CN105806696A - 模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型及方法，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭；所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个桩体，桩体、垫层和地基土形成复合地基，在所述桩体上设置与上位机连接的测试装置，在复合地基的上部设置加载系统。通过设置带有测试装置的试验系统，可配合其他荷载施加系统，用于对复合地基基坑竖向荷载传递机理的研究，对建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。

Description

模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型及方法

技术领域

本发明涉及一种离心试验的模型及制作方法，尤其涉及一种用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型与制作方法。

背景技术

CFG桩是由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械制成的具有一定强度的可变强度桩。CFG桩是一种低强度混凝土桩，可充分利用桩间土的承载力共同作用，并可传递荷载到深层地基中去，CFG桩和桩间土、褥垫层一起形成CFG复合地基。随复合地基理论日渐成熟，大量多高层建筑采用了CFG桩复合地基，CFG复合地基是最近几年应用日益普遍的一种地基处理技术，造价低、施工方便、复合地基强度高，具有较好的技术性能和经济效果，与传统桩基础相比具有明显的优势，具有广阔的发展和应用前景。

在对CFG复合地基作用机理进行研究时，现场试验具有无法比拟的优势，但是也存在试验时间长、消耗人力物力大、受现场施工条件限制等无法克服的因素，由于这些不利的因素的存在，现场CFG复合地基的试验研究受到了极大的制约，不利于CFG复合地基的研究和发展。室内模型试验虽然无法完全体现现场试验的优势，但室内模型试验的可控性强，对影响因素多、作用机理复杂的研究对象，易于通过调整试验参数和改变试验条件集中研究其中一项或几项因素，从而更能直接揭示问题的本质。因而，模型试验也是解决工程复杂问题的重要手段。

随着越来越多的CFG复合地基应用于工程实例，对CFG复合地基的研究也越来越广泛，而现场试验显然并不适用于这越来越多的研究试验。本发明提供了一种室内试验的CFG复合地基模型制备方法，用于对复合地基力学性能的试验研究，掌握复合土体与CFG桩的相互作用机理。试验模型制备是土工离心模型试验中重要而基础的环节，模型试验制备的好坏直接影响到整个试验的成功与否。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型及方法，通过设置带有测试装置的试验系统，可配合其他荷载施加系统，用于对复合地基基坑竖向荷载传递机理的研究，对建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭；所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个桩体，桩体、垫层和地基土形成复合地基，在所述桩体上设置与上位机连接的测试装置，在复合地基的上部设置加载系统。整个试验系统可根据需求设置用于测试复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统，可以模拟复合地基竖向荷载传递机理，研究复合地基的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。

所述测试装置包括用于辅助获得荷载施加过程中基桩模型桩轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和/或用于辅助获得基桩模型桩弯矩分布及变化规律的弯矩应变片；通过布置在桩体上的轴力应变片，获得荷载施加过程中桩轴力分布和桩土荷载分担，及在这过程中引起的复合地基桩体轴力变化，模拟竖向荷载对复合地基承载力影响；通过布置在桩体上的弯矩应变片，获得竖向荷载引起的基桩模型桩弯矩分布及变化规律，进而分析桩体的变形规律。

所述轴力应变片均匀设置在多个桩体中的设定的若干桩体上，所述弯矩应变片均匀设置在其他桩体上；此外，轴力应变片在基桩模型桩两侧对称设置，弯矩应变片布置在基桩模型桩桩身两侧。根据离心模型试验的特点，选取复合地基中间位置处的几个桩体布置轴力应变片，用于测量桩体的轴力应变值。根据离心模型试验的特点，选取几根其它典型位置处桩体布置弯矩应变片，注意结合试验目的和需要确定弯矩应变片朝向以测得需要方向的弯矩应变值，所有应变片均以全桥方式布置。

所述测试装置还包括在地基土中布设多个用于测量地基土压力值的土压力传感器；所述土压力传感器为T型土压力传感器，在地基土分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向，以便测得试验需要方向的土压力值。

