一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置及測試方法
【專利摘要】一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置及測試方法，該裝置中混凝土樁試樣內預埋的傳熱管連接到樁試樣溫度循環控制系統，混凝土樁試樣頂端通過傳力桿連接到加載系統，傳力桿上設置有應力傳感器和位移傳感器，密封壓力室上的進水口和出水口連接到壓力室溫度循環控制系統，樁試樣和壓力室溫度循環控制系統均由密閉容器、抽水泵和溫度計組成。該方法利用溫度循環控制系統將樁體和土體溫度控制在設計值內，通過應力傳感器和位移傳感器測得能量樁樁-土接觸面的摩擦力。本發明的結構簡單、可操作性強、控制簡單、易于實現。
【專利說明】一種能量粧粧-土接觸面摩擦力測試裝置及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于土木工程土工試驗儀器【技術領域】，特別涉及一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002]樁基礎廣泛應用于建筑工程等土木工程【技術領域】；地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既能供熱又能制冷的高效節能環保型空調系統。隨著地源熱泵技術的逐步推廣應用，綜合考慮樁基礎和地源熱泵豎向埋管技術優點的能量樁技術逐漸得到應用。但是針對能量樁的熱力學特性的研究相對較少；尤其是在冷熱循環下，樁基礎與周圍土體之間的摩擦力特性無法確定，無法確定的樁-土摩擦力直接影響樁基整體承載力的計算；從而導致巖土工程師不敢設計能量樁的承載力和沉降問題，影響能量樁技術的廣泛推廣應用。因此，研發一套可以測定能量樁樁-土摩擦力的測量裝置及其測試方法，已成為擺在巖土工程師面前的一項迫在眉睫的任務。
[0003]本發明之前，中國專利文獻CN102628767A公開了 一種基于常規土工三軸儀的樁-土接觸面摩擦力的測試裝置及其測試方法；在常規土工三軸儀壓力室內布置混凝土試樣和空心圓柱土試樣，通過壓縮試驗來測定樁-土接觸面摩擦力值。該技術方法，與常規直剪儀和單剪儀試驗相比，可以考慮周圍土樣排水和不排水等工況，同時可以測量土體的軸向變形和體積變形；但是該試驗裝置無法考慮樁體試樣溫度及周圍土體試驗溫度等因素的影響，且在常規三軸儀上制備空心圓柱土體試樣并布置實心混凝土試樣相對比較困難。因此，在已有技術裝置的基礎上，改進測試裝置、制定測試方法，是實現能量樁樁-土摩擦力測量的好途徑；也是保障能量樁科學合理設計的重要保障。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服上述缺陷，針對已有土工儀器設備進行技術改造，提出一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置及測試方法。
[0005]本發明解決技術問題所采用的技術方案是:
一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置，包括置于密封壓力室內的混凝土樁試樣和空心圓柱形土體試樣，所述混凝土樁試樣直徑與空心圓柱形土體試樣內徑一致，所述混凝土樁試樣的外壁與空心圓柱形土體試樣的內壁緊密貼合，所述混凝土樁試樣內預埋有傳熱管，所述傳熱管連接到樁試樣溫度循環控制系統，所述樁試樣溫度循環控制系統由第一密閉容器、第一抽水泵和第一溫度計組成；所述混凝土樁試樣的頂端通過傳力桿連接到加載系統，所述傳力桿上設置有應力傳感器和位移傳感器；所述密封壓力室的進水口和出水口均連接到壓力室溫度循環控制系統，所述密封壓力室上安裝有溫度計和孔壓計，所述壓力室溫度循環控制系統由第二密閉容器、第二抽水泵和第二溫度計組成。
[0006]混凝土樁試樣優選為預制圓柱形混凝土塊，混凝土強度為C20-C60，預制的混凝土樁試樣直徑為8-12cm、高度為55-60cm，其混凝土樁試樣外側面粗糙度根據實際需要設定；預制圓柱形混凝土塊內部預埋傳熱管。
