CN106638725B - 一种管桩挤土效应测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管桩挤土效应测试装置及方法，包括模型桶、气压室、模型管桩、钢化玻璃板、Y型基座、弯曲元测试装置和数码摄像装置；气压室为底部开口的半圆环形筒体结构，底面采用乳胶膜密封，将其敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；模型管桩为顶部密封的半圆柱体，顶部开有注气孔，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；在模型桶底基座和Y型基座上等间距布置上下相对的激发弯曲元和接收弯曲元，并外接数据采集系统。本发明可模拟管桩沉桩过程中土层不同深度处的真实应力环境，实现了管桩贯入阻力和桩周土扰动后位移场和剪切波速的同步测试，具有土塞应力可控、可视化观测、操作简便等优点。

Description

一种管桩挤土效应测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管桩挤土效应测试装置及方法，属于桩基工程技术领域。

背景技术

管桩因其具有制作工艺简单、植桩方便、质量容易保证、造价低、施工速度快等优点，近年来在房屋建筑、海港码头、跨海大桥、海上石油平台和海上风机等工程中得到了广泛应用。管桩在静压或振动沉桩过程中势必会对周围土体产生扰动、重塑以及挤压作用，桩周附近土体的剪切模量、密度等参数不可避免地会发生变化，使土体在径向上呈现出不均匀性。挤土效应产生的土体垂直隆起和水平移动，可能使邻近既有桩体上浮、偏移甚至导致桩体断裂，同时沉桩过程改变了桩周扰动区域土体的应力状态和性质，产生很高的超孔隙水压力以及硬化或软化效应，将对后续相邻桩的贯入施工及桩的承载性能造成显著影响。

目前，室内模型试验大多通过布置桩身应变片、土压力盒和孔压计等传感器对贯入阻力、桩侧土压力和超孔隙水压力的发展规律进行量测，或辅于可视化窗口对沉桩过程中土体位移场进行观测。然而，上述常规1g缩尺模型试验提供的土中应力水平很低，无法模拟土层不同深度处的真实应力状态。由于贯入引起的土体扰动受侧向应力和土塞效应的影响，低围压下土体往往表现出强烈的剪胀和应变软化现象，导致土体扰动范围、扰动程度和土塞高度等因素与实际存在较大差异。中国发明专利“模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法(CN201610013846.8)”和“一种开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置及实验方法(CN201410172279.1)”分别公开了一种通过三轴试验施加围压和渗水力作用模拟桩在不同深度处原位土体的应力水平，具有一定的工程应用价值，但存在土样尺寸过小和渗透系数难以控制等缺陷，且都无法对沉桩过程中桩周土性质的动态演化进行测试。

发明内容

本发明旨在提供一种管桩挤土效应测试装置及方法，为不同土层深度处的管桩沉桩模拟提供真实的应力环境，实现管桩贯入阻力和桩周土扰动位移场和剪切波速的同步测试，克服以往室内模型试验无法获取挤土效应引起的土层性质演化的缺陷。

本发明提供了一种管桩挤土效应测试装置，包括模型桶、反力架、气压室、模型管桩、钢化玻璃板、Y型基座、电液伺服千斤顶、弯曲元测试装置和高分辨率相机；

所述模型桶为钢制半圆形筒体结构，在桶底圆心处沿径向设置一条形基座，模型桶上部设有一Y型基座，模型桶上方设有气压室；

气压室为底部开口的同心半圆环筒体结构，气压室的外缘与模型桶的外缘重合，气压室底面采用乳胶膜密封，顶部设有注气孔，环状气压室的中心设有模型管桩；

所述模型管桩为顶部密封的中空半圆柱体，顶部设有管桩注气孔，桩芯设有活塞，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；

模型管桩上方设有电液伺服千斤顶，电液伺服千斤顶固定在反力架顶面，用以将模型管桩贯入土体，在千斤顶与模型管桩之间设置荷载传感器和位移传感器，实时记录管桩贯入阻力和贯入深度；

所述钢化玻璃板为长方体板，设置在模型桶的平面一侧并与模型桶两端连接；钢化玻璃板上部与气压室的两端连接；

弯曲元测试装置包括激发弯曲元和接收弯曲元；所述激发弯曲元固定在模型桶底部的条形基座上，所述接收弯曲元固定在Y型基座上，激发弯曲元和接收弯曲元分别沿条形基座和Y型基座等间距、上下成对布置，每上下两个相对的弯曲元组成一组测试单元，对其之间的土体进行剪切波波速测量；每组测试单元采用相同的偏振方向，而相邻弯曲元设不同的偏振方向；激发弯曲元和接收弯曲元分别与弯曲元信号线连接；

