本發(fā)明涉及一種豎向拉拔式雙向接觸面抗剪強度參數(shù)測試裝置及測試方法。適用于地質工程、土木工程、水利工程及海洋工程中巖土體與結構材料接觸面的壓剪測試及抗剪強度參數(shù)測試。

背景技術：
接觸力學問題廣泛存在于巖土工程中，表現(xiàn)為不同物理力學特性的介質在其接觸面上產生的壓縮、變形、滑動等力學特性，比如巖石力學中的斷層、節(jié)理等結構面即為典型的接觸力學問題，基礎工程中的土體與淺基礎的接觸面、土體與樁基的接觸面，其力學特性直接影響到基礎的安全穩(wěn)定。另外，支護結構的接觸力學問題也較常見，如土釘、錨桿、錨索等與巖土體間通過接觸面實現(xiàn)荷載傳遞和擴散，加筋土通過土工材料與土體接觸面實現(xiàn)整體力學性能的增強。海洋樁基工程中常使用鋼管樁，將薄壁鋼板通過機械工藝卷制成管狀，并逐步拼接，再通過錘擊或靜壓等方式壓入海底地層。對海上風電等大型結構而言，其鋼管樁直徑可達4～6m，對此類接觸面的摩擦力學特性需精確測定，其接觸面的力學特性往往是基礎、結構整體安全穩(wěn)定的制約因素。涉及到土體與結構材料共同協(xié)調作用的工程問題，其接觸力學特性均是最重要的技術問題之一。對于巖土體與結構接觸面的剪切力學特性，一般認為符合摩爾庫倫抗剪強度準則，其力學特性分析，關鍵是進行壓剪試驗確定接觸面抗剪強度參數(shù)，為解析方法及數(shù)值模擬方法的參數(shù)選取提供依據(jù)。目前，抗剪強度參數(shù)難以準確確定，主要是由于常規(guī)的試驗設備和方法存在一定問題：(1)由于常規(guī)試驗儀器中將土體放置于土容器中，采用土體剪切盒進行試驗，土體剪切盒約束了土體在剪切方向的變形，限制了土體與接觸面的協(xié)調變形，使得測試數(shù)據(jù)不準確；(2)由于常規(guī)測試方法問題，一般采用測試結構材料放置于測試土體之下或之上，結構的接觸面只與測試土體保持單面接觸，這就在測試時忽略了結構材料的另一接觸面與測試儀器間的摩擦力，導致測試不準確；(3)巖土體在法向應力作用下，常規(guī)測試儀器無法控制巖土體的排水狀態(tài)，法向應力增大時，如無法排水，土體內超孔隙水壓力增大，此時直接測量導致測試結果偏離真值。如巖土工程學報2010年第32卷第9期發(fā)表的名為“NHRI-4000型高性能大接觸面直剪儀的研制”的文章，其公開了一種接觸面直剪儀，其將土樣限制于剪切盒中，特別是在土容器的端部，限制了土樣在剪切方向與測試材料的協(xié)調變形；中國專利公開號為CN102607966A的“循環(huán)荷載作用大型接觸面特性直剪儀”發(fā)明專利，公開了一種接觸面直剪儀，亦存在該方面的問題；巖土工程學報2008年第30卷第6期發(fā)表的名為“大型三維土與結構接觸面試驗機的研制與應用”的文章，其公開了一種土與結構接觸面試驗儀器，亦為將土樣限制于土容器中，測試材料的接觸面只與土樣保持了單面接觸，測試材料與儀器接觸的摩擦力影響不能考慮。同時，上述所開發(fā)的測試儀器，均未考慮在不同的法向應力條件下的土樣的排水控制，隨著法向應力的增大，土樣中超孔隙水壓力提升，影響著測試結果。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種豎向拉拔式雙向接觸面抗剪強度參數(shù)測試裝置及測試方法，不但能進行不同類土樣與不同粗糙度的混凝土、鋼板、土工織物等建筑材料進行雙向接觸面力學測試，同時亦能夠進行在不同法向應力狀態(tài)下、不同排水條件下的接觸面壓剪測試，準確獲取接觸面的抗剪強度參數(shù)。