CN108166538A - 穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其包括模型试验箱、竖向加载装置、数据采集装置、显示控制装置，以及基桩模型、溶洞模型和溶剂循环装置。本发明还涉及一种基于该穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验方法。本发明的试验系统结构简单，试验方法容易操作，能考虑串珠状溶洞对桩身承载力的影响，可实现桩顶荷载数据、位移数据、应力‑应变数据和变形破坏过程的同步采集，而能够保证试验具有很好的可参考性。

Description

穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统及试验 方法

技术领域

本发明属于桩基础工程技术领域，尤其涉及一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，同时，本发明也涉及有基于该穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统的试验方法。

背景技术

随着我国基础建设的飞速发展，在岩溶地区的施工也越来越多，桩基础因能适应各类地质条件、工程条件以及荷载情况，因此，桩基已被广泛应用于岩溶地区工程中。在岩溶地区进行桩基建设面临的主要问题为桩基承载力问题。当前我国规范对岩溶地区桩基承载力设计主要基于桩基到溶洞的安全距离，以及端阻力和摩阻力的折减两个方面的考虑。在岩溶发育地区进行基桩模型施工，经常遇到基桩模型穿越上下间隔分布的多层溶洞、也即串珠状溶洞的情况，目前尚无计算此类基桩模型极限承载力的方法，通常参考嵌岩桩的方法进行竖向承载力计算，即忽略桩身的侧摩阻力、只考虑桩端的端承力。

当前对穿越串珠状溶洞基桩模型极限承载力的研究极少，尚未发现关于此问题的模型试验研究，因此，发明一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统及方法对于研究其失稳破坏模式，进而提出极限承载力的计算方法，具有重大的理论价值和工程实践意义。

发明内容

针对以上描述，本发明的目的在于提供一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，以可实现基桩模型桩顶荷载和位移数据、桩身应力-应变数据、基桩模型和溶洞变形破坏过程的同步采集，且应用范围广泛，而可为研究穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力提供必备的试验条件。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其包括模型试验箱、竖向加载装置、数据采集装置、显示控制装置，以及基桩模型、溶洞模型和溶剂循环装置；

所述模型试验箱包括外框架，以及装设于外框架内的至少有一侧为透明状的箱体，并在外框架的顶部固定设置有反力横梁，所述基桩模型和溶洞模型位于所述箱体内，且在所述箱体内填充有固定所述基桩模型模块与溶洞模型的地层模型；

所述基桩模型的一侧贴设于所述箱体为透明状的一侧的内壁上，所述溶洞模型附着于基桩模型上，且所述溶洞模块为沿基桩模型长度方向间隔布置的多个，于各所述溶洞模型内设置有两端连通至所述箱体外的溶剂管，并在所述溶剂管上设有贯通至所述溶剂模型内的连通孔；

所述竖向加载装置位于所述基桩模型的顶部和所述反力横梁之间，且在所述基桩模型的顶部套装有桩帽；

所述数据采集装置包括位于所述桩帽顶部的位移检测模块，贴设于所述基桩模型表面的应变片，以及正对于所述基桩模型布置在所述箱体外的图像采集模块；

所述显示控制装置与所述数据采集装置和所述竖向加载装置连接；

所述溶剂循环装置与各所述溶洞模型中设置的所述溶剂管相连。

作为对上述方式的限定，所述箱体由上下拼接于一起的多个透明框体构成，于各所述透明框体的一侧设置有供所述溶剂管的两端伸出箱体外的通孔。

作为对上述方式的限定，所述透明框体由有机玻璃制成。

作为对上述方式的限定，所述基桩模型的截面为半圆形，所述基桩模型呈平面状的一侧贴设于所述箱体的内壁上，所述溶洞模型附着在所述基桩模型呈曲面状的一侧。

作为对上述方式的限定，所述溶洞模型由易溶于水的卤盐预制而成。

作为对上述方式的限定，于所述溶洞模型的外表面包裹有热缩膜。

作为对上述方式的限定，于所述箱体的内壁上覆盖有热缩膜。

作为对上述方式的限定，所述位移检测模块为光栅传感器，所述图像采集模块为高速摄像机，所述显示控制装置为计算机。

作为对上述方式的限定，所述溶剂循环装置包括溶剂储箱和循环泵，所述溶剂管的一端连接于循环泵的出口，另一端连通至溶剂储箱。

同时，本发明也提供了基于上述试验系统的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验方法，且该方法包括如下的步骤：

