CN104515734B - 一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及其模拟方法，加载系统用螺栓固定在反力架上，推拉电动机固定在反力架上，推拉杆连接在推拉电动机上，在推拉杆中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆连接，拉压传感器导线连接在加载数据控制设备上；推拉杆通过反力架上的预留孔与加载系统连接；模型桩上端通过连接套管连接在推拉杆的下方；模型桩穿过定位板上的预留孔，定位板通过连接钮扣固定在支架上，固定在模型桩桩顶通过连接套管连接在推拉杆的下方，反力架上的预留孔与穿过定位板上的预留孔在同一铅垂线上；模型桩下端穿过定位板上的预留孔伸入模型箱内。可以提高试验精度，可以通过可视化装置直观的观察到试验过程中桩与土的变化。

Description

一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置，本发明还涉及该管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法。

背景技术

管桩竖向静载是一个复杂的过程，包括竖向抗压和竖向抗拔。室内模型试验是一种研究管桩静载的有效手段，可以通过室内模型试验的方法研究其机理。目前，管桩竖向静载试验多为现场原位试验，室内模拟试验应用还是很少，室内静载模拟试验在抗拔方面的研究更为少见，而且室内模拟试验的试验装置及模拟方法还很不成熟。现有的试验模型箱有用砖块、水泥和砂浆砌成的矩形容器。该方法施工简单，容易实现而且造价较低，但是此模型箱不可移动并且不便于观察试验过程中桩与土的变化。现有的试验模型箱还有用角钢和钢板焊接而成的，该模型箱与用砖块、水泥和砂浆砌成的矩形容器相比有一定的优点，该模型箱便于移动，便于试验过程中的移动需要，但是此模型箱仍然不便于观察试验过程中桩与土的变化。现有的加载装置也是各有不同，有采用特制螺杆，以人工匀速旋转施加桩顶荷载的试验加载装置，该加载装置螺杆旋转可能产生扭矩，对试验的干扰比较大，从而导致试验的控制精度降低。现有的加载装置也有用伺服电机加载的，该装置人为干扰的影响相对较小，相对采用特制螺杆加载的装置试验的控制精度有了大幅提高，但是此加载方式不能很好的模拟现实中的管桩竖向静载试验。

综上可知，现有的管桩室内模拟装置及模拟方法各有优缺点，所以选择一种更优的管桩室内模拟装置及模拟方法对试验的精度控制很关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置，可以很好的模拟现实中的管桩竖向静载试验，不仅可以模拟竖向抗压试验，还可以模拟竖向抗拔试验，提高试验精度，可以恒力和均匀加载，可以自由调节，方便压单桩和群桩。更重要的一点是，可以通过可视化装置很直观的观察到试验过程中桩与土的变化。

本发明的另一目的是提供该管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法。

本发明所采用的技术方案是，一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置，加载系统用螺栓固定在反力架上，加载系统包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆；推拉电动机固定在反力架上，推拉杆连接在推拉电动机上，在推拉杆中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆连接，拉压传感器导线连接在加载数据控制设备上；推拉杆通过反力架上的预留孔与加载系统连接；模型桩上端通过连接套管连接在推拉杆的下方，连接套管中部为薄钢板，上部为与推拉杆匹配的圆形钢管，下部为与模型桩匹配的半圆形钢管；模型桩穿过定位板上的预留孔，定位板通过连接钮扣固定在支架上，固定在模型桩桩顶通过连接套管连接在推拉杆的下方，反力架上的预留孔与穿过定位板上的预留孔在同一铅垂线上；模型桩下端穿过定位板上的预留孔伸入模型箱内。

本发明所采用的另一技术方案是：一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，调整好实验装置，将模型桩压到所需做静载试验的位置；

步骤2，试验加载的位移通过加载系统控制，桩顶位移具体是通过控制加载系统里的推拉电动机的转速来控制，推拉电动机内置有计数器，计数器可以记录累计脉冲个数，精确记录推拉杆的位移，整个过程由预编程序来控制操作；

步骤3，加载系统里有一个拉压传感器，可以测出竖向抗压静载时的桩顶荷载大小及竖向抗拔时的所施加的抗拔力大小；

步骤4，可以通过桩顶荷载大小和桩顶位移量绘出P-S曲线；

当桩身荷载逐级施加于桩顶时，桩身受到压缩而产生向下的位移，通过桩身各断面处轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力，具体计算如下：

