本發(fā)明涉及巖土工程測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力室內(nèi)測(cè)定裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著能源開采、核廢料處理、水利工程以及地下空間的利用等大型基礎(chǔ)建設(shè)工程的大量興建，巖土體與建筑結(jié)構(gòu)物間接觸摩擦力的確定問題日益得到關(guān)注，在礦山開采、水利水電、隧道、邊坡加固、基坑開挖等巖土工程中，巖土體與建筑結(jié)構(gòu)物間接觸摩擦力的準(zhǔn)確確定對(duì)巖體工程穩(wěn)定性的評(píng)估有著重要影響。巖土體作為連續(xù)介質(zhì)材料，其力學(xué)性質(zhì)可以通過原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)等手段予以研究探明；結(jié)構(gòu)物作為人造材料，其力學(xué)性質(zhì)更是可以通過試驗(yàn)方法予以測(cè)定；而二者接觸面是一個(gè)不連續(xù)的存在，接觸面附近材料性能的確定需要依賴特殊的試驗(yàn)手段。特別在有限元計(jì)算中，上述接觸面的邊界條件通常是需要重點(diǎn)確定的，接觸面邊界條件設(shè)置的合理與否將直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，巖土體與建筑結(jié)構(gòu)物間接觸摩擦力的確定將對(duì)水電工程地質(zhì)學(xué)學(xué)科及巖體工程穩(wěn)定學(xué)科有十分重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于巖土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力的確定，試驗(yàn)是主要手段，因此土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力室內(nèi)測(cè)定裝置的研究對(duì)解決上述問題有著重要的意義。

目前業(yè)界大多測(cè)試是采用電動(dòng)十字板剪切儀，主要針對(duì)土體抗剪強(qiáng)度測(cè)試，然而工程建設(shè)中更為關(guān)注的是土體與結(jié)構(gòu)面的摩擦強(qiáng)度，目前現(xiàn)有技術(shù)中并沒有針對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)面摩擦力進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)裝置。因此，有必要設(shè)計(jì)一種土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力的測(cè)試裝置，以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面上擠壓力和剪切力的施加，針對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面間力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試的土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力室內(nèi)測(cè)定裝置及其使用方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力測(cè)定裝置，包括主框架，設(shè)置于所述主框架內(nèi)的土樣室、剪切機(jī)構(gòu)及加載機(jī)構(gòu)，所述主框架的中部安裝有操作臺(tái)，所述土樣室放置于所述操作臺(tái)上，所述土樣室的底部通過活塞封合，所述土樣室內(nèi)裝設(shè)有試驗(yàn)土體，所述操作臺(tái)上固定有側(cè)立桿，所述剪切機(jī)構(gòu)安裝于所述側(cè)立桿的頂部，所述剪切機(jī)構(gòu)的底部連接有傳力桿，所述傳力桿與所述剪切機(jī)構(gòu)之間設(shè)有扭矩傳感器，所述傳力桿的底部固定有金屬圓盤，所述金屬圓盤進(jìn)入所述土體內(nèi)，所述加載機(jī)構(gòu)位于所述操作臺(tái)的下方，所述加載機(jī)構(gòu)包括升降步進(jìn)電機(jī)，所述升降步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過連接件連接于所述活塞，所述活塞與所述連接件之間設(shè)有稱重傳感器，通過所述稱重傳感器及所述扭矩傳感器分別采集試驗(yàn)過程中施加于所述土體的法向力及所述土體和所述金屬圓盤接觸表面的剪切力，以算得所述土體承受的荷載、所述土體與所述金屬圓盤之間摩擦力以及兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

