一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备及方法
本发明属于岩土工程试验，尤其涉及一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备及方法。
背景技术：
1、地热能是一种绿色低碳能源，因其环保且可循环利用，能在节能减排实现碳中和的道路上展现出极大的作用，可作为新能源的一大支柱。我国地处亚热带和温带，浅层地热能资源十分充足，但是我国尚未充分开发利用浅层地热能资源。
2、浅层地热能可通过地源热泵系统来开发利用，建筑物可通过地源热泵系统得到制冷和供暖。但传统的地源热泵系统中存在一些技术、经济上的问题，例如地源热泵系统采用水平布置则占地面积大，竖直布置则钻孔费用高；易受地表温度影响，换热效率较低等问题而无法得到解决，导致地源热泵系统不能大范围的使用，但能源桩的出现给地源热泵系统带来了新的应用场景。
3、尽管目前能源桩已经开始大范围的使用，但能量桩与传统的地源热泵系统有较大差异。由于能源装上部承重、下部换热的特殊性导致换热过程较为复杂，其受到桩身结构特性、桩周土体温度变化等因素影响导致目前对能源桩换热的评价方法尚未形成规范，并且桩土界面在循环温度的影响下，温度梯度较大，会在能源桩内部形成温度场，热胀冷缩则在桩身内部形成应变场，进而在桩体内形成应力场，桩-土界面性能更为复杂。
4、在地下工程领域中，常设及在循环温度作用前后，对土体和结构接触面进行不同竖向荷载类型的循环剪切性能的评估和测试，然而目前没有能同时考虑到不同加载条件和循环温度-剪切作用的直剪仪。基于以上背景，为了进行在不同加载条件下，对受循环温度和循环剪切作用的界面性能研究，需要提出一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备及方法。
技术实现思路
1、本发明提供一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备及方法，考虑不同竖向荷载类型，在循环温度和循环剪切作用下，进行循环剪切的界面，研究能源桩的桩-土界面剪切问题。
2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
3、本发明实施例提供一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其包括绝缘箱(1)，所述绝缘箱(1)底部设置有导轨架(10)，所述导轨架(10)之上设置有滚轮(9)，所述滚轮(9)之上放置有下剪切盒(5)，所述下剪切盒(5)两端分别设置有位移计(7)和速度控制器(8)，所述位移计(7)用于监测并记录剪切试验过程的位移，所述速度控制器(8)用于控制剪切速度；
4、所述下剪切盒(5)之上装配有上剪切盒(4)，所述上剪切盒(4)用于存储混凝土试件；所述上剪切盒(4)顶面连接有法向荷载加载系统(3)，所述法向荷载加载系统(3)用于对混凝土试件施加法向荷载；所述法向荷载加载系统(3)连接有法向位移监测系统(2)，用于实时测量法向位移的大小；
5、所述绝缘箱(1)下方还设置有蓄水池(14)，所述下剪切盒(5)通过导热软管(12)与所述蓄水池(14)连接，所述导热软管(12)对应所述蓄水池(14)底部段上连接有动力水泵(15)；所述蓄水池(14)内设置有自动温控装置(18)，所述自动温控装置(18)连接有测温探头(16)和电加热管(17)；
6、所述自动温控装置(18)用于控制温度不超过规定的最高和最低界限；所述测温探头(16)用于实时测量导热液温度；所述电加热管(17)用于对导热液加热；所述导热软管(12)用于对混凝土试件进行温度传导。
7、根据本发明一可选实施例，所述隔热箱(1)底部贴合于桌面(11)设置，所述桌面(11)底部连接有4根桌腿(13)。
8、根据本发明一可选实施例，所述上剪切盒(4)一侧通过固定端(6)连接在所述隔热箱(1)的侧壁上。
9、根据本发明一可选实施例，所述测温探头(16)置于所述蓄水池(14)中，监测水温，向所述自动温控装置(18)传递温度信号，所述自动温控装置(18)根据传递温度信号和所需温度调节温度，将加热信息传递给所述电加热管(17)进行加热。
10、根据本发明一可选实施例，所述能源桩-土界面剪切特性试验设备还包括计算机控制系统，所述计算机控制系统与所述法向荷载加载系统(3)、所述法向位移监测系统(2)、所述位移计(7)、所述速度控制器(8)和所述自动温控装置(18)电性连接，用于控制施加的竖向荷载、剪切速率、循环剪切次数，记录施加的竖向荷载、竖向位移、循环剪切次数、所处温度。
11、根据本发明一可选实施例，所述法向荷载加载系统(3)根据实验要求的恒定法向荷载或恒定法向刚度来替换施加荷载的构件。
12、本发明实施例还提供一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验方法，采用上述实施例中的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备实现的，其中，所述能源桩-土界面剪切特性试验方法包括：
13、步骤s1，在下剪切盒(5)内安装水浴管道，水浴管道上方安装导热板，绝缘箱(1)留有供导热软管(12)穿过的孔洞，管道和孔洞大小要确保导热软管(12)穿过，并且不耗费过多热量；