步骤a、组装模型试验箱；

步骤b、根据相似比确定基桩模型直径、高度及强度，配制基桩模型相似材料，并预制基桩模型；根据溶洞模型的几何相似比，预制多个内设有溶剂管的溶洞模型，并将各溶剂模型沿基桩模型长度方向间隔附着于基桩模型上；

步骤c、根据地层相似比，配置地层相似材料，并分层向所述箱体中填充；待地层相似材料填充至基桩模型底部标高时，将基桩模型和溶洞模型置于箱体内，且使溶剂管的两端与箱体外连通；再填充地层相似材料至设计标高，以形成地层模型，并在地层相似材料填充过程中，于基桩模型表面安装应变片；

步骤d、于基桩模型顶部套装桩帽，在桩帽与反力横梁之间装设竖向加载装置，且于桩帽顶部设置位移检测模块，使图像采集模块正对基桩模型布置在箱体的一侧，并将所述位移检测模块、应变片、图像采集模块和显示控制装置连接；

步骤e、将各溶剂管与溶剂循环装置连接，启动溶剂循环装置，使溶剂进入溶洞模型，以溶解溶洞模型而形成溶洞；

步骤f、启动竖向加载装置，对基桩模型进行分级加载，采集并记录加载过程中基桩模型顶部位移曲线和基桩模型桩身应力-应变曲线，并通过图像采集模块以观察基桩模型模块、溶洞模块和地层模型的变形破坏过程。

本发明的优点在于：

本发明的试验系统结构简单，试验方法容易操作，能考虑串珠状溶洞对桩身承载力的影响，可实现桩顶荷载数据、位移数据、应力-应变数据和变形破坏过程的同步采集，而能够保证试验具有很好的可参考性。

同时，本发明中可模拟多层溶洞的形成过程，可实现不同溶洞形状、大小、溶洞层数的模拟，同时亦可实现不同基桩模型直径、桩身强度的模拟，其应用范围广泛，从而能够为研究穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力提供必要的技术支撑。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统的结构简图（图中示意出了构件间的连接关系）；

图2为本发明具体实施方式中模型试验箱的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中透明框体的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中基桩模型与溶洞模型的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中溶剂管的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“背”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，以用于对穿越串珠状溶洞的基桩模型的极限承载力进行模型试验，该试验系统的一种示例性结构如图1中所示出的，且该试验系统整体构成上包括模型试验箱1、基桩模型2、溶洞模型3、竖向加载装置4，以及数据采集装置、显示控制装置10和溶剂循环装置11。

其中，模型试验箱1包括外框架101，以及装设于该外框架101内的箱体102，并在外框架101的顶部固定设置有反力横梁12。基桩模型2和溶洞模型3即位于箱体102内，且在箱体102内还填充有固定该基桩模型模块2与溶洞模型3的地层模型。

具体结构上，如图2和图3中所示的，外框架101为由角钢焊接而成的截面呈矩形的框架式结构，箱体102则由上下拼接于一起的多个透明框体1021构成，且透明框体1021可采用有机玻璃制成。在透明框体1021的一侧也设置有通孔1022，该通孔1022即用于下文所述的设置于溶洞模型3内的溶剂管的两端伸出于箱体外，且位于外框架101顶部的反力横梁12也为靠近于箱体102具有该通孔1022的一侧端面处布置。

本实施例中，基桩模型2的截面为半圆形，且基桩模型2呈平面状的一侧贴设在箱体102具有通孔1022的一侧内壁上。溶洞模型3则附着在基桩模型2呈曲面状的一侧，且如图4所示的，溶洞模块3具体也为沿基桩模型2长度方向间隔布置的多个（本实施例示例出3个），以与串珠状溶洞结构相匹配。在各溶洞模型3内也设置有两端经由通孔1022连通至箱体102外的溶剂管13，溶剂管13具体如图5中所示，其为“U”形管，并在其上设置有多个使溶剂管13与溶剂模型3内贯通的连通孔1301。

