CN105862941A - 一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法。该装置包括反力装置、测量装置和若干模型桩，所述反力装置包括两条钢轨、四根立杆、两条第一水平杆、两条第二水平杆和一条第三水平杆，所述测量装置包括竖直加压装置、沉降位移测量装置及水平固定架；该方法包括：S1.安装上述装置并将模型桩压至设定深度，S2.静载试验，获得初始Q～s曲线，S3.沿钢轨移动立杆获得其他模型桩的初始Q～s曲线,S4.待桩在土中静置至设计时间后重复S3，获得不同休止时间段的Q～s曲线。本发明的装置及方法的有益效果为，可以克服现有技术中试验装置在完成一次测量后即被废弃，试验装置拆装复杂、难以重复利用等问题。

Description

一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法。

背景技术

随着上部荷载的越来越大，天然地基很少能满足建设的需求，桩基作为一种常见的基础形式而被广泛应用。桩基在沉入土体的过程中，由于土体结构性被破坏，导致桩基的初期承载力较低，但由于土体的触变性，土体的结构性逐渐恢复，桩基的承载力随之逐渐增加。此称为桩基的时效性。如果在实际工程中能合理的预估桩基的时效性，就可以有效的降低工程成本。

现场试验与室内试验相比，现场试验更加能反映实际工作状况，使得试验结果具有更大的参考价值；模型试验与原型试验相比，模型试验耗费的人力、物力、财力都远远低于原型试验，且模型试验能更好的改变试验条件进行对比型研究。因此，现场的模型试验由于其独特的优势而被广泛使用。现有的试验装置大多进行一次测量后即被废弃，且加载装置笨重，拆装复杂，难以重复利用。因此，选择一种能简便有效的测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种场测定桩基承载力时间效应的模型装置及方法，其可以克服现有技术中采用现场模型试验时试验装置在完成一次测量后即被废弃，试验中加载装置笨重或试验装置拆装复杂、难以重复利用等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，包括反力装置、测量装置和若干模型桩，所述模型桩的下端竖直插入地面，所述模型桩的上端设有水平承台板，所述若干模型桩在地面上呈直线排列，

所述反力装置包括两条钢轨、四根立杆、两条第一水平杆、两条第二水平杆和一条第三水平杆，所述两条钢轨水平铺设并固定在地面上，所述两条钢轨平行布置在呈直线排列的所述若干模型桩的两侧，所述钢轨上沿其长度方向开设有导向孔，所述四根立杆的下端均伸入所述钢轨上的导向孔并竖直可拆卸的连接在所述钢轨上，所述四根立杆在水平面上分布在一个平行四边形的四个顶点，所述模型桩位于所述平行四边形的中心，所述两条第一水平杆相互平行，所述第一水平杆与所述平行四边形的一对平行边相互平行且其两端部均与所述立杆可拆卸连接，所述两条第二水平杆均与所述平行四边形的另一对平行边相互平行且端部与所述第一水平杆固定连接，所述两条第一水平杆和所述两条第二水平杆连接后形成一个平行四边形框，所述第三水平杆两端均与所述第二水平杆固定连接，所述平行四边形、平行四边形框及第三水平杆的中心重合；

所述测量装置包括竖直加压装置、沉降位移测量装置及水平固定架，所述竖直加压装置与所述第三水平杆的中心处固定连接，所述竖直加压装置可将其下方的所述模型桩向下压至设定深度，所述沉降位移测量装置与所述水平固定架固定连接，所述沉降位移测量装置可通过测定所述水平承台板下移距离来反映所述模型桩的沉降位移。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述立杆由螺纹钢制成，所述第一水平杆、第二水平杆均由工字钢制成，所述第三水平杆由槽钢制成，所述第二水平杆设置在所述第一水平杆的下方，所述第三水平杆设置在所述第二水平杆的上方。

