CN103953079B - 一种基于ct扫描的单桩承载机理物理模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，包括测量单元、模型桩、和依次连接的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元、土料储藏室，所述的测量单元与桩顶荷载加载单元和桩周土加载单元连接，所述的模型桩可运动的贯穿于桩周土加载单元，其顶部与桩顶荷载加载单元刚性连接，底端嵌入土料储藏室的土层内；本发明设计合理、结构简洁、操作方便，造价经济又不占体积，测控精度高。

Description

一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程土工模型试验仪器技术领域，具体的为一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置。

背景技术

公知，对于单桩承载机理的研究，可分为数值模拟、现场试验和室内模型试验，数值模拟是基于试验基础上的一种扩展与提升，离不开试验手段的支撑，而现场试验的费用高、周期长、难度大，开展现场试验在实际工程中是难以普及的，因此，室内模型试验是研究单桩承载机理的一种非常有意义的、值得推广的经济可行的研究手段。

桩基室内模型试验一般不能看到桩土相互作用的过程及破坏形态，难以得到真正意义上的单桩承载机理。为了实现室内模型试验的可视化，已有的研究一般是通过采用透明土或半模试验的方式。透明土的方法存在材料相似性问题，一般仅限于砂土的模拟；半模试验是将桩体模型取一半，透过玻璃进行桩土相互作用的观测，但存在一定程度的边界影响，难以得到真实的承载机理。

室内模型试验一般都经过了原型缩尺，缩尺引起的土层厚度变小，导致模型土的应力场难以反映原位自重应力，现有的模型试验装置要么不反映原位应力场，要么采用气囊、堆载或刚性支架等方式对土体进行加载。气囊加载的压力范围有限，压力超过300kPa时气囊容易应力集中而破损，成功率难以保证；堆载方式需要的试验空间大，操作不方便，压力范围更低；刚性支架加载方式施加的荷载可以较大，但存在加载偏心，土体受力不均匀的问题。此外，现有的模型试验装置均没有针对模型桩加载时的垂直度进行控制，应从模型桩预埋、桩周土填实、加载端接触方式、加载时的导向控制等方面进行改进。

因此，研制精确、经济、实用的能反映原位自重应力场，实现可视化的单桩承载机理物理模型试验装置显得尤为迫切与重要。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，提出了一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置。

本发明的技术方案是：一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，包括：测量单元、模型桩、和依次连接的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元、土料储藏室，所述的测量单元与桩顶荷载加载单元和桩周土加载单元连接，所述的模型桩运动的贯穿于桩周土加载单元，其顶部与桩顶荷载加载单元刚性连接，底端嵌入土料储藏室的土层内。

所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元、土料储藏室由底板和立柱支撑，所述的底板中部开有一放置土料储藏室的底板凹槽，所述的立柱固定在底板上。

所述桩顶荷载加载单元包括固定在立柱上并依次连接的上反力板、千斤顶、带窝槽顶板和球头套。

所述桩周土加载单元包括固定在立柱上依次连接的下反力板、空心千斤顶和传压板。

所述的模型桩为紧固合拢的对开铝管，所述的对开铝管顶部开有内设应变片的U型槽，对开铝管顶部置于球头套中。

所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元内设有百分表，所述的百分表一端固定在百分表支架上，所述的百分表支架固定在立柱上，所述桩顶荷载加载单元中的百分表探头端抵在模型桩表架上，所述的模型桩表架套在模型桩外；所述桩周土加载单元内的百分表探头端抵在垂直于传压板的传压板表架上。

所述的下反力板上设有与模型桩匹配的第一滚珠轴承，所述的传压板上设有与模型桩匹配的第二滚珠轴承。

所述的测量单元包括与应变片连接的采集器、分别与千斤顶和空心千斤顶相连的0.4级精密压力表。

所述的土料储藏室和立柱之间设有固定土料储藏室的凸字型支撑架。

所述的土料储藏室为尼龙材料制作而成的桶状结构。

本发明的有益效果是：

1.本发明可以结合现有的医用CT扫描机，实现对单桩受竖向荷载的变形分布与发展过程及破坏形态的细观可视化研究，揭示单桩承载机理。

2.本发明可以对桩周土进行加载，模拟土体埋深的自重应力场，在传压板的内、外导向作用下保证了土体为竖向受力，且桩周土可以利用桩周土加载系统静压法制备，模型桩为预埋，保证了桩土接触面状态良好，且制样过程中模型桩保持良好的垂直度；模型桩受滚珠轴承的水平限位，只能发生竖向运动，在无摩擦影响的条件下，使模型桩在竖向荷载作用下始终保持垂直。

