CN105424487B - 模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法，涉及岩石力学桩基技术。本装置是：通过螺帽和螺杆，下盖板、压力室和上盖板自下而上依次连接组成外部构件；底座、岩样和导向管自下而上依次连接组成内部构件，用乳胶膜将内部构件嵌套为一整体；钢管桩的底端依次穿过导向管和PVC套管后，使钢管桩竖直立于圆孔中，钢管桩的底部和岩样接触；本方法包括①制样；②放样；③组装；④试验；⑤回收。本发明可以模拟静压钢管桩的沉桩过程，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，得到轴力随沉桩位移的变化规律，而且标准统一，可实现多次工业复制。

Description

模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩石力学桩基技术，尤其涉及一种模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法。

背景技术

钢管桩由于钢材抗压、抗拉强度高、材质均匀、延性好，加工成钢管后刚性好、 抗弯、抗剪能力强。钢管桩可以大大地发挥其受力特性、提高单桩承载力、减少布桩数量、缩小基础承台尺寸。对抗震区及风荷载较大的地区或较高的建筑物，选用该桩型也可大大发挥其抗水平荷载能力强的特点。开口钢管桩在沉桩过程中形成土塞效应，可以增加桩基的端承力，从而提高单桩的垂直承载力。

钢管桩在软岩基础中有着同样广泛的应用，采用静压桩法可以最大限度地保存岩石结构，减少对结构的扰动。特别适用于弱胶结海相沉积的海滩岩。在海相环境中，采用钻孔灌注桩的方法时，在泥浆护壁成孔时产生的浆液容易外溢，污染周围海洋环境。采用锤击法贯入开口钢管桩时，锤击产生的震动会影响礁盘的稳定，不利于生态保护。鉴于此，开展静压开口钢管桩的室内试验研究，对该地区的桩基础施工具有很好的指导意义。

在以往的桩基础室内模型试验中，采用的是固定侧限条件下的桩基试验，不能真实反映不同地层下和不同围压对开口钢管桩贯入的影响。同时，在试验过程中未能考虑桩内土塞形成封闭气腔时对桩周孔隙水消散和桩端贯入的影响。

发明内容

本发明的目的就在于克服固定侧限条件下的桩基模型试验不能真实反映不同地层环境的缺点，考虑桩内土塞形成封闭气腔时对桩周孔隙水消散和桩端贯入的影响，提供一种模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法，可以真实模拟沉桩过程，反映沉桩规律。

本发明的目的是这样实现的：

一、模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置（简称装置）

包括导向杆、导向管、上盖板、排气帽、螺帽、螺杆、下盖板、排水阀，注水阀、压力室、底座、岩样、钢管桩、橡胶塞、圆孔、乳胶膜和橡皮筋；

在上盖板上设置有导向孔、导向孔密封圈、排气孔、穿孔和上盖板密封圈；

在下盖板上设置有螺纹孔、排水孔、注水孔、下盖板密封圈和底座密封圈（；

钢管桩以桩肩为界，由上粗圆筒和下细圆筒组成，桩肩以上部分的粗圆筒内放置有橡胶塞；

在岩样的上部中心处设有圆孔，在圆孔内嵌套有PVC套管；

其位置和连接关系是：

通过螺帽和螺杆，下盖板、压力室和上盖板自下而上依次连接组成外部构件；

底座、岩样和导向管自下而上依次连接组成内部构件，用乳胶膜将内部构件嵌套为一整体；

在导向管和导向孔接触处设置有导向孔密封圈，在压力室与上盖板接触处设置有上盖板密封圈，在压力室与下盖板接触处设置有下盖板密封圈，在底座和下盖板接触处设置有底座密封圈，实现密封处理；

钢管桩的底端依次穿过导向管和PVC套管后，使钢管桩竖直立于圆孔中，钢管桩的底部和岩样接触；

导向杆穿入导向管和钢管桩的顶端上下连接。

二、模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①制样

在岩样的上部中心处钻取圆孔，在圆孔内壁嵌套PVC套管；

②放样

在水平的桌面上，由下及上依次将下盖板、底座、岩样组装固定：底座旋入下盖板中，并放置底座密封圈，岩样叠放在底座上；在岩样的PVC套管内竖直放置钢管桩，钢管桩的桩肩上部填充橡胶塞，导向管放置在岩样上表面，并使钢管桩的上部放置在导向管内；利用乳胶膜将导向管岩样和底座嵌套在一起，在下部用橡皮筋将乳胶膜与底座紧，上部用橡皮筋将乳胶膜与导向管底部圆环箍紧；

