性强，解决了现有技术中存在的问题。
7.本发明的另一目的是，提供一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置的测量方法。
8.本发明所采用的技术方案是，一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，包括移动底座，移动底座的顶部设有两个竖直的上侧板，两个上侧板对称的位置设有螺栓预留孔，两个上侧板上的螺栓预留孔内均安装有第一拧紧螺栓；
9.所述两个上侧板之间放置有剪切盒，剪切盒内放置土-混凝土试样，剪切盒两侧与纵向夹板接触，纵向夹板能够在剪切盒与同侧的上侧板之间滑动，纵向夹板通过第一拧紧螺栓与同侧的上侧板连接；
10.所述剪切盒顶端放置有环形承压块，环形承压块上表面的正中位置设有圆形凹槽，压力传感器放置于圆形凹槽内，压力传感器上表面与压力螺杆底端接触，压力螺杆的顶端与传力套筒螺纹连接，加压装置与传力套筒连接，压力计固定在传力套筒上表面，用于加压装置施加在传力套筒上的垂直荷载。
11.一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置的测量方法，具体按照以下步骤进行：
12.步骤1：制备土-混凝土试样，每组试样不得少于4个；
13.步骤2：将移动底座放置在剪切盒的底板上，调节移动底座下方的两个第二拧紧螺栓，使移动底座上表面的横向中心线与原直剪蠕变仪器上表面的横向中心线在同一直线，误差小于5mm；
14.步骤3：在剪切盒内部垫上湿润透水石和滤纸，将土-混凝土试样缓慢推入剪切盒，并在土-混凝土试样上部依次放置滤纸、透水石、环形承压块，环形承压块的圆形凹槽内放置压力传感器，用于测量土-混凝土试样竖向应力；压力传感器和压力螺杆的接触面为同一水平面；
15.步骤4：在移动底座的上方放置内部装好土-混凝土试样、环形承压块、压力传感器的剪切盒，移动底座与剪切盒中心对正；通过在剪切盒下方放置橡胶垫片实现剪切盒的高度调整，拧紧移动底座下方的两个第二拧紧螺栓，固定移动底座；移动纵向夹板，再次确定剪切盒的位置，确认完毕后拧紧移动底座上方的两个第一拧紧螺栓，使剪切盒被夹紧在纵向夹板中间，以保证剪切盒在实验过程中不发生侧向位移；
16.步骤5：将压力螺杆的顶端与传力套筒螺纹连接，完成后，将压力螺杆的下端放置在环形承压块的圆形凹槽内的压力传感器上，保证位置水平且完全接触，压力螺杆与压力传感器的接触面垂直于移动底座，在压力螺杆上端安装压力计；
17.步骤6：试验设备校准；
18.步骤7：开始试验；根据工程实际和土-混凝土试样的软硬程度施加不同级的垂直压力，施加垂直压力后，每隔一段时间测读压力螺杆的垂直变形一次，直至试样固结变形稳定；
19.步骤8：记录数据；试样每产生剪切位移0.2-0.4mm，测量记录压力计和压力传感器读数，当二者的读数均出现峰值后，继续剪切至剪切位移为4mm时停止试验，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停止试验；
20.步骤9：剪切结束，吸去剪切盒内积水，退去剪切力和垂直压力，移动加压框架，取出试样，测定试样含水率；
21.步骤10：以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线，取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度；以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)本发明实施例增大了可供剪切盒使用的平面放置面积，节约平台上方的操作空间，能够使现有直剪蠕变仪器的加载区域的空间扩大1.2-1.5倍，能够根据工程实际的需要取样不同尺寸的剪切盒，能够对不同尺寸的剪切盒直接进行试验；可以直接将剪切盒带到工程现场进行取样或者直接在剪切盒内进行剪切试样的制作，既可以让试样与剪切盒子紧密贴合，又可以较大程度上避免土样结构的破坏，提高了灵活性和适应性。
24.(2)本发明实施例实现了剪切盒优良的稳定性和传力效果。相比于现有的改进装置，本发明通过滑动导轨、第一拧紧螺栓、纵向夹板固定剪切盒、土-混凝土试样在实验过程中的位置，提高了土-混凝土试样在承压状态下的受力稳定性，从而避免了因人为因素间接导致实验变量发生改变的技术不足。
25.(3)本发明实施例克服了压力计读数值和试件的实际受力不一致的问题。在环形承压块的凹槽内放置压力传感器，校对部件位置和受力状态后，可以通过压力传感器和压力计的实验数据进行数据的准确性判断，通过二者读数的相关关系和实测数据作为评判依据，可以准确的剔除不良数据，克服了根据实验人员采用经验法判断的不足，并保证了实验过程中对试验变量的良好控制，测量结果更加准确。
26.(4)本发明实施例能够适用于现有大部分类型的直剪蠕变仪器，还可以模拟膨胀土地基与桩的桩土界面滑移蠕变的长期作用；实现了对土-混凝土试样界面摩擦力的直接、准确地测量，简单方便，具有较强的经济性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例的整体结构示意图。
