CN105547626B

CN105547626B - 一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法

Info

Publication number: CN105547626B
Application number: CN201610056237.0A
Authority: CN
Inventors: 黄明; 王元清; 张光武; 邓尚强
Original assignee: Fuzhou University; Fifth Engineering Co Ltd of China Railway 11th Bureau Group Co Ltd
Current assignee: Fuzhou University; Fifth Engineering Co Ltd of China Railway 11th Bureau Group Co Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN105547626A

Abstract

本发明涉及一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，包括以下步骤：（1）制作模具框；（2）预制溶洞模型；（3）制作模型箱、模型桩和桩帽；（4）填充模型箱：填充之前在模型箱内侧与振动方向垂直的两个面分别铺设一层泡沫板；待模型相似材料填充到预定位置时将溶洞模型固定于模型箱的正中间，在溶洞模型的周边继续填充模型相似材料并压实；（5）固定模型桩：在溶洞模型固定填充之后，将模型桩固定于溶洞顶板的中央位置上，继续填充模型相似材料，使模型桩下端部嵌入模型相似材料预定深度；（6）安装桩帽：待整体模型干燥之后，在模型桩上端部装上用于安放砝码以进行上部荷载施加的桩帽。本发明简单可靠、易于实现且制作成本低。

Description

一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法

技术领域

本发明涉及一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，属于岩溶桩基抗震测试领域。

背景技术

中国是一个地震多发国家，而且是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家。大陆Ⅵ~Ⅸ度地震区占国土面积的80%以上，其中很大一部分为岩溶分布区。随着中国的快速发展，在岩溶地区的工程建设越来越多。岩溶地区工程地质条件复杂，石芽密布的地表以及溶洞的存在都破坏了地基的完整性。特别是当地震来临的时候，溶洞的存在更是加剧了地震的作用。因此，对岩溶地区的地震特点进行研究是非常有必要的。

由于岩溶地区地质条件复杂，分布着大量溶洞，因此在岩溶地区进行公路桥梁桩基施工时，桩基底部难免会出现一个甚至多个溶洞的情况。如果溶洞埋置深度较浅，可以选择让桩基穿过溶洞，如果溶洞埋置深度较深，一般要求将桩基作用在溶洞顶板之上，因此考虑溶洞—桩基共同作用体系的稳定性是工程实践中的一个关键问题。溶洞顶板安全厚度的确定对桩基的稳定性、工程的安全性以及工程造价都有着直接的影响，合理地选取溶洞顶板安全厚度起着至关重要的作用。影响溶洞顶板安全厚度的因素众多，包括地质强度指数、溶洞尺寸、桩径、上覆岩土体物理参数、单桩荷载等，目前针对地震作用下桩基下伏溶洞顶板破坏还没有较好的测试试验装置。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，包括以下步骤：

（1）制作模具框：采用四块有机玻璃板围成可拆装的方形模具框；

（2）预制溶洞模型：先将模具框固定在平面上；接着将预定直径的半球形模具固定于平面上且位于模具框的正中间；然后称量预定质量的模型相似材料倒入模具框中，在保证模型密度的前提下进行分层压实；之后拆分模具框，取出半球形模具，自然风干，即可形成一个半溶洞模型；按同样的方法制作另一个半溶洞模型，将一个半溶洞模型反扣于另一个半溶洞模型之上，二者的接触面上撒上模型相似材料，施加压力使两个半溶洞模型连接成一体的溶洞模型，之后风干备用；

（3）制作模型箱、模型桩和桩帽：先采用四块有机玻璃板作为侧板和一块有机玻璃板作为底板组合成一个无盖的模型箱，再采用一块有机玻璃板作为平台，在平台上开设供螺栓穿过以与振动台表面螺栓孔连接的安装孔，最后将模型箱底部固定于平台表面的正中间；接着分别采用有机玻璃制作柱形的模型桩以及与模型桩上端部配合的桩帽；

（4）填充模型箱：填充之前在模型箱内侧与振动方向垂直的两个面分别铺设一层泡沫板；填充时采用分层填充法，称量预定质量的模型相似材料倒入模型箱内，并进行压实磨平；待模型相似材料填充到预定位置时将溶洞模型固定于模型箱的正中间，在溶洞模型的周边继续填充模型相似材料并压实；

