CN108319805B - 一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法 - Google Patents

一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，实现了对水平受荷桩(可选择增加桩顶轴向力)受力过程的物理模拟和可视化教学，对水平受荷桩研究具有一定的指导意义；施压组件和传压组件对应连接在一起对设置在反力框架内的模型桩平行于桩顶水平力施加方向施加了初始土压力，侧向摩擦系统在平行于水平力加载方向模型桩两个侧面施加了桩侧摩擦力，桩身测试系统用于测试模型桩桩身各个截面压力和位移的变化，通过桩顶水平向加载系统和桩顶竖向加载系统对模型桩桩顶分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，并测试分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，由此实现水平受荷桩受力过程的模拟。

Description

一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法
技术领域
本发明一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，属于土木工程室内物理模拟技术领域。
背景技术
现代城市在不断发展过程中，建造高层建筑成为城市发展的需要，桩基础成为高层建筑基础的首选，由于上部结构需承受风荷载或地震荷载的作用，由此作用在桩顶的荷载为竖向力与水平力的组合，另外对于跨海大桥桩基础、码头桩基础、近海工程、海上石油平台等工程主要承受波浪力、潮流力以及风压力等水平荷载，同时也可能承受船舶碰撞所带来的水平冲击力。滑坡中抗滑桩也主要是承受水平荷载。水平受荷载桩主要通过桩的弯曲抵抗水平荷载，国内外关于水平受荷桩的受力变形分析，主要有整体数值法、弹性理论法和弹性地基梁法。
现有的水平受荷桩的计算方法，大多具有复杂的理论推导，对数理能力要求较高，不利于工程中的应用。大多数文献的推导过程，是基于桩顶完全埋置在土体中，而且一般不考虑桩顶轴力。对于轴力引起的二阶效应具体多少目前还没有明确的定论，计入桩顶竖向轴力也会使计算变得复杂。还有在水平受荷桩的计算中一般不考虑平行于桩水平力作用方向桩侧土的影响，主要考虑平行于桩水平力作用方向桩侧土抗力的影响，这些简化在某些程度上可以使复杂的问题简单化，但这些简化对基桩的安全度有多大影响，还是需要进一步考虑。
发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，该装置设计合理，与水平受荷桩桩侧土体环境相似度高，边界明确，受荷过程可视化，实现了对水平受荷桩(可选择增加桩顶轴向力)受力过程的物理模拟和可视化教学，对水平受荷桩研究具有一定的指导意义。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，按下述步骤实施：
第一步：安装反力框架；
将反力框架固定于地面，确保底部横梁水平布置，侧梁垂直布置；
第二步：模型桩参数的确定；
确定模型桩的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩截面尺寸，模型桩加装前桩侧土层沿计算桩长侧向初始土压力分布形态和大小；
第三步：安装定位调节组件；
支撑板布置于顶部横梁和底部横梁之间，且支撑板的上、下端均固定于凹槽内，并确保支撑板的竖向轴线与铅垂线重合；在每个预留孔内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，调节杆上端固定在定位横梁上，通过旋转调节螺母使同一高度的所有定位横梁在同一水平面；
第四步：在模型桩侧安装施压组件和传压组件；
预先加工施压组件，把套筒两端穿过反力框架一侧的侧梁，定位杆外置弹簧，且定位杆一端依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位板插入连接板的U型槽内，且与U型槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定，定位杆另一端插入空心螺纹杆中，且空心螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手；在传压组件的承压板几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块，把每一个传压组件均通过定位板连接在相应的定位横梁上；
第五步：模型桩的制作与安装；
在反力框架的底孔填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩通过顶部横梁预留的送桩孔吊入反力框架内，模型桩底端插入底孔中，并根据模型桩嵌固条件，确定模型桩插入底孔的深度，调节模型桩的垂直度使模型桩纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔与模型桩之间的空隙；
