CN106480910A - 一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置及方法，所述装置包括模型试验箱、模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器，所述模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器置于所述模型试验箱内；所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的至少一个弹簧，所述弹簧组合结构弹性承载所述模型桩，所述第一组传感器置于所述模型桩的底部，所述第二组传感器置于所述模型桩的顶部。更真实的模拟桩基试验中桩端的实际端承作用，测试模型桩的荷载分布及沉降规律，探究桩土相互作用机理。

Description

一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程中桩基模型试验技术领域，具体涉及一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置及方法。

背景技术

经过多年的发展，对于桩基承载能力的研究主要有现场原型试验、室内模型试验及基于试验数据之上的数值模拟三种方法，由于现场原型试验费用高、试验数据不易采集、地质条件变化不具规律性等缺点，使得现场试验难以大规模开展，而数值计算方法尚不足以全面模拟岩土体的复杂性及桩土之间的相互作用机理，因此室内模型试验是研究桩基承载能力和变形特性切实有效、经济可行的技术手段。

在桩基模型试验中，桩侧摩阻力及桩周土的变形是我们研究的重点，为了使模型试验中的桩基达到极限承载能力状态，需要对模型桩的桩端承载作用进行处理，采用的方法主要有模型箱底开洞或桩端设置泡沫，但模型箱底开洞的方法与实际桩基的桩端端承作用相距较远，而端承作用的改变会对桩侧摩阻力造成难以估量的影响，设置泡沫的方法虽然在一定程度上可以模拟桩端的承载作用，但如何控制泡沫的刚度使之与桩端岩土体的基床系数等效不易实现。

因此，研制一种可精确模拟桩端承载作用，且可以根据不同岩土体基床系数进行改变的试验装置及方法显得尤为迫切。

发明内容

本发明为了克服现有技术方法的不足，提出了一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置及方法，更真实的模拟桩基试验中桩端的实际端承作用，测试模型桩的荷载分布及沉降规律，探究桩土相互作用机理。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置，包括模型试验箱、模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器，所述模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器置于所述模型试验箱内；所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的至少一个弹簧，所述上支撑面的上板面与所述模型桩的底部连接，所述弹簧组合结构弹性承载所述模型桩，所述第一组传感器置于所述模型桩的底部，所述第二组传感器置于所述模型桩的顶部。

所述弹簧为n个，每个弹簧对应的弹性系数分别为k₁、k₂、k₃…k_n；所述弹簧的个数及每个弹簧对应的弹性系数通过公式k＝K·A和数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n得到；其中，k为所述弹簧组合结构的弹簧总弹性系数，K为桩底岩土体的基床系数，A为所述模型桩的桩端面积。通过选择不同的弹簧进行组合可以模拟模型试验中桩端不同的承载作用。

所述弹簧的自由长度相等。确保所述弹簧组合结构的上支撑面水平，以水平承载模型桩。

包括至少四根弹性系数相同的弹簧或其等效弹簧组，所述弹簧或其等效弹簧组以所述上支撑面的中心为基准等角度等距离环绕设置。确保平稳承载模型桩。

所述上支撑面包括至少一个上圆环，所述下支撑面包括至少一个下圆环，所述弹簧的两端分别连接与所述弹簧对应的上圆环和下圆环，所述弹簧、上圆环和下圆环形成至少一个弹簧环。多个弹簧环之间可以相互组合，组成组合所需的弹簧组合结构。

组成所述等效弹簧组的至少两根弹簧相互之间为并列设置或套合设置。

还包括桩端支撑板，其设置于所述弹簧组合结构与模型桩之间，且所述第一组传感器置于所述桩端支撑板的上板面。所述桩端支撑板用于承担桩端荷载并将其均匀的传递到所述弹簧上。

所述第一组传感器包括第一位移传感器和第一载荷传感器，所述第二组传感器包括第二位移传感器和第二载荷传感器。所述第一组传感器和第二组传感器分部设置于桩端和桩顶两处，用于测量模型试验过程中的模型桩桩端阻力、桩顶压力、桩端沉降及桩顶位移，并基于所述测量数据求出模型桩的桩侧摩阻力和桩身压缩量。