为了便于观察，所述模型箱由透明材料制成；模型箱厚度为3～5mm。

所述模型箱的外侧设置多个PIV标记点，PIV标记点的位置与至少一个用于记录地基土位移的摄像装置相对应；用于记录模拟过程中的土体位移场，摄像装置安装在离心机大梁上。

所述PIV标记点设置于透明材料制成的板上，所述板与模型箱的外侧壁相平行设置；PIV标记点根据试验目的和需要以一定间距布置在一块比模型箱侧壁一侧略小且厚度为3-5mm的透明材质板正面上，并将布置了PIV标记点的透明材质板背面竖向靠置在模型箱侧壁一侧。

所述垫层为粗砂制成的褥垫层。

所述桩体的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子；为了增加基桩模型桩表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5mm左右厚度的环氧涂层，在环氧涂层干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定。

所述桩体为CFG桩，由铝合金管按照抗压刚度等效制成。

所述桩体的底部呈圆锥体；便于插入地基土中，上端封口，其长度根据离心机离心加速度比例大小确定。

所述加载系统包括设置于盖板和垫层之间的加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器通过控制气压大小实现控制均布载荷的大小。

模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验装置的制作方法，具体步骤如下：

1)根据加速度比例系数，设置符合要求高度的桩体，在桩体上布置测试装置；

2)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土；

3)在地基土中设置多根桩体并继续采用砂雨法浇砂至地基土高度与桩体的顶端齐平；

4)在嵌有桩体的地基土顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层；

5)在模型箱上端设置盖板，盖板与模型箱用连接件坚固。

在步骤1)和步骤4)中均采用一线点式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。

所述步骤3)中还包括以下步骤：在地基土内布置土压力传感器。

所述步骤4)中还包括以下步骤：在模型箱内褥垫层上放置加载气囊，加载气囊与充气装置连接。

本发明的有益效果为：

1)本发明中的试验装置原理简单，结构构造清晰，便于安装制造，造价低廉。

2)通过地基土、桩体和褥垫层共同形成复合地基作为实际工况的施工环境，与实际施工工况一致，符合地基土实际应力变化，通过整个试验装置的研究，获得的数据具有实际研究意义。

3)根据实际施工环境制作的试验装置，利用桩体代替实际中的基桩，虽结构简单，但实用性高，有利于实际工况的研究。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明图1的1-1剖面图；

图3是本发明图2的2-2剖面图；

图中，1、模型箱；2、地基土；3、CFG桩；4、褥垫层；5、加载气囊；6、盖板；7、螺栓；8、充气孔接头Ⅰ；9、充气孔接头Ⅱ；10、连接管；11、气压传感器；12、充气阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心试验装置，包括地基模型和加载系统两个部分；地基模型包括模型箱1，模型箱1内用砂雨法浇置地基土2至指定高度，随后布置CFG桩3于地基土2中，再利用砂雨法浇置地基土2至CFG桩3端面，同样用砂雨法浇置粗砂形成褥垫层4，褥垫层4置于地基土2和CFG桩3上方，三者共同模拟CFG复合地基。在CFG桩3上设置与上位机连接的测试装置。

为了便于观察，模型箱1一侧为透明材质的有机玻璃制成，模型箱1厚度为3～5mm，3CFG桩3的底部呈圆锥状。

加载系统包括加载气囊5、充气装置和刚性盖板6三个部分组成。将加载气囊5放置在褥垫层4上方，其上端与模型箱1端口齐平，盖板6置于模型箱1上端，盖板6四周与模型箱1檐口用螺栓7固定，盖板6角落处留一小孔便于充气孔接头Ⅰ8外接充气装置。充气装置为带有气压传感器11的箱体，其上设置充气孔接头Ⅱ9、连接管10、气压传感器11和充气阀12四个部分，其充气孔接头Ⅱ9与模型箱1的充气孔接头Ⅰ8用连接管10相连，通过控制箱体内的气压调节橡胶充气囊所施加的均布荷载。反力装置为刚性盖板6，置于加载气囊5上方并与模型箱1固定。

