CN104074210A - 桩基础侧摩阻力室内试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桩基础侧摩阻力室内试验装置及其试验方法。工程实际中准确评价分析桩基侧摩阻力具有较强的指导意义。本发明于试验底盘上设置试验桩，外圈为原状试样和侧围试样顶面依次有测量顶块、原状试样顶板和侧围试样顶板；原状试样外圈设置有压力室侧壁，围成的空间为压力室，压力室内灌注有围压液体形成围压；试验桩底面设置有顶杆活塞，向上加力产生侧壁摩擦，测量顶块的顶面设置有压力表和位移传感器进行数据测量。本发明利用小成本的室内试验，确定桩土界面关系，桩身在侧向压力作用下侧摩阻力的发挥性状，试验成果具有前瞻性，对准确指导工程设计和施工具有重要的意义。

Description

桩基础侧摩阻力室内试验装置及其试验方法

技术领域

    本发明涉及一种桩基承载力测试方法，具体涉及一种桩基础侧摩阻力室内试验装置及其试验方法。

背景技术

桩基础是现有地基基础中常用的工程措施，准确描述确定桩基承载力是工程设计中的重要环节之一。桩基承载力取决于桩端阻力和桩基侧摩阻力，在竖向荷载作用下桩身材料发生弹性压缩变形，如果侧摩阻力不足以抵抗竖向压力时，桩端阻力才产生作用。为提高桩的承载力，对桩基的侧摩阻力的作用机理及发挥性状进行研究具有极其重要的作用。

我国现行规范将桩基侧摩阻力看作只与桩周土体性质和类型相关的一个常数，侧摩阻力系数通过双桥静力触探方法或经验参数确定，实际工程中的桩基承载力需要通过试桩的载荷板试验最终确定。国外一些知名学者则利用桩周土的力学性质确定侧摩阻力，Tomlinson、Vesic等认为桩在粘性土中的侧摩阻力近似等于土的不排水抗剪强度。Chandler将桩周土对桩身的侧向压力作为承载力设计参数，侧向压力随桩埋深增大而增大。另外一些学者的研究认为桩的几何特性、桩土模量比、桩土界面条件等对侧摩阻力有影响。

综上所述，在复杂多变的工工程实际中，准确评价分析桩基侧摩阻力不仅具有重要的研究价值，对实际工程设计也具有较强的指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种桩基础侧摩阻力室内试验装置及其试验方法，解决现有技术中桩基侧摩阻力系数合理取值的问题，不仅可描述桩身侧摩阻力大小和分布规律为工程设计提供可靠的设计参数依据，同时一定程度上确定桩基负摩阻力大小分布。

本发明所采用的技术方案是：

桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

设置有试验底盘，试验底盘上方中心处为试验桩，试验桩外圈为原状试样，原状试样外圈为侧围试样；

试验桩顶面设置有测量顶块，原状试样顶面设置有原状试样顶板，侧围试样顶面设置有侧围试样顶板；

原状试样外圈设置有压力室侧壁，与原状试样之间有间隔；压力室侧壁高于原状试样，顶缘设置有压力室顶板；压力室顶板环周边缘与试验底盘之间固定有压力室螺栓；试验桩顶面的测量顶块从压力室顶板中心穿出；试验底盘、侧围试样、压力室侧壁、压力室顶板、原状试样顶板、侧围试样顶板和测量顶块围成的空间为压力室，压力室内灌注有围压液体；

试验桩底面设置有顶杆活塞，顶杆活塞从试验底盘中心穿入，顶杆活塞底部为液压顶杆，液压顶杆与液压泵组相接，管路上设置有微流量计和压力计；测量顶块的顶面设置有压力表和位移传感器。

