CN107165204B - 一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，包括以下步骤：(1)选择试验桩的桩材、截面形状及试验桩帽；(2)确定试验桩尺寸；(3)选择试验土样，并确定土层厚度；(4)确定承压水的加载级别，选择对应供压箱高度；(5)供压箱和模型箱的连接；(6)分层铺设土层，埋设试验桩；(7)埋设位移计、孔隙水压力计和土压力计；(8)充水并测试水压；(9)安放试验桩帽，连接水平加载系统；(10)确定加载级别；(11)进行试验并同步数据采集；(12)单桩水平承载力特征值确定；(13)回收试验用水和土样，拆卸试验装置；(14)确定单桩水平承载力的特征值；(15)调整承压水的水头高度。本发明效果好、操作方便、工期短、费用低。

Description

一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法

技术领域

本发明涉及单桩水平承载特性的测试方法，特别是考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，主要适用于室内承压水作用下单桩水平承载特性方面的研究，属于桩基测试技术领域。

背景技术

桩基础已广泛应用于工业和民用建筑之中，成为一种重要的基础形式。由于高层及超高层建筑物越来越多，其桩基础也越来越深，特别是对于有承压水地层的区域，桩基础可能会进入或穿过承压水土层，由于承压水的影响，使得桩基承载性状不同于无承压水区域。为了获得桩土性状及单桩承载力的变化规律，常采用单桩现场承载试验进行研究，在现场试验中由于承压水层受试验场地区域边界影响难以控制承压水的水压和水量，造成现场实测试验数据的离散性大、效果差，难以获得与之相匹配的桩土承载性状规律，而且现场试验的周期长、费用高，通常一组(3根桩)有承压水作用下的单桩水平承载力试验需要几个月才能完成，且所需费用高达几十万甚至上百万。

发明内容

为了克服已有单桩水平承载特性测试方式的效果较差、操作不便、工期较长、费用高昂的不足，本发明提供一种效果好、操作方便、工期短、费用低的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试装置，包括模型箱、供压系统、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桩，所述模型箱设有进水孔和出水孔，所述进水孔位于承压透水土层的上部，所述进水孔与供压箱连通，所述出水孔位于所述承压透水土层的下部，所述出水孔安装泄压阀；所述水平加载系统包括试验桩帽、导向滑轮、牵引绳和砝码，所述试验桩帽安装在所述试验桩的顶面，所述试验桩帽与所述牵引绳的一端连接，所述牵引绳穿过所述导向滑轮，所述牵引绳的另一端与砝码连接，所述导向滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计、孔隙水压力计和土压力计，所述位移计位于试验桩帽上，所述孔隙水压力计位于承压透水土层内，所述土压力计位于承压水层上的箱内土体内，所述位移计、孔隙水压力计和土压力计与数据采集仪连接。

所述测试方法包括以下步骤：

(1)选择试验桩的桩材、截面形状及对应的试验桩帽；

(2)确定试验桩尺寸；

(3)选择试验土样作为模拟场地的箱内土体，并确定土层厚度；

(4)确定承压水的压力，选择对应供压箱高度；

(5)供压箱和模型箱的连接；

(6)分层铺设土层，埋设试验桩；

(7)埋设位移计、孔隙水压力计和土压力计；

(8)充水并测试水压；

(9)安放试验桩帽，连接水平加载系统；

(10)确定加载级别，实行分级加载；

(11)确定加载方式进行试验，并同步数据采集；

(12)单桩水平承载力特征值确定：当出现桩身断裂或者水平位移超过40mm或者水平位移急剧增加时终止试验，根据现行规范确定单桩的水平承载力特征值，并获得相应的水土土压力特性；

(13)回收试验用水和土样，拆卸试验装置；

(14)确定单桩水平承载力的特征值，重复步骤(5)～(13)，获得一组三根桩水平承载力的特征值，当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩水平承载力的特征值；

(15)调整承压水的水头高度，重复步骤(4)～(14)，获得不同承压水头条件下的单桩水平承载特性的变化规律。

进一步，所述步骤(13)中，试验结束后，按先去掉砝码、后回收试验用水，然后再回收土样的顺序进行。

再进一步，所述步骤(13)中，首先把加载的砝码去除，然后切断供水源，关闭进水阀门，打开泄水阀，回收试验用水，再按从上到下的土层顺序回收土样，并拆除测试装置。

更进一步，所述供压箱包括箱体、水位标尺线、密封条、水位升降阀和隔离膜，所述水位标尺线刻在箱体上，水位升降阀带动隔离膜在密封条内上下滑动；所述步骤(5)中，用塑料软管将供压箱与模型箱连接，再由水源向供压箱供水，检验水压可控性及管路的密闭性。

