[發明專利]一種能量樁樁?土界面剪切實驗裝置及實驗方法

在審

• 申請號: 201711154025.7
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107727517A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 裴華富;宋懷博;朱彬;楊慶;楊鋼;白麗麗;張培龍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N3/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 溫福雪,侯明遠

1.一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，包括可拆卸式外框架、加載系統、剪切盒、冷熱循環系統和光纖光柵量測系統；

所述的可拆卸式外框架包括橫梁(16)和立柱(15)，多根立柱(15)構成一上端開口的框架，橫梁(16)兩端分別連接在立柱(15)的頂端，共同構成可拆卸式外框架；

所述的剪切盒為可拆卸式，包括上剪切盒(9)和下剪切盒(11)，上剪切盒(9)內放置土樣，下剪切盒(11)內放置混凝土試樣；下剪切盒(11)固定在剪切盒底座(13)上，剪切盒底座(13)置于滾軸(14)上，滾軸(14)固定在可拆卸式外框架底部，實現剪切盒底座(13)與可拆卸式外框架的相對運動；

所述的加載系統包括水平加載系統和豎向加載系統；水平加載系統包括水平加載裝置(17)、傳力桿(2)、LVDT位移傳感器(18)和應力傳感器(4)；傳力桿(2)穿過立柱(15)，一端與水平加載裝置(17)相連，另一端與剪切盒底座(13)左側接觸，傳力桿(2)推動剪切盒底座(13)運動，從而帶動下剪切盒(11)運動；LVDT位移傳感器(18)置于傳力桿(2)上，用于測量下剪切盒(11)水平位移；

在剪切實驗過程中，由于剪切盒底座(13)的支撐，下剪切盒(11)在豎向平面內的自由度被約束，只能進行水平運動；豎向加載系統包括豎向加載裝置(1)、傳力桿(2)和應力傳感器(4)，傳力桿(2)穿過橫梁(16)，一端與豎向加載裝置(1)相連，另一端與應力傳感器(4)相連；豎向荷載通過豎向加載裝置施加，其軸線與上剪切盒(9)的中心位于一條直線上；

所述的冷熱循環系統包括水循環泵(23)和換熱管(22)，換熱管(22)布置于混凝土試樣中，與水循環泵(23)相連，水循環泵(23)驅動不同設定溫度的水在換熱管(22)內進行循環；

所述的光纖光柵量測系統包括光纖光柵陣列(19)、光纖光柵解調儀(20)和計算機(21)，光纖光柵陣列(19)布置于混凝土試樣和土樣中，通過光纖光柵解調儀(20)與計算機(21)相連；剪切實驗過程中，土樣和混凝土試樣內部應力的改變和溫度梯度的分布情況通過光纖光柵陣列(19)傳至光纖光柵解調儀(20)，通過信號解調，實時顯示并記錄于計算機(21)中；

所述的上剪切盒(9)的土樣上，從下往上依次放置濾紙(7)、透水石(8)和水箱(5)；水箱(5)兩端與排水管(6)相連，水箱(5)既能傳遞豎向壓力，又能通過排水管閥門控制剪切實驗的排水條件，排水管(6)用于進行土樣排水。

2.根據權利要求1所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的換熱管(22)采用聚合物材料，換熱管(22)的內徑為10-13mm，換熱管(22)的外徑為13-16mm。

3.根據權利要求1或2所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的光纖光柵陣列(19)采用丙烯酸涂層進行保護。

4.根據權利要求1或2所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的可拆卸式外框架及剪切盒的內壁均布有隔熱材料(12)。

5.根據權利要求3所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的可拆卸式外框架及剪切盒的內壁均布有隔熱材料(12)。

6.根據權利要求1、2或5所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的傳力桿(2)與橫梁(16)或立柱(15)之間通過密封套管(3)密封。

7.根據權利要求3所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的傳力桿(2)與橫梁(16)或立柱(15)之間通過密封套管(3)密封。

8.根據權利要求4所述的一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置，其特征在于，所述的傳力桿(2)與橫梁(16)或立柱(15)之間通過密封套管(3)密封。

9.采用權利要求1‐8任一一種能量樁樁-土界面剪切實驗裝置的實驗方法，其特征在于，步驟如下：

(1)根據要求，預制相應粗糙度的混凝土試樣；在混凝土試樣中預先布設換熱管(22)和光纖光柵陣列(19)，并將換熱管(22)和光纖光柵陣列(19)分別與水循環泵(23)和光纖光柵解調儀(20)連接，進行儀器調試；

(2)將混凝土試樣放置于下剪切盒(11)中，下剪切盒(11)與剪切盒底座(13)連接，剪切盒底座(13)與可拆卸式外框架之間通過滾軸(14)連接；下剪切盒(11)一側與水平加載裝置通過傳力桿(2)連接，傳力桿(2)上布設有LVDT位移傳感器(18)，端部布有應力傳感器(4)，應力傳感器(4)用于測得水平加載系統施加給下剪切盒(11)的荷載；

(3)光纖光柵陣列(19)預先布設于土樣中，并與光纖光柵解調儀(20)連接；將飽和土樣放置于上剪切盒(9)中，根據設定條件選擇排水或者不排水條件施加豎向壓力；上剪切盒(9)上部依次放置濾紙(7)、透水石(8)和水箱(5)，其中水箱(5)兩端與排水管(6)連接，水箱(5)既能傳遞豎向壓力，又能通過排水管(6)閥門控制剪切實驗的排水條件；

(4)開啟光纖光柵解調儀(20)和計算機(21)，進行初始應力和溫度數據采集，通過豎向加載系統對上剪切盒(9)施加設定的法向荷載；開啟水循環泵(23)，循環設定溫度的水，直至混凝土試樣溫度達到設計值；

(5)當混凝土試樣溫度穩定在設計值時，通過水平加載系統對下剪切盒(11)施加水平荷載，同時記錄應力傳感器(4)和LVDT位移傳感器(18)讀數；

(6)當剪切面達到破壞標準或水平位移達到設定的位移上限時，停止水平加載和豎向加載，關閉水循環，停止光纖光柵陣列(19)的數據采集，完成一組能量樁樁-土界面剪切實驗；

(7)根據光纖光柵陣列(19)，確定混凝土試樣和土樣剪切實驗過程中溫度和應力變化以及溫度在混凝土試樣和土樣內部分布情況；根據LVDT位移傳感器(18)讀數記錄確定混凝土試樣和土樣的相對位移量；根據設定的豎向荷載以及應力傳感器(4)確定混凝土試樣和土樣剪切界面的豎向應力；根據水平加載系統的應力傳感器(4)確定混凝土試樣和土樣剪切界面的剪切應力。