CN106836317A - 一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用，包括模型箱、开口管桩、导杆和穿心锤，模型箱内部填充砂样，砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计和加速度传感器，开口管桩竖直设置在模型箱的中心，导杆竖直设于开口管桩的上端，穿心锤穿过导杆，位于开口管桩上部。与现有技术相比，本发明可模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度，也可以测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，克服模型箱壁带来的边界效应，能够较好地探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律。

Description

一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用

技术领域

本发明涉及岩土力学桩基工程技术，具体涉及一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用。

背景技术

锤击沉桩给施工带来方便的同时，它对周围环境的影响也受到人们日益关注。对环境的影响一般分为两类，一类是挤土效应，使周围一定范围内的建筑物基础和地下设施产生不均匀沉降，从而引起这些建筑物开裂、倾斜甚至破坏，道路路面损坏和地下管线爆裂等灾难性后果；另一类是振害问题，锤击沉桩产生的振动不同于地震产生的土体振动，亦不同于地面震源产生的以面波为主的振动，它是以桩尖为震源，向四周以球面波动的形式传播，且震源随着桩尖位置的下移而不断变化，从而也引起其振动频率和振动衰减特性的不断变化，它对人类身体健康、对周围土层、对建筑物均有不同程度的影响。

多数情况下预应力混凝土管桩的桩端采用开口形式，此举在一定程度上可减小贯入阻力和挤土效应，但开口管桩在沉桩过程中，土体会因压力挤入管桩内部，产生土塞效应，在土塞效应的影响下，其挤土效应以及工程振动的理论分析变得更加困难。为了较好地探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律，对锤击沉桩振害事故提出相应的措施，对其进行控制与预防，建立合适的方法来评价其对周围建筑物的影响，需要进行沉桩模型试验。

目前国内外考虑土塞效应的模型试验方案都有一定的不足，大部分试验方案无法时实测量管桩中土塞的高度，部分试验通过半桩试验的方式观测土塞的变化。半桩试验中半桩要紧贴模型箱壁，模型箱壁带来的边界效应使数据有一定的误差，同时由锤击沉桩过程中的振动波通过模型箱壁会进行反射，反射波也会对数据产生干扰，使得微型传感器测量数据有较大误差。中国专利CN 105424913A提出了一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置，但该装置仅孤立地研究土塞效应，并没有将土塞与桩身结合起来，无法模拟在实际锤击沉桩过程中土塞变化以及对周围土体的动力响应。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，包括模型箱、开口管桩、导杆和穿心锤，所述的模型箱内部填充砂样，所述的砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计和加速度传感器，所述的开口管桩竖直设置在模型箱的中心，所述的导杆竖直设于开口管桩的上端，所述的穿心锤穿过导杆，位于开口管桩上部。

进一步地，所述的开口管桩下端的内部设置上下移动的圆环垫片，所述的圆环垫片连接细线，圆环垫片在沉桩过程中随土塞高度的升高而升高，通过细线可以精确测得土塞上升的高度，用于模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度。

进一步地，所述的开口管桩下端的内部固定设置圆形垫片，所述的圆形垫片由设于圆形垫片上部的细铁棒卡死，所述的细铁棒呈十字交叉水平穿过开口管桩，用于测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，测量沉桩过程中不同深度处径土压力发展规律。

进一步地，所述的开口管桩与导杆之间设有桩帽，该桩帽的中心设有插入导杆的孔洞，桩帽的设置可减少锤击过程中对桩身的损坏。

进一步地，所述的桩帽上部设置钢垫，钢垫上部设置橡胶垫，所述的穿心锤位于橡胶垫的上部，所述的桩帽通过桩帽螺栓固定在开口管桩上。

进一步地，所述的模型箱内壁设有由吸波材料制得的吸震层，所述的吸震层紧贴模型箱内壁设置，更进一步地，所述的吸震层为15-25mm厚的珍珠棉，吸震层可有效吸收锤击过程中的振动波，减少反射波影响，保证模拟的准确性。

所述的模型箱为方形，该模型箱的箱体一面为透明钢化玻璃，其余三面为钢板，模型箱结实、坚固，透明钢化玻璃方便观察内部情况。

所述的微型土压力计和加速度传感器分层设于模型箱的砂样中，用于采集沉桩过程中不同深度处径土参数，所述的加速度传感器采用压阻式传感器，稳定性较好，耐各种恶劣环境，工作温度为-40℃-85℃，接口及壳体采用不锈钢所封装，具有良好的动静态特性。

