CN107621410A - 一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置 - Google Patents

一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置 Download PDF

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徐韩强
方鹏飞
王忠瑾
赖欣
谢新宇
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Abstract

本发明提供了一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其包括:反力架;模型桶,固定于反力架上方,所述模型桶用于容置土样;模型桩,竖直穿过模型桶中部,所述模型桩外壁与模型桶内的土样接触;加载机构,设置在反力架上并与模型桩相连,所述加载机构用于对模型桩施加竖直方向的应力;恒温加热系统,与模型桩相连,所述恒温加热系统模拟地热能源桩加热方式对模型桩进行加热,再传热至土样,在桩土界面形成温度变化。本考虑温度作用的桩土界面试验模型装置适用于研究摩擦型桩在温度荷载下桩土界面特性变化。

Description

一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置
技术领域
[0001]本发明属于桩基工程技术领域,涉及一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装 置。
背景技术
[0002]地源热泵也称为地热热栗,它是以地源能作为热栗夏季制冷的冷却源、冬季供暖 的低温热源,同时可实现供暖、制冷和生活用水的一种系统。地源热泵空调系统的竖直埋管 地热换热器是在若干竖直钻孔中设置地下埋管的地埋管地热换热器。二十世纪八十年代, 工程师们尝试将换热管置于建筑物的桩基、基础底板以及地下连续墙等结构内用来替代传 统的地埋管换热器,不仅节省了场地而且大大地降低了地源热泵系统的造价。这种直接将 地源热栗系统地埋管换热器的塑料换热管埋设在建筑物的混凝土粧基中,使其与建筑结构 相结合的新型地埋管换热器,被称为桩基埋管地热换热器,也被称作地热能源桩。
[0003]在过去的二十年,地热能源桩的使用飞速发展,它被现在当作一个有效的能源来 源,相比传统能源,具有清洁而高效的优良特点,不会产生温室气体和有害物质,同时就地 取热能。
[0004]地热能源桩相比普通粧基础,除了上部建筑物的荷载,还另外受到了热荷载,影响 了桩基极限承载力和位移沉降,从而影响了上部建(构)筑物等强度及稳定性。因此,有必要 对桩基的力学性质进行深入分析,而桩体与桩周土体的力学响应,外在表现是桩-土接触面 的剪切特性。但国内外对此研究甚少,而且大多数为现场实验,周期长,可重复性低,成本 高。对此研究的室内试验十分少见,需要一个合适的模型装置,另外需要一个加热系统对其 模拟地热能源桩方式进行加热。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题,提出了一种适用于研宂摩擦型桩 在温度荷载下桩土界面特性变化的考虑温度作用的桩土界面试验模型装置。
[0006] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现:一种考虑温度作用的桩土界面试验模 型装置,包括:
[0007] 反力架;
[0008] 模型桶,固定于反力架上方,所述模型桶用于容置土样;
[0009]模型桩,竖直穿过模型桶中部,所述模型桩外壁与模型桶内的土样接触;
[0010]加载机构,设置在反力架上并与模型粧相连,所述加载机构用于对模型桩施加竖 直方向的应力;
[0011]恒温加热系统,与模型桩相连,所述恒温加热系统模拟地热能源粧加热方式对模 型桩进行加热,再传热至土样,在粧土界面形成温度变化。
[0012]作为本发明的进一步改进,所述加载机构设置为安装于反力架内的法向加载结 构,在加载机构顶部安置有压力传感器,所述模型桩穿过模型桶中心并安置在压力传感器 上。
[0013] 作为本发明的进一步改进,所述恒温加热系统包括加热池和置于加热池内的导热 液,所述导热液通过导热管与模型粧相连,在加热池内达到恒定温度,可对模型桩进行恒温 加热。
