CN107100210B - 可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，包括静压沉桩力学模拟单元、地基附加应力加载模拟单元、地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元、型钢加载反力框架、地基土模拟试验仓及锤击沉桩模拟单元。静压沉桩力学模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方；地基附加应力加载模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架内部上方；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元中传感器预埋至模拟地基土内；地基土模拟试验仓推送至型钢加载反力框架正下方；锤击沉桩模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方。本发明可以人工制作复合地基土模型，结合其上部地基附加应力加载模拟单元提供预定荷载，实现模拟不同深度的土层总应力环境。

Description

可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统
技术领域
本发明属于预制桩及桩周地基土力学行为研究领域，提供了不同种类组合地基土、不同地基附加应力及不同类型沉桩方式等多因数组合条件试验研究平台。
背景技术
随着我国高速公路、高速铁路、城市轻轨交通及高层建筑的建设，混凝土预制桩作为深基础的一种类型普片采用，且使用地质环境复杂多样。对于桩基础和其周围地基土的力学行为了解与掌握对岩土工程勘察、设计具有重大意义。桩基础和上部建筑和构筑物所引起的地基附加应力分布及变化，由地基附加应力系数和压缩变形系数所控制，是研究地基承载力和沉降等问题的关键因素。同时，掌握沉桩工艺对于地基土的压密和挤土效应，或是对于砂性土壤的液化可能性等安全评价都可以提供必要的技术支持。本发明所提供的基于可控附加应力的桩土相互作用力学行为研究测试系统将填补国内该领域的空白。
建筑与构筑物地基绝大多数环境条件下是由多种不同类型土层沉积固结而成的，或是土岩结合而成的复合地质地貌，而现阶段高校及研究单位试验测试手段多是以单一土质类型地基为研究对象，过于简单和理想化，与工程实际相距较远。本发明所提供的基于可控附加应力的桩土相互作用力学行为研究测试系统提供的地基土模拟仓，可以根据地质勘察得出的实际地层条件，人工制作复合地基土模型，结合其上部地基附加应力加载模拟单元，提供预定荷载实现模拟不同深度的土层总应力环境。
发明内容
本发明旨在通过较简单的机械装置模拟深层或复合地基土的地质条件，来研究不同沉桩工艺所引起的地基土中总应力环境和承载力的变化。于是，根据该目的设计了一种名为基于可控附加应力的桩土相互作用力学行为研究测试系统及相关测试研究的实施方案。
根据本发明的技术方案，本发明涉及的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，包括静压沉桩力学模拟单元、地基附加应力加载模拟单元、地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元、型钢加载反力框架、地基土模拟试验仓及锤击沉桩模拟单元；静压沉桩力学模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方，用于模拟静压沉桩施工工艺；地基附加应力加载模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架内部上方，向下提供直接作用于模拟地基土表面的预加荷载，用于模拟房屋基础产生的附加应力或是地基土固结所需的预压力；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元中各类传感器按研究方案需要预埋至地基土模拟试验仓中的模拟地基土内；地基土模拟试验仓通过下滑动滚轴推送至型钢加载反力框架正下方，后用地基土模拟仓定位螺孔定位；锤击沉桩模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方，模拟动力沉桩施工工艺。