测试装置由应变片、微型土压力传感器、模型侧面色砂及PIV标记点共三个部分组成，应变片布置在CFG桩3上，微型土压力传感器布置于地基土2层中，在模型箱1有机玻璃一侧布置PIV标记点，并利用PIV记录模拟过程中的土体位移参数。模型制备完毕，启动离心机，地基土达到既定稳定状况，分步逐次加载。微型土压力传感器在地基土分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向，以便测得试验需要方向的土压力值。根据实验需要测定的土压力方向确定T型土压力传感器的朝向，若试验需要测定竖向土压力值，将T型土压力传感器竖向直立放置并且端面朝上，若试验需要测定水平土压力值，将T型土压力传感器侧向放置并且端面朝向水平方向。

一般没有桩基的普通地基是有地基土本身来传递和承受上部荷载，有桩的桩基础一般不考虑土地本身的荷载承受能力，所有荷载全部由桩承担，而复合地基的荷载由土体和桩体共同承受，即既考虑土体的荷载承受能力有考虑桩体的荷载承受能力，复合地基的荷载传递机理就是土体和桩体共同承受上部荷载并传递给下部地层土。本发明模型中砂土模拟地基土，铝管模拟桩体，加载系统模拟荷载施加，通过加载系统施加的荷载作用在地基土和桩体组成的复合地基模型上来模拟实际的复合地基受荷并传递的情况，以此研究复合地基的受力及变形情况。

如图2所示，整个CFG复合地基模型主体在高度方向从下至上分为4个部分，依次为下部地基土2、褥垫层4、加载气囊5、盖板6，加上外接的充气装置。铝合金CFG模拟桩3插入地基土2中，模型箱1中间有一层较薄的褥垫层4置于地基土2及模拟CFG桩3的上方，模型箱1上部置橡胶加载气囊5，盖板6置于模型箱1上端并与模型箱1四周用螺栓7固定。

地基土2取现场原形土去除土中大颗粒杂质，利用烘烤箱对土样进行烘干处理后，用一点式砂雨法分层浇置而成，控制落距、出砂孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。

CFG桩3由铝合金管根据抗压刚度等效原则制作，为了增加铝管模型桩3表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度大概0.5mm厚的环氧涂层，在环氧涂层干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定。

褥垫层4同样根据砂雨法由粗砂浇置，控制落距、出砂孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度，其厚度根据离心加速度比例系数确定。

加载气囊5为橡胶气囊，用于模拟CFG群桩及CFG群桩所受荷载，其效果为对模型施加均布荷载，其充气孔接头Ⅰ8从刚性盖板6露出并外接充气装置。

充气装置安装有气压传感器11，用连接管10与加载气囊5相连，可实时控制气压大小进而控制均布荷载大小。

盖板6由刚度较大的金属制成，一般由铁或者铝合金制造，盖板角落处留有一小孔，便于充气孔外接充气装置。刚性盖板四周与模型箱壁用螺栓连接，保证在最大充气压力下盖板不会被挤压弹出。

加载方式为分级施加荷载，各级荷载稳定一定时间，每次加载到预设荷载并稳定后进行下一次荷载加载，并在相应值采集试验数据。

离心试验模型装置的制作方法，具体步骤如下：

1)根据加速度比例系数，设置符合要求高度的CFG桩3，在CFG桩3上布置测试装置；加速度比例系数就是离心机加速度值，试验前综合考虑后确定的离心机加速度值，确定这个加速度值后模型试验中的各个单位需按照规定以这个比例缩小，比如加速度大小为40，模型长度尺寸单位就应该是原型的1/40大小；

2)在模型箱1内采用砂雨法设置设定厚度的地基土2；

3)在地基土2中设置多根CFG桩3并继续采用砂雨法浇砂至地基土2高度与CFG桩3的顶端齐平；在地基土2内布置土压力传感器10。

4)在嵌有CFG桩3的地基土2顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层4；在模型箱1内褥垫层上放置加载气囊5，加载气囊5的充气孔接头8外露与充气装置连接。

