[發(fā)明專(zhuān)利]一種能量樁樁?土界面剪切實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711154025.7
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107727517A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 裴華富;宋懷博;朱彬;楊慶;楊鋼;白麗麗;張培龍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N3/24
• 分類(lèi)號(hào): G01N3/24;G01N3/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心21200
• 代理人: 溫福雪,侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種能量樁樁-土界面剪切實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

我國(guó)目前能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以石化能源為主。優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)新型能源的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步具有重要意義。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N新型能源，受到越來(lái)越多的重視。地源熱泵是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行制冷和采暖的節(jié)能高效的環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)，但其具有費(fèi)用高，工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，綜合考慮地源熱泵系統(tǒng)和樁基礎(chǔ)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的能量樁技術(shù)逐漸得到大量應(yīng)用。但是目前關(guān)于能量樁的熱力學(xué)研究仍然較少，尤其是在熱力耦合作用下，能量樁與樁周土體之間的剪切特性仍未得到清晰的認(rèn)識(shí)。這直接影響能量樁承載力與沉降問(wèn)題的計(jì)算和設(shè)計(jì)，嚴(yán)重阻礙能量樁技術(shù)的發(fā)展和使用。

本發(fā)明之前，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN103822875B公開(kāi)了一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測(cè)試裝置及測(cè)試方法；在模型樁試樣內(nèi)預(yù)設(shè)傳熱管連接到溫度循環(huán)控制系統(tǒng)，密封壓力室進(jìn)水口和出水口連接到壓力室溫度循環(huán)控制系統(tǒng)，利用溫度循環(huán)控制系統(tǒng)將樁體和土體溫度控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)，通過(guò)應(yīng)力傳感器和位移傳感器測(cè)量得到能量樁樁-土接觸面的摩擦力。該技術(shù)方法，與傳統(tǒng)直剪儀和單剪儀實(shí)驗(yàn)相比，考慮了樁體溫度和樁周土體的試驗(yàn)溫度等因素的影響，通過(guò)對(duì)常規(guī)環(huán)剪儀壓力室的改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能量樁樁-土接觸面摩擦力的測(cè)定；但是該試驗(yàn)裝置未考慮剪切過(guò)程中能量樁樁-土接觸面在熱力耦合作用下剪切強(qiáng)度的實(shí)時(shí)變化和剪切帶的實(shí)時(shí)發(fā)展，也未考慮樁體和樁周土體內(nèi)部溫度梯度的分布對(duì)樁土接觸面剪切特性的影響。因此，在已有的技術(shù)裝置的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，制定新的實(shí)驗(yàn)方法，是研究能量樁樁-土界面剪切特性的有效途徑；對(duì)于能量樁的科學(xué)設(shè)計(jì)也具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，針對(duì)已有的土工實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，提出一種能量樁樁-土界面剪切實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種能量樁樁-土界面剪切實(shí)驗(yàn)裝置，包括可拆卸式外框架、加載系統(tǒng)、剪切盒、冷熱循環(huán)系統(tǒng)和光纖光柵量測(cè)系統(tǒng)；

所述的可拆卸式外框架包括橫梁和立柱，多根立柱構(gòu)成一上端開(kāi)口的框架，橫梁兩端分別連接在立柱的頂端，共同構(gòu)成可拆卸式外框架；

所述的剪切盒為可拆卸式，包括上剪切盒和下剪切盒，上剪切盒內(nèi)放置土樣，下剪切盒內(nèi)放置混凝土試樣；下剪切盒固定在剪切盒底座上，剪切盒底座置于滾軸上，滾軸固定在可拆卸式外框架底部，實(shí)現(xiàn)剪切盒底座與可拆卸式外框架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

所述的加載系統(tǒng)包括水平加載系統(tǒng)和豎向加載系統(tǒng)；水平加載系統(tǒng)包括水平加載裝置、傳力桿、LVDT位移傳感器和應(yīng)力傳感器；傳力桿穿過(guò)立柱，一端與水平加載裝置相連，另一端與剪切盒底座左側(cè)接觸，傳力桿推動(dòng)剪切盒底座運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)下剪切盒運(yùn)動(dòng)；LVDT位移傳感器置于傳力桿上，用于測(cè)量下剪切盒水平位移；

在剪切實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于剪切盒底座的支撐，下剪切盒在豎向平面內(nèi)的自由度被約束，只能進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)；豎向加載系統(tǒng)包括豎向加載裝置、傳力桿和應(yīng)力傳感器，傳力桿穿過(guò)橫梁，一端與豎向加載裝置相連，另一端與應(yīng)力傳感器相連；豎向荷載通過(guò)豎向加載裝置施加，其軸線與上剪切盒的中心位于一條直線上；

所述的冷熱循環(huán)系統(tǒng)包括水循環(huán)泵和換熱管，換熱管布置于混凝土試樣中，與水循環(huán)泵相連，水循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)不同設(shè)定溫度的水在換熱管內(nèi)進(jìn)行循環(huán)；

所述的光纖光柵量測(cè)系統(tǒng)包括光纖光柵陣列、光纖光柵解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)，光纖光柵陣列布置于混凝土試樣和土樣中，通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；剪切實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，土樣和混凝土試樣內(nèi)部應(yīng)力的改變和溫度梯度的分布情況通過(guò)光纖光柵陣列傳至光纖光柵解調(diào)儀，通過(guò)信號(hào)解調(diào)，實(shí)時(shí)顯示并記錄于計(jì)算機(jī)中；

所述的上剪切盒的土樣上，從下往上依次放置濾紙、透水石和水箱；水箱兩端與排水管相連，水箱既能傳遞豎向壓力，又能通過(guò)排水管閥門(mén)控制剪切實(shí)驗(yàn)的排水條件，排水管用于進(jìn)行土樣排水；

所述的混凝土試樣的強(qiáng)度為C20-C60，模擬能量樁樁體。混凝土試樣與土樣接觸部分的粗糙度視試驗(yàn)實(shí)際需求而定。

所述的換熱管采用聚合物材料，換熱管的內(nèi)徑為10-13mm，換熱管的外徑為13-16mm。

所述的光纖光柵陣列采用丙烯酸涂層進(jìn)行保護(hù)。

所述的可拆卸式外框架及剪切盒的內(nèi)壁均布有隔熱材料。

所述的傳力桿與橫梁或立柱之間通過(guò)密封套管密封。

一種能量樁樁-土界面剪切實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：