更进一步的方案是：
所述的静压沉桩力学模拟单元，由电动静力触探加载装置、阻力监测记录仪、模拟桩阻力传感器和标准模拟桩节构成，由电动静力触探加载装置模拟压桩机提供静压力，将模拟桩模拟的预制桩体按预定速率贯入模拟的地基土中，并由阻力监测记录仪和模拟桩阻力传感器时刻监测“静压沉桩”过程中桩尖所承受的端阻力和侧摩阻力。
根据本发明的一个实施方案，所述该单元由电动静力触探加载装置应能提供最大200~240KN竖直向下贯入力。
根据本发明的一个实施方案，所采用的阻力监测记录仪应至少有10个记录通道，采样速率10-10KHz可调。
根据本发明的一个实施方案，所采用的模拟桩阻力传感器采用静力触探双桥探头。
根据本发明的一个实施方案，所采用的空心标准模拟桩节用空性钢制套杆制成，其外径与模拟桩阻力传感器一致为4m，内径2.4m，上端外壁攻丝1-2m长，下端内部攻丝，以连接螺纹使用，每节模拟桩长度80m，内壁纵向粘贴120欧标准电阻应变片，将与电阻应变片焊接的导线标记位置信息并穿过空心标准模拟桩节到达桩顶与阻力监测记录仪连接。
更进一步的方案是：
所述的地基附加应力加载模拟单元由60T穿心千斤顶、筒形承压柱和数显电液伺服油泵组成；数显电液伺服油泵提供稳定油压，通过油管将压力传递给60T穿心千斤顶，60T穿心千斤顶将油压转换成向下的压力，再依靠筒形承压柱，把预定荷载直接作用于模拟地基土表面。
根据本发明的一个实施方案，所采用的 60T穿心千斤顶需满足内径大于70mm、动作行程80mm。
根据本发明的一个实施方案，所采用的筒形承压柱由壁厚40mm内径70mm高300mm钢筒和内径70mm、外径300-900mm、高30-100mm圆台性传力环螺栓连接而成。
更进一步的方案是：
所述的地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元由高灵敏度电阻变形监测仪、活塞式电阻应变计工作组、钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组和多通道应力巡检记录仪组成；活塞式电阻应变计工作组可以测量地基土体内任意局部变形值；比如水平安装于桩身某深度对应的地基平面内以获得水平压缩变形值，或者选择与土层厚度相同长度的应变计垂直安放于该土层中，以获得该土层的沉降变化值；同理钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组也可以根据研究方案需要预埋在所需监测的土体位置，获得地基土任意局部任意角度的总应力和有效应力参数；各工作组各类型传感器数量根据需要增减，实现从固结前初值、到固结后中值、到沉桩过程完成后的终值全流程全角度监控，精确呈现记录地基土力学行为的演化。
根据本发明的一个实施方案，所采用的活塞式电阻应变计工作组由多个直径2-4mm、长度20-80mm、测量行程10-30mm可自由伸缩的活塞式电阻位移传感器并联而成。单个活塞式电阻位移传感器由导电活塞和高精度电阻套筒构成。
根据本发明的一个实施方案，所采用的钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组可以根据研究方案需要预埋在所需监测的土体位置，获得地基土任意局部任意角度的总应力和有效应力参数。压力计直径小于50mm、高度小于150mm，精度1P，量程范围0-1MP。
更进一步的方案是：