第六步：安装侧向摩擦系统；
侧限架竖直设置在模型桩与支撑板之间，且与模型桩与支撑板形成密闭腔室结构，橡胶囊设置在该密闭腔室结构内，橡胶囊为中空结构，橡胶囊通过管道与位于反力框架外侧的增压稳压系统连通，橡胶囊在与模型桩接触的表面上粘贴有橡胶膜，橡胶膜朝向模型桩一侧表面粗糙，用于模拟模型桩与土界面之间的摩阻力；工作时，通过增压稳压系统对橡胶囊充气，使橡胶囊通过橡胶模与模型桩密贴，橡胶囊单位压力σ根据桩侧摩阻力f大小按公式σ＝f/tanφ确定，φ桩土界面摩擦角，根据实测确定；
第七步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；
确保分布在模型桩两侧对称布置的承压板的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆端部在U型槽的竖向位置，使两侧对称传力杆轴线重合，通过连接销贯穿定位孔和传力杆的连接通孔将传力杆固定在连接板上，确保可靠连接，这样就完成套桩侧施压组件和传压组件的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件和传压组件的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件的加载把手进行旋转对模型桩桩侧施加初始土压力；
第八步：调试增压稳压系统能工作正常，打开带压力表调节阀门对橡胶囊进行充气，使橡胶囊的压力达到预定压力，维持压力不变；
第九步：安装桩身测试系统；桩身测试系统用于量测桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化，包括压力传感器、位移传感器、压力传感器控制系统和位移传感器控制系统，在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器，并把位移传感器固定到位移支撑架上。调节位移传感器，并记下每个位移传感器的初读数，用于测试桩顶施加水平力后桩身的水平变形；所述压力传感器和位移传感器分别与设置在反力框架外的压力传感器控制系统和位移传感器控制系统连接；
第十步：安装桩顶水平向加载系统和桩顶竖向加载系统；
第十一步：根据预定方案对桩顶分级施加水平循环荷载。对模型桩分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，记录分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，并记录每一步桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化。、根据权利要求所述的一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于：通过确定每一套传压组件左右对称的两块承压板水平轴线与传力杆水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件左右对称两块承压板的偏心距，从而确定工程桩开挖前桩侧土压力的初始分布形式。
安装桩顶水平向加载系统和桩顶竖向加载系统，分别用于对模型桩分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，并测试分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形；
所述桩顶水平向加载系统设置在送桩孔内，且位于模型桩左侧或右侧与送桩孔的内壁之间，所述桩顶水平向加载系统的结构为：包括水平油缸，水平力传感器和水平位移计，所述水平油缸水平设置，所述水平油缸的缸体固定在送桩孔的内壁上，所述水平油缸活塞杆端部设置有水平受力承压板，所述水平受力承压板与模型桩侧面等宽，且紧贴在模型桩上，所述水平受力承压板和水平油缸活塞杆端部之间设置有水平力传感器，所述水平力传感器用于检测水平油缸施加的水平力，且所述水平油缸施加给模型桩的水平力与施压组件施加给模型桩的力在一个平面上，所述水平位移计安装在模型桩与桩顶水平加载方向垂直的两个相对面上，高度为桩顶水平向加载系统的水平受力承压板与最顶层一组传压组件的承压板之间，所述水平位移计用于桩顶分级施加循环水平力后测试桩顶的水平位移；所述桩顶竖向加载系统设置在反力框架的顶部横梁上；
