技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土工程試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種變溫條件下樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備及試驗方法。

背景技術(shù)：

能量樁，也稱能源樁，是一種將地下樁基礎(chǔ)用作地源熱泵系統(tǒng)換熱器的技術(shù)。近年來，隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，地源熱泵技術(shù)作為一種綠色可持續(xù)新能源技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應用，該技術(shù)利用大地的熱容量，在夏季將室內(nèi)的熱量貯存在地下用于冬季的采暖，同時也達到了夏季室內(nèi)制冷的目的。由于傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)需要在建筑場地外鉆孔，不僅占用了額外的場地且較高的鉆孔費用導致項目初期投資大。21世紀80年代，工程師們嘗試將換熱管置于建筑物的樁基、基礎(chǔ)底板以及地下連續(xù)墻等結(jié)構(gòu)內(nèi)用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地埋管換熱器，不僅節(jié)省了場地而且大大地降低了地源熱泵系統(tǒng)的造價。能量樁是將埋管置于樁基中，它通過管內(nèi)的循環(huán)流體來實現(xiàn)向大地中提取和存貯熱量。在節(jié)約地下空間、保證施工質(zhì)量的同時，樁體混凝土熱交換效率高，具有更好的經(jīng)濟效應。

能量樁具有承擔上部荷載和進行熱量交換的雙重作用。能量樁的承載力部分或全部來自于樁與周圍土體的側(cè)摩阻力。在能量樁冷熱循環(huán)過程中，樁體和周圍土體的熱脹冷縮會影響樁-土界面的剛度及樁周土的側(cè)向應力，使樁-土界面的法向應力發(fā)生變化，而樁最大側(cè)摩阻力的大小與法向應力呈正比。國內(nèi)外一般是進行樁-土界面的剪切試驗，通過應力、應變數(shù)據(jù)反映樁-土界面抗剪能力的變化。目前，關(guān)于變溫條件下樁-土界面法向應力的研究較少，由于對法向應力的變化規(guī)律認識不清，給樁-土界面最大靜摩擦力的準確判斷造成了困難?；诖耍景l(fā)明提出一種變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備及方法，通過室內(nèi)試驗，研究在溫度循環(huán)過程中，樁-土界面法向應力的變化規(guī)律。本發(fā)明對于掌握能量樁的力學性能的變化，推動能量樁技術(shù)的推廣和應用，具有重要理論研究和工程應用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備及試驗方法，該試驗設(shè)備和方法考慮不同的約束條件，模擬不同溫度下樁-土界面法向接觸應力的變化，研究溫度對樁-土界面的影響，為冷熱循環(huán)作用下樁-土界面法向接觸應力的變化機理提供試驗數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備，包括框架、豎向壓力加載系統(tǒng)、樁-土界面模擬系統(tǒng)、水循環(huán)控溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

框架用于支撐實驗裝置的其它系統(tǒng)。

豎向壓力加載系統(tǒng)用于對試驗土樣施加豎向壓力。

樁-土界面模擬系統(tǒng)包括底座、環(huán)形混凝土盒，壓板和絕熱材料；樁-土界面模擬系統(tǒng)通過底座固定在框架上；底座中間的空間放入環(huán)形混凝土盒；環(huán)形混凝土盒上下開口，盒壁采用混凝土制作，中間空間用于裝入土樣，裝入的土樣與環(huán)形混凝土盒的混凝土接觸，用于模擬樁-土界面；在環(huán)形混凝土盒的內(nèi)壁上開設(shè)有凹槽，用于放置土壓力計及第一溫度傳感器，凹槽內(nèi)徑與土壓力計或第一溫度傳感器外徑相匹配，采用環(huán)氧樹脂或其它粘接劑將土壓力計和第一溫度傳感器固定于凹槽內(nèi)，用于檢測樁-土界面法向接觸應力及其溫度；壓板有上壓板和下壓板，放置在土樣上下，下壓板開設(shè)有傳壓腔；絕熱材料放置于下壓板下面及環(huán)形混凝土盒外圍，防止熱量散失。環(huán)形混凝土盒能有效增加樁土接觸面積，加快熱傳遞過程，使土體溫度快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，且方便安裝相關(guān)傳感器。