所述的型钢加载反力框架采用翼板宽度及截面高度均为200mm，厚度20mm型槽钢通过高强螺栓拼接成如图1及图5所示空间结构，框架整体高2M、长3M、宽2M；框架竖向最高承受试验荷载为80T；从上至下，依次为上部沉桩力学模拟单元定位螺栓、模型桩定位导向套筒、上横梁连接板、型钢门式框架、地基土模拟仓定位螺孔、滚动导向轴承和钢制地板组成；上部沉桩力学模拟单元定位螺栓焊接固定于型钢门式框架的上横梁表面，两根长2M型槽钢平行背靠组成上横梁，其底部通过上横梁连接板用高强螺栓连接；型槽钢翼板与腹板厚度均为20mm，宽度均为200mm。横梁中间焊接有模型桩定位导向套筒，该套筒内径根据需要30-80mm可以调整，以在其中套装小一级钢制圆筒实现，壁厚10mm；门式框架立柱采用4根同等型号型钢开口向外通过柱顶焊接封板及高强螺栓固定于上横梁4个端部，立柱柱底同样通过焊接封板及高强螺栓固定于钢制地板上；滚动导向轴承阵列安放在钢制地板上半圆形凹槽内，涂润滑油减小滚动导向轴承与钢制地板间的滚动摩擦力。
更进一步的方案是：
所述的60T穿心千斤顶固定于上横梁连接板之下，60T穿心千斤顶上面还有模型桩定位导向套筒，三者竖向同心共轴。
更进一步的方案是：
所述的地基土模拟试验仓分圆筒形和立方体两种，圆形截面仓壁内径500mm，方形截面仓壁边长1000mm，仓高均为1200mm，由20mm厚模拟方形仓壁、模拟圆形仓壁、仓底、仓壁侧向加固环、加固环连接轴、加固环闭合扳手和过滤排水阀门组成；模拟方形仓壁和模拟圆形仓壁的材质分透明有机玻璃和铸铁两种，透明有机玻璃可以用来观测地基附加应力小于1.2MP条件下的土层变形行为，铸铁筒壁用于大于1.2MP应力环境的力学测试。
根据本发明的一个实施方案，所采用的4根仓壁侧向加固环在纵向方向平均分布，环抱紧固模拟仓壁，并通过加固环闭合扳手实现拉紧和松开。
根据本发明的一个实施方案，所采用的过滤排水阀门可平均分布于模拟仓四周，可根据测试方案打开其中一个或多个，实现预定土层局部排水固结。
更进一步的方案是：
所述的锤击沉桩模拟单元由电动牵引加载装置、三角形型钢支架、吊索分离开关、穿心锤击动力机构、模拟桩和模拟桩尖组成；三角形型钢支架通过上部沉桩力学模拟单元定位螺栓固定在型钢加载反力框架上面，三角形型钢支架采用12mm厚、截面高度100mm的槽钢螺栓连接而成，其顶部配有固定滑轮；钢绞线作为吊索连接电动牵引加载装置、三脚架顶部固定导向轮和吊索分离开关，在通过吊索分离开关连接穿心锤击动力机构。电动牵引加载装置通电卷收吊索将穿心锤拉升至标准标高，动作吊索分离开关，穿心锤重力自由下落，撞击导杆上的承力环，将动能转换成贯入力做功，模拟动力沉桩。
本发明可以按研究方案预先对模拟仓中土体在不同排水条件下进行预压固结，之后模拟各类材料组合形成的地基土在不同等级附加应力条件下的动、静力沉桩过程，并实时监测模型桩所受端阻力、侧摩阻力及基桩周围不同位置土体总应力、空隙水压力及局部位移等参数的演化状态，从而，计算桩身轴力、不同位置每种土、应力扩散角、附加应力系数、体压缩系数，变形模量等力学性能指标；掌握桩基周围土体应力的空间分布与变化。本发明所提供的基于可控附加应力的桩土相互作用力学行为研究测试系统提供的地基土模拟仓，可以根据地质勘察得出的实际地层条件，人工制作复合地基土模型，结合其上部地基附加应力加载模拟单元，提供预定荷载实现模拟不同深度的土层总应力环境。另一方面，利用该系统，可以在准施工现场环境下，对专业测试人员及高校学生进行静力触探与十字板剪切、动力触探及标准贯入等内容的实训教学。该系统结构简单，组合灵活，最大程度贴近预制桩施工过程和受力条件，在土木工程、岩土工程的科研和教学领域广泛适用。
附图说明
图1是研究实施例1，根据本发明的模拟静压沉桩工艺桩土力学行为实施案例所给出的整套测试系统的结构示意图，使用的是方形地基土模拟仓，适用于非刚性侧限地基应力环境研究；
图2是研究实施例1中的型钢加载反力框架和方形地基土模拟仓俯视图；
图3是研究实施例1中的型钢加载反力框架和方形地基土模拟仓左视图；
图4是实施例2测试系统的结构示意图，使用的是有机玻璃-圆形地基土模拟仓，适用于刚性侧限地基应力环境研究；
图5是实施例2中有机玻璃-圆形地基土模拟仓俯视图；
图6是实施例3，模拟动力沉桩工艺时桩土力学行为实施案例所给出的整套测试系统的结构示意图，使用的是方形地基土模拟仓，适用于非刚性侧限地基应力环境研究；
