CN108444817A - 一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置，包括推力筒组、多个推力组件以及防护筒；推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒，多个推力筒沿其轴向不固连叠加设置；推力筒包括同轴套装的内层筒体与外层筒体，内层筒体由沿其周向间隔设置的多片弧形钢片围成，外层筒体由沿其周向间隔设置的多块弧形钢板围成；推力组件包括推板、多根推力杆和多个推力弹簧，多根推力杆的外端均与推板相连、内端与一组上下布置的弧形钢板分别相连；防护筒的侧壁上开设有多个侧孔。通过调整推力杆的长度使推力弹簧从膜箱的外周对桩土施加不同的水平推力，适应不同状态下桩土所受水平地压不同的情况模拟，有利于桩土试验的研究。

Description

一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别地，涉及一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置。

背景技术

随着我国城市建设的快速发展，当前出现了很多高层和超高层建筑，这些高层和超高层建筑对地基承载力要求较高，桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中。随着桩基础工程实际经验的累积和理论研究的深入，在钻孔桩和预制桩的基础上出现了许多新型桩基础，如挤扩支盘灌注桩、螺旋桩、竹节桩和钻孔桩等；而在深厚软土地区的超高层建筑桩基础的长桩一般为摩擦桩或端承桩，桩基础的承载力主要由桩侧摩擦阻力提供。现有建筑桩基技术规范中给出的桩侧摩阻力计算值偏差较大，因而需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土摩擦性能进行研究，为实际工程桩基设计提供理论依据。

目前对桩土接触面剪切力学特性的研究主要基于现场试验和室内试验两种方式，室内试验主要采用直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以准确测得桩土相对位移，同时能够测得接触面法向位移，然而直剪试验和环剪试验与桩试样的接触面均为平面，这与实际桩(圆形桩)土接触面不同，且剪切试验中的边界条件与实际桩荷载传递过程中的边界条件也不同。实际工程中桩土接触面的水平地压会随着桩的深度增加而增大，增大关系呈线性关系，具体见郭佳奇等人2010年在北京交通大学学报上发表的《高应力下干砂与饱和砂单剪特性比较》。中国专利申请CN106769478公开了一种桩土接触面试验装置，包括圆形模型箱、加载板、反力梁和伺服加载电机，柱形桩置于土体中，并对土体下部和周侧封闭，对土体上部施压，进而土体对桩侧施加压力，然而该试验装置并未考虑桩土接触面的水平地压会随着桩的深度增加而增大这一重要因素，模拟结果不准确。基于上述原因，本发明提供一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置，以解决采用现有的桩土接触面剪切力学特性试验装置不能真实模拟桩土接触面的水平地压随着桩的深度增加而增大，模拟结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置，所述推力装置套设在膜筒上，其包括推力筒组、沿所述推力筒组中心周向均布的多个推力组件以及套设在所述推力筒组外周壁上的防护筒；

所述推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒，多个所述推力筒沿其轴向叠加设置，且相邻两所述推力筒之间不固连；

每个所述推力组件均包括一竖向布置的推板、水平状布置且可伸缩的多根推力杆和多个推力弹簧，多根推力杆在同一竖直面内沿上下方向布置，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与多个推力筒分别相连；每根推力杆上套设有一所述推力弹簧；

所述防护筒的侧壁上开设有多个侧孔，用于所述推力杆及所述推力弹簧穿设。

进一步的，所述推力筒为双层筒体结构，内层筒体与外层筒体同轴套装，所述内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片围成，所述外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板围成，两相邻弧形钢板的间隔缝与两相邻弧形钢片的间隔缝内外错开设置，且每一块弧形钢板均与位于其内侧的两片弧形钢片能在所述推力筒的周向上水平滑动配合；多根推力杆的内端与弧形钢板分别相连且推力杆和弧形钢板一一对应设置。

进一步的，与同一所述推力筒相连的同一层推力杆位于同一水平面内，且同一层推力杆的内端均指向所述推力筒的中轴线。

进一步的，所述推力杆包括实心杆和空心杆，所述实心杆的内端与所述弧形钢板的外侧壁相连，所述实心杆的外端滑动插设在所述空心杆内。

进一步的，套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，且从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。