所述桩顶竖向加载系统的结构为：包括纵向立柱，反力横梁，纵向油缸，纵向力传感器，纵向受力承压板和纵向位移计，所述反力横梁通过纵向立柱设置在顶部横梁上，所述纵向油缸的缸体设置在反力横梁上，所述纵向油缸的活塞杆端部设置有纵向受力承压板，所述纵向受力承压板紧贴在模型桩顶侧上，所述纵向受力承压板和纵向油缸活塞杆端部之间设置有纵向力传感器，所述纵向力传感器用于检测纵向油缸施加的纵向力，所述纵向位移计安装在距模型桩顶面以下不少于1倍模型桩宽度的侧面支点上，所述纵向位移计用于测试桩顶的竖向位移。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、本发明为一种水平受荷桩受力过程模拟装置及分析方法，本装置用桩侧弹簧加载系统来等效代替平行于水平受荷桩受力方向的土体，在平行于水平受荷桩受力方向桩两侧设置一定粗糙度的橡胶膜，并通过外侧橡胶囊施加侧向约束力模拟水平受荷桩加载过程中桩侧约束作用，与水平受荷桩实际受力环境相似，构思简单合理。
2、本发明为一种水平受荷桩受力过程模拟装置及分析方法，可用于分析基桩桩顶承受水平力的工况，同时也可对桩顶施加轴向力，分析基桩同时承受竖向力和水平力的复杂工况。对上述两种工况也可实现低承台和高承台基桩分析，应用范围广。
3、本发明为一种水平受荷桩受力过程模拟装置及分析方法，该装置不需要向普通室内试验槽那样，反复挖土和填土，节省了人力、物力和财力。而且通过对桩侧加载系统进行分段设置，可实现不同分层土体对桩体约束的效果，实现桩侧土层横观各向同性，与桩侧地层土体环境更加接近。
4、本发明为一种水平受荷桩受力过程模拟装置及分析方法，本装置具有重复使用性，能够重复多次做实验，保证实验结果的可靠性和丰富的实验数据，同时实现了水平受荷桩受力过程可视化。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中由施压组件和传压组件组成的加载装置示意图。
图3为图1中A-A截面的剖视图。
图4为本发明中定位调节组件的结构示意图。
图5为本发明中施压组件的结构示意图。
图中：1为反力框架、11为顶部横梁、12为底部横梁、13为侧梁、14为凹槽、15为送桩孔、16为底孔、2为施压组件、21为空心螺纹杆、22为弹簧、23为套筒、24为传力杆、25为限位板、26为活塞、27为加载把手、28为定位杆、3为传压组件、31为承压板、32为连接板、33为传力板、34为U型槽、35为垫块、36为定位孔、37为连接销、4为定位调节组件、41为定位板、42为支撑板、43为预留孔、44为定位横梁、45为调节螺母、46为调节杆、47为插孔、5为模型桩、6为桩身测试系统、61为压力传感器、62为位移传感器、63为压力传感器控制系统，64位移传感器控制系统、7为侧向摩擦系统、71为拉杆、72为螺母、73为橡胶膜、74为橡胶囊、75为侧限架、76为加劲肋、77为增压稳压系统、8为桩顶水平向加载系统、81为水平油缸、82为水平力传感器、83为水平受力承压板、84为水平位移计、9为桩顶竖向加载系统、91为纵向立柱、92为反力横梁、93为纵向油缸、94为纵向力传感器、95为纵向受力承压板、96为纵向位移计。
具体实施方式
如图1～图5所示，本发明一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，按下述步骤实施：
第一步：安装反力框架1；
将反力框架1固定于地面，确保底部横梁12水平布置，侧梁13垂直布置；
第二步：模型桩5参数的确定；
确定模型桩5的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩截面尺寸，模型桩加装前桩侧土层沿计算桩长侧向初始土压力分布形态和大小；
第三步：安装定位调节组件4；
支撑板42布置于顶部横梁11和底部横梁12之间，且支撑板42的上、下端均固定于凹槽14内，并确保支撑板42的竖向轴线与铅垂线重合；在每个预留孔43内的插孔47内安装调节杆46，调节杆46穿过调节螺母45，调节杆46上端固定在定位横梁44上，通过旋转调节螺母45使同一高度的所有定位横梁44在同一水平面；
第四步：在模型桩5侧安装施压组件2和传压组件3；
预先加工施压组件2，把套筒23两端穿过反力框架1一侧的侧梁13，定位杆28外置弹簧22，且定位杆28一端依次与活塞26和传力杆24连接，传力杆24穿过限位板25插入连接板32的U型槽34内，且与U型槽34底平面接触，并通过连接销与连接板32固定，定位杆28另一端插入空心螺纹杆21中，且空心螺纹杆21通过丝扣与套筒23连接，并在外端加装加载把手27；在传压组件3的承压板31几何中心预留位置安装压力传感器61，压力传感器面向模型桩5表面与承压板31表面齐平，然后在承压板31面向模型桩5一侧表面安装垫块35，把每一个传压组件3均通过定位板41连接在相应的定位横梁44上；
第五步：模型桩的制作与安装；
在反力框架1的底孔16填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩5通过顶部横梁11预留的送桩孔15吊入反力框架1内，模型桩5底端插入底孔16中，并根据模型桩5嵌固条件，确定模型桩5插入底孔16的深度，调节模型桩5的垂直度使模型桩5纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔16与模型桩5之间的空隙；
