CN106939622A - 扩大头间距对扩底抗拔桩承载力的影响研究试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，模型箱顶面设为开口，方便安置竖向抗拔静荷载试验装置；桩基模型外壁粘贴十组应变片，桩基模型放置于模型箱的正中间，桩身模型外壁靠近底端安装若干扩大头；竖向抗拔静荷载试验装置安置在所述模型箱顶面，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。测试仪的上拔变形量侧系统可以实现对桩基沉降的测量。本发明通过简单的方法和简单的实验设备，能够方便有效地针对扩大头的间距或者数量的改变对抗拔桩承载力的变化进行模拟，分别对比单个扩大头与双扩大头抗拔桩的承载力效果和双扩大头之间的距离改变时寻找最优的抗拔承载力，给实际工程中提供了较好的抗拔效果，保证了施工的顺利进行。

Description

扩大头间距对扩底抗拔桩承载力的影响研究试验装置

技术领域

本发明涉及一种桩基试验装置，具体涉及一种不同扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究试验装置。

背景技术

随着我国经济建设和工业的迅速发展，城市建设与土地资源紧张的矛盾日益突出，地下空间的利用受到越来越广泛的重视，尤其是我国的沿海地区地下水位比较高，地下建筑物通常要承受巨大的浮力。建(构)筑物承受上拔荷载的情况愈来愈多。工程中承受上拔荷载或者承受竖向抗拔力的桩称为抗拔桩，抗拔桩作为抗拔基础的主要形式之一在工程中应用广泛。在工程建设中，抗拔桩的承载力已成为控制工程质量的一个非常重要的手段。单桩承载力的准确对于各类建筑物基础设计乃至上部结构的设计都起着举足轻重的作用。国内现有研究工程实践表明，扩底抗拔桩可以大幅度提高桩的抗拔能力，且在相同的抗浮要求下，扩底抗拔桩的造价大约为等截面抗拔桩的1/2至1/3。另外，增加扩大头数量可以使抗拔桩承载力大幅提高。因此，扩底桩在技术、经济上都具有很大的优越性。因此，深入探讨多扩大头之间的距离对于抗拔桩承载力的影响效应是当前桩基工程中的一个重要问题。

目前，国内外对扩底抗拔桩承载的研究已经取得了一定的理论成果。研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场检测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑桩土之间的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取不同扩大头间距时抗拔桩承载力数据的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于解决上述现有技术的不足，提出一种扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，用于实现在不同扩大头间距条件下抗拔桩承载力的模拟，准确测量在填土之后荷载引起的桩基上拔变形量,并对桩基进行竖向承载力进行分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，包括模型箱、桩基模型、应变计，竖向抗拔静荷载试验装置，所述模型箱为铝合金材料制成的长方形箱，其顶面设为开口，方便安置竖向抗拔静荷载试验装置；所述桩基模型的抗拔桩桩体为铝合金空心管制成的套管，桩身模型外壁粘贴十组应变片，每组应变片对称分布于桩身中轴线两侧，十组应变片以桩身中心线为基准对称分布；桩基模型放置于模型箱的正中间，桩身模型外壁靠近底端安装若干扩大头；所述竖向抗拔静荷载试验装置安置在所述模型箱顶面，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

所述竖向抗拔静荷载试验装置包括钢筋混凝土垫块、传力板、反力梁、荷载板、桩顶连接筋、千斤顶、测试仪，所述反力梁下面两端通过钢筋混凝土垫块安置在两侧的传力板上，反力梁上面设有千斤顶 ，千斤顶上面放置荷载板，桩顶连接筋从反力梁中心穿过，与荷载板连接；千斤顶连接测试仪，通过测试仪来测量竖向抗拔静荷载试验装置的上拔量。