进一步的，所述空心杆上设置有螺母，位于同一层推力杆上的多个螺母与所述推力筒组的距离相等；从上至下每层推力杆上的螺母与所述推力筒组的距离线性递减；所述推力弹簧设置在所述螺母与所述弧形钢板之间，且所有推力弹簧的自由长度、弹性系数均相等。

进一步的，所述弧形钢片的外壁上设有沿所述内层筒体周向方向设置的滑动条；所述弧形钢板的内壁上设有与所述滑动条相适配的滑动凹槽。

进一步的，所述推力筒的数量为4～20个；每个所述推力筒中弧形钢板的个数与弧形钢片的个数相等，为4～12个。

进一步的，所述推力装置用于包覆在膜筒的外周壁上；多个所述推力筒的叠加高度与所述膜筒的高度相等。

进一步的，所述推板的上端和下端的两侧各设有一个用于限定推板上下位置的限位块。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的推力装置包括推力筒组、多个推力组件以及防护筒；推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒，多个推力筒沿其轴向不固连叠加设置；推力筒包括同轴套装的内层筒体与外层筒体，内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片围成，外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板围成；推力组件包括推板、多根推力杆和多个推力弹簧，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与一组上下布置的弧形钢板分别相连；每根推力杆上套设有一推力弹簧；防护筒的侧壁上开设有多个侧孔。通过调整推力杆的长度使套设在其上的推力弹簧从膜箱的外周对桩土施加不同的水平推力，适应不同状态下桩土所受水平地压不同的情况模拟，并能适应任意覆盖层、任意桩土位置水平地压不同情况的真实模拟，适用范围广。

(2)、本发明中套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。通过向内调整推板的位置，推力杆的长度缩短，套设在推力杆上的推力弹簧被压缩相同的压缩量，推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平推力，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致；可以真实的模拟桩土水平地压的分布，尤其适用于长桩。

(3)、本发明中推力杆包括实心杆和空心杆，实心杆的内端与弧形钢板的外壁相连、外端插设在空心杆中；空心杆上设置有螺母；推力弹簧设置在螺母与弧形钢板之间，且所有推力弹簧的长度相等、弹性系数也相等。本发明扩大了推力弹簧给予桩土压力的适用范围，可以不调整桩土接触度，通过调整螺母对推力弹簧的压缩量改变从上到下推力弹簧压缩给予桩土接触面压强增大的速率，适应实际工程不同长度桩与土接触面剪切试验。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置的结构示意图；

图2是本发明中推力筒的结构示意图；

图3是本发明中伸缩杆和螺母的配合结构示意图；

图4是本发明中防护筒的结构示意图；

图5是采用本发明推力装置的桩土接触面剪切力学特性试验装置的结构示意图；

图6是图5中桩土接触面剪切力学特性试验装置的剖面结构示意图；

其中，1、支撑装置，1.1、底板，1.2、顶板，1.3、支撑梁，1.4、支承柱，1a、长槽孔，1b、卡柱，1c、插销，2、压力装置，2.1、竖向加载装置，2.1a、传力杆，2.2、位移传感器，2.3、压力传感器，3、膜箱，3.1、膜筒，3.2、压紧杆，4、推力装置，4.1、推力筒，4.1a、弧形钢片，4.1b、弧形钢板，4.11、滑动条，4.12滑动凹槽，4.2、推板，4.2a、限位块，4.3、伸缩杆，4.3a、实心杆，4.3b、空心杆，4.3c、螺母，4.4、压缩弹簧，4.5、防护筒，4.5a、侧孔，5、桩试样，6、土试样。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置，包括推力筒组、沿推力筒组中心周向均布的多个推力组件以及套设在推力筒组外周壁上的防护筒4.5，具体结构如下：

推力筒组包括可径向收缩的6个推力筒4.1，该6个推力筒大小相等且沿其轴向叠加设置，且相邻两推力筒之间不固连。侧向受水平推力时，每个推力筒根据其所受水平压力的大小而径向收缩，进而对膜箱内的土试样和桩试样上下施加不同的压力。