進(jìn)一步，所述主框架包括底板、設(shè)于所述底板兩側(cè)的立柱，以及固定于所述立柱頂部的橫梁，所述操作臺(tái)位于所述橫梁與所述底板之間。

進(jìn)一步，所述立柱通長(zhǎng)設(shè)有螺紋，用于供所述底板、所述操作臺(tái)及所述橫梁螺紋連接固定于所述立柱。

進(jìn)一步，所述側(cè)立桿上設(shè)有滑軌，所述剪切機(jī)構(gòu)的兩側(cè)設(shè)有滑動(dòng)部，沿所述滑軌豎向移動(dòng)。

進(jìn)一步，所述剪切機(jī)構(gòu)包括承重支架與所述滑動(dòng)部連接，所述承重支架上固定有扭轉(zhuǎn)電機(jī)，所述扭轉(zhuǎn)電機(jī)的底部連接于所述傳力桿，所述扭轉(zhuǎn)電機(jī)頂部通過齒輪連接有角度表盤，用于顯示所述金屬圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

進(jìn)一步，所述主框架的一側(cè)設(shè)有電控機(jī)構(gòu)，所述扭轉(zhuǎn)電機(jī)及所述升降步進(jìn)電機(jī)通過所述電控機(jī)構(gòu)控制。

進(jìn)一步，所述土樣室包括兩端開口的筒體，所述筒體的頂部設(shè)有上蓋，所述上蓋與所述筒體之間通過第一密封圈密封，所述筒體的底部放置于所述操作臺(tái)上，所述筒體底緣與所述操作臺(tái)之間通過第二密封圈密封，所述操作臺(tái)中部設(shè)有通孔，所述活塞的頂部位于所述通孔上方且遮蔽于所述通孔，所述活塞的底部自所述通孔向下延伸與所述連接件連接，所述活塞側(cè)面與所述筒體內(nèi)壁之間通過第三密封圈密封。

進(jìn)一步，所述上蓋中部設(shè)有軸桿孔供軸承放入，所述傳力桿穿過所述軸桿孔與所述軸承內(nèi)圈配合。

進(jìn)一步，所述上蓋還設(shè)有排水孔，所述排水孔內(nèi)壁設(shè)有螺紋，當(dāng)排水結(jié)束時(shí)，所述排水孔由螺桿密封。

一種基于上述土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力測(cè)定裝置的使用方法，包括：

步驟一：裝土樣，驅(qū)動(dòng)所述升降步進(jìn)電機(jī)，使所述活塞運(yùn)動(dòng)至所述土樣室的最底部，向所述土樣室內(nèi)裝入實(shí)驗(yàn)土體并夯實(shí)至目標(biāo)深度；

步驟二：金屬圓盤定位，將所述金屬圓盤放置于所述土體表面，旋緊所述傳力桿使其裝配于所述金屬圓盤上；

步驟三：安裝上蓋，向所述土樣室內(nèi)繼續(xù)裝土體并夯實(shí)直至裝滿，然后將上蓋安裝于所述土樣室頂部；

步驟四：安裝所述剪切機(jī)構(gòu)，將所述剪切機(jī)構(gòu)及所述扭矩傳感器安裝于所述傳力桿頂部，并調(diào)整所述剪切機(jī)構(gòu)的位置，使所述扭矩傳感器擰緊；

步驟五：施壓，開啟所述升降步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)所述活塞上升，對(duì)所述土樣室內(nèi)的土體施壓；

步驟六：剪切，在所述土體豎向變形穩(wěn)定后，驅(qū)動(dòng)所述剪切機(jī)構(gòu)對(duì)所述土體與所述金屬圓盤接觸面進(jìn)行剪切，直至破壞；

步驟七：數(shù)據(jù)采集，由所述稱重傳感器及所述扭矩傳感器分別采集試驗(yàn)過程中施加于所述土體的法向力及所述土體和所述金屬圓盤接觸表面的剪切力，以算得所述土體承受的荷載、所述土體與所述金屬圓盤之間摩擦力以及兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明的有益效果：

