CN107090859B - 一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法，包括以下步骤：(1)确定试验桩尺寸、土层分布及厚度；(2)确定竖向加载值和加载级别，以及水平加载值和加载级别；(3)分层铺设土层；(4)确定水平荷载的加载方向和数量；(5)安装水平加载桩帽；(6)安放水平加载系统；(7)安放竖向加载系统；(8)安装数据采集系统；(9)确定单次试验桩的多向水平极限承载力；(10)拆卸试验装置，回收试验用土样；(11)确定不同竖向荷载下单桩的水平承载力特征值；(12)不同竖向荷载下单桩水平极限承载力确定。本发明效果好、操作方便、费用低。

Description

一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法

技术领域

本发明涉及复合荷载作用下单桩多向水平承载力的测试方法,主要适用于室内试验中在多向水平荷载与法向荷载共同作用下单桩水平承载力方面的研究，属于桩基测试技术领域。

背景技术

随着国民经济的持续快速发展，风力发电、海上平台及高层建筑等陆续兴建，这些建筑物不但受到自重等竖向荷载的影响，也会受到风荷载、地震和潮汐等水平荷载的影响，因此，竖向和水平荷载的共同作用模式(复合荷载)比竖向荷载或水平向荷载(单一荷载)的作用模式在受力性状上也更加复杂，同时也更加符合工程实际。另外，由于建筑物或构筑物的水平荷载往往不只有一个方向，通常具有多方向性。

发明内容

为了克服已有技术无法有效测试复杂条件下单桩多向水平承载力的不足，本发明提供一种效果好、操作方便、费用低的复合荷载作用下的单桩多向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：

一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法，实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、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，所述竖向加载系统包括立柱、横梁、杠杆、竖向加载器和竖向加载砝码，所述杠杆的一端铰接在两根立柱之间的转轴上，所述杠杆的中部安装竖向加载器，所述竖向加载器位于所述试验单桩的顶部，所述杠杆的另一端连接竖向加载砝码；所述水平加载系统包括水平加载桩帽、定滑轮、钢丝索和砝码，所述水平加载桩帽安装在所述试验单桩的顶面，所述水平加载桩帽与所述钢丝索的一端连接，所述钢丝索穿过所述定滑轮，所述钢丝索的另一端与水平加载砝码连接，所述定滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于水平加载桩帽上，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)确定试验桩尺寸、土层分布及厚度；

(2)确定竖向加载值和加载级别，以及水平加载值和加载级别；

(3)分层铺设土层；

(4)确定水平荷载的加载方向和数量；

(5)安装水平加载桩帽：选择与试验桩外径一致的水平加载桩帽。将水平加载桩帽对准并旋入试验桩中；

(6)安放水平加载系统；

(7)安放竖向加载系统；

(8)安装数据采集系统；

(9)确定单次试验桩的多向水平极限承载力：根据水平加载力和位移计监测的实时位移，绘制出荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求分别确定出该次试验单桩在水平承载力极限值，取三个水平方向中最小水平承载力极限值作为复合荷载作用下单桩多向水平极限承载力；

(10)拆卸试验装置，回收试验用土样；

(11)确定不同竖向荷载下单桩的水平承载力特征值，重复所述步骤(3)～(10)，获得一组共三根桩在不同竖向荷载下的单桩水平极限承载力，当在同一竖向荷载下三根桩水平承载力极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为该竖向荷载条件下的单桩多向水平极限承载力；

(12)不同竖向荷载下单桩水平极限承载力确定，增大竖向荷载到下一级别，重复所述步骤(2)～(11)，获得不同竖向荷载下的单桩在多向水平加载条件的极限承载力。

进一步，所述步骤(10)中，先拆除数据采集系统和水平加载系统，再拆除竖向加载系统，再按上而下的顺序回收试验土体以便下次使用

再进一步，所述水平加载系统包括多向水平加载系统，所述定滑轮为可移动定滑轮，所述定滑轮下部安装滚轮，所述模型箱的一圈设有滚轮轨道，所述滚轮可滑动地安装在所述滚轮轨道上；所述钢丝索的一端与卡套连接，所述水平加载桩帽一圈设有环形槽口，所述卡套可滑动地安装在所述环形槽口内；

