CN106988352B - 一种考虑土体预固结及循环荷载下单桩水平承载力的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，包括以下步骤：(1)确定试验桩的尺寸、形状、材质；(2)确定箱内土体的土层分布以及土层厚度；(3)试验桩的桩端封闭；(4)铺设土层并放置垫板；(5)确定土体竖向预压荷载与液压伺服作动器数目；(6)安装作动器和反力架；(7)放置桩帽和位移计，安装水平加载系统；(8)分级施加；(9)确定水平加载级别及循环加载周期；(10)试验数据采集；(11)根据规范确定停止加载标准；(12)数据整理；(13)清理试验用土样，拆卸试验装置；(14)循环荷载下单桩水平极限承载力特征值确定。本发明效果较好、周期较短、费用较低、过程简化。

Description

一种考虑土体预固结及循环荷载下单桩水平承载力的测试 方法

技术领域

本发明涉及一种考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，主要适用于室内试验中所采用土体固结未完成条件下的预固结以及循环荷载作用下单桩水平承载力方面的研究，属于工程试验技术领域。

背景技术

由于桩基础具有承载力高、变形小的优点，在工业和民用建筑中应用越来越广。随着城市建筑向高层的发展，循环荷载(如风载或地震荷载)对桩基础的影响变得越来越重要。为了获得循环荷载对桩基承载力的影响，常采用现场试验或室内试验的方法解决。由于现场试验中土层差异、循环荷载难以实现等问题，造成现场实测的桩基承载力离散性大、效果差，难以获得与之相匹配的循环荷载下桩基承载力的变化规律，而且现场试验的周期长、费用高、过程复杂，同样，为了达到与现场土层相类似的固结度，需要对室内试验用的重塑土体预固结。

发明内容

为了克服已有单桩水平承载力现场测试方式的效果较差、周期较长、费用较高、过程复杂的不足，本发明提供一种效果较好、周期较短、费用较低、过程简化的考虑土体预固结及循环荷载下单桩水平承载力的测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，实现所述测试方法的测试装置包括模型箱、竖向预压系统、水平加载系统和数据采集系统，所述模型箱内铺设模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设试验单桩，所述竖向预压系统包括反力架、液压伺服作动器和垫板，所述反力架固定在所述模型箱上，所述液压伺服作动器的上端固定在反力架上，所述液压伺服作动器的动作端与垫板连接，所述垫板位于箱内土体的顶面；所述水平加载系统包括伺服电机驱动器、钢丝索、滑轮组和桩帽，所述桩帽安装在试验单桩的顶部，所述桩帽与钢丝索的一端连接，所述钢丝索通过滑轮组改变方向后另一端与伺服电机驱动器连接，所述滑轮组固定在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于试验单桩的顶部，所述位移计与数据采集仪连接；所述测试方法包括以下步骤：

(1)确定试验单桩的尺寸、形状、材质；

(2)确定箱内土体的土层分布以及相应土层厚度；

(3)试验单桩的桩端封闭；

(4)铺设土层，并放置垫板；

(5)确定土体竖向预压荷载与液压伺服作动器数目；

(6)安装液压伺服作动器和反力架；

(7)放置桩帽和位移计，安装水平加载系统；

(8)分级施加竖向预压荷载；

(9)确定水平加载级别及循环加载周期；

(10)试验数据采集：获得试验单桩每次水平加、卸载完成后的水平位移，同时记录每次水平加载的水平荷载值，并绘制桩基水平承载力与位移的曲线图；

(11)根据规范确定停止加载标准：水平位移超过40mm或桩身折断时，停止加载；

(12)数据整理：画出位移-荷载曲线，以曲线产生明显陡降的前一级荷载确定为该试验单桩的水平极限承载力；

(13)清理试验用土样，拆卸试验装置；

(14)循环荷载下试验单桩水平极限承载力特征值确定，重复所述步骤(3)～步骤(13)，获得一组三根试验单桩的循环荷载下试验单桩水平承载力特征值，当三根试验单桩特征值极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为循环荷载下试验单桩水平承载力的特征值。

进一步，所述步骤(13)中，先拆除反力架，再按照从上而下的顺序回收实验土体，再将模型箱的内壁与排水板清洗以便下次使用。

再进一步，所述步骤(3)中，使用防水土工布覆盖在桩端再用钢丝固定封闭。

所述步骤(8)中，打开位于排水管上的水阀，通过计算机控制液压伺服作动器实施分级竖向预压，使土层发生固结；达到目标荷载后停止加载并维持目标加载水平；在固结过程中，孔隙水会从模型箱底部的排水管排出。