所述模型箱的内壁设有卡槽，止水条粘结在模型箱内；所述步骤(7)中，将预先开孔的土工膜穿过试验桩铺设在该土层内，并将其与箱内壁止水条进行热熔连接。

所述试验桩上安装应变片，在所述步骤(6)之前，在试验桩的侧面布置应变片，两侧对称设置。

本发明的有益效果主要表现在：(1)实现了地下承压水的模拟环境，且承压水的压力可调、可控。本装置采用供水源、供压箱、蓄压池、不透水土层、承压透水土层、土工膜等实现了地下承压水的模拟，而且通过水位升降阀来调整和控制地下承压水的水压高低。(2)实现了不同承压水压头作用下单桩水平承载力试验。有无地下承压水及水压高低都会对单桩水平承载性状有较大影响，采用本装置可实现不同承压水头作用下单桩水平承载特性研究。(3)加载系统稳定。本装置采用试验桩帽、牵引绳、导向滑轮、砝码等组成加载系统，可实现逐级稳定加载，避免了由液压或电机引起的加载过程中荷载不稳定的情况，实现了稳定加载。(4)效果好。由于现场地层及水文条件的复杂性，现场试验难以获得稳定承压水头，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。(5)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，通常一组(3根桩)承压水作用下的单桩水平承载力试验需要几个月才能完成，且所需费用高达几十万甚至上百万，而本装置试验费用低、工期短、操作方便，且可重复使用。

附图说明

图1是考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试装置的结构示意图。

图2是模型箱图。

图3是供压箱图。

图4是隔离膜图。

图5是供压箱剖面图。

图6是蓄压池图。

图7是过滤网与蓄压池的连接图。

图8是蓄压池与卡槽的连接图。

图9是试验桩帽图。

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9，一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，实现所述测试方法的装置包括模型箱、供压系统、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桩，所述模型箱设有进水孔和出水孔，所述进水孔位于承压透水土层的上部，所述进水孔与供压箱连通，所述出水孔位于所述承压透水土层的下部，所述出水孔安装泄压阀；所述水平加载系统包括试验桩帽、导向滑轮、牵引绳和砝码，所述试验桩帽安装在所述试验桩的顶面，所述试验桩帽与所述牵引绳的一端连接，所述牵引绳穿过所述导向滑轮，所述牵引绳的另一端与砝码连接，所述导向滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计、孔隙水压力计和土压力计，所述位移计位于试验桩帽上，所述孔隙水压力计位于承压透水土层内，所述土压力计位于承压水层上的箱内土体内，所述位移计、孔隙水压力计和土压力计与数据采集仪连接；

所述测试方法包括以下步骤：

(1)选择试验桩的桩材、截面形状及对应的试验桩帽；

(2)确定试验桩尺寸；

(3)选择试验土样作为模拟场地的箱内土体，并确定土层厚度；

(4)确定承压水的压力，选择对应供压箱高度；

(5)供压箱和模型箱的连接；

(6)分层铺设土层，埋设试验桩；

(7)埋设位移计、孔隙水压力计和土压力计；

(8)充水并测试水压；

(9)安放试验桩帽，连接水平加载系统；

(10)确定加载级别，实行分级加载；

(11)确定加载方式进行试验，并同步数据采集；

(12)单桩水平承载力特征值确定：当出现桩身断裂或者水平位移超过40mm或者水平位移急剧增加时终止试验，根据现行规范确定单桩的水平承载力特征值，并获得相应的水土土压力特性；

(13)回收试验用水和土样，拆卸试验装置；

(14)确定单桩水平承载力的特征值，重复步骤(5)～(13)，获得一组三根桩水平承载力的特征值，当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩水平承载力的特征值；

(15)调整承压水的水头高度，重复步骤(4)～(14)，获得不同承压水头条件下的单桩水平承载特性的变化规律。

进一步，所述步骤(13)中，试验结束后，按先去掉砝码、后回收试验用水，然后再回收土样的顺序进行。

再进一步，所述步骤(13)中，首先把加载的砝码去除，然后切断供水源，关闭进水阀门，打开泄水阀，回收试验用水，再按从上到下的土层顺序回收土样，并拆除测试装置。

更进一步，所述供压箱包括箱体、水位标尺线、密封条、水位升降阀和隔离膜，所述水位标尺线刻在箱体上，水位升降阀带动隔离膜在密封条内上下滑动；所述步骤(5)中，用塑料软管将供压箱与模型箱连接，再由供水源向供压箱提供水源，检验水压可控性及管路的密闭性。