结合图2所示，推力筒为双层筒体结构，内层筒体与外层筒体同轴套装，内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片4.1a围成，外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板4.1b围成，两相邻弧形钢板的间隔缝与两相邻弧形钢片的间隔缝内外错开设置，且每一块弧形钢板均与位于其内侧的两片弧形钢片能在推力筒的周向上水平滑动配合。优选的，弧形钢片4.1a的外壁上设有沿内层筒体周向方向设置的滑动条4.11；弧形钢板4.1b的内壁上设有与滑动条相适配的滑动凹槽4.12，当推力筒收到水平压力时，滑动条可在滑动凹槽内滑动，以实现推力筒的径向伸缩。当推力筒侧向受水平压力时，相邻两块弧形钢板以及相邻两片弧形钢片的间隔缝变小，包覆在膜筒外侧壁上的推力筒的直径变小。

每个推力组件均包括一竖向布置的推板4.2、水平状布置且可伸缩的多根推力杆4.3和多个推力弹簧4.4，多根推力杆4.3在同一竖直面内沿上下方向布置，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与弧形钢板分别相连且推力杆和弧形钢板一一对应设置；每根推力杆上套设有一推力弹簧。该结构中，上下叠加设置的多个推力筒的弧形钢板上下对应设置，同一列弧形钢板称为一组；每个推力组件包括的推力杆数量与一组弧形钢板中弧形钢板的数量相等，推力组件的数量与弧形钢板的组数相等。

结合图4所示，防护筒的侧壁上开设有用于推力杆及推力弹簧穿设的多个侧孔4.5a，可有效避免膜筒内的土试样产生向外的张力而对膜筒造成损坏。需要特别说明的，为了便于更清晰的显示推力装置的内部结构，图1中未示出防护筒，但本领域技术人员可以理解的，推力杆的外端与推板固定连接，推力杆的内端贯穿防护筒的侧孔后与推力筒的弧形钢板固定连接；套设在推力杆上的推力弹簧也贯穿该侧孔，且至少在推力作用时与弧形钢板接触并对其产生水平推力。

本发明中，推力杆与弧形钢板一一对应设置；与同一推力筒相连的同一层推力杆位于同一水平面内，且同一层推力杆的内端均指向推力筒的中轴线。具体地，推力杆包括实心杆4.3a和空心杆4.3b，实心杆的内端与弧形钢板的外壁相连，实心杆的外端插设在空心杆中。推板被向内移动一定距离后，将插销置于推板外侧且插在两相邻卡柱之间以定位推板，推力弹簧被压缩并对推力筒施加侧向水平压力，而推力杆的长度由推板和推力弹簧共同确定。其中，推力筒所受的水平压力可根据推力弹簧的弹性系数以及推力弹簧的压缩量来计算获得。

本发明中，套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。通过向内调整推板使得推力杆的长度缩短，同时套设在推力杆上的推力弹簧被压缩，推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平推力，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致；可以真实的模拟桩土覆土压力的分布，尤其适用于长桩。

结合图3所示，空心杆上设置有螺母4.3c，空心杆上设置有螺纹；从上至下每层推力杆上的螺母距离推力筒的距离线性递减；推力弹簧设置在螺母与弧形钢板之间，且所有推力弹簧的长度和弹性系数均相等。该结构设置扩大推力弹簧给予桩土压力的适用范围，可以不调整桩土接触度，通过调整螺母对推力弹簧的压缩量改变从上到下推力弹簧给予桩土接触面压强增大的速率，适应实际工程不同长度桩与土接触面剪切试验。

本发明中，推板通过上下布置的多个伸缩杆与上下叠加的多个推力筒一一相连接；每根伸缩杆上套设有一压缩弹簧4.4。优选的，推板的个数与推力筒包括的弧形钢板的数量相同。该结构可通过调整推板在支撑装置上的内外位置(底板的中心部为内，底板的四周被为外)而调整伸缩杆的长度，套设在伸缩杆上的压缩弹簧因伸缩杆的长度变短而被压缩；压缩弹簧对推力筒施加侧向水平压力，相邻两块弧形钢板以及相邻两片弧形钢片的间隔缝变小，使得包覆在膜筒外侧壁上的推力筒的径向收缩。特别说明的，侧向受水平压时，每个推力筒根据其所受水平压力的大小会径向收缩，进而对膜箱内的土试样和桩试样施加上下大小不同的压力。

本发明的推力装置可通过下述两种方法对桩土施加水平推力，具体地：

第一种方法：套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，且从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。安装好桩试样和土试样后，通过向内(膜筒中轴线方向)调整推板，此时推力杆的长度缩短，进而套设在推力杆上的推力弹簧被压缩，推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平压力，这与桩土在实际工程中所受水平地压随深度的增加而不断增加的情况一致；可以真实的模拟桩土覆土压力的分布，尤其适用于长桩。