所述高分辨率相机设置在模型桶的正前方，记录管桩贯入过程中土体内部的位移规律，通过Giodog等图像处理软件，可获得土体位移云图，以及桩芯土塞高度和土表隆起情况。

所述模型桶桶高30cm，侧平面采用钢化玻璃板制作；为避免弯曲元激发的土层振动沿桶壁传播而干扰剪切波波速的测量，以及为方便填土时排水，填土前在模型桶内表面铺设一层橡胶垫，并在其底端设一排水孔。

所述钢化玻璃板高度为模型桶与气压室高度之和，宽度比半圆形模型桶的直径长10～20cm，钢化玻璃板两端分别伸出桶体外5～10cm，伸出部分设置螺孔并通过螺栓与模型桶连接。

所述气压室为底部开口的同心半圆环筒体结构，采用钢化玻璃制作；橡胶膜敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；内圆筒直径与模型管桩外径一致，外圆筒直径与模型桶外径一致；为保证气压室气密性，在内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。

在模型管桩的弧形面的外表面设有锯齿状接口，在该锯齿状接口上粘贴高阻尼合金外壳，避免土层振动沿桩身传播。

所述激发弯曲元和接收弯曲元埋入土体深度为5mm，工作频率为5~25kHz，布置对数及间距可根据试验目的和具体要求进行选择；为避免沉桩过程中土体侧移损坏弯曲元，在距离每个弯曲元沉桩一侧5mm处设置一挡土块，埋入土体深度为10mm。

所述Y型基座由一直横梁和半圆环组成，采用不锈钢材质，埋设于土体表面以下5cm处；直横梁部分与桶底弯曲元基座的位置相对应；半圆环部分直径与管桩外径一致；Y型基座两端分别通过螺钉与模型桶和钢化玻璃板连接固定。

所述Y型基座的上表面开设一凹槽，接收弯曲元信号线从该凹槽内引出；条形基座的下表面开设一凹槽，激发弯曲元信号线从该凹槽内引出。

本发明提供了一种管桩挤土效应测试方法，包括以下步骤：

① 安装弯曲元：实验装置组装完成后，分别在模型桶底部基座和上部Y型基座上安装激发弯曲元和接收弯曲元，并引出弯曲元信号线；

② 填土：根据压实度和含水量控制指标配制土样，采用填土方式将土样均匀填入模型桶内，直到土面高度超过桶顶，刮去表面多余土体，保持土面与桶顶齐平及表面平整；

③ 埋设传感器：根据测试需要，可在填土过程中布置孔隙水压力计，土压力计传感器，但应注意埋设位置应远离弯曲元所在平面；

④ 密封气压室：选择一张尺寸大于气压室底面尺寸的环形乳胶膜，将乳胶膜一边敷设在气压室外圆筒内表面的锯齿状接口内，楔入与之匹配的齿形夹条，并拧紧螺钉固定；再将乳胶膜其余边敷设在气压室侧平面和内圆筒外表面的锯齿状接口内；

⑤ 安装气压室：将气压室敷设于模型桶土体表面，并保持乳胶膜与土体贴合，拧紧外环的紧固螺栓与模型桶相连；

⑥ 安装模型管桩：将模型管桩置于沉桩位置，桩端与土面齐平；在桩顶布置荷载和位移传感器，伸长电液伺服千斤顶使其能恰好接触荷载传感器；

⑦ 充气加压：通过恒压气源对桩芯进行少量充气，使桩芯活塞顶住土面，后关闭气源阀门；接着将气压室加压至设定目标气压，取模拟深度处土层的上部自重应力；再打开桩芯进气阀，将桩芯活塞加压至设定目标气压，取模拟深度处上部桩芯土塞应力；

⑧ 沉桩测试：首先对各传感器进行调试、清零，运行弯曲元，测得土体初始剪切波速；接着将模型管桩穿过气压室内圆筒，竖直立于圆孔中，并与土面接触；通过千斤顶施加荷载，使管桩缓慢贯入土中，利用传感器采集数据，并采用高分辨率相机对土体内部位移规律进行连续拍摄；待沉桩至预定位置后，依次运行弯曲元，对沉桩挤土后的土体剪切波速再次进行测量。

所述填土方式是指分层锤击法、自由下落法、排水固结法中的一种。

所述密封气压室的具体操作为：将橡胶膜敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；为保证气压室气密性，在气压室的内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。

本发明的原理是：气压室内气压作用模拟上部土层自重应力，模型管桩内气压作用模拟桩芯土塞上部应力，通过记录桩周土体内剪切波速的变化、位移规律、孔隙水压力的变化，来反应土层不同深度处管桩沉桩的挤土效应。