所述步骤(5)中，确定卡套数目和方向；连接钢丝索与卡套，连接卡套与水平加载桩帽。

更进一步，所述卡套包括球形夹具和上下夹片，所述球形夹具内设有上下夹片，所述钢丝索的一端位于上下夹片之间的夹持工位处；所述步骤(5)中，连接钢丝索与卡套的过程如下：先将钢丝索穿过球形卡具，再用两块对称夹片按压在钢丝索的伸出端处，并与钢丝索一起推入球形卡具之中，钢丝索的纹路走向与夹片一致，楔形夹片能够使钢丝索在受外力作用可靠地固定在球形卡具中；

连接卡套与水平加载桩帽的过程如下：将卡套沿着槽口依此放入水平加载桩帽中，根据水平加载桩帽的角度盘调整卡套之间的角度，达到所需要角度时向外张拉钢丝索并保证钢丝索的延伸线过桩帽圆心，在模型箱上移动定滑轮到钢丝索处，使钢丝索绕过定滑轮与砝码盘连接。

本发明的有益效果主要表现在：(1)可实现竖向和多个水平向复合加载，应用范围广。不但可以实现竖向和水平向的复合加载，而且可以考虑多个任意水平方向的水平向复合加载。能模拟竖向荷载作用下多个水平向荷载作用下桩基水平承载力的性能研究，工程应用范围广。(2)水平向加载方式合理。采用水平加载桩帽连接桩与钢丝索，再由桩帽以均匀受力的形式传递给桩基，更符合工程实际情况。(3)操作简单，费用低，周期短。由于现场试验条件及桩基施工的复杂性，难以获得复合荷载作用下单桩多向水平承载力的变化规律，且具有现场试验费用高、周期长的不足，而本装置能有效地解决现场试验难题，具有操作简单、费用低、周期短的特点。

附图说明

图1是复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试装置的结构示意图。

图2是模型箱俯视图。

图3是可移动定滑轮与模型箱连接图。

图4是水平加载桩帽大样图，其中，(a)是正面，(b)是反面。

图5是卡套与钢丝索连接图。

图6是水平加载桩帽与卡套连接图。

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6，一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法，实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、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，所述竖向加载系统包括立柱、横梁、杠杆、竖向加载器和竖向加载砝码，所述杠杆的一端铰接在两根立柱之间的转轴上，所述杠杆的中部安装竖向加载器，所述竖向加载器位于所述试验单桩的顶部，所述杠杆的另一端连接竖向加载砝码；所述水平加载系统包括水平加载桩帽、定滑轮、钢丝索和砝码，所述水平加载桩帽安装在所述试验单桩的顶面，所述水平加载桩帽与所述钢丝索的一端连接，所述钢丝索穿过所述定滑轮，所述钢丝索的另一端与水平加载砝码连接，所述定滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于水平加载桩帽上，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)确定试验桩尺寸、土层分布及厚度

(2)确定竖向加载值和加载级别，以及水平加载值和加载级别；

(3)分层铺设土层；

(4)确定水平荷载的加载方向和数量；

(5)安装水平加载桩帽：选择与试验桩外径一致的水平加载桩帽。将水平加载桩帽对准并旋入试验桩中；

(6)安放水平加载系统；

(7)安放竖向加载系统；

(8)安装数据采集系统；

(9)确定单次试验桩的多向水平极限承载力：根据水平加载力和位移计监测的实时位移，绘制出荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求分别确定出该次试验单桩在水平承载力极限值，取三个水平方向中最小水平承载力极限值作为复合荷载作用下单桩多向水平极限承载力；

(10)拆卸试验装置，回收试验用土样；

(11)确定不同竖向荷载下单桩的水平承载力特征值，重复所述步骤(3)～(10)，获得一组共三根桩在不同竖向荷载下的单桩水平极限承载力，当在同一竖向荷载下三根桩水平承载力极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为该竖向荷载条件下的单桩多向水平极限承载力；