29.图2a是本发明实施例中环形承压块的主视图。
30.图2b是本发明实施例中环形承压块的俯视图。
31.图3a是本发明实施例中移动底座的主视图。
32.图3b是本发明实施例中移动底座的俯视图。
33.图3c是本发明实施例中移动底座的左视图。
34.图4是本发明实施例中传力套筒的结构示意图。
35.图5是本发明实施例中剪应力与剪切位移关系曲线。
36.图6是本发明实施例中抗剪强度与垂直压力关系曲线。
37.图中，1、压力传感器；2、土-混凝土试样；3、纵向夹板；4、第一拧紧螺栓；5、滑动导轨；6、移动底座；7、压力计；8、传力套筒，8-1.连接口，8-2.内螺纹凹槽；9、压力螺杆；10、环
形承压块；10-1.圆形凹槽，11、剪切盒；12、螺栓预留孔；13、橡胶垫片，14、第二拧紧螺栓。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1，
40.一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，如图1，包括剪切盒11、土-混凝土试样2、压力计7、压力传感器1、传力套筒8、压力螺杆9、环形承压块10、橡胶垫片13、滑动导轨5、第一拧紧螺栓4、纵向夹板3、移动底座6、第二拧紧螺栓14；
41.剪切盒11顶端放置有环形承压块10，环形承压块10(中心未贯通)的中心上方设有传力套筒8和压力螺杆9，环形承压块10、传力套筒8、压力螺杆9三者的轴线重合，与剪切盒11的表面保持垂直。环形承压块10外径尺寸与剪切盒11内径尺寸相等。
42.如图2a-2b所示，环形承压块10上表面的正中位置设有圆形凹槽10-1，压力传感器1放置于圆形凹槽10-1内；环形承压块10的环形部的内部设有若干贯穿通孔，所起作用是，在施加竖向压力进行固结时，试样内的水分可以通过干贯穿通孔排出，从而实现双向排水的功能，同时有利于维持剪切盒内外压力平衡。
43.如图3a-3c所示，移动底座6的顶部设有两个竖直的上侧板，移动底座6的底部设有两个竖直的下侧板，两个上侧板、两个下侧板上均开设有两个螺栓预留孔12，两个上侧板上的螺栓预留孔内12均安装有第一拧紧螺栓4，每个上侧板的两个螺栓预留孔12中心间距为100mm，孔径大小与第一拧紧螺栓4相匹配；两个下侧板上的螺栓预留孔12内均安装有第二拧紧螺栓14，每个下侧板的两个螺栓预留孔12中心间距为120mm。
44.移动底座6上表面设置有滑动导轨5，滑动导轨5位于两个上侧板之间；剪切盒11内放置土-混凝土试样2，剪切盒11下部垫有橡胶垫片13，橡胶垫片13用于调节剪切盒11的水平高度。
45.两个上侧板对称的分布于剪切盒11的两侧，两个上侧板与剪切盒11之间的移动底座6上表面均设置有滑动导轨5，纵向夹板3的底端与滑动导轨5滑动连接，能够在剪切盒11与同侧的上侧板之间滑动，纵向夹板3远离剪切盒11的一侧与第一拧紧螺栓4接触，通过拧动第一拧紧螺栓4能够使得两个纵向夹板3夹紧剪切盒11的侧壁，并能够适应不同尺寸的剪切盒11并固定剪切盒11。对于立方体的土-混凝土试样2，边长(长或宽)最小尺寸为50mm、最大尺寸200mm。对于圆柱体的土-混凝土试样2，最小直径为61.8mm、最大直径为150mm；剪切盒11同侧的滑动导轨5有两条，两条滑动导轨5之间的距离大于土-混凝土试样2的最大直径或边长，避免限制剪切盒11。
46.如图4所示，传力套筒8的顶部设有连接口8-1，用于连接外部加载装置；传力套筒8的底部设有内螺纹凹槽8-2，传力套筒8的内螺纹凹槽8-2与压力螺杆9的外螺纹匹配，压力螺杆9公称直径与内螺纹凹槽8-2公称直径相等。传力套筒8的作用是连接压力螺杆9和外部加载装置的传力杆。因为外部加载系统的传力杆尺寸不固定，不同厂家生产的仪器，传力杆尺寸不同。传力套筒8的存在，可以起到“连结”和“中转”的作用。例如：传力套筒8下端的内
部螺纹需要和压力螺杆9匹配，传力套筒8上端的内部孔径需要和传力杆匹配。
47.压力计7固定在传力套筒8上表面，在试验中施加荷载的时候压力计7监测的是加压装置(图中未示出)施加在传力套筒8上的垂直荷载，加压装置采用电液伺服控制，通过计算机软件控制直接施加稳定的竖向静压力，加压装置的输出端直接与传力套筒8的顶部接触，不会影响压力计7的安装。
48.因为传力套筒8和传力螺杆9都是刚性的传力装置，所以压力计7和压力传感器1的受力大小是一致的，用二者的读数起到校准的作用，当压力计7和压力传感器1数值相同时，保证了受力状态监测的正确性，反应在实验数据上就是压力-变形整个过程控制精度更高；可以直接利用原有直剪仪器的剪切力加载装置进行加载。剪切盒11包括了上下两个剪切盒，与现有直剪蠕变仪器原理相同。