第六步：安装侧向摩擦系统；
侧限架75竖直设置在模型桩5与支撑板42之间，且与模型桩5与支撑板42形成密闭腔室结构，橡胶囊74设置在该密闭腔室结构内，橡胶囊74为中空结构，橡胶囊74通过管道与位于反力框架1外侧的增压稳压系统77连通，橡胶囊74在与模型桩5接触的表面上粘贴有橡胶膜73，橡胶膜73朝向模型桩5一侧表面粗糙，用于模拟模型桩5与土界面之间的摩阻力；工作时，通过增压稳压系统77对橡胶囊35充气，使橡胶囊35通过橡胶模34与模型桩2密贴，橡胶囊35单位压力σ根据桩侧摩阻力f大小按公式σ＝f/tanφ确定，φ桩土界面摩擦角，根据实测确定；
第七步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；
确保分布在模型桩5两侧对称布置的承压板31的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆24端部在U型槽34的竖向位置，使两侧对称传力杆24轴线重合，通过连接销37贯穿定位孔36和传力杆24的连接通孔将传力杆24固定在连接板32上，确保可靠连接，这样就完成1套桩侧施压组件2和传压组件3的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件2和传压组件3的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件2的加载把手27进行旋转对模型桩5桩侧施加初始土压力；
第八步：调试增压稳压系统77能工作正常，打开带压力表调节阀门对橡胶囊74进行充气，使橡胶囊74的压力达到预定压力，维持压力不变；
第九步：安装桩身测试系统6；桩身测试系统6用于量测桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化，包括压力传感器61、位移传感器62、压力传感器控制系统63和位移传感器控制系统64，在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器62，并把位移传感器62固定到位移支撑架上。调节位移传感器62，并记下每个位移传感器62的初读数，用于测试桩顶施加水平力后桩身的水平变形；所述压力传感器61和位移传感器62分别与设置在反力框架1外的压力传感器控制系统63和位移传感器控制系统64连接；
第十步：安装桩顶水平向加载系统8和桩顶竖向加载系统9；
第十一步：根据预定方案对桩顶分级施加水平循环荷载。对模型桩分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，记录分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，并记录每一步桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化。2、根据权利要求1所述的一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于：通过确定每一套传压组件3左右对称的两块承压板31水平轴线与传力杆24水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件3左右对称两块承压板31的偏心距，从而确定工程桩开挖前桩侧土压力的初始分布形式。
安装桩顶水平向加载系统8和桩顶竖向加载系统9，分别用于对模型桩5分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，并测试分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形；
所述桩顶水平向加载系统8设置在送桩孔15内，且位于模型桩5左侧或右侧与送桩孔15的内壁之间，所述桩顶水平向加载系统8的结构为：包括水平油缸81，水平力传感器82和水平位移计84，所述水平油缸81水平设置，所述水平油缸81的缸体固定在送桩孔15的内壁上，所述水平油缸81活塞杆端部设置有水平受力承压板83，所述水平受力承压板83与模型桩5侧面等宽，且紧贴在模型桩5上，所述水平受力承压板83和水平油缸81活塞杆端部之间设置有水平力传感器82，所述水平力传感器82用于检测水平油缸81施加的水平力，且所述水平油缸81施加给模型桩5的水平力与施压组件2施加给模型桩5的力在一个平面上，所述水平位移计84安装在模型桩5与桩顶水平加载方向垂直的两个相对面上，高度为桩顶水平向加载系统8的水平受力承压板83与最顶层一组传压组件3的承压板31之间，所述水平位移计84用于桩顶分级施加循环水平力后测试桩顶的水平位移；所述桩顶竖向加载系统9设置在反力框架1的顶部横梁11上；