第二种方法：在空心杆上设置有螺母(空心杆上设置有螺纹)，推力弹簧设置在螺母与弧形钢板之间，且所有推力弹簧的长度和弹性系数均相等。安装好桩试样和土试样后，从上至下调整每层推力杆上的螺母距离推力筒的距离线性递减；再通过向内调整推板，使得推力弹簧给予桩土接触面从上到下呈线性增加的水平压力。该结构可扩大推力弹簧给予桩土压力的适用范围，可以不调整桩土接触度，通过调整螺母对推力弹簧的压缩量改变从上到下推力弹簧给予桩土接触面压强增大的速率，适应实际工程不同长度桩与土接触面剪切试验。

本发明中，多个推力筒的叠加高度与膜筒的高度相等，推力筒包覆在膜筒的外周壁上；便于推力装置对膜箱内的桩试样和土试样施加水平推力。

结合图5和图6所示，采用本发明推力装置的桩土接触面剪切力学特性试验装置，该试验装置包括支撑装置1、压力装置2、膜箱3和推力装置4。

支撑装置包括底板1.1、顶板1.2、支撑梁1.3和多根支撑柱1.4；底板和顶板均为圆形钢板，底板的中心部位设有用于桩试样5插入的通孔A，顶板的中心部位设有用于桩试样5插入的通孔B，通孔A与通孔B上下同轴设置且孔径大小相等。底板和顶板上均设有沿其中心周向均布的多个定位装置，每个定位装置均包括沿底板顶板径向方向设置的长槽孔1a、设置在长槽孔长度方向两侧的卡柱1b和用于定位推板在支撑装置上的内外位置的插销1c。支撑梁位于顶板的上方，该支撑梁为三叉型梁，每个梁叉上设有一个连接孔，梁叉通过连接孔与支撑柱固定连接；通孔C设置在支撑梁的中心部上。

压力装置包括竖向加载装置2.1、传力杆2.2、压力传感器2.3和位移传感器2.4；竖向加载装置为设置在支撑梁上的伺服液压机；传力杆上下贯穿通孔C设置，传力杆的顶端与竖向加载装置相连，传力杆的底端用于与桩试样的顶端相接触；位移传感器设置在传力杆用于与桩试样接触的端面上，压力传感器与位移传感器相连接，并夹设在位移传感器与桩试样之间。该结构中，竖向加载装置通过传力杆将竖向压力施加在桩试样上；位移传感器用于检测桩试样的位移，压力传感器用于感应伺服液压机对桩试样所施加的压力。

膜箱竖向设置在底板上，其包括圆形的膜筒3.1、透水板、封盖和用于将封盖与膜筒压紧的3个压紧杆3.2；顶板上设有与3个通孔F，每个通孔F内穿设一压紧杆。透水板设置在膜筒的底部并将膜筒的下端口堵住，封盖用于密封膜筒的上端口；膜筒用于套设在桩试样的径向外侧，且当桩试样插设在膜箱内时，膜筒与桩试样之间具有容置土试样的容置腔。透水板和封盖上分别设有通孔D和通孔E；试验时，桩试样的上、下两端分别贯穿通孔E和通孔D设置。具体地，膜筒由橡胶膜制成；为了防止脱水板对推力装置施加的水平力产生不利影响，透水板由设置在其中心的圆形透水板本体和设置在该透水板本体外周侧的柔性膜，通孔D设置在透水板本体的中心；该柔性膜分别与膜筒和透水板密封连接；优选的，柔性膜也为橡胶膜。封盖为活动盖设在膜筒上端的钢板，并通过压紧杆将其压紧在膜筒(膜筒内装有土试样)上，防止试验时膜箱内的土试样向上冒出而导致压力失效。该结构设置既方便往膜筒内填装土试样，又不会对膜筒径向受压时膜筒缩小直径造成不利影响，从而避免影响模拟效果。

本发明推力装置的推力筒组设置在支撑装置的底板上，且套设在膜箱的膜筒上，上下相邻两个推力筒4.1之间、最顶层的推力筒与封盖之间以及最低层的推力筒与底板1.1之间做润滑处理。