3.本发明的模型桩应变片及导线埋设在铝管内壁，一方面避免了应变片和导线对应力分布产生影响，另一方面，保护应变片与导线在试验过程中不受破坏，避免外界电磁信号对其干扰，提高了测量的精度与稳定性。

4.本发明不仅可以结合CT开展可视化试验，也可以单独使用，进行常规的单桩受竖向荷载模型试验，还能结合动力试验设备的作动器开展单桩竖向动荷载作用下的模型试验。

5.本发明设计合理、结构简洁、操作方便，造价经济又不占体积，测控精度高(单桩竖向荷载控制精度可达70N，桩周土的上覆荷载控制精度可达3kPa)。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明模型桩的截面图；

图3是本发明的底板大样图；

图4是本发明的上反力板大样图；

图5是本发明的下反力板大样图

图6是本发明的传压板大样图；

图中：1—桩顶荷载加载单元；2—桩周土加载单元；3—土料储藏室；4—模型桩；5—底板；6—立柱；7—上反力板；8—千斤顶；9—带窝槽顶板；10—球头套；11—下反力板；12—空心千斤顶；13—传压板；14—百分表；15—百分表支架；16—模型桩表架；17—传压板表架；18-1—第一滚珠轴承；18-2—第二滚珠轴承；19—凸字型支撑架；20—对开铝管；21—U型槽；22—螺钉；23—土料储藏室固定孔；24—底板凹槽；25—底板立柱孔；26—上反力立柱孔；27—千斤顶螺纹孔；28—下反力板立柱孔；29—空心千斤顶螺纹孔；30—传压板提耳螺纹孔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，包括：测量单元、模型桩4和依次连接的桩顶荷载加载单元1、桩周土加载单元2、土料储藏室3，所述的测量单元与桩顶荷载加载单元1和桩周土加载单元2连接，所述的模型桩4运动的贯穿于桩周土加载单元2，其顶部与桩顶荷载加载单元1刚性连接，底端嵌入土料储藏室3的土层内。

所述的桩顶荷载加载单元1、桩周土加载单元2、土料储藏室3由底板5和立柱6支撑，所述的底板5中部开有一放置土料储藏室的底板凹槽24，所述的立柱6固定在底板5上。如图3，底板5用6061铝合金制成，厚度为40mm，在四个角的位置分别车M24带粗芽螺纹的底板立柱25；立柱6用2A12高强度铝合金制成，可被CT机的X射线透视无伪影产生，立柱6直径为24mm，长1350mm，底部攻80mm长的粗芽螺纹，顶部攻850mm长度的粗芽螺纹；定位螺母是一种高强度的六角螺母，与板材上表面接触用于提供反力的六角螺母的对边宽度为35.40mm，高度36.44mm，为8.8级的56加厚螺母，与板材下表面接触用于固定板材位置的六角螺母的对边宽度为35.40mm，高度为21.24mm，是8级的6170螺母。定位螺母分别配有弹簧垫圈，一方面螺母与立柱6的粗芽螺纹吃住力防止松动，一方面弹簧垫圈的尺寸较螺母大，受力面积增大，从而减小了应力集中对反力板的不利影响。

所述桩顶荷载加载单元包括固定在立柱6上并依次连接的上反力板7、千斤顶8、带窝槽顶板9和球头套10。上反力板7用6061铝合金制成，厚度为25mm，在中心位置均匀布置4个M8的固定千斤顶螺纹孔27，在上反力板7的4个直角处分别布置直径为25mm的上反力板立柱孔26，上反力板7通过上反力板立柱孔26固定在立柱6上。千斤顶8在空载时顶子高度大于本体高度40mm，顶子出露部分车螺纹；千斤顶8的底部在直径为60mm处均匀布置4个M8的螺纹孔，深度为15mm，如图4，用M8的螺杆穿过上反力板7上的千斤顶螺纹孔27将千斤顶8与上反力板7固定在一起。带窝槽顶板9是用钢板制成的，一端通过螺纹套与千斤顶8的顶子螺纹连接，另一端为直径80mm、深度15mm的球形窝槽，窝槽与外径为51mm的球头套13点接触，避免加载偏心引起模型桩受力偏心。