[0007]傳熱管優選為聚乙烯管，內徑為1.0-1.5cm、壁厚為0.3-0.5cm、長度為150-500cm ;傳熱管預埋在混凝土樁試樣中，埋管形式為單U形、雙U形和W形；傳熱管與樁試樣溫度循環系統連接，第一溫度計量程為_20°C到60°C。
[0008]空心圓柱形土體試樣優選的內徑為8-12cm，與混凝土樁試樣直徑一致、且緊密貼合，外徑為28-32cm,高度為55_60cm ;可以為原狀土,也可以為重塑土。
[0009]密封壓力室優選為鋼制的耐高溫密封罩，其直徑為60-80cm，高度為60-70cm，密封罩上預留進水口、出水口、溫度計和孔壓計；進水口和出水口與壓力室溫度循環系統連接，第二溫度計量程為0°c到50°C。
[0010]本發明同時提出是上述一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置的測試方法，包括以下技術步驟:
(1)根據工程實際情況，按照設計要求預制相應粗糙度的圓柱形混凝土樁試樣；按照設計要求在預制圓柱形混凝土樁試樣內部預埋單U形、雙U形或者W形傳熱管，并將傳熱管與樁試樣溫度循環控制系統預連接，接通調試混凝土樁試樣溫度循環控制系統；
(2)將混凝土樁試樣下端放置在底座上，混凝土樁試樣上端通過傳力桿與加載系統相連，傳力桿上布置的應力傳感器和位移傳感器可以測得加載系統給混凝土樁試樣施加的荷載；
(3)在底座上、混凝土樁試樣外側，制備重塑空心圓柱形土體試樣或者將原狀空心圓柱形土體試樣裝樣到相應位置，并在空心圓柱形土體試樣以上的透水石上面放置位移傳感器；
(4)根據設計要求，對空心圓柱形土體試樣進行飽和，飽和完成后按照試驗要求選擇排水或不排水方式施加圍壓使土體固結；
(5)空心圓柱形土體試樣飽和完成后，將應力傳感器、位移傳感器、孔壓計與相應的數據采集系統連接；
(6)將密封壓力室上的進水口和出水口與壓力室溫度循環控制系統連接，通過壓力室內的溫度計和壓力室溫度循環控制系統上的第二溫度計讀數來調整壓力室內的溫度，從而控制空心圓柱形土體試樣的溫度；
(7)施加圍壓；開啟壓力室溫度循環控制系統，使密封壓力室內的溫度計讀數達到設計值且基本保持不變；續而，開啟樁試樣溫度循環控制系統，使混凝土樁試樣溫度達到設計值；
(8)當壓力室溫度和混凝土樁試樣溫度穩定在設計值時，對空心圓柱土體試樣施加扭剪力，同時測定應力傳感器、位移傳感器、孔壓計的讀數；
(9)當環向位移或孔隙水壓力達到相應的破壞標準時,停止扭剪荷載施加、關閉樁試樣和壓力室溫度循環控制系統，完成一組能量樁樁-土接觸面摩擦力測試試驗；
(10)根據相應位置的第一溫度計和第二溫度計，分別確定土體和樁體的溫度；根據混凝土樁試樣上部的位移傳感器和空心圓柱形土體試樣上部的位移傳感器讀數差來確定樁-土相對位移量；通過圍壓大小來確定樁-土接觸面豎向應力；通過混凝土樁試樣上部的應力傳感器確定樁-土接觸面摩擦力；由此可得，排水或者不排水情況下，豎向荷載作用下能量樁樁-土接觸面摩擦力值。[0011]本發明的優點和效果在于:通過在預制混凝土樁試樣內部設置傳熱管，傳熱管與溫度循環控制系統連接，有效地對混凝土樁試樣的溫度進行了控制；通過密封壓力室與壓力室溫度循環控制系統的連接，有效地對空心圓柱形土體試樣的溫度進行了控制；通過對常規環剪儀壓力室的改造，有效地實現了對能量樁樁-土接觸面摩擦力的測定問題，解決了目前尚未有能量樁樁-土接觸面摩擦力測定裝置的技術問題。本發明結構簡單，改進后的壓力室，聯合溫度循環控制系統可以直接在已有的土工儀器上使用；該方法操作步驟簡單、可操作性強，便于控制，易于實現。
[0012]本發明的優點和效果將在【具體實施方式】中進一步描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例的結構示意圖；
圖中:1混凝土樁試樣，2傳熱管，3空心圓柱形土體試樣，4密封壓力室，5溫度計，6孔壓計，7應力傳感器，8傳力桿，9位移傳感器，10底座，11透水石，12濾紙，13 土樣排水管，14密封壓力室進水口，15密封壓力室出水口，16樁試樣溫度循環控制系統，17壓力室溫度循環控制系統。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖詳細敘述本發明專利的【具體實施方式】。本發明專利的保護范圍并不僅僅局限于本實施方式的描述。