所述模型箱的箱体底部设有反滤层，所述反滤层的底部设置排水板，所述步骤(3)中，安放排水板和反滤层。

本发明的有益效果主要表现在：(1)实现了土体的预固结。对于桩体而言，能够实现土体预固结的试验环境，根据预压程度来调整实际土层的固结度。本装置采用模型箱、液压伺服作动器、垫板等实现模拟，而且通过液压伺服作动器来控制所需的均布加载及土体变形量。(2)实现了循环加载。实验采用伺服电机驱动器、钢丝索、滑轮组、桩帽组成加载体系。通过伺服电机驱动器的电机顺逆旋转来实现循环加载。加载时可以控制荷载大小及循环加载频率，来模仿风荷载和地震荷载等循环荷载。(3)效果好。由于现场地层及循环加载的复杂性，现场试验难以获得稳定加载，造成现场实测试验数据的离散性大、效果差，而本装置能提供相同的试验条件，保证了试验结果的可靠性。(4)周期短、费用底、操作方便。现场试验的周期长、费用高及试验程序复杂，本装置操作简单，试验费用低、工期短，且可重复使用。

附图说明

图1是考虑土体预固结及循环荷载下单桩水平承载力的测试装置的结构示意图。

图2是模型箱图。

图3是反力架图。

图4是模型箱底部细部构造图。

图5是排水板细部构造图。

图6是垫板样图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，实现所述测试方法的测试装置包括模型箱、竖向预压系统、水平加载系统和数据采集系统，所述模型箱内铺设模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设试验单桩，所述竖向预压系统包括反力架、液压伺服作动器和垫板，所述反力架固定在所述模型箱上，所述液压伺服作动器的上端固定在反力架上，所述液压伺服作动器的动作端与垫板连接，所述垫板位于箱内土体的顶面；所述水平加载系统包括伺服电机驱动器、钢丝索、滑轮组和桩帽，所述桩帽安装在试验单桩的顶部，所述桩帽与钢丝索的一端连接，所述钢丝索通过滑轮组改变方向后另一端与伺服电机驱动器连接，所述滑轮组固定在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于桩帽上，所述位移计与数据采集仪连接；所述测试方法包括以下步骤：

(1)确定试验单桩的尺寸、形状、材质；

(2)确定箱内土体的土层分布以及相应土层厚度；

(3)试验单桩的桩端封闭；

(4)铺设土层，并放置垫板；

(5)确定土体竖向预压荷载与液压伺服作动器数目；

(6)安装液压伺服作动器和反力架；

(7)放置桩帽和位移计，安装水平加载系统；

(8)分级施加预压荷载；

(9)确定水平加载级别及循环加载周期；

(10)试验数据采集：获得桩每次水平加、卸载完成后的水平位移，同时记录每次水平加载的水平荷载值，并绘制桩基水平承载力与位移的曲线图；

(11)根据规范确定停止加载标准：水平位移超过40mm或桩身折断时，停止加载；

(12)数据整理：画出位移-荷载曲线，以曲线产生明显陡降的前一级荷载确定为该试验单桩的水平极限承载力；

(13)清理试验用土样，拆卸试验装置；

(14)循环荷载下试验单桩水平极限承载力特征值确定，重复所述步骤(3)～步骤(13)，获得一组三根试验单桩的循环荷载下试验单桩水平承载力特征值，当三根试验单桩特征值极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为循环荷载下试验单桩水平承载力的特征值。

进一步，所述步骤(13)中，先拆除反力架，再按照从上而下的顺序回收实验土体，再将模型箱的内壁与排水板清洗以便下次使用。

再进一步，所述步骤(3)中，使用防水土工布覆盖在桩端再用钢丝固定封闭。

所述步骤(8)中，打开位于排水管上的水阀，通过计算机控制液压伺服作动器实施分级竖向预压，使土层发生固结；达到目标荷载后停止加载并维持目标加载水平；在固结过程中，孔隙水会从模型箱底部的排水管排出。

所述模型箱的箱体底部设有反滤层，所述反滤层的底部设置排水板，所述步骤(3)中，安放排水板和反滤层。

本实施例的考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试装置，包括模型箱、竖向预压系统、水平加载系统、数据采集系统及计算机控制系统五部分。所述模型箱是由有机玻璃、环箍、纵箍拼装而成。环箍与有机玻璃连接，纵箍与环箍连接。所述竖向预压系统由反力架、定位孔、液压伺服作动器，垫板组成。作动器可以安放在定位孔上，定位孔均匀分布在反力架上。垫板将作动器的荷载均匀施加到土体上。所述水平加载系统由伺服电机驱动器、钢丝索、滑轮组、桩帽组成。钢丝索通过滑轮组改变方向，并将桩帽和驱动器连接。所述数据采集系统由LVDT位移计和数据采集仪组成，所述计算机控制系统内带控制软件，可以控制驱动器以及作动器的运作。