49.常规土样能够以任意剪切面进行剪切，土-混凝土试样2需要以特定的剪切面进行剪切试验，即土-混凝土接触面，需要先制样混凝土，然后再制作土-混凝土试样2，土-混凝土试样2中土和混凝土界面在高度方向上能够调节，实现了以特定的剪切面进行剪切。在本发明实施例的试验装置中，剪切盒尺寸设计灵活，实现了对不同尺寸土-混凝土试样的直接测量。
50.本发明装置施加竖向压力的方式与现有直剪蠕变仪器不同，现有仪器的剪切盒旁边有2根传力杆和1根横梁，并通过砝码施加竖向力。这两根杆固定在直剪仪的底座上面，进而限制了剪切盒的大小何位置。本发明首先去掉传力杆和横梁，采用外部电液伺服加载系统施加竖向压力，这样做的好处是剪切盒子的大小和位置可以灵活设计，然后通过放入橡胶垫片13，调整试样放入剪切盒子的竖向位置，从而选择特定的剪切面进行剪切试验。
51.本发明的总体思路是通过调整试验仪器各个零件的位置，“让仪器适应土-混凝土试样”，而现有的剪切仪器则是“土-混凝土试样的制作需要适应剪切盒的大小和位置”存在较大的局限性。本发明与现有直剪蠕变仪器的本质区别在灵活性和适应性。现有直剪仪器的剪切盒子尺寸和位置固定在底座上，无法灵活的替换不同尺寸的剪切盒。《公路土工试验规程》规定，在进行直剪或三轴等力学试验时，试验土的最大粒径受到试样尺寸的限制，即试样直径小于100mm时，土颗粒最大粒径不得超过试样直径的1/5，试样直径大于100mm时，土颗粒最大粒径不得超过试样直径的1/10。对于粗粒土而言，土颗粒的粒径较大，因此需要制作更大尺寸的试样才能进行直剪试验。然而，目前常用的直剪仪器主要针对直径为61.8mm、高度为20mm的环刀形试样进行剪切试验，在制样前，土壤需要将2mm标准土壤筛，这就限定其只能进行细粒土的直剪试验，不能适应粒径大于2mm以上的土颗粒，存在较大的局限性。
52.针对现有直剪仪器灵活性弱和适应性差的实际问题，本发明实施例的灵活性主要表现为剪切盒尺寸和安装位置灵活多变。适应性主要表现为可以针对不同粒径的土体，制备不同尺寸的试样，采用不同尺寸的剪切盒进行试验，可以采用在大剪切盒内部水平嵌套小剪切盒子来调整剪切盒的直剪径和采用垂直叠加来调整剪切盒的高度。剪切盒的形状包括圆柱体和立方体两种，剪切盒内部空间尺寸主要有“直径61.8mm、高度20mm”、“直径100mm、高度100mm”、“直径150mm、高度150mm”三种，同时，可以根据实际需求定制并更换需要的尺寸。由于剪切盒可以拆卸和土-混凝土试样的特殊性，因此，可以直接将剪切盒带到工程现场进行取样或者直接在剪切盒内进行剪切试样的制作，既可以让试样与剪切盒子紧
密贴合，又可以较大程度上避免土样结构的破坏。同时，对于大尺寸剪切盒内的样品，在进行试验后，可以将剪切盒拆卸，并使用定制好的脱模机器进行脱模。
53.本发明通过移动底座对现有直剪蠕变仪器的底板进行改装，现有直剪蠕变仪器的测力保留，去掉剪切手轮，采用外部加载系统，通过计算机软件自动控制剪切过程，比手轮控制更加准确。
54.本发明实施例中的移动底座6上面有导轨，就是说试样的位置可以通过第一拧紧螺栓4松紧左右滑动，比如在实际实施过程中，剪切力施加装置一般在平面图的左侧，通过滑动导轨可以将剪切盒往右移动，增大了可供剪切盒使用的平面放置面积，加载区域的空间扩大1.2-1.5倍，为剪切力的施加装置腾出空间，保证改装后剪切力施加的可行性，如果空间不节约设计，再添加一些额外的装置，比如还想添加压力计、传感器时空间就不足了；加载区域越大允许的试样尺寸越大，所以还能够保证试样的均质性。移动底座6下方螺栓预留孔12内的第二拧紧螺栓14，让试样在剪切前不发生相对移动，从而保证实验精度。因此可以根据工程实际的需要，针对膨胀土、混凝土压实后的土-混凝土试样尺寸，对满足其试验要求的剪切盒尺寸进行配套设计后直接进行试验。
55.实施例2，
56.一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置的测量方法，具体按照以下步骤进行：
57.步骤1：试验材料准备。按有关标准制备扰动土试样，按照规范要求制备土-混凝土试样2，每组试样不得少于4个，准备透水石和滤纸，其湿度应接近土-混凝土试样的湿度；
58.步骤2：安装移动底座6。将原直剪蠕变仪器的剪切盒11、传压螺钉、螺丝插销拆下，将移动底座6放置在原直剪蠕变仪器的底板上，如图3a-3c，初步调节移动底座6下方的两个第二拧紧螺栓14，固定在原直剪蠕变仪器的平台上，使移动底座6上表面的横向中心线与原直剪蠕变仪器上表面的横向中心线在同一直线，误差小于5mm。
59.步骤3：按照规范要求，将下部垫有透水石和滤纸的土-混凝土试样2，缓慢推入剪切盒11，并在土-混凝土试样2上部依次放置滤纸、透水石、环形承压块10，环形承压块10带有圆形凹槽10-1的一面朝上，如图2a～2b；在圆形凹槽10-1内放置压力传感器1，用于测量土-混凝土试样竖向应力；如图1，压力传感器1应在凹槽的正中部位，以保证实验中压力传感器1和压力螺杆9的接触面为一水平面，荷载形式为垂直作用压力，压力传感器1的检测数据为土-混凝土试样的竖向压应变。