将所述的装置用于管桩动力沉桩模型试验，具体包括以下步骤：

(a)装填砂样，埋设传感器：将砂样装入模型箱中，砂样的装填密度为1500-1700kg/m³，在砂样不同深度，埋设多个微型土压力计和加速度传感器；

(b)进行自然锤击沉桩实验：将穿心锤抬高到固定高度后自由落下，记录锤击使开口管桩进入土体的深度以及土塞进入开口管桩的高度，数据采集仪采集相关数据并进行数据处理；

(c)进行固定土塞高度沉桩实验：固定开口管桩下端的土塞高度，将穿心锤抬高到固定高度后自由落下，记录锤击使开口管桩进入土体的深度，数据采集仪采集相关数据并进行数据处理。

本发明可模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度，也可以测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，测量沉桩过程中不同深度处径土压力发展规律；分析桩周径向土压力与加速度之间的关系；分析面波的径向衰减规律；分析三向波的时间域规律以及部分测点频率反应图谱，同时克服模型箱壁带来的边界效应，能够较好地探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律等，有利于对锤击沉桩振害事故提出相应的措施对其进行控制与预防，建立合适的方法来评价其对周围建筑物的影响。具体优点为：

1、在模型箱壁设置防震棉，可有效吸收锤击过程中的振动波，减少锤击振动过程中振动波反射对试验数据产生影响，使实验结果更加准确；

2、为探究开口桩沉桩过程中，土塞柱高度的变化情况，本发明在桩内设置环形垫片，环形垫片有一定质量，使其自然下垂，用细线与垫片连接，细线通过桩身顶部开口引出桩体，锤击沉桩过程，土塞进入开口管桩中，引起环形垫片升高，通过测量伸出桩身的细线长度得出桩内土塞的高度，测试精确、方便；

3、为探究在一定土塞高度下，锤击沉桩周围土体的动力响应，本发明设计了可以固定土塞高度的圆形垫片，在指定高度处设置，将试验用土填满垫片下方开口管桩，模拟固定土塞高度的锤击试验。

附图说明

图1为本装置的主视结构示意图；

图2为本装置桩帽的俯视结构示意图；

图3为本装置自然沉桩桩体的主视结构示意图；

图4为本装置固定土塞高度沉桩桩体的主视结构示意图；

图中：1-模型箱；2-开口管桩；3-桩帽；4-桩帽螺栓；5-钢垫；6-橡胶垫；7-穿心锤；8-导杆；9-加速度传感器；10-微型土压力计；11-吸震层；12-细线；13-圆环垫片；14-圆形垫片；15-细铁棒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，如图1所示，包括模型箱1、开口管桩2、导杆8和穿心锤7，模型箱1内部填充砂样，砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计10和加速度传感器9，微型土压力计10和加速度传感器9分层设于模型箱1的砂样中，开口管桩2竖直设置在模型箱1的中心，导杆8竖直设于开口管桩2的上端，穿心锤7穿过导杆8，位于开口管桩2上部，开口管桩2与导杆8之间设有桩帽3，该桩帽3的中心设有插入导杆8的孔洞，桩帽3上部设置钢垫5，钢垫5上部设置橡胶垫6，如图2所示，穿心锤7位于橡胶垫6的上部，桩帽3通过桩帽螺栓4固定在开口管桩2上，模型箱1内壁设有由吸波材料制得的吸震层11，吸震层11紧贴模型箱1内壁设置，吸震层11为15-25mm厚的珍珠棉，本实施例为20mm，模型箱1为方形，该模型箱1的箱体一面为透明钢化玻璃，其余三面为钢板。

模型箱1尺寸为1m×1m×1m，开口管桩2外径为40mm，内径为26mm，桩身长为600mm，穿心锤7重3.3kg，提供锤击能量，导杆8为长为800mm，引导穿心锤7竖直落下，加速度传感器9为压阻式传感器，量程为100g，体积小，尺寸为2×2×1mm，稳定性较好，耐各种恶劣环境，工作温度为-40°～85℃，接口及壳体采用不锈钢所封装，具有良好的动静态特性；微型土压力计10主要用来监测沉桩过程中径向土压力的变化，量程为500kPa，具有良好的动静态特性，尺寸为较小的尺寸保证了模型试验的质量。

开口管桩2下端的内部设置上下移动的圆环垫片13，圆环垫片13连接细线12的一端，该细线12的另一端通过开口管桩2上部的圆孔伸出开口管桩2外，用于模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度，如图3所示；开口管桩2下端的内部固定设置圆形垫片14，圆形垫片14由设于圆形垫片14上部的细铁棒15卡死，细铁棒15呈十字交叉水平穿过开口管桩2，用于测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，如图4所示。