水循環(huán)控溫系統(tǒng)用于模擬樁體的溫度變化過程；比如，夏季、冬季地熱交換中樁體的升溫及降溫過程。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括土壓力計和第一溫度傳感器，土壓力計和第一溫度傳感器布置在環(huán)形混凝土盒的內(nèi)壁上的凹槽內(nèi)，采集樁-土界面的法向接觸應力及界面溫度數(shù)據(jù)。

進一步的，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括應變傳感光纖，在環(huán)形混凝土盒內(nèi)壁環(huán)向粘貼分布式應變傳感光纖，用于監(jiān)測變溫條件下樁土界面的法向變形。傳感光纖纖細，對試驗土體的影響可以忽略不計。

進一步的，變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備還包括注水排水系統(tǒng)，注水排水系統(tǒng)包括通水孔、排水閥、排氣閥。樁-土界面模擬系統(tǒng)還包括橡皮圈，底座底部開設(shè)有通水孔，在環(huán)形混凝土盒里面預埋水管，并開設(shè)排氣孔。上、下壓板周圍通過橡皮圈與混凝土緊密接觸，下壓板通過橡皮圈與底座的通水孔緊密連接，在相關(guān)位置放入橡皮圈，能夠防止注水排水過程中水體滲漏，達到密封目的。通水孔通過底座與下壓板下部傳壓腔相接；水閥安裝在通水孔外部。可以通過通水孔注水排水控制土樣飽和狀態(tài)，在通水孔外部安裝孔隙水壓力計監(jiān)測飽和土孔隙水壓力。排氣閥在環(huán)形混凝土盒上側(cè)，與環(huán)形混凝土盒的排氣孔相連。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括底座孔隙水壓力計，底座孔隙水壓力采集飽和土樣孔隙水壓力數(shù)據(jù)。在升溫過程中，環(huán)形混凝土盒會向內(nèi)壓縮土體，模擬能量樁由于熱漲而擠壓周圍土壤的過程；在降溫過程中，環(huán)形混凝土盒會向外變形，模擬樁土接觸面壓力的變化過程。

進一步的，水循控溫系統(tǒng)包括恒溫水箱、循環(huán)水泵、導水管、節(jié)流閥、流速計；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括第二溫度傳感器。恒溫箱周圍用絕熱材料（比如聚苯乙烯泡沫塑料）包裹，防止熱量散失。循環(huán)水泵將恒溫箱內(nèi)熱水或冷水泵入模擬樁體（環(huán)形混凝土盒）中，保證在導水管及水循環(huán)管中循環(huán)流動提供動力。在導水管上，靠近水泵出水口處設(shè)置節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)導水管中水的流速，使管內(nèi)水流為紊流狀態(tài)。在導水管進水及出水處布置第二溫度傳感器。另布置流速計，根據(jù)流速計調(diào)整節(jié)流閥達到控制流速的目的，通過進出口溫度及循環(huán)水速來控制升溫及降溫過程。

進一步的，豎向壓力加載系統(tǒng)采用杠桿加載系統(tǒng)，杠桿加載系統(tǒng)包括杠桿、砝碼、螺紋桿、傳力桿、銜接裝置，杠桿一端通過鋼軸連接在框架上，另一端加上砝碼，通過杠桿原理施加豎向荷載。螺紋桿一端帶有螺紋，通過螺帽連接在杠桿上，可上下移動，另一端端頭為半圓形，與傳力桿接觸。傳力桿上端為內(nèi)凹形，與螺紋桿相連，下端與鋼盒接觸，傳遞豎向荷載。銜接裝置通過兩端螺栓固定在底座上，中間有圓孔，圓孔限制傳力桿只可上下移動，過濾螺紋桿傳遞的橫向荷載，傳遞豎向荷載。

進一步的， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括傳力桿軸力傳感器，通過傳力桿軸力傳感器，測量豎向加載壓力。