（5）固定模型桩：在溶洞模型固定填充之后，将模型桩固定于溶洞顶板的中央位置上，继续填充模型相似材料，使模型桩下端部嵌入模型相似材料预定深度；

（6）安装桩帽：待整体模型干燥之后，在模型桩上端部装上用于安放砝码以进行上部荷载施加的桩帽。

优选的，步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型内布置位于溶洞周围的应变片。

优选的，步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型的溶洞顶板沿溶洞中轴线从下往上间隔布置多个应变片，具体布置方法是在模具框内的模型相似材料每一层压实后布置一个应变片。

优选的，步骤（2）在预制溶洞模型时，待其中任一个半溶洞模型风干之后在其接触面上对称布置多个应变片。

优选的，步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型的溶洞底板沿溶洞中轴线布置一个应变片，具体布置方法是在模具框内的模型相似材料分层压实过程中布置一个应变片。

优选的，步骤（3）在制作平台时，在平台表面上布置一个加速度计。

优选的，步骤（4）在填充模型箱时，在模型箱内沿溶洞中轴线和/或靠近于溶洞中轴线从下往上间隔布置多个加速度计，具体布置方法是在模型箱内的模型相似材料分层压实过程中进行布置。

优选的，步骤（5）在固定模型桩之前，在模型桩底部布置一个土压力盒。

优选的，步骤（5）在固定模型桩之前，在模型桩对应于泡沫板的两侧位置从下往上分别间隔粘贴多个应变片。

优选的，步骤（6）在安装桩帽之前，在模型桩顶部粘贴一个应变片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该制作方法简单可靠、易于实现且制作成本低，通过该制作方法制作出来的岩溶桩基抗震测试试验装置具有设计新颖、结构简单、制作方便、测试容易、测试效率高且测试成本低的优点，特别适用于影响溶洞顶板安全厚度的地质强度指数、溶洞尺寸、桩径、上覆岩土体物理参数、单桩荷载等因素的测试，为地震作用下桩基下伏溶洞顶板破坏提供了较好的测试试验装置，以便于合理地选取溶洞顶板安全厚度，保证工程安全可靠。

附图说明

图1为模型桩的结构示意图。

图2为一个半溶洞模型的制作示意图。

图3为一个半溶洞模型的分离示意图。

图4为另一个半溶洞模型的制作示意图。

图5为另一个半溶洞模型的分离示意图。

图6为两个半溶洞模型的连接示意图。

图7为溶洞模型的结构示意图。

图8为模型箱的结构示意图。

图9为试验工况一的原理示意图。

图10为试验工况二的原理示意图。

图11为岩溶桩基抗震测试试验装置的主视剖面图。

图12为岩溶桩基抗震测试试验装置的俯视示意图。

图中标记：1-模型箱，2-模型桩，3-平台，31-安装孔，4-泡沫板，5-模型相似材料，6-溶洞模型，61-溶洞，62-顶板，63-一个半溶洞模型，64-另一个半溶洞模型，7-桩帽，8-加速度计，9-应变片，10-土压力盒，11-模具框，12-半球形模具。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~12所示，一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，包括以下步骤：

（1）制作模具框11：采用四块有机玻璃板围成可拆装的方形模具框11；

（2）预制溶洞模型6：先将模具框11固定在平面上；接着将预定直径的半球形模具12固定于平面上且位于模具框11的正中间；然后称量预定质量的模型相似材料5倒入模具框11中，在保证模型密度的前提下进行分层压实；之后拆分模具框11，取出半球形模具12，自然风干，即可形成一个半溶洞模型63；按同样的方法制作另一个半溶洞模型64，将一个半溶洞模型63反扣于另一个半溶洞模型64之上，二者的接触面上撒上模型相似材料5，施加压力使两个半溶洞模型连接成一体的溶洞模型6，之后风干备用；

（3）制作模型箱1、模型桩2和桩帽7：先采用四块有机玻璃板作为侧板和一块有机玻璃板作为底板组合成一个无盖的模型箱1，再采用一块有机玻璃板作为平台3，在平台3上开设供螺栓穿过以与振动台表面螺栓孔连接的安装孔31，最后将模型箱1底部固定于平台3表面的正中间；接着分别采用有机玻璃制作柱形的模型桩2以及与模型桩2上端部配合的桩帽7；

（4）填充模型箱1：填充之前在模型箱1内侧与振动方向垂直的两个面（如左右振动，则是左右内侧面）分别铺设一层泡沫板4；填充时采用分层填充法，称量预定质量的模型相似材料5倒入模型箱1内，并进行压实磨平；待模型相似材料5填充到预定位置时将溶洞模型6固定于模型箱1的正中间，在溶洞模型6的周边继续填充模型相似材料5并压实；