60.步骤4：放置剪切盒11，固定移动底座6和剪切盒11。在移动底座6上方放置内部装好土-混凝土试样2、环形承压块10、压力传感器1的剪切盒11，移动底座6与剪切盒11应中心对正；通过在剪切盒下方放置橡胶垫片13实现剪切盒11的高度调整，垫入橡胶垫片13时应保证其位置水平，剪切盒11位置调整完毕后，先拧紧移动底座6下方的两个第二拧紧螺栓14，固定移动底座6；沿滑动导轨移动纵向夹板3，再次确定剪切盒11的位置，确认完毕后拧紧移动底座6上方的两个第一拧紧螺栓4，使剪切盒11被夹紧在纵向夹板3中间，以保证剪切盒11在实验过程中不发生侧向位移。此时，剪切盒11应水平、稳定的固定在移动底座6上，移动底座6、纵向夹板3、橡胶垫片13和剪切盒11之间应无缝隙和松动现象，如图1。
61.步骤5：安装压力计7、传力套筒8、压力螺杆9。将压力螺杆9的上端，沿螺纹拧入传力套筒8的螺纹凹槽内，完成后，将压力螺杆9的下端放置在环形承压块10凹槽内的压力传
感器1上，保证位置水平且完全接触，压力螺杆9与压力传感器1的接触面与移动底座保持垂直，通过铅垂仪或直角尺进行校核，如不满足要求应重复步骤2-4，直至满足要求后，在压力螺杆9上端安装压力计7。
62.步骤6：试验设备校准。按照原直剪蠕变仪器的使用要求，对实验仪器各部分进行校准和传感器、压力计读数归零。
63.步骤7：开始试验。根据工程实际和土-混凝土试样的软硬程度施加各级垂直压力，施加垂直压力后，每1h测读压力螺杆9的垂直变形一次，直至试样固结变形稳定。传力套筒8、压力螺杆9和环形承压块10都是刚性结构，因此，土-混凝土试样的的垂直变形，可以由压力螺杆9的垂直位移表示。在试验中施加荷载的加压装置是外部设备，通过传力套筒8与压力螺杆9相连，因此，将位移传感器固定在加载装置上，既可以准确测量垂直变形，又能避免在步骤1～6的装样调整过程中触碰传感器，可以减少人为的试验误差，并延长传感器的使用寿命。
64.固结变形稳定标准为每小时垂直变形不大于0.005mm，以小于0.02mm/min的剪切速度进行剪切。实验过程中，注意环形承压块10的贯穿通孔内是否出现拥堵现象，因土-混凝土试样在试验过程中剪切盒内部压强高于土试样，环形承压块10的贯穿通孔有利于维持压力平衡。环形承压块10的大小与剪切盒的大小相匹配，不同尺寸环形承压块的贯穿通孔的数量和大小是不一样的，原则上只需要满足排水排气的作用即可。
65.步骤8：记录数据。试样每产生剪切位移0.2-0.4mm，测量记录压力计7和压力传感器1读数，当二者的读数均出现峰值后，继续剪切至剪切位移为4mm时停止试验，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停止试验。
66.本技术的装置是直接在原有基础上进行改装的，因此可以直接利用原有直剪仪器的剪切力加载装置进行加载，试验前将加载装置的刚性传力杆在与剪切盒紧密接触，因此可以认为加载装置的传力杆位移量与剪切位移量相等，进而通过加载装置传力杆的位移量来确定剪切位移，不需要额外的传感器。
67.当需要估算试样的剪切破坏时间，可按下式计算：
68.tf＝50t
50
69.式中tf——达到破坏所经历的时间(min)；
70.t
50
——固结度达50％所需的时间(min)。
71.步骤9：剪切结束，吸去盒内积水，退去剪切力和垂直压力，移动加压框架，取出试样，测定试样含水率。剪应力应按下式计算：
[0072][0073]
其中，τ——试样所受的剪应力(kpa)；
[0074]
r——测力计量表读数(0.01ram)。
[0075]
c——率定系数。
[0076]
a0——试样面积。
[0077]
步骤10：以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线，见图5，取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度。
[0078]
以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，见图6，直线的倾角为摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力。垂直压力通过压力计7和压力传感器1测得。
[0079]
摩擦角与粘聚力的获得方式属于本领域已知的内容，本技术能准确、客观地反应土-混凝土试样的力学特性，例如，工程中常见的“桩-土共同体”结构，本发明可以用于研究混凝土桩和土体之间的摩擦力；具有实际工程意义。总体来说，本发明具有结构合理，操作简单，经济性强的优点，通过对现有直剪蠕变仪器进行简单改装，实现土-混凝土试样界面摩擦力直接、准确地测量。
[0080]