一種采用上述試驗設(shè)備進行變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗的方法，包括以下步驟：

1）利用豎向壓力加載系統(tǒng)向樁-土界面施加豎向壓力，使樁-土界面的法向應力達到一定值，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中布置在樁土界面的土壓力盒采集此時樁土界面的法向接觸應力值。

2）根據(jù)設(shè)計的試驗條件啟用注水排水系統(tǒng)，對土樣進行飽和；

3）通過水循環(huán)控溫系統(tǒng)控制混凝土盒的溫度；

4）利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同溫度下樁土界面法向接觸應力值及溫度、飽和土孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，根據(jù)樁-土界面中的第一溫度傳感器及導水管出入口溫度值判斷土樣溫度是否達到平衡狀態(tài)。

本發(fā)明的變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備及方法，優(yōu)點在于采用杠桿加載系統(tǒng)，對土樣施加豎向壓力，依據(jù)土的靜止側(cè)壓力原理對樁-土界面施壓。在杠桿一端放置相應重量的砝碼，精確地控制豎向壓力，穩(wěn)定性好，且通過傳力桿及銜接裝置過濾由于土樣壓縮造成杠桿旋轉(zhuǎn)一定角度而造成的橫向壓力。通過水循環(huán)控制環(huán)形混凝土盒的溫度，模擬能量樁熱交換過程中的升溫和降溫過程。采用注水排水系統(tǒng)，模擬飽和土樣在不同溫度下樁-土界面法向接觸應力的變化過程。在混凝土盒布置相關(guān)傳感器，采集樁-土界面法向壓力和溫度等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)的采集和分析，為冷、熱循環(huán)作用下樁-土界面法向接觸應力的變化機理提供試驗數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是環(huán)形混凝土盒內(nèi)水管布置圖；

圖3是應變傳感光纖和土壓力計分布示意圖；

圖4是土壓力計和第一溫度傳感器分布示意圖；

圖5是樁-土界面局部圖；

圖6是底座剖面圖；

圖7是底座俯視圖；

圖8是下壓板主視圖；

圖9是下壓板左視圖。

附圖編號：1.杠桿；2.砝碼；3.螺紋桿；4.傳力桿；5.銜接裝置；6.底座；7.環(huán)形混凝土盒；8.透水石；9壓板；10.隔熱材料；11. 通水孔；12.橡皮圈；13.傳壓腔；14.排氣閥；15.恒溫水箱；16.循環(huán)水泵；17.導水管；18.節(jié)流閥；19.流速計；20.第二溫度傳感器；21.壓力傳感器；22.土壓力計；23.第一溫度傳感器；24.孔隙水壓力計；25.排水閥；26應變傳感光纖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種變溫條件下能量樁樁-土界面法向接觸應力試驗設(shè)備及方法進行詳細說明。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“左側(cè)”、“右側(cè)”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本實施例中采用的具體尺寸只是為了舉例說明技術(shù)方案，并不限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的變溫條件下樁-土界面法向接觸應力測試裝置框架、豎向壓力加載系統(tǒng)、樁-土界面模擬系統(tǒng)、水循環(huán)控溫系統(tǒng)、注水排水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

框架為鋼架裝置，作用是為本裝置其它系統(tǒng)提供支撐點，鋼架結(jié)構(gòu)由槽鋼和鋼板無縫焊接而成，底板作了加寬處理，沿主梁和次梁長度方向作加強處理，鋼架式框架提供了模擬試驗的足夠空間。

豎向壓力加載系統(tǒng)可以采用直接加載豎向力的方式，也可以采用間接加載豎向力的方式。為了達到較好的效果，本實施例中，采用杠桿加載系統(tǒng)，包括杠桿1、砝碼2、螺紋桿3、傳力桿4、銜接裝置5，杠桿1一端通過鋼軸連接在鋼架裝置上，另一端加上砝碼2，通過杠桿原理施加豎向荷載。螺紋桿3一端帶有螺紋，通過螺帽連接在杠桿上，可上下移動，另一端端頭為半圓形，與傳力桿4接觸。傳力桿4上端為內(nèi)凹形，與螺紋桿3相連，下端與壓板9接觸，傳遞豎向荷載。銜接裝置5通過兩端螺栓固定在底座上，中間有圓孔，圓孔限制傳力桿4只可上下移動，過濾螺紋桿傳遞的橫向荷載，只傳遞豎向荷載。