所述桩周土加载单元包括固定在立柱6上依次连接的下反力板11、空心千斤顶12和传压板13。如图5，下反力板11用6061铝合金制成，厚度为25mm，中心镶嵌一个内径为40.5mm的第一滚珠轴承18-1，在中心位置均匀布置4个M10固定空心千斤顶螺纹孔29，在下反力板11的4个直角处分别布置直径为25mm的空心千斤顶螺纹孔29；下反力板11通过下反力板立柱孔28固定在立柱6上。空心千斤顶12在空载时顶子高度大于本体高度40mm，内径为52mm；如图6，传压板13用6061铝合金制成，中心镶嵌一个内径为40.5mm的第二滚珠轴承18-2，传压板13的外径要比土料储藏室3的内径小1mm，可以避免接触，减小摩擦，在传压板13的内、外导向作用下保证了土体为竖向受力。空心千斤顶12的底部用4个定位螺杆固定于下反力板11上的空心千斤顶螺纹孔29上，其顶子顶靠在传压板13上。

如图2，模型桩4为紧固合拢的对开铝管20，所述的对开铝管20顶部开有内设应变片的U型槽21，对开铝管20顶部置于球头套10中。对开铝管20用铝管线切割制作而成，外径40mm，壁厚2mm，每隔200mm钻一个M5的螺纹孔，用M5的螺钉22将对开的铝管拴紧，防止模型桩4在受力后对开铝管张开，螺钉22的两个端部要与铝管平齐，减小螺钉22对应力分布的影响；对开铝管20底部用Φ35mm的塞子塞住，在塞子的中部和铝管的底部开一个M5的螺纹孔，用M5的螺钉22将塞子与铝管固定在一起，如果模拟开口管桩或筒桩，底部不设置塞子；对开铝管20顶部开一个宽度为8mm，长度为55mm的U型槽21；将带有3m长导线的应变片粘贴在对开铝管20的内壁，在应变片的表面涂一层环氧树脂，导线的另一端从U型槽21引出，并与数据采集仪连接，对开铝管20内的导线用绝缘胶带贴紧。模型桩4中的应变片及导线埋设在对开铝管20的内壁，一方面避免了应变片和导线对应力分布产生影响，另一方面，保护应变片与导线在试验过程中不受破坏，避免外界电磁信号对其干扰，提高测量的精度与稳定性。模型桩由铝材制作，该材料可被CT机的X射线透视，无伪影产生。

所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元内设有百分表14，所述的百分表14一端固定在百分表支架15上，所述的百分表支架15固定在立柱6上，所述桩顶荷载加载单元中的百分表14探头端抵在模型桩表架16上，所述的模型桩表架16套在模型桩外；所述桩周土加载单元内的百分表14探头端抵在垂直于传压板的传压板表架17上。

所述的测量单元包括与应变片连接的采集器、分别与千斤顶8和空心千斤顶12相连的0.4级精密压力表，分别量测岩土体的变形、模型桩的沉降量、桩顶荷载与桩身摩擦力分布。

土料储藏室3用尼龙材料制成，外径330mm，保证CT的X射线可穿透该材料；底板1用6061铝合金制成，厚度为40mm，底板5中部铣一5mm深的底板凹槽24，土料储藏室3置于底板凹槽24中，并通过土料储藏室3固定螺丝穿过底板的土料储藏室固定孔23，与土料储藏室3连接，保证制样时土料储藏室3的稳定不动。所述的土料储藏室和立柱6之间设有固定土料储藏室的凸字型支撑架19，用于固定土料储藏室3。在土料储藏室3中分层填筑岩土体并预埋模型桩，试样制作好后，依次安装上其他部件，组装完成，将整个装置水平放置在CT机床上进行试验，凸字型支撑架19与底部凹槽24、共同承受土料储藏室3及内部物质的重量。

下反力板11中心处的第一滚珠轴承18-1的轴线与传压板13中心处的第二滚珠轴承18-2的轴线重合，两个滚珠轴承组成一个导轨，模型桩4穿过下反力板11、传压板13的第二滚珠轴承18-2，沿着这个导轨做无摩擦的直线运动。球头套10套在模型桩5的顶部，带窝槽顶板9的窝槽端与球头套13点接触，避免加载偏心引起模型桩受力偏心。

立柱6依次将底板5、凸字型支撑架19、下反力板11和上反力板7串接在一起，并用定位螺母固定，下反力板11给空心千斤顶12提供竖向反力，上反力板7给千斤顶8提供竖向反力。