所述桩顶竖向加载系统9的结构为：包括纵向立柱91，反力横梁92，纵向油缸93，纵向力传感器94，纵向受力承压板95和纵向位移计96，所述反力横梁92通过纵向立柱91设置在顶部横梁11上，所述纵向油缸93的缸体设置在反力横梁92上，所述纵向油缸93的活塞杆端部设置有纵向受力承压板95，所述纵向受力承压板95紧贴在模型桩5顶侧上，所述纵向受力承压板95和纵向油缸93活塞杆端部之间设置有纵向力传感器94，所述纵向力传感器94用于检测纵向油缸93施加的纵向力，所述纵向位移计96安装在距模型桩5顶面以下不少于1倍模型桩5宽度的侧面支点上，所述纵向位移计96用于测试桩顶的竖向位移。
下面结合具体实施例对本发明进行详细的阐述。
实施例一：桩顶水平和竖向受荷桩模拟装置
1、安装反力框架和桩顶水平向加载系统。将反力框架的底部横梁固定于地面，并使横梁顶面水平，依次组装两侧侧梁和顶部横梁，使两侧侧梁轴线保持在铅垂线上，同时确保顶部横梁和底部横梁轴线与两侧侧梁轴线垂直，完成反力框架的安装。在反力框架的送桩孔的右侧壁安装水平油缸，在水平油缸活塞杆上依次安装水平力传感器和水平受力承压板，同时连接水平油缸与油缸控制系统。
2、确定模型桩的计算桩长和施加侧向土压力面的桩截面宽度(B)和高度(D)，模型桩加载前水平力加载方向桩侧土层沿计算桩长侧向初始土压力分布形态和大小，平行于水平力加载方向模型桩两个侧面桩土界面摩擦力f和界面摩擦角φ的大小，模型桩的桩长等于按桩侧土层厚度按相似比确定的桩身计算长度h1+桩端预留长度h2+桩顶预留长度h3。桩端预留长度h2为1B或100mm，二者取大。桩顶预留长度h3应能伸出反力框架顶部横梁以上不小于100mm。把桩身模拟长度h1等间距划分为n等分，n≥6，一般可取6～10，然后确定各段的中点坐标(i)，以各段中点坐标(i)为基点，计算上下m/2(m为承压板的长度)所对应点处侧向土压力曲线的pi上和pi下，pi上和pi下之间的土反力近视线性确定，则该段承压板需施加的力Fi为：
Fi＝(pi上+pi下)Bm/2
对应的偏心距ei为：
ei＝(h/6)×(pi下-pi上)/(pi上+pi下)
由此，也就确定了桩侧加载装置的套数ai(bj，i＝j)，其中任意1套桩侧加载装置ai(bj)包括1组桩侧施压组件和传压组件。3、安装前后支撑架。前支撑架和后支撑架关于立柱轴线对称布置于上下横梁之间，上下固定于横梁的卡槽内，并确保前支撑架和后支撑架竖向轴线与铅垂线重合。在前支撑架和后支撑架的内侧侧限架中安装橡胶囊，开口一侧(橡胶囊与模型桩接触一侧)的橡胶囊表面粘贴橡胶膜，橡胶膜的粗糙程度根据拟模型桩土界面摩擦角确定，并把橡胶囊通过带压力表调节阀门与增压稳压系统连接。在前支撑架和后支撑架每个横梁槽口内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，上端固定在定位横梁上，旋转调节螺母使定位横梁水平，这样就完成定位横梁安装。前支撑架和后支撑架上的预留孔的个数均为2n，且预留孔的高度与侧向土压力曲线各分段的中点坐标(i)相匹配。
4、安装桩侧加载装置。传压组件的承压板、连接板、传力板、前定位杆和后定位杆为一整体构件，预先加工完成，并在承压板几何中心预留位置安装压力传感器，传感器面向模型桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块。把每一个传压组件通过前定位杆、后定位杆放置在相应的定位横梁的长孔中，前定位杆安装的前支撑架某个测试槽口的定位横梁的长孔中时，后定位杆就安装在与前支撑架相同高度处对应后支撑架测试槽口定位横梁的长孔中。然后安装与之想配套的施压组件。把1组施压组件的套筒固定于反力框架的侧梁的预留孔洞内，两端穿过侧梁，并与侧梁可靠固定。定位杆外置弹簧依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位器插入连接板的U型槽与槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定。管中定位杆另一端套入空心螺纹杆中，螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手。由此完成1组桩侧施压组件和传压组件。重复以上过程完成与之对称的另1组桩侧施压组件和传压组件，这样就完成任一套桩侧加载装置。然后按上述安装程序安装完成所有桩侧加载装置，并把每一压力传感器的连接线与传感器控制系统连接。
5、模型桩制作与安装。在底孔填入适量填土，并按一定密实度击实，然后把预制完成的模型桩通过顶部横梁预留的送桩孔吊入模拟装置，模型桩底端插入底孔中，并根据模拟嵌固条件(自由或嵌固)确定模型桩插入底孔的深度，调节模型桩的垂直度是桩纵向轴线与铅垂线重合，用填土充填并密实底孔桩周空隙。