所述模型箱的内壁设有卡槽，止水条粘结在模型箱内；所述步骤(7)中，将预先开孔的土工膜穿过试验桩铺设在该土层内，并将其与箱内壁止水条进行热熔连接。

所述试验桩上安装应变片，在所述步骤(6)之前，在试验桩的侧面布置应变片，两侧对称设置。

本实施例的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试装置，包括模型箱、供压系统、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1是由有机玻璃和型钢拼装而成，在内壁上附有4个卡槽和绕内壁一圈的止水条。所述模型箱的两侧分别开设4个水孔，进水侧水孔位于承压水层的上部，控制高压水的流入，出水侧水孔位于承压水层的下部，在模型箱出水孔外侧设有泄压阀，控制承压水的流出。所述供压箱由水位标尺线15、密封条16、水位升降阀17、隔离膜18组成。所述水位标尺线15刻在供压箱2上，水位升降阀17带动隔离膜18可以在密封条16内上下滑动。所述水平加载系统由试验桩帽11、牵引绳12、导向滑轮13、砝码14组成。所述试验桩帽11可以根据桩的截面形状进行选择。导向滑轮13在模型箱外侧桁架上，且高度可根据桩顶高度进行调整。牵引绳在导向滑轮上滑动，并将砝码和试验桩连接起来。所述数据采集系统及计算机控制系统包括LVDT位移传感器28、孔隙水压力计29、土压力计30、数据采集仪32、计算机控制系统33组成。

本实施例的测试装置包括模型箱1；供压箱2；蓄压池3；不透水土层41；承压透水土层42；不透水土层43；试验桩5；土工膜6；箱内壁止水条7；卡槽8；承压板9；压重堆载10；试验桩帽11；牵引绳12；导向滑轮13；砝码14；水位标尺线15；密封条16；水位升降阀17；隔离膜18；供水源19；进水阀20；塑料软管21；过滤网22；泄压阀23；溢水池24；收集池25；水压表26；磁力表座27；LVDT位移传感器28；孔隙水压力计29；土压力计30；应变片31；数据采集仪32；计算机控制系统33。

其中，模型箱1与供压箱2之间采用塑料软管21连接，蓄压池3与模型箱1采用卡槽8连接。卡槽8和箱内壁止水条7均粘接在模型1内壁，土工膜6与箱内壁止水条7热焊在一起。承压板9位于压重堆载10和不透水土层43之间。试验桩帽11安放在试验桩5的顶部，牵引绳12的一端连接在试验桩帽11上，另一端绕过导向滑轮13与砝码14连接。水位标尺线15刻在供压箱2的侧壁上，密封条16粘接在供压箱2上，水位升降阀17上位于密封条16的凹槽，隔离膜18粘接在水位升降阀17上。应变片31粘贴在桩身上。LVDT位移传感器28、孔隙水压力计29、土压力计30与数据采集仪32用数据线传输信号，再将数据转换传输给计算机控制系统33。

所述塑料软管将供压箱的出水孔与模型箱的进水孔相连。所述砝码由0.1kg、0.2kg、0.5kg、1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg共10种规格组成，根据测试的单桩水平承载力的大小来调整砝码数量及规格。所述桩帽可以根据桩的截面形状自行选择。隔离膜与箱内壁止水条进行可靠连接，可用热熔等方式进行连接。

本实施例中模型箱的箱体内部长宽高尺寸为1906×906×915mm，外部长宽高尺寸为2620×1050×1015mm；有机玻璃作为箱壁，型钢焊接组成框架；供压箱长宽高尺寸为500×500×1000mm；隔离膜采用0.5mm厚的HDEP防渗土工膜；过滤网采用双层尼龙网布。

本发明的实施步骤是：

1)选择试验用的桩材、截面形状及对应的桩帽。根据工程桩材及截面形状确定试验桩材及截面形状；由截面形状选择对应的试验桩帽。该实施例中工程桩的截面为封底的圆形钢桩，因此，试验桩也选用封底的圆形钢桩，选用的桩帽截面为圆形。

2)确定试验桩尺寸。根据工程桩长度与模型箱内可填土层的高度确定试验桩的长度；按照工程桩长径比确定试验桩的长径比，进而由试验桩的长度确定试验桩的直径。实施例中工程桩长度和直径分别为32m和0.8m。本次实验的缩放比例为40：1,可计算出试验桩的高度为0.8m，根据工程桩长径比为40：1可计算出试验桩的直径为0.02m。