将测试系统上部结构替换成标准静力触探仪或是动力触探仪，可以在准施工现场环境下，对专业测试人员及高校学生进行静力触探与十字板剪切、动力触探及标准贯入等内容的实训教学。
具体实施方式
实施例1
这里以实施例1为例，详细描述本发明的实施步骤，通过附图描述的方案是示例性的，是研究方案的其中一种，用于解释本发明如何工作，不能理解为对本发明的限制。
这里将参考图1-图3详细描述模拟静压沉桩工艺时桩土力学行为研究的过程。图1是整套测试系统的结构示意图。
图1所示模拟静压沉桩工艺时桩土力学行为研究的测试系统包括：桩身力学模拟单元；地基附加应力加载模拟单元；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元；型钢加载反力框架；地基土模拟试验仓及静压沉桩模拟单元。
首先根据所需研究工程地点的具体地质信息，采集该地点以下土样标本作为模拟地基的原料，运回实验室。
按照图2和图3所示组装好方形地基土模拟仓，此处仓壁20mm厚不锈钢板。然后依据地质信息中诸如各土层种类、厚度、含水量、孔隙比、密度等原位地基土的物理参数，采用分层压实的方法制作模拟地基。
根据研究方案在各模拟土层中预埋活塞式电阻应变计工作组32、钢铉式土压力计和孔隙水压力计工作组33。在地基中土体变形多以压缩为主，所以预埋时应将活塞式电阻应变计设置预留足够的压缩位移量程，考虑制作模拟地基时的压实工艺，更应如此。活塞式电阻应变计其预埋角度根据所需监测不同方向土层变形需求而设定，同一深度的平面内考虑到应力扩散效应，按与模拟桩不同距离安放3-6个活塞式电阻应变计。出于相似考虑，依据同样原则安放钢铉式土压力计和孔隙水压力计。
同时将模拟地基土中预埋的活塞式电阻应变计工作组32的数据线编号，连接到高灵敏度电阻变形监测仪31上；将钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组33的数据线编号，连接到多通道应力巡检记录仪34上。
在预埋前，记录保存各传感器的初值；从制作模拟地基开始便监测记录传感器所探测探测到的诸如位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值。
根据实际工程地点地下水条件，操作各过滤排水阀门56实现预定土层局部排水固结或稳定预设水位。
模拟地基土填满模拟仓后，表面与模拟仓侧壁上沿保持等高。
将制作完成模拟地基的模拟仓沿图2所示方向，通过导向滚轴42移入型钢加载反力框架整下方，将模拟仓底部四角上的地基土模拟仓定位螺孔47与钢制底座43上相应位置的定位螺孔47对其，并用螺栓固定。
按图1所示安装地基附加应力加载模拟单元，先将筒形承压柱22通过螺栓安装在60T穿心千斤顶21的顶出端，然后将它们通过螺栓固定于上横梁连接板（穿心千斤顶传力板）46下部，确保包括模型桩定位套筒45在内三者竖向同心共轴。
按图1所示用压力油管连接数显电液伺服油泵23和60T穿心千斤顶21，千斤顶内注油排气。
开启数显电液伺服油泵23，千斤顶21将油压转换成向下的压力，再依靠筒形承压柱22，把预定荷载直接作用于模拟地基土表面，同时监测由数显电液伺服油泵23的油压值换算而来的附加应力值及模拟地基土中位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变，模拟地下某一深度位置的应力环境，于是实现对浅基础传递的附加应力条件下地基各局部空间应力应变动态分布的研究。
按图1所示将静压沉桩力学模拟单元通过定位螺栓44安装于型钢加载反力框架的上横梁上面，并确保电动静力触探加载装置11的模拟桩安装孔与模型桩定位导向套筒45竖向同心共轴。
如图1所示从下至上组装模拟桩阻力传感器13和标准模拟桩节14，于是在同一模拟桩不同深度的位置可以安放多个标准模拟桩节14，并将模拟桩阻力传感器13和每个标准模拟桩节14的数据线通过模拟桩节中间空心连接到阻力监测记录仪12，开始监测记录。
模拟桩桩顶与电动静力触探加载装置11的下行动力链条通过传力扳手连接。