进一步，所述立杆下端伸入所述导向孔后通过第一螺母可拆卸连接在所述钢轨上，所述第一水平杆的端部设有预留孔，所述立杆的上端穿过所述预留孔后通过所述第二螺母与所述第一水平杆固定连接，所述第一水平杆及第二水平杆的相应位置设有供所述第一连接杆穿过的预留孔，所述第一水平杆与第二水平杆通过第一连接杆上下两端螺纹连接的第三螺母固定连接，所述第三水平杆的两端端部及所述第二水平杆的相应位置设有供第二连接杆穿过的预留孔，所述第三水平杆与第二水平杆通过所述第二连接杆上下两端螺纹连接的第四螺母固定连接。

进一步，所述钢轨的两侧均设置有若干锚固孔，所述钢轨通过穿过所述锚固孔的锚杆固定在地面上。

进一步，所述竖直加压装置为千斤顶，所述沉降位移测量装置为两个百分表，所述两个百分表与所述水平固定架固定连接,所述两个百分表的测定头与所述水平承台板的表面抵接，所述两个百分表对称分布在所述模型桩的两侧。所述水平固定架固定在地面上。

进一步，所述模型装置还包括两块定位板，所述定位板的中心处设有供所述模型桩穿过的限位孔，所述定位板的两端均与所述立杆固定连接，所述两条定位板交叉布置且均沿所述平行四边形的对角线延伸。通过所述定位板可使模型桩被下压和施加顶部荷载时更加稳固。

进一步，所述四根立杆在水平面上分布在一个矩形或正方形的四个顶点。

进一步，所述模型桩内部设置有若干应变计，所述若干应变计在竖直方向上等间距的设置在所述模型桩不同高度的截面上，所述若干应变计分别通过导线与应变仪连接。

本发明还提供一种使用上述的模型装置现场测定桩基承载力时间效应的方法，其包括如下步骤：

S1.安装并调整好所述模型装置，使模型桩位于所述两条第一水平杆与两条第二水平杆形成的平行四边形框中心的正下方，调节所述平行四边形框至适当高度，并通过所述第三水平杆中心处固定连接的竖直加压装置将所述模型桩向下压至设定深度；为保证模型桩在压入过程中的竖直度，应调整两块定位板的位置，使得两个限位孔在一条直线上，将模型桩穿过定位板上的限位孔；为了方便使用不同直径的模型桩进行试验，可根据模型桩的直径预先配套制作具有相应限位孔孔径的定位板；

S2.进行静载试验，通过所述竖直加压装置控制桩顶荷载Q，通过所述沉降位移测定装置测定桩顶位移s，由此桩顶荷载Q和桩顶位移s绘制模型桩的初始Q～s曲线；

S3.将所述四根立杆下端的螺母从所述钢轨上松开，所述四根立杆沿所述导向孔移动至另一个模型桩，将四根立杆下端的螺母紧固，重复S1及S2，获得另一个模型桩的初始Q～s曲线；

S4.重复S3获得所有指定模型桩的Q～s曲线，待指定模型桩在土中静置时间达到设计天数后，重复S3获得指定模型桩在某一休止时间段的Q～s曲线,通过不同休止时间段Q～s曲线的及初始Q～s曲线的对比，得到不同休止时间段模型桩的承载性变化规律，即完成现场测定桩基承载力的时间效应。

进一步，所述模型桩内部预先设置有若干应变计，所述若干应变计在竖直方向上等间距的设置在所述模型桩不同高度的截面上，所述若干应变计分别通过导线与应变仪连接，通过步骤S1将所述模型桩及其内的应变计压入设定深度，随后在步骤S2、S3和S4中获得Q～s曲线的同时，在给模型桩顶施加荷载的过程中，可通过所述应变仪测得的模型桩桩身第i截面的应变值εⁱ，经过计算得到桩身第i截面的轴力以及桩身第i截面至第i+1截面间的桩侧平均摩阻力，从而得到不同休止时间段模型桩的桩侧摩阻力的变化规律以从另一个方面反应桩基承载力的时间效应，具体计算方式如下：

