CN107178102A - 穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法，涉及桩基础制作技术领域；包括试验箱、荷载控制模块、数据采集模块、基桩模型、溶洞模型和分析显示模块；基桩模型和溶洞模型都设置在试验箱中，并通过地层模型固定；试验箱内侧覆盖光滑膜；基桩模型顶部设有速度加载装置和位移检测装置，速度加载装置与荷载控制模块相连；位移检测装置与数据采集模块相连；基桩模型表面设有若干个应变片，应变片与数据采集模块相连；溶洞模型内设有加热装置；数据采集模块和荷载控制模块都与分析显示模块相连；可实现位移数据、应力‑应变数据的同步采集，应用范围广泛，可为研究穿越溶洞型基桩极限承载力提供必备的试验条件。

Description

穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及桩基础制作技术领域。

背景技术

我国碳酸盐地层分布范围达346万km2，约占国土面积1/3，大部分区域地质构造复杂，岩溶现象十分频繁，为地下溶洞形成提供了充分的条件。桩基础具有荷载传递能力强的特点，能够有效降低基础的不均匀沉降，在一定程度上可以减小溶洞对基础的不利影响，因此，桩基础已被广泛应用于岩溶地区的工程建设中。当溶洞顶板的厚度不符合上部荷载的设计要求，基桩底部的作用力可使溶洞顶板发生坍塌，基桩需要穿过溶洞并嵌入到溶洞底板一定深度范围以提高基桩极限承载力，此即为穿越溶洞型基桩。在桩顶竖向荷载作用下，基桩压缩位移产生的向下拖拽力可使溶洞顶板的岩体处于受拉状态，当张拉应力超过其抗拉强度时，则岩体将发生张拉破坏，使桩身侧摩阻力的受力面积降低，另外，张拉破坏区使溶洞顶板以上岩土体所受的支承作用进一步降低，不利于桩身侧摩阻力的发挥。目前尚无计算此类基桩极限承载力的成熟方法，在具体的工程实践中，通常借鉴嵌岩桩的相关计算方法进行极限承载力设计，即只考虑穿越溶洞型基桩嵌岩段的桩端承载力，忽略溶洞顶板以上岩土体对桩身的侧摩阻力。显然，此种计算方法得到的结果是偏保守的。

当前对穿越溶洞型基桩的承载特性研究成果尚少，对此类基桩的受力变形规律和失稳破坏机理的研究尚处于起步阶段，已有的研究成果尚未揭示溶洞顶板张拉破坏区域的机理及其与跨径、桩径等因素之间的关系，且尚未阐明溶洞以上地层侧摩阻力损失的规律和机制，因此，发明一种穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法对于研究其失稳破坏模式与机制，并提出穿越溶洞型基桩的极限承载力计算方法，丰富岩溶地区基桩极限承载力的设计理论，具有重大的理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法，实验装置及试验方法简单，能将溶洞顶板以上岩土体对桩身的侧摩阻力加入到极限承载力分析中，可实现位移数据、应力-应变数据和变形破坏过程的同步采集，应用范围广泛，可为研究穿越溶洞型基桩极限承载力提供必备的试验条件。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：包括试验箱、荷载控制模块、数据采集模块、基桩模型、溶洞模型和分析显示模块；

所述基桩模型和溶洞模型都设置在试验箱中，并通过试验箱中填充的地层模型固定于所述试验箱内；

所述试验箱内侧的四个侧面和底面覆盖光滑膜；

所述基桩模型顶部设有速度加载装置，速度加载装置与所述荷载控制模块相连；

所述基桩模型顶部设有位移检测装置，位移检测装置与数据采集模块相连；

所述基桩模型表面设有若干个应变片，应变片与数据采集模块相连；

所述溶洞模型内设有加热装置；

所述数据采集模块和荷载控制模块都与分析显示模块相连。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明结构简单，试验方法容易操作，能将溶洞顶板以上岩土体对桩身的侧摩阻力加入到极限承载力分析中，通过位移传感器和应变片，并通过数据采集模块，可实现位移数据、应力-应变数据和变形破坏过程实现同步采集，应用范围广泛；可用于研究穿越溶洞型基桩的失稳破坏模式和机制，并建立其极限承载力计算方法。