[0014] 作为本发明的更进一步改进,在模型粧内预埋有导热管,在加热池内还设有用于 将导热液泵入导热管的潜水栗,所述导热管连接潜水栗和模型桩并最终回到加热池,形成 回路。
[0015] 作为本发明的更进一步改进,在模型桩内预埋有至少一组U型导热管。
[0016] 作为本发明的更进一步改进,所述恒温加热系统还包括智能温控器、用于加热导 热液的电加热管、没入导热液内的测温探头,所述智能温控器分别与电加热管、测温探头电 气连接。
[0017] 作为本发明的进一步改进,所述模型桶下部通过固定器固定在反力架上,并在模 型桶上部盖设有上盖板。
[0018] 作为本发明的进一步改进,在模型桶外设置有温度传感器数据收集器,在土样内 预设高度处预埋有温度测头。
[0019]作为本发明的更进一步改进,所述温度测头设置为平行的多个,所述温度测头设 置在同一预设高度且各温度测头与模型桶的距离各异。
[0020]作为本发明的又一种改进,所述恒温加热系统可对模型桩进行反复升温降温。 [0021]基于上述技术方案,本发明实施例至少可以产生如下技术效果:本考虑温度作用 的桩土界面试验模型装置不仅包括模型桶、模型桩、加载机构,还设置了恒温加热系统,模 型粧穿过模型桶并安置在加载机构上,模型桶内分层填筑夯实土样,加载机构通过下部向 上施加压力,模型桩只能进行竖直方向的运动,粧身抵抗力全部为粧土界面摩擦力,模拟了 摩擦粧的受力方式,更接近于实际桩土界面状况,为应力控制式研究粧土摩擦特性;上述恒 温加热系统为全新土工试验加热形式,模拟地热能源桩加热原理对模型桩进行加热,热量 由模型粧传递到周围土样(土体),在模型桩与土的接触面形成指定温度变化,适用于研宄 摩擦型桩在温度荷载下粧土界面特性变化。
附图说明
[0022]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,其中:
[0023]图1是本发明一较佳实施例的结构示意图。
[0024]图2是本发明一较佳实施例另一视角的结构示意图。
[0025]图3是本发明一较佳实施例中恒温加热系统的结构示意图。
[0026]图中,10、反力架;20、模型桶;3〇、土样;40、模型桩;50、加载机构;60、恒温加热系 统;61、加热池;62、导热液;63、导热管;64、潜水泵;65、智能温控器;66、电加热管;67、测温 探头;7〇、压力传感器;80、位移百分表;9〇、固定器;1〇〇、上盖板;11〇、温度传感器数据收集 器;120、温度测头;130、下部底板。
具体实施方式
[0027]以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述, 但本发明并不限于这些实施例。
[0028]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷与缺失,寻求设计提供一种模型桩试 验装置,完全模拟桩土接触形式,并外置恒温加热系统,进行模拟地热能源桩受温度荷载作 用下粧土界面摩擦力的变化。
[0029]具体的,下面结合图1至图3对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
[0030]如图1至图3所示,本考虑温度作用的桩土界面试验模型装置包括:
[0031]反力架10,优选为下部固定反力架10,在反力架10下部连接有固定和安装用下部 底板130;
[0032]模型桶2〇,固定于反力架10上方,所述模型桶20用于容置土样30;
[0033]模型桩40,竖直穿过模型桶20中部,所述模型桩40外壁与模型桶20内的土样30接 触;
[0034]加载机构50,设置在反力架10上并与模型桩40相连,所述加载机构50用于对模型 桩40施加竖直方向的应力;
[0035]恒温加热系统㈤,与模型粧40相连,所述恒温加热系统60模拟地热能源粧加热方 式对模型桩40进行加热,再传热至土样30,在桩土界面形成温度变化。
[0036]在本发明中,上述模型桩40优选沿竖直方向(法向方向)先穿过模型桶20再穿过反 力架10的对应部位,最后模型桩40的下端与加载机构50对接,模型桩40上端与恒温加热系 统60对接;模型桶20中心预留预设直径圆孔,模型桩40直径略小于上述预设直径,避免与模 型桶20开口内壁摩擦,模型桶20内分层填筑夯实土样30,与模型桩40紧密接触,模型桩40下 部支撑在加载机构50上。