N_i＝E_mA_mε_i，

式中：E_m为试验桩的桩身弹性模量；A_m为试验桩的桩身截面积；ε_i为试验桩的桩身截面应变值；N_i为桩身第i截面轴力；D为桩身外径；ΔL_i为第i截面与i+1截面间的距离。

桩侧摩阻力的变化规律可以有效反应桩基承载力的时间效应，通过上述方法研究不同截面之间桩身的侧摩阻力，可以了解不同深度的土层对桩身承载力的贡献，找到影响桩基时间效应的因素。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的装置的压桩装置与进行试验时施加桩顶荷载的装置为同一套装置，更方便实用，压桩及后续试验可连续进行，减少拆装及更换装置的次数，节省时间。

(2)本发明提供的装置可现场灵活拆装移动(场需要移动测量另一模型桩时，只需松开立杆与钢轨的连接，立杆及其上的固定结构即可沿钢轨移至另一测试点并固定)，可现场对多个不同的模型桩的不同休止时间段的桩基承载性进行测试，测试完成之后的整个装置也可拆卸后等待下次使用，不会被废弃，重复利用性好。

(3)使用本发明的装置及方法，一次铺设所述钢轨后，即可灵活的对现场呈直线排列的多个模型桩进行测试，尽可能方便快速的获得现场较大范围内的桩基的承载能力及其时间效应。

(4)本发明提供的装置及方法，是在现场做模型试验，相对于原位实验，其优势为可通过改变试验条件找到影响桩基时间效应的因素。

附图说明

图1为一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置的主视图；

图2为图1所示模型装置的侧视图；

图3为图1所示模型装置的钢轨的结构示意图；

图4为图1所示模型装置的定位板的结构示意图；

图5为图1所示模型装置的模型桩穿过定位板的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.反力装置；2.测量装置；3.定位板；4.模型桩；11.钢轨；12.立杆；13.第一水平杆；14.第二水平杆；15.槽钢；16.锚杆；21.竖直加压装置；22.沉降位移测量装置；23.固定架；31.限位孔；41.水平承台板；111.第一螺母；112.锚固孔；113.导向孔；131.第二螺母；141.第三螺母；142.第一连接杆；151.第四螺母；152.第二连接杆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图5所示，本发明提供一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，包括反力装置1、测量装置2和若干模型桩4，所述模型桩4的下端竖直插入地面，所述模型桩4的上端设有水平承台板41，所述若干模型桩4在地面上呈直线排列，

所述反力装置1包括两条钢轨11、四根立杆12、两条第一水平杆13、两条第二水平杆14和一条第三水平杆15，所述两条钢轨11水平铺设并固定在地面上，所述两条钢轨11平行布置在呈直线排列的所述若干模型桩4的两侧，所述钢轨11上沿其长度方向开设有导向孔113，所述四根立杆12的下端均伸入所述钢轨11上的导向孔113并竖直可拆卸的连接在所述钢轨11上，所述四根立杆12在水平面上分布在一个平行四边形的四个顶点，所述模型桩4位于所述平行四边形的中心，所述两条第一水平杆13相互平行，所述第一水平杆13与所述平行四边形的一对平行边相互平行且其两端部均与所述立杆12可拆卸连接，所述两条第二水平杆14均与所述平行四边形的另一对平行边相互平行且端部与所述第一水平杆13固定连接，所述两条第一水平杆13和所述两条第二水平杆14连接后形成一个平行四边形框，所述第三水平杆15两端均与所述第二水平杆14固定连接，所述平行四边形、平行四边形框及第三水平杆15的中心重合；所述导向孔可以为连续的，也可以为不连续的：连续的导向孔的优点在于立杆的固定位置连续变化，可以根据模型桩来调整固定立杆；不连续的导向孔也可以达到测试目的，但设定模型桩时要参考导向孔的位置，模型桩可设定的位置相对固定。