可实现不同基桩直径、高度和桩身强度的试验，亦可实现不同溶洞形状、大小以及与基桩相对位置的溶洞模拟。通过高速摄像机亦可实现“基桩-溶洞-地层”系统变形破坏过程的直观监测。总之，该试验系统及对应的试验方法可为研究穿越溶洞型基桩极限承载力提供必备的试验条件。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是图1中试验箱的结构示意图；

图3是2中试验箱的底板的结构示意图；

图4是2中试验箱的槽型壁板的结构示意图；

图5是图1中基桩模型和溶洞模型的结构示意图。

图中：1、试验箱；2、荷载控制模块；3、数据采集器；4、高速摄像机；5、分析显示模块；6、基桩模型；7、溶洞模型；8、透明面板；9、槽型壁板；10、底板；11、圆孔；12、插孔；13、凹槽；14、滑槽；15、插销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图5所示，为本发明一种穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统及试验方法的一个实施例，包括试验箱1、荷载控制模块2、数据采集模块、基桩模型6、溶洞模型7和分析显示模块5。

所述基桩模型6和溶洞模型7都设置在试验箱1中，并通过试验箱1中填充的地层模型固定；试验箱1用于装地层、基桩模型6和溶洞模型7，为模拟实验提供必要的模型及模拟环境。

所述试验箱1内侧的四个侧面和底面覆盖光滑膜，用于降低表面摩擦力；

所述基桩模型6顶部设有速度加载装置，速度加载装置与所述荷载控制模块2相连，用于对桩顶施加分级分级荷载；通过速度加载装置给基桩模型6顶部施加一个稳定的竖直向下速度，推动基桩模型6压缩变形，通过位移控制基桩模型6实现的分级荷载。

所述基桩模型6顶部设有位移检测装置，位移检测装置与数据采集模块相连，用于获取基桩模型6桩顶的位移数据；

所述基桩模型6表面设有若干个应变片，若干个应变片按照一定间距设置；应变片与数据采集模块相连，用于获取桩身的应力-应变数据；通过给桩顶施加稳定速度，进而使得基桩模型6受到应力作用，进而检测应力、应变数据；设置若干个应变片可以检测不同位置的应变，使结果更准确。

所述溶洞模型7内设有加热装置，用于对溶洞模型7进行加热；通过加热装置使溶洞模型7融化，形成溶洞，进而进行实验。

所述数据采集模块和荷载控制模块2都与分析显示模块5相连，通过分析显示装置能显示分析并存储所提取的位移量、应力、应变量等数据。

本系统能将溶洞顶板以上岩土体对桩身的侧摩阻力加入到极限承载力分析中，可实现位移数据、应力-应变数据和变形破坏过程的同步采集，应用范围广泛，可为研究穿越溶洞型基桩极限承载力提供必备的试验条件。

数据采集模块包括数据采集器3和高速摄像机4；

所述数据采集器3和高速摄像机4都与分析显示模块5相连，用于实现应变、位移数据和图像数据的自动传输和存储，且高速摄像机4与透明面板8相对设置；

所述数据采集器3与位移检测装置和应变片相连。

高速摄像机4为超高速摄像机4，能准确清楚的观测到“溶洞-基桩-底层”系统的变形破坏过程。

数据采集器3和高速摄像机4都与分析显示模块5相连，实现加载数据、应变、位移数据和图像数据的自动传输和存储。

如图2-4所示，试验箱1由透明面板8、至少一节槽型壁板9和底板10组成；每节槽型壁板9的上部设有插孔12，下部设有与插孔12相配合插销15；槽型壁板9前端内侧有上、下贯通且能容纳透明面板侧边缘的滑槽14；底板10设有与插销15相配合的插孔12和用于容纳透明面板8底边缘的凹槽13；透明面板8中间沿竖直方向布设若干个圆孔11，透明面板8的高度与槽型壁板9的高度相同。至少一节槽型壁板9可以是几个槽型壁板9，几个槽型壁板9一次堆叠，上层的槽型壁板9上的插销15插入下层的槽型壁板9上的差空中，依次向上，达到所需试验箱1的高度，本结构可拆装，能根据需要变换高度，且拆装简单，使用方便。透明面板8安装在滑槽14中，容易取放；透明面板8中间沿竖直方向布设若干个圆孔11，圆孔11的作用是为了使融化后的溶洞模型7从圆孔11中流出。