通過加載機(jī)構(gòu)對(duì)土體施加豎向加載力，能夠測(cè)得土體承受的法向力，通過剪切機(jī)構(gòu)對(duì)金屬圓盤施加剪切，能夠測(cè)得土體與金屬圓盤接觸表面的剪切力，從而算得土體承受的荷載、土體與金屬圓盤之間摩擦力以及兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，上述測(cè)定裝置針對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面上擠壓力和剪切力的施加，填補(bǔ)了土體與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)性能測(cè)試裝置的空白，且通過不同表面粗糙度的金屬圓盤模擬不同材質(zhì)、類型的結(jié)構(gòu)物，在一套裝置上實(shí)現(xiàn)多種不同結(jié)構(gòu)物與土體接觸面間摩擦力的測(cè)試。

附圖說明

圖1為本發(fā)明土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中剪切機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1—主框架、11—底板、12—立柱、13—橫梁、14—操作臺(tái)、15—側(cè)立桿、16—滑軌、2—剪切機(jī)構(gòu)、21—滑動(dòng)部、22—承重支架、23—扭轉(zhuǎn)電機(jī)、24—角度表盤、25—傳力桿、26—扭矩傳感器、27—金屬圓盤、3—土樣室、31—筒體、32—上蓋、33—第一密封圈、34—軸承、35—排水孔、36—第二密封圈、37—通孔、38—活塞、39—第三密封圈、4—加載機(jī)構(gòu)、41—升降步進(jìn)電機(jī)、42—連接件、43—稱重傳感器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明，本發(fā)明實(shí)施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各部件之間的相對(duì)位置關(guān)系、運(yùn)動(dòng)情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時(shí)，則該方向性指示也相應(yīng)地隨之改變。

另外，在本發(fā)明中涉及“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。另外，各個(gè)實(shí)施例之間的技術(shù)方案可以相互結(jié)合，但是必須是以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)為基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)方案的結(jié)合出現(xiàn)相互矛盾或無法實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種技術(shù)方案的結(jié)合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。

如圖1，本發(fā)明提供一種土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力測(cè)定裝置，包括主框架1，設(shè)置于主框架1內(nèi)的土樣室3、剪切機(jī)構(gòu)2及加載機(jī)構(gòu)4。

如圖1，主框架1為設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，呈框架式構(gòu)造，為了方便工作人員操作，該主框架1具有一定的高度，并且在側(cè)面安裝有各類的電控機(jī)構(gòu)。主框架1包括底板11，底板11直接與地面/試驗(yàn)臺(tái)面接觸，用于承載整體裝置。底板11的兩側(cè)設(shè)有立柱12，兩根立柱12通長(zhǎng)布設(shè)螺紋，分別通過端部螺紋固定于開有對(duì)應(yīng)螺紋孔的底板11兩端。立柱12的頂部安裝有橫梁13，開有圓孔的橫梁13穿過兩根立柱12，通過上下螺母固定于立柱12上。底板11、立柱12、橫梁13共同形成反力系統(tǒng)，用于提供實(shí)驗(yàn)中豎向加載力的反力。立柱12的中部安裝有操作臺(tái)14，操作臺(tái)14通過其兩端的圓孔穿過立柱12并通過上下螺母固定于立柱12上。操作臺(tái)14上安裝有側(cè)立桿15用于承載剪切機(jī)構(gòu)2，側(cè)立桿15通過焊接方式剛性連接于操作臺(tái)14，側(cè)立桿15上設(shè)有滑軌16，用于與剪切機(jī)構(gòu)2兩側(cè)的滑動(dòng)部21相配合，使得剪切機(jī)構(gòu)2可沿側(cè)立桿15上下滑動(dòng)。