实施例2

将实施例1所述的装置用于管桩动力沉桩模型试验，具体步骤如下：

1、铺设砂样

将砂样晒干后采用落雨法分层装入模型箱中，落砂高度为50cm，根据仪器布设要求，铺砂达到仪器所埋设的高度，暂停铺砂并夯实。

2、埋设传感器

在砂样中埋设微型土压力计和加速度传感器，用来探究沉桩过程中不同深度处土压力与加速度的变化规律。传感器的埋设根据锤击桩对周围土体的振动效应最为严重的影响范围进行布置，即沿桩身表面距离为1D、3D、5D(D为开口管桩的直径)处埋设土压力传感器与加速度传感器，传感器埋设位置根据实验要求设定，根据已有试验数据研究表明，体波中径向、切向、竖向加速度数值中，以径向加速度数值最为明显，因此体波测定时加速度传感器测定径向加速度。第一层仪器埋设完成之后继续铺砂，每次铺砂厚度根据实验要求设定，传感器埋设方式与第一层传感器埋设方式相同，铺砂完成后，在砂表面距离桩身不同距离埋设加速度传感器研究面波衰减规律，根据已有试验数据研究表明，表面波径向，切向，竖向加速度数值中以竖向加速度数值最为明显，因此表面波测定时加速度传感器测定竖直方向加速度。

3、进行自然锤击沉桩实验

将开口管桩竖直放置在模型箱中心位置，记录开口管桩内垫片引出桩身的细线长度，并做标记，每次锤击时，将穿心锤抬高到一固定高度后自由落下，记录锤击使桩身进入土体的深度，土塞进入桩内后会引起圆环垫片上升，通过测量引出细线长度变化可以得出土塞上升高度，每次锤击均记录桩身进入土体深度以及土塞上升高度。

4、进行固定土塞高度沉桩实验

探究一定土塞高度下，锤击沉桩周围土体的动力响应，在锤击过程中，控制土塞高度固定，分别为50mm、100mm、150mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm，分8次进行固定土塞高度的沉桩实验。

5、数据处理

在锤击沉桩过程中，数据采集仪采集的数据是整个锤击过程中的连续数据，通常有上百万个数据点，而在数据分析中，只需要每次锤击瞬间每个传感器的数据峰值，借助MATLAB软件编写摘取传感器锤击峰值的应用程序，进行数据处理，分析桩周径向土压力与加速度之间的关系；分析面波的径向衰减规律；分析三向波的时间域规律以及部分测点频率反应图谱等，探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律。

Claims (10)

1.一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、开口管桩(2)、导杆(8)和穿心锤(7)，所述的模型箱(1)内部填充砂样，所述的砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计(10)和加速度传感器(9)，所述的开口管桩(2)竖直设置在模型箱(1)的中心，所述的导杆(8)竖直设于开口管桩(2)的上端，所述的穿心锤(7)穿过导杆(8)，位于开口管桩(2)上部。

2.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的开口管桩(2)下端的内部设置上下移动的圆环垫片(13)，所述的圆环垫片(13)连接细线(12)的一端，该细线(12)的另一端通过开口管桩(2)上部的圆孔伸出开口管桩(2)外。

3.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的开口管桩(2)下端的内部固定设置圆形垫片(14)，所述的圆形垫片(14)由设于圆形垫片(14)上部的细铁棒(15)卡死，所述的细铁棒(15)呈十字交叉水平穿过开口管桩(2)。

4.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的开口管桩(2)与导杆(8)之间设有桩帽(3)，该桩帽(3)的中心设有插入导杆(8)的孔洞。

5.根据权利要求4所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的桩帽(3)上部设置钢垫(5)，钢垫(5)上部设置橡胶垫(6)，所述的穿心锤(7)位于橡胶垫的上部，所述的桩帽(3)通过桩帽螺栓(4)固定在开口管桩(2)上。

6.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)内壁设有由吸波材料制得的吸震层(11)。

7.根据权利要求6所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的吸震层(11)紧贴模型箱(1)内壁设置，所述的吸震层(11)为15-25mm厚的珍珠棉。

8.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)为方形，该模型箱(1)的箱体一面为透明钢化玻璃，其余三面为钢板。

9.根据权利要求1所述的一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述的微型土压力计(10)和加速度传感器(9)分层设于模型箱(1)的砂样中，所述的加速度传感器(9)采用压阻式传感器。

10.一种如权利要求1所述的考虑土塞效应的沉桩模型试验装置的应用，其特征在于，将所述的装置用于管桩动力沉桩模型试验，具体包括以下步骤：

(a)装填砂样，埋设传感器：将砂样装入模型箱(1)中，砂样的装填密度为1500-1700kg/m³，在砂样不同深度，埋设多个微型土压力计(10)和加速度传感器(9)；

(b)进行自然锤击沉桩实验：将穿心锤(7)抬高到固定高度后自由落下，记录锤击使开口管桩(2)进入土体的深度以及土塞进入开口管桩(2)的高度，数据采集仪采集相关数据并进行数据处理；

(c)进行固定土塞高度沉桩实验：固定开口管桩(2)下端的土塞高度，将穿心锤(7)抬高到固定高度后自由落下，记录锤击使开口管桩(2)进入土体的深度，数据采集仪采集相关数据并进行数据处理。