樁-土界面模擬系統(tǒng)包括底座6、環(huán)形混凝土盒7、透水石8、壓板9、絕熱材料10、橡皮圈12組成。環(huán)形混凝土盒7受力均勻，方便均勻布設(shè)傳感器，可以測得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。底座6中間為圓柱形空間，放入土樣及環(huán)形混凝土盒7，圓柱形空間下部有通水孔11，底座6底部通過螺栓固定在鋼架裝置上。如圖5所示，環(huán)形混凝土盒7上下開口，中間分層裝入土樣，土樣與周圍混凝土接觸，用來模擬樁-土界面。如圖3和4所示，其中在混凝土圓環(huán)內(nèi)壁上，有若干個凹槽，比如四個、八個等等，用于放置土壓力計22及第一溫度傳感器23，凹槽內(nèi)徑與土壓力計22和第一溫度傳感器23外徑相匹配，采用環(huán)氧樹脂或者其他粘結(jié)劑將置土壓力計22和第一溫度傳感器23固定于凹槽內(nèi)，用于測量樁-土界面法向接觸應力及其溫度。如圖2所示，在環(huán)形混凝土盒7里面預埋水管17。土樣上下蓋有壓板9，壓板9優(yōu)選鋼板，壓板9結(jié)構(gòu)如圖8和9所示。下壓板開有圓孔傳壓腔13，下壓板通過橡皮圈12與底座通水孔11緊密連接。在壓板下面及環(huán)形混凝土盒7外圍放有絕熱材料10，防止熱量散失。如圖6和7所示，底部隔熱材料10開有五個圓孔，下部凸出鋼柱穿過隔熱材料10支撐上部荷載，既保證隔熱作用，又能支撐上部荷載。壓板周圍通過橡皮圈12與環(huán)形混凝土盒7緊密接觸。在環(huán)形混凝土盒7右上側(cè)開有排氣孔，安裝排氣閥14。

環(huán)形混凝土盒7能有效增加樁土接觸面積，加快熱傳遞過程，使土體溫度快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，且方便安裝相關(guān)傳感器。為防止注水排水過程中水體滲漏，在相關(guān)位置放入橡皮圈12，達到密封目的。在升溫過程中，環(huán)形混凝土盒會向內(nèi)壓縮土體，模擬能量樁由于熱漲而擠壓周圍土壤的過程；在降溫過程中，環(huán)形混凝土盒會向外變形，模擬樁土接觸面壓力的變化過程。

水循環(huán)控溫系統(tǒng)包括恒溫水箱15，循環(huán)水泵16，導水管17、節(jié)流閥18、流速計19、第二溫度傳感器20，用于模擬夏季、冬季地熱交換中樁體的升溫及降溫過程。恒溫水箱15包括加溫器及降溫器，具有加熱和制冷功能，恒溫水箱15周圍可以用絕熱材料聚苯乙烯泡沫塑料包裹，防止熱量散失。循環(huán)水泵16將熱水或冷水輸入模擬樁體中，保證在導水管17及水循環(huán)管中循環(huán)流動提供動力。在導水管17上，靠近水泵出水口處設(shè)置節(jié)流閥18用于調(diào)節(jié)導水管中水的流速，使管內(nèi)水流為紊流狀態(tài)，節(jié)流閥18也可以安裝在導水管17上其他部位。在導水管進水及出水處布置第二溫度傳感器20。另布置流速計19，根據(jù)流速計19調(diào)整節(jié)流閥18達到控制流速的目的，通過進出口溫度及循環(huán)水速來控制升溫及降溫過程。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括樁-土界面微型土壓力計22、第一溫度傳感器23、第二溫度傳感器20及傳力桿4上的軸力傳感器21、底座孔隙水壓力計24、應變傳感光纖26。在環(huán)形混凝土盒7內(nèi)壁四周布置土壓力計22及第一溫度傳感器23，采集樁-土界面的法向接觸壓力及界面溫度數(shù)據(jù)，通過傳力桿4上的軸力傳感器21，測量豎向加載壓力。在導水管17進水及出水處布置第二溫度傳感器20，采集進水及出水的溫度，通過進出口溫度及循環(huán)流速來控制升溫及降溫過程。底座孔隙水壓力24采集飽和土樣孔隙水壓力數(shù)據(jù)。在環(huán)形混凝土盒7內(nèi)壁環(huán)向粘貼分布式應變傳感光纖26，監(jiān)測樁-土界面的法向變形。