铁路工程土工试验规程中的剪切装置，是利用位移控制剪切速率的，无法提供恒定剪切力，本装置的优点在于能够提供恒定的剪切力，从而模拟桩-膨胀土界面的蠕变特性；现有的直剪切仪器，可以看成由三部分组成，即“竖向力施加装置、剪切控制装置和试样安放装置”，其中剪切控制装置要么采用剪切手轮，要么采用自带的位移控制剪切速率软件系统，本发明仅保留“试样安放装置部分”并对其进行改进，以适应试样的尺寸，然后采用外部系统分别施加竖向力和剪切力。这样的好处是三部分可以互不干扰，任意组合。只要在剪切过程选定一个可以施加恒定力的加载装置，就可以实现以恒定的剪切力进行剪切试验，而这种装置是普遍存在的。本技术的试验装置具备以“剪切速度”和以“恒定剪切力”两种模式控制试验过程。因为本装置与外部加载系统模块相互独立，通过选用不同的加载系统，可以实现不同的控制效果。
[0081]
大部分现有直剪蠕变仪器是通过调节与传力杆相连的螺栓，当传力杆上的百分表出现读数变化时，认为传力杆与剪切盒接触良好，但是这只能说明两者在试验开始前接触良好，在剪切过程中可能出现传力效果不稳定的现象。本技术过滑动导轨5、第一拧紧螺栓4、纵向夹板3固定剪切盒、土-混凝土试样在实验过程中的位置，提高了土-混凝土试样在承压状态下的受力稳定性，从而避免了因人为因素间接导致实验变量发生改变的技术不足。
[0082]
现有改进直剪蠕变仪器在试验过程中存在剪切盒稳定性不佳现象，导致传力效果不理想。因此本技术采用压力传感器1监测外部系统通过传力套筒8施加的垂直压力，并通过压力计7监测压力螺杆9传递给土-混凝土试样2的垂直压力，由于传力结构是刚性，因此，当压力计7和压力传感器1监测到的垂直压力值相等时，则试验过程中剪切盒稳定，传力效果理想。相比于现有的剪蠕变仪器，本技术中的试验装置增加了一个“垂直压力复核过程”。
[0083]
本发明对现有直剪仪器的改进是为了灵活适应实际工程中不同种类的土体和“土-混凝土”试样。然而，现有研究标明直剪试验存在尺寸效应，同一种土体在不同尺寸条件下试验获得的强度存在差异，粗粒土的抗剪强度具有明显的尺寸效应。为了比较不同种类的土在相同尺寸和形状下的剪切强度，需要将实际测得的不同尺寸和形状下的抗剪强度换算成某一特定形状和尺寸的抗剪强度。主要包括两个方面，一是将立方体试样抗剪强度换算成圆柱形试样抗剪强度，二是将其他尺寸下的抗剪强度换算成直径100mm、高度100mm的抗剪强度。
[0084]
实施例3，
[0085]
选取多种土壤，保证其他试验条件相同的情况下，使用本发明实施例1的装置进行室内试验获得了不同尺寸和形状下试样的抗剪强度指标，用matlab分析试验结果，不同尺寸圆柱体试样、立方体试样的黏聚力和内摩擦角的换算方法如下：
[0086]
s1：不同尺寸圆柱体试样的黏聚力和内摩擦角的换算；
[0087]
s11：将土样制作成不同尺寸的圆柱体试样。即“直径61.8mm、高度20mm”、“直径100mm、高度100mm”、“直径150mm、高度150mm”。
[0088]
s12：按照实施例2的仪器使用方法，进行剪切试验，获得不同尺寸圆柱体试样的黏聚力c和内摩擦角
[0089]
s13：通过一次函数建立不同尺寸圆柱体试样的黏聚力之间的关系，通过二次函数建立不同尺寸圆柱体试样的内摩擦角之间的关系，即公式(1)和(2)；
[0090]co,100
＝mo·co,x
/x+noꢀꢀ
(1)
[0091][0092]
其中，c
o,100
——直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的黏聚力；
[0093]co,x
——直径为x mm的圆柱体试样的黏聚力。当圆柱体试样的高度h＞2x的时候，尺寸效应的主要影响因素是直径x。因此，该换算公式只考虑直径x的影响。同时，为了防止由于试样高度太高导致施加竖向压力的时候偏心受压，保证试样高度满足3x＞h＞2x。
[0094]
——直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的内摩擦角。
[0095]
——直径为x mm的圆柱体试样的内摩擦角。
[0096]
根据实验数据拟合得到回归参数mo、no、ao、bo和do。将不同尺寸圆柱体试样的黏聚力c和内摩擦角用公式(1)和公式(2)换算成直径100mm、高度100mm的黏聚力c
o,100
和内摩擦角从而实现圆柱体不同尺寸试样强度指标的转换。
[0097]
s2：不同尺寸立方体试样的黏聚力和内摩擦角的换算；
[0098]
s21：将土样制作成不同尺寸的立方体试样。即“长度50mm、宽度50mm、高度20mm”、“长度100mm、宽度100mm、高度100mm”、“长度150mm、宽度150mm、高度150mm。
[0099]
s22：按照本发明实施例2的仪器使用方法，进行剪切试验，获得不同尺寸立方体试样的黏聚力c和内摩擦角
[0100]
s23：通过一次函数建立不同尺寸立方体试样的黏聚力之间的关系，通过二次函数建立不同尺寸立方体试样的内摩擦角之间的关系，即公式(3)和公式(4)；
[0101]cl,100
＝m
l
·cl,x
/x+n
l
ꢀꢀ
(3)
[0102][0103]
其中，c
l,100
——边长(长、宽、高)均为100mm的立方体试样的黏聚力。