③组装

放样完成后，在下盖板凹槽内放置下盖板密封圈，其上放置压力室；导向管穿过导向孔，使上盖板压在压力室上，并在压力室与上盖板接触处放置上盖板密封圈；调整上盖板，使得上盖板中的穿孔与下盖板中的螺纹孔在竖直方向上对应；螺杆穿过穿孔旋进下盖板中的螺纹孔调整均匀分布的四根螺杆的旋入速率，使固定后的上盖板保持水平；将导向杆插入导向管内，下端部作用在钢管桩上；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载系统内，打开排气帽、注水阀和排水阀，将注水孔与压力体积传感器连接，排水孔与回收桶连接；通过压力体积传感器设定目标围压，水从注水孔进入压力室内，在水充满压力室后，在排气孔中旋紧排气帽，压力体积传感器自动调节注水量，使岩样处于目标围压中；

通过土工三轴试验加载系统对装置施加荷载，使轴力通过导向杆作用在钢管桩上，利用加载系统的荷载位移传感器采集数据；

⑤回收

试验结束后，设置压力体积传感器目标值为零，打开排气帽，然后打开排水阀，关闭压力体积传感器和注水阀，使压力室内的水在自重作用下从排水孔（7-2）中流出；排完水后，反向旋螺杆，打开上盖板，取出岩样，擦干装置零件并收集归位。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用水压模拟岩样在实际地层中受到的围压，围压均匀且容易调控；

②采用钢管桩作为模型桩，桩身刚度大，等比例缩小可模拟实际情况；

③钢管桩设置有桩肩，桩肩以上桩内设置橡胶塞，在压桩时，会在橡胶塞和土塞间形成封闭气腔，可模拟在气压作用下孔隙水的消散；

④导向管与导向孔接触处设置两道导向孔密封圈，导向管底部圆环与乳胶膜贴合紧密，使得导向管内部与水隔绝，置于其中的导向杆可避免与水接触；

⑤可以得到轴力随沉桩位移的变化规律；

⑥可拆卸，方便脱模后二次使用。

总之，本发明可以模拟静压钢管桩的沉桩过程，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，得到轴力随沉桩位移的变化规律，而且标准统一，可实现多次工业复制。

附图说明

图1是本装置的结构示意图；

图2是本装置上盖板俯视图及剖切线示意图；

图3是本装置的M-M纵剖面结构示意图；

图4是本装置在土工三轴加载系统内进行试验示意图；

图5是本装置部分功能部件的结构示意图。

图中：

1—导向杆；

2—导向管；

3—上盖板，

3-1—导向孔，3-2—导向孔密封圈，3-3—排气孔，

3-4—穿孔，3-5—上盖板密封圈；

4—排气帽；

5—螺帽；

6—螺杆；

7—下盖板，

7-1—螺纹孔，7-2—排水孔，7-3—注水孔，

7-4—下盖板密封圈，7-5—底座密封圈；

8—排水阀；

9—注水阀；

10—压力室；

11—底座；

12—岩样；

13—钢管桩；

14—橡胶塞；

15—圆孔，15-1—PVC套管；

16—乳胶膜；

17—橡皮筋；

A—压力体积传感器，B—荷载位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2、3，本装置包括导向杆1、导向管2、上盖板3、排气帽4、螺帽5、螺杆6、下盖板7、排水阀8，注水阀9、压力室10、底座11、岩样12、钢管桩13、橡胶塞14、圆孔15、乳胶膜16和橡皮筋17；

在上盖板3上设置有导向孔3-1、导向孔密封圈3-2、排气孔3-3、穿孔3-4和上盖板密封圈3-5；

在下盖板7上设置有螺纹孔7-1、排水孔7-2、注水孔7-3、下盖板密封圈7-4和底座密封圈7-5；

钢管桩13以桩肩13-1为界，由上粗圆筒和下细圆筒组成，桩肩13-1以上部分的粗圆筒内放置有橡胶塞14；

在岩样12的上部中心处设有圆孔15，在圆孔15内嵌套有PVC套管15-1；

其位置和连接关系是：

通过螺帽5和螺杆6，下盖板7、压力室10和上盖板3自下而上依次连接组成外部构件；

底座11、岩样12和导向管2）自下而上依次连接组成内部构件，用乳胶膜16将内部构件嵌套为一整体；

在导向管2和导向孔3-1接触处设置有导向孔密封圈3-2，在压力室10与上盖板3接触处设置有上盖板密封圈3-5，在压力室10与下盖板7接触处设置有下盖板密封圈7-4，在底座11和下盖板7接触处设置有底座密封圈7-5，实现密封处理；