所述测量装置2包括竖直加压装置21、沉降位移测量装置22及水平固定架23，所述竖直加压装置21与所述第三水平杆15的中心处固定连接，所述竖直加压装置21可将其下方的所述模型桩4向下压至设定深度，所述沉降位移测量装置22与所述水平固定架23固定连接，所述沉降位移测量装置22可通过测定所述水平承台板41下移距离来反映所述模型桩4的沉降位移。

进一步，所述立杆12由螺纹钢制成，所述第一水平杆13、第二水平杆14均由工字钢制成，所述第三水平杆15由槽钢制成，所述第二水平杆14设置在所述第一水平杆13的下方，所述第三水平杆15设置在所述第二水平杆14的上方。

进一步，所述立杆12下端伸入所述导向孔113后通过第一螺母111可拆卸连接在所述钢轨11上，所述第一水平杆13的端部设有预留孔，所述立杆12的上端穿过所述预留孔后通过所述第二螺母131与所述第一水平杆13固定连接，所述第一水平杆13及第二水平杆14的相应位置设有供所述第一连接杆142穿过的预留孔，所述第一水平杆13与第二水平杆14通过第一连接杆142上下两端螺纹连接的第三螺母141固定连接，所述第三水平杆15的两端部及所述第二水平杆14的相应位置设有供第二连接杆152穿过的预留孔，所述第三水平杆15与第二水平杆14通过所述第二连接杆152上下两端螺纹连接的第四螺母151固定连接。

进一步，所述钢轨11的两侧均设置有若干锚固孔112，所述钢轨11通过穿过所述锚固孔112的锚杆16固定在地面上。

进一步，所述竖直加压装置21为千斤顶，所述沉降位移测量装置22为两个百分表，所述两个百分表与所述水平固定架23,所述两个百分表的测定头与所述水平承台板41的表面抵接，所述两个百分表对称分布在所述模型桩4的两侧。

进一步，所述模型装置还包括两块定位板3，所述定位板3的中心处设有供所述模型桩4穿过的限位孔31，所述定位板3的两端均与所述立杆12固定连接，所述两条定位板3交叉布置且均沿所述平行四边形的对角线延伸。

进一步，所述四根立杆12在水平面上分布在一个矩形或正方形的四个顶点。

本发明还提供一种使用上述的模型装置现场测定桩基承载力时间效应的方法，其包括如下步骤：

S1.安装并调整好所述模型装置，使模型桩4位于所述两条第一水平杆13与两条第二水平杆14形成的平行四边形框中心的正下方，调节所述平行四边形框至适当高度，并通过所述第三水平杆15中心处固定连接的竖直加压装置21将所述模型桩4向下压至设定深度；

S2.进行静载试验，通过所述竖直加压装置21控制桩顶荷载Q，通过所述沉降位移测定装置测定桩顶位移s，由此桩顶荷载Q和桩顶位移s绘制模型桩4的初始Q～s曲线；

S3.将所述四根立杆12下端的螺母113从所述钢轨11上松开，所述四根立杆12沿所述导向孔113移动至另一个模型桩4，将四根立杆12下端的螺母113紧固，重复S1及S2，获得另一个模型桩4的初始Q～s曲线；若是定位板阻碍移动，则可在移动之前拆下定位板，移动至合适位置后再安装所述定位板；

S4.重复S3获得所有指定模型桩4的Q～s曲线，待指定模型桩4在土中静置时间达到设计天数后，重复S3获得指定模型桩4在某一休止时间段的Q～s曲线,通过不同休止时间段Q～s曲线的及初始Q～s曲线的对比，得到不同休止时间段模型桩4的承载性变化规律，即完成现场测定桩基承载力的时间效应。