考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试装置，包括以下部分：模型箱1；箱内预压土体2；试验单桩3；环箍4；纵箍5；反力架6；液压伺服作动器7；垫板8；定位孔9；伺服电机驱动器10；钢丝索11；滑轮组12；桩帽13；LVDT位移计14；支架15；反滤层16；排水板17；排水带18；排水管19；水阀20；数据采集仪21；计算机控制系统22。

其中，环箍4套在模型箱1的有机玻璃上，纵箍焊接在环箍上。液压伺服作动器7通过螺栓穿过定位孔9固定在反力架6上，垫板8位于箱内预压土体2上面，用于传递液压伺服作动器7的压力。桩帽13套接在试验单桩3的顶部，钢丝索11套连接在桩帽13上，另一端绕过滑轮组12与伺服电机驱动器连接。支架15焊接在反力架6上，用于固定LVDT位移计14。反滤层16放置在排水板17与箱内预压土体2之间。LVDT位移计14与数据采集仪21用数据线传输信号，再将数据转换传输给计算机控制系统22。

所述试验单桩帽可以根据桩的形状自行选择。所述反力架与液压伺服作动器采用螺栓连接。所述排水带的出口与排水管对应，便于排出水。

在本次工程实例中，采用管桩作为基础，管桩桩长16m，直径为0.8m。根据现场地勘报告，桩身穿过的土层自上而下分别素填土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、中砂、圆砾，厚度分别为2m、3.5m、4m、2.5m、2m、4m，桩身进入圆砾层2m。本实验模型箱的箱体内部尺寸为直径800mm，高1500mm。有机玻璃作为箱壁，型钢焊接组成框架。伺服电机驱动器采用ASD-A2系列电机，液压伺服作动器采用YZ-ACSD608交流伺服电机驱动器，安装4个，可以联动加载。垫板的直径与模型箱内部直径一样，内径稍大于桩径。排水板使用有机玻璃制作，厚度为2cm。反滤层采用尼龙网布。

本发明的实施步骤是：

1)确定试验单桩的尺寸、形状、材质。根据现场的工程桩的刚度来确定使用的试验单桩材质，可用PVC管或者钢管。形状可以为圆型和方形两种。试验单桩尺寸按比例确定。本次实验按20:1的比例调整，采用PVC管桩，圆形，桩径为40mm，高度800mm。

2)确定土层分布。可以根据地勘报告和桩身的长度来确定试验所需要的土层。选取桩身穿过的土层进行试验。本次试验中，即试验土层自上而下分别素填土、砂质粉土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、中砂、圆砾。

3)确定相应土层厚度。可以根据地勘报告来确定试验中相应土层的厚度。本次试验中，土层厚度按20:1缩小。厚度分别为0.1m、0.175m、0.2m、0.125m、0.1m、0.2m，桩身进入圆砾层0.1m。

4)安放排水板和反滤层。关闭水阀，排水孔应与排水管位置对应，以便在土体固结过程中顺利排水。将反滤纸用水微微湿润之后平铺在排水板上，反滤层的直径要稍稍大于模型箱的直径，可以将排水板完全覆盖。

5)桩端封闭。在实际工程中，由于管桩端部存在挤土效应，桩芯中会形成封闭的环境。同时也为了防止在试验中铺设土体时，土体进入试验单桩桩芯中。所以使用防水土工布覆盖在桩端再用钢丝固定封闭。

6)铺设土层。在反滤层上均匀地铺设圆砾层，当铺设厚度达到桩端的位置时；将桩身垂直地放置在圆砾土层上，位于模型箱的中心位置；再继续按照各土层厚度铺设。

7)放置垫板。将垫板穿过桩体放置在土体上，并通过水平尺来保证垫板处于水平位置。

8)确定土体竖向预压荷载与作动器数目。根据实际工程中的土层位置与厚度，由自重应力理论获得土体的竖向预压荷载。并根据荷载大小确定液压伺服作动器的数目，可以为2个、4个、6个和8个，本次试验采用4个。

9)安装作动器和反力架。将4液压伺服作动器均匀的安放在反力架上并用螺栓固定，再将反力架与模型箱可靠连接。

10)放置桩帽和位移测试系统。先将桩帽放置在试验单桩上，再用钢丝绳从两端将桩帽和伺服电机作动器连接，其中一端穿过模型箱底部。再将LVDT位移计安放在桩头处，并与数据采集仪相连接。