钢管桩13的底端依次穿过导向管2和PVC套管15-1后，使钢管桩13竖直立于圆孔15中，钢管桩13的底部和岩样12接触；

导向杆1穿入导向管2和钢管桩13的顶端上下连接。

2、功能部件

01）导向杆1

导向杆1是一种不锈钢制圆杆；

其功能是：向钢管桩13传递轴向荷载，自身刚度大，应变小。

02）导向管2

导向管2为不锈钢制，由上下两个内径相同而外径不同的圆筒组成；

内径适合导向杆1和钢管桩13通过；

上圆筒外径较小，适合导向孔3-1的内径尺寸；

下圆筒外径较大，适合岩样13的直径；下圆筒的高度适合橡皮筋17绑扎乳胶膜16。

03）上盖板3

上盖板3为铝制圆板，表面做电镀处理，耐磨、质轻和防锈蚀；

在上盖板3的中心设置有凸圆座及其导向孔3-1，在导向孔3-1内设置有导向孔密封圈3-2；在上盖板3上设置有排气孔3-3；在上盖板3外环均匀设置有4个穿孔3-4；在上盖板3的下底面设置有凹槽，在凹槽内置有上盖板密封圈3-5。

*导向孔3-1

导向孔3-1位于上盖板3的中心，保证导向管2竖直穿过上盖板3。

*导向孔密封圈3-2

导向孔密封圈3-2位于导向孔3-1内，密封压力室内的水，防止外溢。

*排气孔3-3

排气孔3-3位于上盖板3中，当压力室内注水时，打开排气孔3-3，使水流入压力室内；压力室内注满水后，将排气帽4旋入排气孔3-3，使之处于关闭状态；试验后，打开排气孔3-3方便排水。

*穿孔3-4

穿孔3-4位于上盖板3中，一共四个，螺杆6穿过穿孔3-4可旋入下盖板螺纹孔7-1内，使装置固定。

*上盖板密封圈3-5

上盖板密封圈3-5位于上盖板3与压力室10接触的凹槽内，橡胶质地，用于密封压力室内的水，防止外溢。

04）排气帽4

排气帽4为钢制，用于关闭和打开排气孔3-3。

05）螺帽5

螺帽5为钢制，用于将螺杆6旋入和旋出螺纹孔7-1。

06）螺杆6

螺杆6一共4个，用于固定装置。

07）下盖板7

下盖板7为铝制圆板，表面做电镀处理，耐磨、质轻和防锈蚀；

在下盖板7的中心设置有底座密封圈7-5，在下盖板7的中环内设置有排水孔7-2和注水孔7-3，在下盖板7的外环均匀设置有4个螺纹孔7-1和凹槽，在凹槽内置有下盖板密封圈7-4。