压力室与围压泵组相接，管路上设置有围压表。

压力室顶部、压力室顶板上设置有溢流阀。

原状试样顶部连接有进水管，底部设置有1号排气阀；

侧围试样底部设置有2号排气阀。

试验底盘上表面设置有圆形的凸台，试验桩、原状试样和侧围试样均置于凸台上方，侧围试样外壁与凸台环周对齐。

试验底盘置于平台形的试验台上，试验底盘底部设置内螺纹，试验台顶面设置有具有外螺纹的的凸台，试验底盘旋紧固定于试验台。

试验台下方设置有底座，底座边缘固定有两个立柱，试验台悬空固定于立柱；

液压泵组和围压泵组置于底座上；

立柱顶端之间设置有横梁，压力表悬挂于横梁。

原状试样顶板上表面设置有环套在测量顶块外的圆筒，从压力室顶板穿出；压力室顶板中心孔缘设置上凸的环台，原状试样顶板的圆筒顶缘设置有环周的外弯折，套于压力室顶板的环台，并通过螺钉固定；

原状试样顶板的圆筒与压力室顶板之间设置有密封胶圈。

原状试样外包覆有弹性薄膜；

侧围试样和试验底盘的凸台外包覆有弹性薄膜。

桩基础侧摩阻力室内试验装置的试验方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：将顶杆活塞顶面与相邻试验底盘顶面调平，在顶杆活塞顶面上制备圆柱状的原状试样，直径不大于拟试验桩径的4倍，在原状试样外包覆弹性薄膜；

步骤二：将侧围试样的制样筒套于试验底盘的凸台上，在制样筒内、原状试样外围填筑土样并夯实，制备侧围试样，夯实干密度应等于原状试样干密度；

步骤三：取出侧围试样的制样筒，将侧围试样顶部整平，将侧围试样顶板置于顶部，在侧围试样和试验底盘的凸台外包覆弹性薄膜，底部用橡皮筋扎紧，将原状试样和侧围试样同时封闭；

步骤四：在试验底盘上放置压力室侧壁，并用压力室螺栓将压力室顶板与试验底盘紧固密封；

步骤五：松开原状试样顶板和压力室顶板之间的螺钉，关闭液压泵组逆向阀稳定液压顶杆，打开溢流阀，然后开启围压泵组向压力室内注入围压液体，压力室注满液体后拧紧溢流阀，并逐渐加压稳定到试验围压；

步骤六：在试验围压作用下，打开原状试样和侧围试样中非饱和土的1号排气阀和2号排气阀，并维持稳定的固结压力8小时，关闭1号排气阀和2号排气阀；饱和土固结稳定后，在1号排气阀和2号排气阀上连接孔隙水压力计，测量试样内部孔隙水压力；

步骤七：取下测量顶块，向下垂直在原状试样中心钻孔，钻至试验底盘并清孔，孔径小于测量顶块直径；

步骤八：钻孔完成后，向孔内注入模拟桩身的材料，制备试验桩，注入高度要低于原状试样顶板的底面高度，维持稳定围压14天；

步骤九：待试验桩桩身强度达到要求后，安置压力计和位移传感器，紧固原状试样顶板和压力室顶板之间的螺钉，开始试验桩桩身侧摩阻力测试试验；打开液压泵组，读取微流量计和压力计的初值；

步骤十：将预计桩基承载力分十级，调节液压泵组，分级加压，微流量计测定桩底位移，桩底位移1小时内小于0.01mm后加下一级压力；每级压力下间隔10分钟分别读取微流量计、压力计、压力表和位移传感器的值并记录；当桩底位移在两小时内不能稳定或压力表的值大于等于0.5倍压力计的值时，试验完成；

步骤十一：整理试验数据，根据微流量计值计算各级合作作用下桩底位移量，压力计值计算桩底荷载力，压力表值计算桩顶反力发生时间与桩底荷载的关系；桩体发生剪切位移破坏后，用压力计、微流量计测量值绘制桩身荷载-位移曲线图；

取出试验桩，量取试桩外径并计算其平均值，以试桩平均外径作为剪切破坏面计算直径分析该级围压下桩身侧摩阻力；

 步骤十二：通过压力室注入围压液体的两，进行不同围压下的试验桩桩身侧摩阻力测试。

本发明具有以下优点：

本发明利用场地原状土样进行桩基的小成本的室内试验，确定桩土界面关系，桩身在侧向压力作用下侧摩阻力的发挥性状，利用沉降浸水等手段测试桩负摩阻力，不仅在工程设计前可以给出侧摩阻力参数取值方法及承载力计算方法，同时也为桩基作用机理的研究提供一个可靠有效的室内试验手段。