启动电动静力触探加载装置11电机，可按预定沉桩速率将模拟桩从模拟地基地表压入土层。
通过阻力监测记录仪12可以测度模拟桩桩端阻力标准值p ski 和侧摩阻力标准值q 1sik ，以及模拟桩桩身各处的应变值εi，通过预先测定的标准模拟桩节14的弹性模量换算得到相应桩身各测点的轴力值T ski ，进一步计算得到相应点位地层对于桩身的侧摩阻力标准值q 2sik 。
通过高灵敏度电阻变形监测仪31和多通道应力巡检记录仪34监测沉桩工艺全过程模拟地基土中各空间测点所反映的位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变。
实施例2
这里以实施例2为例，详细描述本发明的实施步骤，通过附图描述的方案是示例性的，是研究方案的其中一种，用于解释本发明如何工作，不能理解为对本发明的限制。
这里将参考图4和图5详细描述模拟准刚性侧限条件下静压沉桩工艺时桩土力学行为研究的过程。图4是整套测试系统的结构示意图。
图4所示模拟静压沉桩工艺时桩土力学行为研究的测试系统包括：静压沉桩力学模拟单元；地基附加应力加载模拟单元；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元；型钢加载反力框架；有机玻璃-圆形地基土模拟仓及静压沉桩模拟单元。
首先根据所需研究工程地点的具体地质信息，采集该地点以下土样标本作为模拟地基的原料，运回实验室。
按照图4和图5所示组装好方形地基土模拟仓，此处仓壁根据需要用30mm厚透明有机玻璃加工。然后依据工程地质信息中诸如各土层种类、厚度、含水量、孔隙比、密度等原位地基土的物理参数，采用分层压实的方法制作模拟地基。
根据研究方案在各模拟土层中（或所需研究土层中）预埋活塞式电阻应变计工作组32、钢铉式土压力计和孔隙水压力计工作组33。在地基中土体变形多以压缩为主，所以预埋时应将活塞式电阻应变计设置预留足够的压缩位移量程，考虑制作模拟地基时的压实工艺，更应如此。活塞式电阻应变计其预埋角度根据所需监测不同方向土层变形需求而设定，在该模拟仓中桩壁与仓内壁之间距离越为100mm，模拟地基土水平压缩变形受到来自仓壁的侧向约束，而导致水平向应力值较高，即达到半刚性-刚性侧限应力条件。同一深度的平面内考虑到应力变化梯度较小，按与模拟桩不同距离安放1-2个活塞式电阻应变计。出于相似考虑，依据同样原则安放钢铉式土压力计和孔隙水压力计。
同时将模拟地基土中预埋的活塞式电阻应变计工作组32的数据线编号，连接到高灵敏度电阻变形监测仪31上；将钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组33的数据线编号，连接到多通道应力巡检记录仪34上。
在预埋前，记录保存各传感器的初值；从制作模拟地基开始便监测记录传感器所探测探测到的诸如位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值。
根据实际工程地点地下水条件，操作各过滤排水阀门56实现预定土层局部排水固结或稳定预设水位。
模拟地基土填满模拟仓后，表面与模拟仓侧壁上沿保持等高。
将制作完成模拟地基的模拟仓通过导向滚轴42移入型钢加载反力框架整下方，将模拟仓底部定位螺孔47与钢制底座43上相应位置的定位螺孔47对其，并用螺栓固定。
按图4所示安装地基附加应力加载模拟单元，先将筒形承压柱22通过螺栓安装在60T穿心千斤顶21的顶出端，然后将它们通过螺栓固定于上横梁连接板（穿心千斤顶传力板）46下部，确保包括模型桩定位套筒45在内三者竖向同心共轴。
按图4所示用压力油管连接数显电液伺服油泵23和60T穿心千斤顶21，千斤顶内注油排气。
开启数显电液伺服油泵23，千斤顶21将油压转换成向下的压力，再依靠筒形承压柱22，把预定荷载直接作用于模拟地基土表面，同时监测由数显电液伺服油泵23的油压值换算而来的附加应力值及模拟地基土中位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变，模拟地下某一深度位置的应力环境，于是实现对浅基础传递的附加应力条件下地基各局部空间应力应变动态分布的研究。
