一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法

摘要

一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法，该装置中混凝土桩试样内预埋的传热管连接到桩试样温度循环控制系统，混凝土桩试样顶端通过传力杆连接到加载系统，传力杆上设置有应力传感器和位移传感器，密封压力室上的进水口和出水口连接到压力室温度循环控制系统，桩试样和压力室温度循环控制系统均由密闭容器、抽水泵和温度计组成。该方法利用温度循环控制系统将桩体和土体温度控制在设计值内，通过应力传感器和位移传感器测得能量桩桩-土接触面的摩擦力。本发明的结构简单、可操作性强、控制简单、易于实现。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程土工试验仪器技术领域，特别涉及一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法。

背景技术

桩基础广泛应用于建筑工程等土木工程技术领域；地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。随着地源热泵技术的逐步推广应用，综合考虑桩基础和地源热泵竖向埋管技术优点的能量桩技术逐渐得到应用。但是针对能量桩的热力学特性的研究相对较少；尤其是在冷热循环下，桩基础与周围土体之间的摩擦力特性无法确定，无法确定的桩-土摩擦力直接影响桩基整体承载力的计算；从而导致岩土工程师不敢设计能量桩的承载力和沉降问题，影响能量桩技术的广泛推广应用。因此，研发一套可以测定能量桩桩-土摩擦力的测量装置及其测试方法，已成为摆在岩土工程师面前的一项迫在眉睫的任务。

本发明之前，中国专利文献CN102628767A公开了一种基于常规土工三轴仪的桩-土接触面摩擦力的测试装置及其测试方法；在常规土工三轴仪压力室内布置混凝土试样和空心圆柱土试样，通过压缩试验来测定桩-土接触面摩擦力值。该技术方法，与常规直剪仪和单剪仪试验相比，可以考虑周围土样排水和不排水等工况，同时可以测量土体的轴向变形和体积变形；但是该试验装置无法考虑桩体试样温度及周围土体试验温度等因素的影响，且在常规三轴仪上制备空心圆柱土体试样并布置实心混凝土试样相对比较困难。因此，在已有技术装置的基础上，改进测试装置、制定测试方法，是实现能量桩桩-土摩擦力测量的好途径；也是保障能量桩科学合理设计的重要保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，针对已有土工仪器设备进行技术改造，提出一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置，包括置于密封压力室内的混凝土桩试样和空心圆柱形土体试样，所述混凝土桩试样直径与空心圆柱形土体试样内径一致，所述混凝土桩试样的外壁与空心圆柱形土体试样的内壁紧密贴合，所述混凝土桩试样内预埋有传热管，所述传热管连接到桩试样温度循环控制系统，所述桩试样温度循环控制系统由第一密闭容器、第一抽水泵和第一温度计组成；所述混凝土桩试样的顶端通过传力杆连接到加载系统，所述传力杆上设置有应力传感器和位移传感器；所述密封压力室的进水口和出水口均连接到压力室温度循环控制系统，所述密封压力室上安装有温度计和孔压计，所述压力室温度循环控制系统由第二密闭容器、第二抽水泵和第二温度计组成。

混凝土桩试样优选为预制圆柱形混凝土块，混凝土强度为C20-C60，预制的混凝土桩试样直径为8-12cm、高度为55-60cm，其混凝土桩试样外侧面粗糙度根据实际需要设定；预制圆柱形混凝土块内部预埋传热管。

传热管优选为聚乙烯管，内径为1.0-1.5cm、壁厚为0.3-0.5cm、长度为150-500cm；传热管预埋在混凝土桩试样中，埋管形式为单U形、双U形和W形；传热管与桩试样温度循环系统连接，第一温度计量程为-20^oC到60^oC。

空心圆柱形土体试样优选的内径为8-12cm，与混凝土桩试样直径一致、且紧密贴合，外径为28-32cm，高度为55-60cm；可以为原状土，也可以为重塑土。

密封压力室优选为钢制的耐高温密封罩，其直径为60-80cm，高度为60-70cm，密封罩上预留进水口、出水口、温度计和孔压计；进水口和出水口与压力室温度循环系统连接，第二温度计量程为0^oC到50^oC。