在工程的勘察阶段即可针对场内原状土样进行不同压力条件下的建筑桩基的室内侧摩阻力测试，可以有针对性的描述不同桩基在不同工况条件下的侧摩阻力特性，建立场内桩基侧摩阻力分析模型及规律，不仅试验成本小，且试验成果具有前瞻性，对准确指导工程设计和施工具有重要的意义。 

附图说明

图1为本发明结构图。

图2为A-A截面图。

图3为B大样图。

图中，1-立柱，2-横梁，3-压力表，4-位移传感器，5-测量顶块，6-原状试样顶板，7-密封胶圈，8-进水管，9-压力室侧壁，10-围压液体，11-围压表，12-1号排气阀，13-试验台，14-微流量计，15-压力计，16-液压泵组，17-围压泵组，18-底座，19-压力室顶板，20-侧围试样顶板，21-侧围试样，22-原状试样，23-试验桩，24-顶杆活塞，25-试验底盘，26-2号排气阀，27-液压顶杆，28-溢流阀，29-压力室螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的一种桩基础侧摩阻力室内试验装置，设置有试验底盘25，试验底盘25上方中心处为试验桩23，试验桩23外圈为原状试样22，原状试样22外圈为侧围试样21。试验桩23顶面设置有测量顶块5，原状试样22顶面设置有原状试样顶板6，侧围试样21顶面设置有侧围试样顶板20。

原状试样22外圈设置有压力室侧壁9，与原状试样22之间有间隔；压力室侧壁9高于原状试样22，顶缘设置有压力室顶板19；压力室顶板19环周边缘与试验底盘25之间固定有压力室螺栓29；试验桩23顶面的测量顶块5从压力室顶板19中心穿出；试验底盘25、侧围试样21、压力室侧壁9、压力室顶板19、原状试样顶板6、侧围试样顶板20和测量顶块5围成的空间为压力室，压力室内灌注有围压液体10。

试验桩23底面设置有顶杆活塞24，顶杆活塞24从试验底盘25中心穿入，顶杆活塞24底部为液压顶杆27，液压顶杆27与液压泵组16相接，管路上设置有微流量计14和压力计15；测量顶块5的顶面设置有压力表3和位移传感器4。

压力室与围压泵组17相接，管路上设置有围压表11。压力室顶部、压力室顶板19上设置有溢流阀28。原状试样22顶部连接有进水管8，底部设置有1号排气阀12；侧围试样21底部设置有2号排气阀26。

试验底盘25上表面设置有圆形的凸台，试验桩23、原状试样22和侧围试样21均置于凸台上方，侧围试样21外壁与凸台环周对齐。

试验底盘25置于平台形的试验台13上，试验底盘25底部设置内螺纹，试验台13顶面设置有具有外螺纹的的凸台，试验底盘25旋紧固定于试验台13。试验台13下方设置有底座18，底座18边缘固定有两个立柱2，试验台13悬空固定于立柱2；液压泵组16和围压泵组17置于底座18上。立柱2顶端之间设置有横梁2，压力表3悬挂于横梁2。

原状试样顶板6上表面设置有环套在测量顶块5外的圆筒，从压力室顶板19穿出；压力室顶板19中心孔缘设置上凸的环台，原状试样顶板6的圆筒顶缘设置有环周的外弯折，套于压力室顶板19的环台，并通过螺钉固定；原状试样顶板6的圆筒与压力室顶板19之间设置有密封胶圈7。原状试样22外包覆有弹性薄膜；侧围试样21和试验底盘25的凸台外包覆有弹性薄膜。