基桩模型6是为半圆柱体，基桩模型6的直立平面紧贴透明面板8；溶洞模型7是采用石蜡预制的实体模型，溶洞模型7附着在基桩模型6的表面，可根据需要用相似材料制作不同直径、不同高度、不同桩身强度的基桩模型6；另可根据需要用石蜡制作大小、形状，以及与基桩模型6的相对位置不同的溶洞实体模型7，在制作过程中将电加热器埋入石蜡中。

分析显示模块5为电脑。

光滑膜为热缩膜，也可以涂一层光滑的涂层。

位移检测装置为位移传感器，位移传感器是常用的测量位移的装置，容易操作，且容易获得。

透明面板8为有机玻璃面板，也可以是塑料透明面板8，或者是其他硬质的透明面板8。

加热装置为电加热器，加热装置用于对溶洞模型7进行加热，最后将溶洞模型7融化制得溶洞，电加热器是日常生活中常用的，容易取得，也可以是其他形式的加热装置。

穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统的试验方法，其特征在于实验步骤为：

a、根据试验箱1的设计高度分节连接槽型壁板9，使上层槽型壁板9连接在下层槽型壁板9上，并使槽型壁板9与底板10连接，达到试验箱1所需高度；然后把透明面板8分节安装至槽型壁板9上，并在试验箱1内侧的四个侧面和底面覆盖热缩膜；

b、根据相似比确定基桩的直径、高度和强度并配置相似材料，采用模铸预制半圆柱体基桩模型6；然后，根据溶洞的大小、形状以及与基桩模型6的相对位置，用石蜡制作溶洞模型7，并附着在基桩模型6的表面，在制作溶洞模型7的过程中，预先在石蜡中埋入电加热器；

c、根据岩溶地层的相似比配置好模拟地层的相似材料并制作地层模型，将其填充至试验箱1中，填充时采用分层填筑法，并压实磨平，待填充至基桩模型6底部的标高时，安装半圆柱体基桩模型6和溶洞模型7；安装完毕后，继续填充地层模型，在分层填筑压实过程中，每隔指定距离在基桩模型6表面黏贴应变片，直至完成整个地层模型的填筑，同时，把应变片的数据线和电加热器的导线从试验箱1的顶部引出；

d、保持溶洞模型7所处位置所对应的透明面板8上的圆孔11通畅，接通电加热器电源，使石蜡实体模型的溶洞模型7融化成液体，并从圆孔11渗出，在自重作用下未完全渗出的液体石蜡，采用注射器抽取完毕；

e、在基桩模型6顶部安装速度加载装置，并将其与荷载控制模块2相连，同时，在桩顶安装竖向位移传感器，将位移传感器和应变片的数据线与数据采集器3相连；另外，将高速摄像机4架设在透明面板8正前方，并将其与电脑相连，最后，将数据采集其器和荷载控制模块2与电脑相连，实现试验装置的最终连接。

f、启动荷载控制模块2，对桩顶进行分级加载，用数据采集器3获取加载过程桩顶位移曲线和桩身应力-应变曲线，同时，利用高速摄像机4透过透明面板8观测基桩模型6、溶洞模型7和地层模型的变形破坏过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于：包括试验箱（1）、荷载控制模块（2）、数据采集模块、基桩模型（6）、溶洞模型（7）和分析显示模块（5）；

