CN105424913A - 模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置，涉及土力学桩基工程技术。本装置是：底座、压力室和压头自下而上依次连接组成外部结构，起支撑和侧限作用；下透水石、土样、上透水石、铜塞、压力传感器自下而上依次连接组成内部结构，起渗水、过滤和测量作用；铜塞与压力室的接触处设置有密封圈，底座上部与压力室连接处设置有密封圈，起密封作用。本装置可以模拟开口式管桩沉桩过程中产生的土塞效应，运用压力传感器和荷载位移传感器同步采集数据，得到在排水和不排水条件下摩阻力随土塞压缩时的变化规律，而且标准统一，可实现多次工业复制。

Description

模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置

技术领域

本发明涉及岩土力学桩基工程技术，尤其涉及一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置。

背景技术

开口管桩沉入过程，桩端土一部分被挤向外围，一部分涌入管内形成“土塞”。土塞受到管壁摩阻力作用将产生一定压缩，土塞高度及其闭塞程度与土性、管径、壁厚及进入持力层的深度等诸多因素有关。闭塞程度直接影响端阻发挥与破坏性状及桩的承载力，称此为土塞效应。在桩打入过程中，考虑土塞与管内壁的摩阻力及管桩桩端土的承载力，可将土塞分为完全闭塞和部分闭塞；土塞的闭塞程度会对桩的打入阻力和承载性能产生影响。同时，排水和不排水条件对土塞效应的影响也不同。在不排水条件下,增加的轴向有效应力主要由孔隙水承担,有效应力几乎没有增加，故可利用的摩阻力变化不大；在排水条件下,随着荷载的增加,土塞内的应力也在增加，形成土拱；土拱作用导致非常高的内摩阻力。

目前，模拟土塞效应的试验方法分为：室内小尺寸模型试验和利用软件进行的数值模拟分析。室内模型试验是模拟全程沉桩试验，考虑桩径的大小和土性的不同对土塞效应的影响，研究土塞在沉桩过程中的高度变化和对桩周土的密度产生的影响；通过软件进行的数值模拟研究的是在沉桩过程中颗粒的流动、桩内和桩周土的孔隙变化。但以上试验均未考虑土塞在排水和不排水条件下进行压缩时的摩阻力变化，不能全面反映土塞效应的规律。

发明内容

本发明的目的是鉴于目前室内试验和数值模拟均未考虑土塞在排水和不排水条件下进行压缩时的摩阻力变化情况，提供的一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置，能够增加对土塞效应的认识。

本发明的目的是这样实现的：

一、模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置（简称装置）

本装置包括压头、压力室、底座、压力传感器、铜塞、上透水石、土样、下透水石、排水阀、保险环、密封圈和排气帽；

在压力室上设置有圆孔，在铜塞内部设置有排气孔，在底座内部设置有排水孔；

其位置和连接关系是：

底座、压力室和压头自下而上依次连接组成外部结构，起支撑和侧限作用；

下透水石、土样、上透水石、铜塞、压力传感器自下而上依次连接组成内部结构，起渗水、过滤和测量作用；

铜塞与压力室的接触处设置有密封圈，底座上部与压力室连接处设置有密封圈，起密封作用；

排水孔与外部相连处设置有排水阀，起排水或止水的作用；

排水阀上部设置有保险环；

排气帽可旋入排气孔内，起排气或封闭作用。

二、模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①制样

将土样加工成指定直径和高度的圆柱体试样，土样的密度、干密度、含水率作为控制参量模拟现场的土塞情况；

②放样

将底座放置在水平工作台面上，对于需要测试不排水条件下土样在压缩过程中孔压的变化规律时，需要先打开排水阀，将排水孔注满水；在底座上依次放置下透水石、土样、上透水石、铜塞、压力传感器组成内部结构；

③组装

将压头和压力室组装成统一整体后套在上述内部结构外；调整压力室，使排气孔对准圆孔，排气帽旋入排气孔；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载系统内，试验分为排水和不排水条件下的土塞压缩试验，具体操作过程如下：