本发明试验装置具体操作步骤如下：

1.将土料储藏室3卡在底板凹槽24中，用螺丝将土料储藏室3固定在底板5上，在土料储藏室3的内壁及底部上涂抹一层润滑油，并在其内部逐层填入岩土材料，分层击实，击实前后都要严格控制试样高度，每层土料高度相等，确保试样的均匀性，填筑下一层时，要对上一层土样的表面进行抛毛处理，使相邻的两层土样之间接触良好；当土料达到一定高度(桩底位置)处，安装立柱6、凸字型支撑架19、下反力板11、空心千斤顶12，将模型桩4垂直地立在土料储藏室3中，使模型桩4的轴线与土料储藏室3的轴线重合，将下反力板11、空心千斤顶12、传压板13穿过模型桩4，空心千斤顶12与液压泵、压力表连接，对桩周填料进行静压法压实，直至完成试样的制作。

2.试样制作完成后，将空心千斤顶12的力卸载，安装球头套10、带窝槽顶板9、千斤顶8和上反力板7。千斤顶7与液压泵、压力表连接，用定位螺母调整好各部件的安装位置，完成试样制作与CT扫描模型试验装置的组装。

3.将组装好的试样及装置居中水平放置在CT机床上，调节机床的高度，调整试验装置的位置，使得土料储藏室3处在扫描的最佳中心位置，在CT扫描软件系统中可清晰地看到模型筒整体试样。将模型桩4内应变片的导线与数据采集器连接，在试验的过程中自动采集数据；空心千斤顶12和千斤顶7与液压泵连接，分别对桩周土和模型桩施加荷载；桩顶荷载加载单元1中的百分表14用于测试模型桩的沉降量，桩周土加载单元2中的百分表14用于测试软岩试样及上覆土层的整体变形量。

4.试验开始首先对桩周土缓慢施加上覆荷载，待土体变形稳定后，对模型桩4进行分级缓慢施加荷载，待每级荷载下的桩顶变形稳定后，进行一次CT扫描，观察模型桩在受竖向荷载作用下桩侧土、桩端土、模型桩的变形分布与发展过程等。如此操作直到桩基发生破坏，扫描其桩周土及端部岩土体的破坏形态。试验过程中，全自动记录应变片数据，人工记录百分表14读数、压力表读数。应变片数据可以计算得到桩身的摩擦力分布，根据标定的千斤顶、液压泵的压力表—荷载关系曲线可以得到桩顶荷载，桩顶荷载减去摩擦力即为桩底的端承力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于，包括：测量单元、模型桩(4)、和依次连接的桩顶荷载加载单元(1)、桩周土加载单元(2)、土料储藏室(3)，所述的测量单元与桩顶荷载加载单元(1)和桩周土加载单元(2)连接，所述的模型桩(4)运动的贯穿于桩周土加载单元(2)，其顶部与桩顶荷载加载单元(1)刚性连接，底端嵌入土料储藏室(3)的土层内；所述的桩顶荷载加载单元(1)、桩周土加载单元(2)、土料储藏室(3)由底板(5)和立柱(6)支撑，所述的底板(5)中部开有一放置土料储藏室(3)的底板凹槽(24)，所述的立柱(6)固定在底板(5)上；所述桩顶荷载加载单元包括固定在立柱(6)上并依次连接的上反力板(7)、千斤顶(8)、带窝槽顶板(9)和球头套(10)；所述桩周土加载单元包括固定在立柱(6)上依次连接的下反力板(11)、空心千斤顶(12)和传压板(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的模型桩(4)为紧固合拢的对开铝管(20)，所述的对开铝管(20)顶部开有内设应变片的U型槽(21)，对开铝管(20)顶部置于球头套(10)中。

3.根据权利要求2所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元内设有百分表(14)，所述的百分表(14)一端固定在百分表支架(15)上，所述的百分表支架(15)固定在立柱(6)上，所述桩顶荷载加载单元中的百分表(14)探头端抵在模型桩套板(16)上，所述的模型桩套板(16)套在模型桩外；所述桩周土加载单元内的百分表(14)探头端抵在垂直于传压板的传压板支架(17)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的下反力板(11)上设有与模型桩匹配的第一滚珠轴承(18-1)，所述的传压板(13)上设有与模型桩匹配的第二滚珠轴承(18-2)。

5.根据权利要求4所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的测量单元包括与应变片连接的采集器、分别与千斤顶(8)和空心千斤顶(12)相连的0.4级精密压力表。

6.根据权利要求5所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的土料储藏室(3)和立柱(6)之间设有固定土料储藏室的凸字型支撑架(19)。

7.根据权利要求6所述的一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，其特征在于：所述的土料储藏室(3)为尼龙材料制作而成的桶状结构。