[0104]cl,x
——边长x mm的立方体试样的黏聚力。
[0105]
——边长100mm的立方体试样的内摩擦角。
[0106]
——边长x mm的立方体试样的内摩擦角。
[0107]ml
、n
l
、a
l
、b
l
和d
l
均为回归参数。
[0108]
根据实验数据拟合得到回归参数m
l
、n
l
、a
l
、b
l
和d
l
。将不同尺寸下立方体试样的黏聚力c和内摩擦角用公式(3)和公式(4)换算成“长度100mm、宽度100mm、高度100mm”的立方体试样的黏聚力c
l,100
和内摩擦角从而实现立方体不同尺寸试样强度指标的转换。
[0109]
s3：建立直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的内摩擦角和边长100mm的立方体试样的内摩擦角c
l,100
的换算公式；建立直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的
黏聚力c
o,100
和边长100mm的立方体试样的黏聚力c
l,x
的换算公式，见式(5)；
[0110][0111]
a和b为换算系数，通过试验数据回归获得，与土的种类有关。
[0112]
用规定形状和尺寸下的抗剪强度指标去表征其他形状和尺寸的抗剪强度指标，有利于统一、规范试验结果。
[0113]
试验例1，
[0114]
针对纯土壤样品，选取了3种不同土质的土壤，使用本发明装置进行了不同尺寸条件下的剪切试验，每种土样进行3次平行试验，试样均在土样各自的最佳含水率和最大干密度条件下制备。得到不同尺寸条件下的抗剪强度指标。如下表1所示。表1内编号a1#：表示圆柱体样品(直径61.8mm、高度20mm)；a2#：表示圆柱体样品(直径100mm、高度100mm)；a3#：表示圆柱体样品(直径150mm、高度150mm)。对于立方体试样，不同尺寸样品的抗剪强度指标之间的换算步骤和圆柱体一致。
[0115]
表1圆柱体试样不同尺寸黏聚力和内摩擦角
[0116][0117]
注：黏聚力单位是千帕(kpa)，内摩擦角的单位是角度(
°
)。
[0118]
表2圆柱体试样不同尺寸黏聚力和内摩擦角之间的换算系数
[0119][0120]
表2中的mo、no、ao、bo、do为纯土试样的实验数据拟合得到的回归参数。
[0121]
试验例2
[0122]
针对“土-混凝土”样品。利用上述三种土壤和c25混凝土制作“膨胀土-混凝土”样品、“粉质粘土-混凝土”样品、“红砂岩-混凝土”样品。使用本发明装置进行了不同尺寸条件下“土-混凝土”的剪切试验，每种土样进行3次平行试验，得到不同尺寸条件下的“土-混凝
土”接触面的黏聚力和摩擦角。如表3所示。表格3内编号b1#：表示圆柱体样品(直径61.8mm，高度20mm)，b2#：表示圆柱体样品(直径100mm、高度100mm)，b3#：表示圆柱体样品(直径150mm、高度150mm)。对于立方体试样，不同尺寸样品的抗剪强度指标之间的换算方法和圆柱体类似。
[0123]
表3圆柱体试样不同尺寸“土-混凝土”接触面的黏聚力和摩擦角
[0124][0125]
注：黏聚力单位是千帕(kpa)，摩擦角的单位是角度(
°
)。
[0126]
表4圆柱体试样不同尺寸“土-混凝土”接触面的黏聚力和摩擦角换算关系
[0127][0128][0129]
表4中的mo、no、ao、bo、do为土-混凝土试样的实验数据拟合得到的回归参数。
[0130]
表2和表4，例举的是圆柱体形状下，不同尺寸之间的抗剪强度指标换算，对于立方体形状下，不同尺寸之间的抗剪强度指标换算和圆柱体的类似。
[0131]
采用本发明实施例的方法将不同尺寸和形状试样的测定结果换算得到的直径100mm、高度100mm条件下的黏聚力c
o,100
和内摩擦角准确性通过拟合函数的相关系数r2来判断准确性。不同尺寸和形状下的黏聚力c，无论是“纯土样”还是“土-混凝土”试样样，拟合函数的相关系数r2都大于95％。不同尺寸和形状下的(内)摩擦角，对于“纯土样”，拟合函数的相关系数r2大于95％，而对于“土-混凝土”样，拟合函数的相关系数r2大于92％。“土-混凝土”样内摩擦角拟合精度相对于纯土样较低，这与“土-混凝土”样品的制作有一定的关联。例如：即使是采用同样的方法制样，混凝土表面的粗糙程度也会存在一定的差异，这就导致即使是同一批样品，土和混凝土的接触面的情况也存在一定的差异。但是，纯土样”或“土-混凝土”样，无论是黏聚力还是(内)摩擦角，拟合函数的相关系数均大于90％，对于工程而言，具有相当高的准确性了。因此，本发明提出的不同尺寸形状下的抗剪强度换算合理且适用。其中，纯土样土颗粒之间的摩擦角称为内摩擦角，土和混凝土界面的摩擦角，称为摩擦角。