排水条件的土塞压缩试验：

将排水阀与回收桶连接，打开排水阀，旋开排气帽；荷载作用在压头上，加载系统的荷载位移传感器和压力传感器同步采集数据；

不排水条件的土塞压缩试验：

在排水孔中注满水，排水阀外接孔压传感器，打开排水阀，旋入排气帽；荷载作用在压头上，孔压传感器、荷载位移传感器和压力传感器同步采集数据。

本发明具有下列优点和积极效果：

①在制样过程中，将土样的密度、含水率作为控制参量可以模拟现场土塞的实际情况；

②通过排水和不排水条件下的土塞压缩试验可以模拟在不同工况下的土塞效应；

③利用钢制压力室与土样的界面摩擦可模拟实际土塞效应时桩壁与土塞的摩擦；

④通过荷载位移传感器和压力传感器采集得到数据的差值，可间接得到摩阻力的大小，试验简单可行，避免了直接测量摩阻力时的误差；

⑤压力传感器和荷载位移传感器同步采集，可实时反映在土塞压缩过程中摩阻力的大小；

⑥在不排水条件下进行压缩试验，可得到孔压随土塞压缩时的变化规律；

⑦可拆卸，方便脱模后二次使用。

总之，本装置可以模拟开口式管桩沉桩过程中产生的土塞效应，运用压力传感器和荷载位移传感器同步采集数据，得到摩阻力随土塞压缩时的变化规律，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（主视）；

图2是本装置的俯视及剖切线示意图；

图3是本装置的M-M纵剖面示意图；

图4是本装置在土工三轴加载系统内进行试验示意图。

图中：

1—压头；

2—压力室，2.1—圆孔；

3—底座，3.1—排水孔；

4—压力传感器；

5—铜塞，5.1—排气孔；

6—上透水石；

7—土样；

8—下透水石；

9—排水阀；

10—保险环；

11—密封圈；

12—排气帽；

A—孔压传感器，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，本装置包括压头1、压力室2、底座3、压力传感器4、铜塞5、上透水石6、土样7、下透水石8、排水阀9、保险环10、密封圈11和排气帽12；

在压力室2上设置有圆孔2.1，在铜塞5内部设置有排气孔5.1，在底座3内部设置有排水孔3.1；

其位置和连接关系是：

底座3、压力室2和压头1自下而上依次连接组成外部结构，起支撑和侧限作用；

下透水石8、土样7、上透水石6、铜塞5、压力传感器4自下而上依次连接组成内部结构，起渗水、过滤和测量作用；

铜塞5与压力室2的接触处设置有密封圈11，底座3上部与压力室2连接处设置有密封圈11，起密封作用；

排水孔3.1与外部相连处设置有排水阀9，起排水或止水的作用；

排水阀9上部设置有保险环10；

排气帽12可旋入排气孔5.1内，起排气或封闭作用。

2、功能部件

01）压头1

压头1为一种钢制倒凸字形的双圆块，刚度大，下圆块设置有外螺纹，和压力室2顶部内螺纹适配，可旋入压力室2顶部。

02）压力室2

压力室2是一种不锈钢制的圆筒，顶部设置有内螺纹，可使压头1旋入；压力室2上对应排气孔5.1的位置处设置有圆孔2.1，方便排气帽12的使用；压力室2的长度根据内部结构的尺寸而定，内径和土样7的外径适配，有足够的壁厚提供侧限；