本发明同时提出是上述一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置的测试方法，包括以下技术步骤：

（1）根据工程实际情况，按照设计要求预制相应粗糙度的圆柱形混凝土桩试样；按照设计要求在预制圆柱形混凝土桩试样内部预埋单U形、双U形或者W形传热管，并将传热管与桩试样温度循环控制系统预连接，接通调试混凝土桩试样温度循环控制系统；

（2）将混凝土桩试样下端放置在底座上，混凝土桩试样上端通过传力杆与加载系统相连，传力杆上布置的应力传感器和位移传感器可以测得加载系统给混凝土桩试样施加的荷载；

（3）在底座上、混凝土桩试样外侧，制备重塑空心圆柱形土体试样或者将原状空心圆柱形土体试样装样到相应位置，并在空心圆柱形土体试样以上的透水石上面放置位移传感器；

（4）根据设计要求，对空心圆柱形土体试样进行饱和，饱和完成后按照试验要求选择排水或不排水方式施加围压使土体固结；

（5）空心圆柱形土体试样饱和完成后，将应力传感器、位移传感器、孔压计与相应的数据采集系统连接；

（6）将密封压力室上的进水口和出水口与压力室温度循环控制系统连接，通过压力室内的温度计和压力室温度循环控制系统上的第二温度计读数来调整压力室内的温度，从而控制空心圆柱形土体试样的温度；

（7）施加围压；开启压力室温度循环控制系统，使密封压力室内的温度计读数达到设计值且基本保持不变；续而，开启桩试样温度循环控制系统，使混凝土桩试样温度达到设计值；

（8）当压力室温度和混凝土桩试样温度稳定在设计值时，对空心圆柱土体试样施加扭剪力，同时测定应力传感器、位移传感器、孔压计的读数；

（9）当环向位移或孔隙水压力达到相应的破坏标准时，停止扭剪荷载施加、关闭桩试样和压力室温度循环控制系统，完成一组能量桩桩-土接触面摩擦力测试试验；

（10）根据相应位置的第一温度计和第二温度计，分别确定土体和桩体的温度；根据混凝土桩试样上部的位移传感器和空心圆柱形土体试样上部的位移传感器读数差来确定桩-土相对位移量；通过围压大小来确定桩-土接触面竖向应力；通过混凝土桩试样上部的应力传感器确定桩-土接触面摩擦力；由此可得，排水或者不排水情况下，竖向荷载作用下能量桩桩-土接触面摩擦力值。

本发明的优点和效果在于：通过在预制混凝土桩试样内部设置传热管，传热管与温度循环控制系统连接，有效地对混凝土桩试样的温度进行了控制；通过密封压力室与压力室温度循环控制系统的连接，有效地对空心圆柱形土体试样的温度进行了控制；通过对常规环剪仪压力室的改造，有效地实现了对能量桩桩-土接触面摩擦力的测定问题，解决了目前尚未有能量桩桩-土接触面摩擦力测定装置的技术问题。本发明结构简单，改进后的压力室，联合温度循环控制系统可以直接在已有的土工仪器上使用；该方法操作步骤简单、可操作性强，便于控制，易于实现。

本发明的优点和效果将在具体实施方式中进一步描述。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图中：1混凝土桩试样，2传热管，3空心圆柱形土体试样，4密封压力室，5温度计，6孔压计，7应力传感器，8传力杆，9位移传感器，10底座，11透水石，12滤纸，13土样排水管，14密封压力室进水口，15密封压力室出水口，16桩试样温度循环控制系统，17压力室温度循环控制系统。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式。本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

如图1所示，一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置，其装置结构包括混凝土桩试样1，传热管2，空心圆柱形土体试样3，密封压力室4，温度计5，应力传感器7，传力杆8，位移传感器9，底座10，透水石11，滤纸12，土样排水管13，密封压力室进水口14，密封压力室出水口15，桩试样温度循环控制系统16，压力室温度循环控制系统17和孔压计6。传热管2预埋在混凝土桩试样1内，并与桩试样温度循环控制系统16连接；混凝土桩试样1直径与空心圆柱形土体试样3内径一致、且紧密贴合，混凝土桩试样1上端通过传力杆8与加载系统连接、下端与底座10连接，传力杆8上设置应力传感器7和位移传感器9；空心圆柱形土体试样3两端依次布置滤纸12和透水石11，然后放置在底座10上，并通过土样排水管13进行排水饱和；密封压力室上15预留密封压力室进水口14、密封压力室出水口15和温度计5，且与压力室温度循环控制系统17连接；桩试样温度循环控制系统16由第一密闭容器、第一抽水泵和第一温度计组成。压力室温度循环控制系统17由由第二密闭容器、第二抽水泵和第二温度计组成。