本实施例中需要说明的是，除了使箱体102由整体呈透明状的透明框体1021构成，当然也可使得箱体102仅为具有通孔1021的一侧为透明状，而其它侧仍为不透明的。此外，为降低箱体102内壁表面摩擦力，在各透明框体1021拼接构成的箱体102的内壁上还覆盖有热缩膜。

本实施例的基桩模型2为根据相似比确定模型直径、高度及强度后，经配制基桩模型相似材料，并由铸模预制成型。而溶洞模型3则为由易溶于水的卤盐预制而成，预制成型时需在溶洞模型3内埋设溶剂管13，在溶洞模型3成型后也于其外表面包裹热缩膜，以通过热缩膜使得溶洞模型3紧紧附着在基桩模型2上。

本实施例的竖向加载装置4具体位于基桩模型2的顶部和反力横梁12之间，为防止基桩模型2的顶部发生局部压缩变形，在基桩模型2的顶部还套装有桩帽6。桩帽6可采用硬质金属制成，竖向加载装置4即与该桩帽6抵接，且该竖向加载装置4具体可为液压缸。

本实施例中数据采集装置具体包括位于桩帽6顶部的位移检测模块5，贴设于基桩模型2表面的应变片7，以及正对于基桩模型2而布置在箱体102外的图像采集模块9。其中，应变片7也为沿基桩模块2长度方向分布的多个，位移检测模块5具体可为光栅传感器，图像采集模块9为高速摄像机，而前述的显示控制装置10则可为与上述数据采集装置以及竖向加载装置4连接的计算机，且位移检测模块5和各应变片7通过数据输入端口模块8与计算机相连。

本实施例的溶剂循环装置11具体与各溶洞模型3中设置的溶剂管13相连，且具体构成上，该溶剂循环装置11包括图中未示出的溶剂储箱和循环泵，溶剂管13的一端即连接于循环泵的出口，另一端则连通至溶剂储箱，以此形成供溶剂储箱内的溶剂于溶剂模型2内循环的回路，而该溶剂则可为水。

本实施例的试验系统在进行试验时，其具体试验方法包括如下的步骤：

步骤a、组装模型试验箱，将多个透明框体1021依次装于外框架101中，以构成箱体102，在拼接好的箱体102内壁上覆盖热缩膜，并在外框架101的顶部固定连接反力横梁12。

步骤b、根据相似比确定基桩模型2的直径、高度及强度，配制基桩模型相似材料，并预制基桩模型2；根据溶洞模型3的几何相似比，预制多个内设有溶剂管13的溶洞模型3，并经由热缩膜将各溶剂模型3沿基桩模型2的长度方向间隔附着于基桩模型2上。

步骤c、根据地层相似比，配置地层相似材料，并分层向箱体102中填充；待地层相似材料填充至基桩模型2底部标高时，将连接在一起的基桩模型2和溶洞模型3置于箱体102内，且使溶剂管13的两端穿出通孔1022与箱体102外连通；再填充地层相似材料至设计标高，以形成地层模型，并在地层相似材料填充过程中，于基桩模型2的表面安装应变片7。

步骤d、于基桩模型2的顶部套装桩帽6，在桩帽6与反力横梁12之间装设竖向加载装置4，且于桩帽6顶部设置位移检测模块5，使图像采集模块9正对基桩模型2布置在箱体102的一侧，并将位移检测模块5、各应变片7、图像采集模块9和显示控制装置10连接。

步骤e、将各溶剂管13与溶剂循环装置11连接，启动溶剂循环装置11，使溶剂进入溶洞模型3，以溶解溶洞模型3而形成溶洞。

步骤f、启动竖向加载装置4，对基桩模型2进行分级加载，采集并记录加载过程中基桩模型2顶部位移曲线和基桩模型2桩身应力-应变曲线，并通过图像采集模块9以观察基桩模型模块2、溶洞模块3和地层模型的变形破坏过程。