按图4所示将静压沉桩力学模拟单元通过定位螺栓44安装于型钢加载反力框架的上横梁上面，并确保电动静力触探加载装置11的模拟桩安装孔与模型桩定位导向套筒45竖向同心共轴。
如图4所示从下至上组装模拟桩阻力传感器13和标准模拟桩节14，于是在同一模拟桩不同深度的位置可以安放多个标准模拟桩节14，并将模拟桩阻力传感器13和每个标准模拟桩节14的数据线通过模拟桩节中间空心连接到阻力监测记录仪12，开始监测记录。
模拟桩桩顶与电动静力触探加载装置11的下行动力链条通过传力扳手连接。
启动电动静力触探加载装置11电机，可按预定沉桩速率将模拟桩从模拟地基地表压入土层。
通过阻力监测记录仪12可以测度模拟桩桩端阻力标准值p ski 和侧摩阻力标准值q 1sik ，以及模拟桩桩身各处的应变值εi，通过预先测定的标准模拟桩节14的弹性模量换算得到相应桩身各测点的轴力值T ski ，进一步计算得到相应点位地层对于桩身的侧摩阻力标准值q 2sik 。
通过高灵敏度电阻变形监测仪31和多通道应力巡检记录仪34监测沉桩工艺全程模拟地基土中各空间测点所反映的位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变。
实施例3
这里以实施例3为例，详细描述本发明的实施步骤，通过附图描述的方案是示例性的，是研究方案的其中一种，用于解释本发明如何工作，不能理解为对本发明的限制。
这里将参考图2、图3和图6详细描述模拟动力沉桩工艺时桩土力学行为研究的过程。图6是整套测试系统的结构示意图。
图6所示模拟静压沉桩工艺时桩土力学行为研究的测试系统包括：桩身力学模拟单元；地基附加应力加载模拟单元；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元；型钢加载反力框架；地基土模拟试验仓及动力沉桩模拟单元。
首先根据所需研究工程地点的具体地质信息，采集该地点以下土样标本作为模拟地基的原料，运回实验室。
按照图2和图3所示组装好方形地基土模拟仓，此处仓壁20mm厚不锈钢板。然后依据地质信息中诸如各土层种类、厚度、含水量、孔隙比、密度等原位地基土的物理参数，采用分层压实的方法制作模拟地基。
根据研究方案在各模拟土层中预埋活塞式电阻应变计工作组32、钢铉式土压力计和孔隙水压力计工作组33。在地基中土体变形多以压缩为主，所以预埋时应将活塞式电阻应变计设置预留足够的压缩位移量程，考虑制作模拟地基时的压实工艺，更应如此。活塞式电阻应变计其预埋角度根据所需监测不同方向土层变形需求而设定，同一深度的平面内考虑到应力扩散效应，按与模拟桩不同距离安放3-6个活塞式电阻应变计。出于相似考虑，依据同样原则安放钢铉式土压力计和孔隙水压力计。
同时将模拟地基土中预埋的活塞式电阻应变计工作组32的数据线编号，连接到高灵敏度电阻变形监测仪31上；将钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组33的数据线编号，连接到多通道应力巡检记录仪34上。
在预埋前，记录保存各传感器的初值；从制作模拟地基开始便监测记录传感器所探测探测到的诸如位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值。
根据实际工程地点地下水条件，操作各过滤排水阀门56实现预定土层局部排水固结或稳定预设水位。
模拟地基土填满模拟仓后，表面与模拟仓侧壁上沿保持等高。
将制作完成模拟地基的模拟仓沿图2所示方向，通过导向滚轴42移入型钢加载反力框架整下方，将模拟仓底部四角上的地基土模拟仓定位螺孔47与钢制底座43上相应位置的定位螺孔47对其，并用螺栓固定。
按图6所示安装地基附加应力加载模拟单元，先将筒形承压柱22通过螺栓安装在60T穿心千斤顶21的顶出端，然后将它们通过螺栓固定于上横梁连接板（穿心千斤顶传力板）46下部，确保包括模型桩定位套筒45在内三者竖向同心共轴。
