技术领域
[0001] 本
发明属于工程试验技术领域，具体涉及测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置及方法。
背景技术
[0002] 随钻跟管桩是一种钻孔、沉桩、排土同步进行的无泥浆排放的环保型大直径(800～1400mm)非挤土管桩，钻孔的同时将PHC管桩沉至孔内(孔径大于桩外径20mm左右)，岩土渣从管桩内腔排出，实现了边钻孔-边沉桩-边排土，待桩端到达持
力层标高后，管桩底部采用浇筑
混凝土的方式封底，管壁与桩周土之间的间隙(10mm左右)采用灌注
水泥浆或
水泥砂浆的方式进行填充。它解决了管桩因桩径较大或土层较硬而造成的沉桩难题，对管桩损害小，桩端可进入中、微
风化岩层，承载力高，施工过程不用泥浆护壁，噪音小，比较环保。这一桩型的研发成功使得在大型的
基础设施建设(码头、大跨度
桥梁、港口等)中采用大直径管桩(800mm及以上)成为了可能，应用前景广阔。
[0003] 随钻跟管桩是一种端承摩擦型管桩，因钻孔孔径略大于桩径，需要在随钻跟管桩和桩周土体之间的间隙(0-10mm)中注浆以提高桩侧摩阻力，摩阻力的大小除了与浆液在注浆间隙中的流动扩展情况密切相关外，还和浆液与土体之间的单位面积粘结强度以及浆液与土体之间发生的压滤效应密切相关。随钻跟管桩桩侧注浆效果决定了桩侧摩阻力的大小，从而在很大程度上影响着其承载性能，目前针对随钻跟管桩桩侧浆液的流动特性已经开展了大量的研究，然而关于桩侧浆液与土体之间的单位面积粘结强度以及浆液与土体之间发生的压滤效应的测试装置及方法尚不成熟，亟需一种新的测试装置和方法填补空缺。
发明内容
[0004] 为解决
现有技术中的上述问题，本发明提供了测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置及方法，其能够模拟施工时浆液和土体状态，进而可以对浆液和土体粘结强度及压滤效应进行测试。
[0005] 本发明采用了以下技术方案：
[0006] 测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括：
[0007] 压滤剪切容器，包括上下对接并密封的上容器主体和下容器主体，所述上容器主体和下容器主体可拆卸固定，所述上容器主体和下容器主体对接后形成压滤剪切室，所述压滤剪切室的底部设有可开合的排液口，所述压滤剪切室的一侧面透明设置；还包括用于监测所述压滤剪切室内压力的第一压力监测元件；
[0008] 加压注浆系统，包括储浆容器和用于将空气和所述储浆容器内的浆液输送至压滤剪切室的压力输送装置，所述储浆容器设有第二压力监测元件；
[0009] 剪切加载系统，包括固定架、剪切力加载装置、法向力加载装置、剪切位移
传感器和法向位移传感器，所述上容器主体与所述固定架固定连接；所述剪切力加载装置固定在所述固定架上位于所述下容器主体的一侧，用于给所述下容器主体持续施加平行于浆液和土体粘接界面的剪切力；所述法向力加载装置固定在所述固定架上位于所述下容器主体的底部，用于给所述下容器主体持续施加垂直于浆液和土体粘接界面的法向力；剪切位移传感器用于监测所述下容器主体沿剪切力方向的位移；法向位移传感器用于监测所述下容器主体沿法向力方向的位移。
[0010] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述压滤剪切容器还包括装夹在所述上容器主体和下容器主体之间的
密封件。
[0011] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述密封件的厚度至少大于浆液和土体粘接界面厚度的1.2倍。
[0012] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述下容器主体的底部设有透水层。
[0013] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述排液口的截面呈V型。
[0014] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述固定架上还设有横向的插固柱，所述插固柱可在固定架上水平移动并可穿过插入上容器主体的
侧壁插入所述压滤剪切室。
[0015] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述插固柱插入所述压滤剪切室的长度大于压滤剪切室的宽度的一半。
[0016] 作为本发明技术方案的进一步改进，所述压滤剪切室透明的一面设有高度刻度。