使用时，上述能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置的测试方法包括以下技术步骤：

首先，根据工程实际情况，按照设计要求预制圆柱形混凝土桩试样1，混凝土桩试样为预制圆柱形混凝土块，混凝土强度为C20-C60（本实施例为C25），预制的混凝土桩试样直径为8-12cm（本实施例为10cm）、高度为55-60cm（本实施例为55cm），其混凝土桩试样外侧面粗糙度根据实际需要设定（本实施例为粗糙面）；按照设计要求在预制圆柱形混凝土桩试样1内部预埋单U形、双U形或者W形传热管2（本实施例为单U形），传热管为聚乙烯管，内径为1.0-1.5cm（本实施例为1.0cm）、壁厚为0.3-0.5cm（本实施例为0.3cm）、长度为150-500cm（本实施例为150cm）；并将传热管2与桩试样温度循环控制系统16预连接，接通调试混凝土桩试样温度循环控制系统；

其次，将混凝土桩试样1下端放置在底座10上，混凝土桩试样1上端通过传力杆8与加载系统相连，传力杆8上布置的应力传感器7和位移传感器9可以测得加载系统给混凝土桩试样1施加的荷载；在底座10上、混凝土桩试样1外侧，制备重塑空心圆柱形土体试样3或者将原状空心圆柱形土体试样装样3到相应位置，空心圆柱形土体试样3的内径为8-12cm（本实施例为10cm），与混凝土桩试样直径一致、且紧密贴合，外径为28-32cm（本实施例为30cm），高度为55-60cm（本实施例为55cm）；并在空心圆柱形土体试样3以上的透水石11上面放置位移传感器9；

接着，根据设计要求，对空心圆柱形土体试样3进行饱和，饱和完成后按照试验要求选择排水或不排水方式施加围压使土体固结；空心圆柱形土体试样3饱和完成后，将应力传感器7、位移传感器9、孔压计6与相应的数据采集系统连接；

然后，将密封压力室4上的密封压力室进水口14和密封压力室出水口15与压力室温度循环控制系统17连接，通过密封压力室4内的温度计5和压力室温度循环控制系统17上的第二温度计读数来调整密封压力室4内的温度，从而控制空心圆柱形土体试样3的温度；密封压力室4为钢制的密封罩，其直径为60-80cm（本实施例为60cm），高度为60-70cm（本实施例为60cm），密封罩上预留进水口、出水口、温度计和孔压计；进水口和出水口与压力室温度循环系统连接，第二温度计量程为0^oC到50^oC；

再接着，施加围压；开启压力室温度循环控制系统17，使密封压力室4内的温度计5读数达到设计值且基本保持不变；续而，开启桩试样温度循环控制系统16，使混凝土桩试样1温度（从第二温度计读取）达到设计值；当密封压力室4温度和混凝土桩试样1温度一定时，在混凝土桩试样1上端逐级施加轴向荷载，同时测定应力传感器7、位移传感器9、孔压计6的读数；当轴向位移或孔隙水压力达到相应的破坏标准时，停止轴向荷载施加、关闭桩试样温度循环控制系统16和压力室温度循环控制系统17，完成一组能量桩桩-土接触面摩擦力测试试验；

最后，根据相应位置的第一温度计和第二温度计，分别确定土体和桩体的温度；根据混凝土桩试样1上部和空心圆柱形土体试样3上部的位移传感器9读数差来确定桩-土相对位移量；通过围压大小来确定桩-土接触面竖向应力；通过混凝土桩试样1上部的应力传感器7确定桩-土接触面摩擦力；由此可得，排水或者不排水情况下，沉桩过程及竖向荷载作用下能量桩桩-土接触面摩擦力值。