本发明还可在上述方法的基础上，获得不同休止时间段桩侧摩阻力的变化规律，在所述模型桩内部预先设置若干应变计，所述若干应变计在竖直方向上等间距的设置在所述模型桩不同高度的截面上，所述若干应变计分别通过导线与应变仪连接，通过步骤S1将桩及其上的应变计压入设定深度，随后在步骤S2、S3和S4中在获得Q～s曲线的同时，可通过所述应变仪测得的模型桩桩身第i截面的应变值εⁱ，经过计算得到桩身第i截面的轴力以及桩身第i截面至第i+1截面间的桩侧平均摩阻力，从而得到不同休止时间段模型桩的桩侧摩阻力的变化规律以从另一个方面反应桩基承载力的时间效应，具体计算方式如下：

N_i＝E_mA_mε_i，

式中：E_m为试验桩的桩身弹性模量；A_m为试验桩的桩身截面积；ε_i为试验桩的桩身截面应变值；N_i为桩身第i截面轴力；D为桩身外径；ΔL_i为第i截面与i+1截面间的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，包括反力装置(1)、测量装置(2)和若干模型桩(4)，所述模型桩(4)的下端竖直插入地面，所述模型桩(4)的上端设有水平承台板(41)，所述若干模型桩(4)在地面上呈直线排列，

所述反力装置(1)包括两条钢轨(11)、四根立杆(12)、两条第一水平杆(13)、两条第二水平杆(14)和一条第三水平杆(15)，所述两条钢轨(11)水平铺设并固定在地面上，所述两条钢轨(11)平行布置在呈直线排列的所述若干模型桩(4)的两侧，所述钢轨(11)上沿其长度方向开设有导向孔(113)，所述四根立杆(12)的下端均伸入所述钢轨(11)上的导向孔(113)并竖直可拆卸的连接在所述钢轨(11)上，所述四根立杆(12)在水平面上分布在一个平行四边形的四个顶点，所述模型桩(4)位于所述平行四边形的中心，所述两条第一水平杆(13)相互平行，所述第一水平杆(13)与所述平行四边形的一对平行边相互平行且其两端部均与所述立杆(12)可拆卸连接，所述两条第二水平杆(14)均与所述平行四边形的另一对平行边相互平行且端部与所述第一水平杆(13)固定连接，所述两条第一水平杆(13)和所述两条第二水平杆(14)连接后形成一个平行四边形框，所述第三水平杆(15)两端均与所述第二水平杆(14)固定连接，所述平行四边形、平行四边形框及第三水平杆(15)的中心重合；

所述测量装置(2)包括竖直加压装置(21)、沉降位移测量装置(22)及水平固定架(23)，所述竖直加压装置(21)与所述第三水平杆(15)的中心处固定连接，所述竖直加压装置(21)可将其下方的所述模型桩(4)向下压至设定深度，所述沉降位移测量装置(22)与所述水平固定架(23)固定连接，所述沉降位移测量装置(22)可通过测定所述水平承台板(41)下移距离来反映所述模型桩(4)的沉降位移。

2.根据权利要求1所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述立杆(12)由螺纹钢制成，所述第一水平杆(13)、第二水平杆(14)均由工字钢制成，所述第三水平杆(15)由槽钢制成，所述第二水平杆(14)设置在所述第一水平杆(13)的下方，所述第三水平杆(15)设置在所述第二水平杆(14)的上方。

3.根据权利要求2所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述立杆(12)下端伸入所述导向孔(113)后通过第一螺母(111)可拆卸连接在所述钢轨(11)上，所述第一水平杆(13)的端部设有预留孔，所述立杆(12)的上端穿过所述预留孔后通过所述第二螺母(131)与所述第一水平杆(13)固定连接，所述第一水平杆(13)及第二水平杆(14)的相应位置设有供第一连接杆(142)穿过的预留孔，所述第一水平杆(13)与第二水平杆(14)通过第一连接杆(142)上下两端螺纹连接的第三螺母(141)固定连接，所述第三水平杆(15)的两端端部及所述第二水平杆(14)的相应位置设有供第二连接杆(152)穿过的预留孔，所述第三水平杆(15)与第二水平杆(14)通过所述第二连接杆(152)上下两端螺纹连接的第四螺母(151)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述钢轨(11)的两侧均设置有若干锚固孔(112)，所述钢轨(11)通过穿过所述锚固孔(112)的锚杆(16)固定在地面上。