[0017] 本发明还公开了测量浆液和土体压滤效应的方法，基于上述测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括以下步骤：
[0018] S1.填充土体：根据实验方案
选定好试验所用土体，逐层将所述土体填充至所述下容器主体中并
压实，随后对所述土体进行饱
水处理，同时测量并记录所述土样的颗粒级配、
密度、比重；
[0019] S2.注浆前压滤：通过所述压力输送装置往所述压滤剪切室内输入空气使得所述压滤剪切室内的压力达到实验设计压力并维持，打开所述排液口并接收滤失液，分析并记录所述滤失液的特征数据Q1；
[0020] S3.注浆：配制含有示踪剂的浆液，记录此时浆液的水灰比M1，将所述浆液加入所述储浆容器中，通过所述压力输送装置将所述浆液加入所述压滤剪切室内直至设计高度，停止注浆；
[0021] S4.注浆后压滤：通过所述压力输送装置增大所述压滤剪切室内的压强以达到实验设计压强并维持，打开所述排液口并接收滤失液，记录此时浆液的水灰比M2和示踪剂在土体中的压滤深度h，分析并记录所述滤失液的特征数据Q2；
[0022] S5.结果对比分析：根据上述记录的数据分析浆液和土体的压滤效应。
[0023] 本发明还公开了测量浆液和土体粘结强度的方法，基于上所述测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括以下步骤：
[0024] S10.根据实验方案选定好试验所用土体，逐层将所述土体填充至所述下容器主体中并压实；
[0025] S20.配制浆液，将配制好的浆液加入所述储浆容器中，通过所述压力输送装置将所述浆液加入所述压滤剪切室内直至设计高度，停止注浆；
[0026] S30.通过所述压力输送装置增大所述压滤剪切室内的压强以达到实验设计压强并维持，等待浆液逐渐
凝固，形成注浆体及桩-浆-土
接触界面，养护注浆体达到预设强度；
[0027] S40.将所述上容器主体和下容器主体的固定连接拆卸，通过所述法向力加载装置给所述下容器主体加载法向力至预定值并维持，记录此时法向力σ，通过所述法向位移传感器记录法向位移；
[0028] S50.通过所述剪切力加载装置给所述下容器主体逐级加载剪切力，记录每一级的剪切力，通过所述剪切位移传感器记录每一级的剪切力对应的剪切位移，获得剪切-位移曲线和极限剪切力T；
[0029] S60.重复步骤S40和S50，改变所述法向力σ的大小，获得不同法向力σ作用下的极限剪切力T，通过如下公式获得桩-浆-土接触界面的粘聚力C和内摩擦
角[0030]
[0031] 式中，σ为法向力；C为桩-浆-土接触界面的粘聚力；为桩-浆-土接触界面的内摩擦角；T为极限剪切力T；
[0032] S70.根据获得的数据分析影响桩-浆-土接触界面剪切性能的影响参数，所述影响参数包括粘聚力C、内摩擦角 和极限剪
应力T。
[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0034] 本发明的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置及方法，能够模拟浆液和土体在工程中的状态，并可以测量浆液和土体粘结强度以及压滤效应；
[0035] 本发明的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置加工简单、加工成本低、轻便易运输、操作简单、安全性能好；
[0036] 本发明的测量浆液和土体粘结强度的方法和测量浆液和土体压滤效应的方法，操作过程简单明了、适用范围广、测量
精度高。
附图说明
[0037] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术作进一步地详细说明：
[0038] 图1是本发明的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置的整体结构示意图；
[0039] 图2是本发明的加压注浆系统的结构示意图；
[0040] 图3是本发明的压滤剪切容器的结构示意图；
[0041] 图4是本发明的剪切加载系统的结构示意图。
[0042] 附图标记：
[0043] 1-压滤剪切容器；11-上容器主体；12-下容器主体；13-紧固
螺栓；14-压滤剪切室；15-排液口；16-第一压力监测元件；17-密封件；18-透水层；
[0044] 2-加压注浆系统；21-储浆容器；211-高压气管；212-浆液输送管；213-第二压力监测元件；214-盖板；215-注浆口；22-压力输送装置；
[0045] 3-剪切加载系统；31-固定架；32-剪切力加载装置；321-剪切力传感器；33-法向力加载装置；331-法向力传感器；34-剪切位移传感器；35-法向位移传感器；36-插固柱；