（5）固定模型桩2：在溶洞模型6固定填充之后，将模型桩2固定于溶洞61顶板62的中央位置上，继续填充模型相似材料5，使模型桩2下端部嵌入模型相似材料5预定深度；

（6）安装桩帽7：待整体模型干燥之后，在模型桩2上端部装上用于安放砝码以进行上部荷载施加的桩帽7。

在满足相似理论的前提下，应用适合的配合比材料，制作岩溶桩基的相似模型，结合选定的地震波加载工况，对模型关键部位布置测点，进行数据的测量和分析，从而真实的反应溶洞61顶板62及周边岩体的破坏情况。试验可考虑顶板62厚度和溶洞61大小等工况对桩基稳定性的影响，例如两个工况进行试验，工况一：保证溶洞61直径为3倍桩径的前提下，分别确定顶板62厚度在1-4倍桩径的情况下对其进行试验，如图9所示；工况二：保证顶板62厚度2倍桩径的情况下，溶洞61直径在2-5倍桩径的情况下变化进行实验，如图10所示。

在岩溶桩基模型试验中，容易发生破坏的部位是岩溶顶板62，且破坏发生在溶洞模型6内部，不易观察。因此测得的数据越多，内部的破坏模式就越容易被计算出来，但是过多的传感器和预埋线路会破坏模型的完整性，从而影响试验的效果，结合这两者的矛盾性，应尽可能地减少传感器的布设，只在关键部位进行测试。下面以工况二的直径为4倍桩径（6cm）的溶洞61为例。

在本发明实施例中，步骤（1）中的模具框11内部尺寸为长15cm×宽15cm×高6cm，采用有机玻璃板制作，有利于保证溶洞61的完整性，其中两块有机玻璃板的两边分别通过螺钉锁在另外两块有机玻璃板的两端，拆分模具框11时只需取下螺钉即可。步骤（2）可将模具框11固定在桌面上，选择直径为6cm的半球形模具12，所述半球形模具12优先选用半球形泡沫，由于顶板62厚度为2倍桩径（3cm），因此半溶洞模型的高度为6cm，整个溶洞模型6的尺寸为长15cm×宽15cm×高12cm。

在本发明实施例中，步骤（2）中的模型相似材料5是由铁精粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定配比均匀拌合压实而成的一种复合材料，该材料以铁精粉、重晶石粉、石英砂为骨料，松香、酒精为胶结剂，石膏粉为调节材料，具有力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥速度快、无毒无害等优点。其中，重晶石粉规格为400目，密度约为4.2g/cm³，硫酸钡含量为98%；铁精粉规格为100目，铁含量≥95%；石英砂选用高纯度石英砂，规格为40-70目，SiO₂≥99.5—99.9％，Fe₂O₂≤0.015%，密度为1.6g/cm³；松香选用一级松香粉，便于溶于酒精；酒精选用医用酒精，乙醇浓度为95%；石膏粉选用模型石膏粉，抗折强度为2.7～3.3MPa，初凝时间约为4～7分钟，终凝时间约为12～15分钟。以桩基的嵌入层为白云质灰岩为例，该模型相似材料5的配比如下：铁精粉/重品石粉=3:2，石英砂/（铁精粉+重晶石粉）=40%，石膏粉/骨料=8%，松香/（松香+酒精）=24%。

在本发明实施例中，考虑到振动台的承载以及模型的可视性，步骤（3）中的平台3、模型箱1、模型桩2和桩帽7的材质均为有机玻璃，有机玻璃密度为1.2g/cm³，且强度高，耐久性和耐冲击性好。根据缩尺模型的几何相似比，利用两块长26cm×高25cm×厚1cm和两块宽20cm×高25cm×厚1cm的有机玻璃板作为模型箱1的侧板，一块长26cm×宽22cm×厚1cm的有机玻璃板作为模型箱1的底板，组合成一个没有盖子的有机玻璃箱，箱子的内部几何尺寸为20cm宽×长24cm×高25cm；试验时利用提前打好安装孔31的长42cm×宽36cm×厚0.8cm的有机玻璃板作为平台3，配合振动台表面预留的螺栓孔与振动台连接。

在本发明实施例中，步骤（4）中的泡沫板4的作用是减少地震波的反射，其厚度优先选用1cm；填充时采用分层填充法，每隔5cm为一个阶段，使整体模型更加均匀。步骤（5）中的模型桩2的嵌岩深度为6cm。