圆孔2.1位于压力室2侧壁，位置与排气孔5.1对应，圆孔的大小需方便排气帽12的使用。

03）底座3

底座3呈凸字形，上部为圆柱体，下部为圆盘，底座的设计可保证装置在荷载试验时的稳定性；

在圆柱体顶部的侧壁设置有凹槽，凹槽内放置有密封圈11；

在圆柱体内部设置有排水孔3.1，土样7在压缩时可从排水孔3.1排水；

排水孔3.1外接排水阀9，排水阀9上设置有保险环10，避免压力室2大位移时对装置产生破坏；

排水孔3.1位于底座3内部，在土样7压缩时可排水，排水孔3.1出口处连接排水阀9。

04）压力传感器4

压力传感器4是一种通用器件，安装于铜塞5和压头1之间，可实时采集荷载数据。

05）铜塞5

铜塞5为一种铜质圆柱体，侧壁的下方设置有凹槽，放置有密封圈11；底面直径与压力室2的内径适配，具有一定高度可保证刚度；

排气孔5.1设置在铜塞5内部，排气孔5.1的出口与圆孔2.1对应，排气孔5.1的出口处设置有螺纹，方便排气帽12旋入。

06)上透水石6

上透水石6为通用部件，设置在土样7的上端部，直径与压力室2的内径适配，可过滤空气，防止土样7中的土颗粒堵塞排气孔5.1。

07）土样7

土样7为室内配制的圆柱体试样，密度、含水率与现场土塞的实际情况相符，底面直径与压力室2的内径适配，土样7的高度与直径的比值为2。

08）下透水石8

下透水石8为通用部件，设置在土样7的下端部，直径与压力室2的内径适配，起渗透和过滤作用。

09）排水阀9

排水阀9为通用部件，设有快速接口，与排水孔3.1连接，可控制装置内的排水和止水。

10）保险环10

保险环10是底座3自身结构的一部分，形状为外凸的圆环，保险环10设置在排水阀9上部，可避免压力室2大位移时对装置产生破坏。

11）密封圈11

密封圈11为橡胶材质，分别设置在铜塞5与压力室2的接触处和底座3上部与压力室2的连接处。

12）排气帽12

排气帽12端部设置有外螺纹，直径与排气孔5.1内径适配，可旋入排气孔5.1内。

3、工作机理

土样的制作以密度、含水率为控制指标，来模拟现场土塞的实际情况；在试验中，将装置放在土工三轴试验加载系统内，在荷载的作用下，压力室2相对底座3向下移动压缩土样7；试验分为排水和不排水条件下的土塞压缩试验。

在实验中，运用压力传感器4、荷载位移传感器B和孔压传感器A同步采集数据，可得到在排水和不排水条件下，摩阻力随土塞压缩时的变化规律,并得到在不排水条件下，孔压随土塞压缩时的变化规律。

Claims (2)

1.一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置，其特征在于：

包括压头（1）、压力室（2）、底座（3）、压力传感器（4）、铜塞（5）、上透水石（6）、土样（7）、下透水石（8）、排水阀（9）、保险环（10）、密封圈（11）和排气帽（12）；

在压力室（2）上设置有圆孔（2.1），在铜塞（5）内部设置有排气孔（5.1），在底座（3）内部设置有排水孔（3.1）；

其位置和连接关系是：

底座（3）、压力室（2）和压头（1）自下而上依次连接组成外部结构，起支撑和侧限作用；

下透水石（8）、土样（7）、上透水石（6）、铜塞（5）、压力传感器（4）自下而上依次连接组成内部结构，起渗水、过滤和测量作用；

铜塞（5）与压力室（2）的接触处设置有密封圈（11），底座（3）上部与压力室（2）连接处设置有密封圈（11），起密封作用；

排水孔（3.1）与外部相连处设置有排水阀（9），起排水或止水的作用；

排水阀（9）上部设置有保险环（10）；

排气帽（12）可旋入排气孔（5.1）内，起排气或封闭作用。

2.基于权利要求1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

将土样（7）加工成指定直径和高度的圆柱体试样，土样（7）的密度、干密度、含水率作为控制参量模拟现场的土塞情况；

②放样

将底座（3）放置在水平工作台面上，对于需要测试不排水条件下土样（7）在压缩过程中孔压的变化规律时，需要先打开排水阀（9），将排水孔（3.1）注满水；在底座（3）上依次放置下透水石（8）、土样（7）、上透水石（6）、铜塞（5）、压力传感器（4）组成内部结构；

③组装

将压头（1）和压力室（2）组装成统一整体后套在上述内部结构外；调整压力室（2），使排气孔（5.1）对准圆孔（2.1），排气帽（12）旋入排气孔（5.1）；

④试验

将装置放在土工三轴试验加载系统内，试验分为排水和不排水条件下的土塞压缩试验，具体操作过程如下：

排水条件的土塞压缩试验：

将排水阀（9）与回收桶连接，打开排水阀（9），旋开排气帽（12）；荷载作用在压头（1）上，加载系统的荷载位移传感器（B）和压力传感器（4）同步采集数据；

不排水条件的土塞压缩试验：

在排水孔（3.1）中注满水，排水阀（9）外接孔压传感器（A），打开排水阀（9），旋入排气帽（12）；荷载作用在压头（1）上，孔压传感器（A）、荷载位移传感器（B）和压力传感器（4）同步采集数据。