所述扩大头之间的间距通过滑动和螺栓的固定来调节，方便实现反复利用，多次试验，寻找最佳扩大头设置方案。

所述桩基模型采用简支梁方法校正桩基模型的桩身，用于检验桩基模型本身尺寸是否合格和测量桩身的应变。

所述传力板为刚性垫块作，用于提供反力，两个传力板材料和尺寸完全相同，并且以桩基模型的桩身中心对称放置。

所述千斤顶加压时，千斤顶的上拔合力通过桩基模型中心。

所述测试仪在桩基模型两个正交直径方向各安置一个，使测试仪不受气温、振动外界影响。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到桩基施工的变形影响研究中；2、本试验的模拟装置可以较好对比扩大头间距不同时，抗拔桩承载力的大小，并可以较为准确测出桩基上拔的观测值；3、本试验在实验前先对桩基模型桩身应变计进行校正，通过对桩身弯矩应变计和轴力应变计的校正，可以反求出模型试验时桩身各处的弯矩和轴力，使桩基模型的尺寸问题对结果的影响降低到最小；4、采用本套模拟测试装置进行抗拔桩的试验研究，可为桩基工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定桩基施工提供最优承载力提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置示意图；

图2为本发明在实施例中的桩基模型静载试验示意图；

图3为本发明在实施例中的模型桩弯矩校正示意图；

图4为本发明在实施例中的模型桩轴力校正示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。

首先，制作一个模型箱1、一个抗拔的桩身模型22。

图1为本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置示意图，如图1所示，模型箱23外形呈长方体，内部空间尺寸为800 mm×500 mm×500 mm（长×宽×高），由5个厚度为15mm的铝合金板拼接组成。

图2为本发明在实施例中的抗拔桩模型静荷载试验示意图。如图4所示，桩身模型的螺栓可以调节扩大头并且通过螺栓固定扩大头的位置。桩身模型为空心铝合金管，外径10 mm，壁厚2 mm，桩长310 mm，入土深度300 mm，桩底焊接60˚的尖形桩靴21。左、右钢筋混凝土垫块3，4放在左传力板1和右传力板2上用来支撑上部的反力梁5，试验设备最上面的板即为荷载板6；位于荷载板6和反力梁5之间的为千斤顶8；桩顶连接筋7从反力梁5中心穿过，与荷载板6连接；右传力板2用于试验设备和接触面接触以此来传递支反力，上拔量通过测试仪24测量。桩身模型22外壁粘贴十组应变片，每组应变片对称分布于桩身中轴线两侧，十组应变片以桩身中心线为基准对称分布。其中，中心线上侧第一组应变计中心位置9与桩身模型中心线距离为135 mm，第二组应变计中心位置10与桩身模型中心线距离为105 mm，第三组应变计中心位置11与桩身模型中心线距离为75 mm，第四组应变计中心位置12与桩身模型中心线距离为45 mm，第五组应变计中心位置13与桩身模型中心线距离为15 mm；中心线下侧第一组应变计中心位置14与桩身模型中心线距离为15 mm，第二组应变计中心位置15与桩身模型中心线距离为45 mm，第三组应变计中心位置16与桩身模型中心线距离为75mm，第四组应变计中心位置17与桩身模型中心线距离为105 mm，第五组应变计中心位置18与桩身模型中心线距离为135 mm。

桩身模型22外壁靠近底端设置扩大头，以桩基模型22的对称轴位置为中心，分布若干组扩大头，由于套管两侧滑道，扩大头可以安装和拆卸。在第一组试验中，以模型板底为基准，第一组扩大头中心位置19与桩基模型板底距离为210 mm，第二组扩大头中心位置20与对称轴中心位置距离为260 mm。在本实施例中，抗拔桩具体的承载力和抗拔量均由测试仪测量。

桩基模型在试验之前，桩身应先经过校正。模型桩弯矩校正示意图如图3所示，可采用简支梁法对模型桩弯矩应变片进行校正。将单桩桩身模型22架在两端固定支座上，在桩身模型中间施加集中荷载P，主要通过添加砝码实现，量测应变片电流变化，并计算相应应变片处的弯矩值，重复加载次数即可得到各应变片处电压与弯矩的回归曲线，以此反求试验时桩身各处的弯矩值。

轴力校正示意图如图4所示，将桩基模型22放在校核框架25中，框架两端各有一个螺栓，框架的高度可以根据试样的高度、施加荷载的大小等调节，将桩基模型试样放在框架中一端固定，一端加载砝码。量测模型桩上各应变计因受轴向力变形产生的电压，并计算应变片位置处轴向压力，重复加载即可得到应变片位置处电压与轴力的回归曲线，以此确定抗拔桩模型材料均匀符合规定。