[0132]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，包括移动底座(6)，移动底座(6)的顶部设有两个竖直的上侧板，两个上侧板对称的位置设有螺栓预留孔(12)，两个上侧板上的螺栓预留孔(12)内均安装有第一拧紧螺栓(4)；所述两个上侧板之间放置有剪切盒(11)，剪切盒(11)内放置土-混凝土试样(2)，剪切盒(11)两侧与纵向夹板(3)接触，纵向夹板(3)能够在剪切盒(11)与同侧的上侧板之间滑动，纵向夹板(3)通过第一拧紧螺栓(4)与同侧的上侧板连接；所述剪切盒(11)顶端放置有环形承压块(10)，环形承压块(10)上表面的正中位置设有圆形凹槽(10-1)，压力传感器(1)放置于圆形凹槽(10-1)内，压力传感器(1)上表面与压力螺杆(9)底端接触，压力螺杆(9)的顶端与传力套筒(8)螺纹连接，加压装置与传力套筒(8)连接，压力计(7)固定在传力套筒(8)上表面，用于加压装置施加在传力套筒(8)上的垂直荷载。2.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，所述移动底座(6)的底部设有两个竖直的下侧板，两个下侧板对称的位置设有螺栓预留孔(12)，两个下侧板上的螺栓预留孔(12)内均安装有第二拧紧螺栓(14)，通过第二拧紧螺栓(14)与原直剪蠕变仪器的平台固定连接。3.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，两个所述上侧板与剪切盒(11)之间的移动底座(6)上表面均设置有滑动导轨(5)，所述纵向夹板(3)的底端与滑动导轨(5)滑动连接，能够在剪切盒(11)与同侧的上侧板之间滑动，纵向夹板(3)远离剪切盒(11)的一侧与第一拧紧螺栓(4)接触，用于固定剪切盒(11)；剪切盒(11)同侧的滑动导轨(5)有两条，两条滑动导轨(5)之间的距离大于土-混凝土试样(2)的最大直径或边长。4.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，所述剪切盒(11)底部放置有橡胶垫片(13)。5.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，传力套筒(8)的顶部设有连接口(8-1)，用于连接外部加载装置；传力套筒(8)的底部设有内螺纹凹槽(8-2)，传力套筒(8)的内螺纹凹槽(8-2)与压力螺杆(9)的外螺纹匹配，压力螺杆(9)公称直径与内螺纹凹槽(8-2)公称直径相等。6.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，所述环形承压块(10)、传力套筒(8)和压力螺杆(9)的轴线重合，与剪切盒(11)的表面保持垂直。7.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，所述环形承压块(10)的环形内部有若干竖直的贯穿通孔。8.根据权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置，其特征在于，所述土-混凝土试样(2)上部依次放置滤纸、透水石。9.如权利要求1所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置的测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤1：制备土-混凝土试样(2)，每组试样不得少于4个；步骤2：将移动底座(6)放置在剪切盒(11)的底板上，调节移动底座(6)下方的两个第二拧紧螺栓(14)，使移动底座(6)上表面的横向中心线与原直剪蠕变仪器上表面的横向中心
线在同一直线，误差小于5mm；步骤3：在剪切盒(11)内部垫上湿润透水石和滤纸，将土-混凝土试样(2)缓慢推入剪切盒(11)，并在土-混凝土试样(2)上部依次放置滤纸、透水石、环形承压块(10)，环形承压块(10)的圆形凹槽(10-1)内放置压力传感器(1)，用于测量土-混凝土试样竖向应力；压力传感器(1)和压力螺杆(9)的接触面为同一水平面；步骤4：在移动底座(6)的上方放置内部装好土-混凝土试样(2)、环形承压块(10)、压力传感器(1)的剪切盒(11)，移动底座(6)与剪切盒(11)中心对正；通过在剪切盒下方放置橡胶垫片(13)实现剪切盒(11)的高度调整，拧紧移动底座(6)下方的两个第二拧紧螺栓(14)，固定移动底座(6)；移动纵向夹板(3)，再次确定剪切盒(11)的位置，确认完毕后拧紧移动底座(6)上方的两个第一拧紧螺栓(4)，使剪切盒(11)被夹紧在纵向夹板(3)中间，以保证剪切盒(11)在实验过程中不发生侧向位移；步骤5：将压力螺杆(9)的顶端与传力套筒(8)螺纹连接，完成后，将压力螺杆(9)的下端放置在环形承压块(10)的圆形凹槽(10-1)内的压力传感器(1)上，保证位置水平且完全接触，压力螺杆(9)与压力传感器(1)的接触面垂直于移动底座(6)，在压力螺杆(9)上端安装压力计(7)；步骤6：试验设备校准；步骤7：开始试验；根据工程实际和土-混凝土试样的软硬程