$q_s(i,i+1)=\frac{(Q_i-Q_{i+1})}{A_{\mathrm{si}}}$

式中：q_s(i,i+1)--第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力

Q_i--桩身各断面处轴力

A_si--第i断面至第i+1断面间桩侧表面积

各断面处的桩身轴力Q_i：

Q_i＝E_PA_Pε_i

式中：

E_P—桩身弹性模量；

A_P—桩身截面积。

本发明的有益效果为：首先，由于试验过程中反力架一般是固定不动的，但有时试验需要改变压桩位置，本发明模型箱便于移动，为试验提供了有利条件。同时，试验设备可进行竖向抗压静载试验和竖向抗拔静载试验，分级加载控制可实现伺服控制且数据实现自动采集保证精度减少人为误差。其次，可以通过可视化装置很直观的观察到试验过程中桩与土的变化。

附图说明

图1为本发明的模型试验装置结构示意图。

图2为本发明的模型试验装置正二视图。

图3为本发明的模型箱结构示意图。

图4为本发明的连接套管结构示意图。

图中，1.模型箱，2.定向滑轮，3.模型桩，4.支架固定钮扣，5.预留孔，6.连接套管，7.推拉杆，8.加载系统，9.反力架，10.定位板，11.支架，12.连接钮扣，13.加载数据控制设备，14.静态应变仪，15.高清数码相机，16.电脑，17.钢板，18.横肋，19.钢化玻璃，61.薄钢板，62.圆形钢管，63.半圆形钢管。

具体实施方式

本发明管桩竖向静载试验可视化模拟装置的结构，如图1～4所示，加载系统8用螺栓固定在反力架9上。加载系统8包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆7。推拉电动机固定在反力架9上，推拉杆7连接在推拉电动机上，在推拉杆7中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆连接起来，拉压传感器导线连接在加载数据控制设备13上。推拉杆7通过反力架9上的预留孔5与加载系统8连接。四个支架11用支架固定钮扣4固定在地面滑槽上。模型桩3采用半模铝管，上端通过连接套管6连接在推拉杆7的下方，该连接套管6中部为薄钢板61，上部为与推拉杆7匹配的圆形钢管62，下部为与模型桩3匹配的半圆形钢管63。模型桩3穿过定位板10上的预留孔5，定位板10通过连接钮扣12固定在支架11上，固定在模型桩3桩顶通过连接套管6连接在推拉杆7的下方，通过保证反力架9上的预留孔5与穿过定位板10上的预留孔5在同一铅垂线上来保证压桩的垂直度。模型桩3下端穿过定位板10上的预留孔5伸入模型箱1内。

模型箱1其中一个相邻两面为钢化玻璃19，另外一个相邻两面和模型箱底面为钢板17，在模型箱侧面为钢化玻璃的中间部位装有由角钢和螺栓连接的横肋18。

在试验准备阶段，首先在模型箱1内装满试验所用的试验用土，在模型桩3上等间隔的贴上电阻式应变片，应变片用导线连接在静态应变仪14上，然后静态应变仪14连接在电脑16上。其次，加载系统8连接在加载数据控制设备13上。最后，调节反力架9上的预留孔5与定位板10上的预留孔5在同一铅垂线上，然后让模型桩3穿过定位板10上的预留孔5，将桩顶和推拉杆7分别连接在连接套管6上。在模型箱1装有钢化玻璃19的一侧调整好高清数码相机15，然后把高清数码相机15连接在电脑16上，并且在透明玻璃上标定4个不动点，主要是为了试验后期图像处理提供坐标点。试验准备完毕后，将桩压至目的位置开始做静载试验，这里静载不仅可以做竖向抗压静载试验，还可以做竖向抗拔静载试验。

通过电阻式应变片、拉压传感器和土压力盒(土压力盒是填土过程中预埋在土层中，土压力盒连接在静态应变仪14上)等仪器，可以分析试验数据，总结管桩竖向抗压静载试验或竖向抗拔静载试验过程中桩侧压力沿桩身变化规律、在同一深度位置桩摩阻力变化规律、桩身承载力变化情况和桩体时效性的变化情况。此发明试验过程中还有一个很重要的方法，即利用高清数码相机15拍摄记录桩周土的变化情况，最后利用图片处理软件分析桩周土体位移场的变化情况。

其中，模型箱1框架是由50mm×50mm×5mm角钢焊接而成，模型箱1其中两个相邻侧面是由两块6mm厚钢板17与角钢焊接而成，另外两个相邻侧面是由两块12mm厚透明的钢化玻璃19组成，底面是由6mm厚钢板17与角钢焊接而成，在模型箱1的底部安装四个定向滑轮2，定向滑轮2落在固定在地上的滑槽上，目的是便于压桩需要而前后移动模型箱，定向滑轮2上安装一个卡子，当模型箱移动至所需位置时用卡子固定好定向滑轮2即可。数据采集装置主要是静态应变仪14和电脑16，采集实验过程中拉压传感器及应变片的实验数据。图像采集装置主要是高清数码相机15和电脑16，通过图像采集装置可以很直观的观察到试验过程中桩与土的变化。