3)选择试验土样。试验土样选择待测实际工程中的土样。根据实际工程桩深度范围内的土层从下到上分别为致密老黏土、砂土、淤泥质黏土，因此该实施例中不透水土层41、透水土层42、不透水土层43分别采用致密老黏土、砂土、淤泥质黏土。

4)确定土层厚度。土层厚度也由相同桩长比确定土层厚度。由工程桩与试验桩的桩长比40：1，由于致密老黏土、砂土、淤泥质黏土的厚度分别为5m、5m、20m，因此，可计算出该实施例中模型箱内的致密老黏土、砂土、淤泥质黏土的土层厚度分别为0.125m、0.125m、0.5m。

5)安装桩身应变片。为了获得水平荷载用下桩身应力变化规律，需要应变片进行测量，采用焊接或粘贴等方式在桩身侧面等间距布置应变片，并且在桩身两侧对称设置。实施例中，采用环氧树脂沿高度每隔0.3m粘贴一组应变片，且要求在桩身两侧对称设置，共布置3组6个应变片。

6)确定承压水的压力，选择对应供压箱高度。根据工程中实测承压水的水压力，按工程桩与试验桩的桩长比确定试验水压，并由承压水的压大小选择对应的供压箱高度，确保能提供足够的水压。实施例中，实际工程中承压水的水压为360kPa，由工程桩与试验桩的桩长比40：1可得承压水的水压为9kPa，分3级施加，初次为3kPa，之后每次增加梯度为3kPa。根据水压大小选择供压箱的高度为1m。

7)供压箱和模型箱的连接。根据承压水头安放供压箱的高度，然后关闭进水阀。用塑料软管将供压箱与模型箱连接，再由水源向供压箱送水，检验水压可控性及管路的密闭性。

8)分层铺设土层，埋设试验桩。先分层铺设桩端底部以下土层，当铺设到桩端位置时，将已装好应变片的桩体垂直放置在模型箱的中间位置，继续铺设桩侧土层，要求分层厚度不大于200mm，且采用承压板和压重堆载进行土样固结，直到变形稳定为止。实施例中先铺设老黏土，到桩端底部时放置试验桩，再铺设桩侧的老黏土、砂土和淤泥质黏土，且分层厚度不大于200mm，使用承压板和压重堆载进行土样固结，直到变形稳定后去除承压板和压重堆载。

9)埋设水、土压力及位移计，铺设隔离膜。在步骤(8)中的铺设承压透水层42(砂土)时要在本层土中放置二个孔隙水压力计，在不透水土层43(淤泥质黏土)中放置二个土压力计。孔隙水压力计和土压力计均要以桩轴线对称布置；当不透水土层43铺设到箱内壁止水条的高度时，将预先开孔的土工膜穿过试验桩铺设在该土层内，并将其与箱内壁止水条进行热熔连接。使用磁力表座将LVDT位移计固定在试验桩头处，监测水平位移。

10)充水并测试水压。关闭泄压阀，打开进水阀，让高压水流向承压水土层，根据水压力计来判断承压水土层水压力能否达到所需要的压力值以及试验过程中水压力的稳定。

11)安放桩帽，连接加载系统。将选用的桩帽套在试验桩上，用牵引绳将砝码盘和桩帽套接。实施例中选用圆形桩帽，用牵引绳将砝码盘和桩帽套接。

12)确定加载级别，实行分级加载。根据现行桩基规范初估桩基承载力，分级施加砝码进行加载，每次加载为预估值1/10。本实施例中，由现行桩基规范初估桩基承载力为4kN，按每级0.4kN进行，共分10级施加砝码。

13)确定加载方式进行试验，并同步数据采集。采用规范中的慢速维持荷载法进行加载，具体的加卸载分级、试验方法及稳定标准按现行规范进行。试验过程中数据采集仪要同步记录承压水的压力、桩的水平承载力、桩身应力、水压力、土压力等测试数据，并能自动绘出相应曲线图。

14)单桩水平承载力特征值确定。当出现桩身断裂或者水平位移超过40mm或者水平位移急剧增加时终止试验，根据现行规范确定单桩的水平承载力特征值，并获得相应的水土土压力特性。

15)回收试验用水和土样，拆卸试验装置。试验结束后，按先去掉砝码、后回收试验用水，然后再回收土样的顺序进行。首先把加载的砝码去除，然后切断供水源，关闭进水阀门，打开泄水阀，回收试验用水，再按从上到下的土层顺序回收土样，并拆除试验装置。