本发明的有益效果是：

（1）通过改变气压大小，为土层不同深度处的管桩沉桩模拟提供了真实的应力环境，突破了传统模型试验中土层只能从地表开始模拟的限制，并可对管桩挤土引起的土体垂直隆起和水平移动进行整体量测；

（2）实现了管桩贯入阻力和桩周土扰动后位移场和剪切波速的同步测试，克服了以往沉桩模型试验无法获取挤土效应引起的土层性质演化的缺陷；

（3）装置具有土塞应力可控、可视化观测、操作简便等优点；且安装方便，可拆卸，便于更换部件和清洗。

附图说明

图1是管桩挤土效应测试装置的主视图；

图2是管桩挤土效应测试装置的右视图；

图3是图2中沿A-A线的剖面图；

图4是图2中沿B-B线的剖面图；

图中：1—模型桶；2—模型土；3—反力架；4—排水孔；5—钢化玻璃板；6—乳胶膜；7—气压室；8—齿形夹条；9—气压室注气孔；10—模型管桩；11—高阻尼合金外壳；12—管桩注气孔；13—活塞；14—激发弯曲元；15—接收弯曲元；16—Y型基座；17—电液伺服千斤顶；18—荷载传感器；19—位移传感器；20—高分辨率相机。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1~4所示，一种管桩挤土效应测试装置，包括模型桶1、反力架3、气压室7、模型管桩10、钢化玻璃板5、Y型基座16、电液伺服千斤顶17、弯曲元测试装置和高分辨率相机20；

所述模型桶1为钢制半圆形筒体结构，在桶底圆心处沿径向设置一条形基座，模型桶1上部设有一Y型基座16，模型桶1上方设有气压室7；

气压室7为底部开口的同心半圆环筒体结构，气压室7的外缘与模型桶1的外缘重合，气压室7底面采用乳胶膜6密封，顶部设有气压室注气孔9，环状气压室的中心设有模型管桩10；

所述模型管桩10为顶部密封的中空半圆柱体，顶部开有管桩注气孔12，桩芯设有活塞13，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；

模型管桩10上方设有电液伺服千斤顶17，电液伺服千斤顶17固定在反力架3顶面，用以将模型管桩10贯入土体，在千斤顶与模型管桩10之间设置荷载传感器18和位移传感器19，实时记录管桩贯入阻力和贯入深度；

所述钢化玻璃板5为长方体板，设置在模型桶1的平面一侧并与模型桶两端连接；钢化玻璃板5上部与气压室7的两端连接；

弯曲元测试装置包括激发弯曲元14和接收弯曲元15；所述激发弯曲元14固定在模型桶1底部的条形基座上，所述接收弯曲元15固定在Y型基座16上，激发弯曲元14和接收弯曲元15分别沿条形基座和Y型基座等间距、上下成对布置，每上下两个相对的弯曲元组成一组测试单元，对其之间的土体进行剪切波波速测量；每组测试单元采用相同的偏振方向，而相邻弯曲元设不同的偏振方向；激发弯曲元14和接收弯曲元15分别与弯曲元信号线连接；

所述高分辨率相机20设置在模型桶1的正前方，记录管桩贯入过程中土体内部的位移规律，通过Giodog等图像处理软件，可获得土体位移云图，以及桩芯土塞高度和土表隆起情况。

所述模型桶1桶高30cm，侧平面采用钢化玻璃板制作；为避免弯曲元激发的土层振动沿桶壁传播而干扰剪切波波速的测量，以及为方便填土时排水，填土前在模型桶内表面铺设一层橡胶垫，并在其底端设一排水孔4。

所述钢化玻璃板5高度为模型桶与气压室高度之和，宽度比半圆形模型桶的直径长10～20cm，钢化玻璃板两端分别伸出桶体外5～10cm，伸出部分设置螺孔并通过螺栓与模型桶连接。

所述气压室7为底部开口的同心半圆环筒体结构，采用钢化玻璃制作；橡胶膜6敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；内圆筒直径与模型管桩外径一致，外圆筒直径与模型桶外径一致；为保证气压室气密性，在内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。

在模型管桩10的弧形面的外表面设有锯齿状接口，在该锯齿状接口上粘贴高阻尼合金外壳11，避免土层振动沿桩身传播。

所述激发弯曲元14和接收弯曲元15埋入土体深度为5mm，工作频率为5~25kHz，布置对数及间距可根据试验目的和具体要求进行选择；为避免沉桩过程中土体侧移损坏弯曲元，在距离每个弯曲元沉桩一侧5mm处设置一挡土块，埋入土体深度为10mm。