一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

1)首先调整好实验装置，将模型桩3压到所需做静载试验的位置；

2)试验加载的位移通过加载系统8控制，桩顶位移具体是通过控制加载系统8里的推拉电动机的转速来控制，推拉电动机内置有计数器，计数器可以记录累计脉冲个数，精确记录推拉杆的位移，整个过程由预编程序来控制操作；

3)加载系统8里有一个拉压传感器，可以测出竖向抗压静载时的桩顶荷载大小及竖向抗拔时的所施加的抗拔力大小；

4)可以通过桩顶荷载大小和桩顶位移量绘出P-S曲线。

当桩身荷载逐级施加于桩顶时，桩身受到压缩而产生向下的位移，通过桩身各断面处轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力，具体计算如下：

$q_s(i,i+1)=\frac{(Q_i-Q_{i+1})}{A_{\mathrm{si}}}$

式中：q_s(i,i+1)--第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力

Q_i--桩身各断面处轴力

A_si--第i断面至第i+1断面间桩侧表面积

各断面处的桩身轴力Q_i：

Q_i＝E_PA_Pε_i

式中：

E_P—桩身弹性模量；

A_P—桩身截面积。

还可做以下优化：

1)在加载的时候设置一个导向装置，有了导向装置可以保证压桩过程中的垂直度。导向装置可以自由调节和固定，这样就可以很方便的压单桩和群桩。

2)在图像采集的过程中，为了避免外界光线的干扰和提高图像采集的精度，可以在高清数码相机两边各打一个专用光源。

Claims (5)

1.一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，采用一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置，包括加载系统(8)，加载系统(8)用螺栓固定在反力架(9)上，加载系统(8)包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆(7)；推拉电动机固定在反力架(9)上，推拉杆(7)连接在推拉电动机上，在推拉杆(7)中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆(7)连接，拉压传感器导线连接在加载数据控制设备(13)上；推拉杆(7)通过反力架(9)上的预留孔(5)与加载系统(8)连接；模型桩(3)上端通过连接套管(6)连接在推拉杆(7)的下方，连接套管(6)中部为薄钢板(61)，上部为与推拉杆(7)匹配的圆形钢管(62)，下部为与模型桩(3)匹配的半圆形钢管(63)；模型桩(3)穿过定位板(10)上的预留孔(5)，定位板(10)通过连接钮扣(12)固定在支架(11)上，反力架(9)上的预留孔(5)与穿过定位板(10)上的预留孔(5)在同一铅垂线上；模型桩(3)下端穿过定位板(10)上的预留孔(5)伸入模型箱(1)内；

然后采用以下步骤进行：

步骤1，调整好实验装置，将模型桩压到所需做静载试验的位置；

步骤2，试验加载的位移通过加载系统控制，桩顶位移具体是通过控制加载系统里的推拉电动机的转速来控制，推拉电动机内置有计数器，计数器可以记录累计脉冲个数，精确记录推拉杆的位移，整个过程由预编程序来控制操作；

步骤3，加载系统里有一个拉压传感器，可以测出竖向抗压静载时的桩顶荷载大小及竖向抗拔时的所施加的抗拔力大小；

步骤4，可以通过桩顶荷载大小和桩顶位移量绘出P-S曲线；

当桩身荷载逐级施加于桩顶时，桩身受到压缩而产生向下的位移，通过桩身各断面处轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力，具体计算如下：

$q_s(i,i+1)=\frac{(Q_i-Q_{i+1})}{A_{si}}$

式中：q_s(i,i+1)--第i断面至第i+1断面间桩身侧摩阻力

Q_i--桩身各断面处轴力

A_si--第i断面至第i+1断面间桩侧表面积

各断面处的桩身轴力Q_i：

Q_i＝E_PA_Pε_i

式中：

E_P—桩身弹性模量；

A_P—桩身截面积。

2.根据权利要求1所述的一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述模型箱(1)其中一个相邻两面为钢化玻璃(19)，另外一个相邻两面和底面为钢板(17)，在模型箱侧面为钢化玻璃的中间部位装有由角钢和螺栓连接的横肋(18)。

3.根据权利要求1所述的一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述模型桩(3)上等间隔的贴有电阻式应变片，电阻式应变片用导线连接在静态应变仪(14)上，静态应变仪(14)连接在电脑(16)上，模型箱(1)装有钢化玻璃(19)的一侧设置高清数码相机(15)，然后把高清数码相机(15)连接在电脑(16)上。

4.根据权利要求1所述的一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述模型箱(1)的底部安装四个定向滑轮(2)，定向滑轮(2)上安装一个卡子。

5.根据权利要求1所述的一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法，其特征在于，四个所述支架(11)用支架固定钮扣(4)固定在地面滑槽上。