[0037]本发明保护一种模型装置,具体是一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置, 适用于有温度变化作用下,摩擦型粧体与土接触面力学特性的研究。
[0038]本考虑温度作用的桩土界面试验模型装置不仅包括模型桶20、模型桩40、加载机 构50,还设置了恒温加热系统60,模型粧40穿过模型桶20并安置在加载机构50上,模型桶20 内分层填筑夯实土样30,加载机构5〇通过下部向上施加压力,模型粧40只能进行竖直方向 的运动,粧身抵抗力全部为粧土界面摩擦力(即与土样30的摩擦力),模拟了摩擦桩的受力 方式,更接近于实际桩土界面状况,为应力控制式研究桩土摩擦特性;上述恒温加热系统60 为全新土工试验加热形式,模拟地热能源桩加热原理对模型桩40进行加热,热量由模型桩 40传递到周围土样30 (土体),在模型桩40与土的接触面形成指定温度变化,适用于研宄摩 擦型桩在温度荷载下桩土界面特性变化。
[0039]进一步的,加载机构50设置为通过固定结构安装于反力架1〇内的法向加载结构, 在加载机构50顶部安置有位于反力架10内的压力传感器70,所述模型桩40穿过模型桶20中 心并安置在压力传感器7〇上;并且,还优选设置有与加载机构50相连的位移百分表80,分别 实时测量加载力和位移。
[0040] 这样本发明能改变土石与粧体材料的法向应力(即上述竖直方向应力),研宄不同 法向应力下界面的剪切特性。
[0041] 作为一种优选或可选的实施方式,恒温加热系统60包括加热池61和置于加热池61 内的导热液62,所述导热液62通过导热管63与模型桩40相连,在加热池61内达到恒定温度, 可对模型桩40进行恒温加热,保证加热过程的稳定性,进而可靠研宄升温作用下桩土界面 剪切特性的变化。
[0042] 进一步的,在模型桩40内预埋有导热管63,在加热池61内还设有用于将导热液62 泵入导热管63的潜水栗64,所述导热管63连接潜水栗64和模型桩40并最终回到加热池61, 形成回路,工作时,对模型桩40进行加热并传递到土样30中。
[0043] 上述导热管63优选距离模型桩40边缘8-12mra(进一步优选为10mm)。潜水泵64与导 热管63连接,在加热到恒定温度后,恒温的导热液62经由导热管63进入模型桩40内部再流 出,对模型粧40进行加热,使模型桩40达到恒定温度,并通过热传递,对土样30进行加热,在 模型粧40与土 (石)的接触面形成设定温差。
[0044] 优选地,在模型粧40内预埋有至少一组U型导热管63,其弯折处可为直角或者圆 角,进一步优选预埋在模型粧40内的导热管63设置为依次均匀排布的三组;这样的结构设 置,使得模型桩40加热更加高效、稳定,保证工作的可靠性。
[0045] 更进一步的,上述恒温加热系统60还包括智能温控器65、用于加热导热液62的电 加热管66、没入导热液62内的测温探头67,所述智能温控器65分别与电加热管66、测温探头 67电气连接。
[0046] 将潜水泵64、电加热管66、导热液62和测温探头67置于加热池61中,测温探头67对 加热池61内导热液62进行温度测量,测温探头67信号输出与智能温控器65的信号接收端连 接,当加热池61内导热液62温度达到设定值时,智能温控器65控制电加热管66停止工作。 [0047] 本发明利用智能温控器65和测温探头67,能够调节加热池61内导热液62温度,恒 温对模型桩40进行加热。
[0048]作为优选,模型桶20下部通过固定器90固定在反力架10上,并在模型桶20上部盖 设有上盖板100;安装时,上盖板100盖住土样30,模型桩40穿过上盖板100并伸入土样30。 [0049] 为保证温度检测的可靠性以及试验的准确性,优选地,在模型桶20外设置有温度 传感器数据收集器110,在土样30内预设高度处预埋有温度测头120;进一步的,温度测头 120设置为平行的多个,温度测头120设置在同一预设高度且各温度测头120与模型桶20的 距离各异。
[0050] 优选在土样30预设高度处埋设五组温度测头120,五组温度测头120与模型桩40距 离分别优选为递增的五个预设数值,在土样30高度为预设高度时盖上模型桶20上盖板100。 [0051] 本发明还提供另外一种实施例如下:利用恒温加热系统60对模型桩40进行长时间 的反复升温降温,即循环温度荷载,研宄桩土作用界面在循环温度荷载作用下的力学特性 变化,通过温度的循环升降,研究长期温度作用下对界面剪切性能的影响。