(12)不同竖向荷载下单桩水平极限承载力确定，增大竖向荷载到下一级别，重复所述步骤(2)～(11)，获得不同竖向荷载下的单桩在多向水平加载条件的极限承载力。

进一步，所述水平加载系统为多向水平加载系统，所述定滑轮为可移动定滑轮，所述定滑轮下部安装滚轮，所述模型箱的一圈设有滚轮轨道，所述滚轮可滑动地安装在所述滚轮轨道上；所述钢丝索的一端与卡套连接，所述水平加载桩帽一圈设有环形槽口，所述卡套可滑动地安装在所述环形槽口内；

所述步骤(5)中，确定卡套数目和方向；连接钢丝索与卡套，连接卡套与水平加载桩帽。

更进一步，所述卡套包括球形夹具和上下夹片，所述球形夹具内设有上下夹片，所述钢丝索的一端位于上下夹片之间的夹持工位处；所述步骤(5)中，连接钢丝索与卡套的过程如下：先将钢丝索穿过球形卡具，再用两块对称夹片按压在钢丝索的伸出端处，并与钢丝索一起推入球形卡具之中，钢丝索的纹路走向与夹片一致，楔形的夹片能够使钢丝索在受外力作用可靠地固定在球形卡具中；

连接卡套与水平加载桩帽的过程如下：将卡套沿着槽口依此放入水平加载桩帽中，根据水平加载桩帽的角度盘调整卡套之间的角度，达到所需要角度时向外张拉钢丝索并保证钢丝索的延伸线过桩帽圆心，在模型箱上移动定滑轮到钢丝索处，使钢丝索绕过定滑轮与砝码盘连接。

本实施例的复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试装置，包括模型箱、竖向加载系统、多向水平加载系统、数据采集系统及计算机控制系统，所述模型箱是无顶盖内空的圆柱形，箱身由环形不锈钢板焊接而成。所述竖向加载系统由立柱、横梁、杠杆、竖向加载器、砝码等组成。横梁位于立柱的上端，用于放置磁力表座和提高模型箱的稳定性。杠杆与立柱之间采用转轴连接，可以绕转轴转动。所述水平加载系统由水平加载桩帽、球形卡具、钢丝索、可移动定滑轮、砝码组成。水平加载桩帽上设有槽口与导槽，用于连接卡套，在其外侧壁刻有角度盘，用于测量角度。卡套由两块锥形夹片和空心的球形卡具组成，用于固定钢丝索。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软件，可以记录和处理数据。

所述水平加载桩帽可以根据桩的形状自行选择。所述水平加载桩帽与试验桩之间采用螺纹连接。所述可移动定滑轮可以通过底部滚轮在模型箱边框上进行360度转动。所述球形卡具可以在导槽内进行360度转动。所述角度盘最小刻度线为5度。

本实施例的复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试装置包括模型箱1；试验桩2；箱内土体3(杂填土31、粉质粘土32、粉砂33、中砂34、圆砾35)；水平加载桩帽4；卡套5(由夹片18和球形卡具19组成)；钢丝索6；可移动定滑轮7；竖向加载器8；杠杆9；砝码10；横梁11；磁力表座12；LVDT位移计13；数据采集系统14；计算机控制系统15；槽口16；导槽17；夹片18；球形卡具19；立柱20，转轴21；滚轮22；角度盘23。

其中，模型箱1外与4个立柱20焊接，杠杆9与采用转轴与同一侧的两个立柱连接，杠杆9用螺栓固定竖向加载器8，横梁11焊接在立柱20上，用于放置磁力表座12。水平加载桩帽4采用螺纹与试验桩2连接，水平加载桩帽4设有槽口16与导槽17，卡套5的球形卡具19可以进入槽口16并在导槽17中移动。夹片18与钢丝索6相接，并楔进球形卡具19中。可移动定滑轮7下部设有滚轮22，使得可移动定滑轮7能够在模型箱1的箱壁上移动。LVDT位移计13与数据采集仪14用数据线传输信号，再将数据转换传输给计算机控制系统15。

某拟建住宅楼为26层建筑，剪力墙结构，桩—筏基础，采用钻孔灌注桩为桩基，长为18m，直径为0.6m，单桩竖向承载力为1500kN。本试验模型箱的箱体内部尺寸为直径1000mm，高1000mm。场地土层自上而下依次是杂填土、粉质粘土、粉砂、中砂、圆砾，厚度分别为2m、10m、15m、5m、15m，桩身进入圆砾层2m。