所述Y型基座16由一直横梁和半圆环组成，采用不锈钢材质，埋设于土体表面以下5cm处；直横梁部分与桶底弯曲元基座的位置相对应；半圆环部分直径与管桩外径一致；Y型基座两端分别通过螺钉与模型桶和钢化玻璃板连接固定。

所述Y型基座16的上表面开设一凹槽，接收弯曲元信号线从该凹槽内引出；条形基座的下表面开设一凹槽，激发弯曲元信号线从该凹槽内引出。

本发明提供了一种管桩挤土效应测试方法，包括以下步骤：

① 安装弯曲元：实验装置组装完成后，分别在模型桶底部基座和上部Y型基座上安装激发弯曲元和接收弯曲元，并引出弯曲元信号线；

② 填土：根据压实度和含水量控制指标配制土样，采用填土方式将土样均匀填入模型桶内，直到土面高度超过桶顶，刮去表面多余土体，保持土面与桶顶齐平及表面平整；

③ 埋设传感器：根据测试需要，可在填土过程中布置孔隙水压力计，土压力计传感器，但应注意埋设位置应远离弯曲元所在平面；

④ 密封气压室：选择一张尺寸大于气压室底面尺寸的环形乳胶膜，将乳胶膜一边敷设在气压室外圆筒内表面的锯齿状接口内，楔入与之匹配的锯齿形夹条，并拧紧螺钉固定；再将乳胶膜其余边敷设在气压室侧平面和内圆筒外表面的锯齿状接口内；

⑤ 安装气压室：将气压室敷设于模型桶土体表面，并保持乳胶膜与土体贴合，拧紧外环的紧固螺栓与模型桶相连；

⑥ 安装模型管桩：将模型管桩置于沉桩位置，桩端与土面齐平；在桩顶布置荷载和位移传感器，伸长电液伺服千斤顶使其能恰好接触荷载传感器；

⑦ 充气加压：通过恒压气源对桩芯进行少量充气，使桩芯活塞顶住土面，后关闭气源阀门；接着将气压室加压至设定目标气压，取模拟深度处土层的上部自重应力；再打开桩芯进气阀，将桩芯活塞加压至设定目标气压，取模拟深度处上部桩芯土塞应力；

⑧ 沉桩测试：首先对各传感器进行调试、清零，运行弯曲元，测得土体初始剪切波速；接着将模型管桩穿过气压室内圆筒，竖直立于圆孔中，并与土面接触；通过千斤顶施加荷载，使管桩缓慢贯入土中，利用传感器采集数据，并采用高分辨率相机对土体内部位移规律进行连续拍摄；待沉桩至预定位置后，依次运行弯曲元，对沉桩挤土后的土体剪切波速再次进行测量。

所述填土方式是指分层锤击法、自由下落法、排水固结法中的一种。

所述密封气压室的具体操作为：将橡胶膜敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；为保证气压室气密性，在气压室的内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。

Claims (10)

1.一种管桩挤土效应测试装置，其特征在于：包括模型桶、反力架、气压室、模型管桩、钢化玻璃板、Y型基座、电液伺服千斤顶、弯曲元测试装置和高分辨率相机；

所述模型桶为钢制半圆形筒体结构，在桶底圆心处沿径向设置一条形基座，模型桶上部设有一Y型基座，模型桶上方设有气压室；

气压室为底部开口的同心半圆环筒体结构，气压室的外缘与模型桶的外缘重合，气压室底面采用乳胶膜密封，顶部设有注气孔，环状气压室的中心设有模型管桩；

所述模型管桩为顶部密封的中空半圆柱体，顶部设有管桩注气孔，桩芯设有活塞，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；

模型管桩上方设有电液伺服千斤顶，电液伺服千斤顶固定在反力架顶面，用以将模型管桩贯入土体，在千斤顶与模型管桩之间设置荷载传感器和位移传感器，实时记录管桩贯入阻力和贯入深度；

所述钢化玻璃板为长方体板，设置在模型桶的平面一侧并与模型桶两端连接；钢化玻璃板上部与气压室的两端连接；

弯曲元测试装置包括激发弯曲元和接收弯曲元；所述激发弯曲元固定在模型桶底部的条形基座上，所述接收弯曲元固定在Y型基座上，激发弯曲元和接收弯曲元分别沿条形基座和Y型基座等间距、上下成对布置，每上下两个相对的弯曲元组成一组测试单元，对其之间的土体进行剪切波波速测量；每组测试单元采用相同的偏振方向，而相邻弯曲元设不同的偏振方向；激发弯曲元和接收弯曲元分别通过弯曲元信号线连接外部的数据采集装置；