度施加不同级的垂直压力，施加垂直压力后，每隔一段时间测读压力螺杆(9)的垂直变形一次，直至试样固结变形稳定；步骤8：记录数据；试样每产生剪切位移0.2-0.4mm，测量记录压力计(7)和压力传感器(1)读数，当二者的读数均出现峰值后，继续剪切至剪切位移为4mm时停止试验，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm时停止试验；步骤9：剪切结束，吸去剪切盒(11)内积水，退去剪切力和垂直压力，移动加压框架，取出试样，测定试样含水率；步骤10：以剪应力为纵坐标，剪切位移为横坐标，绘制剪应力与剪切位移关系曲线，取曲线上剪应力的峰值为抗剪强度，无峰值时，取剪切位移4mm所对应的剪应力为抗剪强度；以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，直线的倾角为摩擦角，直线在纵坐标上的截距为粘聚力。10.根据权利要求9所述一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置的测量方法，其特征在于，还包括不同尺寸圆柱体试样、立方体试样的黏聚力和内摩擦角的换算方法：s1：不同尺寸圆柱体试样的黏聚力和内摩擦角的换算；s11：将土样制作成不同尺寸的圆柱体试样；s12：按照步骤1～10的方法进行剪切试验，获得不同尺寸圆柱体试样的黏聚力c和内摩擦角s13：通过一次函数建立不同尺寸圆柱体试样的黏聚力之间的关系，通过二次函数建立不同尺寸圆柱体试样的内摩擦角之间的关系，即公式(1)和(2)；c
o,100
＝m
o
·
c
o,x
/x+n
o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，c
o,100
——直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的黏聚力；c
o,x
——直径为x mm的圆柱体试样的黏聚力，试样高度h满足3x＞h＞2x；——直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的内摩擦角；——直径为x mm的圆柱体试样的内摩擦角；根据实验数据拟合得到回归参数m
o
、n
o
、a
o
、b
o
和d
o
；将不同尺寸圆柱体试样的黏聚力c和内摩擦角通过公式(1)和公式(2)换算成直径100mm、高度100mm的黏聚力c
o,100
和内摩擦角从而实现圆柱体不同尺寸试样强度指标的转换。s2：不同尺寸立方体试样的黏聚力和内摩擦角的换算；s21：将土样制作成不同尺寸的立方体试样；s22：按照步骤1～10的方法进行剪切试验，获得不同尺寸立方体试样的黏聚力c和内摩擦角s23：通过一次函数建立不同尺寸立方体试样的黏聚力之间的关系，通过二次函数建立不同尺寸立方体试样的内摩擦角之间的关系，即公式(3)和公式(4)；c
l,100
＝m
l
·
c
l,x
/x+n
l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，c
l,100
——长、宽、高均为100mm的立方体试样的黏聚力；c
l,x
——长、宽、高均为x mm的立方体试样的黏聚力；——长、宽、高均为100mm的立方体试样的内摩擦角；——长、宽、高均为x mm的立方体试样的内摩擦角；m
l
、n
l
、a
l
、b
l
和d
l
均为回归参数；根据实验数据拟合得到回归参数m
l
、n
l
、a
l
、b
l
和d
l
；将不同尺寸下立方体试样的黏聚力和内摩擦角通过公式(3)和公式(4)换算成长度100mm、宽度100mm、高度100mm的立方体试样的黏聚力c
l,100
和内摩擦角从而实现立方体不同尺寸试样强度指标的转换；s3：建立直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的内摩擦角和长、宽、高均为100mm的立方体试样的内摩擦角c
l,100
的换算公式；建立直径为100mm、高度为100mm的圆柱体试样的黏聚力c
o,100
和边长100mm的立方体试样的黏聚力c
l,x
的换算公式，见式(5)；a和b为换算系数，通过试验数据回归获得。

技术总结

本发明公开了一种测量土-混凝土试样界面摩擦力的直剪试验装置及方法，试验装置包括移动底座，移动底座的顶部设有两个竖直的上侧板，两个上侧板上的螺栓预留孔内均安装有第一拧紧螺栓；两个上侧板之间放置有剪切盒，剪切盒内放置土-混凝土试样，剪切盒两侧与纵向夹板接触，纵向夹板能够在剪切盒与同侧的上侧板之间滑动，纵向夹板通过第一拧紧螺栓与同侧的上侧板连接；剪切盒顶端放置有环形承压块，压力传感器上表面与压力螺杆底端接触，压力螺杆的顶端与传力套筒螺纹连接，加压装置与传力套筒连接，压力计固定在传力套筒上表面。本发明实现了土-混凝土试样界面摩擦力的直接、准确测量，同时提高了灵活性和适应性，结构合理，经济性强。济性强。济性强。