所述弹簧环组合的原则为：

其中 p—桩底均布荷载； K—基床系数；

k—弹簧总弹性系数； F—桩端载荷；

s—桩端沉降； A—桩端面积；

即弹簧总弹性系数由桩底岩土体的基床系数和桩端面积决定。

由多个弹簧组合的弹簧总弹性系数k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n。

其中k₁、k₂、k₃…k_n—单个弹簧的弹性系数。

作为本发明提供的另一个解决技术问题的技术方案，提供了一种模拟与测试桩端不同承载作用的方法，步骤如下：

S1：试验准备阶段，

S11、根据实际桩端岩土体的基床系数K、模型桩的桩端面积A，利用公式k＝K·A计算得到弹簧组合结构的弹簧总弹性系数k；

S12、通过数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需弹簧的个数及每个弹簧对应的弹性系数；其中，n为弹簧组合结构所需的弹簧的个数，k₁、k₂、k₃…k_n为每个弹簧对应的弹性系数；

S13、组装所述弹簧组合结构，所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的n个弹簧；

S2：试验安装阶段，

S21、将组装好的所述弹簧组合结构放入模型试验箱，于所述弹簧组合结构的上支撑面上设置第一组传感器；

S22、把模型桩吊入，所述模型桩置于所述弹簧组合结构上；

S23、往所述模型试验箱中分层填土，分层压密夯实直至土体达到所述模型桩的顶部；

S24、在所述模型桩的顶部设置第二组传感器；

S3：试验加载阶段，利用反力架和千斤顶对所述模型桩的顶部施加荷载；

其中，所述第一组传感器包括第一位移传感器和第一载荷传感器，所述第二组传感器包括第二位移传感器和第二载荷传感器。

进一步，在所述试验安装阶段，在将所述模型桩临时固定之后，且在往所述模型试验箱中分层填土之前，在所述弹簧组合结构外侧缠绕一圈或多圈柔性材料形成围护。优选地，所述柔性材料如软塑料、纤维布等。采用柔性围护结构既可以防止填土时，土体挤入弹簧内部，影响弹簧正常压缩，又可以协同支撑板一起压缩下降，而不会破坏水泥浆与土体之间的相互作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明针对桩基模型试验中模型箱尺寸有限及单桩预埋的特点，利用弹簧组合结构实现桩端岩土体支撑作用的模拟，使桩基受力过程与现场实际情况更加相似，对于研究桩基端承力与摩阻力的变化规律，揭示单桩承载机理具有重要意义。

2.本发明中的弹簧组合结构，由多个弹簧环组合而成，可以基于k＝K·A的原则，根据桩底岩土体的基床系数和桩端面积，组合出完全等效的弹簧组合结构。

3.本发明装置可以通过改变弹簧的弹性系数、改变弹簧的个数或改变弹簧环的个数等多种方法得到不同的弹簧总弹性系数，实现对岩土体不同基床系数及不同直径桩基的模拟，进行多种工况下的模型试验，研究桩底岩石刚度和桩端面积对单桩极限承载力的影响规律。

4.本发明通过在桩顶和桩底分部设置位移传感器和载荷传感器，避免了在桩身贴应变片的不便，并且基于测试数据可以求得桩侧摩阻力和桩身应变。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为实施例1的试验装置布置示意图。

图2为实施例1的弹簧组合结构、桩端支撑板及第一组传感器的组合示意图。

图3为实施例1的弹簧环的结构示意图。

图4为实施例1的弹簧环的俯视图。

图中：模型试验箱1、模型桩2、弹簧组合结构3、桩端支撑板4、第一组传感器5、第二组传感器6、上圆环71、下圆环72和弹簧8。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图4所示，本发明所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，包括模型试验箱1、模型桩2、弹簧组合结构3、第一组传感器5和第二组传感器6。所述模型桩2、弹簧组合结构3、第一组传感器5与第二组传感器6置于模型试验箱1的容腔。所述弹簧组合结构3包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的至少一个弹簧8，通过所述上支撑面的上板面与所述模型桩2的底部连接，所述弹簧组合结构3弹性承载所述模型桩2，所述第一组传感器5置于所述模型桩2的底部，所述第二组传感器置6于所述模型桩2的顶部。