以上所述仅为本发明较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术构思加以等同替换或改变所得的技术方案，都应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：包括模型试验箱、竖向加载装置、数据采集装置、显示控制装置，以及基桩模型、溶洞模型和溶剂循环装置；

所述模型试验箱包括外框架，以及装设于外框架内的至少有一侧为透明状的箱体，并在外框架的顶部固定设置有反力横梁，所述基桩模型和溶洞模型位于所述箱体内，且在所述箱体内填充有固定所述基桩模型模块与溶洞模型的地层模型；

所述基桩模型的一侧贴设于所述箱体为透明状的一侧的内壁上，所述溶洞模型附着于基桩模型上，且所述溶洞模块为沿基桩模型长度方向间隔布置的多个，于各所述溶洞模型内设置有两端连通至所述箱体外的溶剂管，并在所述溶剂管上设有贯通至所述溶剂模型内的连通孔；

所述竖向加载装置位于所述基桩模型的顶部和所述反力横梁之间，且在所述基桩模型的顶部套装有桩帽；

所述数据采集装置包括位于所述桩帽顶部的位移检测模块，贴设于所述基桩模型表面的应变片，以及正对于所述基桩模型布置在所述箱体外的图像采集模块；

所述显示控制装置与所述数据采集装置和所述竖向加载装置连接；

所述溶剂循环装置与各所述溶洞模型中设置的所述溶剂管相连。

2.根据权利要求1所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述箱体由上下拼接于一起的多个透明框体构成，于各所述透明框体的一侧设置有供所述溶剂管的两端伸出箱体外的通孔。

3.根据权利要求2所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述透明框体由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述基桩模型的截面为半圆形，所述基桩模型呈平面状的一侧贴设于所述箱体的内壁上，所述溶洞模型附着在所述基桩模型呈曲面状的一侧。

5.根据权利要求4所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述溶洞模型由易溶于水的卤盐预制而成。

6.根据权利要求5所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：于所述溶洞模型的外表面包裹有热缩膜。

7.根据权利要求1所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：于所述箱体的内壁上覆盖有热缩膜。

8.根据权利要求1所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述位移检测模块为光栅传感器，所述图像采集模块为高速摄像机，所述显示控制装置为计算机。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验系统，其特征在于：所述溶剂循环装置包括溶剂储箱和循环泵，所述溶剂管的一端连接于循环泵的出口，另一端连通至溶剂储箱。

10.一种穿越串珠状溶洞基桩模型的极限承载力模型试验方法，其特征在于：该方法包括如下的步骤：

步骤a、组装模型试验箱；

步骤b、根据相似比确定基桩模型直径、高度及强度，配制基桩模型相似材料，并预制基桩模型；根据溶洞模型的几何相似比，预制多个内设有溶剂管的溶洞模型，并将各溶剂模型沿基桩模型长度方向间隔附着于基桩模型上；

步骤c、根据地层相似比，配置地层相似材料，并分层向所述箱体中填充；待地层相似材料填充至基桩模型底部标高时，将基桩模型和溶洞模型置于箱体内，且使溶剂管的两端与箱体外连通；再填充地层相似材料至设计标高，以形成地层模型，并在地层相似材料填充过程中，于基桩模型表面安装应变片；

步骤d、于基桩模型顶部套装桩帽，在桩帽与反力横梁之间装设竖向加载装置，且于桩帽顶部设置位移检测模块，使图像采集模块正对基桩模型布置在箱体的一侧，并将所述位移检测模块、应变片、图像采集模块和显示控制装置连接；

步骤e、将各溶剂管与溶剂循环装置连接，启动溶剂循环装置，使溶剂进入溶洞模型，以溶解溶洞模型而形成溶洞；

步骤f、启动竖向加载装置，对基桩模型进行分级加载，采集并记录加载过程中基桩模型顶部位移曲线和基桩模型桩身应力-应变曲线，并通过图像采集模块以观察基桩模型模块、溶洞模块和地层模型的变形破坏过程。