本发明的实施步骤是：

本发明的实施步骤是：

1)确定试验桩尺寸。根据设计的工程桩尺寸按一定的比例缩小来制作模型桩。本次实例采用钢管作为试验桩，按50：1的比例进行放缩，试验桩径为30mm，高度为900mm。

2)确定土层分布及厚度。根据现场地勘报告和和桩身的长度来确定试验所需要的土层，各个土层的厚度按照50：1的比例缩放，场地土层自上而下依次是杂填土、粉质粘土、粉砂、中砂、圆砾，厚度分别为0.04m、0.2m、0.3m、0.1m、0.3m，桩身进入圆砾层0.04m。

3)确定竖向加载值和加载级别。根据设计的桩顶竖向承载力按比例缩放，采用5级加载。本实例将单桩竖向承载力按50：1的比例缩放，竖向加载值为30kN，每次按6kN递增进行加载。

4)确定水平加载值和加载级别。本实施例中试验采用10级加载，每次加载量为预估桩基水平承载力的1/10。本实例中根据现有规范预估水平承载力为20kN，每次在三个方向均按2kN递增进行加载。

5)分层铺设土层。根据土层的分布及其厚度，将各土层按照自下而上的顺序依次分层铺设。首先铺设圆砾层，当铺设厚度达到桩端位置时，将桩身垂直地放置在圆砾土层上，且位于模型箱的中心位置，再继续向上按顺序铺设相应土层。每层土体的顶部和底部均用水平尺进行量测，保证铺设水平度，且要求铺设土层尽可能达到现场的工程条件。

6)确定水平荷载的加载方向和数量。本试验装置可实现任意多个方向的加载，具体加载方向和数量可由工程桩所承受的水平荷载的方向和数量来确定。本实例根据工程桩实际所受的水平荷载情况采用三个方向进行水平加载，夹角分别为30度和60度。模拟不同方向的单桩水平力加载的情形。

7)安装水平加载桩帽。选择与试验桩外径一致的水平加载桩帽。将水平加载桩帽对准并旋入试验桩中。

8)确定卡套数目和方向。卡套的数量和方向应与所加载的水平向荷载的数量和方向一致。在本次实例中，采用3个水平力加载，水平力之间分别为30度和60度。

9)连接钢绞线与卡套。先将钢绞线穿过球形卡具，再用两块对称夹片按压在钢绞线的伸出端处，并与钢绞线一起推入球形卡具之中，在此过程中保证钢绞线不超出球形卡具的范围。按上述操作可完成其余2个卡套与钢绞线的连接。钢绞线的纹路走向与夹片一致，楔形的夹片能够使钢绞线在受外力作用可靠地固定在球形卡具中。

10)连接卡套与水平加载桩帽将3个卡套沿着槽口依此放入水平加载桩帽中，根据水平加载桩帽的角度盘调整卡套之间的角度，达到所需要的30度和60度时向外张拉钢绞线并保证钢绞线的延伸线过桩帽圆心。在模型箱上移动定滑轮到钢绞线处，使钢绞线绕过定滑轮与砝码盘连接。

11)安放竖向加载系统。调整杠杆到桩中心位置，使竖向加载器放置于水平加载桩帽顶正上方。

12)安装数据采集系统。复合荷载由1个竖向荷载和3个水平向荷载组成，因此，共需要4个LVDT位移计。将磁力表座放置在横梁上，调整支架使4个LVDT位移计和待测方向保持垂直。连接LVDT位移计与数据采集仪，用于测试桩顶的竖向位移及三个水平方向位移。

13)确定单次试验桩的多向水平极限承载力。根据水平加载力和LVDT监测的实时位移，绘制出3个水平方向的荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求分别确定出该次试验桩在3个方向的水平承载力极限值，取三个水平方向中最小水平承载力极限值作为复合荷载作用下单桩多向水平极限承载力。

14)拆卸试验装置，回收试验用土样。关闭仪器，按顺序拆除擦拭试验器械，先拆除3个水平向的加载砝码，再拆除竖向加载砝码，然后拆除横梁和杠杆，再按上而下的顺序回收试验土体以便下次使用。