上述桩基础侧摩阻力室内试验装置的试验方法，由以下步骤实现：

步骤一：将顶杆活塞24顶面与相邻试验底盘25顶面调平，在顶杆活塞24顶面上制备圆柱状的原状试样22，直径不大于拟试验桩径的4倍，在原状试样22外包覆弹性薄膜；

步骤二：将侧围试样21的制样筒套于试验底盘25的凸台上，在制样筒内、原状试样22外围填筑土样并夯实，制备侧围试样21，夯实干密度应等于原状试样22干密度；

步骤三：取出侧围试样21的制样筒，将侧围试样21顶部整平，将侧围试样顶板20置于顶部，在侧围试样21和试验底盘25的凸台外包覆弹性薄膜，底部用橡皮筋扎紧，将原状试样22和侧围试样21同时封闭；

步骤四：在试验底盘25上放置压力室侧壁9，并用压力室螺栓29将压力室顶板19与试验底盘25紧固密封；

步骤五：松开原状试样顶板6和压力室顶板19之间的螺钉，关闭液压泵组16逆向阀稳定液压顶杆27，打开溢流阀28，然后开启围压泵组17向压力室内注入围压液体10，压力室注满液体后拧紧溢流阀28，并逐渐加压稳定到试验围压；

步骤六：在试验围压作用下，打开原状试样22和侧围试样21中非饱和土的1号排气阀12和2号排气阀26，并维持稳定的固结压力8小时，关闭1号排气阀12和2号排气阀26；饱和土固结稳定后，在1号排气阀12和2号排气阀26上连接孔隙水压力计，测量试样内部孔隙水压力；

步骤七：取下测量顶块5，向下垂直在原状试样22中心钻孔，钻至试验底盘25并清孔，孔径小于测量顶块直径；

步骤八：钻孔完成后，向孔内注入模拟桩身的材料，制备试验桩23，注入高度要低于原状试样顶板6的底面高度，维持稳定围压14天；

步骤九：待试验桩23桩身强度达到要求后，安置压力计3和位移传感器4，紧固原状试样顶板6和压力室顶板19之间的螺钉，开始试验桩23桩身侧摩阻力测试试验；打开液压泵组16，读取微流量计14和压力计15的初值；

步骤十：将预计桩基承载力分十级，调节液压泵组16，分级加压，微流量计14测定桩底位移，桩底位移1小时内小于0.01mm后加下一级压力；每级压力下间隔10分钟分别读取微流量计14、压力计15、压力表3和位移传感器4的值并记录；当桩底位移在两小时内不能稳定或压力表3的值大于等于0.5倍压力计15的值时，试验完成；

步骤十一：整理试验数据，根据微流量计14值计算各级合作作用下桩底位移量，压力计15值计算桩底荷载力，压力表3值计算桩顶反力发生时间与桩底荷载的关系；桩体发生剪切位移破坏后，用压力计15、微流量计14测量值绘制桩身荷载-位移曲线图；

取出试验桩23，量取试桩外径并计算其平均值，以试桩平均外径作为剪切破坏面计算直径分析该级围压下桩身侧摩阻力；

 步骤十二：通过压力室注入围压液体10的两，进行不同围压下的试验桩23桩身侧摩阻力测试。

上述试验装置可进行湿陷性黄土中桩基负摩阻力测试，完成模型桩施工后，将进水口8外接水源充分浸水，关闭液压泵组16，读取桩基对地板的压力。

桩基与桩周土作用关系与两者的性质紧密相关，不同组合桩基侧摩阻力发挥方式也不同，其破坏面有可能是桩周土的剪切破坏，亦有可能是桩基与侧壁的滑动摩擦破坏。例如结构性较强土层中的钻孔灌注桩，桩基破坏时的平均直径就要大于钻孔直径，而预制桩的破坏则主要是沿桩基外侧的滑动破坏。故而以单一侧摩阻力或桩周土不排水强度评估桩基均存在一定偏差。

本发明采用将桩基模型置于原状试样当中，近似的模拟了工程中桩基的实际工况，并在原状试样外侧增加了侧围土试样消除了试验尺寸效应带来的误差同时达到围压传递的效用，可以准确描述固结围压作用下桩基的工作状况。在围压作用下以竖向液压杆推动模拟桩基试样移动，模拟桩基的实际工作状态。室内试验不仅可以模拟不同工况、设备测量精度也高、测量值准确、成本低、经济可靠，在工程前期即可进行测试从而指导工程设计。测试结构不仅准确可靠，而且试验结果具有直观性，对桩基础破坏规律的研究也具有重要实用价值。