如圖1及圖2，剪切機(jī)構(gòu)2包括承重支架22，承重支架22通過四個(gè)螺栓與滑動(dòng)部21連接，通過滑動(dòng)部21將承重支架22連接到側(cè)立桿15上，承重支架22上固定有扭轉(zhuǎn)電機(jī)23，扭轉(zhuǎn)電機(jī)23通過四個(gè)螺栓固定于承重支架22上，扭轉(zhuǎn)電機(jī)23底部螺紋連接有傳力桿25，傳力桿25插入土樣室3內(nèi)的土體中，傳力桿25的底部螺紋連接有金屬圓盤27，扭轉(zhuǎn)電機(jī)23 頂部通過齒輪連接有角度表盤24，用于顯示金屬圓盤27的轉(zhuǎn)動(dòng)角度?；瑒?dòng)部21通過滑軌16與側(cè)立桿15相連接，試驗(yàn)時(shí)通過沿著側(cè)立桿15上下滑動(dòng)改變金屬圓盤27在土樣室3中的位置。扭轉(zhuǎn)電機(jī)23與傳力桿25之間連有扭矩傳感器26，用于測(cè)量試驗(yàn)中施加給土體的扭矩，該扭矩值最終換算為土體與金屬圓盤27之間的摩擦力，即接觸面剪切強(qiáng)度。

如圖1，土樣室3包括上下兩端開口的筒體31，筒體31為空心圓柱形不銹鋼腔體，內(nèi)徑150mm，高度150mm，在上下端部有擴(kuò)大翼緣，用于配合連接其它部件。筒體31的頂部設(shè)有上蓋32，上蓋32與筒體31之間通過第一密封圈33密封，試驗(yàn)時(shí)通過壓力實(shí)現(xiàn)密封，上蓋32中部設(shè)有軸桿孔供軸承34放入，傳力桿25插入土樣室3時(shí)先穿過其上蓋的軸承34，傳力桿25與軸承34內(nèi)圈通過加工精度裝配。在本實(shí)施例中，上蓋32上于軸承34的兩側(cè)對(duì)稱還設(shè)有排水孔35，用于試驗(yàn)過程中土樣室3內(nèi)部土體的固結(jié)排水，排水孔35內(nèi)壁設(shè)有螺紋，當(dāng)排水結(jié)束時(shí)，排水孔35由螺桿密封。在其它實(shí)施例中，排水孔35還可以采用水壓控制器來替代直接排放。筒體31的底部放置于操作臺(tái)14上，筒體31底緣與操作臺(tái)14之間通過第二密封圈36密封，試驗(yàn)時(shí)通過壓力實(shí)現(xiàn)密封。操作臺(tái)14正中部設(shè)有通孔37，通孔37直徑為150mm，與筒體31內(nèi)徑相等，通孔37內(nèi)設(shè)有活塞38，活塞38的頂部位于通孔37上方且遮蔽于通孔37，活塞38頂部側(cè)面與筒體31內(nèi)壁之間通過尺寸設(shè)計(jì)裝配，活塞38側(cè)面與筒體31內(nèi)壁之間通過第三密封圈39密封，二者之間通過裝配精度來保證試驗(yàn)中的密封性，活塞38的底部自通孔37向下延伸與加載機(jī)構(gòu)4連接，試驗(yàn)時(shí)，通過加載機(jī)構(gòu)4驅(qū)動(dòng)活塞38在筒體31內(nèi)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的豎向加載。

加載機(jī)構(gòu)4位于操作臺(tái)14的下方，加載機(jī)構(gòu)4包括升降步進(jìn)電機(jī)41，升降步進(jìn)電機(jī)41通過螺栓固定于底板11上，升降步進(jìn)電機(jī)41的輸出軸通過連接件42連接于活塞38，活塞38與連接件42之間設(shè)有稱重傳感43，通過稱重傳感器43采集試驗(yàn)過程中施加于土體的法向力，以算得土體承受的荷載。