11)分级施加竖向预压。打开水阀，通过计算机控制液压伺服作动器实施分级竖向预压，使土层发生固结。达到目标荷载后停止加载并维持目标加载水平。在固结过程中，孔隙水会从模型箱底部的排水管排出。

12)确定水平加载级别及循环加载周期，实行水平向分级加载。

本实施例中采用10级加载，每次加载量为预估桩基水平承载力的1/10。每级加载都是采用循环加载5次，每次循环加载为恒载4分钟，再卸载保持2分钟。利用计算机控制伺服电机驱动器加载值和循环频率，实现顺向、逆向加载。

13)试验数据采集。利用数据采集仪获得桩每次加、卸载完成后的水平位移等测试数据，同时记录每次加载的水平荷载值，并绘制桩基水平承载力与位移的曲线图

14)根据规范确定停止加载标准。根据规范《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)当出现下述任何一种情况时，停止试验。水平位移超过允许值；水平位移超过40mm；桩身折断。

15)数据整理。利用计算机控制系统画出位移-荷载曲线，并按规范《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)要求，以曲线产生明显陡降的前一级荷载确定为该试验单桩的水平极限承载力。

16)清理试验用土样，拆卸试验装置。先拆除反力架，再从上而下的顺序清理试验用土体，再将模型箱的内壁与排水板清洗干净以便下次使用。

17)循环荷载下单桩水平极限承载力特征值确定。确定单桩水平承载力的标准值。重复上述步骤4)-16)，获得一组三根桩的循环荷载下单桩水平承载力特征值，当三根桩特征值极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为循环荷载下单桩水平承载力的特征值。

Claims (2)

1.一种考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，实现所述测试方法的测试装置包括模型箱、竖向预压系统、水平加载系统和数据采集系统，所述模型箱内铺设模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设试验单桩，所述竖向预压系统包括反力架、液压伺服作动器和垫板，所述反力架固定在所述模型箱上，所述液压伺服作动器的上端固定在反力架上，所述液压伺服作动器的动作端与垫板连接，所述垫板位于箱内土体的顶面；所述水平加载系统包括伺服电机驱动器、钢丝索、滑轮组和桩帽，所述桩帽安装在试验单桩的顶部，所述桩帽与钢丝索套接，所述钢丝索通过滑轮组改变方向后与伺服电机驱动器连接，所述滑轮组固定在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于试验单桩的顶部，所述位移计与数据采集仪连接；所述测试方法包括以下步骤：

(1)确定试验单桩的尺寸、形状、材质；

(2)确定箱内土体的土层分布以及相应土层厚度；

(3)试验单桩的桩端封闭；

(4)铺设土层，并放置垫板；

(5)确定土体竖向预压荷载与液压伺服作动器数目，根据实际工程中的土层位置与厚度，由自重应力理论获得土体的竖向预压荷载，并根据荷载大小确定液压伺服作动器的数目，为2个、4个、6个或8个；

(6)安装液压伺服作动器和反力架；

(7)放置桩帽和位移计，安装水平加载系统；

(8)分级施加竖向预压荷载；

(9)确定水平加载级别及循环加载周期；

(10)试验数据采集：获得试验单桩每次水平加、卸载完成后的水平位移，同时记录每次水平加载的水平荷载值，并绘制桩基水平承载力与位移的曲线图；

(11)根据规范确定停止加载标准：水平位移超过40mm或桩身折断时，停止加载；

(12)数据整理：画出位移-荷载曲线，以曲线产生明显陡降的前一级荷载确定为该试验单桩的水平极限承载力；

(13)清理试验用土样，拆卸试验装置；

(14)循环荷载下试验单桩水平极限承载力特征值确定，重复所述步骤(3)～步骤(13)，获得一组三根试验单桩的循环荷载下试验单桩水平承载力特征值，当三根试验单桩特征值极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为循环荷载下试验单桩水平承载力的特征值；

所述模型箱的箱体底部设有反滤层，所述反滤层的底部设置排水板，所述步骤(3)中，安放排水板和反滤层；

所述步骤(3)中，使用防水土工布覆盖在桩端再用钢丝固定封闭；

所述步骤(8)中，打开位于排水管上的水阀，通过计算机控制液压伺服作动器实施分级竖向预压，使土层发生固结；达到目标荷载后停止加载并维持目标加载水平；在固结过程中，孔隙水会从模型箱底部的排水管排出。

2.如权利要求1所述的考虑土体预固结及循环荷载下的单桩水平承载力的测试方法，其特征在于：所述步骤(13)中，先拆除反力架，再按照从上而下的顺序回收实验土体，再将模型箱的内壁与排水板清洗以便下次使用。

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