开始向模型箱内填入砂土，当土层厚度填至100 mm，即填完桩基下卧层土，放入桩基模型，并使桩基模型与土层保持垂直。继续填土直至厚度达400 mm，即填土完成。桩身入土深度为300 mm。

首先，对于单桩竖向静荷载试验的实验方法是慢速维持荷载法，对试验桩加载至桩侧土体破坏或者桩身材料达到设计强度，试验桩的最大荷载取单桩竖向抗拔承载力特征值的两倍。

加载：在第一个试验中选定两个扩大头之间的距离为桩的一倍直径，然后往模型箱里填土，待填土完成后，用一定荷载开始上拔，建议选取单桩竖向极限承载力的1/10-1/12每级加载等值，在加载过程中要保持荷载传递连续、均匀、无冲击、每级荷载变化幅度不得超过分级荷载的。

观察测试仪的示数，在每级施加荷载后按照第5、15、30、45、60min测读上拔变形量，以后每隔30min测读一次。当桩顶上拔变形速率达到相对稳定标准时候（每小时内桩顶上拔增量不超过0.1mm，并连续出现两次），再施加下一级荷载。分别记录下此时抗拔桩的上部土体的沉降量以及抗拔桩的承载力。记录上述数据。

更改螺栓改变扩大头之间的距离为1.5倍桩径（即15 mm）、2倍桩径（即20 mm）、2.5倍桩径（即25 mm）等，分别测量其承载力（与桩身应变），可实现针对扩大头间距对抗拔桩承载力影响效应的研究。

以上试验是在抗拔桩携带两个扩大头基础上进行的，通过螺栓调节两个扩大头之间的距离，找出承载力最大时的扩大头间距。另外，在扩大头距离相同的情况下，考虑扩大头的数量对抗拔承载力的影响时，可增加一个扩大头，在套管上安装一个模具并用螺栓拧紧。此模拟装置最大的特点就是扩大头的安装和拆卸方便，操作简单。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

本发明上述实施通过改变扩大头之间的距离对抗拔桩承载力影响的实验装置，可以获得不同扩大头间距，以及不同扩大头数量，对抗拔桩承载力的影响，从而达到准确测量桩基最优承载力的技术效果。

Claims (7)

1.一种扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，包括模型箱(1)、桩基模型(22)、应变计，竖向抗拔静荷载试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)为铝合金材料制成的长方形箱，其顶面设为开口，方便安置竖向抗拔静荷载试验装置；所述桩基模型(22)的抗拔桩桩体为铝合金空心管制成的套管，桩身模型外壁粘贴十组应变片，每组应变片对称分布于桩身中轴线两侧，十组应变片以桩身中心线为基准对称分布；桩基模型放置于模型箱的正中间，桩身模型22外壁靠近底端安装若干扩大头；所述竖向抗拔静荷载试验装置安置在所述模型箱顶面，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

2.根据权利要求1所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述竖向抗拔静荷载试验装置包括钢筋混凝土垫块、传力板、反力梁(5)、荷载板(6)、桩顶连接筋(7)、千斤顶(8)、测试仪(24)，所述反力梁(5)下面两端通过钢筋混凝土垫块安置在两侧的传力板上，反力梁(5)上面设有千斤顶(8) ，千斤顶(8)上面放置荷载板(6)，桩顶连接筋(7)从反力梁(5)中心穿过，与荷载板(6)连接；千斤顶(8)连接测试仪(24)，通过测试仪(24)来测量竖向抗拔静荷载试验装置的上拔量。

3.根据权利要求1所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述扩大头之间的间距通过滑动和螺栓的固定来调节，方便实现反复利用，多次试验，寻找最佳扩大头设置方案。

4.根据权利要求1所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述桩基模型(22)采用简支梁方法校正桩基模型的桩身，用于检验桩基模型本身尺寸是否合格和测量桩身的应变。

5.根据权利要求2所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述传力板为刚性垫块作，用于提供反力，两个传力板材料和尺寸完全相同，并且以桩基模型的桩身中心对称放置。

6.根据权利要求2所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述千斤顶(8)加压时，千斤顶(8)的上拔合力通过桩基模型中心。

7.根据权利要求2所述的扩大头间距对扩底抗拔桩承载力影响的研究实验装置，其特征在于：所述测试仪(24)在桩基模型两个正交直径方向各安置一个，使测试仪(24)不受气温、振动外界影响。