现有桩基工程设计中采用固定侧摩阻力值，即侧摩阻力的大小只与桩周土性质有关，或者利用静力触探资料进行修正取值。桩基承载力为侧摩阻力与桩端阻力之和。

 

U_i、L_i为桩周第i层土的厚度和桩周长，q_sui、q_pu 为第i层土的极限侧摩阻力和持力层的极限端阻力，A_p为桩端截面积。对于摩擦桩，q_sui的合理取值问题直接关系到工程安全性和成本造价，也是目前工程设计中遇到的一个重要问题。

本发明的桩基承载力计算公式为：

其中σ_i为第i层土侧向压力，f_sui 为试验所得侧摩阻力系数；

 

Q₁、Q₂分别为试样下端和上端压力测试试验值，l_s试样高度，D_m为试桩破坏外径平均值，σ₃为测试围压大小。

本发明试验方法测试的不仅可以直接反映不同桩土组合结构破坏形式，桩基侧摩阻力测试值中包含侧向围压系数的影响，更能准确反映桩体实际工作状态，这是当前工程中所不常见的，具有重要的研究意义和实用价值。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

设置有试验底盘（25），试验底盘（25）上方中心处为试验桩（23），试验桩（23）外圈为原状试样（22），原状试样（22）外圈为侧围试样（21）；

试验桩（23）顶面设置有测量顶块（5），原状试样（22）顶面设置有原状试样顶板（6），侧围试样（21）顶面设置有侧围试样顶板（20）；

原状试样（22）外圈设置有压力室侧壁（9），与原状试样（22）之间有间隔；压力室侧壁（9）高于原状试样（22），顶缘设置有压力室顶板（19）；压力室顶板（19）环周边缘与试验底盘（25）之间固定有压力室螺栓（29）；试验桩（23）顶面的测量顶块（5）从压力室顶板（19）中心穿出；试验底盘（25）、侧围试样（21）、压力室侧壁（9）、压力室顶板（19）、原状试样顶板（6）、侧围试样顶板（20）和测量顶块（5）围成的空间为压力室，压力室内灌注有围压液体（10）；

试验桩（23）底面设置有顶杆活塞（24），顶杆活塞（24）从试验底盘（25）中心穿入，顶杆活塞（24）底部为液压顶杆（27），液压顶杆（27）与液压泵组（16）相接，管路上设置有微流量计（14）和压力计（15）；测量顶块（5）的顶面设置有压力表（3）和位移传感器（4）。

2.根据权利要求1所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

压力室与围压泵组（17）相接，管路上设置有围压表（11）。

3.根据权利要求2所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

压力室顶部、压力室顶板（19）上设置有溢流阀（28）。

4.根据权利要求3所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

原状试样（22）顶部连接有进水管（8），底部设置有1号排气阀（12）；

侧围试样（21）底部设置有2号排气阀（26）。

5.根据权利要求4所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

试验底盘（25）上表面设置有圆形的凸台，试验桩（23）、原状试样（22）和侧围试样（21）均置于凸台上方，侧围试样（21）外壁与凸台环周对齐。

6.根据权利要求5所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

试验底盘（25）置于平台形的试验台（13）上，试验底盘（25）底部设置内螺纹，试验台（13）顶面设置有具有外螺纹的的凸台，试验底盘（25）旋紧固定于试验台（13）。

7.根据权利要求6所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

试验台（13）下方设置有底座（18），底座（18）边缘固定有两个立柱（2），试验台（13）悬空固定于立柱（2）；

液压泵组（16）和围压泵组（17）置于底座（18）上；

立柱（2）顶端之间设置有横梁（2），压力表（3）悬挂于横梁（2）。

8.根据权利要求7所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

原状试样顶板（6）上表面设置有环套在测量顶块（5）外的圆筒，从压力室顶板（19）穿出；压力室顶板（19）中心孔缘设置上凸的环台，原状试样顶板（6）的圆筒顶缘设置有环周的外弯折，套于压力室顶板（19）的环台，并通过螺钉固定；