按图6所示用压力油管连接数显电液伺服油泵23和60T穿心千斤顶21，千斤顶内注油排气。
开启数显电液伺服油泵23，千斤顶21将油压转换成向下的压力，再依靠筒形承压柱22，把预定荷载直接作用于模拟地基土表面，同时监测由数显电液伺服油泵23的油压值换算而来的附加应力值及模拟地基土中位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变，模拟地下某一深度位置的应力环境，于是实现对浅基础传递的附加应力条件下地基各局部空间应力应变动态分布的研究。
按图6所示将动力沉桩力学模拟单元通过定位螺栓44安装于型钢加载反力框架的上横梁上面，并确保电动静力触探加载装置11的模拟桩安装孔与模型桩定位导向套筒45竖向同心共轴。
如图1所示从下至上组装模拟桩阻力传感器13和标准模拟桩节14，于是在同一模拟桩不同深度的位置可以安放多个标准模拟桩节14，并将模拟桩阻力传感器13和每个标准模拟桩节14的数据线通过模拟桩节中间空心连接到阻力监测记录仪12，开始监测记录。
模拟桩桩顶螺母与动力触探加载装置64下的传力杆螺帽通过扳手紧固连接。
启动电动加载装置61电机，卷拉钢缆，提升穿心锤，到预定高度，操作脱钩装置63，穿心锤自由落体，产生固定贯入能，将模拟桩模拟桩从模拟地基地表锤击贯入模拟土层。
通过动态阻力监测记录仪12可以测度锤击贯入瞬间及锤击后模拟桩桩端阻力标准值p ski 和侧摩阻力标准值q 1sik ，以及模拟桩桩身各处的应变值εi，通过预先测定的标准模拟桩节14的弹性模量换算得到相应桩身各测点的轴力值T ski ，进一步计算得到相应点位地层对于桩身的侧摩阻力标准值q 2sik 等参数的动态变化。
通过高灵敏度电阻变形监测仪31和多通道应力巡检记录仪34监测沉桩工艺全程模拟地基土中各空间测点所反映的位移值S1i、土压力P1i、孔隙水压力P2i等实测值的改变。

Claims (8)

1.可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
包括静压沉桩力学模拟单元、地基附加应力加载模拟单元、地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元、型钢加载反力框架、地基土模拟试验仓及锤击沉桩模拟单元；静压沉桩力学模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方，用于模拟静压沉桩施工工艺；地基附加应力加载模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架内部上方，向下提供直接作用于模拟地基土表面的预加荷载，用于模拟房屋基础产生的附加应力或是地基土固结所需的预压力；地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元中各类传感器按研究方案需要预埋至地基土模拟试验仓中的模拟地基土内；地基土模拟试验仓通过下滑动滚轴推送至型钢加载反力框架正下方，后用地基土模拟仓定位螺孔（47）定位；锤击沉桩模拟单元螺栓固定于型钢加载反力框架上方，模拟动力沉桩施工工艺。
2.根据权利要求1所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的静压沉桩力学模拟单元，由电动静力触探加载装置（11）、阻力监测记录仪（12）、模拟桩阻力传感器（13）和标准模拟桩节（14）构成，由电动静力触探加载装置（11）模拟压桩机提供静压力，将模拟桩模拟的预制桩体按预定速率贯入模拟的地基土中，并由阻力监测记录仪（12）和模拟桩阻力传感器（13）时刻监测“静压沉桩”过程中桩尖所承受的端阻力和侧摩阻力。