[0015]如圖1所示，一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置，其裝置結構包括混凝土樁試樣1，傳熱管2，空心圓柱形土體試樣3，密封壓力室4，溫度計5，應力傳感器7，傳力桿8，位移傳感器9，底座10，透水石11，濾紙12，土樣排水管13，密封壓力室進水口 14，密封壓力室出水口 15，樁試樣溫度循環控制系統16，壓力室溫度循環控制系統17和孔壓計6。傳熱管2預埋在混凝土樁試樣I內，并與樁試樣溫度循環控制系統16連接；混凝土樁試樣I直徑與空心圓柱形土體試樣3內徑一致、且緊密貼合，混凝土樁試樣I上端通過傳力桿8與加載系統連接、下端與底座10連接，傳力桿8上設置應力傳感器7和位移傳感器9 ;空心圓柱形土體試樣3兩端依次布置濾紙12和透水石11，然后放置在底座10上，并通過土樣排水管13進行排水飽和；密封壓力室上15預留密封壓力室進水口 14、密封壓力室出水口 15和溫度計5，且與壓力室溫度循環控制系統17連接；樁試樣溫度循環控制系統16由第一密閉容器、第一抽水泵和第一溫度計組成。壓力室溫度循環控制系統17由由第二密閉容器、第二抽水泵和第二溫度計組成。
[0016]使用時，上述能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置的測試方法包括以下技術步驟:
首先，根據工程實際情況，按照設計要求預制圓柱形混凝土樁試樣1，混凝土樁試樣為預制圓柱形混凝土塊，混凝土強度為C20-C60 (本實施例為C25)，預制的混凝土樁試樣直徑為8-12cm (本實施例為10cm)、高度為55-60cm (本實施例為55cm)，其混凝土樁試樣外側面粗糙度根據實際需要設定(本實施例為粗糙面)；按照設計要求在預制圓柱形混凝土樁試樣I內部預埋單U形、雙U形或者W形傳熱管2 (本實施例為單U形)，傳熱管為聚乙烯管，內徑為1.0-1.5cm (本實施例為1.0cm)、壁厚為0.3-0.5cm (本實施例為0.3cm)、長度為150-500cm (本實施例為150cm);并將傳熱管2與樁試樣溫度循環控制系統16預連接，接通調試混凝土樁試樣溫度循環控制系統；
其次，將混凝土樁試樣I下端放置在底座10上，混凝土樁試樣I上端通過傳力桿8與加載系統相連，傳力桿8上布置的應力傳感器7和位移傳感器9可以測得加載系統給混凝土樁試樣I施加的荷載；在底座10上、混凝土樁試樣I外側，制備重塑空心圓柱形土體試樣3或者將原狀空心圓柱形土體試樣裝樣3到相應位置，空心圓柱形土體試樣3的內徑為8-12cm (本實施例為IOcm)，與混凝土樁試樣直徑一致、且緊密貼合，外徑為28-32cm (本實施例為30cm)，高度為55-60cm (本實施例為55cm);并在空心圓柱形土體試樣3以上的透水石11上面放置位移傳感器9;
接著，根據設計要求，對空心圓柱形土體試樣3進行飽和，飽和完成后按照試驗要求選擇排水或不排水方式施加圍壓使土體固結；空心圓柱形土體試樣3飽和完成后，將應力傳感器7、位移傳感器9、孔壓計6與相應的數據采集系統連接；
然后，將密封壓力室4上的密封壓力室進水口 14和密封壓力室出水口 15與壓力室溫度循環控制系統17連接，通過密封壓力室4內的溫度計5和壓力室溫度循環控制系統17上的第二溫度計讀數來調整密封壓力室4內的溫度，從而控制空心圓柱形土體試樣3的溫度；密封壓力室4為鋼制的密封罩，其直徑為60-80cm (本實施例為60cm)，高度為60-70cm(本實施例為60cm)，密封罩上預留進水口、出水口、溫度計和孔壓計；進水口和出水口與壓力室溫度循環系統連接，第二溫度計量程為0°C到50°C ；