注水排水系統(tǒng)包括通水孔11、排水閥25、排氣閥14；通水孔11通過底座6，與壓板9下部傳壓腔13相接，排水閥25安裝在通水孔11外部?？梢酝ㄟ^通水孔11注水排水控制土樣飽和狀態(tài)，在通水孔11外部安裝孔隙水壓力計24監(jiān)測飽和土孔隙水壓力。排氣閥14在環(huán)形混凝土盒7上側(cè)，與環(huán)形混凝土盒7的排氣孔連接。

具體試驗方法：

試驗土樣選擇砂土，假設(shè)室內(nèi)溫度20℃。

準備工作：安裝底座6，固定底座6螺栓，檢查水閥25及通水孔11，放置環(huán)形混凝土盒7之前在四周及底部放置隔熱材料10，之后安裝預制好的環(huán)形混凝土盒7并固定，并布置相關(guān)傳感器。在環(huán)形混凝土盒7放入下壓板9，安裝橡皮圈12，透水石8，在環(huán)形混凝土盒7內(nèi)壁環(huán)向粘貼分布式應變傳感光纖26，放入制作好的土樣，安裝上壓板，安裝銜接裝置5，將傳力桿4放在預定位置上，調(diào)整螺紋桿3并在其下部放入壓力傳感器。

在底座6外側(cè)安裝孔隙水壓力傳感器24及排水閥25，檢查循環(huán)水泵16及恒溫水箱15，在導水管17上安裝流速計19、節(jié)流閥18、第二溫度傳感器20。開啟恒溫水箱15，加熱或制冷到預定溫度值。

試驗步驟：

首先利用杠桿加載系統(tǒng)，在右側(cè)放置砝碼對土樣豎向加載，利用靜止側(cè)壓力原理使樁-土界面的法向應力達到一定值。

之后根據(jù)設(shè)計的實驗條件啟用注水排水系統(tǒng)。飽和：確定排氣孔14通暢后通過通水孔11向里緩慢注水，排除土樣空隙中的空氣并使土樣飽和，之后關(guān)閉排氣閥14及排水閥25（也可以在加載之前使土樣達到飽和狀態(tài)并進行加載）；排水工況：試驗過程中始終開啟排水閥25和排氣閥14；不排水工況：試驗過程中始終關(guān)閉排水閥25和排氣閥14。

再利用循環(huán)水泵16將恒溫箱中的水泵入到混凝土盒中，通過水循環(huán)系統(tǒng)控制環(huán)形混凝土盒7的溫度，觀察流速計19，根據(jù)流量數(shù)值及出入口水溫通過節(jié)流閥18控制流速。

在試驗全程過程中利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同溫度下樁土界面法向應力值、溫度以及飽和土孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，根據(jù)樁-土界面中的溫度傳感器及導水管出入口溫度值判斷土樣溫度是否達到平衡狀態(tài)。

基于對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的描述，應該清楚，由所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明并不僅僅局限于上面說明書中所闡述的特定細節(jié)，未脫離本發(fā)明宗旨或范圍的對本發(fā)明的許多顯而易見的改變同樣可能達到本發(fā)明的目的。