3.根据权利要求1或2所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的地基附加应力加载模拟单元由60T穿心千斤顶（21）、筒形承压柱（22）和数显电液伺服油泵（23）组成；数显电液伺服油泵（23）提供稳定油压，通过油管将压力传递给60T穿心千斤顶（21），60T穿心千斤顶（21）将油压转换成向下的压力，再依靠筒形承压柱（22），把预定荷载直接作用于模拟地基土表面。
4.根据权利要求3所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的地基土总应力、孔隙水压力及局部变形测试单元由高灵敏度电阻变形监测仪（31）、活塞式电阻应变计工作组（32）、钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组（33）和多通道应力巡检记录仪（34）组成；活塞式电阻应变计工作组（32）可以测量地基土体内任意局部变形值；钢铉式土压力计孔隙水压力计工作组（33）也能根据研究方案需要预埋在所需监测的土体位置，获得地基土任意局部任意角度的总应力和有效应力参数；各工作组各类型传感器数量根据需要增减，实现从固结前初值、到固结后中值、到沉桩过程完成后的终值全流程全角度监控，精确呈现记录地基土力学行为的演化。
5.根据权利要求4所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的型钢加载反力框架采用翼板宽度及截面高度均为200mm，厚度20mm型槽钢通过高强螺栓拼接，框架整体高2M、长3M、宽2M；框架竖向最高承受试验荷载为80T；从上至下，依次为上部沉桩力学模拟单元定位螺栓（44）、模型桩定位导向套筒（45）、上横梁连接板（46）、型钢门式框架（41）、地基土模拟仓定位螺孔（47）、滚动导向轴承（42）和钢制地板（43）组成；上部沉桩力学模拟单元定位螺栓（44）焊接固定于型钢门式框架（41）的上横梁表面，两根长2M型槽钢平行背靠组成上横梁，其底部通过上横梁连接板用高强螺栓连接；横梁中间焊接有模型桩定位导向套筒（45），该套筒内径根据需要在30-80mm范围内调整，壁厚10mm；门式框架（41）立柱采用4根同等型号型钢开口向外通过柱顶焊接封板及高强螺栓固定于上横梁4个端部，立柱柱底同样通过焊接封板及高强螺栓固定于钢制地板（43）上；滚动导向轴承（42）阵列安放在钢制地板（43）上半圆形凹槽内，涂润滑油减小滚动导向轴承（42）与钢制地板（43）间的滚动摩擦力。
6.根据权利要求5所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的60T穿心千斤顶（21）固定于上横梁连接板（46）之下，60T穿心千斤顶（21）上面还有模型桩定位导向套筒（45），三者竖向同心共轴。
7.根据权利要求6所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的地基土模拟试验仓分圆筒形和立方体两种，圆形截面仓壁内径500mm，方形截面仓壁边长1000mm，仓高均为1200mm，由20mm厚模拟方形仓壁（53）、模拟圆形仓壁（52）、仓底（54）、仓壁侧向加固环（55）、加固环连接轴（57）、加固环闭合扳手（51）和过滤排水阀门（56）组成；模拟方形仓壁（53）和模拟圆形仓壁（52）的材质分透明有机玻璃和铸铁两种，透明有机玻璃可以用来观测地基附加应力小于1.2MP条件下的土层变形行为，铸铁筒壁用于大于1.2MP应力环境的力学测试。
8.根据权利要求7所述的可控应力环境的桩土相互作用力学行为测试系统，其特征在于：
所述的锤击沉桩模拟单元由电动牵引加载装置（61）、三角形型钢支架（62）、吊索分离开关（63）、穿心锤击动力机构（64）、模拟桩（65）和模拟桩尖（66）组成；三角形型钢支架（62）通过上部沉桩力学模拟单元定位螺栓（44）固定在型钢加载反力框架上面，钢绞线作为吊索连接电动牵引加载装置（61）、三脚架顶部固定导向轮和吊索分离开关（63），在通过吊索分离开关（63）连接穿心锤击动力机构（64）。
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