本發(fā)明所采用的技術方案是：一種豎向拉拔式雙向接觸面抗剪強度參數(shù)測試裝置，包括底座和安裝于底座上的結構框架，其特征在于：所述底座上置有兩塊垂直底座且相互平行的推板，推板兩端緊貼結構框架兩側側板，兩推板與推板兩端的側板圍成用于盛裝測試土樣的土槽；所述推板連接法向加載裝置，其上安裝采集法向應力數(shù)據(jù)的法向應力傳感器；所述結構框架上、土槽正上方設置拉拔式加載裝置，該拉拔式加載裝置下端經連接頭連接測試板，所述拉拔式加載裝置上安裝分別采集位移和應力數(shù)據(jù)的位移傳感器和應力傳感器；所述法向加載裝置和拉拔式加載裝置通過傳輸線連接計算機。所述推板上端可轉動銷接蓋板。所述土槽底部安裝有排水閥，排水閥端部設置濾膜。應用所述測試裝置進行測試的方法，其特征在于步驟如下：a、將所測試材料預制成多塊不同粗糙度的測試板，在測試板上部與連接頭固定，并將連接頭安裝于拉拔式加載裝置上，下部放置于土槽內中部位置；b、在土槽內放置測試土樣，采用浸水及上部預壓方式使其飽和固結；c、設定試驗時的法向應力，關閉蓋板，通過計算機控制法向加載裝置進行施加，通過打開或關閉排水閥來控制測試土樣的排水或不排水狀態(tài)；d、在該法向應力下土樣固結穩(wěn)定后，打開蓋板，調整位移傳感器，設定加載速率，通過計算機控制拉拔式加載裝置進行測試材料的拉拔試驗，記錄對測試板施加的拉力大小、位移及對應的法向應力等指標，如測得的拉力和位移曲線進入塑性流動狀態(tài)，即認為接觸面達到了抗剪極限狀態(tài)，通過下式進行計算抗剪強度參數(shù)：式中，T為達到極限狀態(tài)時的拉力；G為測試板自重；T′為測試板薄壁摩阻力；A為達到極限狀態(tài)時，測試板與測試土樣接觸部位的單面面積；τf為接觸面的抗剪強度；σ為所施加的法向應力；為接觸面的摩擦角；c為接觸面的黏聚力；根據(jù)不同的法向應力σ及對應的T即可得到接觸面的抗剪強度參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是：(1)該測試裝置結構簡單、制作方便、成本較低，實際中樁基礎嵌于土層中，對于樁土相互作用問題，該測試裝置極大程度地模擬了土與樁接觸面力學特性；(2)采用與土樣的雙面摩擦接觸，極大地減少了干擾，保證了接觸面完全是由測試板和測試土樣構成；(3)在拉拔試驗中，由于蓋板打開，裝置中土樣的上部邊界自由，在拉拔過程中，測試材料周邊土可隨測試材料協(xié)調運動，并非像一般測試設置，其剪切盒固定了剪切面，限制了土樣與材料的協(xié)調運動，導致測試值不準確；(4)如果土樣隨結構測試材料一同被拉出，則此時最薄弱面不在接觸面處，而在土樣中某破裂面處，最薄弱面的摩擦角和黏聚力此時即為測試土體的抗剪強度參數(shù)，該方法可明確界定出土的抗剪強度和接觸面的抗剪強度，在此基礎上，亦可對接觸面及土體的破壞規(guī)律和破壞機理進行分析；(5)可進行不同土體、不同材料、不同粗糙度的接觸力學測試，物理概念清晰，操作簡便；(6)在進行試驗操作時，可模擬實現(xiàn)測試土樣在不同豎向壓力作用下的排水和不排水情況；(7)可實現(xiàn)大尺寸結構材料與土體的接觸力學測試，減少接觸面力學性能的尺寸效應影響。附圖說明圖1為本發(fā)明的立面結構示意圖。圖2為圖1的A-A剖面圖。圖3為典型的接觸面剪切力與切向位移變化曲線。圖4為典型的接觸面剪切力與法向應力關系曲線。具體實施方式如圖1所示，本實施例中測試裝置由底座13、安裝于底座上的結構框架1及內部的裝置構成，包括拉拔式加載裝置2、應力傳感器3、位移傳感器4、法向加載裝置10和法向應力傳感器11。