本发明所述的模拟与测试桩端不同承载作用的方法，步骤如下：

S1：试验准备阶段，

S11、根据实际桩端岩土体的基床系数K、模型桩的桩端面积A，利用公式k＝K·A计算得到弹簧组合结构的弹簧总弹性系数k；

S12、通过数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需弹簧的个数及每个弹簧对应的弹性系数；其中，n为弹簧组合结构所需的弹簧的个数，k₁、k₂、k₃…k_n为每个弹簧对应的弹性系数；

S13、组装所述弹簧组合结构，所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的n个弹簧；

S2：试验安装阶段，

S21、将组装好的所述弹簧组合结构放入模型试验箱，于所述弹簧组合结构的上支撑面上设置第一组传感器；

S22、把模型桩吊入，所述模型桩置于所述弹簧组合结构上；

S23、往所述模型试验箱中分层填土，分层压密夯实直至土体达到所述模型桩的顶部；

S24、在所述模型桩的顶部设置第二组传感器；

S3：试验加载阶段，利用反力架和千斤顶对所述模型桩的顶部施加荷载；

其中，所述第一组传感器包括第一位移传感器和第一载荷传感器，所述第二组传感器包括第二位移传感器和第二载荷传感器。

实施例1

实施例1的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，包括模型试验箱1、模型桩2、弹簧组合结构3、桩端支撑板4、第一组传感器5和第二组传感器6。其中，所述模型桩2、弹簧组合结构3、桩端支撑板4、第一组传感器5与第二组传感器6置于模型试验箱1的容腔。其中，所述模型桩为预制桩。

具体地，本发明的弹簧组合结构3包括至少一个弹簧环，本实施例1的弹簧组合结构3包括第一弹簧环、第二弹簧环和第三弹簧环。第一弹簧环包括上圆环71、下圆环72和四根规格相同的弹簧8。上圆环71和下圆环72为形状大小相同的圆环状钢板，下圆环72置于模型试验箱1的箱底，上圆环71板面相对地置于下圆环72的上方。四个规格相同的弹簧8等角度环绕设置地抵顶于上圆环71和下圆环72两者的板面之间，弹簧8的两端分别连接上圆环71和下圆环72两者的板面。使第一弹簧环为套筒状。

同理，第二弹簧环与第一弹簧环结构大致相同，第二弹簧环与第一弹簧环区别在于：第二弹簧环的上圆环为第一弹簧环的上圆环的同心环，且第二弹簧环的上圆环的外径小于或等于第一弹簧环的上圆环的内径。第二弹簧环的下圆环为第一弹簧环的下圆环的同心环，且第二弹簧环的下圆环的外径小于或等于第一弹簧环的下圆环的内径。第二弹簧环的弹簧的自由长度与第一弹簧环的弹簧的自由长度相同，第二弹簧环的弹簧的弹性系数与第一弹簧环的弹簧的弹性系数可以不同，也可以相同。则，第一弹簧环可拆除地套设第二弹簧环。

同理，第二弹簧环套设第三弹簧环。

在组成弹簧组合结构3的三个弹簧环中，三个上圆环共同形成弹簧组合结构3的上支撑面，三个下圆环共同形成弹簧组合结构3的下支撑面。

弹簧组合结构3的上支撑面与桩端支撑板4的下板面连接，桩端支撑板4的上板面与模型桩2的底部连接，桩端支撑板4与模型桩2之间设有第一组传感器5，所述第一组传感器5包括第一位移传感器和第一载荷传感器。模型桩2竖直设立，其顶部设置第二组传感器6，所述第二组传感器6包括第二位移传感器和第二载荷传感器。

以下通过本实施例1进行桩端不同承载作用的模拟与测试：

S1：试验准备阶段，

S11、根据实际桩端岩土体的基床系数K、模型桩的桩端面积A，利用公式k＝K·A计算得到弹簧组合结构3的弹簧总弹性系数k；

S12、通过数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需弹簧8的个数及每个弹簧8对应的弹性系数；其中，n为弹簧组合结构3所需的弹簧8的个数，k₁、k₂、k₃…k_n为每个弹簧8对应的弹性系数，可以根据需要，形成不同弹簧总弹性系数的弹簧组合结构3，以等效不同的岩土体刚度；

S13、组装所述弹簧组合结构3，所述弹簧组合结构3包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的n个弹簧8；