[0046] 4-土体；5-液
阀；6-排气阀；7-浆液；8-烧杯；9-滤失液。
具体实施方式
[0047] 以下将结合
实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本
申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
[0048] 需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互
位置关系来说的。
[0049] 实施例1：
[0050] 参照图1至图4，测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括：压滤剪切容器1、加压注浆系统2和剪切加载系统3。
[0051] 其中，压滤剪切容器1包括密封件17、上下对接并密封的上容器主体11和下容器主体12。
[0052] 上容器主体11具有上凹腔，下容器主体12具有下凹腔，二者形状尺寸相匹配，可以实现对接，二者对接时，密封件17装夹在所述上容器主体11和下容器主体12之间将的上容器主体11和下容器主体12的对接处密封。密封件17具体为
橡胶密封条。
[0053] 具体地，所述密封件17的厚度至少大于浆液和土体粘接界面厚度的1.2倍，以便开展桩-浆-土接触界面的剪切试验，但也不易过厚，以免密封效果差。
[0054] 所述上容器主体11和下容器主体12可拆卸固定，具体可以是通过两侧的紧固螺栓13进行固定，可拆卸的设置是为了后续的剪切做基础。
[0055] 所述上容器主体11和下容器主体12对接后，上凹腔和下凹腔共同形成了压滤剪切室14。所述压滤剪切室14的底部设有可开合的排液口15，所述排液口15的截面呈V型，方便排液，具体可以是漏斗形或锥形，排液口15上设置了液阀5，用来控制排液口15的开合。所述下容器主体12的底部设有透水层18，该透水层18为一层透水石，透水层18的作用是防止压滤时土体4堵塞该排液口15。
[0056] 压滤时，排液口15处放置容器承接滤失液9，该容器可以是烧杯8。承接的滤失液9后续可以记录其体积、
质量，并送往实验室检测滤失液9中的各离子种类及含量。为了叙述方便，滤失液9的质量、体积、各离子种类及含量统称为特征数据，注浆前后的特征数据分别表征为Q1和Q2。
[0057] 所述压滤剪切室14的一侧面透明设置，便于后续填土、注浆和压滤的观察，所述压滤剪切室14透明的一面设有高度刻度(图中未示出)，一般可以直接查看填土和注浆高度，该高度刻度具体可以是高清晰刻度尺，当然也可以不设置该高度刻度，只需要从外部用其它尺子测量即可。压滤剪切室14透明的一侧采用高强度的透明玻璃板制成，其它面可以用
钢板。
[0058] 压滤剪切容器1还包括用于监测所述压滤剪切室14内压力的第一压力监测元件16，具体可以是压力表，用于确定压滤剪切室14内的压力。
[0059] 其中，加压注浆系统2，包括储浆容器21和用于将空气和所述储浆容器21内的浆液7输送至压滤剪切室14的压力输送装置22，所述储浆容器21设有第二压力监测元件213。第二压力监测元件213具体可以是压力表，用于确定储浆容器21的压力。
[0060] 所述储浆容器21的上端通过高压气管211与所述压力输送装置22相连通，所述储浆容器21的下端通过浆液输送管212与所述压滤剪切室14的上端相连通。储浆容器21上设有注浆口215和用于密封所述注浆口215的盖板214。压力输送装置22具体可以是空气
压缩机。当储浆容器21内不放入浆液7时，启动空气压缩机可以往压滤剪切室14输入空气，增大压滤剪切室14内的压强。当储浆容器21内放入了浆液7，启动空气压缩机可以往压滤剪切室注浆，并保持一定的压强。
[0061] 高压气管211和浆液输送管212上都设有液阀5。储浆容器21和上容器主体11上都可以排气管，排气管上也都设置排气阀6。
[0062] 其中，剪切加载系统3，包括固定架31、剪切力加载装置32、法向力加载装置33、剪切位移传感器34和法向位移传感器35。固定架31整体呈“匚型”。剪切力加载装置32包括横向设置的千斤顶和剪切力传感器321；法向力加载装置33包括纵向设置的千斤顶和法向力传感器331。
[0063] 所述上容器主体11与所述固定架31固定连接，可以是通过螺栓进行固定，也可以是通过
焊接固定。
[0064] 所述剪切力加载装置32固定在所述固定架31上位于所述下容器主体12的一侧，用于给所述下容器主体12持续施加平行于浆液和土体粘接界面的剪切力，具体是该千斤顶的一端固定在固定架31上，另一端横向抵在下容器主体12的侧壁上，剪切力传感器321则横向设置在下容器主体12和固定架31之间以测定该剪切力的大小。剪切位移传感器34用于监测所述下容器主体12沿剪切力方向的位移，同样横向设置在下容器主体12的侧面和固定架31之间。