6、调节桩侧加载装置，使桩长范围内每1套左右完全相同、对称布置的桩侧加载装置传力板通过垫块与模型桩侧面密贴，同时根据步骤2中，由侧向土压力曲线确定的各组桩侧加载装置对应的ei，调整与该套桩侧加载装置相关的4套定位横梁的调节螺母，当pi下≥pi上时，使传压组件的对称轴在施压组件的对称轴之上距离为ei，反之亦然。同时确保模型桩两侧定位横梁上的所有水平管和传压组件上的水平圆水准居中，也即确保分布在模型桩两侧对称布置的传力板法线同一水平直线上，对称布置的施压组件的对称轴也在同一水平直线上，然后旋转连接销上的螺母固定传力杆在U型槽的竖向位置，实现传力杆与连接板之间的可靠连接，这样就完成1套桩侧加载装置的水平调节。如此循环，完成所有桩长范围内的桩侧加载装置的调节。
7、平行水平力加载方向桩侧土层土压力施加。根据步骤2确定的各组桩侧加载装置对应的Fi，同时转动两侧的加载把手，通过调节弹簧的长短达到预先计算各个分段i的施加力Fi，施加力Fi的大小根据压力传感器的读数确定，这样在模型桩平行于桩顶水平力施加方向两侧就施加了对称分布的侧向初始土压力曲线。此时由于模型桩的两侧土压力是对称施加，模型桩的纵向轴线是垂直地面的。
8、平行于水平力加载方向桩侧摩擦力施加。调试增压与稳压系统时系统工作正常，打开带压力表调节阀门对橡胶囊进行充气，使橡胶囊的压力达到预定压力，维持压力不变。
9、桩身测试系统安装。所述桩身测试系统用于量测桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化，包括压力传感器、位移传感器、压力传感器控制系统和位移传感器控制系统，在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器，并把位移传感器固定到位移支撑架上。调节位移传感器，并记下每个位移传感器的初读数，用于测试桩顶施加水平力后桩身的水平变形；所述压力传感器和位移传感器分别与设置在反力框架外的压力传感器控制系统和位移传感器控制系统连接。
10、桩顶水平力加载装置安装。油缸底座固定在反力框架的送桩孔的一侧侧壁，另一侧活塞杆上依次安装力传感器和承压板，承压板与模型桩侧面宽度B所在表面密贴。
11、桩顶水平力与位移检测系统安装。传感器与传感器控制系统连接，并调试，工作正常。水平位移计安装在模型桩与水平加载方向垂直的两个相对面上，高度为桩顶水平向加载系统的水平受力承压板与最顶层一组传压组件的承压板之间，对称布置2个。调节位移计，并记下每个位移计的初读数，用于桩顶分级施加循环水平力后测试桩顶的水平位移。12、安装桩顶竖向加载系统。反力横梁通过纵向立柱与反力框架的顶部横梁连接，纵向油缸底座与反力横梁连接，另一侧活塞杆上依次安装纵向力传感器和纵向受力承压板，保持纵向油缸轴线与模型桩纵向轴线位于同一直线，并通过纵向受力承压板的几何中心，纵向受力承压板与模型桩顶面接触。纵向油缸通过油管与油缸控制系统相连。
13、桩顶竖向力与位移检测。传感器与传感器控制系统连接，并调试，工作正常。安装在距模型桩顶面以下不少于1倍模型桩宽度的侧面支点上，调节位移计，并记下每个位移计的初读数，用于测试施加竖向力后桩顶的竖向变形。
14、根据预定方案对桩顶分级施加水平循环荷载。对模型桩桩顶分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，记录分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，并记录每一步桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化。
实施例二：桩顶水平受荷桩模拟方法。
1、模型桩的制作、模型桩装置的安装、水平受荷模型桩侧面初始土压力的加载同实施例一步骤1～11，且假定模型桩2侧面的桩侧土压力分段长度m土层厚度。
2、桩顶水平受荷桩加载模拟及桩结构变形和内力测试。采用《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106)对模型桩采用慢速维持荷载法对试验桩进行加载，单向多循环分级荷载不应大于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1/10；每级荷载施加后，恒载4min后，可测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此，完成一个加载循环，如此循环5次，完成一级荷载的位移观察，试验不得中间停止。
3、依次类推，完成所有分级加载，并同时记录每次加载前后的桩顶位移计的读数和桩身各个截面处的水平位移和压力传感器的读数，从而完成水平受荷桩的模拟测试。对数据进行处理，就可以得出水平受荷桩的内力和桩长不同位置的水平位移。
实施例三：桩顶承受竖向恒定荷载时水平受荷桩模拟。
1、模型桩的制作、模型桩装置的安装、水平受荷模型桩侧面初始土压力的加载同实施例一步骤1～13，且假定模型桩的桩侧土压力分段长度h土层厚度。
2、桩顶施加恒定竖向力。加载前调节油缸轴线与模型桩纵向轴线位于同一直线，并通过承压板的几何中心，油缸通过油管与油缸控制系统相连，传感器与传感器控制系统连接，位移计安装在模型桩顶面以下距桩顶1B宽度的侧面支点上，对油缸施加一定压力，检查所有竖向加载和测试系统是否工作正常，然后卸载为零。加载系统调试正常后，调节位移计，并记下每个位移计的初读数，然后可对模型桩施加竖向恒定荷载P。