S2：试验安装阶段，

S21、桩基模型试验中，模型桩2一般采用预埋的方法；将组装好的所述弹簧组合结构放入模型试验箱1的中央位置，盖上桩端支撑板4，在桩端支撑板4上设置第一组传感器5；

S22、把模型桩吊入，使桩端与桩端支撑板4对齐，采用临时支撑将模型桩2临时固定；

S23、在往模型试验箱1中分层填土之前，在弹簧组合结构3外侧缠绕一圈或多圈柔性材料，形成围护，围护完成后往模型试验箱1内分层填土、分层拆除临时支撑，往所述模型试验箱1中分层填土，分层压密夯实直至土体达到所述模型桩2的顶部；

S24、在所述模型桩2的顶部设置第二组传感器6；

S3：试验加载阶段，利用反力架和千斤顶对模型桩2的顶部施加荷载，通过各传感器记录下桩顶、桩底的位移、荷载变化，研究单桩在桩端岩土体不同刚度时承载能力变化规律及桩土相互作用机理等问题。

在每一个弹簧环中设置规格相同的弹簧，规格相同即自由长度、圈数及弹性系数均相同的。这样设计是为了保证桩端支撑板4的稳定性。

进一步，只要确保其上的桩端支撑板4和模型桩2稳定，则，弹簧组合结构3中的同一弹簧环内的弹簧不限制弹性系数一致。作为一个优选的例子，根据公式k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，实施例1中第一弹簧环中的其中一根弹簧被两根弹簧替代。作为替代的所述两根弹簧的弹性系数加和后等效于第一弹簧环中的任意一根弹簧。作为替代的所述两根弹簧称为被替代的那一根弹簧的等效弹簧组。

更进一步，还是以上述的两根弹簧替换一根弹簧的例子。构成所述等效弹簧组的两根弹簧相互的位置关系，可以是并列设置，也可以是套合设置。

优选地，每一个弹簧环具有四个以上弹簧，确保各方向上受力均匀。

在其他实施例中，还可以根据需要，设置更多不同直径大小的弹簧环，相互等高套设。通过不同弹性系数的弹簧环组合，使桩基受力过程与现场实际情况更加相似，对于研究桩基端承力与摩阻力的变化规律，揭示单桩承载机理具有重要意义。

所述柔性材料如软塑料、纤维布等。采用柔性围护结构既可以防止填土时，土体挤入弹簧内部，影响弹簧正常压缩，又可以协同支撑板一起压缩下降，而不会破坏水泥浆与土体之间的相互作用。

实施例2

实施例2与实施例1的结构大致相同，区别在于：实施例2的弹簧组合结构3与实施例1的弹簧组合结构3结构不同；实施例2并未设置桩端支撑板4；实施例2的第一组传感器设于弹簧组合结构3的上支撑面的上板面上。

实施例2的弹簧组合结构3包括上定位板、下定位板和多个弹簧8。上定位板为一圆形钢板，下定位板为一圆形钢板，上定位板和下定位板板面相对地上下设立，多个弹簧8抵顶于上定位板和下定位板两者的板面之间，弹簧8的两端分别连接上定位板和下定位板两者的板面。

其中，实施例2的的弹簧组合结构3的弹簧8的自由长度均相同，但弹性系数可以不同。优选地，相同弹性系数的弹簧8以上定位板的圆心为基准等距离等角度环绕地设置，即，相同弹性系数的弹簧8在至少一个同心环内。不同弹性系数的弹簧8设置在不同的同心环内。在一同心环内的弹簧等角度设置，有效保证对模型桩的稳定支撑。

由于实施例2并未设置桩端支撑板4，模型桩2直接设立在弹簧组合结构3上，即，模型桩2的底部与弹簧组合结构3的上定位板的上板面连接。第一组传感器5设置在弹簧组合结构3与模型桩2之间，即，第一组传感器5设置在模型桩2的底部与弹簧组合结构3的上定位板的上板面之间。

从实施例2可见，弹簧组合结构3不是由弹簧环组成，但其起到的作用于组合弹簧环相同，也可以实现弹簧组合结构3的目标功能。此外，上定位板即为弹簧组合结构3的上支撑面，下定位板即为弹簧组合结构3的下支撑面。当上支撑面为一体成型的板面时，即不是实施例1的通过多个圆环组合，弹簧组合结构3的上支撑面，也就是弹簧组合结构3的上定位板可以直接承载模型桩2，无需设置桩端支撑板4。