原状试样顶板（6）的圆筒与压力室顶板（19）之间设置有密封胶圈（7）。

9.根据权利要求8所述的桩基础侧摩阻力室内试验装置，其特征在于：

原状试样（22）外包覆有弹性薄膜；

侧围试样（21）和试验底盘（25）的凸台外包覆有弹性薄膜。

10.桩基础侧摩阻力室内试验装置的试验方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：将顶杆活塞（24）顶面与相邻试验底盘（25）顶面调平，在顶杆活塞（24）顶面上制备圆柱状的原状试样（22），直径不大于拟试验桩径的4倍，在原状试样（22）外包覆弹性薄膜；

步骤二：将侧围试样（21）的制样筒套于试验底盘（25）的凸台上，在制样筒内、原状试样（22）外围填筑土样并夯实，制备侧围试样（21），夯实干密度应等于原状试样（22）干密度；

步骤三：取出侧围试样（21）的制样筒，将侧围试样（21）顶部整平，将侧围试样顶板（20）置于顶部，在侧围试样（21）和试验底盘（25）的凸台外包覆弹性薄膜，底部用橡皮筋扎紧，将原状试样（22）和侧围试样（21）同时封闭；

步骤四：在试验底盘（25）上放置压力室侧壁（9），并用压力室螺栓（29）将压力室顶板（19）与试验底盘（25）紧固密封；

步骤五：松开原状试样顶板（6）和压力室顶板（19）之间的螺钉，关闭液压泵组（16）逆向阀稳定液压顶杆（27），打开溢流阀（28），然后开启围压泵组（17）向压力室内注入围压液体（10），压力室注满液体后拧紧溢流阀（28），并逐渐加压稳定到试验围压；

步骤六：在试验围压作用下，打开原状试样（22）和侧围试样（21）中非饱和土的1号排气阀（12）和2号排气阀（26），并维持稳定的固结压力8小时，关闭1号排气阀（12）和2号排气阀（26）；饱和土固结稳定后，在1号排气阀（12）和2号排气阀（26）上连接孔隙水压力计，测量试样内部孔隙水压力；

步骤七：取下测量顶块（5），向下垂直在原状试样（22）中心钻孔，钻至试验底盘（25）并清孔，孔径小于测量顶块直径；

步骤八：钻孔完成后，向孔内注入模拟桩身的材料，制备试验桩（23），注入高度要低于原状试样顶板（6）的底面高度，维持稳定围压14天；

步骤九：待试验桩（23）桩身强度达到要求后，安置压力计（3）和位移传感器（4），紧固原状试样顶板（6）和压力室顶板（19）之间的螺钉，开始试验桩（23）桩身侧摩阻力测试试验；打开液压泵组（16），读取微流量计（14）和压力计（15）的初值；

步骤十：将预计桩基承载力分十级，调节液压泵组（16），分级加压，微流量计（14）测定桩底位移，桩底位移1小时内小于0.01mm后加下一级压力；每级压力下间隔10分钟分别读取微流量计（14）、压力计（15）、压力表（3）和位移传感器（4）的值并记录；当桩底位移在两小时内不能稳定或压力表（3）的值大于等于0.5倍压力计（15）的值时，试验完成；

步骤十一：整理试验数据，根据微流量计（14）值计算各级合作作用下桩底位移量，压力计（15）值计算桩底荷载力，压力表（3）值计算桩顶反力发生时间与桩底荷载的关系；桩体发生剪切位移破坏后，用压力计（15）、微流量计（14）测量值绘制桩身荷载-位移曲线图；

取出试验桩（23），量取试桩外径并计算其平均值，以试桩平均外径作为剪切破坏面计算直径分析该级围压下桩身侧摩阻力；

 步骤十二：通过压力室注入围压液体（10）的两，进行不同围压下的试验桩（23）桩身侧摩阻力测试。