所述高分辨率相机设置在模型桶的正前方，记录管桩贯入过程中土体内部的位移规律。

2.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：所述模型桶桶高30cm，侧平面采用钢化玻璃板制作；模型桶内表面铺设一层橡胶垫，在其底端设一排水孔。

3.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：所述钢化玻璃板高度为模型桶与气压室高度之和，宽度比半圆形模型桶的直径长10～20cm，钢化玻璃板两端分别伸出桶体外5～10cm，伸出部分设置螺孔并通过螺栓与模型桶连接。

4.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：所述气压室为底部开口的同心半圆环筒体结构，采用钢化玻璃制作；橡胶膜敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；内圆筒直径与模型管桩外径一致，外圆筒直径与模型桶外径一致；在内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。

5.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：在模型管桩的弧形面的外表面设有锯齿状接口，在该锯齿状接口上粘贴高阻尼合金外壳。

6.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：所述激发弯曲元和接收弯曲元埋入土体深度为5mm，工作频率为5~25kHz，布置对数及间距根据试验目的和具体要求选择；在距离每个弯曲元沉桩一侧5mm处设置一挡土块，埋入土体深度为10mm。

7.根据权利要求1所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：所述Y型基座由一直横梁和半圆环组成，采用不锈钢材质，埋设于土体表面以下5cm处；直横梁部分与桶底弯曲元基座的位置相对应；半圆环部分直径与管桩外径一致；Y型基座两端分别通过螺钉与模型桶和钢化玻璃板连接固定；所述Y型基座的上表面开设一凹槽，接收弯曲元信号线从该凹槽内引出；条形基座的下表面开设一凹槽，激发弯曲元信号线从该凹槽内引出。

8.一种管桩挤土效应测试方法，采用权利要求1~7任一项所述的管桩挤土效应测试装置，其特征在于：包括以下步骤：

① 安装弯曲元：实验装置组装完成后，分别在模型桶底部基座和上部Y型基座上安装激发弯曲元和接收弯曲元，并引出弯曲元信号线；

② 填土：根据压实度和含水量控制指标配制土样，采用填土方式将土样均匀填入模型桶内，直到土面高度超过桶顶，刮去表面多余土体，保持土面与桶顶齐平及表面平整；

③ 埋设传感器：根据测试需要，在填土过程中布置孔隙水压力计，土压力计传感器，但应注意埋设位置应远离弯曲元所在平面；

④ 密封气压室：选择一张尺寸大于气压室底面尺寸的环形乳胶膜，将乳胶膜一边敷设在气压室外圆筒内表面的锯齿状接口内，楔入与之匹配的锯齿形夹条，并拧紧螺钉固定；再将乳胶膜其余边敷设在气压室侧平面和内圆筒外表面的锯齿状接口内；

⑤ 安装气压室：将气压室敷设于模型桶土体表面，并保持乳胶膜与土体贴合，拧紧外环的紧固螺栓与模型桶相连；

⑥ 安装模型管桩：将模型管桩置于沉桩位置，桩端与土面齐平；在桩顶布置荷载和位移传感器，伸长电液伺服千斤顶使其能恰好接触荷载传感器；

⑦ 充气加压：通过恒压气源对桩芯进行少量充气，使桩芯活塞顶住土面，后关闭气源阀门；接着将气压室加压至设定目标气压，取模拟深度处土层的上部自重应力；再打开桩芯进气阀，将桩芯活塞加压至设定目标气压，取模拟深度处上部桩芯土塞应力；

⑧ 沉桩测试：首先对各传感器进行调试、清零，运行弯曲元，测得土体初始剪切波速；接着将模型管桩穿过气压室内圆筒，竖直立于圆孔中，并与土面接触；通过千斤顶施加荷载，使管桩缓慢贯入土中，利用传感器采集数据，并采用高分辨率相机对土体内部位移规律进行连续拍摄；待沉桩至预定位置后，依次运行弯曲元，对沉桩挤土后的土体剪切波速再次进行测量。

9.根据权利要求8所述的管桩挤土效应测试方法，其特征在于：所述填土方式是指分层锤击法、自由下落法、排水固结法中的一种。

10.根据权利要求8所述的管桩挤土效应测试方法，其特征在于：所述密封气压室的具体操作为：将橡胶膜敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；为保证气压室气密性，在气压室的内、外圆筒侧面和竖直侧面均设置锯齿状接口，将乳胶膜外沿敷设其中，并楔入与之匹配的钢化玻璃材质的锯齿形夹条，然后通过螺钉紧固。