[0065] 所述法向力加载装置33固定在所述固定架31上位于所述下容器主体12的底部，用于给所述下容器主体12持续施加垂直于浆液和土体粘接界面的法向力，具体是该千斤顶的一端固定在固定架31上，另一端竖向抵在下容器主体12的底部，法向力传感器331则竖向设置在下容器主体12和固定架31之间以测定该法向力的大小；法向位移传感器35用于监测所述下容器主体12沿法向力方向的位移，同样竖向设置在下容器主体12的底面和固定架31之间。
[0066] 为了将凝固后的注浆体固定在上容器主体11中，所述固定架31上还设有横向的插固柱36，所述插固柱36可在固定架31上水平移动并可穿过插入上容器主体11的侧壁插入所述压滤剪切室14。所述插固柱36插入所述压滤剪切室14的长度大于压滤剪切室14的宽度的一半。在注浆时将插固柱36插入压滤剪切室14中，等注浆体凝固后则与插固柱36固定在一起，进而与上容器主体11相固定。该插固柱36具体可以是螺栓。
[0067] 需要说明的是，储浆容器21、上容器主体11和下容器主体12的耐压能力应当大于实验压力的1.2倍，以确保安全，其材料不局限于钢材、亚克力板材、
铝材等。
[0068] 基于上述的结构，简述其用法。
[0069] 使用时，下容器主体12内分层回填土，饱水并逐
层压实，填土高度至下容器主体12的上沿；填土后可以往压滤剪切室14输入空气，进行注浆前压滤；注浆后，再进行注浆后压滤。待注浆体凝固后，将上容器主体11和下容器主体12拆卸分开不在固定，通过剪切加载系统3施加法向力，并逐级增加剪切力。记录各项数据以进行粘结强度的分析。
[0070] 本发明的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置加工简单、加工成本低、轻便易运输、操作简单、安全性能好。
[0071] 实施例2：
[0072] 本实施例公开了测量浆液和土体压滤效应的方法，基于实施例1的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括以下步骤：
[0073] S1.填充土体：组装好上述装置，此时下容器主体12的底部由法向力加载装置33
支撑，检查整个装置的气密性。气密性良好，则根据实验方案选定好试验所用土体4(不局限黏土、
砂土、回填土等)，逐层将所述土体4填充至所述下容器主体12中透水层18上，饱水并逐层压实，每5-10cm为一层，压实后测量土体4的密实度，密实度满足试验需求后进行下一层填土，直至填满下容器主体12。随后测量并记录所述土样的颗粒级配、密度、比重等其他物理力学性质。
[0074] 其中，检查装置的气密性的具体操作为：关闭排气阀6和出液口，盖上储液容器的盖板214，通过压力输送装置22往压滤剪切室14内输入空气，并根据气压变化判断是否气密性良好，若不良好，则排除问题直至气密性良好，再进行填充土体4。
[0075] S2.注浆前压滤：填好土，将上容器主体11与下容器主体12密封对接并相固定，通过所述压力输送装置22往所述压滤剪切室14内输入空气使得所述压滤剪切室14内的压力达到实验设计压力并维持，打开所述排液口15并接收滤失液9，分析并记录所述滤失液9的特征数据Q1，特征数据Q1包括注浆前的滤失液9的质量、体积、各离子种类及含量。
[0076] S3.注浆：根据试验设计值称量相应质量的水、水泥、流变改性剂、膨胀剂、时间调节剂、防析水剂等，制备相应的浆液7，并在浆液7中添加示踪剂，本实施例中，示踪剂为红色示踪剂，记录此时的水灰比为M1；将所述浆液7加入所述储浆容器21中，通过所述压力输送装置22将所述浆液7加入所述压滤剪切室14内直至设计高度，这个过程中可以通过透明的一面上的高度刻度进行确定，注浆时注意注浆高度不能够浸漫过压滤剪切室14的排气管；达到高度后，停止注浆。注浆的过程中打开压滤剪切室14的排气阀6。
[0077] S4.注浆后压滤：关闭该排气阀6，通过所述压力输送装置22增大所述压滤剪切室14内的压强以达到实验设计压强并维持(此时可将储浆容器21拆卸清洗)，打开所述排液口
15并用另一烧杯8接收滤失液9，记录此时浆液7的水灰比M2和示踪剂在土体4中的压滤深度h，分析并记录所述滤失液9的特征数据Q2，特征数据Q2包括注浆后的滤失液9的质量、体积、各离子种类及含量。
[0078] S5.结果对比分析：根据上述的记录的数据分析浆液7和土体4的压滤效应，具体是对比滤失前后浆液7水灰比M1和M2的变化，经实验室测得含有上述等量外加剂下水灰比M1和水灰比M2的抗压强度、