推板的上下两端贯穿分别贯穿顶板和底板上的长槽孔设置，并在长槽孔内沿该孔的长度方向移动。推板的上端和下端的两侧各设有一个用于限定推板上下位置的限位块4.2a，可有效防止调整过程中推板上下走位；具体地，推板的“上端”和“下端”均不限定在推板长度的端点位置，二者分别指推板长度的上1/3部分和下1/3部分。插销与卡柱配合用于定位推板在支撑装置的内外位置。试验时，推板被向内移动一定距离后，将插销置于推板外侧且插在两相邻卡柱之间以定位推板，推力弹簧被压缩并对推力筒施加侧向水平压力，而推力杆的长度由推板和推力弹簧共同确定。本发明中，推力筒所受的水平压力可根据推力弹簧的弹性系数以及推力弹簧的压缩量来计算获得。本发明通过水平推力装置对推力筒施加水平压力使其径向收缩，进而对膜箱内的土试样施加上下大小不同的水平推力，有效模拟桩土在实际工程中所受水平地压，有利于桩土试验的研究；本发明构造简单、操作简便，无需借助过多的感应设备。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于桩土接触面剪切力学特性试验的推力装置，其特征在于，包括推力筒组、沿所述推力筒组中心周向均布的多个推力组件以及套设在所述推力筒组外周壁上的防护筒(4.5)；

所述推力筒组包括可径向收缩的多个推力筒(4.1)，多个所述推力筒沿其轴向叠加设置，且相邻两所述推力筒之间不固连；

每个所述推力组件均包括一竖向布置的推板(4.2)、水平状布置且可伸缩的多根推力杆(4.3)和多个推力弹簧(4.4)，多根推力杆(4.3)在同一竖直面内沿上下方向布置，多根推力杆的外端均与推板相连，多根推力杆的内端与多个推力筒分别相连；每根推力杆上套设有一所述推力弹簧；

所述防护筒的侧壁上开设有多个侧孔(4.5a)，用于所述推力杆及所述推力弹簧穿设。

2.根据权利要求1所述的推力装置，其特征在于，所述推力筒为双层筒体结构，内层筒体与外层筒体同轴套装，所述内层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多片弧形钢片(4.1a)围成，所述外层筒体由沿其周向均匀间隔设置的多块弧形钢板(4.1b)围成，两相邻弧形钢板的间隔缝与两相邻弧形钢片的间隔缝内外错开设置，且每一块弧形钢板均与位于其内侧的两片弧形钢片能在所述推力筒的周向上水平滑动配合；多根推力杆的内端与弧形钢板分别相连且推力杆和弧形钢板一一对应设置。

3.根据权利要求2所述的推力装置，其特征在于，与同一所述推力筒相连的同一层推力杆位于同一水平面内，且同一层推力杆的内端均指向所述推力筒的中轴线。

4.根据权利要求3所述的推力装置，其特征在于，所述推力杆包括实心杆(4.3a)和空心杆(4.3b)，所述实心杆的内端与所述弧形钢板的外侧壁相连，所述实心杆的外端滑动插设在所述空心杆内。

5.根据权利要求4所述的推力装置，其特征在于，套设在同一层推力杆上的推力弹簧的自由长度相等，且从上至下每层推力杆上的推力弹簧的弹性系数线性递增。

6.根据权利要求4所述的推力装置，其特征在于，所述空心杆上设置有螺母(4.3c)，所述推力弹簧设置在所述螺母与所述弧形钢板之间，且所有推力弹簧的自由长度、弹性系数均相等。

7.根据权利要求2所述的推力装置，其特征在于，所述弧形钢片(4.1a)的外壁上设有沿所述内层筒体周向方向设置的滑动条(4.11)；所述弧形钢板(4.1b)的内壁上设有与所述滑动条相适配的滑动凹槽(4.12)。

8.根据权利要求2所述的推力装置，其特征在于，所述推力筒的数量为4～20个；每个所述推力筒中弧形钢板的数量与弧形钢片的数量相等，为4～12个。

9.根据权利要求1所述的推力装置，其特征在于，所述推力装置用于包覆在膜筒的外周壁上；多个所述推力筒的叠加高度与所述膜筒的高度相等。

10.根据权利要求1所述的推力装置，其特征在于，所述推板的上端和下端的两侧各设有一个用于限定推板上下位置的限位块(4.2a)。