在本发明实施例中，为了测试岩溶的破坏规律，步骤（2）在预制溶洞模型6时，在溶洞模型6内布置位于溶洞61周围的应变片9。由于模型试验的重点在于测试岩溶顶板62的破坏规律，因此应变片9主要布置于岩溶顶板62，即在溶洞模型6的溶洞61顶板62沿溶洞61中轴线从下往上间隔布置多个应变片9，具体布置方法是在模具框11内的模型相似材料5每一层压实后布置一个应变片9，即每1cm布置一个应变片9。其中，待其中任一个半溶洞模型风干之后在其接触面上对称布置多个应变片9。其中，在溶洞模型6的溶洞61底板沿溶洞61中轴线布置一个应变片9，具体布置方法是在模具框11内的模型相似材料5分层压实过程中布置一个应变片9。

在本发明实施例中，为了测试模型桩2的变形，步骤（5）在固定模型桩2之前，在模型桩2对应于泡沫板4的两侧位置从下往上分别间隔粘贴多个应变片9。为了测试模型桩2的上部荷载压力，步骤（6）在安装桩帽7之前，在模型桩2顶部粘贴一个应变片9。由于应变片9体积较小，粘贴较为不易，在粘贴之前可采用环氧树脂对模型表面进行处理。由于模型较小，应变片9的尺寸和精度是主要考虑的重点，上述所有的应变片9优先选用高精度电阻式应变片，其型号为BHF350-3AA，该应变片9的敏感栅尺寸为3mm×3mm，基底尺寸为7.5mm×4.5mm，灵敏系数为0.5%。

在本发明实施例中，为了测得不同高程加速度的变化规律，同时观察溶洞61对地震波加速度的影响，步骤（4）在填充模型箱1时，在模型箱1内沿溶洞61中轴线和/或靠近于溶洞61中轴线从下往上间隔布置多个加速度计8，具体布置方法是在模型箱1内的模型相似材料5分层压实过程中进行布置。上述加速度计8间隔的距离与溶洞61的大小有关，例如在模型相似材料5顶面设置一加速度计8，在溶洞模型6顶面设置一加速度计8，在溶洞模型6底面设置一加速度计8，在模型相似材料5底面设置一加速度计8，其中溶洞模型6上方的两个加速度计8由于模型桩2的存在只能靠近于溶洞61中轴线间隔布置，溶洞模型6下方的两个加速度计8沿溶洞61中轴线间隔布置。

在本发明实施例中，为了检测模型的振动加速度与地震波的激励加速度是否相等，步骤（3）在制作平台3时，在平台3表面上布置一个加速度计8。上述所有的加速度计8优先选用自带放大器的ICP加速度传感器，所述ICP加速度传感器为振动台自带的，其型号为WS-ICP-8，它有8个通道，模拟输出信号幅值为±10V，供电电压为200V AC/50Hz。

在本发明实施例中，为了测得上部土体的压力，特别是桩底对岩溶顶板62的作用力，步骤（5）在固定模型桩2之前，在模型桩2底部布置一个土压力盒10。鉴于模型尺寸较小，土压力盒10的尺寸效应会影响模型的变形与破坏，因此土压力盒10优先选用薄膜式压力传感器，其型号为Arduino FSR402 0.5"，该薄膜式压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。该薄膜式压力传感器重量轻，体积小，感测精度高，可忽略尺寸效应的影响。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型内布置位于溶洞周围的应变片。

3.根据权利要求1或2所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型的溶洞顶板沿溶洞中轴线从下往上间隔布置多个应变片，具体布置方法是在模具框内的模型相似材料每一层压实后布置一个应变片。

4.根据权利要求1或2所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（2）在预制溶洞模型时，待其中任一个半溶洞模型风干之后在其接触面上对称布置多个应变片。

5.根据权利要求1或2所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（2）在预制溶洞模型时，在溶洞模型的溶洞底板沿溶洞中轴线布置一个应变片，具体布置方法是在模具框内的模型相似材料分层压实过程中布置一个应变片。

6.根据权利要求1所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（3）在制作平台时，在平台表面上布置一个加速度计。

7.根据权利要求1或6所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（4）在填充模型箱时，在模型箱内沿溶洞中轴线和/或靠近于溶洞中轴线从下往上间隔布置多个加速度计，具体布置方法是在模型箱内的模型相似材料分层压实过程中进行布置。

8.根据权利要求1所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（5）在固定模型桩之前，在模型桩底部布置一个土压力盒。

9.根据权利要求1所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（5）在固定模型桩之前，在模型桩对应于泡沫板的两侧位置从下往上分别间隔粘贴多个应变片。

10.根据权利要求1所述的岩溶桩基抗震测试试验装置的制作方法，其特征在于：步骤（6）在安装桩帽之前，在模型桩顶部粘贴一个应变片。