再接著，施加圍壓；開啟壓力室溫度循環控制系統17，使密封壓力室4內的溫度計5讀數達到設計值且基本保持不變；續而，開啟樁試樣溫度循環控制系統16，使混凝土樁試樣I溫度(從第二溫度計讀取)達到設計值；當密封壓力室4溫度和混凝土樁試樣I溫度一定時，在混凝土樁試樣I上端逐級施加軸向荷載，同時測定應力傳感器7、位移傳感器9、孔壓計6的讀數；當軸向位移或孔隙水壓力達到相應的破壞標準時，停止軸向荷載施加、關閉樁試樣溫度循環控制系統16和壓力室溫度循環控制系統17，完成一組能量樁樁-土接觸面摩擦力測試試驗；
最后，根據相應位置的第一溫度計和第二溫度計，分別確定土體和樁體的溫度；根據混凝土樁試樣I上部和空心圓柱形土體試樣3上部的位移傳感器9讀數差來確定樁-土相對位移量；通過圍壓大小來確定樁-土接觸面豎向應力；通過混凝土樁試樣I上部的應力傳感器7確定樁-土接觸面摩擦力；由此可得，排水或者不排水情況下，沉樁過程及豎向荷載作用下能量樁樁-土接觸面摩擦力值。
【權利要求】
1.一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置，包括置于密封壓力室內的混凝土樁試樣和空心圓柱形土體試樣，所述混凝土樁試樣直徑與空心圓柱形土體試樣內徑一致,所述混凝土樁試樣的外壁與空心圓柱形土體試樣的內壁緊密貼合，其特征在于:所述混凝土樁試樣內預埋有傳熱管，所述傳熱管連接到樁試樣溫度循環控制系統，所述樁試樣溫度循環控制系統由第一密閉容器、第一抽水泵和第一溫度計組成；所述混凝土樁試樣的頂端通過傳力桿連接到加載系統，所述傳力桿上設置有應力傳感器和位移傳感器；所述密封壓力室的進水口和出水口均連接到壓力室溫度循環控制系統，所述密封壓力室上安裝有溫度計和孔壓計，所述壓力室溫度循環控制系統由第二密閉容器、第二抽水泵和第二溫度計組成。
2.根據權利要求1所述的一種能量樁樁-土接觸面摩擦力測試裝置的測試方法，其技術步驟包括: (1)根據工程實際情況，按照設計要求預制相應粗糙度的圓柱形混凝土樁試樣；按照設計要求在預制圓柱形混凝土樁試樣內部預埋單U形、雙U形或者W形傳熱管，并將傳熱管與樁試樣溫度循環控制系統預連接，接通調試混凝土樁試樣溫度循環控制系統； (2)將混凝土樁試樣下端放置在底座上，混凝土樁試樣上端通過傳力桿與加載系統相連，傳力桿上布置的應力傳感器和位移傳感器可以測得加載系統給混凝土樁試樣施加的荷載； (3)在底座上、混凝土樁試樣外側，制備重塑空心圓柱形土體試樣或者將原狀空心圓柱形土體試樣裝樣到相應位置，并在空心圓柱形土體試樣以上的透水石上面放置位移傳感器； (4)根據設計要求，對空心圓柱形土體試樣進行飽和，飽和完成后按照試驗要求選擇排水或不排水方式施加圍壓使土體固結； (5)空心圓柱形土體試樣飽和完成后，將應力傳感器、位移傳感器、孔壓計與相應的數據采集系統連接； (6)將密封壓力室上的進水口和出水口與壓力室溫度循環控制系統連接，通過壓力室內的溫度計和壓力室溫度循環控制系統上的第二溫度計讀數來調整壓力室內的溫度，從而控制空心圓柱形土體試樣的溫度； (7)施加圍壓；開啟壓力室溫度循環控制系統，使密封壓力室內的溫度計讀數達到設計值且基本保持不變；續而，開啟樁試樣溫度循環控制系統，使混凝土樁試樣溫度達到設計值； (8)當壓力室溫度和混凝土樁試樣溫度穩定在設計值時，對空心圓柱土體試樣施加扭剪力，同時測定應力傳感器、位移傳感器、孔壓計的讀數； (9)當環向位移或孔隙水壓力達到相應的破壞標準時,停止扭剪荷載施加、關閉樁試樣和壓力室溫度循環控制系統，完成一組能量樁樁-土接觸面摩擦力測試試驗； (10)根據相應位置的第一溫度計和第二溫度計，分別確定土體和樁體的溫度；根據混凝土樁試樣上部的位移傳感器和空心圓柱形土體試樣上部的位移傳感器讀數差來確定樁-土相對位移量；通過圍壓大小來確定樁-土接觸面豎向應力；通過混凝土樁試樣上部的應力傳感器確定樁-土接觸面摩擦力；由此可得，排水或者不排水情況下，豎向荷載作用下能量樁樁-土接觸面摩擦力值。
【文檔編號】G01N19/02GK103822875SQ201410077507
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】孔綱強, 鄭禮昆, 孫廣超, 孫學謹, 李春紅 申請人:河海大學