16)确定单桩水平承载力的特征值。重复上述步骤7)-15)，获得一组三根桩水平承载力的特征值，当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩水平承载力的特征值。

17)调整承压水的水头高度，重复上述步骤6)-16)，可获得不同承压水头条件下的单桩水平承载特性的变化规律。

Claims (5)

1.一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，其特征在于：实现所述测试方法的测试装置包括模型箱、供压系统、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桩，所述模型箱设有进水孔和出水孔，所述进水孔位于承压透水土层的上部，所述进水孔与供压箱连通，所述出水孔位于所述承压透水土层的下部，所述出水孔安装泄压阀；所述水平加载系统包括试验桩帽、导向滑轮、牵引绳和砝码，所述试验桩帽安装在所述试验桩的顶面，所述试验桩帽与所述牵引绳的一端连接，所述牵引绳穿过所述导向滑轮，所述牵引绳的另一端与砝码连接，所述导向滑轮安装在所述模型箱上；所述数据采集系统包括位移计、孔隙水压力计和土压力计，所述位移计位于试验桩帽上，所述孔隙水压力计位于承压透水土层内，所述土压力计位于承压水层上的箱内土体内，所述位移计、孔隙水压力计和土压力计与数据采集仪连接；所述模型箱与供压箱之间采用塑料软管连接，模型箱内设有蓄压池，蓄压池与模型箱采用卡槽连接，所述塑料软管一端与所述蓄压池连通；

所述测试方法包括以下步骤：

（1）选择试验桩的桩材、截面形状及对应的试验桩帽；

（2）确定试验桩尺寸；

（3）选择试验土样作为模拟场地的箱内土体，并确定土层厚度；

（4）确定承压水的压力，选择对应供压箱高度；

（5）供压箱和模型箱的连接；

（6）分层铺设土层，埋设试验桩：先分层铺设老黏土，到桩端底部位置时，将已装好应变片的桩体垂直放置在模型箱的中间位置，继续分层铺设桩侧老黏土、砂土和淤泥质黏土，要求分层厚度不大于200mm，且采用承压板和压重堆载进行土样固结，直到变形稳定后去除承压板和压重堆载；

（7）埋设位移计、孔隙水压力计和土压力计；

（8）充水并测试水压；

（9）安放试验桩帽，连接水平加载系统；

（10）确定加载级别，实行分级加载；

（11）确定加载方式进行试验，并同步数据采集；

（12）单桩水平承载力特征值确定：当出现桩身断裂或者水平位移超过40mm或者水平位移急剧增加时终止试验，根据现行规范确定单桩的水平承载力特征值，并获得相应的水土土压力特性；

（13）回收试验用水和土样，拆卸试验装置；

（14）确定单桩水平承载力的特征值，重复步骤（5）~（13），获得一组三根桩水平承载力的特征值，当三根桩极差不超过平均值的30%时，取其平均值作为单桩水平承载力的特征值；

（15）调整承压水的水头高度，重复步骤（4）~（14），获得不同承压水头条件下的单桩水平承载特性的变化规律；

所述供压箱包括箱体、水位标尺线、密封条、水位升降阀和隔离膜，所述水位标尺线刻在箱体上，所述密封条粘接在供压箱上，所述水位升降阀位于密封条的凹槽，所述隔离膜粘接在水位升降阀上，水位升降阀带动隔离膜在密封条内上下滑动；所述步骤（5）中，用塑料软管将供压箱与模型箱连接，再由水源向供压箱供水，检验水压可控性及管路的密闭性。

2.如权利要求1所述的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，其特征在于：所述步骤（13）中，试验结束后，按先去掉砝码、后回收试验用水，然后再回收土样的顺序进行。

3.如权利要求1所述的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，其特征在于：所述步骤（13）中，首先把加载的砝码去除，然后切断供水源，关闭进水阀门，打开泄水阀，回收试验用水，再按从上到下的土层顺序回收土样，并拆除测试装置。

4.如权利要求1~3之一所述的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，其特征在于：所述模型箱的内壁设有卡槽，止水条粘接在模型箱内；所述步骤（6）中，将预先开孔的土工膜穿过试验桩铺设在该分层铺设的土层内，并将其与箱内壁止水条进行热熔连接。

5.如权利要求1~3之一所述的考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法，其特征在于：所述试验桩上安装应变片，在所述步骤（6）之前，在试验桩的侧面布置应变片，两侧对称设置。

Images