[0052]综上所述,在本发明中,模型桶20放置在下部固定反力架10上,使用固定器90固 定;将加载机构50固定在下部固定反力架10,加载机构50上放置压力传感器70,模型桩40穿 过模型桶20中心安置在压力传感器70上;模型桩40在制作时内部埋设多组U型导热管63,导 热管63与桩边缘之间有预设距离;在模型桶20内分层填筑夯实土样30,在土样30预设高度 处埋设多组温度测头12〇,由内至外,温度测头120与模型桩40距离递增;土样30高度为预设 合盖高度时盖上模型桶20的上盖板100。
[0053] 潜水栗64、电加热管66、导热液62和测温探头67置于加热池61中,测温探头67对导 热液62进行温度测量,输出信号与智能温控器65的信号接收端连接,当加热池61内导热液 62达到设定值时,智能温控器65控制电加热管66停止工作,导热管63连接潜水泵64和模型 桩40,最后回到加热池61,形成回路,对模型桩40进行加热,并传递到土样30中。
[0054]实验时先不施加温度荷载,对模型桩40进行循环竖向加载,记录位移与加载力数 据,然后停止循环加载,开启恒温加热系统60,对模型桩40进行预设时间的加热,记录温度 传感器数据收集器110收集的每时刻桩周土不同距离的温度,然后再对模型桩40继续进行 循环竖向加载,得到温度荷载对摩擦力特性影响情况。
[0055]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1. 一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:包括: 反力架; 模型桶,固定于反力架上方,所述模型桶用于容置土样; 模型桩,竖直穿过模型桶中部,所述模型粧外壁与模型桶内的土样接触; 加载机构,设置在反力架上并与模型桩相连,所述加载机构用于对模型桩施加竖直方 向的应力; 恒温加热系统,与模型桩相连,所述恒温加热系统模拟地热能源桩加热方式对模型粧 进行加热,再传热至土样,在桩土界面形成温度变化。
2.根据权利要求1所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:所 述加载机构设置为安装于反力架内的法向加载结构,在加载机构顶部安置有压力传感器, 所述模型桩穿过模型桶中心并安置在压力传感器上。
3.根据权利要求1所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:所 述恒温加热系统包括加热池和置于加热池内的导热液,所述导热液通过导热管与模型粧相 连,在加热池内达到恒定温度,可对模型粧进行恒温加热。
4.根据权利要求3所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:在 模型桩内预埋有导热管,在加热池内还设有用于将导热液泵入导热管的潜水泵,所述导热 管连接潜水泵和模型桩并最终回到加热池,形成回路。
5.根据权利要求4所述的一种考虑温度作用的粧土界面试验模型装置,其特征在于:在 模型粧内预埋有至少一组U型导热管。
6.根据权利要求3所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:所 述恒温加热系统还包括智能温控器、用于加热导热液的电加热管、没入导热液内的测温探 头,所述智能温控器分别与电加热管、测温探头电气连接。
7. 根据权利要求1所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:所 述模型桶下部通过固定器固定在反力架上,并在模型桶上部盖设有上盖板。
8. 根据权利要求1所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:在 模型桶外设置有温度传感器数据收集器,在土样内预设高度处预埋有温度测头。
9. 根据权利要求8所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其特征在于:所 述温度测头设置为平行的多个,所述温度测头设置在同一预设高度且各温度测头与模型桶 的距离各异。
10. 根据权利要求1至9任一项所述的一种考虑温度作用的桩土界面试验模型装置,其 特征在于:所述恒温加热系统可对模型桩进行反复升温降温。
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