主框架1的一側(cè)設(shè)有電控機(jī)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)電機(jī)23及升降步進(jìn)電機(jī)41通過電控機(jī)構(gòu)控制，需要說明的是，關(guān)于本實(shí)施例中扭轉(zhuǎn)電機(jī)23、升降步進(jìn)電機(jī)41、加載機(jī)構(gòu)4和剪切機(jī)構(gòu)2均由相應(yīng)的電控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，而該電控系統(tǒng)采用的均是本領(lǐng)域常用的電控系統(tǒng)，此處不再詳細(xì)說明。且電控系統(tǒng)將稱重傳感器43及扭矩傳感器26采集的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，所用的稱重傳感器43和扭矩傳感器2也是本領(lǐng)域內(nèi)通用的傳感器，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)其相當(dāng)熟悉，此處不再詳細(xì)說明。在本實(shí)施例中，稱重傳感器43量程為2kN，扭矩傳感器26量程為2Nm。稱重傳感器43被安裝于連接件42與活塞38之間，用于測(cè)量施加于金屬圓盤27表面的擠壓力，扭矩傳感器26被安裝于扭轉(zhuǎn)電機(jī)23與傳力桿25之間，用于測(cè)量施加于金屬圓盤27表面的剪切力，從而算得土體承受的荷載、土體與金屬圓盤27之間摩擦力以及兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明的測(cè)定裝置針對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面上擠壓力和剪切力的施加，填補(bǔ)了土體與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)性能測(cè)試裝置的控空白，且通過不同表面粗糙度的金屬圓盤模擬不同材質(zhì)、類型的結(jié)構(gòu)物，可在一套裝置上實(shí)現(xiàn)多種不同結(jié)構(gòu)物與土體接觸面間摩擦力的測(cè)試。

本發(fā)明還提供一種基于上述土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力測(cè)定裝置的使用方法，包括如下步驟：

步驟一：裝土樣，驅(qū)動(dòng)升降步進(jìn)電機(jī)41，使活塞38運(yùn)動(dòng)至土樣室3的最底部，向土樣室3內(nèi)裝入實(shí)驗(yàn)土體并夯實(shí)至目標(biāo)深度；

步驟二：金屬圓盤27定位，將金屬圓盤27居中放置于土體表面，將穿有傳力桿25的上蓋32與筒體31預(yù)裝配，通過旋轉(zhuǎn)傳力桿25確定其與金屬圓盤27的裝配位置，反復(fù)確定金屬圓盤27的正確位置并旋緊傳力桿25使其裝配于金屬圓盤27上；

步驟三：安裝上蓋32，提起上蓋32，然后向土樣室3內(nèi)繼續(xù)裝土體并夯實(shí)直至裝滿，然后將上蓋3通過螺栓安裝于土樣室3頂部；

步驟四：安裝剪切機(jī)構(gòu)2，將剪切機(jī)構(gòu)2及扭矩傳感器26安裝于傳力桿25頂部，并調(diào)整剪切機(jī)構(gòu)2的位置，使扭矩傳感器26擰緊；

步驟五：施壓，開啟升降步進(jìn)電機(jī)41，驅(qū)動(dòng)活塞38上升，對(duì)土樣室3內(nèi)的土體施壓，在此過程中，上蓋32的排水孔35允許排水；

步驟六：剪切，在土體豎向變形穩(wěn)定后，開啟扭轉(zhuǎn)電機(jī)23，驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)2對(duì)土體與金屬圓盤27接觸面進(jìn)行剪切，直至破壞；

步驟七：數(shù)據(jù)采集，由稱重傳感器43及扭矩傳感器26分別采集試驗(yàn)過程中施加于土體的法向力及土體和金屬圓盤27接觸表面的剪切力，以算得土體承受的荷載、土體與金屬圓盤27之間摩擦力以及兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，本發(fā)明土體與結(jié)構(gòu)物間摩擦力室內(nèi)測(cè)定裝置可以順利實(shí)現(xiàn)對(duì)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的加載，并進(jìn)行接觸面剪切，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，滿足現(xiàn)在工程建設(shè)的要求。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。