在底座13上放置有兩塊垂直底座且相互平行的推板7，該推板兩端緊貼結構框架1兩側側板，推板7上端可轉動銷接蓋板9。兩推板7與推板兩端的側板圍成土槽。本例中在土槽底部安裝排水閥12，打開和關閉排水閥12，可控制測試土樣6在法向應力作用下的排水及不排水狀態(tài)，排水閥12端部設置濾膜，防止土顆粒隨水排出。在土槽的兩側對稱設有兩個法向加載裝置10，每一法向加載裝置對應連接一側的推板7；法向加載裝置10上安裝法向應力傳感器11，可記錄和傳輸施加的法向應力值。本實施例中在結構框架1上、土槽正上方安裝提供向上的拉拔力的拉拔式加載裝置2，該拉拔式加載裝置下端安裝連接頭8；拉拔式加載裝置2上還分別安裝有位移傳感器4和應力傳感器3，通過應力傳感器3和位移傳感器4記錄拉力、位移值。法向加載裝置10和拉拔式加載裝置2通過傳輸線14連接計算機，采用計算機控制加載速率。本實施例的具體測試方法如下：1、將所測試材料預制成多塊不同粗糙度的測試板5(測試板兩面的粗糙度一致)，測試板5上部與連接頭8固定并將連接頭8安裝于拉拔式加載裝置2，測試板5下部放置于下方的土槽內的中部位置(見圖2)；2、在土槽內放置測試土樣6，采用浸水及上部預壓等方式使其飽和固結；3、設定試驗時的法向應力，關閉蓋板9(限制法向壓力作用下土樣側向變形)，通過計算機控制法向加載裝置10進行施加；通過打開或關閉排水閥12，控制測試土樣的排水或不排水狀態(tài)；4、在該法向應力下測試土樣固結穩(wěn)定后，打開蓋板9，調整位移傳感器4，設定加載速率，通過計算機控制拉拔式加載裝置2進行測試板5的拉拔試驗，記錄對測試材料施加的拉力大小、位移及對應的法向應力等指標，如測得的拉力和位移曲線進入塑性流動狀態(tài)，即認為接觸面達到了抗剪極限狀態(tài)，可通過式(1)進行計算抗剪強度參數(shù)：式中，T為達到極限狀態(tài)時的拉力；G為測試板5自重；T′為測試板5薄壁摩阻力，一般選用薄壁材料，故該值相對較小，可以忽略，亦可先期測定，根據(jù)量級判定是否可以忽略；A為達到極限狀態(tài)時，測試板5與測試土樣6接觸部位的單面面積，由于接觸面積隨著拉拔速率逐漸變化，可根據(jù)測試材料位移變化值求得；τf為接觸面的抗剪強度；σ為所施加的法向應力；為接觸面的摩擦角；c為接觸面的黏聚力。根據(jù)不同的法向應力σ及對應的T即可得到接觸面的抗剪強度參數(shù)。如圖3所示，坐標橫軸為切向位移u(即測試板位移)，坐標縱軸為切向應力τ，當測得的應力和位移曲線進入塑性流動狀態(tài)，即認為接觸面發(fā)生屈服，達到了抗剪極限狀態(tài)，如圖曲線的拐點即為屈服點，對應的剪切力即為抗剪強度τf。極限狀態(tài)時測得拉力為T，測試板5自重為G，測試板5薄壁端部摩阻力為T′，測試板5寬為B，原接觸面積為A′(試驗前可預先測定)，極限狀態(tài)時向上拔出的位移為u，單面接觸面面積為A，對應的法向應力為σ，則通過下式可得到接觸面抗剪強度值τf：隨著測試板5逐漸被拉出，其接觸面積亦會發(fā)生變化，其中當為極限狀態(tài)時，A可表示為：A＝A′-uB(3)接觸面摩擦角和黏聚力c表示為法向應力σ的函數(shù)：如圖4所示，坐標縱軸為抗剪強度τf，坐標橫軸為法向應力σ，通過不同的法向應力σ可獲得多組測點，通過擬合即可求解得到接觸面抗剪強度參數(shù)，其中擬合直線的傾角即為摩擦角與坐標縱軸的截距即為黏聚力c，本例獲得的接觸面黏聚力為13.8kPa，摩擦角為28.6°。以上所述，僅是本發(fā)明的一實施例，其加載裝置可由向上的拉拔式擴展為向下的插壓式，其測定雙向接觸面摩擦力學特性原理類似，進而可對接觸面摩擦力學特性進行測試，亦可為工程設計人員提供有益的參考。