*螺纹孔7-1

螺纹孔7-1设置4个，与穿孔3-4在竖直方向上对应，可使螺杆6旋入，达到固定装置的目的。

*排水孔7-2

排水孔7-2位于下盖板7内部，通过排水孔7-2使压力室10内部水流出，在排水孔7-2的外部出口处设置有排水孔止水阀8。

*注水孔7-3

注水孔7-3位于下盖板7内部，使外部的水可通过注水孔7-3注入压力室10内，在注水孔7-3的外部进口处设置有注水孔止水阀9。

*下盖板密封圈7-4

下盖板密封圈7-4位于下盖板7与压力室10接触处的凹槽内，橡胶质地，用于密封压力室内的水，防止外溢。

*底座密封圈7-5

底座密封圈7-5位于底座11和下盖板7接触处，橡胶质地，用于密封压力室10内的水，防止溢入底座11的螺纹中。

08）排水孔止水阀8

排水孔止水阀8位于排水孔7-2的外部出口处，排水孔止水阀8内设置有快速接头，方便插入和拔出塑料排水管。

09）注水孔止水阀9

注水孔止水阀9位于注水孔7-3的外部进口处，注水孔止水阀9内设置有快速接头，方便插入和拔出塑料注水管。

10）压力室10

压力室10为树脂圆筒，圆筒壁厚由最大围压确定，外径与上盖板3的下底面凹槽和下盖板7的上底面凹槽的直径一致。

11）底座11

底座11由上下两个圆柱体组成，上圆柱体的外径与岩样12直径和导向管2的下圆筒外径一致；下圆柱体设置有外螺纹，可旋入下盖板7中。

12) 岩样12

岩样12的上部居中设有圆孔15，圆孔15内壁嵌套有PVC套管15-1。

13）钢管桩13

如图5，钢管桩13是一种以桩肩13-1为界，由上粗圆筒和下细圆筒组成；

钢管桩13为不锈钢材质，以桩肩13-1为界，采用变截面设计，上部桩身直径较大，内部可充塞橡胶塞14，下部桩身直径较小，桩壁厚较小，方便挤入岩样12中。

*桩肩13-1位于钢管桩13的变截面处，为上下截面的重叠。

14）橡胶塞14

如图5，橡胶塞14为倒凸字形的圆柱体形状，有上下两个截面，下部截面较小，尺寸适合填充桩肩13-1以上空隙。

15）圆孔15

圆孔15居中位于岩样12的上部，有一定深度，内部嵌套PVC管，可方便钢管桩插入；

*PVC套管15-1

PVC套管15嵌套在岩样12上部的圆孔15中，竖直放置，起竖向导向作用，外径与圆孔15直径相等，内径与导向管2相等。

16）乳胶膜16

乳胶膜16为乳胶材质，内径为岩样12的直径，厚度为2毫米；

乳胶膜16将导向管2底部、岩样12和底座11嵌套在一起，并在导向管2底部圆环处和底座11处箍筋橡皮筋17，使乳胶膜16与导向管2和底座11贴合更加紧密，防止压力室10内水外溢。

17）橡皮筋17

橡皮筋17用于将乳胶膜16箍紧在导向管2底部圆环和底座11处，防止压力室10内水外溢。

3、本装置的工作机理

本装置的主要功能部件均为钢制件，可拆卸。外部结构由下盖板7、压力室10和上盖板3自下而上依次连接组成，由四根螺杆6固定；底座11、岩样12和导向管2自下而上依次连接组成内部结构，用乳胶膜16将内部构件嵌套为一整体。

在岩样12制作中，在岩样12上部中心处钻有一定深度的竖向圆孔15，圆孔15内壁嵌套有PVC套管15-1，钢管桩13插入PVC套管15-1内，按照顺序进行装样组装。将整个装置放在在土工三轴试验系统内加载，运用压力室中水压作用模拟桩在实际岩层里的围压条件，在轴向加载过程中，得到轴力随沉桩位移的变化规律。

Claims (5)

1.一种模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置，其特征在于：

包括导向杆(1)、导向管(2)、上盖板(3)、排气帽(4)、螺帽(5)、螺杆(6)、下盖板(7)、排水阀(8)、注水阀(9)、压力室(10)、底座(11)、岩样(12)、钢管桩(13)、橡胶塞(14)、圆孔(15)、乳胶膜(16)和橡皮筋(17)；

在上盖板(3)上设置有导向孔(3-1)、导向孔密封圈(3-2)、排气孔(3-3)、穿孔(3-4)和上盖板密封圈(3-5)；

在下盖板(7)上设置有螺纹孔(7-1)、排水孔(7-2)、注水孔(7-3)、下盖板密封圈(7-4)和底座密封圈(7-5)；

钢管桩(13)以桩肩(13-1)为界，由上粗圆筒和下细圆筒组成，桩肩(13-1)以上部分的粗圆筒内放置有橡胶塞(14)；

在岩样(12)的上部中心处设有圆孔(15)，在圆孔(15)内嵌套有PVC套管(15-1)；

其位置和连接关系是：

通过螺帽(5)和螺杆(6)，下盖板(7)、压力室(10)和上盖板(3)自下而上依次连接组成外部构件；

底座(11)、岩样(12)和导向管(2)自下而上依次连接组成内部构件，用乳胶膜(16)将内部构件嵌套为一整体；

在导向管(2)和导向孔(3-1)接触处设置有导向孔密封圈(3-2)，在压力室(10)与上盖板(3)接触处设置有上盖板密封圈(3-5)，在压力室(10)与下盖板(7)接触处设置有下盖板密封圈(7-4)，在底座(11)和下盖板(7)接触处设置有底座密封圈(7-5)，实现密封处理；