5)在模型箱1上端设置盖板6，盖板6与模型箱1用螺栓7坚固。

在步骤1)和步骤4)中均采用一线点式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。

步骤1)-3)的具体操作过程为：根据加速度比例系数，预先计算好CFG桩3高度h2，并是现将轴力应变片和弯矩应变片对称布置在CFG桩3铝管壁两侧，取地基土2高度h1+CFG桩高度h2为CFG桩3高度的两倍左右，即取h1＝h2，并在模型箱1壁对应位置h1、h2处标记刻度，将预先制备好的地基土2用砂雨法置入模型箱1内，在地基土高度h1略高处后停止砂雨法置砂，利用水平细线找齐CFG桩3上端，布置各个CFG桩3于地基土2中，水平细线齐平预定位置h3下端处，再次利用砂雨法在复合地基区浇砂于模型箱1中至高度h3下端处停止浇砂，并同时布置微型土压力传感器；同样利用砂雨法置预先制备的粗砂于模型箱1中至高度h4处，制备褥垫层4，将加载气囊5放入模型箱1中，其上端与模型箱1端口齐平，盖板6置于模型箱1上端，盖板6四周与模型箱檐口用螺栓7固定，盖板6角落处留一小孔便于充气孔接头Ⅰ8外接充气装置，充气装置为带有气压传感器11的箱体，其充气孔接头Ⅱ9与模型的充气孔接头Ⅰ8用连接管10相连，通过控制箱体内的气压调节橡胶充气囊所施加的均布荷载。

模型制备完毕，启动离心机，地基土达到既定稳定状况，分步逐次加载。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型，其特征是，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭；所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个桩体，桩体、垫层和地基土形成复合地基，在所述桩体上设置与上位机连接的测试装置，在复合地基的上部设置加载系统。

2.如权利要求1所述的离心试验模型，其特征是，所述测试装置包括用于辅助获得荷载施加过程中基桩模型桩轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和/或用于辅助获得基桩模型桩弯矩分布及变化规律的弯矩应变片；所述轴力应变片均匀设置在多个桩体中的设定的若干桩体上，所述弯矩应变片均匀设置在其他桩体上。

3.如权利要求1或2所述的离心试验模型，其特征是，所述测试装置还包括在地基土中布设多个用于测量地基土压力值的土压力传感器。

4.如权利要求1或2所述的离心试验模型，其特征是，所述模型箱由透明材料制成；所述模型箱的外侧设置多个PIV标记点，PIV标记点的位置与至少一个用于记录地基土位移的摄像装置相对应；所述PIV标记点设置于透明材料制成的板上，所述板与模型箱的外侧壁相平行设置。

5.如权利要求1或2所述的离心试验模型，其特征是，所述垫层为粗砂制成的褥垫层；所述桩体的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子；所述桩体为CFG桩；所述桩体的底部呈圆锥体。

6.如权利要求1或2所述的离心试验模型，其特征是，所述加载系统包括设置于盖板和垫层之间的加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器通过控制气压大小实现控制均布载荷的大小。

7.如权利要求1-6任一项所述的离心试验模型的制作方法，其特征是，具体步骤如下：

1)根据加速度比例系数，设置符合要求高度的桩体，在桩体上布置测试装置；

2)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土；

3)在地基土中设置多根桩体并继续采用砂雨法浇砂至地基土高度与桩体的顶端齐平；

4)在嵌有桩体的地基土顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层；

5)在模型箱上端设置盖板，盖板与模型箱用连接件坚固。

8.如权利要求7所述的离心试验模型的制作方法，其特征是，在步骤1)和步骤4)中均采用一线点式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。

9.如权利要求7所述的离心试验模型的制作方法，其特征是，所述步骤3)中还包括以下步骤：在地基土内布置土压力传感器。

10.如权利要求7所述的离心试验模型的制作方法，其特征是，所述步骤4)中还包括以下步骤：在模型箱内褥垫层上放置加载气囊，加载气囊与充气装置连接。