从实施例1和实施例2中可见，弹簧组合结构的上支撑面为圆形或圆环型，之所以如此设计，是因为弹簧组合结构承载的模型桩为圆柱形，为了确保平稳地支撑模型桩，把上支撑面设计为圆形为圆环型，但是，在其他实施例中，可以将上支撑面设计为正多边形，所以只要保证弹性系数相同的弹簧或其等效弹簧组以所述上支撑面的中心为基准等角度等距离环绕设置，同样能实现对模型桩的平稳支撑。

本实施例所述模拟与测试桩端不同承载作用的装置与方法的其它结构参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：包括模型试验箱、模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器，所述模型桩、弹簧组合结构、第一组传感器和第二组传感器置于所述模型试验箱内；所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的至少一个弹簧，所述弹簧组合结构弹性承载所述模型桩，所述第一组传感器置于所述模型桩的底部，所述第二组传感器置于所述模型桩的顶部。

2.根据权利要求1所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：所述弹簧为n个，每个弹簧对应的弹性系数分别为k₁、k₂、k₃…k_n；所述弹簧的个数及每个弹簧对应的弹性系数通过公式k＝K·A和数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n得到；其中，k为所述弹簧组合结构的弹簧总弹性系数，K为桩底岩土体的基床系数，A为所述模型桩的桩端面积。

3.根据权利要求2所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：包括至少四根弹性系数相同的弹簧或其等效弹簧组，所述弹簧或其等效弹簧组以所述上支撑面的中心为基准等角度等距离环绕设置。

4.根据权利要求3所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：所述上支撑面包括至少一个上圆环，所述下支撑面包括至少一个下圆环，所述弹簧的两端分别连接与所述弹簧对应的上圆环和下圆环，所述弹簧、上圆环和下圆环形成至少一个弹簧环。

5.根据权利要求3所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：组成所述等效弹簧组的至少两根弹簧相互之间为并列设置或套合设置。

6.根据权利要求4所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：还包括桩端支撑板，其设置于所述弹簧组合结构与模型桩之间，且所述第一组传感器置于所述桩端支撑板的上板面。

7.根据权利要求6所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：所述弹簧的自由长度相等。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟与测试桩端不同承载作用的装置，其特征在于：所述第一组传感器包括第一位移传感器和第一载荷传感器，所述第二组传感器包括第二位移传感器和第二载荷传感器。

9.一种模拟与测试桩端不同承载作用的方法，其特征在于，步骤如下：

S1：试验准备阶段，

S11、根据实际桩端岩土体的基床系数K、模型桩的桩端面积A，利用公式k＝K·A计算得到弹簧组合结构的弹簧总弹性系数k；

S12、通过数学模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需弹簧的个数及每个弹簧对应的弹性系数；其中，n为弹簧组合结构所需的弹簧的个数，k₁、k₂、k₃…k_n为每个弹簧对应的弹性系数；

S13、组装所述弹簧组合结构，所述弹簧组合结构包括上支撑面、下支撑面及抵顶于所述上支撑面和下支撑面之间的n个弹簧；

S2：试验安装阶段，

S21、将组装好的所述弹簧组合结构放入模型试验箱，于所述弹簧组合结构的上支撑面上设置第一组传感器；

S22、把模型桩吊入，所述模型桩置于所述弹簧组合结构上；

S23、往所述模型试验箱中分层填土，分层压密夯实直至土体达到所述模型桩的顶部；

S24、在所述模型桩的顶部设置第二组传感器；

S3：试验加载阶段，利用反力架和千斤顶对所述模型桩的顶部施加荷载；

其中，所述第一组传感器包括第一位移传感器和第一载荷传感器，所述第二组传感器包括第二位移传感器和第二载荷传感器。

10.根据权利要求9所述的模拟与测试桩端不同承载作用的方法，其特征在于：在所述试验安装阶段，在将所述模型桩临时固定之后，且在往所述模型试验箱中分层填土之前，在所述弹簧组合结构外侧缠绕一圈或多圈柔性材料形成围护。