3、桩顶水平受荷桩加载模拟及桩结构变形和内力测试。参照《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106)，对模型桩采用慢速维持荷载法对试验桩进行水平加载，单向多循环分级荷载Hi不应大于预估水平极限承载力或最大试验荷载H的1/10；每级荷载施加后，恒载4min后，可测读水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此，完成一个加载循环，如此循环5次，完成一级荷载的位移观察，试验不得中间停止。在此过程中同时记录桩顶位移计的读数。
4、依次类推，完成所有分级加载，并同时记录每次加载前后的桩顶水平位移计和竖向位移计的读数和桩身各个截面处的水平位移和压力传感器的读数，从而完成水平受荷桩的模拟测试。对数据进行处理，就可以得出桩顶承受竖向恒定荷载时水平受荷桩的内力和桩长不同位置的水平位移。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：
第一步：安装反力框架(1)；
将反力框架(1)固定于地面，确保底部横梁(12)水平布置，侧梁(13)垂直布置；
第二步：模型桩(5)参数的确定；
确定模型桩(5)的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩截面尺寸，模型桩加装前桩侧土层沿计算桩长侧向初始土压力分布形态和大小；
第三步：安装定位调节组件(4)，所述定位调节组件(4)包括定位板(41)、支撑板(42)、定位横梁(44)、调节螺母(45)及调节杆(46)；
支撑板(42)布置于顶部横梁(11)和底部横梁(12)之间，且支撑板(42)的上、下端均固定于凹槽(14)内，并确保支撑板(42)的竖向轴线与铅垂线重合；在每个预留孔(43)内的插孔(47)内安装调节杆(46)，调节杆(46)穿过调节螺母(45)，调节杆(46)上端固定在定位横梁(44)上，通过旋转调节螺母(45)使同一高度的所有定位横梁(44)在同一水平面；
第四步：在模型桩(5)侧安装施压组件(2)和传压组件(3)，所述施压组件(2)包括空心螺纹杆(21)、弹簧(22)、套筒(23)、传力杆(24)、限位板(25)、活塞(26)、加载把手(27)、定位杆(28)，所述传压组件(3)包括承压板(31)、连接板(32)、传力板(33)、垫块(35)、连接销(37)；所述连接板(32)的端部设有U型槽(34)和定位孔(36)；
预先加工施压组件(2)，把套筒(23)两端穿过反力框架(1)一侧的侧梁(13)，定位杆(28)外置弹簧(22)，且定位杆(28)一端依次与活塞(26)和传力杆(24)连接，传力杆(24)穿过限位板(25)插入连接板(32)的U型槽(34)内，且与U型槽(34)底平面接触，并通过连接销与连接板(32)固定，定位杆(28)另一端插入空心螺纹杆(21)中，且空心螺纹杆(21)通过丝扣与套筒(23)连接，并在外端加装加载把手(27)；在传压组件(3)的承压板(31)几何中心预留位置安装压力传感器(61)，压力传感器面向模型桩(5)表面与承压板(31)表面齐平，然后在承压板(31)面向模型桩(5)一侧表面安装垫块(35)，把每一个传压组件(3)均通过定位板(41)连接在相应的定位横梁(44)上；
第五步：模型桩的制作与安装；
在反力框架(1)的底孔(16)填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩(5)通过顶部横梁(11)预留的送桩孔(15)吊入反力框架(1)内，模型桩(5)底端插入底孔(16)中，并根据模型桩(5)嵌固条件，确定模型桩(5)插入底孔(16)的深度，调节模型桩(5)的垂直度使模型桩(5)纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔(16)与模型桩(5)之间的空隙；
第六步：安装侧向摩擦系统；
侧限架(75)竖直设置在模型桩(5)与支撑板(42)之间，且与模型桩(5)与支撑板(42)形成密闭腔室结构，橡胶囊(74)设置在该密闭腔室结构内，橡胶囊(74)为中空结构，橡胶囊(74)通过管道与位于反力框架(1)外侧的增压稳压系统(77)连通，橡胶囊(74)在与模型桩(5)接触的表面上粘贴有橡胶膜(73)，橡胶膜(73)朝向模型桩(5)一侧表面粗糙，用于模拟模型桩(5)与土界面之间的摩阻力；工作时，通过增压稳压系统(77)对橡胶囊(35)充气，使橡胶囊(35)通过橡胶模(34)与模型桩(2)密贴，橡胶囊(35)单位压力σ根据桩侧摩阻力f大小按公式σ＝f/tanφ确定，φ桩土界面摩擦角，根据实测确定；
第七步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；