14、步骤s2，滚轮(9)放置于导轨架(10)上，下剪切盒(5)放置于滚轮(9)上，装配下剪切盒(5)和上剪切盒(4)后，将混凝土试件装入上剪切盒(4)内，并压实至设计密实度；
15、步骤s3，依次组装法向荷载加载系统(3)、速度控制器(8)、法向位移监测系统(2)和位移计(7)；并将法向位移监测系统(2)、位移计(7)、自动温控装置(18)通过数据线与计算机控制系统的数据采集器相连，运行数据采集器检查各部件是否处在正在工作状态；
16、步骤s4，打开自动温控装置(18)，设定试验水温，利用导热软管(12)中的导热液对混凝土试件进行加热，通过数据采集器观察水温是否达到要求，绝缘箱(1)是否隔热达到要求；
17、步骤s5，使用法向荷载加载系统(3)施加法向荷载，通过数据采集器观察法向应力达到试验应力并维持稳定，或法向刚度达到试验刚度并保持稳定，调节测温探头(16)，设定剪切速率和循环剪切次数，对下剪切盒(5)施加剪切荷载，当达到设定循环剪切次数，停止剪切，卸去法向荷载加载系统(3)，清理实验土料，并将下剪切盒(5)退回原位；剪切过程中通过计算机控制系统实时采集该实验温度下的剪切应力、剪切位移随时间的变化以及剪切应力与法向应力的关系，得到混凝土试件接触面抗剪强度曲线图。
18、有益效果：本发明实施例提供一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备及方法，包括法绝缘箱、向位移监测系统、法向荷载加载系统、上剪切盒、下剪切盒、位移计、速度控制器、滚轮、导轨架、导热软管、蓄水池、动力水泵、测温探头、电加热管和自动温控装置；下剪切盒内设置有水浴管道，通过自动温控装置和动力水泵使上剪切盒内混凝土试件处于不同温度，下剪切盒可以使试验进行往返循环剪切，以此模拟能源桩工作环境；法向荷载加载系统为可拆卸装置，可根据实验加载条件更换恒定法向刚度或恒定法向荷载；因此本发明可探究在不同温度与不同加载条件下，对能源桩-土界面在循环剪切状态下的性能特性进行研究。
技术特征：
1.一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，包括绝缘箱(1)，所述绝缘箱(1)底部设置有导轨架(10)，所述导轨架(10)之上设置有滚轮(9)，所述滚轮(9)之上放置有下剪切盒(5)，所述下剪切盒(5)两端分别设置有位移计(7)和速度控制器(8)，所述位移计(7)用于监测并记录剪切试验过程的位移，所述速度控制器(8)用于控制剪切速度；
2.根据权利要求1所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，所述隔热箱(1)底部贴合于桌面(11)设置，所述桌面(11)底部连接有4根桌腿(13)。
3.根据权利要求1所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，所述上剪切盒(4)一侧通过固定端(6)连接在所述隔热箱(1)的侧壁上。
4.根据权利要求1所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，所述测温探头(16)置于所述蓄水池(14)中，监测水温，向所述自动温控装置(18)传递温度信号，所述自动温控装置(18)根据传递温度信号和所需温度调节温度，将加热信息传递给所述电加热管(17)进行加热。
5.根据权利要求4所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，所述能源桩-土界面剪切特性试验设备还包括计算机控制系统，所述计算机控制系统与所述法向荷载加载系统(3)、所述法向位移监测系统(2)、所述位移计(7)、所述速度控制器(8)和所述自动温控装置(18)电性连接，用于控制施加的竖向荷载、剪切速率、循环剪切次数，记录施加的竖向荷载、竖向位移、循环剪切次数、所处温度。
6.根据权利要求5所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备，其特征在于，所述法向荷载加载系统(3)根据实验要求的恒定法向荷载或恒定法向刚度来替换施加荷载的构件。
7.一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验方法，采用如权利要求1～6任一所述的一种多功能荷载下的能源桩-土界面剪切特性试验设备实现的，其特征在于，包括：
技术总结
本发明公开了一种多功能荷载下的能源桩‑土界面剪切特性试验设备及方法，包括法绝缘箱、向位移监测系统、法向荷载加载系统、上剪切盒、下剪切盒、位移计、速度控制器、滚轮、导轨架、导热软管、蓄水池、动力水泵、测温探头、电加热管和自动温控装置；下剪切盒内设置有水浴管道，通过自动温控装置和动力水泵使上剪切盒内混凝土试件处于不同温度，下剪切盒可以使试验进行往返循环剪切，以此模拟能源桩工作环境；法向荷载加载系统为可拆卸装置，可根据实验加载条件更换恒定法向刚度或恒定法向荷载；因此本发明可探究在不同温度与不同加载条件下，对能源桩‑土界面在循环剪切状态下的性能特性进行研究。
技术研发人员：陈伟斌,苏栋,赵林爽,陈湘生,王一博,李强,周岳富
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23