15)确定竖向荷载下单桩的水平承载力特征值。重复上述步骤4)-14)，获得一组共三根桩在不同竖向荷载下的单桩水平极限承载力。当在同一竖向荷载下三根桩水平承载力极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为该竖向荷载条件下的单桩多向水平极限承载力。

16)不同竖向荷载下单桩水平极限承载力确定。增大竖向荷载到下一级别，重复上述步骤3)-15)，获得不同竖向荷载下的单桩在多向水平加载条件的极限承载力。

Claims (2)

1.一种复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法，其特征在于：实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、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，所述竖向加载系统包括立柱、横梁、杠杆、竖向加载器和竖向加载砝码，所述横梁位于立柱的上端，所述杠杆的一端铰接在两根立柱之间的转轴上，所述杠杆的中部安装竖向加载器，所述竖向加载器位于所述试验单桩的顶部，所述杠杆的另一端连接竖向加载砝码；所述水平加载系统包括水平加载桩帽、定滑轮、钢丝索和水平加载砝码，所述水平加载桩帽安装在所述试验单桩的顶面，所述水平加载桩帽与所述钢丝索的一端连接，所述钢丝索穿过所述定滑轮，所述钢丝索的另一端与水平加载砝码连接，所述定滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于水平加载桩帽上，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)确定试验桩尺寸、土层分布及土层厚度；

(2)确定竖向加载值和加载级别，以及水平加载值和加载级别；

(3)分层铺设土层；

(4)确定水平荷载的加载方向和数量；

(5)安装水平加载桩帽：选择内径与试验单桩外径一致的水平加载桩帽，将水平加载桩帽对准并旋入试验单桩中；

(6)安装水平加载系统；

(7)安装竖向加载系统；

(8)安装数据采集系统；

(9)确定单次试验单桩的多向水平极限承载力：根据水平加载力和位移计监测的实时位移，绘制出荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求确定出该次试验单桩的水平承载力极限值，取三个水平方向中最小水平承载力极限值作为复合荷载作用下单桩多向水平极限承载力；

(10)拆卸试验装置，回收试验用土样；

(11)确定不同竖向荷载下单桩的水平承载力特征值，重复所述步骤(3)～(10)，获得一组共三根桩在不同竖向荷载下的单桩水平极限承载力，当在同一竖向荷载下三根桩水平承载力级差不超过平均值的30％时，取其平均值作为该竖向荷载条件下的单桩多向水平极限承载力；

(12)不同竖向荷载下单桩水平极限承载力确定，增大竖向荷载到下一级别，重复所述步骤(2)～(11)，获得不同竖向荷载下的单桩在多向水平加载条件的水平极限承载力；

所述水平加载系统为多向水平加载系统，所述定滑轮为可移动定滑轮，所述定滑轮下部安装滚轮，所述模型箱的顶部开口的边缘圈设有滚轮轨道，所述滚轮可滑动地安装在所述滚轮轨道上；所述钢丝索的一端与卡套连接，所述水平加载桩帽一圈设有环形槽口，所述卡套可滑动地安装在所述环形槽口内；

所述步骤(5)中，确定卡套数目和方向；连接钢丝索与卡套，连接卡套与水平加载桩帽；所述卡套包括球形夹具和上下夹片，所述球形夹具内设有上下夹片，所述钢丝索的一端位于上下夹片之间的夹持工位处；所述步骤(5)中，连接钢丝索与卡套的过程如下：先将钢丝索穿过球形卡具，再用两块对称夹片按压在钢丝索的伸出端处，并与钢丝索一起推入球形卡具之中，钢丝索的纹路走向与夹片一致，楔形的夹片能够使钢丝索在受外力作用可靠地固定在球形卡具中；

连接卡套与水平加载桩帽的过程如下：将卡套沿着槽口依此放入水平加载桩帽中，根据水平加载桩帽的角度盘调整卡套之间的角度，达到所需要角度时向外张拉钢丝索并保证钢丝索的延伸线过桩帽圆心，在模型箱上移动定滑轮到钢丝索处，使钢丝索绕过定滑轮与砝码盘连接。

2.如权利要求1所述的复合荷载作用下的单桩多向水平承载力的测试方法，其特征在于：所述步骤(10)中，先拆除数据采集系统和水平加载系统，再拆除竖向加载系统，再按由上而下的顺序回收试验土体以便下次使用。