确保分布在模型桩(5)两侧对称布置的承压板(31)的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆(24)端部在U型槽(34)的竖向位置，使两侧对称传力杆(24)轴线重合，通过连接销(37)贯穿定位孔(36)和传力杆(24)的连接通孔将传力杆(24)固定在连接板(32)上，确保可靠连接，这样就完成(1)套桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件(2)的加载把手(27)进行旋转对模型桩(5)桩侧施加初始土压力；
第八步：调试增压稳压系统77能工作正常，打开带压力表调节阀门对橡胶囊74进行充气，使橡胶囊74的压力达到预定压力，维持压力不变；
第九步：安装桩身测试系统(6)；桩身测试系统(6)用于量测桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化，包括压力传感器(61)、位移传感器(62)、压力传感器控制系统(63)和位移传感器控制系统(64)，在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器(62)，并把位移传感器(62)固定到位移支撑架上；调节位移传感器(62)，并记下每个位移传感器(62)的初读数，用于测试桩顶施加水平力后桩身的水平变形；所述压力传感器(61)和位移传感器(62)分别与设置在反力框架(1)外的压力传感器控制系统(63)和位移传感器控制系统(64)连接；
第十步：安装桩顶水平向加载系统(8)和桩顶竖向加载系统(9)，分别用于对模型桩(5)分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，并测试分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形；
所述桩顶水平向加载系统(8)设置在送桩孔(15)内，且位于模型桩(5)左侧或右侧与送桩孔(15)的内壁之间，所述桩顶水平向加载系统(8)的结构为：包括水平油缸(81)，水平力传感器(82)和水平位移计(84)，所述水平油缸(81)水平设置，所述水平油缸(81)的缸体固定在送桩孔(15)的内壁上，所述水平油缸(81)活塞杆端部设置有水平受力承压板(83)，所述水平受力承压板(83)与模型桩(5)侧面等宽，且紧贴在模型桩(5)上，所述水平受力承压板(83)和水平油缸(81)活塞杆端部之间设置有水平力传感器(82)，所述水平力传感器(82)用于检测水平油缸(81)施加的水平力，且所述水平油缸(81)施加给模型桩(5)的水平力与施压组件(2)施加给模型桩(5)的力在一个平面上，所述水平位移计(84)安装在模型桩(5)与桩顶水平加载方向垂直的两个相对面上，高度为桩顶水平向加载系统(8)的水平受力承压板(83)与最顶层一组传压组件(3)的承压板(31)之间，所述水平位移计(84)用于桩顶分级施加循环水平力后测试桩顶的水平位移；所述桩顶竖向加载系统(9)设置在反力框架(1)的顶部横梁(11)上；
所述桩顶竖向加载系统(9)的结构为：包括纵向立柱(91)，反力横梁(92)，纵向油缸(93)，纵向力传感器(94)，纵向受力承压板(95)和纵向位移计(96)，所述反力横梁(92)通过纵向立柱(91)设置在顶部横梁(11)上，所述纵向油缸(93)的缸体设置在反力横梁(92)上，所述纵向油缸(93)的活塞杆端部设置有纵向受力承压板(95)，所述纵向受力承压板(95)紧贴在模型桩(5)顶侧上，所述纵向受力承压板(95)和纵向油缸(93)活塞杆端部之间设置有纵向力传感器(94)，所述纵向力传感器(94)用于检测纵向油缸(93)施加的纵向力，所述纵向位移计(96)安装在距模型桩(5)顶面以下不少于1倍模型桩(5)宽度的侧面支点上，所述纵向位移计(96)用于测试桩顶的竖向位移；
第十一步：根据预定方案对桩顶分级施加水平循环荷载；对模型桩分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，记录分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，并记录每一步桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化。
2.根据权利要求1所述的一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于：通过确定每一套传压组件(3)左右对称的两块承压板(31)水平轴线与传力杆(24)水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件(3)左右对称两块承压板(31)的偏心距，从而确定工程桩开挖前桩侧土压力的初始分布形式。
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