屈服强度、流动性、结实率、
泌水率、
凝结时间、稠度、密度等物理力学特征；同时对比分析注浆前后滤失液9中关键离子含量的变化，对比分析Q1和Q2的差距，以便后续分析。
[0079] 实验结束后，拆卸整个装置，取出土体4和注浆体，并进行清洗，留待下次使用。
[0080] 通过上述实验过程和结果分析，可以研究不同配比注浆材料在不同种类土体4中的压滤情况，分析滤水量、压滤时间、压滤压力、土层厚度、水灰比、水泥浆高度等之间的关系。
[0081] 本发明测量浆液和土体压滤效应的方法，操作过程简单明了、适用范围广、测量精度高。
[0082] 实施例3：
[0083] 本实施例公开了测量浆液和土体粘结强度的方法，基于实施例1的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置，包括以下步骤：
[0084] S10.组装好上述装置，此时下容器主体12的底部由法向力加载装置33支撑，检查整个装置的气密性。气密性良好，则根据实验方案选定好试验所用土体4(不局限黏土、砂土、回填土等)，逐层将所述土体4填充至所述下容器主体12中透水层18上并压实，每5-10cm为一层，压实后测量土体4的密实度，密实度满足试验需求后进行下一层填土，直至填满下容器主体12。其中检查气密性的操作与实施例2的相同，在此不再赘言。
[0085] S20.根据试验设计值称量相应质量的水、水泥、流变改性剂、膨胀剂、时间调节剂、防析水剂等，制备相应的浆液7；将所述浆液7加入所述储浆容器21中，通过所述压力输送装置22将所述浆液7加入所述压滤剪切室14内直至设计高度，这个过程中可以通过透明的一面上的高度刻度进行确定，注浆时注意注浆高度不能够浸漫过压滤剪切室14的排气管，避免堵塞；达到高度后，停止注浆，注浆的过程中打开压滤剪切室14的排气阀6。
[0086] S30.关闭该排气阀6，通过所述压力输送装置22增大所述压滤剪切室14内的压强以达到实验设计压强并维持(此时可将储浆容器21拆卸清洗)，注浆时该插入注插入该压滤剪切室14内，等待浆液7逐渐凝固，形成注浆体及桩-浆-土接触界面(由原浆液和土体粘接界面凝固变化形成)，养护注浆体达到预设强度。
[0087] S40.将所述上容器主体11和下容器主体12的固定连接拆卸，取下密封件17，此时上容器主体11和下容器主体12分离；通过所述法向力加载装置33给所述下容器主体12逐级加载法向力，采用法向力传感器331和法向位移传感器35记录法向力大小和法向位移，待法向力到达预定值后，维持该法向力，记录此时的法向力σ和法向位移。
[0088] 值得说明的是，法向荷载的施加会造成土体4和注浆体的压缩，一般来说土体4的压缩量远远大于注浆体，再加上注浆体由伸进压滤剪切室14中的插固柱36固定，所以压缩后仍然可以保证注桩-浆-土接触界面与取出具有一定厚度的密封件17所形成的空隙在同一个水平面内，从而不影响剪切试验。
[0089] S50.通过所述剪切力加载装置32给所述下容器主体12逐级加载剪切力，采用剪切力传感器321和剪切位移传感器34分别记录每一级加载剪切力时对应的剪切力和剪切位移，获得剪切-位移曲线，最终得到极限剪切力T、极限剪切位移、残余剪应力、残余应变等参数。
[0090] S60.重复步骤S40和S50，改变所述法向力σ的大小，开展多次(不少于3次)的重复试验，获得不同法向力σ作用下的极限剪切力T、极限剪切位移、残余剪应力、残余应变等参数，通过如下公式获得桩-浆-土接触界面的粘聚力C和内摩擦角
[0091]
[0092] 式中，σ为法向力；C为桩-浆-土接触界面的粘聚力；为桩-浆-土接触界面的内摩擦角；T为极限剪切力T。
[0093] S70.根据获得的数据分析影响桩-浆-土接触界面剪切性能的影响参数，所述影响参数包括粘聚力C、内摩擦角 和极限剪应力T。
[0094] 通过上述实验过程和结果分析，可以研究不同配比注浆材料和不同种类土体4所形成的接触界面的剪切特性，获得接触界面的粘聚力C和内摩擦角 分析影响接触界面剪切性能包括粘聚力C、内摩擦角 和极限剪应力T在内的关键影响参数。
[0095] 实验结束后，拆卸整个装置，取出土体4和注浆体，并进行清洗整个装置，留待下次使用。
[0096] 本发明的测量浆液和土体粘结强度的方法，操作过程简单明了、适用范围广、测量精度高。
[0097] 本发明所述的测量浆液和土体粘结强度及压滤效应的装置及方法的其它内容参见现有技术，在此不再赘述。
[0098] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何
修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