5.根据权利要求1所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述竖直加压装置(21)为千斤顶，所述沉降位移测量装置(22)为两个百分表，所述两个百分表与所述水平固定架(23)固定连接，所述两个百分表的测定头与所述水平承台板(41)的表面抵接，所述两个百分表对称分布在所述模型桩(4)的两侧。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，还包括两块定位板(3)，所述定位板(3)的中心处设有供所述模型桩(4)穿过的限位孔(31)，所述定位板(3)的两端均与所述立杆(12)固定连接，所述两块定位板(3)交叉布置且均沿所述平行四边形的对角线延伸。

7.根据权利要求6所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述四根立杆(12)在水平面上分布在一个矩形或正方形的四个顶点。

8.根据权利要求6所述的一种现场测定桩基承载力时间效应的模型装置，其特征在于，所述模型桩(4)内部设置有若干应变计，所述若干应变计在竖直方向上等间距的设置在所述模型桩(4)不同高度的截面上，所述若干应变计分别通过导线与应变仪连接。

9.一种使用如权利要求1至8任一项所述的模型装置现场测定桩基承载力时间效应的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.安装并调整好所述模型装置，使模型桩(4)位于所述两条第一水平杆(13)与两条第二水平杆(14)形成的平行四边形框中心的正下方，通过螺母(131)调节所述平行四边形框至适当高度，并通过所述第三水平杆(15)中心处固定连接的竖直加压装置(21)将所述模型桩(4)向下压至设定深度；

S2.进行静载试验，通过所述竖直加压装置(21)控制桩顶荷载Q，通过所述沉降位移测定装置测定桩顶位移s，由此桩顶荷载Q和桩顶位移s绘制模型桩(4)的初始Q～s曲线；

S3.将所述四根立杆(12)下端的螺母(113)从所述钢轨(11)上松开，所述四根立杆(12)沿所述导向孔(113)移动至另一个模型桩(4)，将四根立杆(12)下端的螺母(113)紧固，重复S1及S2，获得另一个模型桩(4)的初始Q～s曲线；

S4.重复S3获得所有指定模型桩(4)的Q～s曲线，待指定模型桩(4)在土中静置时间达到设计天数后，重复S3获得指定模型桩(4)在某一休止时间段的Q～s曲线,通过不同休止时间段Q～s曲线的及初始Q～s曲线的对比，得到不同休止时间段模型桩(4)的承载性变化规律，即完成现场测定桩基承载力的时间效应。

10.根据权利要求9所述的一种测定桩基承载力时间效应的方法，其特征在于，所述模型桩(4)内部设置有若干应变计，所述若干应变计在竖直方向上等间距的设置在所述模型桩(4)不同高度的截面上，所述若干应变计分别通过导线与应变仪连接，通过步骤S1将所述模型桩(4)及其内的应变计压入设定深度，随后在步骤S2、S3和S4中在获得Q～s曲线的同时，在给模型桩顶施加荷载的过程中，可通过所述应变仪测得的模型桩(4)桩身第i截面的应变值ε_i，计算出桩身第i截面的轴力以及桩身第i截面至第i+1截面间的桩侧平均摩阻力，从而得到不同休止时间段模型桩(4)的桩身轴力及桩侧摩阻力的变化规律以从另一个方面反应桩基承载力的时间效应，具体计算方式如下：

N_i＝E_mA_mε_i，

式中：E_m为试验桩的桩身弹性模量；A_m为试验桩的桩身截面积；ε_i为试验桩的桩身截面应变值；N_i为桩身第i截面轴力；D为桩身外径；ΔL_i为第i截面与i+1截面间的距离。