所述基桩模型（6）和溶洞模型（7）都设置在试验箱（1）中，并通过试验箱（1）中填充的地层模型固定于所述试验箱内；

所述试验箱（1）内侧的四个侧面和底面覆盖光滑膜；

所述基桩模型（6）顶部设有速度加载装置，速度加载装置与所述荷载控制模块（2）相连；

所述基桩模型（6）顶部设有位移检测装置，位移检测装置与数据采集模块相连；

所述基桩模型（6）表面设有若干个应变片，应变片与数据采集模块相连；

所述溶洞模型（7）内设有加热装置；

所述数据采集模块和荷载控制模块（2）都与分析显示模块（5）相连。

2.根据权利要求１所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述试验箱（1）由透明面板（8）、至少一节槽型壁板（9）和底板（10）组成；每节槽型壁板（9）的上部设有插孔（12），下部设有与插孔（12）相配合插销（15）；槽型壁板（9）前端内侧有上、下贯通且能容纳所述透明面板侧边缘的滑槽（14）；底板（10）设有与插销（15）相配合的插孔（12）和用于容纳透明面板（8）底边缘的凹槽（13）；透明面板（8）上设若干个圆孔（11），透明面板（8）的高度与槽型壁板（9）的高度相同。

3.根据权利要求１所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述数据采集模块包括数据采集器（3）和高速摄像机（4）；

所述数据采集器（3）和高速摄像机（4）都与分析显示模块（5）相连，且高速摄像机（4）与透明面板（8）相对设置；

所述数据采集器（3）与位移检测装置和应变片相连。

4.根据权利要求1所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述基桩模型（6）为半圆柱体，基桩模型（6）的直立平面紧贴透明面板（8）；溶洞模型（7）为石蜡预制的实体模型，溶洞模型（7）附着在基桩模型（6）的表面。

5.根据权利要求１所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述分析显示模块（5）为电脑。

6.根据权利要求1所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述光滑膜为热缩膜。

7.根据权利要求１所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述位移检测装置为位移传感器。

8.根据权利要求2所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述透明面板（8）为有机玻璃面板。

9.根据权利要求１所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统，其特征在于，所述加热装置为电加热器。

10.根据权利要求１-9任意一项所述的穿越溶洞型基桩极限承载力模型试验系统的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

a、分节连接槽型壁板（9），使上层槽型壁板（9）拼接至指定高度，并使槽型壁板（9）与底板（10）连接；把透明面板（8）分节安装至槽型壁板（9）上，并在试验箱（1）内侧的四个侧面和底面覆盖热缩膜；

b、根据相似比确定基桩的直径、高度和强度并配置相似材料，采用模铸预制半圆柱体基桩模型（6）；根据溶洞的大小、形状以及与基桩模型（6）的相对位置，用石蜡制作溶洞模型（7），并附着在基桩模型（6）的表面，在制作溶洞模型（7）的过程中，预先在石蜡中埋入电加热器；

c、根据岩溶地层的相似比配置好模拟地层的相似材料并制作地层模型，将地层模型填充至试验箱（1）中，填充时采用分层填筑法，并压实磨平，待填充至基桩模型（6）底部的标高时，安装半圆柱体基桩模型（6）和溶洞模型（7）；安装完毕后，继续填充地层模型，在分层填筑压实过程中，间隔指定距离在基桩模型（6）表面黏贴应变片，直至完成整个地层模型的填筑，把应变片的数据线和电加热器的导线从试验箱（1）的顶部引出；

d、保持溶洞模型（7）所处位置所对应的透明面板（8）上的圆孔（11）通畅，接通电加热器电源，使石蜡实体模型的溶洞模型（7）融化成液体，并从圆孔（11）渗出，使用注射器抽取在自重作用下未完全渗出的液体石蜡；

e、在基桩模型（6）顶部安装速度加载装置，并将其与荷载控制模块（2）相连，在桩顶安装竖向位移传感器，将位移传感器和应变片的数据线与数据采集器（3）相连；将高速摄像机（4）架设在透明面板（8）正前方，并将高速摄像机（4）与电脑相连，最后，将数据采集其器和荷载控制模块（2）与电脑相连；

f、启动荷载控制模块（2），对桩顶进行分级加载，用数据采集器（3）获取加载过程桩顶位移曲线和桩身应力-应变曲线，利用高速摄像机（4）透过透明面板（8）观测基桩模型（6）、溶洞模型（7）和地层模型的变形破坏过程。