[发明专利]一种钢-砼接触界面力学特性测试装置及其方法

说明书

技术领域

    本发明属于材料接触界面力学特性参数测试领域，具体是土木工程中钢-砼接触界面力学特性测试。

背景技术

随着国家基础设施建设的飞速发展，钢护筒嵌岩桩大量用于大跨度桥梁、超高层建筑、大型码头等国家重大工程中。与传统混凝土桩或钢管桩相比，钢护筒嵌岩桩及类似的钢管混凝土桩最大的特点在于外层钢护筒与桩芯混凝土共同承受荷载的作用，部分荷载作用于钢护筒表面，通过钢护筒与桩芯混凝土之间的界面传递至桩身内部再传递至地基，因此，桩基受载时钢-砼之间接触界面的力学特性将直接影响钢护筒嵌岩桩的承载性能。界面的力学特性主要包括界面剪切特性与抗拉特性，其中剪切特性包括：剪应力随剪位移变化规律、界面破坏规律，以及重复剪切条件下界面的残余强度变化规律等。

界面剪切试验是获得钢-砼界面剪切特性的基本方法。现有的界面剪切试验方法与装置一般来源于岩土体直接剪切试验的方法及装置，即将待测钢板及待测混凝土分别放置在上下两个剪切盒中，固定上剪切盒不动，并在上剪切盒顶部施加一定的竖向荷载，然后以一定的剪切速率推动下剪切盒，使两种材料之间的接触界面产生剪切位移，在此过程中记录剪切应力与剪切位移之间的关系；改变不同的竖向荷载进行重复试验，分析界面法向应力对界面剪切特性的影响。类似钢-砼界面剪切特性试验已取得了一定的成果，但相关的试验方法与试验装置具有一定的缺陷，如为了破坏界面法向应力对界面剪切特性的影响，在上剪切盒顶部施加与重力方向相同的竖向荷载，上剪切盒内材料受到的荷载通过盒壁向下传递，连同上剪切盒自身的重力，使上、下剪切盒之间产生一定的摩擦力；同时，下剪切盒要置于刚性底座上，在上部荷载的作用下，必然在下剪切盒与底座之间也会产生摩擦力。钢-砼界面剪切特性与传统土体剪切试验不同，为模拟实际工程，所施加的竖向荷载一般较大，以上两部分摩擦对试验结果的影响一般难以忽略，进而影响试验结果的精确度。对于传统剪切试验，剪切过程中界面接触面积还会随剪切位移的增加而减小，从而使试验结果产生误差。同时，对于钢-砼接触界面的抗拉特性，一般需要利用另外的试验装置进行试验，造成资源的浪费。

钢-砼接触界面的力学特性不仅与界面的法向应力有关，还与界面的法向刚度有关，同时受混凝土的强度、界面的粗糙度、材料的抗磨损性等因素的影响。目前，传统的钢-砼界面力学特性试验仅对不同法向应力条件下的剪切特性研究较多，尚未形成全面、成熟的钢-砼界面力学特性测定技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免摩擦因素干扰，且能够实现在不同法向应力、法向刚度条件下对钢-砼界面力学特性测定的装置。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种钢-砼接触界面力学特性测试装置，包括水平设置、且相互平行的至少两条导轨。所述导轨上安放底座，所述导轨的两端分别安装有固定刚性挡板和可动刚性挡板。所述固定刚性挡板与可动刚性挡板的板面正对底座，所述固定刚性挡板与导轨的相对位置固定不变，所述可动刚性挡板和底座能够在外力作用下沿导轨滑动。

所述底座具有一个水平上端面。试验时，所述上端面承载被测试样。所述被测试样包括一块垂直放置在底座上的待测钢板，所述待测钢板的两个板面分别面向固定刚性挡板和可动刚性挡板，所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结。所述混凝土块Ⅰ面向固定刚性挡板的侧面与刚性盖板Ⅰ接触，所述混凝土块Ⅱ面向可动刚性挡板的侧面与刚性盖板Ⅱ接触。试验时，所述刚性盖板Ⅰ与固定刚性挡板之间安装有连接件Ⅰ，即所述连接件Ⅰ的一端连接在刚性盖板Ⅰ的板面、另一端连接在固定刚性挡板的板面。所述刚性盖板Ⅱ与可动刚性挡板之间安装有连接件Ⅱ，即连接件Ⅱ的一端连接在刚性盖板Ⅱ的板面、另一端连接在可动刚性挡板的板面。

所述导轨的一侧具有水平加载及测量装置，所述水平加载及测量装置的伸缩端与所述待测钢板连接。试验时，所述水平加载及测量装置对待测钢板施加垂直于导轨方向的推力或拉力。

所述可动刚性挡板背向被测试样的板面与伺服液压加载装置的压头连接。试验时，所述伺服液压加载装置对可动刚性挡板施加平行于导轨方向的推力。

本发明的另一个目的是采用上述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向刚度试验的方法，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板，所述待测钢板具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板的下端面搁置在所述底座的上表面并使得所述待测钢板的两个板面与导轨垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置的伸缩端连接。