钢管桩(13)的底端依次穿过导向管(2)和PVC套管(15-1)后，使钢管桩(13)竖直立于圆孔(15)中，钢管桩(13)的底部和岩样(12)接触；

导向杆(1)穿入导向管(2)和钢管桩(13)的顶端上下连接。

2.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的上盖板(3)其中心设置有凸圆座及其导向孔(3-1)，在导向孔(3-1)内设置有导向孔密封圈(3-2)；在上盖板(3)上设置有排气孔(3-3)；在上盖板(3)外环均匀设置有4个穿孔(3-4)；在上盖板(3)的下底面设置有凹槽，在凹槽内置有上盖板密封圈(3-5)。

3.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的下盖板(7)为圆板，其中心设置有底座密封圈(7-5)，在下盖板(7)的中环内设置有排水孔(7-2)和注水孔(7-3)，在下盖板(7)的外环均匀设置有4个螺纹孔(7-1)和凹槽，在凹槽内置有下盖板密封圈(7-4)。

4.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的底座(11)由上下两个圆柱体组成，上圆柱体的外径与岩样(12)直径和导向管(2)的下圆筒外径一致；下圆柱体设置有外螺纹，可旋入下盖板(7)中。

5.基于权利要求1-4所述试验装置的试验方法，其特征在于包括下列步骤：

①制样

在岩样(12)的上部中心处钻取圆孔(15)，在圆孔(15)内壁嵌套PVC套管(15-1)；

②放样

在水平的桌面上，由下及上依次将下盖板(7)、底座(11)、岩样(12)组装固定：底座(11)旋入下盖板(7)中，并放置底座密封圈(7-5)，岩样(12)叠放在底座(11)上；在岩样(12)的PVC套管(15-1)内竖直放置钢管桩(13)，钢管桩(13)的桩肩(13-1)上部填充橡胶塞(14)，导向管(2)放置在岩样(12)上表面，并使钢管桩(13)的上部放置在导向管(2)内；利用乳胶膜(16)将导向管(2)、岩样(12)和底座(11)嵌套在一起，在下部用橡皮筋(17)将乳胶膜(16)与底座(11)箍紧，上部用橡皮筋(17)将乳胶膜(16)与导向管(2)底部圆环箍紧；

③组装

放样完成后，在下盖板(7)凹槽内放置下盖板密封圈(7-4)，其上放置压力室(10)；导向管(2)穿过导向孔(3-1)，使上盖板(3)压在压力室(10)上，并在压力室(10)与上盖板(3)接触处放置上盖板密封圈(3-5)；调整上盖板(3)，使得上盖板(3)中的穿孔(3-4)与下盖板(7)中的螺纹孔(7-1)在竖直方向上对应；螺杆(6)穿过穿孔(3-4)旋进下盖板(7)中的螺纹孔(7-1),调整均匀分布的四根螺杆的旋入速率，使固定后的上盖板(3)保持水平；将导向杆(1)插入导向管(2)内，下端部作用在钢管桩(13)上；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载系统内，打开排气帽(4)、注水阀(9)和排水阀(8)，将注水孔(7-3)与压力体积传感器(A)连接，排水孔(7-2)与回收桶连接；通过压力体积传感器(A)设定目标围压，水从注水孔(7-3)进入压力室(10)内，在水充满压力室(10)后，在排气孔(3-3)中旋紧排气帽(4)，压力体积传感器(A)自动调节注水量，使岩样(12)处于目标围压中；

通过土工三轴试验加载系统对装置施加荷载，使轴力通过导向杆(1)作用在钢管桩(13)上，利用加载系统的荷载位移传感器(B)采集数据；

⑤回收

试验结束后，设置压力体积传感器(A)目标值为零，打开排气帽(4)，然后打开排水阀(8)，关闭压力体积传感器(A)和注水阀(9)，使压力室内的水在自重作用下从排水孔(7-2)中流出；排完水后，反向旋螺杆(6)，打开上盖板(3)，取出岩样(12)，擦干装置零件并收集归位。